CN108123217A - 一种宽带宽角双圆极化星载天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带宽角双圆极化星载天线。该天线由两片十字交叉放置的线极化双槽Vivaldi天线构成，线极化双槽Vivaldi天线由两个传统的Vivaldi天线并排放置组合而成，天线在双槽天线的中心位置的导体部分交叉。每一片天线由介质板双面印刷金属板构成，辐射单元为指数渐变的金属贴片,在指数渐变金属贴片的侧翼设计有等间隔的矩形状栅格；3dB定向耦合器的直通端口和耦合端口分别通过微带功分器连接两个十字交叉放置的双槽Vivaldi天线终端开路的微带线；两路信号有90°的相位差，以实现圆极化；本发明天线可以实现宽带宽角双圆极化的特性，且具有体积小、重量轻的优点，能够采用印刷电路技术进行批量生产，而且能够和有源器件及电路集成为单一的模块。

Description

一种宽带宽角双圆极化星载天线

技术领域

本发明涉及微带天线技术领域，特别是一种宽带宽角双圆极化星载天线。

背景技术

现代通信在军事和民用方面，对于紧凑、智能、多功能型天线的需求不断增长，宽带天线在该领域受到越来越多的研究。不同于窄带天线，UWB天线的倍频带宽很宽，并且其性能在阻抗带宽内相对稳定。所以，超宽带通信的一个研究热点就是如何设计出高性能、尺寸更小的UWB天线。

为了更有效地保证通信的质量，在卫星定位、导航等无线通信系统中要求天线具有很宽的辐射波束，并且在低仰角时具有足够大的增益，以便能有效地捕获微弱信号。宽波束天线伴随着卫星通信的小型终端天线和飞行器载天线对天线的覆盖范围提出越来越高的要求而得到了应用和重视。比如美国的 GPS 全球定位系统和我国的北斗定位系统都要求具有近似半球的覆盖能力。卫星定位系统的辐射特性需要各个方向上的均匀振幅响应，即宽波束的特性。因此，现代天线设计中对波束展宽技术的研究也被大家所热衷和关注。

目前应用较为广泛的宽带宽波束天线单元有对数周期天线、螺旋天线、单级子印刷天线、Vivaldi天线等。在小型化侦察天线应用场景中，由于结构上的原因，平面阿基米德螺旋天线、盘锥螺旋天线难以同时实现双圆极化。而利用垂直放置的两个对数周期天线构成双圆极化天线由于采用空心金属杆状结构作为辐射单元，加工精度差，组装后需要进行复杂的调试，难以满足相位一致性要求。相比于前几种天线，Vivaldi天线采用平面印刷工艺制作，具有加工精度高，相位一致性好，加工成本低，便于与宽频带定向耦合器集成等优点，因而适用于宽带宽角天线的设计。

传统的Vivaldi天线是一种非周期、渐变、端射行波开槽天线，由P.J.Gibson在1979年提出。在实现圆极化时，传统的线极化Vivaldi天线垂直交叉放置，会面临槽之间的场耦合所带来的天线性能不稳定的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽辐射波束、加工精度高的宽带宽角双圆极化星载天线，能够采用印刷电路技术进行批量生产，而且易于和有源器件、宽频带定向耦合器及电路集成为单一的模块。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种宽带宽角双圆极化星载天线，包括两个十字交叉放置的线极化双槽Vivaldi天线（天线1、2）。线极化双槽Vivaldi天线由两个传统的Vivaldi天线并排放置组合而成，每一片天线由介质板双面印刷金属板构成，辐射单元为指数渐变的金属贴片,本发明采用加宽两侧的金属宽度以及刻槽的手段保证天线的宽带宽角特性。耦合器设置在天线2上，其由两层带有耦合缝隙的介质板背对背组合而成，耦合由平行在微带线基板上的双面敷金属的耦合片实现，中间是公共地平面。下层耦合微带线的两端分别为耦合端口和隔离端口，上层耦合微带线的两端分别为天线输入端口和直通端口，耦合端口与天线2通过T行功分器相接、直通端口与天线1通过T行功分器相接，耦合端口和直通端口中信号有90°的相位差，以同时实现双圆极化。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1）采用Vivaldi天线，可以实现体积小、加工精度高，相位一致性良好的特性；（2）采用微带馈电，馈电网络可与天线结构一起制成，适用于运用印刷电路技术进行批量生产，而且能够和有源器件及电路集成为单一的模块；（3）采用定向耦合器，使得两个微带馈电端口的信号有90°的相位差，进一步实现圆极化；（4）定向耦合器与天线的馈电网络集成在一起，减小了天线的尺寸，同时也降低了加工和制作的难度。

附图说明

图1是本发明宽带宽角双圆极化星载天线的结构图，其中(a)为线极化天线1的上表面俯视图，(b)为线极化天线1的下表面金属地板的俯视图，(c)为线极化天线2的上表面俯视图，(d)为线极化天线2的下表面金属地板的俯视图,(e)和(f)分别为双圆极化星载天线整体结构侧面图。

图2是本发明实施例中宽带宽角双圆极化星载天线的电压驻波比结果图。

图3是发明实施例中宽带宽角双圆极化星载天线的轴向增益结果图。

图4是发明实施例中宽带宽角双圆极化星载天线的轴比结果图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明中的双槽Vivaldi天线单元，包括介质板、金属导体层以及金属微带馈线，所述金属导体层和金属微带线馈线分别印制在介质板的两侧，所述金属导体层设置在介质板下表面，关于辐射方向对称，金属导体层上的槽线采用指数渐变形式，介质板的上表面的金属微带线馈线通过电磁耦合把能量耦合到槽线中，其终端是扇形结构。本发明采用加宽两侧的金属宽度以及刻槽的手段，使天线保证宽带宽角的特性。本发明中的双槽Vivaldi天线单元中的单个端口的输入阻抗是100Ω，馈电位置处采用微带线到槽线的宽度过渡的结构，这种过渡能够实现宽带的匹配以及加工简易的特性，并通过采用50Ω到100Ω转化的T形功分器网络连接。

对于基本的Vivaldi天线，其喇叭口中心轴处具有较大的能量。为避免在垂直交叉放置时，较高的能量对天线的性能的影响，本发明将两片双槽Vivaldi天线单元进行垂直交叉放置。线极化双槽Vivaldi天线由两个传统的Vivaldi天线并排放置组合而成，天线在双槽天线的中心位置的导体部分交叉。

在交叉放置时，由于材料特性，因交叉固定而裁剪的部分的边沿会具有不同的电势，从而形成电容，含有一定能量，导致不必要的能量损耗。为避免或减小该能量损失，本发明需要在模型中金属开缝的位置进行过孔连接，避免缝隙的辐射对天线的性能产生较大的影响。

天线的圆极化是通过3dB 宽带定向耦合器实现的，该耦合器采用微带线形式，图1(c)左下角和图1(d)的右下角中椭圆部分为宽带微带定向耦合器，由两层带有耦合缝隙的介质板背对背组合而成，耦合由平行在微带线基板上的双面敷金属的耦合片实现，中间是公共地平面。

实施例

结合图1本发明宽带宽角双圆极化星载天线的结构，设计了一个宽带宽角双圆极化星载天线：频段范围为2.0-6.0GHz，；在该频段内电压驻波比小于2，轴向增益大于4.5dB，轴比小于3 dB。微带天线的厚度为0.5mm，介电常数为2.65，天线的尺寸为140mm×140mm×142mm。

图2是本发明宽带宽角双圆极化星载天线的两个端口的电压驻波比结果图。天线工作的频段范围2-6GHz内，电压驻波比小于1.4，满足设计指标。

图3是本发明宽带宽角双圆极化星载天线两个端口的轴向增益结果图。天线工作的频段范围2-6GHz内，轴向增益大于4.5dB，满足设计指标。

图4是本发明宽带宽角双圆极化星载天线两个端口的轴比结果图。天线工作的频段范围2-6GHz内，轴比小于2.25 dB，满足设计指标，天线实现了双圆圆极化的特性。

综上所述，本发明宽带宽角双圆极化星载天线，采用微带Vivaldi天线结构，定向耦合器的输出端通过功分网络连接天线的两个相互垂直的微带馈线，实现了双圆极化；馈电网络与天线结构一起制成，适用于运用印刷电路技术进行批量生产，而且能够和有源器件及电路集成为单一的模块；可以实现体积小、重量轻、圆极化、宽带宽角的特性。

Claims (4)

1.一种宽带宽角双圆极化星载天线，其特征在于：包括两个十字交叉放置的线极化双槽Vivaldi天线；线极化双槽Vivaldi天线由两个Vivaldi天线并列组合而成，每一个天线由介质板双面印刷金属板构成，辐射单元为指数渐变的金属贴片，在指数渐变金属贴片的侧翼设有等间隔的矩形状栅格；其中一个线极化双槽Vivaldi天线上设置耦合器，其由两层带有耦合缝隙的介质板背对背组合而成，两层介质板中间是公共地平面；下层耦合微带线的两端分别为耦合端口和隔离端口，上层耦合微带线的两端分别为天线输入端口和直通端口，耦合端口与该天线通过T形微带功分器相接，直通端口与另一个线极化双槽Vivaldi天线通过T形微带功分器相接，直通端口和耦合端口中信号有90°的相位差。

2.根据权利要求1所述的宽带宽角双圆极化星载天线，其特征在于：所述介质板的厚度为0.5mm，相对介电参数为2.65，相对磁导率为1。

3.根据权利要求1所述的宽带宽角双圆极化星载天线，其特征在于：所述Vivaldi天线采用末端加宽和边缘开槽的技术。

4.根据权利要求1所述的宽带宽角双圆极化星载天线，其特征在于：所述线极化双槽Vivaldi天线部分的输入阻抗为100Ω，功分器的输入阻抗是50Ω。