CN106602233A - 基于高低频复用的小型双圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于高低频复用的小型双圆极化天线，用于解决现有U/S波段双圆极化天线体积较大的技术问题，包括金属薄板、第一介质板、2×2个高频辐射体、底板、四个寄生枝节、引向器和第二、三介质板；每个高频辐射体包括高频辐射单元、介质套筒和反射板，第一介质板和2×2个高频辐射体固定在金属薄板的上表面上，底板通过支撑设置在金属薄板的下方，第二介质板和四个90°旋转对称的Γ型寄生枝节固定在该底板的上表面上，第三介质板固定在该底板的下表面上，引向器通过绝缘支柱固定在Γ型寄生枝节的顶端。本发明的体积小，且能实现双圆极化特性，可用于卫星通信舰载系统的信号接收和发射。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种双圆极化天线，具体涉及一种工作在的U/S频段的基于高低频复用的小型双圆极化天线，可用于卫星通信(340～400MHz和1900～2300MHz)舰载系统的信号接收和发射。
背景技术
卫星通信系统是指地球上的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信系统，已经在军事和民用等不同领域发挥出重要的作用，成为不可或缺的无线电应用技术。在现代的无线通信系统中，U波段有着极其广泛的应用，特别是在军事应用中，U波段以其信号穿透性强、终端实用性强、方便实现全球覆盖及广播联网等优势而得到各国军方的关注。在U波段卫星通信应用中，通常要求移动通信终端配备宽波束、多频带、小型化等不同性能组合的圆极化天线，以满足通信要求，而且由于星载、机载、车载或手持载体的不同及载体结构尺寸的限制，因此对天线尺寸提出了更高的要求，S波段为新推出的卫星通信频段，将U波段与S波段的结合，是适应通信发展趋势的。
对于工作在低频U波段(340～400MHz)的天线装置，如果采用传统的微带天线形式，根据天线理论知识，天线辐射片的尺寸约为0.5个工作波长，因此天线的设计尺寸较大，如果采用四臂螺旋天线，天线的高度超过了0.8个工作波长，天线的设计尺寸也较大，所以采用这两种方式设计的天线应用范围很容易受到限制。对于工作在高频S波段的天线装置，传统单独的天线单元增益低，不能满足需求。将U波段与S波段的结合的双频段天线的组合方式主要有以下两种：第一种是高低频辐射单元肩并肩排列，采用这种方案的天线结构左右不对称，由于互耦作用，天线在两个频段的水平方向图主瓣出现左右不对称。第二种是高低频辐射单元嵌套组合，这种方案避免了肩并肩方式中由于天线结构左右不对称而产生的天线在两个频段的水平方向图主瓣出现左右不对称的问题。采用这些技术手段的天线虽然可以实现双频双圆极化工作，但是依然具有较大的尺寸，从而限制了这些天线形式的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于高低频复用的小型双圆极化天线，用于解决现有U/S频段(340～400MHz和1900～2300MHz)双圆极化天线体积较大的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于高低频复用的小型双圆极化天线，包括低频辐射体和高频辐射体，所述低频辐射体采用金属薄板1，其上表面固定有第一介质板2和2×2个高频辐射体，其中第一介质板2的上表面印制有高频馈电网络3；所述高频辐射体包括介质套筒4、高频辐射单元5和带有腔体的反射板6，其中介质套筒4位于反射板6的腔体内，高频辐射单元5缠绕在该介质套筒4的外表面，用于实现高频辐射体在一个方向的圆极化特性；所述高频辐射单元5通过同轴线与高频馈电网络3相连；所述反射板6与金属薄板1相连，用于改善天线的轴比特性；所述金属薄板1的下方设置有通过支撑连接的底板7，该底板7的上表面固定有第二介质板10和四个90°旋转对称的Γ型寄生枝节8，下表面固定有第三介质板11；所述第二介质板10的上表面印制有第一功分器12，所述第三介质板11的下表面印制有第二功分器13和第三功分器14，其中第一功分器12和第二功分器13在空间正交分布，其输入端口分别与第三功分器14的两个输出端口相连，输出端口分别通过金属探针与金属薄板1相连，用于实现低频辐射体在另一个方向的圆极化特性；所述Γ型寄生枝节8的顶端通过绝缘支柱固定有引向器9。
上述基于高低频复用的小型双圆极化天线，所述高频馈电网络3，采用一分四功分器。
上述基于高低频复用的小型双圆极化天线，所述反射板6，其中心轴线与介质套筒4的中心轴线重合。
上述基于高低频复用的小型双圆极化天线，所述第一功分器12和第二功分器13，均采用差分馈电的一分二功分器。
上述基于高低频复用的小型双圆极化天线，所述第三功分器14，采用带90°相移威尔金森功分器。
上述基于高低频复用的小型双圆极化天线，所述2×2个高频辐射体，其中心位于四个90°旋转对称的Γ型寄生枝节8的旋转轴上，且每个高频辐射体与相邻的Γ型寄生枝节8在空间上相差45°。
上述基于高低频复用的小型双圆极化天线，所述引向器9，其结构采用十字型交叉振子。
上述基于高低频复用的小型双圆极化天线，所述金属薄板1、引向器9和底板7，该三者的中心法线重合。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明由于低频辐射体采用了金属薄板，在实现低频辐射体辐射特性的同时，实现了高频辐射体的定向特性，这种高频辐射体和低频辐射体复用的结构能有效地减小天线的体积；同时本发明由于采用了Γ型寄生枝节来调整天线低频段的驻波，减小了工作在该频段的天线尺寸，进一步减小了天线的体积，与现有技术相比，实现了天线在340～400MHz和1900～2300MHz频段范围的小型化。
2.本发明由于采用与金属薄板相连的第一功分器和第二功分器的输出端口作为该金属薄板的馈电点，且金属薄板上馈电点电流方向与高频辐射单元在介质套筒上缠绕的方向相反，使得天线实现了双圆极化特性。
3.本发明由于采用了十字型交叉振子作为低频段天线的引向器，不仅可以提高天线的增益与定向性，并且能减少对高频段天线辐射性能的影响；同时，本发明由于采用了喇叭状反射板和四个高频辐射单元组阵的形式，分别提高了天线在高频段的轴比特性和增益。
4.本发明由于在金属薄板与底板的中心采用空心金属柱进行连接，用于通过高频馈电线缆，不仅提高了天线的结构强度，而且减小了天线在低频段和高频段的相互影响，保证了两个频段天线辐射特性的对称性。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构的示意图；
图2是本发明的高低频辐射体安装结构示意图；
图3是本发明的高频馈电网络结构示意图；
图4是本发明的第一功分器的结构示意图；
图5是本发明的第二功分器和第三功分器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步描述：
参照图1，本发明包括低频辐射体和高频辐射体，所述低频辐射体采用金属薄板，本实施例中金属薄板采用厚度为2mm，半径为132mm的圆形铝板，其上表面固定有第一介质板和2×2个高频辐射体，四个高频辐射单元组阵的形式可以提高天线在高频段的增益，其中第一介质板位于该金属薄板上表面的中心，2×2个高频辐射体的口面中心与该金属薄板上表面的中心重合；所述第一介质板的上表面印制有高频馈电网络，其中高频馈电网络为总路一分四功分器，其输入端口通过同轴线由外部馈电，其输出端口通过同轴线对四个高频辐射单元馈电，具体实施方式见图3；所述高频辐射体包括介质套筒、高频辐射单元和带有腔体的反射板，其中介质套筒位于反射板的腔体内，高频辐射单元缠绕在该介质套筒的外表面，用于实现高频辐射体在一个方向的圆极化特性，所述高频辐射单元通过同轴线与高频馈电网络相连，所述反射板固定在金属薄板上，用于改善天线的轴比，本实施例中反射板采用厚度为1mm的金属片作为材料，其外形是大口径向上的圆台喇叭状，具体实施方式见图2；所述金属薄板的下方设置有通过支撑连接的底板，且二者的中心法线重合，本实施例中采用空心金属螺柱作为该支撑，用于通过高频馈电线缆，底板采用厚度为8mm，半径为160mm的圆形铜板，该底板的上表面固定有第二介质板和四个90°旋转对称的Γ型寄生枝节，该底板下表面中心固定有第三介质板，其中每个Γ型寄生枝节均采用厚度为1.5mm的铝板作为材料，该Γ型寄生枝节可以作为容性与感性加载，调节天线阻抗的虚部，实现天线低频阻抗匹配，其中2×2个高频辐射体的中心位于该四个90°旋转对称的Γ型寄生枝节的旋转轴上，且每个Γ型寄生枝节与相邻的高频辐射体在空间上相差45°，这样可以减小Γ型寄生枝节对高频辐射体辐射性能的影响；所述第二介质板的上表面上印制有第一功分器，所述第三介质板的下表面上印制有第二功分器和第三功分器，其中第一功分器和第二功分器均为一分二功分器，且在空间正交分布，其中第三功分器为带90°相移的威尔金森功分器，所述第一功分器和第二功分器的输入端口分别与第三功分器的两个输出端口相连，输出端口分别通过金属探针与金属薄板相连作为金属薄板的馈电点，该第一功分器、第二功分器和第三功分器的组合使得馈电点等幅相位依次相差90°、180°、270°，可实现低频辐射体在另一个方向的圆极化特性，其中金属薄板上馈电点电流方向与高频辐射单元在介质套筒上缠绕的方向相反，可以使该天线实现双圆极化特性，本实施例中，高频辐射体采用左旋缠绕，馈电点电流流向采用右旋流动；所述Γ型寄生枝节的顶端通过绝缘支柱固定有引向器，该引向器的中心法线与金属薄板及底板的中心法线重合，其中引向器为十字交叉振子，可用来提高天线的增益和定向性，本实施例中十字交叉阵子采用厚度为1mm，直线宽度为20mm，直线长度为174mm的十字交叉铝片。
参照图2，本发明中的高低频辐射体安装结构，金属薄板的上表面固定有2×2个高频辐射体，该高频辐射体包括介质套筒、高频辐射单元和带有腔体的反射板，其中介质套筒位于反射板的腔体内，本实施例中反射板采用厚度为1mm、高度为32mm且大口向上的圆台喇叭状铜板，用于改善天线的轴比特性，本实施例中介质套筒采用介电常数为2.5、高度为58mm的空心柱状介质材料，其中高频辐射单元缠绕在该介质套筒的外表面，用于实现高频辐射体在一个方向的圆极化特性，本实施例中高频辐射单元采用了左旋缠绕，其中螺旋导线的截面为圆形，匝数为1.67，螺距为30mm。
参考图3，所述第一介质板的上表面印制有高频馈电网络，其中第一介质板采用介电常数为2.65，厚度为1mm，尺寸为35×60mm的介质材料；其中高频馈电网络为总路一分四功分器，在馈电点附近，高频馈电同轴线的外臂焊接在金属薄板上，同轴线的内芯与高频辐射单元相焊接，其输入端口通过穿过空心螺柱的同轴线由外部馈电，其输出端口通过同轴线对四个高频辐射单元馈电。
参考图4，所述底板的上表面上固定有第二介质板，该第二介质板的上表面上印制有第一功分器，本实施例中第二介质板采用介电常数为2.65，厚度为1mm的类半圆形介质材料，第一功分器采用差分馈电的一分二功分器。
参考图5，所述底板的下表面上固定有第三介质板，该第三介质板的下表面上印制有第二功分器和第三功分器，其中第二功分器与第一功分器均采用差分馈电的一分二功分器，且在空间正交分布，该两个功分器的输入端口分别与第三功分器的两个输出端口相连，输出端口分别通过金属探针与金属薄板相连；本实施例中第三功分器采用带90°相移的威尔金森功分器，第一功分器、第二功分器和第三功分器的组合使得金属薄板上的馈电点等幅相位依次相差90°、180°、270°，用于实现金属薄板在另一个方向上的圆极化特性。
以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于高低频复用的小型双圆极化天线，包括低频辐射体和高频辐射体，其特征在于，所述低频辐射体采用金属薄板(1)，其上表面固定有第一介质板(2)和2×2个高频辐射体，其中第一介质板(2)的上表面印制有高频馈电网络(3)；所述高频辐射体包括介质套筒(4)、高频辐射单元(5)和带有腔体的反射板(6)，其中介质套筒(4)位于反射板(6)的腔体内，高频辐射单元(5)缠绕在该介质套筒(4)的外表面，用于实现高频辐射体在一个方向的圆极化特性；所述高频辐射单元(5)通过同轴线与高频馈电网络(3)相连；所述反射板(6)与金属薄板(1)相连，用于改善天线的轴比特性；所述金属薄板(1)的下方设置有通过支撑连接的底板(7)，该底板(7)的上表面固定有第二介质板(10)和四个90°旋转对称的Γ型寄生枝节(8)，下表面固定有第三介质板(11)；所述第二介质板(10)的上表面印制有第一功分器(12)，所述第三介质板(11)的下表面印制有第二功分器(13)和第三功分器(14)，其中第一功分器(12)和第二功分器(13)在空间正交分布，其输入端口分别与第三功分器(14)的两个输出端口相连，输出端口分别通过金属探针与金属薄板(1)相连，用于实现低频辐射体在另一个方向的圆极化特性；所述Γ型寄生枝节(8)的顶端通过绝缘支柱固定有引向器(9)。
2.根据权利要求1所述的基于高低频复用的小型双圆极化天线，其特征在于：所述高频馈电网络(3)，采用一分四功分器。
3.根据权利要求1所述的基于高低频复用的小型双圆极化天线，其特征在于：所述反射板(6)，其中心轴线与介质套筒(4)的中心轴线重合。
4.根据权利要求1所述的基于高低频复用的小型双圆极化天线，其特征在于：所述第一功分器(12)和第二功分器(13)，均采用差分馈电的一分二功分器。
5.根据权利要求1所述的基于高低频复用的小型双圆极化天线，其特征在于：所述第三功分器(14)，采用带90°相移威尔金森功分器。
6.根据权利要求1所述的基于高低频复用的小型双圆极化天线，其特征在于：所述2×2个高频辐射体，其中心位于四个90°旋转对称的Γ型寄生枝节(8)的旋转轴上，且每个高频辐射体与相邻的Γ型寄生枝节(8)在空间上相差45°。
7.根据权利要求1所述的基于高低频复用的小型双圆极化天线，其特征在于：所述引向器(9)，其结构采用十字型交叉振子。
8.根据权利要求1所述的基于高低频复用的小型双圆极化天线，其特征在于：所述金属薄板(1)、引向器(9)和底板(7)，该三者的中心法线重合。
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