CN107069196A - S/l频段平板自跟踪天线 - Google Patents

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CN107069196A
CN107069196A CN201611241225.1A CN201611241225A CN107069196A CN 107069196 A CN107069196 A CN 107069196A CN 201611241225 A CN201611241225 A CN 201611241225A CN 107069196 A CN107069196 A CN 107069196A
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赵波
马琳
李靖
李连辉
张春
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Aerospace Long March Launch Vehicle Technology Co Ltd
Beijing Institute of Telemetry Technology
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Aerospace Long March Launch Vehicle Technology Co Ltd
Beijing Institute of Telemetry Technology
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    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
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    • H01Q5/20—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements characterised by the operating wavebands
    • H01Q5/28—Arrangements for establishing polarisation or beam width over two or more different wavebands

Abstract

本发明公开了一种S/L频段平板自跟踪天线，包括天线罩、天线外壳、内腔支撑结构、天线阵面印制板、S频段网络印制板、S频段天线单元、L频段天线单元、S频段网络印制线、L频段网络印制线、S频段和差调制器和S频段低噪滤波组件；其中，S频段天线单元包括S频段引向片、S频段辐射贴片、S单元支柱和馈针；L频段天线单元包括L频段引向片、L频段辐射贴片和L单元支柱；S频段网络印制线设置于所述S频段网络印制板下表面；所述L频段网络印制线设置于所述天线阵面印制板上表面；所述S频段和差调制器及S频段低噪滤波组件安装在内腔支撑结构的下表面。本发明缩小了天线的体积及重量，提高了天线的增益。

Description

S/L频段平板自跟踪天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种S/L频段平板自跟踪天线。
背景技术
目前，国内遥测地面接收站普遍采用增益较高的抛物面反射天线用于跟踪飞行目标。然而，抛物面天线具有研制成本高、体积大、在移动或便携式遥测接收站中使用不便的缺点。
随着我国通信、导航、遥控遥测等方面技术的发展，“动中通”通信系统的应用和发展十分迅猛。现有的抛物面天线已不能全面适应新的需求。
平板天线具有体积小，剖面低，重量轻的优点，在同等增益要求下，尺寸明显小于抛物面天线，更适应现代遥测便携站的应用环境。
目前，国内对平板自跟踪天线的研究很少，尚未见有关S和L双频双工的平板自跟踪天线的报道。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种S/L频段平板自跟踪天线，具有体积小、剖面低、重量轻和增益高的优点。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种S/L频段平板自跟踪天线，包括：天线罩、天线外壳、内腔支撑结构、天线阵面印制板、S频段网络印制板、S频段天线单元、L频段天线单元、S频段网络印制线、L频段网络印制线、S频段和差调制器和S频段低噪滤波组件；其中，S频段天线单元包括S频段引向片、S频段辐射贴片、S单元支柱和馈针；其中，S频段辐射贴片设置于所述天线阵面印制板上表面；所述S单元支柱的一端与所述S频段辐射贴片的中心相连接；所述S单元支柱的另一端与所述S频段引向片的中心相连接；所述馈针的一端焊接在所述S频段辐射贴片上，并依次穿过天线阵面印制板及S频段网络印制板，其另一端焊接在所述S频段网络印制线上；L频段天线单元包括L频段引向片、L频段辐射贴片和L单元支柱；其中，L频段辐射贴片设置于所述天线阵面印制板上表面；所述L单元支柱的一端与所述L频段辐射贴片的中心相连接；所述L单元支柱的另一端与所述L频段引向片的中心相连接；所述S频段网络印制线设置于所述S频段网络印制板下表面；所述L频段网络印制线设置于所述天线阵面印制板上表面；所述S频段和差调制器及S频段低噪滤波组件安装在内腔支撑结构的下表面。
上述S/L频段平板自跟踪天线中，所述每个S频段辐射贴片上焊接2个馈针，2个馈针与其焊接的S频段辐射贴片的中心的连线夹角为90°；所述天线阵面印制板上共刻蚀有十六个S频段辐射贴片；其中，每个S频段辐射贴片与馈针的相对位置是一致的。
上述S/L频段平板自跟踪天线中，所述S频段引向片的直径大于S频段辐射贴片的直径。
上述S/L频段平板自跟踪天线中，所述L频段引向片的直径大于L频段辐射贴片的直径。
上述S/L频段平板自跟踪天线中，以天线阵面印制板的中心为轴，以其中一个象限内的L频段辐射贴片为基准，其他三个象限的L频段辐射贴片依次顺时针旋转90°；且L频段辐射贴片与L频段网络印制线的接口位置也依次顺时针旋转90°。
上述S/L频段平板自跟踪天线中，所述L频段辐射贴片与所述L频段网络印制线为一体刻蚀形成，均位于天线阵面印制板的上表面；所述L频段网络印制线为一个一分四功分网络，四个端口分别与四个L频段辐射贴片的接口位置相连；所述L频段网络印制线的四个端口到总口的幅度相等，相位顺时针依次延长90°；所述L频段网络印制线的总口与第三接插件的管脚焊连；该接插件从上至下依次穿过天线阵面印制板、S频段网络印制板及内腔支撑结构后露出，与电缆相连。
上述S/L频段平板自跟踪天线中，所述S频段网络印制线为八个等幅等相一分四功分网络；每两个一分四功分网络对应天线阵面印制板中的一个象限；其中，功分网络的八个端口分别对应与馈针相连接。
上述S/L频段平板自跟踪天线中，电缆和第二接插件，所述S频段网络印制线的八个总口分别焊接八个第二接插件；这八个第二接插件通过电缆与八个S频段低噪滤波组件相连。
上述S/L频段平板自跟踪天线中，还包括第一接插件，S频段和差调制器接收来自于S频段低噪滤波组件的信号后，再通过电缆输出给天线外壳上的第一接插件，从而完成信号的传输。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明通过合理排布，将所有的L频段天线单元和S频段天线单元设置在同一个阵面上，降低了天线的剖面；通过将L频段天线单元放置在S频段天线单元中间，减小了天线的面积；
(2)本发明中的天线单元通过加入S频段引向片和L频段引向片，既提高了天线的增益，又拓展了天线的带宽；
(3)本发明中L频段天线阵列通过采用极化对消的馈电方式，可以明显优化L频段天线阵的轴比；
(4)本发明通过将L频段网络印制线刻蚀在天线阵面印制板上，避免了馈电网络不同频所导致的大面积多层印制板的使用，提高了天线整体的可靠性；
(5)本发明通过将天线阵面印制板分成四个象限，及和差调制器的使用，可以分别得到方位，俯仰的和信号及差信号，实现自跟踪功能；
(6)本发明通过有源前置的设计方案，提高了S频段天线的GT值。
附图说明
图1是本发明的S/L频段平板自跟踪天线的侧剖结构示意图；
图2是本发明的天线阵面印制板的结构示意图；
图3是本发明的S频段网络印制板的结构示意图；
图4是本发明的S/L频段平板自跟踪天线的后视开盖结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的S/L频段平板自跟踪天线的侧剖结构示意图，图2是本发明的天线阵面印制板的结构示意图，图3是本发明的S频段网络印制板的结构示意图，图4是本发明的S/L频段平板自跟踪天线的后视开盖结构示意图。如图所示，该S/L频段平板自跟踪天线包括：天线罩1、天线外壳2、内腔支撑结构3、天线阵面印制板4、S频段网络印制板5、S频段天线单元、L频段天线单元、S频段网络印制线13、L频段网络印制线14、S频段和差器15和S频段低噪滤波组件16。其中，
S频段天线单元包括S频段引向片6、S频段辐射贴片7、S单元支柱8和馈针9。其中，S频段辐射贴片7设置于天线阵面印制板4上表面；S单元支柱8的一端与S频段辐射贴片7的中心相连接；S单元支柱8的另一端与S频段引向片6的中心相连接；馈针9的一端焊接在S频段辐射贴片7的上，馈针9依次穿过天线阵面印制板4及S频段网络印制板5，其另一端焊接在S频段网络印制线13上；每个S频段天线单元包括2个馈针9，2个馈针9与S频段辐射贴片7中心的连线形成90°的夹角。
L频段天线单元包括L频段引向片10、L频段辐射贴片11和L单元支柱12。其中，L频段辐射贴片11设置于天线阵面印制板4上表面；L单元支柱12的一端与L频段辐射贴片11的中心相连接；L单元支柱12的另一端与L频段引向片10的中心相连接。
S频段网络印制线13设置于S频段网络印制板5下表面；L频段网络印制线14设置于天线阵面印制板4上表面；
S频段和差调制器15及S频段低噪滤波组件16安装在内腔支撑结构3的下表面上。
如图2所示，天线阵面印制板4可分为四个象限，每个象限包含四个S频段天线单元，1个L频段天线单元；单个象限内，四个S频段天线单元的中心的连线为正方形，其相邻两单元之间间距介于0.5倍第一波长至1倍第一波长之间，其中，第一波长与S频段天线单元的频率相关；四个L频段天线单元的中心的连线为正方形，其相邻两单元之间间距介于0.5倍第二波长至1倍第二波长之间，其中，第二波长与L频段天线单元的频率相关。
上述实施例中，如图2所示，每个S频段辐射贴片7上焊接2个馈针9，2个馈针9与其焊接的S频段辐射贴片7的中心的连线夹角为90°；天线阵面印制板4上共刻蚀有十六个S频段辐射贴片7；其中，每个S频段辐射贴片7与馈针9的相对位置是一致的。
上述实施例中，S频段引向片6的直径大于S频段辐射贴片7的直径。L频段引向片10的直径大于L频段辐射贴片11的直径。
上述实施例中，如图2所示，L频段辐射贴片11与L频段网络印制线14为一体刻蚀形成，均位于天线阵面印制板4的上表面；顺时针看时，以天线阵面印制板4的中心为轴，以其中一个象限内的L频段辐射贴片11为基准，其他三个象限的L频段辐射贴片11依次顺时针旋转90°；且L频段辐射贴片11与L频段网络印制线14的接口位置也依次顺时针旋转90°。
上述实施例中，如图2所示，L频段网络印制线14置于天线阵面印制板4的上表面；L频段网络印制线14为一个一分四功分网络，四个端口分别与四个L频段辐射贴片11相连；L频段网络印制线14的四个端口到总口的幅度相等，相位顺时针依次延长90°；L频段网络印制线14的总口与第三接插件的管脚焊连；该接插件从上至下依次穿过天线阵面印制板4、S频段网络印制板5及内腔支撑结构3后露出，与电缆18相连。
上述实施例中，如图3所示，S频段网络印制线13为八个等幅等相一分四功分网络；每两个一分四功分器对应天线阵面印制板4中的一个象限；其中，功分网络的八个端口分别对应与馈针9相连接。具体的，每个象限共八个馈针9，每台S/L频段平板自跟踪天线共三十二个馈针9。
上述实施例中，如图1所示，该S/L频段平板自跟踪天线还包括：电缆18和第二接插件19，S频段网络印制线13的八个总口分别焊接八个第二接插件19；这八个第二接插件17通过电缆18与八个S频段低噪滤波组件16相连。
上述实施例中，如图1所示，该S/L频段平板自跟踪天线还包括第一接插件17，S频段和差调制器15包括左旋和差调制器和右旋和差调制器两种；S频段和差调制器15接收来自于S频段低噪滤波组件16的信号后，再通过电缆18输出给天线外壳2上的第一接插件17，从而完成信号的传输。
如图3所示，S频段网络印制板5也可以分为四个象限，S频段网络印制线13为八个等幅等相一分四功分网络；每两个一分四功分器对应图2所示天线阵面印制板4中的一个象限；其中，功分网络的八个端口分别对应与馈针9相连接。
每个象限中的四个S频段天线单元通过与其对应的两个一分四功分器，形成一个左旋信号，一个右旋信号；四个象限的左旋信号按顺时针排序可记为L1、L2、L3、L4；四个象限的右旋信号按顺时针排序可记为R1、R2、R3、R4；
如图1和图4所示，在内腔支撑结构3上安装有S频段和差调制器15及S频段低噪滤波组件16；L1、L2、L3、L4四个左旋信号分别通过四个S频段低噪滤波组件后连接到左旋的S频段和差调制器；R1、R2、R3、R4四个右旋信号分别通过四个S频段低噪滤波组件后连接到右旋的S频段和差调制器；通过左旋的S频段和差调制器后，可以得到左旋和信号为L1+L2+L3+L4，左旋的方位差或俯仰差为L1+L2-L3-L4或L1+L3-L2-L4，这里方位或俯仰取决于用户的安装方式；通过右旋的S频段和差调制器后，可以得到右旋和信号为R1+R2+R3+R4，右旋的方位差或俯仰差为R1+R2-R3-R4或R1+R3-R2-R4，这里方位或俯仰取决于用户的安装方式。
如图3所示，四个L频段辐射贴片与L频段网络印制线为一体刻蚀形成，均位于天线阵面印制板的上表面；顺时针看时，以天线阵面印制板的中心为轴，以其中一个象限内的L频段辐射贴片为基准，其他三个象限的L频段辐射贴片依次顺时针旋转90°；且L频段辐射贴片与L频段网络印制线的接口位置也依次顺时针旋转90°；L频段网络印制线为一个一分四功分网络，顺时针看时，以与其中一个象限内的L频段辐射贴片连接的馈线相位为基准，与其他三个象限的L频段辐射贴片连接的馈线相位依次顺时针增加90°(通过四条馈线长度控制)；通过此种极化对消方式对L频段天线单元进行排布，可以显著优化L频段天线阵的整体轴比。
本实施例通过L天线单元和S天线单元组成微带天线阵列的形式，在保证天线高增益的前提下，大大缩减了自跟踪天线的体积和重量。例如，在S频段2.2GHz-2.4GHz的频段上，400mm×400mm幅面的S/L频段平板自跟踪天线，S频段的天线增益可达18dB以上，L频段的天线增益可达14dB以上，对同等增益的抛物面天线而言，假设其天线效率为50％的情况下，抛物面天线的尺寸约为1.5m，为本实施例中S/L频段平板自跟踪天线幅面的3到4倍。因此，在遥测地面站及车载站中，S/L频段平板自跟踪天线的便携性及可移动性较抛物面天线有非常明显的优势。
本实施例中的天线单元通过采用悬置微带形式，既提高了天线增益又拓宽了天线的带宽。具体的，普通单贴片的微带天线单元，S频段增益一般只有5dB-7dB左右，而本实施例中由于加入了引向片，单元增益可达8dB-10dB，大大提高了天线的单元增益，从而使阵列天线能在较小的幅面内得到较高的增益；普通单贴片的微带天线单元，以介电常数为3.5，厚度为2mm的印制板为例，阻抗带宽一般为2％左右，而用同样印制板设计的本实施例的微带悬置天线单元的阻抗带宽可达17％左右，阻抗带宽同比提高8到9倍。
本实施例采用极化对消的馈电方式，可以明显改善天线阵的轴比。具体的，通过对四个L频段天线单元进行旋转，并赋予特定的相位，天线阵轴比可以降到2dB以下；在采用同样的L频段天线单元的情况下，不选择极化对消方式的L频段天线阵的轴比约为6dB；
控制阵列天线增益的因素除单个天线单元的增益外，主要是阵列单元的数目。阵列单元之间的距离合宜的时候，单元数目每增加一倍，则天线增益理论上增加3dB。本实施例中，S频段天线阵列由16个S天线单元组成，理论上比一个单元时增加了12dB的增益；L频段天线阵列有4个L天线单元组成，理论上比一个单元时增加了6dB的增益；通过合理选择S频段和L频段的单元数目，从而实现了阵列天线增益的显著提升。
本实施例中的S频段引向片与S频段辐射贴片之间约有10mm左右的空气层，L频段引向片与L频段辐射贴片之间约有12mm左右的空气层，从增益方面上来说，空气层降低了天线的介质损耗，从而使单元增益有小幅提高；从带宽方面来说，空气微带降低了介电常数，从而扩展了天线的阻抗带宽。
本实施例将S频段贴片和L频段贴片摆放在一个阵面上，通过选择合适的单元间间距，可以使空间得到更充分的应用，使结构更为紧凑，大大减小整个天线的体积。天线阵面后端的馈电网络采用有源前置的方案，可以提高系统的作用距离。
经测试，本发明的天线尺寸为400mm×400mm×70mm，S频段增益可达18dB以上，L频段增益可达14dB以上；L频段轴比小于2dB；S频段及L频段的驻波比均小于2。
本发明通过合理排布，将所有的L频段天线单元和S频段天线单元设置在同一个阵面上，降低了天线的剖面；通过将L频段天线单元放置在S频段天线单元中间，减小了天线的面积；并且本发明中的天线单元通过加入S频段引向片和L频段引向片，既提高了天线的增益，又拓展了天线的带宽；本发明中L频段天线阵列通过采用极化对消的馈电方式，可以明显优化L频段天线阵的轴比；发明通过将L频段网络印制线刻蚀在天线阵面印制板上，避免了馈电网络不同频所导致的大面积多层印制板的使用，提高了天线整体的可靠性；本发明通过将天线阵面印制板分成四个象限，及和差调制器的使用，可以分别得到方位，俯仰的和信号及差信号，实现自跟踪功能。
以上内容是结合具体的优选实施案例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所述技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
本发明未公开的技术属本领域公知技术。

Claims (10)

1.一种S/L频段平板自跟踪天线，其特征在于包括：天线罩(1)、天线外壳(2)、内腔支撑结构(3)、天线阵面印制板(4)、S频段网络印制板(5)、S频段天线单元、L频段天线单元、S频段网络印制线(13)、L频段网络印制线(14)、S频段和差调制器(15)和S频段低噪滤波组件(16)；其中，
S频段天线单元包括S频段引向片(6)、S频段辐射贴片(7)、S单元支柱(8)和馈针(9)；其中，S频段辐射贴片(7)设置于所述天线阵面印制板(4)上表面；所述S单元支柱(8)的一端与所述S频段辐射贴片(7)的中心相连接；所述S单元支柱(8)的另一端与所述S频段引向片(6)的中心相连接；所述馈针(9)的一端焊接在所述S频段辐射贴片(7)上，并依次穿过天线阵面印制板(4)及S频段网络印制板(5)，其另一端焊接在所述S频段网络印制线(13)上；
L频段天线单元包括L频段引向片(10)、L频段辐射贴片(11)和L单元支柱(12)；其中，L频段辐射贴片(11)设置于所述天线阵面印制板(4)上表面；所述L单元支柱(12)的一端与所述L频段辐射贴片(11)的中心相连接；所述L单元支柱(12)的另一端与所述L频段引向片(10)的中心相连接；
所述S频段网络印制线(13)设置于所述S频段网络印制板(5)下表面；所述L频段网络印制线(14)设置于所述天线阵面印制板(4)上表面；
所述S频段和差调制器(15)及S频段低噪滤波组件(16)安装在内腔支撑结构(3)的下表面。
2.根据权利要求1所述的S/L频段平板自跟踪天线，其特征在于：所述天线阵面印制板(4)分为四个象限，每个象限包含四个S频段天线单元，1个L频段天线单元；单个象限内，四个S频段天线单元的中心的连线为正方形，其相邻两单元之间间距介于0.5倍第一波长至1倍第一波长之间，其中，第一波长与S频段天线单元的频率相关；四个L频段天线单元的中心的连线为正方形，其相邻两单元之间间距介于0.5倍第二波长至1倍第二波长之间，其中，第二波长与L频段天线单元的频率相关。
3.根据权利要求1所述的S/L频段平板自跟踪天线，其特征在于：所述每个S频段辐射贴片(7)上焊接2个馈针(9)，2个馈针(9)与其焊接的S频段辐射贴片(7)的中心的连线夹角为90°；所述天线阵面印制板(4)上共刻蚀有十六个S频段辐射贴片(7)；其中，每个S频段辐射贴片(7)与馈针(9)的相对位置是一致的。
4.根据权利要求1所述的S/L频段平板自跟踪天线，其特征在于：所述S频段引向片(6)的直径大于S频段辐射贴片(7)的直径。
5.根据权利要求1所述的S/L频段平板自跟踪天线，其特征在于：所述L频段引向片(10)的直径大于L频段辐射贴片(11)的直径。
6.根据权利要求1所述的S/L频段平板自跟踪天线，其特征在于：以天线阵面印制板(4)的中心为轴，以其中一个象限内的L频段辐射贴片(11)为基准，其他三个象限的L频段辐射贴片(11)依次顺时针旋转90°；且L频段辐射贴片(11)与L频段网络印制线(14)的接口位置也依次顺时针旋转90°。
7.根据权利要求6所述的S/L频段平板自跟踪天线，其特征在于：所述L频段辐射贴片(11)与所述L频段网络印制线(14)为一体刻蚀形成，均位于天线阵面印制板(4)的上表面；所述L频段网络印制线(14)为一个一分四功分网络，四个端口分别与四个L频段辐射贴片(11)的接口位置相连；所述L频段网络印制线(14)的四个端口到总口的幅度相等，相位顺时针依次延长90°；所述L频段网络印制线(14)的总口与第三接插件的管脚焊连；该接插件从上至下依次穿过天线阵面印制板(4)、S频段网络印制板(5)及内腔支撑结构(3)后露出，与电缆(18)相连。
8.根据权利要求2所述的S/L频段平板自跟踪天线，其特征在于：所述S频段网络印制线(13)为八个等幅等相一分四功分网络；每两个一分四功分网络对应天线阵面印制板(4)中的一个象限；其中，功分网络的八个端口分别对应与馈针(9)相连接。
9.根据权利要求1所述的S/L频段平板自跟踪天线，其特征在于，还包括：电缆(18)和第二接插件(19)，所述S频段网络印制线(13)的八个总口分别焊接八个第二接插件(19)；这八个第二接插件(17)通过电缆(18)与八个S频段低噪滤波组件(16)相连。
10.根据权利要求1所述的S/L频段平板自跟踪天线，其特征在于，还包括第一接插件(17)，S频段和差调制器(15)接收来自于S频段低噪滤波组件(16)的信号后，再通过电缆(18)输出给天线外壳(2)上的第一接插件(17)，从而完成信号的传输。
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