CN101710651A - 适用于移动卫星通信终端的平面天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及适用于移动卫星通信终端的天线。该天线包括两根垂直极化阵、两根水平极化阵和两根馈电波导，所述垂直极化阵为具有宽边辐射纵缝的脊波导，所述水平极化阵为具有窄边辐射斜缝的矩形辐射波导，特点是：两根脊波导和两根辐射波导平行并排交错放置，形成双极化线阵；辐射波导的高度高于脊波导；一根馈电波导正交位于双极化线阵一端底部，另一根馈电波导正交位于双极化线阵另一侧底部；两根脊波导和两根辐射波导与馈电波导之间分别设有贯通的倾斜偶合缝和偶合纵缝。本发明通过耦合馈电，使天、馈线一体化，大大降低了天线的高度和重量，简化了天线的结构，简化了馈电网络的设计。本发明具有低剖面、高增益，特别适用于移动载体的卫星通信终端。

Description

适用于移动卫星通信终端的平面天线

技术领域

本发明属于通信技术领域，它特别涉及一种适用于移动卫星通信终端的天线。

技术背景

卫星通信不仅可以实现保密通信，而且通信覆盖区域大、通信距离远、通信成本不随距离增加而增加。卫星通信不仅可以进行话音通信而且还能传送数据、传真以及图像等。因此，卫星通信在各个行业，特别是在普通通信无法实现的一些地方，如浩瀚无际的海洋上等，都得到了广泛使用。卫星通信弥补了GSM(GPRS)、CDMA等移动通信系统需要依赖大量基站的缺点，使人们在任何时候、任何地点、任何情况下(甚至高速移动中)都能很好的进行通信的奋斗目标成为可能。

卫星通信从20世纪60年代开始进入实用阶段，发展到70年代末，地球站设备不断减小，建立直接安装在用户所在地的小型站已成为可能，这就是所谓的VSAT(Very SmallAperture Terminal)。VSAT卫星通信系统的发展过程可以分为三个阶段：第一阶段：固定式VAST卫星系统，多为反射面天线，体积大，架设安装复杂，寻星时间长，无法在移动中使用；第二阶段：机械跟踪式VAST卫星系统，体积大，架设安装复杂，寻星较迅速，可以在移动中使用；第三阶段：移动超小型端机VAST卫星系统，体积小，架设简单，寻星迅速，可以在移动中使用。

车辆、舰船等运动载体在运动中的卫星通信系统称为“动中通”，即移动卫星通信终端。动中通卫星通信系统虽然兴起不久，但由于它具有即使在高速运动的载体上也能很好的解决宽带多媒体信息，特别是高质量的视频图像的实时传输问题，受到了广泛的关注，得到许多应用和迅速的发展，它特别适合于军用和民用中应急移动通信和突发事件现场的指挥通信。

目前，在移动通信系统中使用的天线形式以反射面和多层微带较多，其在性能上各有特点，但均有其致命的缺点。

反射面天线：是静止状态下卫星通信天线的主要形式，其增益较高、易加工，但体积大、重量重、架设安装时间长，用于移动卫星通信，体积、重量和高度的缺陷越发明显，不再适用。

多层微带天线是低轮廓栅板式天线的主要形式，在美国、韩国等国家已形成产品，但价格十分昂贵。且多层微带天线效率低、造成系统馈电网络复杂、成品率低、系统造价昂贵，不适合民用产品。

由于卫星通信使用频率分集，卫星通信终端必须使用正交双极化天线。常规的波导裂缝双极化天线利用两种不同缝隙实现，须两套馈电网络，需要较大空间排布，致使馈电网络十分复杂，体积大，加工难度高，成本高。虽可用微带网络减小空间，但损耗却使人不能接受，因而大大限制了其应用范围。

发明内容

为了避免上述移动通信系统中使用的天线存在的不足之处，本发明提供的一种低剖面、高增益的适用于移动卫星通信终端的平面天线。

本发明采用耦合馈电的方式，可将两套网络在一层内排布，大大减小了馈电网络的复杂度，减小了天线的体积，降低了天线的剖面，损耗小，适于安装在移动载体上，作为通信终端。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

适用于移动卫星通信终端的平面天线包括两根垂直极化阵、两根水平极化阵和两根馈电波导5，所述垂直极化阵为具有宽边辐射纵缝的脊波导1，所述水平极化阵为具有窄边辐射斜缝的矩形辐射波导2；

两根脊波导1和两根辐射波导2平行并排交错放置，形成双极化线阵；相邻的两根辐射波导2端部由U形波导弯头连接；且辐射波导2的高度高于脊波导1；一根馈电波导5正交位于双极化线阵一端底部，另一根馈电波导6正交位于双极化线阵另一侧底部；两根脊波导1的两端封闭，两根辐射波导2的两端封闭，馈电波导5和另一根馈电波导6的一端封闭，另一端馈电；

所述两根脊波导1和馈电波导5之间设有贯通的倾斜偶合缝7，两根辐射波导2端部的U形波导弯头处和另一根馈电波导6之间设有贯通的偶合纵缝8。

所述相邻两根脊波导1的间距L2为垂直方向单元间距，L2＝λ_gv/2，其中λ_gv为馈电波导5的导波长，由垂直方向单元间距决定；脊波导1的两端辐射纵缝3中心与脊波导1端面的间距Lsh1≈0.25λ_gv，辐射纵缝3的缝长Ls1≈0.5λ₀，辐射纵缝3的间距L1为水平方向单元间距，L2＝λ_gh/2，其中λ_gh为脊波导1的导波长，由水平方向单元间距决定；这里的垂直方向指与馈电波导5平行的方向，水平方向指与辐射波导平行的方向；辐射纵缝3的偏置a与脊波导1上的辐射缝的个数有关，a＝0-k/2，其中k为脊波导1的宽边尺寸。

所述辐射波导2的辐射斜缝4中心与辐射波导2端面的间距Lsh4≈0.25λ_gh，为满足谐振长度，辐射斜缝4需由窄边下切，长为t，辐射斜缝4缝长k2+2×t≈0.5λ₀，辐射斜缝4的倾角β与辐射波导2上的辐射缝的个数有关，β＝0°～90°，其中k2为矩形辐射波导2的窄边尺寸。

所述倾斜偶合缝7的倾斜角度为0-90度，与封闭端邻近的倾斜耦合缝7与馈电波导5封闭端的间距Lsh2≈0.5λ_gv，倾斜耦合缝7的缝长Ls2≈0.5λ_gv；其中λ_gv为另一根馈电波导6的导波长。

所述另一根馈电波导6的封闭端与相邻的耦合纵缝8之间的间距Lsh5≈0.25λ_gv，耦合纵缝8的缝长Lc≈0.5λ_gv。耦合中缝的偏置b大小与馈电波导5上的耦合中缝的个数有关，b＝0-k3/2，其中k3为另一根馈电波导6的宽边尺寸。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明通过耦合馈电，使天、馈线一体化，大大降低了天线的高度和重量，简化了天线的结构，简化了馈电网络的设计。

2、本发明利用U形波导弯头后，两个相邻的的辐射波导2内的相位刚好相反的特点，有效的抑制了天线阵的交叉极化。这种形式较常用的微带具有高交叉极化水平、高增益。

3、具有低剖面、高增益，特别适用于移动载体的卫星通信终端。

4、所述的双极化天线还可通过对其后面连接的馈线进行设计，实现圆极化天线、双圆极化天线、任意线极化天线等。

附图说明

图1为本发明结构示意图，

图2为图1的俯视图，

图3为图1的侧视图，

图4为本发明馈电波导与脊波导的配合示意图，

图5为图4的俯视图，

图6为脊波导结构示意图，

图7为馈电波导结构示意图，

图8为馈电波导与矩形辐射波导的配合示意图，

图9为图8的俯视图，

图10为图8的侧视图，

图11为本发明双极化天线组阵示意图，

图12为本发明天线的方位面测试波瓣图，

图13为本发明天线的俯仰面测试波瓣图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

实施例1：

参见图1、图2和图3，适用于移动卫星通信终端的平面天线，包括两根垂直极化阵、两根水平极化阵和两根馈电波导，垂直极化阵为具有宽边辐射纵缝的脊波导1，水平极化阵为具有窄边辐射斜缝的矩形辐射波导2。

垂直极化阵为脊波导1宽边辐射纵缝3谐振阵，水平极化阵为矩形辐射波导2窄边辐射斜缝4谐振阵。两根脊波导1和两根辐射波导2平行并排交错放置，形成双极化线阵，见图2；两根独立的脊波导1和辐射波导2，一根宽边朝上放置，另一根窄边朝上放置，这两根波导均需放在一个单元间距内。相邻的两根辐射波导2的端部由U形波导弯头连接。两种波导的高度不等，其中窄边朝上放置的辐射波导2的高度高于脊波导1，可通过调整它们的高度差，来有效抑制窄边斜缝阵的交叉极化。

一根馈电波导5正交位于双极化线阵一端底部，另一根馈电波导6正交位于双极化线阵另一侧底部；两根脊波导1的两端封闭，两根辐射波导2的两端封闭，馈电波导5和另一根馈电波导6的一端封闭，另一端馈电；

两根脊波导1和馈电波导5之间设有贯通的倾斜偶合缝7。脊波导1的馈电采用倾斜耦合缝7耦合，如图4-图6所示，辐射脊波导1与馈电波导5宽边相对、正交放置，在脊波导1与馈电波导5之间通过倾斜耦合缝7连通，倾斜耦合缝7将脊波导1的脊完全切通，以保证倾斜耦合缝7所需的谐振长度。可根据实际需要确定采用偏馈或中馈，偏馈只是馈电耦合缝的位置不在倾斜耦合缝的中心，其他的(如辐射纵缝3的偏置、各缝导纳之和等)与中馈相同。

两根辐射波导2端部的U形波导弯头处和另一根另一根馈电波导6之间设有贯通的偶合纵缝8。窄边开缝的辐射波导2馈电采用耦合纵缝8耦合，如图7-图10所示。若采用辐射波导2窄边与另一根馈电波导6宽边相对、正交放置，在它们的交叉部分开缝耦合，由于谐振长度的限制，很难达到所需的耦合度，也就不能保证每个缝所需的能量分配。本发明中，将相邻的两根辐射波导2在端头处以U形波导弯头合起来，将端头部分波导窄边与另一根馈电波导6相对、平行放置，辐射波导2与另一根馈电波导6之间通过耦合纵缝8连接。

窄边辐射斜缝阵采用了反相馈电技术，使两相邻辐射波导2相同位置的辐射缝倾斜方向相反，那么两个相同位置辐射缝的主极化的场分量方向反相，而交叉极化的场分量方向不变，若使这两根波导馈入的相位相差180°，则两主极化叠加时相位相同，而交叉极化叠加时相位相反，互相抵消，达到了降低主面交叉极化的目的。如图8所示，由耦合缝馈入的信号，经U形波导弯头后，在两个分支的辐射波导内的相位刚好相反，利用这个特点，无需另加180°移相装置，即可实现反相馈线。

上述的脊波导1与矩形波导的高度差s≈0.25λ₀，λ₀＝c/f₀，式中c＝3.0×10⁸，为自由空间的光速，f₀为中心频率。本例s＝6mm，f₀＝12.5GHz。

上述的脊波导1上有6个辐射缝，相邻两根脊波导1的间距L2为垂直方向单元间距，L2＝＝λ_gv/2，其中λ_gv＝35mm，为馈电波导5的导波长，由垂直方向单元间距决定。脊波导1的两端封闭，两边辐射纵缝3中心与脊波导1端面的间距Lsh1≈0.25λ_gv，辐射纵缝3的缝长Ls1≈0.5λ₀，辐射纵缝3的间距L1为水平方向单元间距，L2＝λ_gh/2，其中λ_gh＝35mm，为脊波导1的导波长，由水平方向单元间距决定。这里的垂直方向指与馈电波导5平行的方向，水平方向指与辐射波导平行的方向。辐射纵缝3的偏置a与脊波导1上的辐射缝的个数有关，a＝0～k/2，其中k为脊波导1的宽边尺寸。本例Ls1＝13mm，L1＝L2＝17.5mm，a＝3.55mm，k＝9mm。

上述的馈电波导5的一端封闭，另一端馈电，与封闭端邻近的倾斜耦合缝7与馈电波导封闭端的间距Lsh2≈0.5λ_gv，倾斜耦合缝7的缝长Ls2≈0.5λ_gv，缝的倾角θ＝0°~90°与馈电波导5上的耦合缝的个数有关，相邻倾斜缝的倾斜方向相反，但倾斜角相同，本例Lsh2＝17.5mm，Ls2＝11mm，θ＝20°，倾斜耦合缝的宽为2.2mm。

上述的辐射波导上有6个辐射缝，相邻两根辐射波导2的两端封闭，另一端用U形波导弯头连接，辐射斜缝4中心与辐射波导2端面的间距Lsh4≈0.25λ_gh，为满足谐振长度，辐射斜缝4由需窄边下切，长为t，辐射斜缝4缝长k2+2×t≈0.5λ₀，其中k2为矩形辐射波导2的窄边尺寸。辐射斜缝4的倾角β＝0°~90°，与辐射波导2上的辐射缝的个数有关，本例β＝64°，k2＝6mm。

上述的另一根馈电波导6的一端封闭，另一端馈电，另一根馈电波导6与辐射波导2以耦合纵缝8连通，与封闭端邻近的耦合纵缝8与馈电波导封闭端的间距Lsh5≈0.25λ_gv，耦合纵缝8的缝长Lc≈0.5λ_gv＝17.5mm，缝的偏置b与馈电波导5上的耦合纵缝的个数有关，0＜b＜k3/2，其中k3为另一根馈电波导6的宽边尺寸。本例b＝7.5mm，k3＝16.5mm。

实施例2：

参见图1、图11，适用于移动卫星通信终端的平面天线，包括垂直极化阵、水平极化阵和两根馈电波导，垂直极化阵为具有宽边辐射纵缝的脊波导1，水平极化阵为具有窄边辐射斜缝的矩形辐射波导2。天线有脊波导1和矩形辐射波导2交替放置，通过两种形式缝隙形成一个双极化线源，见图1。双极化天线阵则由这些交替放置的双极化线源组成的阵面，见图11，为一个6×8单元的天线阵。

上述的双极化天线阵面内的脊波导1的口径尺寸宽k＝9.5mm，高位7mm，脊高为3mm。窄边斜缝波导为矩形辐射波导2，矩形辐射波导2的口径见图3所示，矩形波导为竖立，即窄边向上放置。矩形辐射波导2的宽16.5mm，高为k2＝6mm。

上述的脊波导1上有6个辐射缝，分布在波导中心的两侧，每根波导上的缝长、宽和偏置大小相同，缝间距均为L1＝17.5mm，两边终端辐射缝中心与短路板的距离Lsh1＝8.75mm，辐射缝长Ls1＝13mm，偏置a＝3.55mm。

上述的矩形辐射波导2窄边共有6个辐射缝，每根波导上缝的长、宽、倾角大小相同，缝中心间距均为L1，相邻斜缝倾斜方向相反，但倾角均为β＝64°。两边终端辐射缝中心距短路板为Lsh4＝8.75mm。每个缝沿波导两臂(即宽边)下切一定尺寸，以保证谐振长度。这里下切尺寸为t＝2.2mm(若考虑1mm壁厚，总下切为3.2mm)。

天线由脊波导1和竖立的矩形辐射波导2交替放置，通过两种形式缝隙形成一个双极化线源，方位则由这些交替放置的双极化线源组成，这些线源的相对间距为17.5mm。

两种波导由于放置的形式不同，造成了耦合方式的不同，脊波导通过偏馈的方式，每根脊波导的馈电点位于第一、第二个缝中间，将6个缝分为1与5的组合，一根脊波导对应一个耦合缝，相连脊波导的耦合缝倾角方向相反，但倾角大小相同。矩形辐射波导由于窄边向下，先将两个线源在一端用U形波导弯头连接起来，在U形连接波导的中间通过直缝耦合，这样，每两根波导只需要一个耦合缝。

上述的脊波导1馈电耦合缝为倾斜耦合缝7，缝间距为垂直单元间距L2＝17.5mm，该耦合斜缝中心距耦合馈电波导短路面约半个导波长，即Lsh2＝17.5mm，耦合缝长Ls2＝11.6mm，倾角为θ＝60°。

上述的矩形辐射波导的馈电耦合纵缝8对耦合另一根馈电波导6来说为宽边纵缝，因每两根波导共用一个耦合缝，缝间距为2×L2＝35mm，耦合纵缝8中心距另一根馈电波导6短路面距离Lsh5＝8.75mm，每根耦合波导上的每个耦合纵缝的长Lc＝17.2mm、偏置b＝6.25mm。

图12和图13给出了上述双极化天线阵的方向图，该双极化天线阵包含6×8个单元，其中图12为水平极化方向图，图13为垂直极化方向图。由图中可见天线的极化隔离在30dB以上，适用于移动卫星通信终端的平面天线。

Claims (5)

1.适用于移动卫星通信终端的平面天线，包括两根垂直极化阵、两根水平极化阵和两根馈电波导(5)，所述垂直极化阵为具有宽边辐射纵缝的脊波导(1)，所述水平极化阵为具有窄边辐射斜缝的矩形辐射波导(2)，其特征在于：

两根脊波导(1)和两根辐射波导(2)平行并排交错放置，形成双极化线阵；相邻的两根辐射波导(2)端部由U形波导弯头连接；且辐射波导(2)的高度高于脊波导(1)；一根馈电波导(5)正交位于双极化线阵一端底部，另一根馈电波导(6)正交位于双极化线阵另一侧底部；两根脊波导(1)的两端封闭，两根辐射波导(2)的两端封闭，馈电波导(5)和另一根馈电波导(6)的一端封闭，另一端馈电；

所述两根脊波导(1)和馈电波导(5)之间设有贯通的倾斜偶合缝(7)，两根辐射波导(2)端部的U形波导弯头处和另一根馈电波导(6)之间设有贯通的偶合纵缝(8)。

2.根据权利要求1所述的适用于移动卫星通信终端的平面天线，其特征在于：所述相邻两根脊波导(1)的间距L2为垂直方向单元间距，L2＝λ_gv/2，其中λ_gv为馈电波导(5)的导波长，由垂直方向单元间距决定；脊波导(1)的两端辐射纵缝(3)中心与脊波导(1)端面的间距Lsh1≈0.25λ_gv，辐射纵缝(3)的缝长Ls1≈0.5λ₀，辐射纵缝(3)的间距L1为水平方向单元间距，L2＝λ_gh/2，其中λ_gh为脊波导(1)的导波长，由水平方向单元间距决定；这里的垂直方向指与馈电波导(5)平行的方向，水平方向指与辐射波导平行的方向；辐射纵缝(3)的偏置a与脊波导(1)上的辐射缝的个数有关，a＝0-k/2，其中k为脊波导(1)的宽边尺寸。

3.根据权利要求1所述的适用于移动卫星通信终端的平面天线，其特征在于：所述辐射波导(2)的辐射斜缝(4)中心与辐射波导(2)端面的间距Lsh4≈0.25λ_gh，为满足谐振长度，辐射斜缝(4)需由窄边下切，长为t，辐射斜缝(4)缝长k2+2×t≈0.5λ₀，辐射斜缝(4)的倾角β与辐射波导(2)上的辐射缝的个数有关，β＝0°～90°，其中k2为矩形辐射波导(2)的窄边尺寸。

4.根据权利要求1所述的适用于移动卫星通信终端的平面天线，其特征在于：所述倾斜偶合缝(7)的倾斜角度为0-90度，与封闭端邻近的倾斜耦合缝(7)与馈电波导(5)封闭端的间距Lsh2≈0.5λ_gv，倾斜耦合缝(7)的缝长Ls2≈0.5λ_gv；其中λ_gv为另一根馈电波导(6)的导波长。

5.根据权利要求1所述的适用于移动卫星通信终端的平面天线，其特征在于：所述另一根馈电波导(6)的封闭端与相邻的耦合纵缝(8)之间的间距Lsh5≈0.25λ_gv，耦合纵缝(8)的缝长Lc≈0.5λ_gv。耦合中缝的偏置b大小与馈电波导(5)上的耦合中缝的个数有关，b＝0-k3/2，其中k3为另一根馈电波导(6)的宽边尺寸。

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