CN109638422B - 一种宽带圆极化共口径通信导航阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种宽带圆极化共口径通信导航阵列天线，包括矩形布局的天线子阵列，所述天线子阵列均包括一个L波段弯折十字交叉振子天线单元和四个S波段圆形微带贴片天线单元；四个所述S波段圆形微带贴片天线单元对称排布于所述天线子阵列的四个对角；所述L波段弯折十字交叉振子天线单元位于所述天线子阵列正中心；本发明的天线结构紧凑，巧妙的将L波段弯折十字交叉振子结构和S波段圆形微带贴片结构整合在一起，在保证优异的轴比性能基础上，抑制了复杂耦合拓扑结构带来的高次模谐振影响减弱了两种不同波段天线之间的互耦，且具有宽频带、重量轻、易加工、低成本的优点。

Description

一种宽带圆极化共口径通信导航阵列天线
技术领域
本发明涉及通信导航技术领域，具体涉及一种宽带圆极化共口径通信导航阵列天线。
背景技术
共口径低剖面天线具有结构紧凑、空间利用率高、重量轻等特点，可以独立同时收发多频多极化信号，在有限的空间内同时集成通信与导航功能，匹配高性能移动平台通信系统；天线的圆极化技术具有抗多径干扰和防雨雾等优势，且易于极化匹配；宽带通信技术能够提高传输速率、增加数据交互量、提供灵活的自由度；高增益天线是通信系统远距离传输、广范围覆盖的保证，阵列合成与波束扫描是实现天线宽角度高增益的重要途径；因此，宽带圆极化共口径阵列天线具有很高的研究价值和广阔的应用前景。
现有移动通信平台上的导航天线与通信天线独立设计各自装配，体积重量大、制造成本高、程序协调繁杂，导航天线与通信天线共口径一体化设计能够节约空间、降低重量和成本，然而天线的共口径设计会带来频间互耦干扰，现有天线的设置难以保证共口径设计的同时兼顾宽带圆极化、高增益的性能要求，以及低剖面、高集成度的结构要求。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种宽带圆极化共口径通信导航阵列天线，包括矩形布局的天线子阵列，所述天线子阵列均包括一个L波段弯折十字交叉振子天线单元和四个S波段圆形微带贴片天线单元；四个所述S波段圆形微带贴片天线单元对称排布于所述天线子阵列的四个对角；所述L波段弯折十字交叉振子天线单元位于所述天线子阵列正中心。
较佳的，所述L波段弯折十字交叉振子天线单元包括从上到下依次设置的交叉振子、第一馈电线、第一基板、第一地板和第一同轴电缆；所述第一同轴电缆接入数字通道，所述数字通道分别对每个所述L波段弯折十字交叉振子天线单元独立馈电，所述交叉振子为由4个长度约为四分之一波长的杆弯折对称设置形成的十字交叉振子；所述第一馈电线设置为L波段功分移相金属馈电线，所述第一馈电线包括一段180°功分移相微带线和两段对称的90°功分移相微带线，从而形成具有宽带特性的一分四L波段馈电网络；所述L波段馈电网络设置在所述第一基板上，所述地板选用L波段金属地板；所述第一同轴电缆设置在所述L波段馈电网络的馈电端口，所述第一同轴电缆内导体与所述第一馈电线相连接。
较佳的，所述交叉振子中所述杆的垂直高度尺寸小于或等于所述杆总长度尺寸的二分之
较佳的，所述第一基板的介电常数为2.2，厚度为0.508mm。
较佳的，所述S波段圆形微带贴片天线单元包括从上到下依次设置的辐射贴片、第二基板、支撑件、第二馈电线、第三基板、第二地板、第二同轴电缆；所述第二同轴电缆接入T/R组件，所述T/R组件分别对每个所述S波段圆形微带贴片天线单元独立馈电；所述辐射贴片与S波段馈电网络之间加设一层所述支撑件，所述辐射贴片与所述S波段馈电网络通过馈电金属圆柱连接；Wilkinson功分器和所述第二馈电线形成所述S波段馈电网络；所述第二馈电线为S波段功分移相金属馈电线，包括一段含有宽带匹配枝节的90°移相微带线；所述第二基板为辐射层基板，所述第三基板为馈电层基板；所述第二地板设置为S波段金属地板，所述第二同轴电缆设置在所述S波段馈电网络的馈电端口，所述第二同轴电缆内导体与所述第二馈电线相连接。
较佳的，所述S波段圆形微带贴片天线单外部设置有圆柱状薄壁金属屏蔽盒，所述交叉振子与所述圆柱状薄壁金属屏蔽盒不接触。
较佳的，所述辐射贴片设置为圆形微带辐射贴片，所述辐射贴片的馈点周围设置容性匹配缝隙。
较佳的，所述交叉振子插入相邻所述S波段圆形微带贴片天线单元之间的间隙中，所述交叉振子的水平部分与所述辐射贴片共面。
较佳的，所述天线子阵列的剖面结构从上到下依次为所述辐射贴片和所述交叉振子、具有分隔固定功能的固定泡沫、所述L波段馈电网络。
较佳的，所述天线子阵列总高度不超过0.11λL，所述S波段圆形微带贴片天线单元间距为0.5λS；所述L波段弯折十字交叉振子天线单元间距大于0.5λL，λL为L波段中心频率电磁波在自由空间传播的波长；λS为S波段中心频率电磁波在自由空间传播的波长。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，本发明中L波段弯折十字交叉振子天线单元采用具有宽频带特性的四馈点微带移相功分网络进行馈电；S波段圆形微带贴片天线单元采用具有宽频带特性的两馈点微带移相功分网络进行馈电，皆在保证优异的轴比性能基础上，抑制了复杂耦合拓扑结构带来的高次模谐振影响；2，S波段圆形微带贴片天线单元引入极低介电常数的泡沫介质，并且在辐射贴片馈电导体附近开容性圆环缝隙，保证了宽带阻抗匹配特性；3，弯折十字交叉振子天线具有低剖面与窄横截面的特性，巧妙地插入2×2矩形S波段圆形微带贴片天线单元间隙，使子阵列结构紧凑，口径利用率大大提高，同时L/S波段的天线单元辐射部分共面，频间互耦得以一定程度地降低；4，子阵列引入圆柱状薄壁金属屏蔽盒不仅支撑保护了S波段圆形微带贴片天线单元的馈电结构，还能增加单元隔离和天线隔离。
附图说明
图1是本发明宽带圆极化共口径通信导航阵列天线的阵列排布图；
图2是所述L波段弯折十字交叉振子天线单元结构图；
图3是所述S波段圆形微带贴片天线单元的结构图；
图4是本发明宽带圆极化共口径通信导航阵列天线的子阵列剖面图；
图5是本发明宽带圆极化共口径通信导航阵列天线的L波段阵列单元端口反射系数和隔离度的仿真结果图；
图6是本发明宽带圆极化共口径通信导航阵列天线的S波段端口反射系数和隔离度的仿真结果图；
图7是本发明宽带圆极化共口径通信导航阵列天线的阵列波束扫描的仿真结果图。
图中数字表示：
1-L波段弯折十字交叉振子天线单元；2-S波段圆形微带贴片天线单元；3-天线子阵列；11-交叉振子；12-第一馈电线；13-第一基板；14-第一地板；15-第一同轴电缆；21-辐射贴片；22-第二基板；23-支撑件；24-第二馈电线；25-第三基板；26-第二地板；27-第二同轴电缆；28-屏蔽盒；41-固定泡沫。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例一
如图1所示，图1是本发明宽带圆极化共口径通信导航阵列天线的阵列排布图；本发明所述宽带圆极化共口径通信导航阵列天线包括2x2矩形布局的4个天线子阵列3，所述天线子阵列3均包括一个L波段弯折十字交叉振子天线单元1和四个S波段圆形微带贴片天线单元2；其中四个所述S波段圆形微带贴片天线单元2对称排布于所述天线子阵列3的四个对角，较佳的，每个所述S波段圆形微带贴片天线单元2分别绕所述天线子阵列3的中轴依次顺时针旋转90°排布，以提高所述S波段圆形微带贴片天线单元的天线阵列轴比性能；具体的；每个所述S波段圆形微带贴片天线单元2分别绕自身中轴依次顺时针旋转0°、90°、180°、270°；针对同一所述天线子阵列3内的四个所述S波段圆形微带贴片天线单元2，分别为左上体、右上体、右下体、左下体；以所述左上体的所述S波段圆形微带贴片天线单元2的个体摆放状态为基准，所述右上体所述S波段圆形微带贴片天线单元2的个体摆放状态在所述左上体个体摆放状态为基础，所述右上体沿自身中轴顺时针旋转90°；所述右下体所述S波段圆形微带贴片天线单元2的个体摆放状态在所述右上体个体摆放状态为基础，所述右下体沿自身中轴顺时针旋转90°；所述左下体所述S波段圆形微带贴片天线单元2的个体摆放状态在所述左下体个体摆放状态为基础，所述左下体沿自身中轴顺时针旋转90°；所述L波段弯折十字交叉振子天线单元1位于所述天线子阵列3正中心；从而最终形成4个所述L波段弯折十字交叉振子天线单元1按照2×2矩形阵列均匀布局；16个所述S波段圆形微带贴片天线单元按照4×4矩形阵列均匀布局的阵列总体排布方式。各天线单元均匀矩形布局具有结构简单、强度稳定、易于后端通道集成等优点。
如图2所示，图2是所述L波段弯折十字交叉振子天线单元结构图；所述L波段弯折十字交叉振子天线单元1包括从上到下依次设置的交叉振子11、第一馈电线12、第一基板13、第一地板14和第一同轴电缆15。所述第一同轴电缆15接入系统的数字通道，所述数字通道分别对每个所述L波段弯折十字交叉振子天线单元1独立馈电。
所述交叉振子11为由4个长度约为四分之一波长的杆弯折对称设置形成的十字交叉振子；所述交叉振子11中杆的垂直高度不超过所述杆总长度的二分之一，从而降低所述L波段弯折十字交叉振子天线单元1的剖面高度；所述第一馈电线12设置为L波段功分移相金属馈电线，所述第一馈电线12包括一段180°功分移相微带线和两段对称的90°功分移相微带线，从而形成具有宽带特性的一分四L波段馈电网络，隔离电阻值为100欧姆；所述第一基板13为低介电常数的薄介质基板，优选的，所述第一基板13的介电常数为2.2，厚度为0.508mm。所述地板选用L波段金属地板；所述第一同轴电缆15设置在所述L波段馈电网络的馈电端口，所述第一同轴电缆15内导体与所述第一馈电线12相连接。电磁波通过所述第一同轴电缆15、所述L波段馈电网络传输，经所述交叉振子11辐射至自由空间。
如图3所示，图3是所述S波段圆形微带贴片天线单元的结构图；所述S波段圆形微带贴片天线单元2包括从上到下依次设置的辐射贴片21、第二基板22、支撑件23、第二馈电线24、第三基板25、第二地板26、第二同轴电缆27。所述第二同轴电缆27接入系统的T/R组件，所述T/R组件分别对每个所述S波段圆形微带贴片天线单元2独立馈电。
所述辐射贴片21设置为圆形微带辐射贴片，所述辐射贴片21的馈点周围设置容性匹配缝隙，所述辐射贴片21与S波段馈电网络之间加设一层低介电常数的塑料泡沫所述支撑件23，从而增加所述S波段圆形微带贴片天线单元2的阻抗带宽，所述辐射贴片21与所述S波段馈电网络通过馈电金属圆柱连接。Wilkinson功分器和所述第二馈电线24形成所述S波段馈电网络，所述S波段馈电网络的隔离电阻值为100欧姆；所述第二馈电线24为S波段功分移相金属馈电线，包括一段含有宽带匹配枝节的90°移相微带线。所述第二基板22和所述第三基板25均为低介电常数的薄介质基板，设置参数均为介电常数2.2，厚度0.508mm，所述第二基板22为辐射层基板，所述第三基板25为馈电层基板。
所述S波段圆形微带贴片天线单元2外部设置有壁厚为1mm的圆柱状薄壁金属屏蔽盒28，用以隔离保护所述S波段圆形微带贴片天线单元2的内部构件，L波段弯折十字交叉振子天线单元辐射部分与所述圆柱状薄壁金属屏蔽盒28不接触。所述第二地板26设置为S波段金属地板，所述第二同轴电缆27设置在所述S波段馈电网络的馈电端口，所述第二同轴电缆27内导体与所述第二馈电线24相连接。电磁波通过所述第二同轴电缆27、所述S波段馈电网络、所述馈电金属圆柱传输，经所述辐射贴片21辐射至自由空间。
如图4，图4是本发明宽带圆极化共口径通信导航阵列天线的子阵列剖面图；所述交叉振子11插入相邻所述S波段圆形微带贴片天线单元2之间的间隙中，所述交叉振子11的水平部分与所述辐射贴片21共面。
所述天线子阵列3的剖面结构从上到下依次是S波段圆形微带贴片天线单元2和L波段弯折十字交叉振子天线单元1的辐射部分、具有分隔固定功能的固定泡沫41、L波段弯折十字交叉振子天线单元1的馈电网络结构。所述S波段圆形微带贴片天线单元2的辐射部分一般为所述辐射贴片21，所述L波段弯折十字交叉振子天线单元1的辐射部分一般为所述交叉振子11；所述L波段弯折十字交叉振子天线单元1的馈电网络结构一般为所述L波段馈电网络。
较佳的，所述天线子阵列3总高度不超过0.11λL，所述S波段圆形微带贴片天线单元间距为0.5λS；L波段弯折十字交叉振子天线单元间距大于0.5λL，λL为L波段中心频率电磁波在自由空间传播的波长；λS为S波段中心频率电磁波在自由空间传播的波长。本发明宽带圆极化共口径通信导航阵列天线的整体阵列具有结构紧凑，剖面低，口径复用率高等特点。
L波段弯折十字交叉振子天线单元采用具有宽频带特性的四馈点微带移相功分网络进行馈电；S波段圆形微带贴片天线单元采用具有宽频带特性的两馈点微带移相功分网络进行馈电，皆在保证优异的轴比性能基础上，抑制了复杂耦合拓扑结构带来的高次模谐振影响；S波段圆形微带贴片天线单元引入极低介电常数的泡沫介质，并且在辐射贴片馈电导体附近开容性圆环缝隙，保证了宽带阻抗匹配特性；弯折十字交叉振子天线具有低剖面与窄横截面的特性，巧妙地插入2×2矩形S波段圆形微带贴片天线单元间隙，使子阵列结构紧凑，口径利用率大大提高，同时L/S波段的天线单元辐射部分共面，频间互耦得以一定程度地降低；子阵列引入圆柱状薄壁金属屏蔽盒不仅支撑保护了S波段圆形微带贴片天线单元的馈电结构，还能增加单元隔离和天线隔离。
实施例二
在本实施例中，本发明宽带圆极化共口径通信导航阵列天线的工作频率位于覆盖北斗导航频段的L波段(1.1GHz-1.7GHz)和常用的通信频段S波段(1.8GHz-2.5GHz)。导航天线即所述L波段弯折十字交叉振子天线单元1，由宽带四馈点微带网络进行馈电，馈电口由同轴接入数字通道。通信天线即所述S波段圆形微带贴片天线单元2由宽带两馈点微带网络进行馈电，馈电口由同轴接入T/R组件。
利用软件Ansys HFSS对本实施例进行电磁全波仿真和优化。所述辐射贴片21半径设置为25mm，馈电金属圆柱距所述辐射贴片21中心距离为10.6mm，所述辐射贴片21的容性匹配缝隙宽度为1mm，所述固定泡沫41厚度为13mm；所述交叉振子11上单一所述杆的水平部分长度为32mm，垂直高度为21.5mm，所述杆的横截面半径为1mm。
如图5、图6、图7所示，图5是本发明宽带圆极化共口径通信导航阵列天线的L波段阵列单元端口反射系数和隔离度的仿真结果图；图6是本发明宽带圆极化共口径通信导航阵列天线的S波段端口反射系数和隔离度的仿真结果图；图7是本发明宽带圆极化共口径通信导航阵列天线的阵列波束扫描的仿真结果图；图中S11为输入反射系数，也就是输入回波损耗；S12为反向传输系数，也就是隔离。仿真结果显示，导航天线即所述L波段弯折十字交叉振子天线阵列实现28.57％的圆极化带宽，通信天线即所述S波段圆形微带贴片天线阵列实现33.33％的圆极化带宽，带内反射系数均小于-10dB，端口隔离度均小于-25dB。本发明宽带圆极化共口径通信导航阵列天线在L波段的增益为11.01dB；在S波段的增益为16.26dB，波束扫描范围达到±45°。
通过仿真验证，本发明宽带圆极化共口径通信导航阵列天线在L频段实现了右旋圆极化，相对圆极化带宽为35.71％，中心频点增益为11.01dBic；在S频段实现了左旋圆极化，相对圆极化带宽为31.81％，不扫描时增益为16.26dBic，波束扫描到45°时增益为11.91dBic，轴比小于1.73dB；在工作频带内单元隔离度小于-25dB，天线隔离度小于-30dB；所设计的宽带圆极化共口径通信导航阵列天线具有宽频带、低互耦、高增益的电磁特性，低剖面、高集成度的结构特性，能在同一天线口径面完成导航信号接收与通信信号收发。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种宽带圆极化共口径通信导航阵列天线，其特征在于，包括矩形布局的天线子阵列，所述天线子阵列均包括一个L波段弯折十字交叉振子天线单元和四个S波段圆形微带贴片天线单元；四个所述S波段圆形微带贴片天线单元对称排布于所述天线子阵列的四个对角；所述L波段弯折十字交叉振子天线单元位于所述天线子阵列正中心；每个所述S波段圆形微带贴片天线单元分别绕所述天线子阵列的中轴依次顺时针旋转90°排布；
所述天线子阵列总高度不超过0.11λL，所述S波段圆形微带贴片天线单元间距为0.5λS；所述L波段弯折十字交叉振子天线单元间距大于0.5λL，λL为L波段中心频率电磁波在自由空间传播的波长；λS为S波段中心频率电磁波在自由空间传播的波长；
所述L波段弯折十字交叉振子天线单元包括从上到下依次设置的交叉振子、第一馈电线、第一基板、第一地板和第一同轴电缆；所述第一同轴电缆接入数字通道，所述数字通道分别对每个所述L波段弯折十字交叉振子天线单元独立馈电，所述交叉振子为由4个长度为四分之一波长的杆弯折对称设置形成的十字交叉振子；所述第一馈电线设置为L波段功分移相金属馈电线，所述第一馈电线包括一段180°功分移相微带线和两段对称的90°功分移相微带线，从而形成具有宽带特性的一分四L波段馈电网络；所述L波段馈电网络设置在所述第一基板上，所述地板选用L波段金属地板；所述第一同轴电缆设置在所述L波段馈电网络的馈电端口，所述第一同轴电缆内导体与所述第一馈电线相连接；
所述S波段圆形微带贴片天线单元包括从上到下依次设置的辐射贴片、第二基板、支撑件、第二馈电线、第三基板、第二地板、第二同轴电缆；所述第二同轴电缆接入T/R组件，所述T/R组件分别对每个所述S波段圆形微带贴片天线单元独立馈电；所述辐射贴片与S波段馈电网络之间加设一层所述支撑件，所述辐射贴片与所述S波段馈电网络通过馈电金属圆柱连接；Wilkinson功分器和所述第二馈电线形成所述S波段馈电网络；所述第二馈电线为S波段功分移相金属馈电线，包括一段含有宽带匹配枝节的90°移相微带线；所述第二基板为辐射层基板，所述第三基板为馈电层基板；所述第二地板设置为S波段金属地板，所述第二同轴电缆设置在所述S波段馈电网络的馈电端口，所述第二同轴电缆内导体与所述第二馈电线相连接；
所述交叉振子插入相邻所述S波段圆形微带贴片天线单元之间的间隙中，所述交叉振子的水平部分与所述辐射贴片共面。
2.如权利要求1所述的宽带圆极化共口径通信导航阵列天线，其特征在于，所述交叉振子中所述杆的垂直高度尺寸小于或等于所述杆总长度尺寸的二分之一。
3.如权利要求1所述的宽带圆极化共口径通信导航阵列天线，其特征在于，所述第一基板的介电常数为2.2，厚度为0.508mm。
4.如权利要求1所述的宽带圆极化共口径通信导航阵列天线，其特征在于，所述S波段圆形微带贴片天线单外部设置有圆柱状薄壁金属屏蔽盒，所述交叉振子与所述圆柱状薄壁金属屏蔽盒不接触。
5.如权利要求1所述的宽带圆极化共口径通信导航阵列天线，其特征在于，所述辐射贴片设置为圆形微带辐射贴片，所述辐射贴片的馈点周围设置容性匹配缝隙。
6.如权利要求1所述的宽带圆极化共口径通信导航阵列天线，其特征在于，所述天线子阵列的剖面结构从上到下依次为所述辐射贴片和所述交叉振子、具有分隔固定功能的固定泡沫、所述L波段馈电网络。
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