CN108767444B - 一种vhf/l双频段共口径天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型VHF/L双频段共口径天线，采用单点馈电共用天线结构形式，包括反射板、螺旋带、支撑杆、支撑筒、同轴馈线、SMA接头、阻抗匹配段等。本发明天线一方面可实现天线在VHF频段和L频段同时工作，且表现出不同的极化方式以及波束特性，另一方面可实现VHF频段全向天线的小型化设计。

Description

一种VHF/L双频段共口径天线
技术领域
本发明涉及一种VHF/L双频段共口径天线，特别是一种涉及VHF频段小型化天线，属于天线技术领域。
背景技术
随着商业卫星业务领域的不断扩展和深入，对于天基AIS(AutomaticIdentification System)与天基ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)业务需求也越来越迫切，全球化微小卫星组网技术是实现该业务最切实有效的技术解决途径。其中，天基AIS业务主要应用于海事监控，卫星频率规划为150MHz～160MHz，天线波束要求为全向波束，极化方式为线极化；天基ADS-B业务主要应用于航空监管，卫星频率规划为1087MHz～1093MHz，天线波束要求为高增益波束，极化方式为圆极化。因此，微小卫星平台天基AIS天线技术以及天基ADS-B天线技术已经逐渐成为国际上的热点研究方向，并且具有非常大的市场前景。
单元天线是目前微小卫星平台天线技术的主要技术形式，其中，传统的天基AIS天线大多采用半波阵子、八木天线等单元天线结构实现全向波束要求，该结构相对于微小卫星平台体积过大，而且需要天线在轨展开，结构复杂且可靠性不高，具有较大的技术风险；另一方面，传统的天基ADS-B天线大多采用展开式螺旋天线、单元天线阵等天线结构实现高增益波束要求，同样存在体积庞大、结构复杂、可靠性不高等问题，无法满足微小卫星平台的技术要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：
为克服现有技术的不足，提供一种VHF/L双频段共口径天线，可同时实现双频段工作，且表现出不同的极化特性，保证天线具有良好的阻抗特性和辐射特性条件下，具有结构简单、价格低廉、可靠性高等技术特点。
本发明的技术解决方案是：
一种VHF/L双频段共口径天线，包括螺旋带、支撑筒、支撑杆、同轴馈线、反射板、SMA接头、阻抗匹配段A和阻抗匹配段B，
支撑杆采用“倒L”形结构，与螺旋带有两个短路点连接，螺旋带终止位置与同轴馈线的内导体固连，螺旋带底端长度周期的最后四分之一圈为阻抗匹配段B；
支撑杆底部固定在反射板的中心位置，同轴馈线固定在反射板底板上，一端与螺旋带连接，另一端通过SMA接头进行射频馈电。
支撑杆一个短路点位于螺旋带顶端起始位置，与支撑杆连接；另一个短路点位于螺旋带顶端自上而下的1.1倍螺距位置通过阻抗变换段A与支撑杆连接。
阻抗匹配段A采用半圆形短路结构设计，一端半圆形，另一端直线形，截面为矩形，长宽比为2:1，半圆形直径为17-19mm。
阻抗匹配段B截面为矩形，其宽度与螺旋带截面宽度相同，长度为螺旋带截面长度的2倍。
螺旋带为铜带，其截面为矩形，长宽比为70:3。
同轴馈线内导体截面为正方形，边长为4mm±0.02mm，外导体内径截面为正方形，边长为10mm±0.02mm，内、外导体间采用聚四氟乙烯介质填充。
反射板材质为金属材料，采用正六边体结构设计，厚度为5mm±2mm，外接圆直径尺寸不小于1λ0，λ0为L波段一个波长。
SMA接头采用K型接头，接头法兰固定在同轴馈线外导体的上表面，与内导体进行螺接。
螺旋带螺径为0.3λ0，螺距为0.2λ0，螺旋圈数为5圈，λ0为L波段一个波长。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发现天线采用共口径天线结构形式，通过特殊的阻抗匹配段设计以及短路点位置的选取，创新性的实现天线在VHF频段和L频段同时工作，且表现出不同的极化方式以及波束特性，并且保证天线在两个频段均具备良好的阻抗特性和辐射特性；
(2)本发明天线的剖面高度不足VHF频段(150MHz)的六分之一个电波长尺寸，远远小于传统AIS天线(半波阵子、八木天线等)的剖面尺寸，创新性的实现了VHF频段天线的小型化设计，性能优异且不需要天线在轨展开，有利于微小卫星平台的空间布局；
(3)本发明天线反射板采用正六边体结构设计，有利于实现天线的组阵应用；
(4)本发明天线具有结构简单、成本低廉、可靠性高、应用方便等特点，具有很强的竞争力。
附图说明
图1为本发明的新型VHF/L双频段共口径天线结构图；
图2为本发明天线支撑杆以及阻抗匹配段设计结构图；
图3为本发明天线工作原理示意图；
图4为本发明天线VHF频段驻波比曲线；
图5为本发明天线L频段驻波比曲线；
图6为本发明天线VHF频段辐射方向图曲线；
图7为本发明天线L频段辐射方向图曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实现方式进行详细说明。
如图1和图2所示，本发明包括螺旋带1、支撑筒2、支撑杆3、同轴馈线4、反射板5、SMA接头6、阻抗匹配段A7、阻抗匹配段B8。螺旋带1设置5圈，其起始位置通过螺钉固定在支撑杆3的顶端位置，终止位置与同轴馈线4的内导体进行螺接固定，螺旋带1底端长度周期的最后四分之一圈为阻抗匹配段B8。支撑3采用“倒L”形结构设计，底部通过法兰盘固定在反射板5的中心位置。阻抗匹配段A7采用半圆形短路结构设计，该结构直端固定在螺旋带1自上向下的1.1倍螺距位置，偏差不超过螺距的5％，通过螺钉与螺旋带1连接，另一端与支撑杆3连接。同轴馈线4固定在反射板5底板上，一端与螺旋带1进行螺接，另一端通过SMA接头6进行射频馈电。SMA接头6采用K型接头，接头法兰固定在同轴馈线4外导体的上表面，与内导体进行螺接。
阻抗匹配段A7采用“勺子”形结构设计，“勺子”的起始位置固定在螺旋带1自上向下的一圈位置，通过螺钉与螺旋带1连接，另一端与支撑杆3连接。同轴馈线4固定在反射板5底板上，一端与螺旋带1进行螺接，另一端通过SMA接头6进行射频馈电。
所述的螺旋带1采用铜带，其截面为矩形，长宽比为70:3，螺径为0.3λ0，螺距为0.2λ0，螺旋圈数为5圈，λ0为L波段一个波长；
所述的支撑筒2采用Kevlar材料制成，厚度不小于2mm，底部通过螺钉固定反射板5上。螺旋带1通过胶膜粘接在支撑筒2上，内嵌深度为0.2mm。
所述的支撑杆3材质为金属材料，采用“倒L”形结构设计，支撑杆截面直径为10mm±2mm，顶端通过螺钉与螺旋带2连接，底部通过法兰盘固定在反射板5中心位置。
所述的同轴馈线4采用方形同轴结构，为了方便固定和转接，固定在反射板5底板上，同轴馈线4内导体截面为正方形，边长为4mm±0.02mm，外导体内径截面为正方形，边长为10mm±0.02mm，内、外导体间采用聚四氟乙烯介质填充。
所述的反射板5材质为金属材料，采用正六边体结构设计，厚度为5mm±2mm，外接圆直径尺寸不小于1λ0，λ0为L波段一个波长。
所述的SMA接头6采用K型接头，接头法兰固定在同轴馈线4外导体的上表面，与内导体进行螺接。
所述的阻抗匹配段A7材质为金属材料，采用半圆形短路结构设计，一端半圆形，另一端直的，截面为矩形，长宽比为2:1，,半圆形直径18mm偏差为5％。该结构直端固定在螺旋带1自上向下的1.1倍螺距位置偏差不超过螺距的5％，通过螺钉与螺旋带1连接，另一端与支撑杆3连接；
所述的阻抗匹配段B8材质为金属材料，位于螺旋带1的底端终点自下向上至长度周期的最后四分之一圈位置，偏差不超过一圈长度的1％，截面为矩形，其宽度与螺旋带1截面宽度相同，长度为螺旋带截面长度的2倍，偏差不超过5％。
本发明的设计原理：
本发明天线采用共口径天线结构设计，利用设置特殊构形的阻抗匹配段以及短路点位置的选取，使得天线可同时实现双频段，即整个结构的工作，且表现出不同的极化特性。天线结构在L频段等效为螺旋天线，极化方向为圆极化，波束为标准笔形波束，增益可大于11dBi；天线结构在VHF频段等效为一个异形的“倒F”天线，极化方向为线极化，波束为全向波束，增益大于1.5dBi。
本发明天线采用单端口馈电，使用过程中通过射频电缆连接到频率双工器，可将天线接收到的VHF频段信号与L频段信号的分离，最后再通过电缆各自频段的射频信号输入到天基AIS和天基ADS-B终端。
如图3所示，本发明天线采用共用端口设计，即通过其他器件与天线连接，射频端口为SMA-K型接口，使用过程中通过射频电缆连接到频率双工器，可将天线接收到的VHF频段信号与L频段信号的分离，最后再通过电缆各自频段的射频信号输入到天基AIS和天基ADS-B终端。
具体实施需要可借助软件ANSYS HFSS进行仿真计算以及优化设计。由于本发明天线采用共体化结构设计以及共用端口设计，设计过程中需要优化螺旋带1的螺距和螺径尺寸、阻抗匹配段A7的尺寸和短路位置、阻抗匹配段B8的长度和尺寸等，以来保证天线在VHF和L两个频段均具备良好的阻抗特性和辐射特性。
最终本发明天线的阻抗特性和辐射特性如图4、5、6、7所示。可以看出，本发明天线在VHF工作频段和L工作频段的电压驻波比(VSWR)均小于1.5，阻抗特性优良。本发明天线在VHF频段的辐射特性表现为全向辐射，极化为线极化，天线增益大于1.5dBi。本发明天线在L频段的辐射特性表现为高斯波束，极化为圆极化，天线增益大于11dBi。
本发现天线采用共口径天线结构形式，通过特殊的阻抗匹配段设计以及短路点位置的选取，创新性的实现天线在VHF频段和L频段同时工作，且表现出不同的极化方式以及波束特性，并且保证天线在两个频段均具备良好的阻抗特性和辐射特性；
本发明天线的剖面高度不足VHF频段(150MHz)的六分之一个电波长尺寸，远远小于传统AIS天线(半波阵子、八木天线等)的剖面尺寸，创新性的实现了VHF频段天线的小型化设计，性能优异且不需要天线在轨展开，有利于微小卫星平台的空间布局；
本发明说明书中其他未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种VHF/L双频段共口径天线，其特征在于，包括螺旋带(1)、支撑筒(2)、支撑杆(3)、同轴馈线(4)、反射板(5)、SMA接头(6)、阻抗匹配段A(7)和阻抗匹配段B(8)，
支撑杆(3)采用“倒L”形结构，与螺旋带(1)有两个短路点连接，即：位于螺旋带顶端起始位置的一个短路点与支撑杆连接，位于螺旋带顶端自上向下的1.1倍螺距位置的另一个短路点通过阻抗匹配段A与支撑杆连接；螺旋带(1)终止位置与同轴馈线(4)的内导体固连，螺旋带(1)底端长度周期的最后四分之一圈为阻抗匹配段B(8)；
支撑杆(3)底部固定在反射板(5)的中心位置，同轴馈线(4)固定在反射板(5)底板上，一端与螺旋带(1)连接，另一端通过SMA接头(6)进行射频馈电。
2.根据权利要求1所述的一种VHF/L双频段共口径天线，其特征在于：支撑杆(3)一个短路点位于螺旋带(1)顶端起始位置，与支撑杆(3)连接；另一个短路点位于螺旋带(1)顶端自上而下的1.1倍螺距位置通过阻抗变换段A(7)与支撑杆(3)连接。
3.根据权利要求1所述的一种VHF/L双频段共口径天线，其特征在于：阻抗匹配段A(7)采用半圆形短路结构设计，一端半圆形，另一端直线形，截面为矩形，长宽比为2:1，半圆形直径为17-19mm。
4.根据权利要求1所述的一种VHF/L双频段共口径天线，其特征在于：阻抗匹配段B(8)截面为矩形，其宽度与螺旋带(1)截面宽度相同，长度为螺旋带截面长度的2倍。
5.根据权利要求1所述的一种VHF/L双频段共口径天线，其特征在于：螺旋带(1)为铜带，其截面为矩形，长宽比为70:3。
6.根据权利要求1所述的一种VHF/L双频段共口径天线，其特征在于：同轴馈线(4)内导体截面为正方形，边长为4mm±0.02mm，外导体内径截面为正方形，边长为10mm±0.02mm，内、外导体间采用聚四氟乙烯介质填充。
7.根据权利要求1所述的一种VHF/L双频段共口径天线，其特征在于：反射板(5)材质为金属材料，采用正六边体结构设计，厚度为5mm±2mm，外接圆直径尺寸不小于1λ0，λ0为L波段一个波长。
8.根据权利要求1所述的一种VHF/L双频段共口径天线，其特征在于：SMA接头(6)采用K型接头，接头法兰固定在同轴馈线(4)外导体的上表面，与内导体进行螺接。
9.根据权利要求5所述的一种VHF/L双频段共口径天线，其特征在于：螺旋带(1)螺径为0.3λ0，螺距为0.2λ0，螺旋圈数为5圈，λ0为L波段一个波长。
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