CN102891374B - 一种三频一体化天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三频一体化天线，该天线由L、S辐射单元和UHF辐射单元两大部分组成。其中L、S辐射单元包含多个金属套筒馈电探针、L\S馈电网络、上下辐射片及反射腔。UHF辐射单元包含多个螺旋线、支撑套筒、馈电连接部分、UHF馈电网络和底座；螺旋线绕于支撑套筒上，螺旋线的底端通过馈电连接部分与UHF馈电网络输出端口相连；UHF馈电网络安装于底座内部。本发明的天线具有较高的相位中心稳定度、可覆盖UHF、L和S频段，结构紧凑、尺寸小、能够满足星载或机载要求。

Description

一种三频一体化天线

技术领域

本发明涉及一种天线，特别是一种三频一体化天线。

背景技术

随着泛星测量技术的发展，要求天线能工作在宽频带甚至多个频段，以接收或发射不同频段的信号，同时在限定的口径内，对天线的尺寸、重量方面等通常都提出了比较苛刻的要求，并且为了保证测量精度，还要求天线具有较高的相位中心稳定度。因此，高性能、结构紧凑的三频或多频天线技术已成为当前急需解决的问题。

而目前的三频或多频天线一般采用基于介质加载的微带叠层天线，如专利“一种三频圆极化层叠微带天线”(申请号：CN201020274629.2)，以及专利“一种三频双圆极化GPS微带贴片天线的设计”(申请号：CN200710099068.X)，这类天线在满足多频段工作需求情况下，减小了天线体积且降低了成本，但是这类天线辐射效率较低，各频点间互耦严重，调试困难，同时由于采用探针直接馈电，每个频带覆盖带宽较窄，并且相位中心稳定性较差。而专利“平面三频天线”(申请号：CN200620068895.3)及专利“新型三频平面倒F天线”(申请号：CN200910199589.1)采用的是平面微带开槽、增加寄生单元的形式，也能够耦合出多个频率，但这类天线一般只能辐射线极化电磁波，而且在UHF频段时所占安装面积很大。同时，上述的三频或多频天线一般采用微波介质材料作为基板，其介电常数对天线性能影响较大，并且在空间冷热交变的环境下，金属覆铜与微波介质板问可能出现翘起脱落等现象，可靠性较低，不适合做为星载天线。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种三频一体化的天线，该天线具有较高的相位中心稳定度、可覆盖UHF、L和S频段、结构紧凑、尺寸小、能够满足星载或机载要求。

一种三频一体化天线，包括：反射腔、支撑柱、辐射上贴片、辐射下贴片、多个金属套筒馈电探针、L\S馈电网络、多根螺旋线、支撑套筒、馈电连接部分、UHF馈电网络、天线底座、L\S电连接器及UHF电连接器；反射腔是一个底面封闭的金属空心圆柱体或圆锥体，金属支撑柱安装在反射腔的内腔底面圆心位置，多个金属套筒馈电探针安装在反射腔的内腔底面上且均匀分布在同一圆周上；辐射上贴片、辐射下贴片分别安装在金属支撑柱上；每个金属套筒馈电探针一端与辐射下贴片相连，另一端与L\S馈电网络的输出端口相连；L\S电连接器与L\S馈电网络的输入端口相连；反射腔安装于支撑套筒上；多根螺旋线绕于支撑套筒上，每根螺旋线的顶端安装于反射腔上，每根螺旋线的底端通过馈电连接部分与UHF馈电网络的输出端口相连；UHF馈电网络的输入端口与UHF电连接器相连；支撑套筒固定于底座上，UHF馈电网络安装于底座内部。

辐射上贴片为圆形金属片，辐射上贴片与支撑柱同心；辐射下贴片为圆形金属片，辐射下贴片与支撑柱同心。

所述天线还包括阻抗调配支，馈电连接部分通过阻抗调配支与底座(12)相连。

支撑套筒采用蜂窝结构。

所述多个金属套筒馈电探针为4个。

所述多根螺旋线为4个。

所述L\S馈电网络为带状线一分四网络功分器，包括1个L\S馈电网络的输入端口和4个L\S馈电网络的输出端口，各输出端口相位依次相差90度。

所述UHF馈电网络为矩形同轴一分四环形功分器，包括1个UHF馈电网络的输入端口和4个UHF馈电网络的输出端口，各输出端口相位依次相差90度。

每个金属套筒馈电探针包括探针、绝缘子和金属套筒，探针和金属套筒通过绝缘子进行隔离，探针和金属套筒之间形成耦合电容。

所述探针与所述辐射下贴片固定连接，所述金属套筒与L\S馈电网络的输出端口相接触。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用金属套筒馈电探针对辐射下贴片进行耦合馈电，与传统探针直接连接馈电相比，由于金属套筒馈电探针的电容耦合作用，改善了输入端口的阻抗特性，使其能够覆盖L和S频段；

(2)本发明通过多点耦合馈电形式形成圆极化，与现有的一点自圆极化和两点馈电形成圆极化相比，多点馈电形式结构对称，能够有效抑制非对称馈电结构带来的不必要的高次模式，提高天线单元传输主模的纯度，在拓展天线单元匹配特性的同时，有效改善天线单元在宽角域范围内的辐射特性，提高天线单元在宽角域范围内的轴比特性及相位中心稳定性(≤2mm)；

(3)本发明采用上下结构形式使天线结构更为紧凑，尺寸能减小到Φ180mm×230mm，相比传统三频天线尺寸减少40％以上，同时采用这种结构可以使天线在各频段性能最优，并互不影响，便于独立调试。

附图说明

图1为本发明的天线整体结构示意图；

图2为本发明的金属套筒馈电探针布局示意图；

图3为本发明的金属套筒馈电探针剖面示意图；

图4为本发明的L/S馈电网络布线示意图，其中图4a是正面示意图，图4b是反面示意图；

图5为本发明的L/S馈电网络装配示意图；

图6为本发明的馈电连接部分的放大图；

图7为本发明的馈电连接部分与螺旋线连接示意图；

图8为本发明的UHF馈电网络布线示意图；

图9为本发明的含介质支撑块的馈电网络分解结构示意图。

具体实施方式

本发明的天线具有相位中心稳定度高、多频段覆盖、尺寸小、重量轻、圆极化的特点，适用于多频星载高精度测量系统，也可以作为机载天线使用。

如图1所示，本发明的三频一体化天线，包括反射腔1、金属支撑柱2、辐射上贴片3、辐射下贴片4、多个金属套筒馈电探针5、L\S馈电网络6、多根螺旋线7、支撑套筒8、馈电连接部分9、UHF馈电网络11、天线底座12、L\S电连接器13及UHF电连接器14。反射腔1是一个底面封闭的金属空心圆柱体，反射腔1也可以为圆形碗状结构。金属支撑柱2安装在反射腔1的内腔底面圆心位置，多个金属套筒馈电探针5垂直安装在反射腔1的内腔底面上且均匀分布在同一圆周上；辐射上贴片3、辐射下贴片4分别安装在金属支撑柱2上；每个金属套筒馈电探针5一端与辐射下贴片4相连，另一端与L\S馈电网络6的输出端口相连；反射腔1安装于支撑套筒8上；多根螺旋线7绕于支撑套筒8上，每根螺旋线7的顶端安装于反射腔1上，每根螺旋线7的底端通过馈电连接部分9与UHF馈电网络11的输出端口相连；支撑套筒8固定于底座12上，UHF馈电网络11安装于底座12内部。如图1所示，多根螺旋线7优选为四根螺旋线，环绕圈数均为1/2圈，四根螺旋线7可通过切割铜板加工成铜条。支撑套筒8起到对四根螺旋线7的支撑和加固作用。支撑套筒8采用蜂窝结构，其重量轻，且结构强度高，刚度好，可满足星载使用环境。所述L\S馈电网络6，L\S电连接器既可以在L频段工作，也能在S频段工作，也就是能够同时覆盖L、S频段。

如图2所示，多个金属套筒馈电探针5优选为四个，每个金属套筒馈电探针5安装在反射腔1的内腔底面上且以反射腔1的内腔底面圆心为圆心，均匀分布在同一圆周上，每个金属套筒馈电探针5一端与辐射下贴片4相连，另一端与L\S馈电网络6的输出端口6a-6d相连(如图5所示)。

如图3所示，每个金属套筒馈电探针5包括探针5a、绝缘子5b和金属套筒5c，探针5a和金属套筒5c通过绝缘子进行隔离，两者之间形成耦合电容。探针5a与辐射下贴片4相连，金属套筒5c与L\S馈电网络6的输出端口相接触(如图5所示)。与传统探针直接连接馈电网络相比，由于套筒形金属馈电探针的电容耦合作用，改善了输入端口的阻抗特性，增加天线的频率覆盖范围。

如图4所示，所述L\S馈电网络6采用带状线一分四网络功分器，且各端口相位依次相差90度。L\S馈电网络6包括输入端口6in，和输出端口6a-6d。如图5所示，输出端口6a-6d分别与4个金属套筒馈电探针5c相连。L\S馈电网络6通过螺钉安装于反射腔1底部。

如图6、7所示，馈电连接部分9包括垂直金属柱及水平金属杆，水平金属杆的一端9b通过螺钉与螺旋线7底端相连，垂直金属柱的一端通过螺钉与水平金属杆固定连接，垂直金属柱的另一端9a与UHF馈电网络11的输出端口处相连接。另外，将馈电连接部分9的水平金属杆延长，阻抗调配支10的一端通过螺钉与水平金属杆的延长端固定连接，阻抗调配支10的另一端与底座12相接触。阻抗调配支10的功能是将螺旋线谐振时、馈电连接部分9的输入阻抗调节至50欧姆，以实现UHF馈电网络输出端口的匹配端接。另外，在螺旋线馈电点附近增加阻抗调配支10，将螺旋线谐振输入阻抗调整到50欧姆，从而使螺旋线与馈电网络能够分开进行单独的测试，易于对天线性能进行调整。

如图8、9所示，UHF馈电网络为矩形同轴一分四环形功分器，采用空气介质矩形同轴线形式，内导体11n和外导体之间采用多个介质块11j进行支撑和固定，其中外导体由底座12开槽形成(如图9的下半部分)，在内导体11n上形成1个UHF馈电网络的输入端口11in，和4个UHF馈电网络的输出端口11a、11b、11c、11d；内导体和外导体通过介质块11j间隔开。UHF馈电网络采用空气介质矩形同轴线形式，传输损耗小，且可以通过全机械的结构实现，避免了微带形式馈电网络在冷热交变环境下可能出现的隐患，可靠性高，适用于星载环境。

本发明的工作原理如下：金属套筒馈电探针5、L\S馈电网络6、上辐射片3、下辐射片4、反射腔1、及L\S电连接器13组成L、S频段辐射单元。L、S频段辐射单元通过金属套筒馈电探针5四点耦合馈电，并且在同一圆周上均匀分布；金属套筒馈电探针5与L\S馈电网络6直接连接，下辐射片4通过金属套筒馈电探针5耦合馈电，上辐射片3通过下辐射片5耦合馈电，中间靠金属柱支撑。多根螺旋线7、支撑套筒8、馈电连接部分9、UHF馈电网络11、天线底座12、及UHF电连接器14组成UHF频段辐射单元。L或S频段射频信号经过L\S电连接器13进入到L\S馈电网络6，然后通过四个金属套筒馈电探针5在辐射上贴片3、辐射下贴片4激励出高频电流，从而辐射出电磁波；而UHF频段射频信号经过UHF电连接器14进入到UHF馈电网络11，通过馈电连接部分9在四根螺旋线7激励出高频电流，从而辐射出电磁波。本发明的天线接收电磁波的过程与上述辐射电磁波的过程相反。

总之，本发明性能优越，结构及工艺简单可靠，可覆盖UHF、L和S频段，具有较宽的波束覆盖及较高的相位中心稳定，轴比性能优异。

Claims (3)

1.一种三频一体化天线，其特征在于包括：反射腔(1)、支撑柱(2)、辐射上贴片(3)、辐射下贴片(4)、四个金属套筒馈电探针(5)、L\S馈电网络(6)、多根螺旋线(7)、支撑套筒(8)、馈电连接部分(9)、UHF馈电网络(11)、天线底座(12)、L\S电连接器(13)及UHF电连接器(14)；反射腔(1)是一个底面封闭的金属空心圆柱体或圆锥体，金属支撑柱(2)安装在反射腔(1)的内腔底面圆心位置，四个金属套筒馈电探针(5)安装在反射腔(1)的内腔底面上且均匀分布在同一圆周上；辐射上贴片(3)、辐射下贴片(4)分别安装在金属支撑柱(2)上；每个金属套筒馈电探针(5)一端与辐射下贴片相连，另一端与L\S馈电网络(6)的输出端口相连；L\S馈电网络(6)通过螺钉安装于反射腔(1)底部；L\S电连接器(13)与L\S馈电网络(6)的输入端口相连；反射腔(1)安装于支撑套筒(8)上；多根螺旋线(7)绕于支撑套筒(8)上，每根螺旋线(7)的顶端安装于反射腔(1)上，每根螺旋线(7)的底端通过馈电连接部分(9)与UHF馈电网络(11)的输出端口相连；UHF馈电网络(11)的输入端口与UHF电连接器(14)相连；支撑套筒(8)固定于底座(12)上，UHF馈电网络(11)安装于底座(12)内部；支撑套筒(8)采用蜂窝结构；所述多根螺旋线(7)为4个；

所述L\S馈电网络(6)为带状线一分四网络功分器，包括1个L\S馈电网络的输入端口和4个L\S馈电网络的输出端口，各输出端口相位依次相差90度；

所述天线还包括阻抗调配支(10)，馈电连接部分(9)通过阻抗调配支(10)与底座(12)相连；馈电连接部分(9)包括垂直金属柱及水平金属杆，水平金属杆的一端(9b)通过螺钉与螺旋线(7)底端相连，垂直金属柱的一端通过螺钉与水平金属杆固定连接，垂直金属柱的另一端(9a)与UHF馈电网络(11)的输出端口处相连接；将馈电连接部分(9)的水平金属杆延长，阻抗调配支(10)的一端通过螺钉与水平金属杆的延长端固定连接，阻抗调配支(10)的另一端与底座(12)相接触；

所述UHF馈电网络(11)为矩形同轴一分四环形功分器，包括1个UHF馈电网络的输入端口和4个UHF馈电网络的输出端口，各输出端口相位依次相差90度；UHF馈电网络(11)采用空气介质矩形同轴线形式，内导体(11n)和外导体之间采用多个介质块(11j)进行支撑和固定，其中外导体由底座(12)开槽形成；在内导体(11n)上形成所述1个UHF馈电网络的输入端口(11in)和所述4个UHF馈电网络的输出端口(11a、11b、11c、11d)；内导体和外导体通过介质块(11j)间隔开。

2.根据权利要求1所述的三频一体化天线，其特征在于：辐射上贴片(3)为圆形金属片，辐射上贴片(3)与支撑柱(2)同心；辐射下贴片(4)为圆形金属片，辐射下贴片(4)与支撑柱(2)同心。

3.根据权利要求1所述的三频一体化天线，其特征在于：每个金属套筒馈电探针(5)包括探针(5a)、绝缘子(5b)和金属套筒(5c)，探针(5a)和金属套筒(5c)通过绝缘子(5b)进行隔离，探针(5a)和金属套筒(5c)之间形成耦合电容；所述探针(5a)与所述辐射下贴片(4)固定连接，所述金属套筒(5c)与L\S馈电网络(6)的输出端口相接触。