CN110620291A - 一种用于卫星通信的圆极化偶极子天线 - Google Patents

一种用于卫星通信的圆极化偶极子天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于卫星移动通信领域，涉及圆极化天线设计，具体为一种用于卫星通信的圆极化偶极子天线，使其同时具有宽带、宽波束、低仰角圆极化性能好的特性。本发明圆极化偶极子天线包括：介质基板、金属反射板、四个偶极子天线辐射臂、四个寄生贴片、四个金属导电墙、以及同轴馈电线；将能够展宽波瓣的导电墙结合运用到了圆极化交叉偶极子天线上，金属反射地板、导电墙与寄生贴片三者共同形成磁偶极子天线，通过磁偶极子与电偶极子方向图互补的方法来波瓣展宽，从而提高低仰角处的增益；进而本发明同时具有宽带、宽波束、低仰角圆极化性能好的优点，且结构简单、易于安装，更适用于卫星通信。

Description

一种用于卫星通信的圆极化偶极子天线
技术领域
本发明属于卫星移动通信领域，涉及圆极化天线设计，具体为一种用于卫星通信的宽带、低仰角高增益、宽波束圆极化偶极子天线。
背景技术
卫星移动通信中常用到的圆极化天线类型主要有四臂螺旋天线、微带天线和交叉偶极子天线等。在卫星导航定位系统中，为了尽可能多的接收卫星信号，并且获得较好的信噪比，卫星导航定位系统要求天线不仅具有宽角圆极化覆盖，还必须有较高的低仰角增益和较宽的波束宽度。
文献“卜德文，陈曦，傅光.一种超宽带宽波束圆极化天线[C].2017年全国天线年会论文集.西安:西安电子科技大学出版社,2017.166-168”中公开了一种用于卫星移动通信的LPDA(对数周期偶极子阵天线)；两对结构相同的LPDA产生等幅、正交、相位差90°的两个线极化波实现圆极化辐射，通过调节LPDA与反射板的距离可以产生较宽的波束宽度；由仿真结果知天线波束宽度可达130°，在仰角25°的增益均大于0dBi；但该天线的低仰角处增益不高。
文献“Son Xuat Ta,Chien Ngoc Dao,Kam Eucharist Kedze,Ikmo Park.:‘Low-Profile C rossed-Dipole Antenna Loaded with Parasitic Patches’,2018International Workshop on Antenna Technology(iWAT),DOI:10.1109/IWAT.2018.8379175,2018”中公开了一种用于GPS通信的加载寄生贴片的低剖面、交叉偶极子天线；通过在交叉偶极子天线与地平面之间加载四个寄生贴片，有效的降低了天线的剖面高度，并提高了天线的工作带宽；由仿真结果可知天线半功率波束宽度为72°，驻波比(VSWR<2)带宽为22.93％，轴比(AR<3dB)带宽为13.4％，中心频点处轴比为1.5dB；但该天线的波束宽度不宽。
文献“Choi E.C,Lee J.W,Lee T.K,:‘Modified S-band satellite antennawith isoflux p attern and circularly polarized wide beamwidth’,[J].IEEEAntennas and Wireless Propagati on Letters,2013,12:1319–1322”中公开了一种用于S波段的卫星通信天线；天线的主辐射单元为两对水平放置的蝶形交叉偶极子，在偶极子上垂直加载四个寄生单元；通过调节水平交叉偶极子天线与参考地之间的高度和垂直加载寄生单元的面积，最终使天线的整体3dB轴比波束宽度大于140°，仰角0°时的轴比小于5dB；但该天线的剖面较高、工作带宽较窄。
文献“Yu-Xiang Sun,Kwok Wa Leung,Kai Lu.:‘Broadbeam Cross-DipoleAntenna for GPS Applications’,IEEE Transactions on Antennas and Propagation.,Vol:65,pp 5605–5610,2017”中公开了一种用于GPS通信的交叉偶极子天线；交叉偶极子与圆形地分别印刷在两个正交放置的介质基板上，天线的馈电网络采用的是T型结功分网络，天线整体垂直放置在一个带波纹状边缘的圆柱金属背腔内；弯折的印刷偶极子、圆形地和带波纹状边缘的圆柱金属背腔可以提高天线的低仰角增益，展宽波束宽度(轴比波束宽度、半功率波束宽度)；由仿真结果可知，天线的轴比波束宽度(AR<3dB)达到230°，半功率波束宽度达到150°，实测得Theta＝85°时的增益为0.11dBic；但该天线的剖面较高，安装比较复杂。
基于此，一种用于卫星通信的圆极化偶极子天线，同时具有宽带、宽波束、低仰角圆极化性能好的特性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有卫星通信天线的缺陷，提供一种用于卫星通信的圆极化偶极子天线，同时具有宽带、宽波束、低仰角圆极化性能好的优点，且结构简单、易于安装，能够应用于卫星通信中。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于卫星通信的圆极化偶极子天线，包括：介质基板3、金属反射板5、四个电偶极子天线辐射臂1、四个寄生贴片2、四个金属导电墙4、以及同轴馈电线7；其特征在于，所述四个电偶极子天线辐射臂呈“十”字型排列，其中，任意两个相邻电偶极子天线辐射臂设置于介质基板的上表面，另外两个相邻电偶极子天线辐射臂设置于介质基板的下表面，且位于同层的两个相邻电偶极子天线辐射臂之间通过四分之一波长移相线8(工作频带所对应的中心频率的波长)连接；所述四个寄生贴片设置于介质基板的下表面，分别交叉放置于四个电偶极子天线辐射臂之间、且位于中线上；所述四个金属导电墙加载于金属反射板上表面，且与四个寄生贴片一一对应固定连接；所述同轴馈电线位于天线中心，其内导体与位于介质基板上表面的两个相邻电偶极子天线辐射臂相连，其外导体与位于介质基板下表面的两个相邻电偶极子天线辐射臂相连，进行馈电。
从工作原理上讲：本发明是通过同轴电缆结合印刷微带细圆环给一对正交放置的印刷电偶极子天线等幅、反相馈电，两两对立的一对辐射臂构成一个电偶极子天线；两个相同的电偶极子天线正交放置，通过四分之一波长为微带细圆环产生90°的相位差，因此产生圆极化辐射；通过在介质基板下方四分之一波长距离处添加一金属反射板可以使天线实现单向圆极化辐射，同时可以提高天线的增益。通过增加寄生的一对垂直放置的磁偶极子天线来展宽其波瓣宽度，从而提高天线在低仰角处的增益；寄生在电偶极子之间的四个贴片(位于介质基板下表面)与位于介质基板下方的金属反射板加载的四个金属导电墙共同形成一对正交的磁偶极子天线；由于四个寄生贴片位于四个电偶极子辐射臂之间，因此四个寄生贴片之间相位也依次差90°，故相互对立的一对寄生贴片与相应的导电墙和金属反射板共同构成一个磁偶极子天线；两个相同的电偶极子天线正交放置，它们之间也产生90°的相位差，故一对正交的磁偶极子天线也产生圆极化辐射；由于磁偶极子天线的辐射机理与电偶极子天线的辐射机理一样，只是他们的E、H面方向图相反(电偶极子天线的E面方向图是磁偶极子天线的H面方向图)，因此它们的E面、H方向图在空间互补，从而可以提高天线的低仰角增益与不圆度。通过调节磁偶极子天线的位置(图9中d的大小)与面积，控制磁偶极子天线与电偶极子天线之间的耦合，得到需要的辐射方向图，从而展宽波瓣宽度(3dB轴比波瓣宽度、半功率波束宽度)；另外反射板与介质基板之间的空气层也使天线的带宽和增益有所增加。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种用于卫星通信的圆极化偶极子天线，将能够展宽波瓣的导电墙结合运用到了圆极化交叉电偶极子天线上，金属反射地板、导电墙与寄生贴片三者共同形成磁偶极子天线，通过磁偶极子与电偶极子方向图互补的方法来波瓣展宽，从而提高低仰角处的增益；进而本发明同时具有宽带、宽波束、低仰角圆极化性能好的优点，且结构简单、易于安装，更适用于卫星通信。
附图说明
图1为本发明天线结构示意图；
图2为本发明天线结构侧视图；
图3为本发明天线结构俯视图；
其中，1：电偶极子天线辐射臂，2：寄生贴片，3：介质基板，4：金属导电墙，5：金属反射板，6：介质螺钉，7：SMA接头+同轴电缆，8：四分之一波长移相线(工作频带所对应的中心频率的波长)。
图4为本发明实施例中天线回波损耗仿真结果图。
图5为本发明实施例中天线中心频点处归一化增益方向图。
图6为本发明实施例中天线中心频点处轴比图。
图7为本发明实施例中天线中心频点处仰角增益图。
图8为本发明实施例中加载寄生磁偶极子前后天线增益对比图。
图9为本发明实施例中天线尺寸标注图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种用于卫星通信的圆极化偶极子天线，其结构示意图如图1所示，其侧视图如图2所示，其俯视图如图3所示；具体包括：介质基板3、金属反射板5、四个电偶极子天线辐射臂1、四个寄生贴片2、四个金属导电墙4、以及同轴馈电线7；其中：
所述四个电偶极子天线辐射臂呈“十”字型排列，任意两个相邻电偶极子天线辐射臂设置于介质基板的上表面，另外两个相邻电偶极子天线辐射臂设置于介质基板的下表面，且位于同层的两个相邻电偶极子天线辐射臂之间通过呈圆环状的四分之一波长移相线(工作频带所对应的中心频率的波长)8连接，以产生90°的相移；进而使得四个电偶极子天线辐射臂沿顺时针方向相位依次相差90°；
所述四个寄生贴片设置于介质基板的下表面，分别交叉放置于四个电偶极子天线辐射臂之间、且位于中线上；由于相邻两电偶极子天线辐射臂之间相位差是90°，因此四个寄生贴片之间相位也依次差90°，故两对正交的磁偶极子天线(寄生贴片)也产生圆极化辐射；所述四个金属导电墙加载于金属反射板上表面，且与四个寄生贴片一一对应，均采用介质螺钉6固定连接；所述金属反射板与介质基板之间即为空气层，金属反射板、金属导电墙、寄生贴片共同形成磁偶极子天线；
所述同轴馈电线位于天线中心，其内导体与位于介质基板上表面的两个相邻电偶极子天线辐射臂相连，其外导体与位于介质基板下表面的两个相邻电偶极子天线辐射臂相连，进行馈电。
本实施例中，所述用于卫星通信的圆极化偶极子天线中，所述天线呈圆形，所述寄生贴片采用梯形贴片、贴片的上边指向圆心；介质基板3的厚度h1＝0.8mm，可选介电常数为4.6的FR4，天线整体高度为20mm，电偶极子天线的单个辐射臂尺寸为w0＝8mm，L0＝20mm，磁偶极子天线的单个辐射臂尺寸为w1＝13mm，w2＝25mm，L1＝12mm,磁偶极子天线的辐射臂上边距离圆心d＝21mm，四分之一波长相移线8的宽度为0.3mm(如图9所示)。对其进行仿真测试，结果表明：本发明天线回波损耗小于-10dB的阻抗带宽达到58％(如图4所示)；在中心频点f0＝2.1GHz处，当phi＝0°时，3dB_ARBW＝212°，HPBW＝123°，当phi＝90°时，3dB_ARBW＝218°，HPBW＝120°(如图6、图7所示)；在中心频点f0＝2.1GHz处，当The ta＝0°时，轴比为0.29dB(如图6所示)；由天线的仰角增益图可知，在中心频点处，仰角大于10°时的增益均大于0dBi，尤其20°仰角时的增益可达1.2dBi(如图7所示)；天线的后向辐射很小，前后比可达-43dB(如图5所示)。将本发明的天线与未加载寄生磁偶极子天线时进行对比可以发现，本发明在20°仰角时的增益比未加载寄生磁偶极子时的天线增益提高了4dBi(如图8所示)。由此可见，天线实现了宽带、宽波束低仰角高增益的功能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，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；所公开的所有特征、或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，均可以任何方式组合。

Claims (1)

1.一种用于卫星通信的圆极化偶极子天线，包括：介质基板(3)、金属反射板(5)、四个电偶极子天线辐射臂(1)、四个寄生贴片(2)、四个金属导电墙(4)、以及同轴馈电线(7)；其特征在于，所述四个电偶极子天线辐射臂呈“十”字型排列，其中，任意两个相邻电偶极子天线辐射臂设置于介质基板的上表面，另外两个相邻电偶极子天线辐射臂设置于介质基板的下表面，且位于同层的两个相邻电偶极子天线辐射臂之间通过四分之一波长移相线(8)连接；所述四个寄生贴片设置于介质基板的下表面，分别交叉放置于四个电偶极子天线辐射臂之间、且位于中线上；所述四个金属导电墙加载于金属反射板上表面，且与四个寄生贴片一一对应固定连接；所述同轴馈电线位于天线中心，其内导体与位于介质基板上表面的两个相邻电偶极子天线辐射臂相连，其外导体与位于介质基板下表面的两个相邻电偶极子天线辐射臂相连，进行馈电。
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