CN109962335A - 一种双波段宽带圆极化共口径天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种双波段宽带圆极化共口径天线，包括磁电偶极子天线单元和微带天线单元，磁电偶极子天线包括若干辐射体、馈电臂和地板，辐射体和馈电臂均设置于地板上，辐射体包括与地板相连的支撑架以及与支撑架连接的水平电偶极子辐射片，辐射体以双波段宽带圆极化共口径天线的中心点为原点旋转对称设置；微带天线单元包括微带天线阵列及馈电网络，微带天线阵列包括介质基板、馈电组、主辐射贴片和以所述主辐射贴片环形设置的寄生贴片，馈电组、主辐射贴片和寄生贴片均设置于介质基板上；本发明所述双波段宽带圆极化共口径天线通过结合磁电偶极子天线与微带贴片天线，使所述天线结构简单且工作效率较高。

Description

一种双波段宽带圆极化共口径天线
技术领域
本发明涉及天线设备技术领域，具体涉及一种双波段宽带圆极化共口径天线。
背景技术
卫星通信的快速发展对天线系统提出了更高的要求：多频段、多极化、宽频带、小型化等。共口径天线可以把频率、极化特性不同的多个天线合理设计在同一口径内，在保持天线结构紧凑的同时，还具有多频、多极化工作的性能，是卫星通信天线未来发展趋势。
在卫星通信领域，圆极化天线由于具有抗多径反射能力强等优点，得到了广泛应用。商业卫星通讯系统中，卫星接收和发射的信号都是圆极化波，以保证无论雷达和卫星呈什么夹角，都不会引起交叉极化分量以及极化失配，从而避免引起数据传输效率的降低。
在现有的技术中，有多种实现双频共口径天线设计的方法，例如双频共口径微带阵列天线、双波段波导缝隙、波导/振子(缝隙)天线、终端开路波导/短路环贴片天线阵、喇叭/开路同轴交织阵、反射面天线/微带交织、多波段空馈反射阵等。但现有技术中的天线无法解决在实现结构简单、使高、低频互相影响小的基础上，同时兼顾线极化工作，实现收发共用的需求问题。
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，提供一种双波段宽带圆极化共口径天线，包括磁电偶极子天线单元和微带天线单元，所述磁电偶极子天线包括若干辐射体、馈电臂和地板，所述辐射体和所述馈电臂均设置于所述地板上，所述辐射体包括与所述地板相连的支撑架以及与所述支撑架连接的水平电偶极子辐射片，所述辐射体以所述双波段宽带圆极化共口径天线的中心点为原点旋转对称设置；所述微带天线单元包括微带天线阵列及馈电网络，所述微带天线阵列包括介质基板、馈电组、主辐射贴片和以所述主辐射贴片环形设置的寄生贴片，所述馈电组、所述主辐射贴片和所述寄生贴片均设置于所述介质基板上。
较佳的，对应的两所述馈电臂设置为倒U形结构，所述馈电臂的两端分别为连接端和断开端，所述馈电臂的所述连接端与同轴内芯相连，所述断开端不与所述地板接触。
较佳的，所述馈电臂在对应两所述馈电臂相交叠位置处均设置有弯折槽，所述弯折槽分别为对应的上凸弯折设置和下凹弯折设置。
较佳的，所述主辐射贴片和所述寄生贴片均设置为方形，且同一所述主辐射贴片的四个所述寄生贴片对应所述主辐射贴片的四条边设置。
较佳的，位于所述双波段宽带圆极化共口径天线中间位置的所述微带天线单元，所述微带天线阵列设置于所述水平电偶极子辐射片上；围绕所述磁电偶极子天线单元设置的所述微带天线单元还设置有底板，所述微带天线阵列设置在所述底板上。
较佳的，所述微带天线阵列在垂直或水平方向上相邻的两所述主辐射贴片复用同一所述寄生贴片，同一所述介质基板上设置有4个所述主辐射贴片，所述馈电组对应所述主辐射贴片设置，每个所述微带天线单元中的所有所述馈电组以所述微带天线阵列的中心点为原点旋转对称。
较佳的，所述微带天线单元距离所述地板的高度尺寸均相同。
较佳的，所述支撑架包括设置于底部的金属块、水平支撑面以及垂直支撑面，所述金属块设置为方形，且所述金属块设置于所述地板上，所述水平支撑面与所述金属块上端面的边缘固定连接，所述水平支撑面通过所述垂直支撑面与所述水平电偶极子辐射片固定连接。
较佳的，所述垂直支撑面与所述水平支撑面、所述水平电偶极子辐射片均垂直设置，所述水平支撑面和所述水平电偶极子辐射片的平行设置。
较佳的，所述辐射体、所述馈电臂和所述地板均采用金属材料制作。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，本发明采用磁电偶极子天线与微带贴片天线相结合和的方式实现双波段共口径设计，天线结构简单、剖面较低、易于加工；2，本发明通过改变馈电网络，可以方便地实现左旋圆极化或者右旋圆极化辐射，并且可以收发共用；3，本发明在较宽的带宽内实现良好的馈电性能以及辐射性能，且高、低波段互相影响很小。
附图说明
图1为本发明所述双波段宽带圆极化共口径天线的立体结构视图；
图2为本发明所述双波段宽带圆极化共口径天线的结构俯视图；
图3为本发明所述双波段宽带圆极化共口径天线的结构正视图；
图4为所述辐射体的立体结构视图；
图5为所述辐射体的结构正视图；
图6为所述馈电臂的结构视图；
图7为所述微带贴片单元的结构俯视图；
图8为本发明所述双波段宽带圆极化共口径天线在实施例二中UHF波段的驻波比曲线图；
图9为本发明所述双波段宽带圆极化共口径天线在实施例二中UHF波段的轴比-频率曲线图；
图10为本发明所述双波段宽带圆极化共口径天线在实施例二中UHF波段中心频率处的增益方向曲线图；
图11为本发明所述双波段宽带圆极化共口径天线在实施例二中L波段的驻波比曲线图；
图12为本发明所述双波段宽带圆极化共口径天线在实施例二中L波段的轴比频率曲线图；
图13为本发明所述双波段宽带圆极化共口径天线在实施例二中L波段中心频率处的增益方向曲线图。
图中数字表示：
1-辐射体；2-馈电臂；3-介质基板；4-主辐射贴片；5-寄生贴片；6-地板；7-水平电偶极子辐射片；8-馈电组；9-支撑架；10-同轴内芯；11-金属块；12-水平支撑面；13-垂直支撑面；14-底板。
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。
如图1、图2、图3所示，图1为本发明所述双波段宽带圆极化共口径天线的立体结构视图；图2为本发明所述双波段宽带圆极化共口径天线的结构俯视图；图3为本发明所述双波段宽带圆极化共口径天线的结构正视图。
所述双波段宽带圆极化共口径天线包括工作于较低频段的宽带磁电偶极子天线单元以及工作于较高频段的微带天线单元。所述磁电偶极子天线单元由四个相同的金属辐射体以及两个参数基本相同的“∏”形所述馈电臂构成，在两个馈电臂相交叠的区域，一馈电臂向上轻微形弯折，另一馈电臂向下轻微形弯折，采用正交双馈实现左/右圆极化辐射。所述微带天线单元由加载寄生单元的方形微带天线阵列以及相应的馈电网络组成，每个方形主辐射贴片周围加载四个方形寄生贴片，两个相邻的主辐射贴片单元复用它们之间的寄生贴片，采用正交双馈实现圆极化辐射。口径内，部分微带天线单元以磁电偶极子天线的金属辐射体作为地板，其他单元用介质支撑保持所有微带天线单元同平面。
具体的，在本实施例中，所述磁电偶极子天线单元设置于所述双波段宽带圆极化共口径天线的中心位置，所述磁电偶极子天线单元包括四个辐射体1、两个馈电臂2和地板6。所述辐射体1、所述馈电臂2和所述地板6均采用金属材料制作。
如图4和图5所示，图4为所述辐射体的立体结构视图；图5为所述辐射体的结构正视图；所述辐射体1包括与所述地板6相连的支撑架9以及设置于所述辐射体1中上部的水平电偶极子辐射片7；四个所述辐射体1以所述双波段宽带圆极化共口径天线的中心点为原点旋转对称。所述支撑架9包括设置于底部的金属块11、水平支撑面12以及垂直支撑面13，所述金属块11设置为方形，且所述金属块11设置于所述地板6上，所述水平支撑面12与所述金属块11上端面的边缘固定连接，所述水平支撑面12通过所述垂直支撑面13与所述水平电偶极子辐射片7固定连接，从而实现所述支撑架9对所述水平电偶极子辐射片7的支撑。所述垂直支撑面13与所述水平支撑面12、所述水平电偶极子辐射片7均垂直设置，从而实现所述水平支撑面12和所述水平电偶极子辐射片7的平行设置。所述垂直支撑面13优选设置为两个，且相邻两所述垂直支撑面13垂直连接，从而保证所述支撑架9的整体稳定性。
如图6所示，图6为所述馈电臂的结构视图；较佳的，对应的两所述馈电臂2设置为参数相同的倒U形结构，所述馈电臂2的两端分别为连接端和断开端，所述馈电臂2的所述连接端与同轴内芯10相连，所述断开端不与所述地板6接触。所述同轴内芯10穿过所述地板6，不与所述地板6接触，所述连接端与所述地板6之间存在缝隙，不与所述地板6接触。
较佳的，在对应两所述馈电臂2相交叠位置处，其中一所述馈电臂2上凸弯折设置，另一所述馈电臂2下凹弯折设置，从而形成配合设置的两弯折槽，以避免两所述馈电臂交叠接触。本发明所述双波段宽带圆极化共口径天线通过对两个所述馈电臂的正交馈电可实现左/右旋圆极化辐射，利用电桥可实现收/发共用。
如图7所示，图7为所述微带贴片单元的结构俯视图；工作于较高频段的所述微带天线单元包括微带天线阵列以及相应的馈电网络，所述微带天线阵列包括介质基板3、主辐射贴片4、加载在所述主辐射贴片4周围的四个寄生贴片5、馈电组8。所述主辐射贴片4和所述寄生贴片5均设置在所述介质基板3上。所述主辐射贴片4和所述寄生贴片5均设置为方形，且同一所述主辐射贴片4的四个所述寄生贴片5对应所述主辐射贴片4的四条边设置。
所述馈电网络位于所述水平电偶极子辐射片7或所述底板14的下方，通常由微带线构成，金属探针向上穿过所述水平电偶极子辐射片7或所述底板14、所述介质基板3，连接微带线和所述馈电组8。
位于中间位置的所述微带天线单元，所述微带天线阵列设置于所述水平电偶极子辐射片7上；其他位置的所述微带天线单元还设置有底板14，所述微带天线阵列设置在所述底板14上。所述微带天线单元在共口径排布时，所有所述微带天线单元在整个口径的排布时距离所述地板6的高度相同，中间部分的所述微带天线单元以所述水平电偶极子辐射片7作为所述微带天线单元的接地板和支撑结构，其余所述微带天线单元以纸蜂窝、泡沫材料或其他不导电介质材料支撑。
较佳的，所述微带天线阵列在垂直或水平方向上相邻的两所述主辐射贴片4复用它们之间的所述寄生贴片5，同一所述介质基板3上一般设置有4个所述主辐射贴片4，所述馈电组8对应所述主辐射贴片4设置，每个所述微带天线单元中的所有所述馈电组8以该所述微带天线阵列的中心点为原点旋转对称。所述微带天线单元采用正交双馈的形式实现左/右圆极化辐射，利用电桥可实现收/发共用。
本发明所述双波段宽带圆极化共口径天线通过结合磁电偶极子天线与微带贴片天线，使所述天线结构简单且工作效率较高，解决现有技术中的天线无法在实现结构简单、工程难度低、成本低，且使高、低频互相影响小，具有宽工作带宽的基础上，同时兼顾线极化工作，实现收发共用的需求问题。
实施例二
本实施例为UHF和L双波段宽带圆极化共口径天线(UHF，Ultra High Frequency，特高频)，本实施例的整体结构如图1和图2所示。对应如图3所示，按旋转对称分布的UHF波段的4个所述辐射体1之间的宽度WGap设置为40.0mm，所述地板6的长度LGND设置为1140mm。
如图4所示，两所述馈电臂2的宽度WF设置为34.0mm，单一所述馈电臂2的水平长度LF1设置为230.0mm，所述连接端的竖直长度LF2设置为105.0mm，所述断开端的竖直长度LF3设置为80.0mm，在交叠位置处两对应所述馈电臂2上的所述弯折槽分别向上和向下偏移3.0mm。
如图5和图6所示，所述辐射体1中所述金属块11的长度Lb1设置为80.0mm，高度Hb1设置为20.0mm，所述水平支撑面12的长度Lb2设置为130.0mm，两个所述垂直支撑面13的高度Hb2设置为180.0mm，边缘支撑的高度Hb3设置为15.5mm，所述水平电偶极子辐射片7的长度LP1设置为265.0mm，除所述金属块11外，所述辐射体1其余部分的材料厚度均设置为1.0mm。
如图2所示，所述微带天线单元在口径内4×4排列设置，每个所述微带天线单元均具有4个所述主辐射贴片4和10个所述寄生贴片5，相邻所述微带天线单元之间的间距Wunit设置为285.0mm；所述介质基板3的介电常数为2.94，厚度t为5.0mm，长度Lsub设置为226.4mm；所述主辐射贴片4的长度LP2设置为40.6mm，所述寄生贴片5的长度LP3设置为35.0mm，所述主辐射贴片4和所述寄生贴片5之间的缝隙宽度WGap2设置为5.4mm，所述馈电组8与所述主辐射贴片4边缘之间的距离Xf设置为4.3mm，周边位置处的所述微带天线单元采用介电常数为1.09的纸蜂窝作为支撑结构。
图8为本发明所述双波段宽带圆极化共口径天线在本实施例中UHF波段的连接馈电臂2的两个端口的驻波比曲线图，在频率222.7MHz～445.1MHz的带宽内，其驻波比小于2。
图9为本发明所述双波段宽带圆极化共口径天线在本实施例中UHF波段内法向轴比随频率变化的响应曲线图，在频率222.7MHz～445.1MHz带宽内轴比小于1.7dB。
图10为本发明所述双波段宽带圆极化共口径天线在本实施例中UHF波段中心频率辐射方向及交叉极化图，该天线阵交叉极化电平低于主极化28dB以上。
图11为本发明所述双波段宽带圆极化共口径天线在本实施例中L波段的连接馈电组8的8个端口的驻波比曲线图，在频率1.97GHz～2.27GHz的带宽内，其驻波比小于2。
图12为本发明所述双波段宽带圆极化共口径天线在本实施例中L波段内法向轴比随频率变化的响应曲线图，在频率1.97GHz～2.27GHz带宽内轴比小于0.3dB。
图13本发明所述双波段宽带圆极化共口径天线在本实施例中L波段中心频率辐射方向及交叉极化图，该天线阵交叉极化电平低于主极化40dB以上。
本发明所述双波段宽带圆极化共口径天线采用磁电偶极子天线与微带贴片天线相结合和的方式实现双波段共口径设计，天线结构简单、剖面较低、易于加工；通过改变馈电网络，可以方便地实现左旋圆极化或者右旋圆极化辐射，并且可以收发共用；天线在较宽的带宽内实现良好的馈电性能以及辐射性能，且高、低波段互相影响很小；最终本发明既可以实现左/右旋圆极化辐射，也可以实现垂直/水平线极化辐射，通过合理设计馈电电路可实现收/发共用。
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 (10)

1.一种双波段宽带圆极化共口径天线，其特征在于，包括磁电偶极子天线单元和微带天线单元，所述磁电偶极子天线包括若干辐射体、馈电臂和地板，所述辐射体和所述馈电臂均设置于所述地板上，所述辐射体包括与所述地板相连的支撑架以及与所述支撑架连接的水平电偶极子辐射片，所述辐射体以所述双波段宽带圆极化共口径天线的中心点为原点旋转对称设置；所述微带天线单元包括微带天线阵列及馈电网络，所述微带天线阵列包括介质基板、馈电组、主辐射贴片和以所述主辐射贴片环形设置的寄生贴片，所述馈电组、所述主辐射贴片和所述寄生贴片均设置于所述介质基板上。
2.如权利要求1所述的双波段宽带圆极化共口径天线，其特征在于，对应的两所述馈电臂设置为倒U形结构，所述馈电臂的两端分别为连接端和断开端，所述馈电臂的所述连接端与同轴内芯相连，所述断开端不与所述地板接触。
3.如权利要求2所述的双波段宽带圆极化共口径天线，其特征在于，所述馈电臂在对应两所述馈电臂相交叠位置处均设置有弯折槽，所述弯折槽分别为对应的上凸弯折设置和下凹弯折设置。
4.如权利要求1所述的双波段宽带圆极化共口径天线，其特征在于，所述主辐射贴片和所述寄生贴片均设置为方形，且同一所述主辐射贴片的四个所述寄生贴片对应所述主辐射贴片的四条边设置。
5.如权利要求4所述的双波段宽带圆极化共口径天线，其特征在于，位于所述双波段宽带圆极化共口径天线中间位置的所述微带天线单元，所述微带天线阵列设置于所述水平电偶极子辐射片上；围绕所述磁电偶极子天线单元设置的所述微带天线单元还设置有底板，所述微带天线阵列设置在所述底板上。
6.如权利要求4所述的双波段宽带圆极化共口径天线，其特征在于，所述微带天线阵列在垂直或水平方向上相邻的两所述主辐射贴片复用同一所述寄生贴片，同一所述介质基板上设置有4个所述主辐射贴片，所述馈电组对应所述主辐射贴片设置，每个所述微带天线单元中的所有所述馈电组以所述微带天线阵列的中心点为原点旋转对称。
7.如权利要求1所述的双波段宽带圆极化共口径天线，其特征在于，所述微带天线单元距离所述地板的高度尺寸均相同。
8.如权利要求1所述的双波段宽带圆极化共口径天线，其特征在于，所述支撑架包括设置于底部的金属块、水平支撑面以及垂直支撑面，所述金属块设置为方形，且所述金属块设置于所述地板上，所述水平支撑面与所述金属块上端面的边缘固定连接，所述水平支撑面通过所述垂直支撑面与所述水平电偶极子辐射片固定连接。
9.如权利要求8所述的双波段宽带圆极化共口径天线，其特征在于，所述垂直支撑面与所述水平支撑面、所述水平电偶极子辐射片均垂直设置，所述水平支撑面和所述水平电偶极子辐射片的平行设置。
10.如权利要求1所述的双波段宽带圆极化共口径天线，其特征在于，所述辐射体、所述馈电臂和所述地板均采用金属材料制作。
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