CN112909580B - 一种低剖面圆极化等通量的天线模块 - Google Patents

一种低剖面圆极化等通量的天线模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低剖面圆极化等通量的天线模块，涉及微电子天线领域，针对现有技术中体积和增益矛盾的问题提出本方案。包括依次层叠设置的天线阵列、基板、连接板和馈电板；所述馈电板上的馈电网络通过探针穿过连接板和基板后与所述天线阵列电性连接；所述的天线阵列包括两圈以上同心分布的天线阵元，每一天线阵元通过馈电控制形成互相独立的同心的圆极化口径。优点在于，实现了良好的圆极化等通量辐射性能。结构组装简单且更易于加工，质量轻，体积小，剖面低。尤其当仅设置两圈天线阵元时，特别适合集成在立方星表面。

Description

一种低剖面圆极化等通量的天线模块
技术领域
本发明涉及微电子天线领域，尤其涉及一种低剖面圆极化等通量的天线模块。
背景技术
相较于昂贵的大卫星而言，小卫星具有制造成本低、开发周期短等优点，发射一颗大卫星的投入可以用来发射多颗小卫星，因此小卫星近年来在各个领域都受到了很多关注。其中，立方星更是以其质量轻、易集成、模块化的优点在低轨卫星领域得到了很多应用。立方星的一个单元具有10厘米×10厘米×10厘米的正方体体积，被称为1U，多个单元可以组合成nU的卫星，至多可以组合24个单元，结构灵活方便。然而，由于尺寸受限，如何在立方星表面有限的表面上集成符合性能要求的射频器件是个值得研究的重要课题。
天线作为射频系统的重要前端部件，在不用的领域中必须具备不同的特性。其中，圆极化由于其可以抑制多径效应和极化失配的特点而受到广大研究者的青睐。另外，由于地球为圆形，如果要求卫星信号可以覆盖地球表面的一个特定区域，则会希望卫星采用的天线可以产生等通量方向图，从而使覆盖区域内可以获得相同强度的电场分布，即大致相同的信号强度。另外，对于天线结构而言，因为是集成在体积较小的立方星上，因此还希望天线可以尽量质量轻、剖面低、同时具有一定的结构强度。
目前已有方案中，J. Fouany et al., "New concept of telemetry X-bandcircularly polarized antenna payload for CubeSat," IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters, vol. 16, pp. 2987-2991, 2017.提出了一种应用于立方星的圆极化贴片天线，可以获得±30°的角度覆盖范围，边际增益6 dBic，轴向增益3.5 dBi，覆盖范围内轴比小于3dBic。该方案中天线虽然增益高，但体积大，质量大，剖面高，导致较难应用到立方星上
X. Ren, S. Liao, and Q. Xue, "A Circularly Polarized SpaceborneAntenna with Shaped Beam for Earth Coverage Applications," IEEE Transactionson Antennas and Propagation, vol. 67, no. 4, pp. 2235-2242, 2019.还提出一种介质加载的贴片天线，介质透镜起到波束赋形的作用，从而得到一个等通量的方向图，实现了±50°的角度覆盖范围，边际增益3.45 dBic，大于-5dBic的轴向增益，覆盖范围内轴比小于3dB。该方案中天线虽然覆盖角度大，但加载的介质块体积大，质量大，剖面高，导致仍然很难应用到立方星上。
发明内容
本发明目的在于提供一种低剖面圆极化等通量的天线模块，以解决上述现有技术存在的问题。
本发明所述低剖面圆极化等通量的天线模块，包括依次层叠设置的天线阵列、基板、连接板和馈电板；所述馈电板上的馈电网络通过探针穿过连接板和基板后与所述天线阵列电性连接；所述的天线阵列包括两圈以上同心分布的天线阵元，每一天线阵元通过馈电控制形成互相独立的同心的圆极化口径。
最内圈的天线阵元是圆形贴片天线，阵元中心点设有短路柱连接至连接板，围绕所述短路柱等弧度设置若干馈电点连接馈电网络。最内圈的天线阵元还可以是环形贴片天线或螺旋贴片天线。
最内圈以外的天线阵元是环形贴片天线或螺旋贴片天线或若干绕阵元中心点旋转且等弧度分布的天线。
所述若干绕阵元中心点旋转且等弧度分布的天线是平面倒F天线。
所述平面倒F天线的馈电点在该平面倒F天线的几何中心。
所述平面倒F天线绕自身馈电点旋转以调整所在天线阵元的圆极化口径。
所述天线阵列包括两圈天线阵元，内圈天线阵元的圆极化口径位于所在天线阵元的边缘上，外圈天线阵元的圆极化口径位于所在天线阵元各馈电点的环形连线上。
本发明所述低剖面圆极化等通量的天线模块，其优点在于，实现了良好的圆极化等通量辐射性能。结构组装简单且更易于加工，质量轻，体积小，剖面低。尤其当仅设置两圈天线阵元时，特别适合集成在立方星表面。
附图说明
图1是本发明所述天线模块的结构示意图。
图2是本发明所述天线模块圆极化口径的结构示意图。
图3是本发明所述天线模块应用在立方星上一种具体的天线阵列分布示意图。
图4是图3所示天线阵列对应的圆极化口径结构示意图。
图5是图3所示天线阵列对应的馈电网络结构示意图。
图6是图3所示天线阵列对应的S11仿真和测试数据曲线。
图7是图3所示天线阵列对应的左旋圆极化增益仿真和测试数据曲线。
图8是图3所示天线阵列对应的右旋圆极化增益仿真和测试数据曲线。
图9是图3所示天线阵列对应的轴比仿真和测试数据曲线。
附图标记：10-天线阵列、1a-第一圆极化口径、1b-第二圆极化口径、1n-第n圆极化口径、11-圆形贴片天线、12-平面倒F天线；20-基板；30-连接板；40-馈电板。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述低剖面圆极化等通量的天线模块包括依次层叠设置的天线阵列10、基板20、连接板30和馈电板40；所述馈电板40上的馈电网络通过探针穿过连接板30和基板20后与所述天线阵列10电性连接。如图2所示，所述的天线阵列10包括两圈以上同心分布的天线阵元，每一天线阵元通过馈电控制形成互相独立的同心的圆极化口径。实现了良好的圆极化等通量辐射性能。结构组装简单且更易于加工，质量轻，体积小，剖面低等优点。所述的连接板30可以是铝板，用于加固天线以及安装连通上下各层的探针。
为了更加适合应用在立方星上，本实施例以两圈天线阵元的设计为例进行说明，并对其进行了仿真和实物测试。
如图3-5所示，内圈的天线阵元是圆形贴片天线11或环形贴片天线或螺旋贴片天线。本实施例以圆形贴片天线11为例进行技术方案说明，阵元中心点设有短路柱连接至连接板30，围绕所述短路柱等弧度设置若干馈电点连接馈电网络，例如设置4个馈电点。
外圈的天线阵元是环形贴片天线或螺旋贴片天线或若干绕阵元中心点旋转且等弧度分布的天线。本实施例以若干绕阵元中心点旋转且等弧度分布的天线为例进行说明，且天线类型以平面倒F天线12为例，即PIFA。所述平面倒F天线12的馈电点在该平面倒F天线12的几何中心。
各圈的天线阵元，只要是能产生环形辐射口径的各种现有天线结构均可适用。
所述平面倒F天线12绕自身馈电点旋转以调整所在天线阵元的圆极化口径。如图3中在位置A与位置B之间进行合理旋转，选择适合的角度θ r 后再进行固定。
通过馈电板40内的馈电网络进行馈电调整，使得内圈天线阵元的圆极化口径位于所在天线阵元的边缘上，外圈天线阵元的圆极化口径位于所在天线阵元各馈电点的环形连线上。
传统天线阵列采用相同阵元，按照一维、二维或者三维空间排布形成阵列，利用方向图乘积原理计算阵列总方向图。而本发明所提出的天线阵列则是由不同类型的、但都具有环形辐射口径的阵元组成阵列。由于旋转对称的结构，天然可以获得空间上旋转对称的方向图，如图2所示。由于是基于不同形式阵元，故应采用更为普适的方向图叠加原理来计算阵列总方向图，即总方向图由各个阵元单独激励时产生的单元方向图进行叠加得到。对于这种通用圆极化口径阵列来说，可以优化的变量包括结构参数，如每个圆极化口径阵元的口径大小、相对位置等；以及激励参数，如每个圆极化口径阵元的激励幅度、相位等。
为了保证良好的圆极化性能，天线阵列采用序列馈电的方式进行馈电。内圈圆形贴片天线利用四个馈电点进行馈电，每个馈电点相位相差90°来满足圆极化条件。而外圈阵元则是由八个PIFA旋转排列并分别馈电，每个馈电点相位相差45°来满足圆极化条件。首先将1路信号利用T型功分器分为两路信号，每路信号再利用威尔金森功分器的级联实现特定的激励幅度和相位，结构如图5所示。
内圈圆形贴片天线正中心接短路柱，同时调整短路柱和贴片天线的半径，则可以在不影响谐振频率的条件下改变贴片天线的口径场，即调整内圈阵元的口径场。外圈阵元则可以通过直接调整其距离正中心的位置来改变外圈阵元口径场。外圈的PIFA还可以沿着各自的馈电点进行旋转，从而调整其表面电流方向，实现外圈阵元极化的调整。此时，内圈阵元口径场、外圈阵元口径场及极化均已可调，再结合调整内外圈阵元的激励幅度和相位，就可以实现整个阵列的波束赋形。
为了整体结构的鲁棒性，在天线阵列与馈电网络中间搭载一块1mm厚的铝板。组合起来，得到所需的新型圆极化低剖面等通量方向图天线。
在本实施例中，天线阵列采用的基板为Rogers RT/duroid 5870，介电常数2.33，损耗角正切0.0012，厚度3.18mm。馈电网络设计在Rogers RO4350B基板上，介电常数3.66，损耗角正切0.004，厚度0.508mm。并进行实物和仿真数据测试，如图6-9所示，在工作频带内均有良好的匹配性能以及辐射性能。由图6可以看出，该天线阵列仿真-10dB阻抗带宽为4GHz到5.6GHz，测试所得-10dB阻抗带宽4.2GHz到5.9GHz，阻抗带宽的仿真测试结果具有良好一致性。图7中，天线阵列在5GHz频点处仿真所得边际增益为4.38dBic,测试所得边际增益为3.48dBic，轴向增益0.87dBic，增益下降不到1dB，下降主要是因为加工误差、介质损耗等，属于可接受范围。由图8、9可以看出，虽然覆盖范围内测试所得空间轴比相较于仿真结果有所改变，但是均仍然小于3dB，完全满足技术指标。仿真所得3dB空间轴比角度为-65°至80°，测试所得3dB空间轴比角度为-55°至55°，完全覆盖所需的±35°角度范围。另外，整个天线结构剖面为4.688mm，相当于0.078个自由空间波长，仅相当于现有技术天线的1/7，质量轻，极易集成在立方星上。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低剖面圆极化等通量的天线模块，包括依次层叠设置的天线阵列（10）、基板（20）、连接板（30）和馈电板（40）；所述馈电板（40）上的馈电网络通过探针穿过连接板（30）和基板（20）后与所述天线阵列（10）电性连接；其特征在于，所述的天线阵列（10）包括两圈以上同心分布的天线阵元，每一天线阵元通过馈电控制形成互相独立的同心的圆极化口径；
最内圈的天线阵元是圆形贴片天线（11），阵元中心点设有短路柱连接至连接板（30），围绕所述短路柱等弧度设置若干馈电点连接馈电网络。
2.根据权利要求1所述低剖面圆极化等通量的天线模块，其特征在于，最内圈以外的天线阵元是环形贴片天线或螺旋贴片天线或若干绕阵元中心点旋转且等弧度分布的天线。
3.根据权利要求2所述低剖面圆极化等通量的天线模块，其特征在于，所述若干绕阵元中心点旋转且等弧度分布的天线是平面倒F天线（12）。
4.根据权利要求3所述低剖面圆极化等通量的天线模块，其特征在于，所述平面倒F天线（12）的馈电点在该平面倒F天线（12）的几何中心。
5.根据权利要求4所述低剖面圆极化等通量的天线模块，其特征在于，所述平面倒F天线（12）绕自身馈电点旋转以调整所在天线阵元的圆极化口径。
6.根据权利要求5所述低剖面圆极化等通量的天线模块，其特征在于，所述天线阵列（10）包括两圈天线阵元，内圈天线阵元的圆极化口径位于所在天线阵元的边缘上，外圈天线阵元的圆极化口径位于所在天线阵元各馈电点的环形连线上。
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