CN105591203A - 低剖面高增益双频双极化卫星通信天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低剖面高增益双频双极化卫星通信天线。该装置包括微带天线阵、外置馈电网络以及支撑板，所述微带天线阵包括2m×2n个相同的微带天线子阵，m、n均为自然数，外置馈电网络由功分器和同轴半钢缆连接而成；每个微带天线子阵的中心均设有通孔，支撑板上与通孔对应的位置开设有圆孔，通孔与圆孔同轴。每个微带天线子阵的中心均依次通过通孔、圆孔与外置馈电网络中的同轴半钢缆连接；每相邻的四个圆孔通过同轴半钢缆接入同一个初级功分器，每相邻的四个初级功分器再通过同轴半钢缆汇聚至上级同一功分器，依次逐级汇聚直至顶级功分器，使能量均匀的分成2m×2n份进行馈电。该卫星通信天线剖面低，重量轻，增益高，能够实现双频双极化收发共用，而且结构简单，便于实现。
Description
技术领域
本发明属于卫星通信天线技术领域，特别是一种低剖面高增益双频双极化天线。
背景技术
随着卫星通信技术、特别是“动中通”技术的不断发展，对高增益天线的要求不断增长。传统上一般是采用反射面天线，然而反射面天线一般体积较大，不利于与移动车辆的集成安装。因此出现了对低剖面高增益卫星通信天线的迫切需求。除此之外，卫星的上行和下行一般工作于不同的频段和极化，因此为了能够尽量减小天线所占的体积，还要求卫星通信天线具有双频双极化收发共用的能力。
能够实现低剖面高增益的天线有很多，比如波导缝隙阵列、径向线缝隙阵列等等。波导和径向线波导都是中空结构，能量在空气中传播的损耗非常小，所以能够实现高增益。然而这种结构却不容易实现双频双极化。
微带天线是卫星通信中的重要类型，它是通过在微波介质板上刻蚀图形实现不同的功能，具有设计自由度大、功能灵活的特点。然而微带天线由于功率是在介质板中传播，会伴随较大的欧姆损耗，表面波损耗和馈电辐射损耗，当天线阵列规模较小时，该问题并不明显，随着规模的增大，该问题成为阻碍微带天线获得高增益的主要难题。如果设计不当，网络的损耗甚至抵消了天线单元数的增加所带来的增益。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增益高、结构简单、便于实现的低剖面高增益双频双极化天线。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种低剖面高增益双频双极化卫星通信天线，该装置包括微带天线阵、外置馈电网络以及固定所述微带天线阵和外置馈电网络的支撑板，微带天线阵和外置馈电网络分别置于支撑板的两侧；所述微带天线阵由2m×2n个相同的微带天线子阵在平面上拼接而成，且所有微带天线子阵均匀分布，m、n均为自然数；所述外置馈电网络由功分器和同轴半钢缆连接而成；所述每个微带天线子阵的中心均设有通孔，支撑板上与通孔对应的位置开设有圆孔，通孔与圆孔同轴；
所述每个微带天线子阵的中心均依次通过通孔、圆孔与支撑板另一侧外置馈电网络中的同轴半钢缆连接；在外置馈电网络一侧，每相邻的四个圆孔通过同轴半钢缆接入同一个初级功分器，每相邻的四个初级功分器再通过同轴半钢缆汇聚至上级同一功分器，依次逐级汇聚直至顶级功分器，使得馈电点的能量均匀的分成2m×2n份，然后对2m×2n个微带天线子阵进行馈电。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)利用低剖面结构实现了具有35dB高增益的双频双极化收发共用卫星通信天线，同时采用外置的低损耗馈电网络，避免了大型微带天线阵过高的馈线损耗；(2)采用具有极低损耗特性的圆柱谐振腔功分器，同时满足了低剖面、低损耗、高增益以及双频双极化的要求；(3)具有便携的优点，当不使用时可以拆卸存放或运输，而当使用时可以很方便的组装在一起。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例32×32阵元天线结构的正视图。
图2为本发明实施例16×32阵元天线结构的正视图。
图3为本发明实施例8×8阵元微带天线子阵结构的正视图。
图4为本发明实施例32×32阵元天线结构的背视图。
图5为本发明实施例32×32阵元天线的外置网络连接示意图。
图6为本发明实施例圆柱谐振腔功分器的原理示意图。
图7为本发明实施例圆柱谐振腔的仿真和实测S参数曲线图，其中(a)为S11曲线图、(b)为S21曲线图。
图8为本发明实施例32×32阵元天线的实测S参数曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
结合图1～6，本发明低剖面高增益双频双极化卫星通信天线，该装置包括微带天线阵、外置馈电网络以及固定所述微带天线阵和外置馈电网络的支撑板6，微带天线阵和外置馈电网络分别置于支撑板6的两侧；所述微带天线阵由2m×2n个相同的微带天线子阵1在平面上拼接而成，且所有微带天线子阵均匀分布，m、n均为自然数；所述外置馈电网络由功分器和同轴半钢缆连接而成；所述每个微带天线子阵1的中心均设有通孔4，支撑板6上与通孔4对应的位置开设有圆孔7，通孔4与圆孔7同轴；
所述每个微带天线子阵1的中心均依次通过通孔4、圆孔7与支撑板另一侧外置馈电网络中的同轴半钢缆连接；在外置馈电网络一侧，每相邻的四个圆孔7通过同轴半钢缆接入同一个初级功分器，每相邻的四个初级功分器再通过同轴半钢缆汇聚至上级同一功分器，依次逐级汇聚直至顶级功分器，使得馈电点的能量均匀的分成2m×2n份，然后对2m×2n个微带天线子阵1进行馈电。
所述每个微带天线子阵1包括64个双频双极化微带天线单元2和微带馈电网络3，所述微带天线单元2呈8×8阵列均匀分布，该微带天线子阵1通过位于微波介质板5中心的通孔4进行底部馈电。所述微带天线阵由4×4个相同的微带天线子阵1在支撑板6上拼接而成，即呈32×32阵元微带天线阵，对应的外置馈电网络包括第一级功分网络和第二级功分网络：所述第一级功分网络包括1个顶级功分器和多条同轴半钢缆；所述第二级功分网络包括4个初级功分器和多条同轴半钢缆；所述顶级功分器的输入端口与信号源相连接，顶级功分器的4个输出端口分别与4个初级功分器的输入端口相连接，每个初级功分器的4个输出端口均与相应的微带天线子阵1相连接。
所述微带天线子阵1通过光刻工艺在单层微波介质板5上制备，其中，微波介质板5上表面为辐射部分，包括双频双极化微带天线单元2和微带馈电网络3；下表面是金属接地部分，微带天线子阵1利用微波介质板5中心的通孔4进行底部馈电。
所述双频双极化微带天线单元2为单馈点双频双极化天线单元，极化方式为双频双线极化或双频双圆极化。
所述双频双极化微带天线单元2间距小于1λ，λ为双频中相对较高频点的波长。
所述功分器为具有宽带低损耗性能的功分器，或者具有双频低损耗性能的功分器；所述功分器为圆柱谐振腔功分器，所述圆柱谐振腔功分器由圆柱谐振腔和多个SMA射频连接器构成，其中1个SMA连接器位于圆柱谐振腔的底部中央，其余SMA连接器均匀分布于圆柱谐振腔的腔壁。
实施例
本发明低剖面高增益双频双极化卫星通信天线由三部分构成，第一部分为是双频双极化微带天线阵，第二部分为外置的馈电网络，第三部分为支撑板。其中第一部分由多个相同的微带天线子阵拼接而成，子阵均匀分布。微带子阵由双频双极化辐射单元和微带馈线网络构成。第二部分由低损耗的功分器和低损耗的同轴半钢缆连接而成。第三部分起到固定第一和第二部分的作用。该卫星通信天线剖面低，重量轻，增益高，能够实现双频双极化收发共用，而且结构简单，便于实现。
参见图1，为本发明实施例提供的一种低剖面高增益双频双极化卫星通信天线的正面示意图。为了实现高增益，整个微带天线阵列由多个微带天线子阵1拼接构成。
示例性的，本发明中由微带天线子阵1构成的整个天线阵的规模可以是任意一种需要的规模，例如可以是如图1所示的32×32单元的阵列，也可以是如图2所示的16×32单元的阵列。本发明实施例对此不进行限制。
优选的，本发明实施例中的微带天线阵的规模是32×32单元的。
示例性的，本发明中的微带天线子阵1也可以是任意一种所需要规模的微带天线子阵，例如可以是4×4单元、4×8单元、8×8单元、8×16单元、16×16单元的子阵，本发明实施例对此不进行限制。
优选的，本发明实施例中的微带天线子阵是8×8单元的。
参见图3，为本发明实施例提供的一种8×8单元的微带天线子阵1的正面结构示意图，包括双频双极化天线单元2和微带功分网络3。该微带天线子阵1可以在单层的微波介质板5上加工而成，并通过微波介质板5上的通孔4进行底部馈电。
示例性的，本发明实施例中微带天线子阵1中的双频双极化单元2所实现的极化方式应当和与之通信的卫星的极化相一致，因此既可能是双频双圆极化，也可能是双频双线极化，本发明实施例对此不进行限制，在该实施例中给出的是双频双线极化。
示例性的，本发明实施例中微带天线子阵1中的双频双极化单元2的实现方式可以是多种多样的，例如角馈圆形贴片，角馈矩形贴片等，本发明实施例对此不进行限制，但为了进行示例性说明，在该实施例中我们给出的是角馈矩形贴片。
在制作的实施例设计中，所述8×8单元微带天线子阵1的两个的频带的中心频率分别是12.5GHz和14.25GHz。微波介质板采用介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.508mm的Arlon880商用板材。为了避免栅瓣同时又获取较高的增益，相邻两个天线阵元的间距选定为18mm，相对于两个中心频点来说，该阵元间距分别大约为0.75λ1和0.85λ2。微带天线子阵的尺寸为144mm×144mm。
参见图4，为本发明实施例低剖面高增益双频双极化天线的背面示意图。该部分为天线的外置馈电网络部分，它的作用为有效减小馈电网络损耗，提高天线效率。该外置馈电网络实际上是经过了两级功率分配。其中，所述第一级功分包括1个低损耗功分器8和多条较长的同轴半钢缆9；所述第二级馈电网络包括多个低损耗功分器10和多条较短的同轴半钢缆11；上述两级功分网络都固定在支撑板6的背面，并且最终穿过支撑板上的圆孔7给位于支撑板正面的每个微带天线子阵1进行馈电。
为了更好的说明外置馈电网络中各器件的连接关系，给出了图4中的A-A′剖面的侧视图，并示于图5中。以发射天线为例来说明其工作过程：来自外部信号源的发射能量由第一级功分网络的一级功分器8的输入口进入，由一级功分器8将功率平分成4份后，其中一份经过长的同轴半钢缆9连接到第二级功分网络的二级功分器10的输入口，这部分能量再经过二级功分器10平分成4份，其中一份再连接到短的同轴半钢缆11。可以看出，经过这样两级功分后，来自外部信号源的能量已经被均匀的分成16份。
示例性的，本发明实施例中的长的同轴半钢缆9和短的同轴半钢缆11是任意一种具有低损耗特性的半钢缆连接线。
示例性的，本发明中的低损耗一级功分器8和二级功分器10是任意一种具有低损耗特性的功分器。例如可以是宽带波导型功分器，或者微带型双极化功分器。
优选的，本发明实施例中的功分器选用圆柱谐振腔功分器，其原理如图6所示。由图可见，所述圆柱谐振腔功分器包括1个圆柱谐振腔12，位于谐振腔底部的一个第一SMA连接器13和位于谐振腔壁上的4个第二SMA连接器14。所述圆柱谐振腔内部是一个圆柱型空气腔，而外部由金属包裹；位于底部的第一SMA连接器13位于谐振腔的底部中央，其内导体深入谐振腔一定的长度；位于谐振腔壁上的4个第二SMA连接器14位于同一个水平面内，并且相临第二SMA连接器14之间相隔90°，其内导体也深入谐振腔中一定的长度，但是位于底部的第一SMA连接器13和位于四壁的第二SMA连接器14的内导体深入腔体中的长度未必相等。所述圆柱谐振腔功分器由于能量是在空气中传播，避免了介质损耗，所以损耗比其他的微带功分器要小。此外，由于结构的对称性，能量在四个输出端口之间的分配非常平衡，幅度和相位差也更小。
在制作的功分器实施例中，圆柱谐振腔12的直径为23.4mm，高度为16.8mm。底部第一SMA连接器13的内导体深入长度为6.0mm，而四壁上的第二SMA连接器14内导体深入长度为5.3mm。四壁上的第二SMA连接器14距离圆柱谐振腔底部平面10.7mm。该型圆柱谐振腔功分器的实测S参数曲线如图7所示。从图7(a)可以看出其-10dB工作带宽从11.65GHz到15.12GHz，完全覆盖该天线工作的两个工作频带12.5GHz和14.25GHz。从图7(b)可以看出，圆柱谐振腔功分器的插入损耗在两个工作频点都低于0.35dB。
本实施例中第一部分微带天线阵和第二部分外置馈电网络最终都固定在一个共同的支撑板6上。当天线不使用时可以将天线和馈电网络拆卸后存放，而使用时可以很方便的组装在一起。示例性的，本发明中的支撑板6可以是金属材质的，也可以是其他具有足够支撑强度的其他材质的。在制作的实施例中，支撑板为铝质的，厚度为2.5mm，尺寸为576mm×576mm。
最后，对所述低剖面高增益双频双极化卫星通信天线的设计实施例经过了实际测量，实测所得的S11曲线如图8所示，天线带宽覆盖了12.04-12.69GHz以及13.82-14.66GHz，两个频段的带宽都大于600MHz。实测的天线增益在12.5GHz和14.25GHz分别为34.72dB和35.64dB，完全满足卫星通信的需要。
Claims (8)
1.一种低剖面高增益双频双极化卫星通信天线，其特征在于：该装置包括微带天线阵、外置馈电网络以及固定所述微带天线阵和外置馈电网络的支撑板(6)，微带天线阵和外置馈电网络分别置于支撑板(6)的两侧；所述微带天线阵由2m×2n个相同的微带天线子阵(1)在平面上拼接而成，且所有微带天线子阵均匀分布，m、n均为自然数；所述外置馈电网络由功分器和同轴半钢缆连接而成；所述每个微带天线子阵(1)的中心均设有通孔(4)，支撑板(6)上与通孔(4)对应的位置开设有圆孔(7)，通孔(4)与圆孔(7)同轴；
所述每个微带天线子阵(1)的中心均依次通过通孔(4)、圆孔(7)与支撑板另一侧外置馈电网络中的同轴半钢缆连接；在外置馈电网络一侧，每相邻的四个圆孔(7)通过同轴半钢缆接入同一个初级功分器，每相邻的四个初级功分器再通过同轴半钢缆汇聚至上级同一功分器，依次逐级汇聚直至顶级功分器，使得馈电点的能量均匀的分成2m×2n份，然后对2m×2n个微带天线子阵(1)进行馈电。
2.根据权利要求1所述的低剖面高增益双频双极化卫星通信天线，其特征在于：所述每个微带天线子阵(1)包括64个双频双极化微带天线单元(2)和微带馈电网络(3)，所述微带天线单元(2)呈8×8阵列均匀分布，该微带天线子阵(1)通过位于微波介质板(5)中心的通孔(4)进行底部馈电。
3.根据权利要求1所述的低剖面高增益双频双极化卫星通信天线，其特征在于：所述功分器为具有宽带低损耗性能的功分器，或者具有双频低损耗性能的功分器。
4.根据权利要求2所述的低剖面高增益双频双极化卫星通信天线，其特征在于：所述微带天线阵由4×4个相同的微带天线子阵(1)在支撑板(6)上拼接而成，即呈32×32阵元微带天线阵，对应的外置馈电网络包括第一级功分网络和第二级功分网络：
所述第一级功分网络包括1个顶级功分器和多条同轴半钢缆；所述第二级功分网络包括4个初级功分器和多条同轴半钢缆；所述顶级功分器的输入端口与信号源相连接，顶级功分器的4个输出端口分别与4个初级功分器的输入端口相连接，每个初级功分器的4个输出端口均与相应的微带天线子阵(1)相连接。
5.根据权利要求2所述的低剖面高增益双频双极化卫星通信天线，其特征在于：所述微带天线子阵(1)通过光刻工艺在单层微波介质板(5)上制备，其中，微波介质板(5)上表面为辐射部分，包括双频双极化微带天线单元(2)和微带馈电网络(3)；下表面是金属接地部分，微带天线子阵(1)利用微波介质板(5)中心的通孔(4)进行底部馈电。
6.根据权利要求2所述的低剖面高增益双频双极化卫星通信天线，其特征在于：所述双频双极化微带天线单元(2)为单馈点双频双极化天线单元，极化方式为双频双线极化或双频双圆极化。
7.根据权利要求2所述的低剖面高增益双频双极化卫星通信天线，其特征在于：所述双频双极化微带天线单元(2)间距小于1λ，λ为双频中相对较高频点的波长。
8.根据权利要求3所述的低剖面高增益双频双极化卫星通信天线，其特征在于：所述功分器为圆柱谐振腔功分器，所述圆柱谐振腔功分器由圆柱谐振腔和多个SMA射频连接器构成，其中1个SMA连接器位于圆柱谐振腔的底部中央，其余SMA连接器均匀分布于圆柱谐振腔的腔壁。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160518 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |