阵列天线及其圆极化性能的提高方法与流程

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种阵列天线及其圆极化性能的提高方法。

背景技术

随着空间和通信技术的发展，圆极化天线以其巨大的优势，在无线领域中发挥着重要作用。天线圆极化是指天线所辐射的电磁波的瞬时电场矢量的轨迹为圆形或椭圆形。现有技术中实现天线圆极化的方式有单馈法、多馈法和多元法，其中，单馈法轴比带宽和驻波带宽都非常窄，很难满足宽频段要求；多元法实现的圆极化天线往往天线尺寸比较大，结构复杂，不利于集成；多馈法通过采用多个馈电点对天线的辐射贴片进行馈电，通过馈电网络保证天线的圆极化性能，并且多馈法可以克服天线轴比带宽和驻波带宽窄的问题。但是通过多馈法研究设计圆极化天线阵列，通常采用的方法都是建立一个单元天线的模型，以此为基础在周期边界条件下进行仿真设计，这种方法设计的阵列天线的圆极化性能不是最优的。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种冷却装置来克服或至少减轻现有技术中的至少一个上述问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种阵列天线，包括呈矩形阵列分布的第一单元、第二单元、第三单元以及第四单元，其中，所述第一单元、所述第二单元、所述第三单元以及所述第四单元的结构相同，并且在所述第一单元、所述第二单元、所述第三单元以及所述第四单元上均设置有馈电带状线，所述第二单元相对于所述第一单元偏转90度，所述第三单元相对于所述第一单元偏转180度，所述第四单元相对于所述第一单元偏转270度。

在上述阵列天线的优选技术方案中，所述第一单元与所述第二单元分布于所述矩形阵列的第一行，所述第三单元和所述第四单元分布于所述矩形阵列的第二行，所述第一单元和所述第四单元分布于所述矩形阵列的第一列，所述第二单元和所述第三单元分布于所述矩形阵列的第二列。

在上述阵列天线的优选技术方案中，所述第一单元包括金属地层，所述金属地层上叠设有第一介质层、第二介质层、第三介质层和第四介质层，所述馈电带状线设置于所述第一介质层和第二介质层之间，在所述第二介质层和所述第三介质层之间设置有金属耦合缝隙，在所述第三介质层和所述第四介质层之间设置有第一辐射贴片，在所述第四介质层上设置有第二辐射贴片。

在上述阵列天线的优选技术方案中，所述第二辐射贴片设置于所述第四介质层的中心，用于产生电磁波的瞬时电场矢量。

在另一方面，本发明还提供了一种阵列天线圆极化性能的提高方法，所述阵列天线瞬时电场矢量终端轨迹为椭圆，其特征在于，所述提高方法包括：以所述椭圆的圆心为原点，建立二维坐标系；分别获取所述第一单元、所述第二单元、所述第三单元和所述第四单元的瞬时电场矢量椭圆轨迹的长轴和短轴，其中，所述第一单元的长轴为a1，短轴为b1；所述第二单元的长轴为a2，短轴为b2；所述第三单元的长轴为a3，短轴为b3；所述第四单元的长轴a4，短轴为b4；分别对第二单元、第三单元和第四单元的馈电端口进行相应的相位补偿；将a1、a2、a3、a4和b1、b2、b3、b4进行叠加；将第一单元、第二单元、第三单元和第四单元组合成辐射单元；将所述辐射单元进行阵列化排布。

在上述提高方法的优选技术方案中，分别对第二单元、第三单元和第四单元的馈电端口进行相应的相位补偿，包括：获取第一单元两馈电端口的第一激励信号的相位值；将第一激励信号的相位值超前或者滞后90度，作为第二单元两馈电端口的第二激励信号的相位值；将第二激励信号的相位值超前或者滞后90度，作为第三单元两馈电端口的第三激励信号的相位值；将第三激励信号的相位值超前或者滞后90度，作为第四单元两馈电端口的第四激励信号的相位值。

在上述提高方法的优选技术方案中，将第一单元、第二单元、第三单元和第四单元组合成新的辐射单元，包括：将第一单元设置在所述阵列的第一行第一列；将第二单元设置在所述阵列的第一行第二列；将第三单元设置在所述阵列的第二行第二列；将第四单元设置在所述阵列的第二行第一列。

本领域技术人员能够理解的是，在本发明的优选技术方案中，通过改变阵列天线单元的结构，然后将天线单元进行有规律的旋转，使得阵列天线单元的瞬时电场矢量在二维坐标系中的x轴和y轴上的瞬时分量接近相等，从而使阵列天线电磁波的圆极化轨迹接近圆形，进而提高阵列天线圆极化性能。

附图说明

图1是本发明实施例提供的阵列天线单元的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的阵列天线单元的结构侧视图；

图3是本发明实施例提供的阵列天线单元的位置分布示意图；

图4是本发明实施例提供的阵列天线圆极化性能提高方法的流程示意图；

图5是本发明实施例提供的阵列天线圆极化性能提高方法的流程示意图；

图6是本发明实施例提供的阵列天线圆极化性能提高方法的流程示意图；

图7是本发明实施例提供的第一单元瞬时电场矢量椭圆轨迹示意图；

图8是本发明实施例提供的第二单元瞬时电场矢量椭圆轨迹示意图；

图9是本发明实施例提供的第三单元瞬时电场矢量椭圆轨迹示意图；

图10是本发明实施例提供的第四单元瞬时电场矢量椭圆轨迹示意图。

附图标记：

1、馈电带状线；2、第一辐射贴片；3、第二辐射贴片；4、金属耦合缝隙；5、金属地层；6、第一介质层；7、第二介质层；8、第三介质层；9、第四介质层；10、第一单元；11、第二单元；12、第三单元；13、第四单元。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为了更好的理解本发明，下面将结合附图，详细描述根据本发明实施例提供的阵列天线及其圆极化性能的提高方法，应注意，这些实施例并不是用来限制本发明公开的范围。

图1是本发明一实施例提供的阵列天线单元的结构示意图，图2是本发明一实施例提供的阵列天线单元的结构侧视图。如图1和图2所示，第一单元10包括金属地层5，金属地层5上依次设置有第一介质层6、第二介质层7、第三介质层8和第四介质层9，在第一介质层6和第二介质层7之间设置有馈电带状线1，在第二介质层7和第三介质层8之间设置有金属耦合缝隙4，在第三介质层8和第四介质层9之间设置有第一辐射贴片2，在第四介质层9上设置有第二辐射贴片3，其中，馈电带状线1为l型结构，在馈电带状线1的一端连接有馈电接插件，该馈电接插件用于连接外部激励信号源；第一辐射贴片2设置于第三介质层8的中心位置，第二辐射贴片3设置在第四介质层9的中心位置；两个金属耦合缝隙4分别设置在两个馈电带状线1的上方。

本领域技术人员能够理解的是，激励信号源通过馈电接插件将电磁波传输给馈电带状线1，馈电带状线通过上方的金属耦合缝隙4将电磁波传输给第一辐射贴片2，第一辐射贴片2将电磁波传输给第二辐射贴片3，第二辐射贴片3将电磁波辐射到空间中。

阵列天线是由若干个结构相同的天线单元按一定规律排布组合构成，为了使本领域技术人员能够更好的理解本发明的技术方案，下面结合一个具体的实施方式来进行说明。

参见图3，图3是本发明一实施例提供的阵列天线单元的位置分布示意图。如图3所示，阵列天线包括呈阵列分布的第一单元10、第二单元11、第三单元12以及第四单元13，其中，第一单元10、第二单元11、第三单元12以及第四单元13的结构相同，并且在第一单元10、第二单元11、第三单元12以及第四单元13上均设置有馈电带状线1，第一单元10与第二单元11分布于阵列的第一行，第三单元12和第四单元13分布于阵列的第二行，第一单元10和第四单元13分布于阵列的第一列，第二单元11和第三单元12分布于阵列的第二列，其中，第二单元11相对于第一单元10偏转90度，第三单元12相对于第一单元10偏转180度，第四单元13相对于第一单元10偏转270度。

在一个示例中，第一单元10产生一个具有一定方向的瞬时电场矢量，第二单元11也产生一个具有一定方向的瞬时电场矢量，由于第二单元11相对于第一单元10偏转90度，从而使得第二单元11产生的瞬时电场矢量的方向相对于第一单元10产生的瞬时电场矢量的方向也偏转90度，在同一二维坐标系下，分别对第一单元10的瞬时电场矢量和第二单元11的瞬时电场矢量进行分解，得到第一单元10的瞬时电场矢量在x轴和y轴上的瞬时分量和第二单元11的瞬时电场矢量在x轴和y轴上的瞬时分量，然后对x轴和y轴上的瞬时分量进行叠加和/后补偿。

在另一示例中，采用上述的方法，分别得到第一单元10、第二单元11、第三单元12和第四单元13在同一二维坐标系的x轴和y轴的瞬时分量，对其进行叠加和/或补偿，本领域技术人员能够理解的是，瞬时电场矢量相对于坐标轴上的瞬时分量，具有长轴和短轴，第一单元10、第二单元11、第三单元12和第四单元13的瞬时电场矢量之间的夹角均为90度，也就是说，每个单元的瞬时电场矢量在二维坐标系的x轴上具有长轴并且在y轴上具有短轴，或者每个单元的瞬时电场矢量在二维坐标系的x轴上具有短轴并且在y轴上具有长轴，通过将其叠加和/或补偿，能够使得x轴上的分量与y轴上的分量相等或接近，从而能够提高阵列天线的圆极化性能。

在另一方面，本发明的实施例提供了一种阵列天线圆极化性能的提高方法，如图4所示，阵列天线圆极化性能的提高方法包括以下步骤：

s401，以椭圆形轨迹的圆心为原点，建立二维坐标系。

其中，阵列天线圆极化的轨迹为椭圆形。

s402，分别获取第一单元、第二单元、第三单元和第四单元的瞬时电场矢量椭圆轨迹的长轴和短轴，其中，第一单元、第二单元、第三单元和第四单元的长轴分别为a1、a2、a3、a4，第一单元、第二单元、第三单元和第四单元的短轴分别为b1、b2、b3、b4。

其中，第一单元的瞬时电场矢量椭圆轨迹的长轴a1和短轴b1如图7所示，第二单元的瞬时电场矢量椭圆轨迹的长轴a2和短轴b2如图8所示，第三单元的瞬时电场矢量椭圆轨迹的长轴a3和短轴b3如图9所示，第四单元的瞬时电场矢量椭圆轨迹的长轴a4和短轴b4如图10所示。

s403，分别对第二单元、第三单元和第四单元的馈电端口进行相应的相位补偿。

需要说明的是，第二单元上设置有两个相位相差90度的馈电端口，同时增加或者减小每个馈电端口处的相位值，即实现对馈电端口进行相位补偿。类似地，第三单元和第四单元也采用上述的方法对其进行相位补偿。

具体地，参见图5，分别对第二单元、第三单元和第四单元的馈电端口进行相应的相位补偿包括以下步骤：

s501，获取第一单元两馈电端口的第一激励信号的相位值。

s502，将第一激励信号的相位值超前或者滞后90度，作为第二单元两馈电端口的第二激励信号的相位值。

s503，将第二激励信号的相位值超前或者滞后90度，作为第三单元两馈电端口的第三激励信号的相位值。

s504，将第三激励信号的相位值超前或者滞后90度，作为第四单元两馈电端口的第四激励信号的相位值。

s404，将a1、a2、a3、a4和b1、b2、b3、b4进行叠加。

s405，将第一单元、第二单元、第三单元和第四单元组合成新的辐射单元。

s406，将所述辐射单元进行阵列化排布。

为了进一步地理解本发明实施例提供的技术方案，下面以阵列天线具有四个瞬时电场矢量为例来进行详细的说明。

如图6所示，将第一单元、第二单元、第三单元和第四单元组合成新的辐射单元包括以下步骤：

s601，将第一单元设置在所述阵列的第一行第一列。

s602，将第二单元设置在所述阵列的第一行第二列。

s603，将第三单元设置在所述阵列的第二行第二列。

s604，将第四单元设置在所述阵列的第二行第一列。

下面结合一个具体的示例来对本发明的技术方案进行进一步的说明。

以第一单元为参考，将第二单元以其中心为旋转轴旋转90°，将第三单元以其中心为旋转轴旋转180°，将第四单元以其中心为旋转轴旋转270°。假设第一单元的瞬时电场矢量在x方向上的分量为长轴，在y方向上的分量为短轴，那么第二单元的瞬时电场矢量在x方向上的分量为短轴，在y方向上的分量为长轴，第三单元的瞬时电场矢量在x方向上的分量为长轴，在y方向上的分量为短轴，第四单元的瞬时电场矢量在x方向上的分量为短轴，在y方向上的分量为长轴。最终，天线旋转后组成的2*2阵列所辐射的电磁波的瞬时电场矢量在x方向和y方向上的分量相等。

阵列中每个单元的每个馈电口的相位具体设置为：第一单元中端口1相位为0°，端口2相位为90°；第二单元中端口3相位为90°，端口4相位为180°；第三单元中端口5相位为-180°，端口6相位为-90°；第四单元中端口7相位为-90°，端口8相位为0°。

通过将天线阵列中的单元进行有规律的布阵后，在1.9ghz-2.3ghz的频带范围内，阵列天线的轴比接近于1，而通过简单的平移布阵得到的阵列天线的轴比在1.1-1.35之间。这说明本发明的天线布阵方式可以有效的减小圆极化天线阵列的轴比，大大的提高圆极化阵列天线的圆极化效率和性能，并且天线的辐射性能没有降低。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。