CN104319464B - Uhf波段卫星通信双频圆极化天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种UHF波段卫星通信双频圆极化天线装置，其包括反射腔，所述反射腔包括天线地板以及地板电场耦合板，反射腔内设置有微波介质板，微波介质板上设置有激励贴片，激励贴片的正上方设置有寄生贴片；寄生贴片的边缘设置竖直向下的贴片电场耦合板，贴片电场耦合板与地板电场耦合板相平行，所述贴片电场耦合板与地板电场耦合板间存在间隙，且贴片电场耦合板与地板电场耦合板间在竖直方向上交错耦合。本发明结构紧凑，能有效缩小天线尺寸，展宽了天线波束宽度，重量轻，易于生产，成本低廉，适应范围广，安全可靠。

Description

UHF波段卫星通信双频圆极化天线装置

技术领域

本发明涉及一种天线装置，尤其是一种UHF波段卫星通信双频圆极化天线装置，属于天线设计的技术领域。

背景技术

在UHF波段卫星通信应用中，通常要求移动通信终端天线具有宽波束、双频带、圆极化性能特点，以满足通信要求，而且随着移动终端发展趋于小型化，因此对天线尺寸提出了更高的要求，如何设计出尺寸小、重量轻、结构紧凑的天线装置也是卫星通信天线的设计重点。

对于工作频率范围为300MHz~400MHz的天线装置，该频段属于UHF波段低频段，天线设计尺寸较大，若采用普通的微带天线形式，为了满足带宽和工作双频带要求，通常要用到较多的微波介质，这样不仅大大增加了天线重量，而且天线效率较低。此外，四臂螺旋天线是一种宽波束天线，其半功率波束宽度通常能达到150°，但四臂螺旋天线比较高，为了实现较宽波束宽度天线高度都超过0.8λ（λ为天线的工作波长），不满足高度受限的使用环境，而且这种天线结构复杂，不易于生产。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种UHF波段卫星通信双频圆极化天线装置，其结构紧凑，能有效缩小天线尺寸，展宽了天线波束宽度，重量轻，易于生产，成本低廉，适应范围广，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述UHF波段卫星通信双频圆极化天线装置，包括反射腔，所述反射腔包括天线地板以及竖直向上分布于所述天线地板边缘上的地板电场耦合板，反射腔内设置与所述反射腔形状相匹配的微波介质板，所述微波介质板位于反射腔的底部并与天线地板固定连接，微波介质板上设置有激励贴片，所述激励贴片的正上方设置有寄生贴片，所述寄生贴片固定在贴片支撑柱的顶端，贴片支撑柱竖直向上分布在天线地板上并与所述反射腔同轴分布，贴片支撑柱穿过微波介质板与激励贴片，且贴片支撑柱与激励贴片不接触，寄生贴片通过贴片支撑柱与天线地板及地板电场耦合板电连接；

寄生贴片的边缘设置竖直向下的贴片电场耦合板，贴片电场耦合板与地板电场耦合板相平行，所述贴片电场耦合板与地板电场耦合板间存在间隙，且贴片电场耦合板与地板电场耦合板间在竖直方向上交错耦合；激励贴片上设置有电连接的馈电柱，所述馈电柱的一端与激励贴片连接，馈电柱的另一端穿过微波介质板后从天线地板穿出；激励贴片上设置用于激励圆极化波的激励贴片微扰结构，寄生贴片上设置与激励贴片微扰结构相匹配的寄生贴片微扰结构。

所述天线地板与反射腔同轴分布，微波介质板、激励贴片在反射腔内与所述反射腔同轴分布，微波介质板的损耗角正切小于0.01。

所述反射腔采用旋转对称结构，贴片支撑柱采用中空结构。

所述激励贴片上设置一对呈旋转对称分布的激励贴片微扰结构，激励贴片上的激励贴片微扰结构为一对旋转对称的内凹的圆切角或一对旋转对称的外凸的突出支节。

所述寄生贴片上设置一对呈旋转对称分布的寄生贴片微扰结构，寄生贴片上的寄生贴片微扰结构为一对旋转对称的内凹的圆切角或一对旋转对称的外凸的突出支节；寄生贴片上寄生贴片微扰结构间的连线与激励贴片上激励贴片微扰结构间的连线相平行。

所述激励贴片上设置若干对旋转对称分布的调谐支节；在激励贴片上任意一对调谐支节间的连线与激励贴片上激励贴片微扰结构间的连线的夹角为45°。

所述馈电柱位于激励贴片上一对调谐支节的连线上。所述寄生贴片在反射腔内的高度低于地板电场耦合板的高度。

所述激励贴片上设置两对调谐支节，所述调谐支节凸设在激励贴片的外圈边缘。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1）、本发明地板电场耦合板在天线地板上竖直向上分布，贴片电场耦合板在寄生贴片上竖直向下分布，通过调节地板电场耦合板与贴片电场耦合板之间的耦合长度和耦合距离，能实现天线的小型化设计，不仅适用于本发明设计的UHF波段天线，而且适用于其他波段具有微带结构的天线。

2）、本发明通过地板电场耦合板来提高反射腔四周金属壁的高度，以增强天线辐射场的绕射效应，进而展宽了天线的波束宽度，同时也适合于其他结构的微带天线，能将天线半功率波束宽度可展宽到120度（普通的微带半功率波束宽度在90度左右），与水平面夹角30度方向的低仰角增益可提高到2dB（普通微带天线通常为0dB）。

3）、本发明在激励贴片上设置旋转对称分布的调谐支节，过调节调谐支节的长度可以同时矫正两个频点，使之工作在所需频率上；适合矫正由于微波材料介电常数的误差导致天线中心频率飘移。

4）、本发明天线装置结构紧凑，重量轻，天线高度仅为0.06λ（λ为天线的工作波长），易于集成使用；

5）、本发明激励贴片与寄生贴片之间采用空气耦合，激励贴片使用了较薄的微波介质板支撑在天线地板上，对微波介质板的损耗角正切要求不高（小于0.01即可），降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明激励贴片的结构示意图。

图3为本发明寄生贴片的结构示意图。

附图标记说明：1-天线地板、2-微波介质板、3-激励贴片、4-寄生贴片、5-馈电柱、6-激励贴片微扰结构、7-调谐支节、8-漏孔、9-激励贴片微扰结构、10-地板电场耦合板、11-贴片支撑柱以及12-贴片电场耦合板。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示：为了能有效缩小天线尺寸，展宽了天线波束宽度，降低重量及成本，易于生产，本发明包括反射腔，所述反射腔包括天线地板1以及竖直向上分布于所述天线地板1边缘上的地板电场耦合板10，反射腔内设置与所述反射腔形状相匹配的微波介质板2，所述微波介质板2位于反射腔的底部并与天线地板1固定连接，微波介质板2上设置有激励贴片3，所述激励贴片3的正上方设置有寄生贴片4，所述寄生贴片4固定在贴片支撑柱11的顶端，贴片支撑柱11竖直向上分布在天线地板1上并与所述反射腔同轴分布，贴片支撑柱11穿过微波介质板2与激励贴片3，且贴片支撑柱11与激励贴片3不接触，寄生贴片4通过贴片支撑柱11与天线地板1及地板电场耦合板10电连接；

寄生贴片4的边缘设置竖直向下的贴片电场耦合板12，贴片电场耦合板12与地板电场耦合板10相平行，所述贴片电场耦合板12与地板电场耦合板10间存在间隙，且贴片电场耦合板12与地板电场耦合板10间在竖直方向上交错耦合；激励贴片3上设置有电连接的馈电柱5，所述馈电柱5的一端与激励贴片3连接，馈电柱5的另一端穿过微波介质板2后从天线地板1穿出；激励贴片3上设置用于激励圆极化波的激励贴片微扰结构6，寄生贴片4上设置与激励贴片微扰结构相匹配的寄生贴片微扰结构9。

具体地，天线地板1与贴片支撑柱11以及地板电场耦合板10均为金属导体，贴片支撑柱11以及地板电场耦合板10均与天线地板1相垂直，天线地板1与地板电场耦合板10间形成反射腔，所述反射腔作为整个天线装置的接地板。所述反射腔采用旋转对称结构，具体形状可以为正方形、圆形或其他的结构，可以根据需要进行旋转，贴片支撑柱11采用中空结构；中空的贴片支撑柱11能够减轻天线装置的重量。

贴片电场耦合板12与地板电场耦合板10间在竖直方向上交错耦合是指地板电场耦合板10的顶端与贴片电场耦合板12的底端间有交叉，即地板电场耦合板10的顶端位于贴片电场耦合板12底端的上方。当地板电场耦合板10的顶端位于贴片电场耦合板12底端的下方时，无法产生耦合电场，即不能实现天线的小型化效果。

进一步地，所述寄生贴片4在反射腔内的高度低于地板电场耦合板10的高度。即寄生贴片4位于形成的反射腔内，地板电场耦合板10的顶端位于寄生贴片4的上方，地板电场耦合板10的高度高于贴片支撑柱11以及寄生贴片4的高度，寄生贴片4通过螺钉等固定在贴片支撑柱11的顶端。贴片电场耦合板12在反射腔内延伸，但贴片电场耦合板12不能与天线地板1相接触。

本发明实施例中，地板电场耦合板10的高度高于寄生贴片4的高度，能展宽天线波束宽度，提高天线低仰角增益，具体为：随着反射腔四周金属壁（即地板电场耦合板10）的增高，天线辐射场集合绕射效应增强，低仰角方向辐射能量提高，进而展宽了天线波束宽度，其规律表现为反射腔四周的金属壁高出寄生贴片4的尺寸越大，天线的波束宽度越宽，但具有极限值，该极限值与天线的具体形式有关，当超过此极限值，天线的波束宽度将变窄，具体实施时，天线半功率波束宽度可展宽到120度（普通的微带半功率波束宽度在90度左右），与水平面夹角30度方向的低仰角增益可提高到2dB（普通微带天线通常为0dB）。

所述天线地板1与反射腔同轴分布，微波介质板2、激励贴片3在反射腔内与所述反射腔同轴分布，微波介质板2的损耗角正切小于0.01。

本发明实施例中，微波介质板2采用本技术领域常用的微波材料，损耗角正切小于0.01，微波介质板2外轮廓形状与反射腔内轮廓形状相同，即微波介质板2的外轮廓与天线地板1以及地板电场耦合板10间结合部的形状相一致，微波介质板2支撑在天线地板1上。微波介质板2中心具有与贴片支撑柱11外轮廓相同的介质板通孔，可使得贴片支撑柱11透过微波介质板2，且微波介质板2通过金属螺钉紧固在天线地板1上，金属螺钉位置远离激励贴片3；激励贴片3采用导电金属层，激励贴片3通过微波介质板2与天线地板1相绝缘隔离。激励贴片3的外形尺寸小于微波介质板2的尺寸，微波介质板2的外圈边缘与地板电场耦合板10相接触。激励贴片3的外圈边缘不与地板电场耦合板10接触。

如图2和图3所示，所述激励贴片3上设置一对呈旋转对称分布的激励贴片微扰结构6，激励贴片3上的激励贴片微扰结构6为一对旋转对称的内凹的圆切角或一对旋转对称的外凸的突出支节。

本发明实施例中，寄生贴片微扰结构9与激励贴片微扰结构6相匹配是指寄生贴片微扰结构9在反射腔内的位置与激励贴片微扰结构6在反射腔内的位置相对应一致。图2中，激励贴片3采用类圆形结构，激励贴片微扰结构6采用内凹的圆切角，但具体实施时，激励贴片微扰结构6采用内凹的圆切角形式或是外凸的突出支节的形式可以根据需要进行选择，内凹圆切角的大小或外凸的突出支节的大小根据形成圆极化波辐射所需激励出两个模式的强度进行选择。

所述寄生贴片4上设置一对呈旋转对称分布的寄生贴片微扰结构9，寄生贴片4上的寄生贴片微扰结构9为一对旋转对称的内凹的圆切角或一对旋转对称的外凸的突出支节；寄生贴片4上寄生贴片微扰结构9间的连线与激励贴片3上激励贴片微扰结构6间的连线相平行。

本发明实施例中，寄生贴片4采用金属导体，寄生贴片4与天线地板1电连接。图3中，寄生贴片4采用类圆形结构，寄生贴片微扰结构9采用内凹的圆切角，但具体实施时，寄生贴片微扰结构9采用内凹的圆切角形式或是外凸的突出支节的形式可以根据需要进行选择，内凹圆切角的大小或外凸的突出支节的大小根据根据形成圆极化波辐射所需激励出两个模式的强度进行选择。此外，寄生贴片微扰结构9的选择形式可以与激励贴片微扰结构6的选择形式不同，只要使得寄生贴片微扰结构9间的连线与激励贴片微扰结构6间的连线相平行即可。

所述激励贴片3上设置两对旋转对称分布的调谐支节7；在激励贴片3上任意一对内调谐支节7间的连线与激励贴片3上激励贴片微扰结构6间的连线的夹角为45°。

所述激励贴片3上设置两对调谐支节7，所述调谐支节7凸设在激励贴片3的外圈边缘。所述馈电柱5位于激励贴片3上一对调谐支节7的连线上。

本发明实施例中，通过调谐支节7用于调谐天线的工作频率，以克服加工以及微波材料带来的误差，激励贴片3上的调谐支节7的尺寸相同，调谐支节7采用外凸的结构，激励贴片3上设置四个呈旋转对称分布的调谐支节7。为了不影响天线圆极化性能，调谐支节7位置应满足：任意一对内调谐支节7间的连线与激励贴片3上激励贴片微扰结构6间的连线的夹角为45°，且调谐支节7具有相同的尺寸。激励贴片3的中心区设置贯通激励贴片3的漏孔8，所述漏孔8的尺寸大于贴片支撑柱11的尺寸，使得贴片支撑柱11穿过激励贴片3时，激励贴片3与贴片支撑柱11之间不接触。在具体实施时，馈电柱5与激励贴片3之间的结合处形成馈电点，通过调节馈电点与激励贴片3中心的距离能够优化阻抗匹配。馈电柱5的一端天线激励贴片3固定连接，馈电柱5的另一端穿过微波介质板2以及天线地板1后与天线的馈电口连接，实现馈电激励。

本发明实施例中，贴片电场耦合板12位于寄生贴片4边缘向下弯折90°，贴片电场耦合板12与地板电场耦合板10平行，贴片电场耦合板12与地板电场耦合板10间产生电场耦合，提高了寄生贴片4的等效谐振长度，而且通过调整贴片电场耦合板12与地板电场耦合板10之间的耦合长度、耦合距离可以调节天线尺寸和阻抗带宽，实现了天线的小型化设计。此外，贴片电场耦合板12与地板电场耦合板10之间的耦合长度越长、耦合距离越小，则在相同工作频率下，天线横向尺寸越小，反之越大。所述耦合距离是指贴片电场耦合板12与地板电场耦合板10之间的横向距离，耦合长度是指贴片电场耦合板12与地板电场耦合板10之间在纵向上的交叉距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1）、本发明地板电场耦合板10在天线地板1上竖直向上分布，贴片电场耦合板12在寄生贴片4上竖直向下分布，通过调节地板电场耦合板10与贴片电场耦合板12之间的耦合长度和耦合距离，能实现天线的小型化设计，不仅适用于本发明设计的UHF波段天线，而且适用于其他波段具有微带结构的天线。

2）、本发明通过地板电场耦合板10来提高反射腔四周金属壁的高度，以增强天线辐射场的绕射效应，进而展宽了天线的波束宽度，同时也适合于其他结构的微带天线，能将天线半功率波束宽度可展宽到120度（普通的微带半功率波束宽度在90度左右），与水平面夹角30度方向的低仰角增益可提高到2dB（普通微带天线通常为0dB）。

3）、本发明在激励贴片3上设置旋转对称分布的调谐支节7，过调节调谐支节7的长度可以同时矫正由于微波基板2的介电常数误差带来的频率飘移，当中心频率向高频方向漂移，则把调谐支节7长度尺寸增加（四个调谐支节尺寸应保持相同），反之则减小调谐支节7的长度尺寸，使天线工作在所需频率上；适合矫正由于微波材料介电常数的误差导致天线中心频率飘移。

4）、本发明天线装置结构紧凑，重量轻，天线高度根据天线带宽需求和尺寸要求共同确定，天线高度越小，阻抗带宽越窄，在实现2.5%的阻抗带宽下，本发明天线高度仅为0.06λ（λ为天线的工作波长），易于集成使用；

5）、本发明激励贴片3与寄生贴片4之间采用空气耦合，激励贴片3使用了较薄的微波介质板2支撑在天线地板1上，对微波介质板2的损耗角正切要求不高（小于0.01即可），降低了生产成本。

Claims (9)

1.一种UHF波段卫星通信双频圆极化天线装置，其特征是：包括反射腔，所述反射腔包括天线地板（1）以及竖直向上分布于所述天线地板（1）边缘上的地板电场耦合板（10），反射腔内设置与所述反射腔形状相匹配的微波介质板（2），所述微波介质板（2）位于反射腔的底部并与天线地板（1）固定连接，微波介质板（2）上设置有激励贴片（3），所述激励贴片（3）的正上方设置有寄生贴片（4），所述寄生贴片（4）固定在贴片支撑柱（11）的顶端，贴片支撑柱（11）竖直向上分布在天线地板（1）上并与所述反射腔同轴分布，贴片支撑柱（11）穿过微波介质板（2）与激励贴片（3），且贴片支撑柱（11）与激励贴片（3）不接触，寄生贴片（4）通过贴片支撑柱（11）与天线地板（1）及地板电场耦合板（10）电连接；

寄生贴片（4）的边缘设置竖直向下的贴片电场耦合板（12），贴片电场耦合板（12）与地板电场耦合板（10）相平行，所述贴片电场耦合板（12）与地板电场耦合板（10）间存在间隙，且贴片电场耦合板（12）与地板电场耦合板（10）间在竖直方向上交错耦合；激励贴片（3）上设置有电连接的馈电柱（5），所述馈电柱（5）的一端与激励贴片（3）连接，馈电柱（5）的另一端穿过微波介质板（2）后从天线地板（1）穿出；激励贴片（3）上设置用于激励圆极化波的激励贴片微扰结构（6），寄生贴片（4）上设置与激励贴片微扰结构相匹配的寄生贴片微扰结构（9）。

2.根据权利要求1所述的UHF波段卫星通信双频圆极化天线装置，其特征是：所述天线地板（1）与反射腔同轴分布，微波介质板（2）、激励贴片（3）在反射腔内与所述反射腔同轴分布，微波介质板（2）的损耗角正切小于0.01。

3.根据权利要求1所述的UHF波段卫星通信双频圆极化天线装置，其特征是：所述反射腔采用旋转对称结构，贴片支撑柱（11）采用中空结构。

4.根据权利要求1所述的UHF波段卫星通信双频圆极化天线装置，其特征是：所述激励贴片（3）上设置一对呈旋转对称分布的激励贴片微扰结构（6），激励贴片（3）上的激励贴片微扰结构（6）为一对旋转对称的内凹的圆切角或一对旋转对称的外凸的突出支节。

5.根据权利要求4所述的UHF波段卫星通信双频圆极化天线装置，其特征是：所述寄生贴片（4）上设置一对呈旋转对称分布的寄生贴片微扰结构（9），寄生贴片（4）上的寄生贴片微扰结构（9）为一对旋转对称的内凹的圆切角或一对旋转对称的外凸的突出支节；寄生贴片（4）上寄生贴片微扰结构（9）间的连线与激励贴片（3）上激励贴片微扰结构（6）间的连线相平行。

6.根据权利要求4所述的UHF波段卫星通信双频圆极化天线装置，其特征是：所述激励贴片（3）上设置若干对旋转对称分布的调谐支节（7）；在激励贴片（3）上任意一对调谐支节（7）间的连线与激励贴片（3）上激励贴片微扰结构（6）间的连线的夹角为45°。

7.根据权利要求6所述的UHF波段卫星通信双频圆极化天线装置，其特征是：所述馈电柱（5）位于激励贴片（3）上一对调谐支节（7）的连线上。

8.根据权利要求1所述的UHF波段卫星通信双频圆极化天线装置，其特征是：所述寄生贴片（4）在反射腔内的高度低于地板电场耦合板（10）的高度。

9.根据权利要求6所述的UHF波段卫星通信双频圆极化天线装置，其特征是：所述激励贴片（3）上设置两对调谐支节（7），所述调谐支节（7）凸设在激励贴片（3）的外圈边缘。