CN108777362B - 抗金属的高增益圆极化卫星接收天线 - Google Patents

抗金属的高增益圆极化卫星接收天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗金属的高增益圆极化卫星接收天线，包括两个介质基板、辐射贴片和至少四根探针，下层介质基板的下表面设置有馈电网络，上表面设置有金属地板；所述金属地板的尺寸小于上层介质基板的尺寸；所述辐射贴片覆盖上层介质基板的整个顶面和侧面；所述至少四根探针穿过所述两个介质基板和金属地板，且呈旋转对称分布，辐射贴片由馈电网络通过所述至少四根探针进行馈电。本发明通过减小天线地板尺寸，增大辐射贴片至介质基板侧面，最大化程度利用天线可用的辐射口径，实现了高增益性能，并采用多点馈电法，保证天线工作在大金属反射面(车顶)上时，依然能保证圆极化性能。

Description

抗金属的高增益圆极化卫星接收天线
技术领域
本发明涉及卫星接收天线，尤其涉及一种抗金属的高增益圆极化卫星接收天线。
背景技术
随着卫星通信的发展与普及，人们的日常生活越来越依赖于卫星通信。这要求卫星通信系统能更好地与人们的日常生活所结合，有足够好的适应性能满足人们对卫星通信每时每刻的需求。
为了卫星通信系统有更好的适应性，卫星接收天线就需要在各种特别环境下依然基本保持原有的性能，比如当其工作于大金属反射面上时。而普通单馈或者双馈圆极化天线直接工作于大金属表面时，会受到金属边界的影响，其各方面性能会出现较大程度的恶化。
目前行业内解决抗金属问题主要有以下几种手段：其一是采用吸波材料，吸收金属表面的反射波，在一定程度上克服镜像电流、干扰等导致的天线辐射效率的降低；其二是引入超表面结构，如EBG、AMC结构等，以改变天线反射电磁波的幅相特性，以达到减小反射面的影响的效果；其三是采用微带天线结构，利用陶瓷介质的高介电常数减小天线体积，并在设计时增加微带天线地板的大小，以减小大金属反射面对天线辐射性能的影响。第一种方法会降低天线的辐射效率，第二种方法设计难度很大，工艺精度要求高，而第三种微带天线的结构简单、低剖面等特点使之成为研究抗金属天线的主要方向，但是现有的多为切角贴片的陶瓷圆极化天线，其工作于大金属反射面上时，圆极化性能会发生较大的恶化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种抗金属的高增益圆极化卫星接收天线，可良好地工作于大金属反射面上进行卫星通信，尤其适用于放置于车载鲨鱼鳍内作为车载卫星接收天线。
本发明提供的一种抗金属的高增益圆极化卫星接收天线，包括两个介质基板、辐射贴片和至少四根探针，下层介质基板的下表面设置有馈电网络，上表面设置有金属地板；所述金属地板的尺寸小于上层介质基板的尺寸；所述辐射贴片覆盖上层介质基板的整个顶面和侧面；所述至少四根探针穿过所述两个介质基板和金属地板，且呈旋转对称分布，辐射贴片由馈电网络通过所述至少四根探针进行馈电。
进一步，只有四根探针，且四根探针两两分别位于介质基板的两角对称线上。
进一步，四根探针的馈电接口与天线中心的距离相等。
进一步，上层介质基板与下层介质基板紧密接触，天线辐射贴片和馈电网络共用金属地板，且上层介质基板的厚度远大于下层介质基板的厚度。
进一步，上层介质基板的厚度为10mm，下层介质基板的厚度为0.508mm。
与现有技术相比，本发明具有高性能的特点，且设计紧凑，工艺简单，成本低。顺序旋转多点馈电法可以很好地保证圆极化性能，且保证了天线的抗金属特性；辐射贴片部分与金属地板结构的创新型改善在同口径下极大地提高了天线增益。实现了小型化的高增益圆极化抗金属天线。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明实施例提供的天线的侧视图；
图2为本发明实施例提供的天线的仰视图；
图3为本发明实施例提供的天线的俯视图；
图4为本发明具体实施例提供的天线的端口S11参数曲线；
图5为本发明具体实施例提供的天线的增益与轴比曲线；
图6为本发明具体实施例提供的天线的轴比方向图；
图7(a)和图7(b)为本发明具体实施例提供的天线的左旋和右旋方向图。
其中，1-辐射贴片，2-上层介质基板，3-金属地板，4-探针，5-下层介质基板，6-馈电网络。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1所示，抗金属的高增益圆极化卫星接收天线，包括两个介质基板、辐射贴片1和探针4，下层介质基板5的下表面设置有馈电网络6，上表面设置有金属地板3；所述金属地板3的尺寸小于上层介质基板2的尺寸；所述辐射贴片1覆盖上层介质基板2的整个顶面和侧面；所述探针4穿过介质基板5、介质基板2和金属地板3，且呈旋转对称分布，辐射贴片1由馈电网络6通过探针4进行馈电。
本发明的天线至少具有四根探针，采用多点馈电即顺序旋转馈电法，一方面不仅可以激励起两个正交的工作模式实现圆极化；另一方面是利用多馈电技术保证了天线工作于大金属反射面上时不会出现大幅度的性能恶化；同时还更好地保证了天线结构的对称性，即可保证天线辐射性能的对称性。在一些实施例中，探针的个数可为四根，四根探针呈90°旋转对称分布，且四根探针的位置两两分别位于介质基板的角对称线上。天线馈电网络是一种紧凑的功分相移馈电网络，利用微带线的长宽尺寸匹配实现相位顺序地相差90度以及功率等幅输出，该馈电网络能很好地保证微带天线的圆极化性能。
馈电网络与天线共用金属地板，金属地板大小小于介质基板的尺寸，这使得天线可以最大程度地增大辐射贴片的尺寸，如将辐射贴片扩展到介质基板侧面，最大限度地利用了天线的辐射口径，从而在相同的口径大小下增大天线的增益实现高增益性能。
在一个具体实施例中，天线的高度为10.543mm，其中，馈电网络的介质基板即下层介质基板5的厚度h0为0.508mm，采用介电常数为3.66的Ro4350板材，其下的馈电网络厚度为0.035mm；微带天线介质基板即上层介质基板2的厚度h为10mm，采用介电常数为3.5的F4B板材。两介质基板之间是馈电网络与微带天线辐射贴片的公共地板。能量由馈电网络6经探针4流入辐射贴片1，探针4的半径rf为0.5mm。
图2为天线仰视图。馈电网络的介质基板的长度为75mm，宽度为50mm。长宽不等是为了方便天线结构的固定。馈电网络将能量由50Ohm端口分别等功率传送至四个馈电接口，再由四根探针将能量传送至辐射贴片。天线的四个探针馈电接口离天线中心距离gf都为12mm。馈电网络与天线辐射贴片的公共地板是边长g为44.8mm的正方形金属地板。
图3为天线俯视图。当能量经四根探针流入介质基板上方辐射贴片，顺序两两相差90度的相位差和相同的振幅令贴片上的电流形成环形电流，从而实现圆极化性能。辐射贴片包含了顶层和四个侧面上覆盖的金属部分。
本发明具体实施例中的天线工作在700×700mm2的大金属反射面上时的仿真结果如图4-7所示。
图4描述天线回波损耗的S11参数曲线图。由图可以看出，在所需要的频带(1467～1492MHz)内，有着充足的余量。即使存在加工误差，天线的回波损耗也能够满足使用要求。
图5是天线的增益曲线和轴比曲线，由图可以看出，天线增益性能良好，最高带宽达到8.1dB，而在整个所需频带范围内(甚至在所需频带外很宽的频带范围内)，增益都维持在8dB左右，充分体现了本发明的高增益特点。而轴比在中心频率1.48G时达到了1dB以下，在所需要的频带(1467～1492MHz)内，轴比皆满足小于3dB的要求。
图6描绘天线的中心频点1480MHz(由于带宽要求不高，因此可用中心频点的轴比性能代替频带内的其他频点所对应的轴比性能)所对应的轴比方向图，由图可以看出，天线在整个theta＝-45～45deg的90deg范围内，轴比都小于3dB，有着良好的圆极化性能。
图7(a)-7(b)是天线在中心频点1480MHz的左旋和右旋方向图，图7(a)是当phi＝0°时，天线的左旋和右旋方向图；图7(b)是当phi＝45°时天线的左旋和右旋方向图。由图可以看出，天线有着良好的圆极化性能和前后比。
本发明通过减小天线地板尺寸，增大辐射贴片至介质基板侧面，最大化程度利用天线可用的辐射口径，再利用大金属反射面提高天线性能，实现高增益性能。采用顺序旋转多点馈电法，以保证天线工作在大金属反射面(车顶)上时，依然能保证圆极化性能；另外，在功分网络的设计过程中，精确地引入天线端口阻抗作为负载，最大化地减小了天线和馈网的失配程度，提高天线效率。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (4)

1.一种抗金属的高增益圆极化卫星接收天线，其特征在于，包括两个介质基板、辐射贴片和至少四根探针，下层介质基板的下表面设置有馈电网络，上表面设置有金属地板，金属地板位于上层介质基板在下层介质基板的投影区域内，且金属地板不与侧面上覆盖的辐射贴片接触；所述金属地板的尺寸小于上层介质基板的尺寸；所述辐射贴片覆盖上层介质基板的整个顶面和侧面；上层介质基板的下底面与下层介质基板的上表面紧密接触，天线辐射贴片和馈电网络共用金属地板，且上层介质基板的厚度大于下层介质基板的厚度；所述至少四根探针穿过所述两个介质基板和金属地板，且呈旋转对称分布，辐射贴片由馈电网络通过所述至少四根探针进行馈电，激励起两个正交的工作模式实现圆极化。
2.根据权利要求1所述的一种抗金属的高增益圆极化卫星接收天线，其特征在于，只有四根探针，且四根探针两两分别位于介质基板的两角对称线上。
3.根据权利要求2所述的一种抗金属的高增益圆极化卫星接收天线，其特征在于，四根探针的馈电接口与天线中心的距离相等。
4.根据权利要求1所述的一种抗金属的高增益圆极化卫星接收天线，其特征在于，上层介质基板的厚度为10mm，下层介质基板的厚度为0.508mm。
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