CN109244650A - 宽波束圆极化微带天线及阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种宽波束圆极化微带天线及阵列，该宽波束圆极化微带天线包括：腔体层、辐射层、馈电层和圆极化网络层；其中，该辐射层、该馈电层和该圆极化网络层在竖直方向相互间隔地固定在一起，该腔体层围在该辐射层和该馈电层外围并与该圆极化网络层固定在一起。剖面低且效率高，结构简单紧凑，便于组成大型平面阵列，组阵单元间隔离度高，波束扫描角宽。
Description
技术领域
本发明涉及天线，特别是与卫星通信、微波通信用天线有关。
背景技术
随着卫星通讯蓬勃发展，应用于卫星广播电视、通讯和数据传输等系统的天线得到了快速的发展，对各种天线的需求也在快速增长，推动了其发展。诸如用于直播卫星（DBS，direct broadcasting by satellite）通讯系统，需要低轮廓、高效率的天线系统，以提高系统的G/T（接收天线增益/等效噪声温度）值，来增加天线的与卫星通讯的数据率。并且，天线的有效口径受天线扫描体积的限制，对于给定的扫描体积，低轮廓天线可以得到最大的系统增益，从而提高整个系统的G/T值。
对于接收卫星直播通讯的天线系统来说，一般安装在飞机上或汽车顶部，因此这些天线系统都具有很好的机动性，从而对于这些天线的机动性要求比较高。比如：小型化、低轮廓、低损耗、高增益等。
商业卫星通信系统中，卫星接收和发射的信号都是圆极化波，这样无论雷达和卫星成什么夹角，都不会引起交叉极化分量。也就是说卫星接收和发射圆极化波，不会引起极化的失配从而引起数据传输效率降低。
车载预警雷达、无线通信以及射频识别等方面的商业应用对天线的要求越来越高，尤其对天线方向图灵活控制的需求越来越大。相控阵天线所具有的对波束的灵活控制及快速扫描很好的适应了这种需求。然而对口径小相控阵列天线单元间耦合效应会损失增益且波束扫描角度窄。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提出一种宽波束圆极化微带天线，剖面低且效率高，结构简单紧凑，便于组成大型平面阵列，组阵单元间隔离度高，波束扫描角宽。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括：提供一种宽波束圆极化微带天线，包括：腔体层、辐射层、馈电层和圆极化网络层；其中，该辐射层、该馈电层和该圆极化网络层在竖直方向相互间隔地固定在一起，该腔体层围在该辐射层和该馈电层外围并与该圆极化网络层固定在一起。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案还包括：提供一种宽波束圆极化微带天线阵列，包括若干组成阵列的、如上所述的宽波束圆极化微带天线。
与现有技术相比，本发明的宽波束圆极化微带天线及阵列，通过腔体层、辐射层、馈电层和圆极化网络层的叠置配合结构，剖面低且效率高，结构简单紧凑，便于组成大型平面阵列，组阵单元间隔离度高，波束扫描角宽。
附图说明
图1是本发明宽波束圆极化微带天线及阵列的组合立体结构示意。
图2是本发明宽波束圆极化微带天线及阵列的前视结构示意。
图3是图2中A-A向的剖视结构示意。
图4是本发明宽波束圆极化微带天线及阵列的分解立体结构示意。
图5是本发明宽波束圆极化微带天线的分解立体结构示意。
图6是本发明宽波束圆极化微带天线及阵列的驻波比与频率的关系曲线。
图7是本发明宽波束圆极化微带天线及阵列的轴比与频率的关系曲线。
图8是本发明宽波束圆极化微带天线及阵列的方位轴切面方向图曲线。
图9是本发明宽波束圆极化微带天线及阵列的俯仰轴切面方向图曲线。
图10是本发明宽波束圆极化微带天线阵列的中心频点增益方向图曲线。
图11是本发明宽波束圆极化微带天线阵列的相邻单元间隔离度曲线。
其中，附图标记说明如下：20 宽波束圆极化微带天线阵列 10 宽波束圆极化微带天线 1 腔体层 11 侧壁 12 固定部 19 腔体 2 辐射层 21 固定孔 3 馈电层 31 固定孔32 馈针 321馈电带 322 馈电针4、41 圆极化网络层411 固定孔 412 固定孔 413 馈电孔5 支撑件 51 螺母 52 隔离环 53 隔离柱 54 螺丝。
具体实施方式
为了详细说明本发明的构造及特点所在，兹举以下较佳实施例并配合附图说明如下。
参见图1至图5，图1是本发明宽波束圆极化微带天线及阵列的组合立体结构示意。图2是本发明宽波束圆极化微带天线及线阵列的前视结构示意。图3是图2中A-A向的剖视结构示意。图4是本发明宽波束圆极化微带天线及阵列的分解立体结构示意。图5是本发明宽波束圆极化微带天线的分解立体结构示意。本发明提出一种宽波束圆极化微带天线（也称天线单元）10和由4×4阵的天线单元10构成的宽波束圆极化微带天线阵列20。天线单元10包括：腔体层1、辐射层2、馈电层3 和圆极化网络层4。其中，腔体层1、辐射层2和馈电层3固定在圆极化网络层4的顶侧。腔体层1 围在辐射层2 和馈电层3外围。也就是说，辐射层2 和馈电层3均位于腔体层1所围合出的腔体19中。
腔体层1的材质为金属，例如：铜、铝。腔体层1具有四个侧壁11。这四个侧壁11两两相连围合出上下贯通的腔体19。腔体19呈矩形柱状。在两两侧壁11的连接处的下端处设置有固定部12，用于将该腔体层1与圆极化网络层4固定到一起。具体而言，固定部12上设有穿孔，可供支撑件（图未示出）穿设其中。
辐射层2由介质基板层及介质基板表面覆铜层组成。辐射层2呈矩形状，在四个角落处以及中央位置设置有固定孔21，可供支撑件5穿设其中。辐射层2的顶侧与腔体层1的顶端平齐。
馈电层3由介质基板层及介质基板表面覆铜层组成。馈电层3呈矩形状，在四个角落处以及中央位置设置有固定孔31，固定孔31与固定孔21在竖直方向上对齐，可供支撑件5穿设其中。馈电层3位于辐射层2的下方，二者之间间隔有第一设定距离，第一设定距离会影响到天线的性能，通过仿真可以选取其最佳值。馈电层3设有两个馈针32。馈针32是由介质基板层上表面的覆铜形成的馈电带321和垂直于馈电带321的馈电针322 组成的L 形针耦合馈电结构。
圆极化网络层4（以及对应于一个天线单元10的圆极化网络层41）由介质基板层及介质基板表面覆铜层组成。圆极化网络层41呈矩形状，在四个角落处以及中央位置设置有固定孔411，固定孔411与固定孔31、21在竖直方向上对齐，可供支撑件5穿设其中，从而将辐射层2、馈电层3和圆极化网络层4固定结合到一起。圆极化网络层4位于馈电层3的下方，二者之间间隔有第二设定距离，第二设定距离会影响到天线的性能，通过仿真可以选取其最佳值。圆极化网络层41在四个角落处还设置有固定孔412，这些固定孔412位于固定孔411的外围，与腔体层1的固定部12上的穿孔在竖直方向上对齐，可供支撑件穿设其中，从而将腔体层1和圆极化网络层4固定结合到一起。馈电针322 穿越圆极化网络层4的馈电孔413 与电路（图未示出）相连。
支撑件5为非金属支撑结构件。具体包括：螺母51，隔离环52，隔离柱53和螺丝54。其中，隔离环52设置在辐射层2和馈电层3之间，并选择隔离环52的高度与前述的第一设定距离相对应；隔离柱53由主体531和延伸部532构成。主体531设置在馈电层3和圆极化网络层4之间，并选择隔离柱53的主体531的高度与前述的第二设定距离相对应。延伸部532穿越隔离环52，与螺母51螺接。螺丝54螺接在主体53的底端。
值得一提的是，腔体层1、辐射层2和馈电层3 一一对应，几何中心（对应于位于中央的固定孔21的圆心）在同一中心线上。腔体层1的内轮廓（呈矩形状）与辐射层2的边缘（呈矩形状）一一对应平行且等间距（间隔有第三设定距离）。
在一个具体实施中，单元间高隔离天线阵列20是S 波段的4×4 阵列天线，也即：单元间高隔离天线阵列20由4×4阵的天线单元10组成。单元间高隔离天线阵列20的中心频率f0=2.2Ghz，下边频f2=2.4Ghz，上边频f1=2.0Ghz。
馈电层3 由两馈针31耦合馈电，圆极化网络层4 是由一个3dB 电桥组成，给两馈针31提供等幅相位相差90°激励，形成右旋圆极化。
辐射层2 和馈电层3的介质基板选用FR4，相对介电常数4.4。介质基板尺寸50×50mm，厚度0.5mm。辐射层2 和馈电层3 之间的耦合间距2mm，馈电层3与圆极化网络层4 间距10.5mm。腔体层1 的高度为12.5mm。腔体层1的内轮廓与辐射层2 的边缘的间距（即前述的第三设定距离）为2.5mm。馈电层3 的馈电带321呈矩形，长宽尺寸为13×4mm。馈电针322为铜针，距天线几何中心间距为23mm。
单元间高隔离天线阵列20的尺寸为280×280mm，天线单元10之间的中心间距为70mm。
参见图6至图11，图6是本发明宽波束圆极化微带天线及阵列的驻波比与频率的关系曲线。图7是本发明宽波束圆极化微带天线及阵列的轴比与频率的关系曲线。图8是本发明宽波束圆极化微带天线及阵列的方位轴切面方向图曲线。图9是本发明宽波束圆极化微带天线及阵列的俯仰轴切面方向图曲线。图10是本发明宽波束圆极化微带天线阵列的中心频点增益方向图曲线。图11是本发明宽波束圆极化微带天线阵列的相邻单元间隔离度曲线。与现有技术相比，本发明的宽波束圆极化微带天线10及阵列20，采用L形馈针31耦合馈电实现宽阻抗带宽，通过腔体层1内轮廓与辐射层2外轮廓间的耦合电容效应能缩小天线尺寸，实现小型化；辐射层2、馈电层3和圆极化网络层4均由介质基板层及介质基板表面覆铜层组成；辐射层2、馈电层3和圆极化网络层4由上至下依次层叠，三层间由支撑件5支撑固定，结构简单紧凑，避免了辐射层2与馈电层3间全部填充介质损耗大和重量重的问题，工程应用性大大增强，同时极大降低了成本；阻抗带宽大于30%，3dB波束宽度大于90°，小于3dB的轴比带宽大于30%；组成阵列，单元间隔离度高，波束扫描角宽。
以上，仅为本发明之较佳实施例，意在进一步说明本发明，而非对其进行限定。凡根据上述之文字和附图所公开的内容进行的简单的替换，都在本专利的权利保护范围之列。
Claims (10)
1.一种宽波束圆极化微带天线，其特征在于，包括：腔体层、辐射层、馈电层和圆极化网络层；其中，该辐射层、该馈电层和该圆极化网络层在竖直方向相互间隔地固定在一起，该腔体层围在该辐射层和该馈电层外围并与该圆极化网络层固定在一起。
2.根据权利要求1所述的宽波束圆极化微带天线，其特征在于：该腔体层、该辐射层和该馈电层一一对应，几何中心在同一中心线上。
3.根据权利要求1所述的宽波束圆极化微带天线，其特征在于：该腔体层的内轮廓与该辐射层的边缘一一对应平行且等间距。
4.根据权利要求1所述的宽波束圆极化微带天线，其特征在于：该辐射层的顶侧与该腔体层的顶端平齐。
5.根据权利要求1所述的宽波束圆极化微带天线，其特征在于：该辐射层和该馈电层在竖直方向间隔第一设定距离；该馈电层和该圆极化网络层在竖直方向间隔第二设定距离。
6.根据权利要求5所述的宽波束圆极化微带天线，其特征在于：在该辐射层和该馈电层之间设置隔离环，该隔离环的高度与该第一设定距离相对应；在该馈电层和该圆极化网络层之间设置隔离柱，该隔离柱的主体的高度与该第二设定距离与相对应。
7.根据权利要求1所述的宽波束圆极化微带天线，其特征在于：该馈电层由两馈针耦合馈电；该圆极化网络层由一个3dB 电桥组成，给该两馈针提供等幅相位相差90°激励，形成右旋圆极化。
8.根据权利要求7所述的宽波束圆极化微带天线，其特征在于：该馈针是由介质基板层上表面的覆铜形成的馈电带和垂直于该馈电带的馈电针组成的L 形针耦合馈电结构。
9.根据权利要求1至8任一项所述的宽波束圆极化微带天线，其特征在于：该辐射层、该馈电层和该圆极化网络层均由介质基板层及介质基板表面覆铜层组成。
10.一种宽波束圆极化微带天线阵列，其特征在于：包括若干组成阵列的、如权利要求1至9任一项所述的宽波束圆极化微带天线。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190118 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |