CN108511880B - 小型化特高频三元序列馈电天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种小型化特高频三元序列馈电天线，其中，该三元序列馈电天线包括：下层基板(1)；馈电网络(2)，设置在所述下层基板(1)上，用于馈送特高频信号；上层基板(3)；三个平面天线单元(4)，设置在所述下层基板(1)和所述上层基板(3)之间，用于接收所述馈电网络馈送的特高频信号；三个探针(5)，设置在所述下层基板(1)和所述上层基板(3)之间，用于向所述平面天线单元(4)输送特高频信号。该天线具有结构小巧、成本低廉、电特性好、易于制造、便于组装的优点。

Description

小型化特高频三元序列馈电天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种地面卫星接收天线，具体来说就是一种小型化特高频(UHF)三元序列馈电天线(three-element sequential rotation arrayantenna)。
背景技术
卫星通信广泛应用于工农业生产及军事领域中，卫星通信离不开天线，由于传统特高频卫星通信天线(例如，浅腔交叉槽(shallow-cavity crossed-slot)天线、浅脊状腔交叉槽(shallow ridged-cavity crossed-slot)天线等)体积庞大，传统特高频卫星通信天线无法满足很多现代卫星通信应用，甚至无法在许多的路基卫星通信中使用，因此，人们研发出用于卫星通信的序列馈电天线。
序列馈电天线是一种广泛应用的圆极化(circularly polarized)天线，不论该天线尺寸大小，均能够在很宽的波束和带宽上实现低轴比(low axial ratio)，因此，序列馈电天线在卫星通信中被广泛应用。
然而，当前几乎所有的序列馈电天线都是基于两元(two-element)或四元(four-element)的(也称为两极化(two-polarization)或四极化(four-polarization))。但是，两元序列馈电天线无法产生旋转对称辐射模式；而四元序列馈电天线成本高昂、结构复杂、体积大。由于卫星通信对天线尺寸有严格的要求，现有应用在卫星通信中的序列馈电天线很难在尺寸和电气特性上进行兼顾，因此，本领域技术人员亟需研发出一种体积小巧、电气性能良好、成本低廉、易于组装的序列馈电天线，以满足当前卫星通信的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种小型化特高频三元序列馈电天线，解决了现有序列馈电天线无法兼顾天线尺寸和电气性能的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的具体实施方式提供一种小型化特高频三元序列馈电天线，包括：下层基板；馈电网络，设置在所述下层基板上，用于馈送特高频信号；上层基板；三个平面天线单元，设置在所述下层基板和所述上层基板之间，用于接收所述馈电网络馈送的特高频信号；三个探针，设置在所述下层基板和所述上层基板之间，用于向所述平面天线单元输送特高频信号；底面，蚀刻在所述下层基板的上表面上；每个所述平面天线单元具体包括：铜带，弯曲蚀刻在所述上层基板的下表面上；以及矩形导体块，设置在所述下层基板和所述上层基板之间，所述矩形导体块的一端与所述铜带电连接；所述矩形导体块距离底面中心的距离相等，任意两个矩形导体块与底面中心的连线成120度。
根据本发明的上述具体实施方式可知，小型化特高频三元序列馈电天线(也称为三极序列馈电天线)至少具有以下三个优点：与二元序列馈电天线相比，由于三元序列馈电天线的对称结构及激励，三元序列馈电天线可以产生旋转对称辐射模式(rotationalsymmetric radiation pattern)；与四元序列馈电天线相比，由于三元序列馈电天线使用较少的组件，三元序列馈电天线的结构简单、易于组装、成本低廉。此外，本发明提供的小型化特高频三元序列馈电天线还具有结构小巧、电气性能好的优点，可以完全满足技术参数要求。
应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。
附图说明
下面的所附附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。
图1A为本发明具体实施方式提供的一种小型化特高频三元序列馈电天线的结构示意图；
图1B为图1A中小型化特高频三元序列馈电天线的正视图；
图1C为图1A中小型化特高频三元序列馈电天线的爆炸图；
图1D为图1A中小型化特高频三元序列馈电天线的俯视图；
图2A为本发明具体实施方式提供的一种小型化特高频三元序列馈电天线的馈电网络的结构示意图；
图2B为图2A所示的馈电网络的等效电路图；
图2C为图2A所示的馈电网络的正视图；
图3为本发明具体实施方式提供的一种小型化特高频三元序列馈电天线主体(不包括馈电网络)的模拟及测量反射系数曲线图；
图4A为发明具体实施方式提供的小型化特高频三元序列馈电天线主体(模拟)及天线(模拟和测量)的归一化辐射方向图，其中，平面角Ф＝0°，频率为433MHz；
图4B为发明具体实施方式提供的小型化特高频三元序列馈电天线主体(模拟)及天线(模拟和测量)的归一化辐射方向图，其中，平面角Ф＝60°，频率为433MHz；
图4C为发明具体实施方式提供的小型化特高频三元序列馈电天线主体(模拟)及天线(模拟和测量)的归一化辐射方向图，其中，平面角Ф＝120°，频率为433MHz；
图5为发明具体实施方式提供的小型化特高频三元序列馈电天线主体(模拟)及天线(模拟和测量)的视轴左手圆极化增益；
图6为发明具体实施方式提供的馈电网络的模拟及测量输入端口(端口0)的反射系数；
图7A为发明具体实施方式提供的馈电网络的三个输出端口的模拟及测量耦合曲线图；
图7B为发明具体实施方式提供的馈电网络的三个输出端口的模拟及测量反射曲线图；
图8A为发明具体实施方式提供的馈电网络的三个输出端口的模拟及测量幅度曲线图；
图8B为发明具体实施方式提供的馈电网络的三个输出端口的模拟及测量相位曲线图；
图9为发明具体实施方式提供的小型化特高频三元序列馈电天线的模拟及测量反射系数曲线图；
图10为发明具体实施方式提供的小型化特高频三元序列馈电天线的模拟及测量视孔轴向比曲线图。
符号说明：
1 下层基板 2 馈电网络
3 上层基板 4 平面天线单元
5 探针 6 底盘
7 底面 8 SMA连接器
21 输入端口 22 输出端口
23 平面威尔金森功率分配器 24 传输线
41 铜带 42 矩形导体块
R 电阻
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。
本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。
关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本发明，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。
关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。
关于本文中所使用的用语“大致”、“约”等，用以修饰任何可以微变化的数量或误差，但这些微变化或误差并不会改变其本质。一般而言，此类用语所修饰的微变化或误差的范围在部分实施例中可为20％，在部分实施例中可为10％，在部分实施例中可为5％或是其他数值。本领域技术人员应当了解，前述提及的数值可依实际需求而调整，并不以此为限。
某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。
图1A为本发明具体实施方式提供的一种小型化特高频三元序列馈电天线的结构示意图；图1B为图1A中小型化特高频三元序列馈电天线的正视图；图1C为图1A中小型化特高频三元序列馈电天线的爆炸图，图1D为图1A中小型化特高频三元序列馈电天线的俯视图，如图1A～图1D所示，小型化特高频三元序列馈电天线主要包括天线主体和馈电网络，天线主体主要包括下层基板、上层基板，以及夹在下层基板和上层基板之间的多个平面天线单元和多个探针组成；为了保护蚀刻在下层基板下表面上的馈电网络，在下层基板下面设置底盘；同时在下层基板的上表面上蚀刻底面；每个平面天线单元具体包括铜带和矩形导体块。
该附图所示的具体实施方式中，该小型化特高频三元序列馈电天线包括：下层基板1、馈电网络2、上层基板3、三个平面天线单元4、三个探针5、底盘6和底面7。其中，馈电网络2设置在所述下层基板1上，具体来说，馈电网络2可以蚀刻(etched)在所述下层基板1的下表面上，馈电网络2用于馈送特高频信号；平面天线单元4设置在所述下层基板1和所述上层基板3之间，平面天线单元4用于接收所述馈电网络馈送的特高频信号；探针5设置在所述下层基板1和所述上层基板3之间，探针5用于向所述平面天线单元4输送特高频信号；底盘6设置在所述下层基板1的下面，底盘6用于保护所述馈电网络2；底面7蚀刻在所述下层基板1的上表面上，平面天线单元4位于底面7上，本发明的具体实施例中，所述底面7为圆形铜片。本发明的具体实施例中，所述平面天线单元4的个数为三个，每个所述平面天线单元4具体包括：铜带41和矩形导体块42，其中，铜带41弯曲蚀刻在所述上层基板3的下表面上；矩形导体块42设置在所述下层基板1和所述上层基板3之间，所述矩形导体块42的一端与所述铜带41电连接，所述矩形导体块42的另一端与所述圆形铜片电连接。本发明的具体实施例中，矩形导体块42的材质可以为铝、铜等金属材料。
参见图1A～图1D，铜带41和矩形导体块42的数目均为三个，铜带41盘旋均匀分布在上层基板3的下表面上，矩形导体块42均匀分布在底面7上，所有矩形导体块42距离底面7中心的距离相等，任意两个矩形导体块42与底面7中心的连线成120度角。本发明提供三元序列馈电天线可以产生旋转对称辐射模式(rotational symmetric radiation pattern)，而且具有结构简单、易于组装、成本低廉的特点，此外，还具有结构小巧、电气性能好的优点，可以完全满足地面卫星通信的技术参数要求。
图2A为本发明具体实施方式提供的一种小型化特高频三元序列馈电天线的馈电网络的结构示意图；图2B为图2A所示的馈电网络的等效电路图；图2C为图2A所示的馈电网络的正视图，如图2A～图2C所示，馈电网络2具体包括一个输入端口21、三个输出端口22、三路平面威尔金森功率分配器(planar Wikinson power divider)23和三条传输线(transmission line)24，馈电网络将将单端信号转换为具有相同幅度和120°相移的三路信号，相位延迟方向决定三元序列馈电天线的极化(左手圆极化LHCP或者右手圆极化RHCP)。
该附图所示的具体实施方式中，所述馈电网络2具体包括：一个输入端口21、三个输出端口22、三路平面威尔金森功率分配器23和三条传输线24。其中，输入端口21设置在所述下层基板1的中心处；所有输出端口22距离所述输入端口21的距离相等，并且任意两个所述输出端口22与所述输入端口21之间的连线夹角均为120度；三路平面威尔金森功率分配器23的一端与所述输入端口21电连接；三条传输线24呈螺旋形设置，每条传输线24的一端与其中一个所述平面威尔金森功率分配器23另一端电连接，传输线24的另一端与其中一个所述输出端口22电连接。本发明的具体实施例中，平面威尔金森功率分配器23上设置有三个电阻R，用于隔离任意两个所述输出端口22，即任意两个所述输出端口22之间利用电阻R进行隔离；下层基板1为PCB电路板，馈电网络2蚀刻在PCB电路板上。
具体来说，图2A中输入端口为Port0；输出端口为Port1、Port2和Port3；三路平面威尔金森功率分配器为TL1和TL2，三路平面威尔金森功率分配器用于信号功率平均分割，其中，TL2上的三个电阻R为隔离电阻(isolation resistor)，隔离电阻用于隔离输出端口Port1、Port2和Port3；三条传输线为TL3、TL4和TL5，其中，所有传输线螺旋(盘绕)设置，让天线尺寸更加小巧，减少对空间的占用，三条传输线用于移相。
本发明的具体实施方式中，小型化特高频三元序列馈电天线还包括SMA连接器8，SMA连接器8与所述输入端口21电连接。SMA连接器8可以与所述输入端口21焊接。
进一步地，所述探针5与矩形导体块42一一对应，所述探针5的个数为三个，所述探针5的一端穿过所述下层基板1与其中一个所述输出端口22电连接，所述探针5的另一端与其中一个所述铜带41电连接。
图3为本发明具体实施方式提供的一种小型化特高频三元序列馈电天线主体(不包括馈电网络)的模拟及测量反射系数曲线图，如图3、图1B、图1D所示，将小型化特高频三元序列馈电天线主体用作低成本地面卫星接收天线，工作在433MHz；首先设计天线主体，即没有安装馈电网络的天线，然后组装并测量天线的各项参数，优先几何参数如下表1所示，表1为天线主体的几何参数，其中，*λ0表示自由空间中433MHz的波长，即692mm。
表1
<u>Parameter</u> r<sub>1</sub> r<sub>2</sub> r<sub>3</sub> r<sub>4</sub> r<sub>5</sub> θ<sub>1</sub> θ<sub>2</sub>
Value 20.45mm 21.58mm 46.00mm 66.00mm 75.00mm 14.6deg 133.9deg
Value(λ<sub>0</sub>*) 0.030 0.031 0.067 0.191 0.217 \ \
<u>Parameter</u> b p q l h n t
Value 19.00mm 8.00mm 0.79mm 48.00mm 42.50mm 1.00mm 2.00mm
Value(λ<sub>0</sub>) 0.028 0.012 0.001 0.069 0.061 0.001 0.003
如图3所示，三元序列馈电天线主体(不包括馈电网络)的模拟及测量反射系数曲线图，模拟反射系数和测量反射系数大致匹配，模拟反射系数曲线的波谷出现在432.6MHz，测量反射系数曲线的波谷出现在430.1MHz，相应地，模拟反射系数曲线的-10dB反射系数带宽为9.0MHz(428.1MHz～437.1MHz，占整个频段的2.1％)，测量反射系数曲线的-10dB反射系数带宽为11.3MHz(425.3MHz～436.6MHz，占整个频段的2.6％)，由于测量具有更高的损耗(包括电介质、电导及连接损耗)，因此，测量反射系数曲线的-10dB反射系数带宽比拟反射系数曲线的-10dB反射系数带宽大。
图4A为发明具体实施方式提供的小型化特高频三元序列馈电天线主体(模拟)及天线(模拟和测量)的归一化辐射方向图，其中，平面角Ф＝0°，频率为433MHz；图4B为发明具体实施方式提供的小型化特高频三元序列馈电天线主体(模拟)及天线(模拟和测量)的归一化辐射方向图，其中，平面角Ф＝60°，频率为433MHz；图4C为发明具体实施方式提供的小型化特高频三元序列馈电天线主体(模拟)及天线(模拟和测量)的归一化辐射方向图，其中，平面角Ф＝120°，频率为433MHz，如图2A、图4A～图4C所示，天线工作在433MHz时，天线主体及天线在不同平面角时的模拟及测量归一化辐射方向图(normalized radiationpattern)，归一化辐射方向图与预期相同，呈120度旋转对称，其中，馈电网络的几何参数如表2所示，表2为馈电网络的几何参数。
表2
Ports 0-3 R TL1 TL 2 TL 3 TL 4 TL 5
Impedance(Ω) 50 112 79.6 86.3 50 50 50
Width(mm) \ \ 0.71 0.59 1.6 1.6 1.6
Length(mm) \ \ 130.86 29.00 27.57 168.05 301.45
Length(λ<sub>g</sub>) \ \ 0.31 0.07 0.07 0.39 0.71
图5为发明具体实施方式提供的小型化特高频三元序列馈电天线主体(模拟)及天线(模拟和测量)的视轴左手圆极化(Boresight LHCP)增益，如图5所示，工作频率为433MHz时，模拟峰会增益为5.58dBi；并且0dBi的视轴增益大约为48.4MHz(大约从410.7MHz到459.1MHz，约占整个频带的11.1％)，0dBi的视轴增益覆盖了所需工作频带(418MHz～448MHz)，满足工作要求。
另外，由于模拟中，天线主体由理想激励信号激励，模拟视轴比在整个频带内为0dB，因此没有给出天线主体模拟视轴的轴比。
图6为发明具体实施方式提供的馈电网络的模拟及测量输入端口(端口0)的反射系数，如图6所示，输入端口的模拟反射系数和测量反射系数基本匹配，在400MHz到466MHz的频带区间内，反射系数小于-15dB。
图7A为发明具体实施方式提供的馈电网络的三个输出端口的模拟及测量耦合曲线图，图7B为发明具体实施方式提供的馈电网络的三个输出端口的模拟及测量反射曲线图，如图7A、图7B所示，在400MHz到466MHz的频带区间内，输出端口的反射量均小于-19.5dB。
图8A为发明具体实施方式提供的馈电网络的三个输出端口的模拟及测量幅度曲线图；图8B为发明具体实施方式提供的馈电网络的三个输出端口的模拟及测量相位曲线图，如图8A、图8B所示，模拟的最大幅度不平衡小于0.05dB，测量的最大幅度不平衡小于0.12dB，相应地，测量值比模拟值低0.25dB。至于相位不平衡，模拟值和测量值能够很好匹配，并且在整个频带上均小于10度。
图9为发明具体实施方式提供的小型化特高频三元序列馈电天线的模拟及测量反射系数曲线图，如图9、图1A所示，三元序列馈电天线组装完成后，其尺寸为Ф150mm×47.3mm(Ф0.216λ0×0.068λ0)，通过模拟验证天线的性能，利用矢量分析仪测量组装天线的反射系数，另外，利用MVG’SG128天线测量系统测量组装天线的辐射特性。在整个400MHz到466MHz频段上，天线的模拟反射系数小于-11.6dB，天线的测量反射系数小于-12.6dB。事实上，在400MHz～466MHz频段区间，在大部分频率(频段)，模拟及测量反射系数是小于-15dB的。天线具有好的匹配并不意味着天线具有好的辐射，而在于馈电网络上隔离电阻的吸收，这可以通过图5中视轴增益曲线看出，在图5中，天线的模拟增益略低于天线主体的模拟增益；天线的测量增益在低频段略高于天线的模拟增益，但天线的测量增益在高频段略低于天线的模拟增益。在频段411.2MHz～457.5MHz(大约为46.3MHz，约占整个频段的10.7％)之间，天线的模拟视轴增益大于0dBi，在频段410.6MHz～454.6MHz(大约为44.0MHz，约占整个频段的10.2％)之间，天线的测量视轴增益大于0dBi。相应地，模拟峰值视轴增益为5.3dBi，发生在433MHz上；测量峰值视轴增益为5.2dBi，发生在430MHz。同时，在图4A～图4C中，在433MHz的不同平面处天线的模拟及测量辐射方向图，与天线主体的模拟及测量辐射方向图基本一致。由于组装及测量误差，天线的测量交叉极化(measured cross-polarization)(例如，右手圆极化RHCP)比模拟交叉极化大，但天线的测量交叉极化依然比共极化(co-polarization)(例如，左手圆极化LHCP)低10dB。
图10为发明具体实施方式提供的小型化特高频三元序列馈电天线的模拟及测量视孔轴向比曲线图，如图10所示，尽管天线的测量视轴比总体上比天线的模拟视轴比大，但在测量频带410MHz～456MHz的范围内，天线的测量视轴比远远低于3dB。
本发明的具体实施方式提供一种小型化特高频三元序列馈电天线，天线由简单的组件构成，尽管基板上的图案(包括平面倒F天线PIFA(planar inverted-F antenna)元件的水平部分和馈电网络)相对复杂，但是由于与标准PCB技术相兼容，天线容易制造。由于天线具有结构小巧、成本低廉、电特性好、易于组装等优点，使得本发明披露的天线可以作为特高频卫星通信天线进行大规模生产，以用于各种地面卫星通信，市场前景广泛。除了设计UHF频段，提出的天线亦可用于其它频段，实现小型化的高性能圆极化天线。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种小型化特高频三元序列馈电天线，其特征在于，该三元序列馈电天线包括：
下层基板(1)；
馈电网络(2)，设置在所述下层基板(1)上，用于馈送特高频信号；
上层基板(3)；
三个平面天线单元(4)，设置在所述下层基板(1)和所述上层基板(3)之间，用于接收所述馈电网络馈送的特高频信号；以及
三个探针(5)，设置在所述下层基板(1)和所述上层基板(3)之间，用于向所述平面天线单元(4)输送特高频信号；
底面(7)，蚀刻在所述下层基板(1)的上表面上；
每个所述平面天线单元(4)具体包括：
铜带(41)，弯曲蚀刻在所述上层基板(3)的下表面上；以及
矩形导体块(42)，设置在所述下层基板(1)和所述上层基板(3)之间，所述矩形导体块(42)的一端与所述铜带(41)电连接；
所述矩形导体块(42)距离底面(7)中心的距离相等，任意两个矩形导体块(42)与底面(7)中心的连线成120度。
2.如权利要求1所述的小型化特高频三元序列馈电天线，其特征在于，所述馈电网络(2)蚀刻在所述下层基板(1)的下表面上，该三元序列馈电天线还包括：
底盘(6)，设置在所述下层基板(1)的下面，用于保护所述馈电网络(2)。
3.如权利要求2所述的小型化特高频三元序列馈电天线，其特征在于，所述底面(7)为圆形铜片。
4.如权利要求3所述的小型化特高频三元序列馈电天线，其特征在于，
所述矩形导体块(42)的另一端与所述圆形铜片电连接。
5.如权利要求4所述的小型化特高频三元序列馈电天线，其特征在于，所述馈电网络(2)具体包括：
一输入端口(21)，设置在所述下层基板(1)的中心处；
三个输出端口(22)，所述输出端口(22)距离所述输入端口(21)的距离相等，并且任意两个所述输出端口(22)与所述输入端口(21)之间的连线夹角均为120度；
三路平面威尔金森功率分配器(23)，一端与所述输入端口(21)电连接；以及
三条传输线(24)，呈螺旋形设置，每条传输线(24)的一端与其中一个所述平面威尔金森功率分配器(23)的另一端电连接，所述传输线(24)另一端与其中一个所述输出端口(22)电连接。
6.如权利要求5所述的小型化特高频三元序列馈电天线，其特征在于，所述平面威尔金森功率分配器(23)上设置有三个电阻(R)，用于隔离任意两个所述输出端口(22)。
7.如权利要求5所述的小型化特高频三元序列馈电天线，其特征在于，该三元序列馈电天线还包括：
SMA连接器(8)，与所述输入端口(21)电连接。
8.如权利要求5所述的小型化特高频三元序列馈电天线，其特征在于，所述探针(5)的一端穿过所述下层基板(1)与其中一个所述输出端口(22)电连接，所述探针(5)的另一端与其中一个所述铜带(41)电连接。
9.如权利要求1所述的小型化特高频三元序列馈电天线，其特征在于，所述下层基板(1)为PCB电路板，所述馈电网络(2)蚀刻在所述PCB电路板上。
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