CN107086368A - 星载收发一体双频双圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供星载收发一体化双频双圆极化天线，包括：天线单元和反射铝板；所述天线单元包括：上层辐射陶瓷基片，贴在所述上层辐射陶瓷基片朝向空间上表面的上层高频辐射贴片，所述上层高频辐射贴片一个对角线的两端各形成一个圆极化切角；下层辐射陶瓷基片，贴在所述下层辐射陶瓷基片朝向上层辐射陶瓷基片上表面的下层低频辐射贴片，所述下层低频辐射贴片一个对角线的两端各形成一个圆极化切角；所述下层辐射陶瓷基片四个侧面分别有拓展辐射条带；所述上层高频辐射贴片与下层低频辐射贴片之间有高频天线馈针；所述下层低频辐射贴片与反射铝板之间有低频天线馈针。

Description

星载收发一体双频双圆极化天线
技术领域
本发明涉及天线，特别涉及星载收发一体双频双圆极化天线。
背景技术
卫星低成本、小型化、轻量化及一箭多星发射的大趁势，对星载天线提出了更高的要求。传统金属螺旋天线在体积、重量、成本及卫星外包络方面的局限性在微小卫星的应用中越来越突出。微小卫星对低成本、小尺寸、高性能的星载天线十分期待。例如,卫星上常用的测控天线，通常要求波束实现360度球状全覆盖,当前的主流的实现方式是采用收发各二副螺旋天线来实现,在微纳卫星较小的外包络空间内,安装四副螺旋天线,局限性越来越明显。再如，作为通信主载荷的多波束相控阵天线,铱星及全球星等大卫星主要采用的仍是收发分离的两副相控阵来实现双频双圆极化工作,而二副相控阵多波束天线的体积、重量及安装空间要求对体积、重量及功耗严重受限的微纳卫星无疑是一个巨大的挑战。
通信载荷天线或测控天线通常工作在频率极接近的高低两个频段，接收与发射分别采用左旋及右旋两种不同的极化方式，收发高低频率之比往往低于1.1。[1]Naimian B等人发表在2011年Electrical Engineering(ICEE),.IEEE,2011:1-4的“A new novel dual-band circularly-polarized microstrip antenna”和Li T W等人发表在2005.IEEE/ACESInternational Conference on.IEEE,2005:930-933的“Dual-band circularlypolarized microstrip antenna”均提供了单片双圆极化方案，但均难以满足1.1这样低频比的要求。
发明内容
本发明解决的问题是现有天线无法满足微小卫星低成本、小尺寸、高性能的要求；为解决所述问题，本发明提供一种星载收发一体双频双圆极化天线。
本发明提供星载收发一体化双频双圆极化天线，包括：天线单元和反射铝板；所述天线单元包括：上层辐射陶瓷基片，贴在所述上层辐射陶瓷基片朝向空间上表面的上层高频辐射贴片，所述上层高频辐射贴片一个对角线的两端各形成一个圆极化切角；下层辐射陶瓷基片，贴在所述下层辐射陶瓷基片朝向上层辐射陶瓷基片上表面的下层低频辐射贴片，所述下层低频辐射贴片一个对角线的两端各形成一个圆极化切角；所述下层辐射陶瓷基片四个侧面分别有拓展辐射条带，所述拓展辐射条带与下层低频辐射贴片连接形成伞状结构；所述下层低频辐射贴片与上层高频辐射贴片的两条对角线分别平行；形成圆极化切角的两条对角线不平行,通过上下层辐射贴片分别实现右旋及左旋双圆极化；所述上层高频辐射贴片与下层低频辐射贴片之间有高频天线馈针；所述下层低频辐射贴片与反射铝板之间有低频天线馈针。
进一步，所述上层高频辐射贴片、下层低频辐射贴片、拓展辐射条带为厚度为0.03～0.15mm；所述上层辐射陶瓷基片为介电常数为8～80的微波介质材料；所述下层辐射陶瓷基片为介电常数为6～40的微波介质材料，高频天线馈针与低频天线馈针为铍青铜。
进一步，所述天线用于S频段测控天线，下层辐射陶瓷基片的几何尺寸为：长х宽х高＝31.5mmх31.5mmх2mm；基片材料的介电常数为8，介电损耗为0.001，上层辐射陶瓷基片的几何尺寸为：长х宽х高＝20mmх20mmх2mm，基片材料的介电常数为15，介电损耗为0.001，上层高频辐射贴片的尺寸为18mmх18mm；上层高频辐射贴片的圆极化切角的长度为1.5mm，下层低频辐射贴片的尺寸为31.5mmх31.5mm，下层低频辐射贴片的圆极化切角的长度为2.9mm，侧面的拓展辐射条带的尺寸为16mmх1mm，位置居中。
进一步，所述天线用于L频段收发一体共口径通信载荷天线，包括：19个天线单元和反射铝板；所述19个天线单元按1，6及12由内而外分三层在反射铝板上按圆环形布局；每个天线单元中下层辐射陶瓷基片的几何尺寸为：长х宽х高＝39.4mmх39.4mmх4mm；基片材料的介电常数为8，介电损耗为0.001，上层辐射陶瓷基片的几何尺寸为：长х宽х高＝26mmх26mmх4mm，基片材料的介电常数为15，介电损耗为0.001.上层高频辐射贴片的尺寸为23mmх23mm；上层高频辐射贴片的圆极化切角的长度为2.4mm，下层低频辐射贴片的尺寸为39.4mmх39.4mm，下层低频辐射贴片的圆极化切角的长度为5.3mm,侧面的拓展辐射条带的尺寸为24mmх1.6mm，位置居中；每个天线单元与反射铝板组成一个多波束载荷天线。
本发明采用小型化微带天线方案，实现天线的收发一体，并满足双频双圆极化功能，可使上述应用场景下的天线数量减半。同时微带天线方案在电性能与传统金属螺旋天线相当的情况，在体积、重量、成本方面还有突出的优势。
附图说明
图1是本发明提供的星载收发一体双频双圆极化天线的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的星载收发一体双频双圆极化天线用于S频段测控天线时，低频接收天线(LHCP)回波损耗S11；
图3是本发明实施例提供的星载收发一体双频双圆极化天线用于S频段测控天线时，低频接收天线(LHCP)辐射方向图；
图4是本发明实施例提供的星载收发一体双频双圆极化天线用于S频段测控天线时，低频接收天线(LHCP)圆极化轴比；
图5是本发明实施例提供的星载收发一体双频双圆极化天线用于S频段测控天线时，高频段发射天线(RHCP)的回波损耗S11；
图6是本发明实施例提供的星载收发一体双频双圆极化天线用于S频段测控天线时，高频发射天线的辐射方向图；
图7是本发明实施例提供的星载收发一体双频双圆极化天线用于S频段测控天线时，高频发射天线圆极化轴比；
图8是本发明实施例提供的星载收发一体双频双圆极化天线用于S频段测控天线时，收发天线之间的隔离度；
图9是本发明实施例提供的星载收发一体双频双圆极化天线用于L频段通信载荷天线时，L频段19阵元收发一体多波束载荷天线俯视图；
图10是本发明实施例提供的星载收发一体双频双圆极化天线用于L频段通信载荷天线时，低频接收天线(LHCP)单元回波损耗(S11)；
图11是本发明实施例提供的星载收发一体双频圆极化天线用于L频段通信载荷天线时，低频接收天线(LHCP)单元辐射方向图；
图12是本发明实施例提供的星载收发一体双频圆极化天线用于L频段通信载荷天线时，低频接收天线(LHCP)单元轴比方向图；
图13是本发明实施例提供的星载收发一体双频双圆极化天线用于L频段通信载荷天线时，高频发射天线(RHCP)单元回波损耗(S11)；
图14是本发明实施例提供的星载收发一体双频双圆极化天线用于L频段通信载荷天线时，高频发射天线(RHCP)单元辐射方向图；
图15是本发明实施例提供的星载收发一体双频双圆极化天线用于L频段通信载荷天线时，高频发射天线(RHCP)单元轴比方向图；
图16是本发明实施例提供的星载收发一体双频双圆极化天线用于L频段通信载荷天线时，低频接收天线(LHCP)与高频发射天线(RHCP)之间的隔离度；
图17是本发明实施例提供的星载收发一体共口径双频双圆极化天线用于L频段通信载荷天线时，低频接收天线10波束三维辐射方向图；
图18是本发明实施例提供的星载收发一体共口径双频双圆极化天线用于L频段通信载荷天线时，高频发射天线10波束三维辐射方向图。
具体实施方式
下文中，结合附图和实施例对本发明的精神和实质作进一步阐述。
如图1所示，本发明实施例提供的星载收发一体化双频双圆极化天线，包括：天线单元和反射铝板；所述天线单元包括：上层辐射陶瓷基片3，贴在所述上层辐射陶瓷基片3朝向空间上表面的上层高频辐射贴片2，所述上层高频辐射贴片2一个对角线的两端各形成一个圆极化切角10；下层辐射陶瓷基片6，贴在所述下层辐射陶瓷基片6朝向上层辐射陶瓷基片3上表面的下层低频辐射贴片4，所述下层低频辐射贴片4一个对角线的两端各形成一个圆极化切角11；所述下层辐射陶瓷基片6四个侧面分别有拓展辐射条带5，所述拓展辐射条带5与下层低频辐射贴片4连接形成伞状结构；所述下层低频辐射贴片4与上层高频辐射贴片2的两条对角线分别平行；形成圆极化切角的两条对角线不平行；所述上层高频辐射贴片2与下层低频辐射贴片4之间有高频天线馈针7；所述下层低频辐射贴片4与反射铝板9之间有低频天线馈针8。
继续参考图1，所述上层高频辐射贴片2、下层低频辐射贴片4、拓展辐射条带5为厚度为0.03～0.15mm；所述上层辐射陶瓷基片3为介电常数为8～80的微波介质材料；所述下层辐射陶瓷基片6为介电常数为6～40的微波介质材料，高频天线馈针7与低频天线馈针8为铍青铜。
在本发明的一个实施例中，所述天线用于S频段测控天线，下层辐射陶瓷基片的几何尺寸为：长х宽х高＝31.5mmх31.5mmх2mm；基片材料的介电常数为8，介电损耗为0.001，上层辐射陶瓷基片的几何尺寸为：长х宽х高＝20mmх20mmх2mm，基片材料的介电常数为15，介电损耗为0.001，上层高频辐射贴片的尺寸为18mmх18mm；上层高频辐射贴片的圆极化切角的长度为1.5mm，下层低频辐射贴片的尺寸为31.5mmх31.5mm，下层低频辐射贴片的圆极化切角的长度为2.9mm，侧面的拓展辐射条带的尺寸为16mmх1mm，位置居中。
低频段接收天线(LHCP)的回波损耗S11如图2所示，-10dB带宽约为30MHz,满足应用要求。低频天线的辐射方向图如图3所示,天线峰值增益达7.35dBi,圆极化轴比如图4所示，在±60°的主波束内圆极化轴比优于3dB。
高频段发射天线(RHCP)的回波损耗S11如图5所示，-10dB带宽约为20MHz,满足应用要求。高频天线的辐射方向图如图6所示,天线峰值增益达7.15dBi,圆极化轴比如图7所示，由图可见在±60°的主波束内圆极化轴比优于3dB。
高低频收发天线之间的隔离度如图8所示，由图可知,接收天线与发射天线之间的隔离度在低频接收频点处已达到-19.6dB。
如图9所述在本发明的另外一个实施例中，所述天线用于L频段通信载荷天线，包括：19个天线单元20和反射铝板9；所述19个天线单元按1，6及12由内而外分三层在反射铝板上按圆环形布局；每个天线单元中下层辐射陶瓷基片的几何尺寸为：长х宽х高＝39.4mmх39.4mmх4mm；基片材料的介电常数为8，介电损耗为0.001，上层辐射陶瓷基片的几何尺寸为：长х宽х高＝26mmх26mmх4mm，基片材料的介电常数为15，介电损耗为0.001.上层高频辐射贴片的尺寸为23mmх23mm；上层高频辐射贴片的圆极化切角的长度为2.4mm，下层低频辐射贴片的尺寸为39.4mmх39.4mm，下层低频辐射贴片的圆极化切角的长度为5.3mm,侧面的拓展辐射条带的尺寸为24mmх1.6mm，位置居中；每个天线单元与反射铝板组成一个阵元多波束载荷天线。
低频段接收天线(LHCP)的回波损耗S11如图10所示，由图可知-10dB带宽约为40MHz，满足应用要求。其辐射方向图如图11所示，由图可见天线设计仿真峰值增益可达6.9dB。天线方向图轴比如图12所示，由图可见该天线具有极佳的圆极化轴比，在±60°的主波束范围内圆极化轴比优于3dB。
高频段发射天线(RHCP)的回波损耗S11如图13所示，由图可知-10dB带宽约为40MHz，满足应用要求。其辐射方向图如图14所示，由图可见天线设计仿真峰值增益可达6.67dB。天线方向图轴比如图15所示，由图可见该天线具有极佳的圆极化轴比，在±60°的主波束范围内圆极化轴比优于3dB。
低频接收天线(LHCP)与高频发射天线(RHCP)之间的隔离度如下图16所示。
按图9所示的组阵方式，通过数字多波束DBF合成方法，形成的多波束实施效果如图17及图18所示。图17为低频接收天线10波束三维辐射方向图，图18为高频发射天线10波束三维辐射方向图。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.星载收发一体化双频双圆极化天线，其特征在于，包括：天线单元和反射铝板；所述天线单元包括：上层辐射陶瓷基片，贴在所述上层辐射陶瓷基片朝向空间上表面的上层高频辐射贴片，所述上层高频辐射贴片一个对角线的两端各形成一个圆极化切角；下层辐射陶瓷基片，贴在所述下层辐射陶瓷基片朝向上层辐射陶瓷基片上表面的下层低频辐射贴片，所述下层低频辐射贴片一个对角线的两端各形成一个圆极化切角；所述下层辐射陶瓷基片四个侧面分别有拓展辐射条带，所述拓展辐射条带与下层低频辐射贴片连接形成伞状结构；所述下层低频辐射贴片的两条对角线与上层高频辐射贴片的两条对角线分别平行，形成圆极化切角的两条对角线不平行,通过上下层辐射贴片分别实现右旋及左旋双圆极化；所述上层高频辐射贴片与下层低频辐射贴片之间有高频天线馈针；所述下层低频辐射贴片与反射铝板之间有低频天线馈针。
2.依据权利要求1所述的星载收发一体化双频双圆极化天线，其特征在于，所述上层高频辐射贴片、下层低频辐射贴片、拓展辐射条带为厚度为0.03～0.15mm；所述上层辐射陶瓷基片为介电常数为8～80的微波介质材料；所述下层辐射陶瓷基片为介电常数为6～40的微波介质材料，高频天线馈针与低频天线馈针为铍青铜。
3.依据权利要求1所述的星载收发一体化双频双圆极化天线，其特征在于，所述天线用于S频段测控天线，下层辐射陶瓷基片的几何尺寸为：长х宽х高＝31.5mmх31.5mmх2mm；基片材料的介电常数为8，介电损耗为0.001，上层辐射陶瓷基片的几何尺寸为：长х宽х高＝20mmх20mmх2mm，基片材料的介电常数为15，介电损耗为0.001，上层高频辐射贴片的尺寸为18mmх18mm；上层高频辐射贴片的圆极化切角的长度为1.5mm，下层低频辐射贴片的尺寸为31.5mmх31.5mm，下层低频辐射贴片的圆极化切角的长度为2.9mm，侧面的拓展辐射条带的尺寸为16mmх1mm，位置居中。
4.依据权利要求1所述的星载收发一体化双频双圆极化天线，其特征在于，所述天线用于L频段通信载荷天线，为共口径双频双圆极化天线，包括：19个天线单元和反射铝板；所述19个天线单元按1，6及12由内而外分三层在反射铝板上按圆环形布局；每个天线单元中下层辐射陶瓷基片的几何尺寸为：长х宽х高＝39.4mmх39.4mmх4mm；基片材料的介电常数为8，介电损耗为0.001，上层辐射陶瓷基片的几何尺寸为：长х宽х高＝26mmх26mmх4mm，基片材料的介电常数为15，介电损耗为0.001.上层高频辐射贴片的尺寸为23mmх23mm；上层高频辐射贴片的圆极化切角的长度为2.4mm，下层低频辐射贴片的尺寸为39.4mmх39.4mm，下层低频辐射贴片的圆极化切角的长度为5.3mm,侧面的拓展辐射条带的尺寸为24mmх1.6mm，位置居中；每个天线单元与反射铝板组成一个多波束载荷天线。
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