应用于GNSS的紧凑型宽带宽波束单馈圆极化天线

本发明涉及天线，尤其涉及应用于gnss的紧凑型宽带宽波束单馈圆极化天线。

背景技术：

1、圆极化天线与线极化天线相比，具有如覆盖范围大、减少多径效应失真、降低极化失配损失以及消除对电离层引起的法拉第旋转效应的影响等的固有特质而引起了广泛的关注。由于这些优点，圆极化天线在许多现代和未来的无线通信系统中发挥着至关重要的作用，例如无线通信、射频识别、雷达系统、无线局域网和全球导航定位系统等。因此，圆极化天线成为了工程应用中较为理想的选择。

2、宽带天线已经是一种发展趋势，圆极化天线的理想性能是宽频带、结构紧凑包含多个工作频率、宽波束宽度等。多馈点技术通常可以实现更宽的阻抗带宽和轴比带宽，但大多数需要外部同时配置耦合器或功率分配器，会不可避免地增加天线系统的整体尺寸、损耗以及拓扑复杂性。通常，多馈天线使用顺序旋转馈电技术可以解决这一问题。顺序旋转馈电技术可以摒弃传统馈电网络所需的耦合器或功率分配器，通过结构上的设计来得到所需要的匹配以及轴比性能。因此，通过顺序旋转馈电技术对天线进行馈电，从而产生宽带圆极化辐射波的研究得到了广泛的关注。馈电结构的小型化也可以使得天线易于集成。此外，在导航领域，为了实现实时高精度定位准确，性能方面圆极化天线需要具有较宽的波束宽度。对于导航天线，为了能在广角范围内保持较高的极化纯度，需要尽可能地展宽圆极化天线的3-db轴比波束宽度，如全球定位系统终端需要超过120°的3-db轴比波束宽度来接收卫星信号。在展宽3-db轴比波束宽度的同时，半功率波束宽度也是不可忽略的性能指标。为了接收信号更加稳定，增加低海拔信号接收质量的效果，同时拓宽天线的覆盖范围，半功率波束宽度在范围稳定的前提下也不能过窄。

3、基于以上几点，本发明提出应用于gnss的紧凑型宽带宽波束单馈圆极化天线，具有宽带、宽波束宽度、馈电简单以及结构紧凑的特点。

技术实现思路

1、根据现有技术存在的问题，本发明公开了应用于gnss的紧凑型宽带宽波束单馈圆极化天线，包括：环形开槽辐射环、环形开槽地板、十二边形介质板、环形微带馈线、超表面结构、腔形介质板、腔形地板、匹配电阻和馈电端口。

2、所述环形开槽辐射环包括环形辐射主体、6条相同的交错耦合槽和6个相同的枝节；所述环形开槽辐射环每一条交错耦合槽包括第一直槽、第二直槽和弧形凹槽；所述交错耦合槽按每条60°的间隔放置在环形辐射主体上；所述环形开槽辐射环上每一个枝节放置在两条交错耦合槽中间，且按每个60°的间隔放置在环形辐射主体上；所述环形开槽辐射环位于十二边形介质板上方，且与环形开槽地板圆心重合；

3、所述环形开槽地板包括环形地板和6个相同的地板开槽；所述地板开槽按每条60°的间隔放置在环形地板的内侧；所述环形开槽地板位于十二边形介质板上方，且与环形开槽辐射环通过枝节在地板开槽边缘连接；

4、所述十二边形介质板位于环形开槽辐射环和环形开槽地板下方，位于环形微带馈线上方，其中心位置均重合；

5、所述环形微带馈线包括弧形微带馈线、第一短矩形微带馈线和第二短矩形微带馈线；所述第一短矩形微带馈线和第二短矩形微带馈线分别位于弧形微带馈线的两末端，另一端与匹配电阻和馈电端口分别相连接；所述环形微带馈线位于地板开槽下方；所述环形微带馈线位于十二边形介质板下方，且二者中心位置重合；

6、所述超表面结构包括多个正方形金属贴片，按照相同的间距排列；所述超表面结构位于腔形介质板的内侧；

7、所述腔形介质板包括底面介质板和6个相同的长方形侧壁介质板；所述长方形侧壁介质板紧贴底面介质板的边缘，且顺序连接放置；所述腔形介质板位于十二边形介质板下方，对其起支撑作用；

8、所述腔形地板包括底面地板和侧壁地板；所述侧壁地板尺寸与腔形介质板外壁相同；所述腔形地板位于腔形介质板的外侧。

9、进一步地，所述交错耦合槽的第一直槽和第二直槽尺寸相同，分别相接于弧形凹槽两端；所述环形开槽辐射环上6个相同交错耦合槽的引入能显著改善阻抗特性，并且能减小辐射环的整体尺寸；所述弧形凹槽的旋转方向决定天线的极化形式。

10、进一步地，所述地板开槽通过枝节与环形开槽辐射环连接，并通过其下的环形微带馈线与其产生耦合，对环形开槽辐射环进行顺序旋转馈电，使其产生稳定的圆极化辐射。

11、进一步地，所述十二边形介质板外接圆半径与腔形介质板横切面外接圆半径相同，以简化天线组装。

12、进一步地，所述环形微带馈线一端连接50-ω匹配电阻，另一端连接同轴线馈电端口，通过调节环形微带馈线半径和馈线宽度，以及地板开槽长度获得较宽的轴比带宽。

13、进一步地，所述超表面结构位于环形开槽辐射环下方；通过设置所述正方形金属贴片的大小和间距，可改变超表面结构的反射相位，从而改善了后向辐射导致的增益较小，同时改善了3-db轴比波束宽度。

技术特征：

1.一种应用于gnss的紧凑型宽带宽波束单馈圆极化天线，其特征在于包括：环形开槽辐射环(1)、环形开槽地板(2)、十二边形介质板(3)、环形微带馈线(4)、超表面结构(5)、腔形介质板(6)、腔形地板(7)、匹配电阻(8)和馈电端口(9)；

2.根据权利要求1所述的应用于gnss的紧凑型宽带宽波束单馈圆极化天线，其特征在于：所述交错耦合槽(12)的第一直槽(121)和第二直槽(122)尺寸相同、分别相接于弧形凹槽(123)的两端；所述交错耦合槽(12)用于改善阻抗特性、减小辐射环的整体尺寸，所述弧形凹槽(123)的旋转方向决定天线的极化形式。

3.根据权利要求1所述的应用于gnss的紧凑型宽带宽波束单馈圆极化天线，其特征在于：所述地板开槽(22)通过枝节(13)与环形开槽辐射环(1)相连接，并通过环形微带馈线(4)与其产生耦合，对环形开槽辐射环(1)进行顺序旋转馈电，使其产生稳定的圆极化辐射。

4.根据权利要求1所述的应用于gnss的紧凑型宽带宽波束单馈圆极化天线，其特征在于：所述十二边形介质板(3)外接圆半径与腔形介质板(6)横切面外接圆半径相同。

5.根据权利要求1所述的应用于gnss的紧凑型宽带宽波束单馈圆极化天线，其特征在于：所述环形微带馈线(4)一端连接50-ω匹配电阻(8)，另一端连接同轴线馈电端口(9)，通过调节环形微带馈线(4)半径和馈线宽度，以及地板开槽(22)长度获得较宽的轴比带宽。

6.根据权利要求1所述的应用于gnss的紧凑型宽带宽波束单馈圆极化天线，其特征在于：所述超表面结构(5)位于环形开槽辐射环(1)的下方；通过设置所述正方形金属贴片(51)的大小和间距、改变超表面结构(5)的反射相位，从而改善后向辐射导致的增益较小，展宽3-db轴比波束宽度。

技术总结本发明公开了一种应用于GNSS的紧凑型宽带宽波束单馈圆极化天线，包括环形开槽辐射环、环形开槽地板、十二边形介质板、环形微带馈线、超表面结构、腔形介质板、腔形地板、匹配电阻和馈电端口。环形开槽辐射环包括环形辐射主体、6条相同的交错耦合槽和6个相同的枝节。所述开槽地板有六处开槽，与环形开槽辐射环同层，位于十二边形介质板上方。本发明采用顺序旋转馈电，无需复杂的馈电网络即可使天线获得宽工作带宽，并通过在设计中引入超表面结构使微带环形天线获得了较宽的轴比波束宽度。该天线实现了宽带宽、体积小、集成简单、馈电简单，并在工作频段范围内各个导航频点实现了宽轴比波束和稳定的半功率波束的性能，适用于导航系统。技术研发人员：刘宏梅,刘思含,曾佑杰,裴彦杰,王钟葆受保护的技术使用者：大连海事大学技术研发日：技术公布日：2024/9/9