CN103326121B - 一种相位中心无偏差的圆极化卫星通信微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相位中心无偏差的圆极化卫星通信微带天线，自上而下包括顶层圆形金属贴片、上层圆柱形介质板、空气腔、下层金属接地板、下层圆柱形介质板，还包括几何中心馈电探针，所述几何中心馈电探针穿过下层圆柱形介质板，所述下层金属接地板上具有共面波导，所述下层圆柱形介质板下方具有圆弧形金属微带线。本发明将底层的微带传输线通过4条耦合馈电缝隙馈电，严格控制各个馈电缝隙的相位依次为（φ，φ-90度，φ-180度，φ-270度），具有较高的轴比、圆极化带宽和阻抗带宽，解决了传统微带天线相位中心和几何中心不一致的问题，克服了天线相位中心位置偏差，非常适合用于卫星通信天线，以及卫星通信阵列天线。

Description

一种相位中心无偏差的圆极化卫星通信微带天线

技术领域

本发明属于卫星通信领域，特别是涉及一种圆极化卫星通信微带天线。

背景技术

北斗卫星导航系统（BeiDouNavigationSatelliteSystem）是我国自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，与美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧盟的伽利略系统兼容共用的全球卫星导航系统，并称全球四大卫星导航系统。卫星导航定位系统的基本作用是向各类用户和运动平台实时提供准确、连续的位置、速度和时间信息，在高精度、全天候、实时性等方面对导航领域产生了革命性的影响。导航技术将成为继移动通讯、移动互联之后的第三个移动必备技术。随着卫星导航系统应用的持续升温，卫星通信天线的设计受到了广泛关注。卫星通信天线的作用，是将卫星发射来的无线电信号的电磁波能量变换成接收机电子器件可摄取应用的电流。与线极化天线相比，圆极化天线在发射和接收电磁波方向上没有限制，并且在电离层产生法拉第旋转效应，因此，圆极化天线非常适合卫星通信系统使用。

微带天线由于具有结构简单、小型化、加工容易、平面化等优点，被广泛应用在卫星通信系统中。常见的圆极化微带天线主要采用切角、开槽、双馈电点正交馈电等方式，然而这些常见的圆极化微带天线阻抗带宽较窄、轴比带宽较窄、方向图不对称，在使用过程中暴露出一些问题。当前用微带天线实现圆极化辐射主要有：单点馈电的单片圆极化微带天线；正交馈电的单片圆极化微带天线；曲折线微带构成的宽带圆极化微带天线；微带天线阵构成的圆极化微带天线。单点馈电的单片圆极化微带天线通常采用切角或者开槽的方式。正交馈电的圆极化微带天线是最早提出的一种结构形式。这种天线构成天线阵元时，馈电电路之间会引起不希望的耦合，因而限制了它的实际应用。

在卫星导航系统中，天线的相位中心与其几何中心的偏差应尽可能小，并保持稳定无论是测码伪距，还是观测值都以接收机天线的相位中心位置为准，天线的相位中心和其几何中心在理论上应保持一致。目前使用的卫星通信系统天线，由于其相位中心和几何中心不是严格一致，相位中心随输入的电磁波强度和方向不同而变化，实际相位中心瞬时位置与理论相位中心不一致，导致数毫米至数厘米天线相位中心位置偏差，相位中心的不稳定性影响了卫星通信系统通信质量。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种相位中心和几何中心一致的圆极化微带天线，该天线的阻抗、轴比特性良好。其技术方案如下：

一种相位中心无偏差的圆极化卫星通信微带天线，自上而下包括顶层圆形金属贴片、上层圆柱形介质板、空气腔、下层金属接地板、下层圆柱形介质板，还包括几何中心馈电探针，所述几何中心馈电探针穿过下层圆柱形介质板，所述下层金属接地板上具有共面波导，所述下层圆柱形介质板下方具有圆弧形金属微带线，所述共面波导连接几何中心馈电探针。

进一步的，所述下层金属接地板上还包括四个耦合馈电缝隙和位于下层金属接地板中心的镂空金属圆环片。

进一步的，所述四个耦合馈电缝隙十字交叉。

进一步的，所述圆弧形金属微带线通过耦合馈电缝隙对顶层圆形金属贴片耦合馈电，各个耦合馈电缝隙的相位依次为（φ，φ-90度，φ-180度，φ-270度），从而实现圆极化。

进一步的，所述共面波导长度和圆弧形金属微带线的外半径一致。

进一步的，所述镂空金属圆环片内直径大于金属过孔的半径，其外直径大于耦合馈电缝隙的宽度。

进一步的，所述几何中心馈电探针在天线几何中心馈电，通过位于下层金属接地板上的焊盘和共面波导相连。

进一步的，所述圆弧形金属微带线通过金属过孔和共面波导相连。

进一步的，所述下层圆柱形介质板有几何中心馈电探针经过的过孔，连接SMA接头插针的过孔和连接共面波导和圆弧形金属微带线的金属过孔。

进一步的，所述下层圆柱形介质板之下，还有一个中心镂空的小圆环金属贴片，其和SMA接头外壁相连，所述几何中心馈电探针通过该小圆环金属贴片中心对天线馈电。

本发明的有益效果为：本发明提供了一种相位中心和几何中心一致的圆极化微带天线，馈电位置位于天线的物理中心，增强了天线相位中心稳定性；通过4条耦合馈电缝隙馈电，控制各个馈电缝隙的相位差为90度，提高了天线的阻抗带宽和圆极化轴比带宽；天线的方向图对称性良好，并且消除了传统耦合馈电微带天线耦合线裸露在外造成的伪辐射。

附图说明

图1为本发明的相位中心无偏差的圆极化卫星通信微带天线的结构示意图；

图2为该相位中心无偏差的圆极化卫星通信微带天线的总体结构俯视图；

图3为该相位中心无偏差的圆极化卫星通信微带天线的顶层结构俯视图；

图4为该相位中心无偏差的圆极化卫星通信微带天线的底层结构示意图；

图5为该相位中心无偏差的圆极化卫星通信微带天线的回波损耗曲线；

图6为该相位中心无偏差的圆极化卫星通信微带天线的轴比曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明尽心进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

如图所示，根据本发明的相位中心无偏差的圆极化卫星通信微带天线自上而下包括顶层圆形金属贴片101、上层圆柱形介质板102、空气腔103、下层金属接地板201、下层圆柱形介质板208、几何中心馈电探针205、金属接地板201上的共面波导203和圆弧形金属微带线207。

其中顶层圆形金属贴片101位于上层介质板102上，圆形金属贴片的半径为40mm，上层介质板介电常数为3.05，厚度为1.45mm。下层的圆弧形金属微带线207通过金属接地板201上的耦合馈电缝隙204，对上层圆形金属贴片101耦合馈电，各个馈电缝隙的相位依次为（φ，φ-90度，φ-180度，φ-270度），从而实现圆极化。

位于顶层介质板102和下层金属接地板201之间的空气腔103厚度为8mm。

下层金属接地板201位于下层介质板208上，上面集成一个特性阻抗为50欧姆的共面波导203，共面波导203宽度为1.3mm，长度与圆弧金属微带线207一致，为19.5mm；共面波导203连接馈电探针205及圆弧形金属微带线207，通过4个十字交叉耦合馈电缝隙204对顶层圆形金属贴片101馈电。缝隙宽度2.2mm，长度40mm，十字交叉缝隙的中间被镂空的金属圆环片206隔开。

金属接地板201中央的镂空金属圆环片206外半径为4.8mm，内半径为2.3mm，其中外半径必须大于圆弧形金属微带线207宽度，内半径必须大于金属过孔202的半径。

下层介质板208介电常数为3.05，厚度为1.45mm，下层介质板208几何中心有几何中心馈电探针205经过的过孔，连接SMA接头插针的过孔209和偏离中心17mm位置有连接共面波导203和圆弧形金属微带线207的金属过孔202。

圆弧形金属微带线207位于下层介质板208之下，其宽度为5mm，外半径19.5mm，内半径14.5mm，圆弧起点和终点相距3mm。通过调节其宽度和长度，可以控制天线的阻抗匹配以及轴比频带。

下层圆柱形介质板208之下，还有一个中心镂空的小圆环金属贴片，其和SMA接头外壁相连，馈电探针通过该圆环中心对天线馈电。

如图5和6所示为该相位中心无偏差的圆极化卫星通信微带天线的回波损耗曲线和轴比曲线，本发明用在北斗、GPS、伽利略卫星导航系统上，可有效的克服天线相位中心和物理中心不重合给系统带来的负面影响，提高天线信号接收精度。

Claims (4)

1.一种相位中心无偏差的圆极化卫星通信微带天线，自上而下包括顶层圆形金属贴片（101）、上层圆柱形介质板（102）、空气腔（103）、下层金属接地板（201）、下层圆柱形介质板（208），其特征在于：还包括几何中心馈电探针（205），所述几何中心馈电探针（205）穿过下层圆柱形介质板（208），所述下层金属接地板（201）上具有共面波导（203），所述下层圆柱形介质板（208）下方具有圆弧形金属微带线（207），所述共面波导（203）连接几何中心馈电探针（205）；所述共面波导（203）长度和圆弧形金属微带线（207）的外半径一致；

所述几何中心馈电探针（205）在天线几何中心馈电，通过位于下层金属接地板（201）上的焊盘和共面波导（203）相连；

所述圆弧形金属微带线（207）通过金属过孔（202）和共面波导（203）相连；所述下层金属接地板（201）上还包括四个耦合馈电缝隙（204）和位于下层金属接地板中心的镂空金属圆环片（206）；所述四个耦合馈电缝隙（204）十字交叉；所述圆弧形金属微带线（207）通过耦合馈电缝隙（204）对顶层圆形金属贴片（101）耦合馈电，各个耦合馈电缝隙（204）的相位依次为φ，φ-90度，φ-180度，φ-270度，从而实现圆极化。

2.根据权利要求1所述的相位中心无偏差的圆极化卫星通信微带天线，其特征在于：所述镂空金属圆环片（206）内直径大于金属过孔（202）的半径，其外直径大于耦合馈电缝隙（204）的宽度。

3.根据权利要求1所述的相位中心无偏差的圆极化卫星通信微带天线，其特征在于：所述下层圆柱形介质板（208）有几何中心馈电探针（205）经过的过孔，连接SMA接头插针的过孔（209）和连接共面波导（203）和圆弧形金属微带线（207）的金属过孔（202）。

4.根据权利要求1所述的相位中心无偏差的圆极化卫星通信微带天线，其特征在于：所述下层圆柱形介质板（208）之下，还有一个中心镂空的小圆环金属贴片，其和SMA接头外壁相连，所述几何中心馈电探针（205）通过该小圆环金属贴片中心对天线馈电。