CN113013599B - 一种用于星载海洋盐度探测的双极化空气腔体微带天线 - Google Patents

一种用于星载海洋盐度探测的双极化空气腔体微带天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种用于星载海洋盐度探测的双极化空气腔体微带天线，该天线由上至下依次顺序包括阵列馈源、馈电功分网络层和天线背板；所述阵列馈源包括：第一金属槽(1)、第一矩形辐射贴片(3)、第一馈电探针(12)、第二馈电探针(13)、第一隔板(5)、第二隔板(6)、第二金属槽(2)、第二矩形辐射贴片(4)、第三馈电探针(14)、第四馈电探针(15)、第五馈电探针(30)、第六馈电探针(31)、第七馈电探针(32)和第八馈电探针(33)；第一矩形辐射贴片(3)安装在第一金属槽(1)内部，第二矩形辐射贴片(4)安装在第二金属槽(2)内部，第一金属槽(1)和第二金属槽(2)相对放置。

Description

一种用于星载海洋盐度探测的双极化空气腔体微带天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种用于星载海洋盐度探测的双极化空气腔体微带天线。
背景技术
星载海洋盐度探测载荷(简称盐度计)工作于L波段，因此，现有的盐度计天线的结构尺寸都比较大。包含盐度计载荷的已发射卫星共三个：
1.土壤湿度和海水盐度对地观测卫星(SMOS)，应用于盐度计的天线是一个69 单元双极化天线阵列，阵列间距0.875个波长。
2.Aquarius/SAC-D卫星，应用于盐度计的天线是一个2.5米的反射面天线，馈源是三个喇叭天线，馈源尺寸大于1个波长。
3.土壤湿度主被动观测卫星(SMAP)，应用于盐度计的天线是6米的抛物面天线，馈源是一个喇叭天线，馈源尺寸大于1个波长。
目前，中科院提出了星载盐度探测载荷方案，应用于盐度计的天线是3米*5.5米的柱面抛物面天线。
如图1所示，现有的微带天线包括：辐射贴片27、介质层28、底板29；介质层 28位于辐射贴片27和底板29之间。
对于中科院提出的星载盐度探测载荷方案，此载荷应用柱面抛物面天线，需要将30多个馈源排在抛物面的焦线上。因而要求馈源在沿焦线方向长度小于0.65个波长。但是，当天线馈源近距离(小于0.65个波长)排列在焦线上时，天线间的互耦很严重，会影响多个馈源方向图的一致性。另外，现有的盐度计载荷上的天线长度均大于 0.65个波长，不能应用于新提出的星载海洋盐度探测载荷。
发明内容
本发明的目的在于，为解决现有的天线存在上述缺陷，本发明提出了一种用于星载海洋盐度探测的双极化空气腔体微带天线，具体涉及一种空气微带天线结构，并将其作为馈源，在保证馈源天线性能的前提下，使馈源尺寸沿焦线方向小于0.57个波长，这样就保证了馈源间隔可以小于0.65个波长。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于星载海洋盐度探测的双极化空气腔体微带天线，该天线由上至下依次顺序包括阵列馈源、馈电功分网络层和天线背板；
所述阵列馈源包括：第一金属槽、第一矩形辐射贴片、第一支馈电探针、第二馈电探针、第一隔板、第二隔板、第二金属槽、第二矩形辐射贴片、第三馈电探针、第四馈电探针、第五馈电探针、第六馈电探针、第七馈电探针和第八馈电探针；
第一矩形辐射贴片通过第一馈电探针、第二馈电探针、第三馈电探针、第四馈电探针安装在第一金属槽内部，第一馈电探针与第二馈电探针相对设置，第三馈电探针与第四馈电探针相对设置；
第二矩形辐射贴片通过第五馈电探针、第六馈电探针、第七馈电探针和第八馈电探针安装在第二金属槽内部，第五馈电探针与第六馈电探针相对设置，第七馈电探针与第八馈电探针相对设置；
第一金属槽和第二金属槽相对放置，且二者通过第一隔板和第二隔板隔成多个减重槽，用于存放空气。
所述馈电功分网络层，用于将每个端口提供的馈电等分为两个分馈电，并分别传输至第一矩形辐射贴片和第二矩形辐射贴片中；
所述天线背板的底部外表面上设有第一馈电端口和第二馈电端口，用于提供为第一馈电端口和第二馈电端口馈电。
作为上述技术方案的改进之一，所述第一金属槽和第二金属槽均采用金属材料制成；所述第一金属槽和第二金属槽均为方形结构微带天线的腔体；第一金属槽的槽深为10-30mm，第一金属槽的槽宽为90-110mm；第二金属槽的槽深为10-30mm，第二金属槽的槽宽为90-110mm。
作为上述技术方案的改进之一，所述第一矩形辐射贴片(3)和第二矩形辐射贴片(4)均为方形辐射贴片，其谐振模式均为TM01模式；
根据公式(1)，获得等效辐射边长即方形金属槽的边长L；
Figure BDA0002324092700000021
其中，L为等效辐射边长；c光速；εe为相对介电常数；f0为双极化空气腔体微带天线的中心频率；
辐射贴片的边长：L′＝L-2h
其中，L′为辐射贴片的边长，h为辐射贴片到第一金属槽的底部或第二金属槽的底部的距离。
作为上述技术方案的改进之一，第一矩形辐射贴片与第二矩形辐射贴片之间的距离为120-140mm
作为上述技术方案的改进之一，第一矩形辐射贴片的外表面的中部对称分布四个馈电点，所述四个馈电点呈菱形分布。
作为上述技术方案的改进之一，所述四个馈电点采用等辐差模馈电形式，所述四个馈电点包括两对对称的馈电点；其中，每对对称的两个馈电点幅度相等，其相位差为180度。
作为上述技术方案的改进之一，第二矩形辐射贴片的外表面的中部对称分布四个馈电点，所述四个馈电点呈菱形分布。
作为上述技术方案的改进之一，所述四个馈电点采用等辐差模馈电形式，所述四个馈电点包括两对对称的馈电点；其中，每对对称的两个馈电点幅度相等，其相位差为180度。
本发明还提供了一种天线阵列该天线阵列是由基于上述双极化空气腔体微带天线组成的N*M的天线阵列，该天线阵列为抛物面天线的馈源。
本发明还提供了一种抛物面天线，该抛物面天线包括抛物面和上述双极化空气腔体微带天线。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明的空气腔体微带天线是微型双极化天线，其结构简单、紧凑，使馈源尺寸沿焦线方向小于0.57个波长，在有效的尺寸内实现了很好的天线性能；本发明的天线在30MHz带宽范围内驻波小于1.3，交叉极化电平小于-30dB。
附图说明
图1是现有的一种微带天线的结构示意图；
图2是本发明的一种用于星载海洋盐度探测的双极化空气腔体微带天线的结构示意图；
图3是本发明的一种用于星载海洋盐度探测的双极化空气腔体微带天线的俯视图；
图4是本发明的一种用于星载海洋盐度探测的双极化空气腔体微带天线的背面结构示意图；
图5是本发明的一种用于星载海洋盐度探测的双极化空气腔体微带天线的馈电功分网络层结构示意图；
图6是本发明的一种用于星载海洋盐度探测的双极化空气腔体微带天线的第一辐射贴片的结构示意图；
图7是图6的本发明的一种用于星载海洋盐度探测的双极化空气腔体微带天线的第一辐射贴片沿A-A方向的侧视图；
图8是图6的本发明的一种用于星载海洋盐度探测的双极化空气腔体微带天线的第一辐射贴片沿B-B方向的侧视图；
图9是本发明的一种用于星载海洋盐度探测的双极化空气腔体微带天线的第二辐射贴片的结构示意图；
图10是图9的本发明的一种用于星载海洋盐度探测的双极化空气腔体微带天线的第二辐射贴片沿C-C方向的侧视图；
图11是图9的本发明的一种用于星载海洋盐度探测的双极化空气腔体微带天线的第二辐射贴片沿D-D方向的侧视图；
图12是本发明的一种用于星载海洋盐度探测的双极化空气腔体微带天线的测试驻波结果图；
图13是图12的本发明的一种用于星载海洋盐度探测的双极化空气腔体微带天线的测试端口1的方向图
图14是图12的本发明的一种用于星载海洋盐度探测的双极化空气腔体微带天线的测试端口2的方向图。
附图标记说明
1、第一金属槽 2、第二金属槽
3、第一矩形辐射贴片 4、第二矩形辐射贴片
5、第一隔板 6、第二隔板
7、减重槽 8、天线背板
9、第一馈电端口 10、第二馈电端口
11、馈电点 12、第一馈电探针
13、第二馈电探针 14、第三馈电探针
15、第四馈电探针 16、凹槽
17、圆孔 18、馈电功分网络层
19、第一分馈电点 20、第二分馈电点
21、第三分馈电点 22、第四分馈电点
23、第五分馈电点 24、第六分馈电点
25、第七分馈电点 26、第八分馈电点
27、辐射贴片 28、介质层
29、底板 30、第五馈电探针
31、第六馈电探针 32、第七馈电探针
33、第八馈电探针
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
为了满足柱面抛物面的设计要求，选择二个矩形辐射贴片组成空气腔体微带天线，作为馈源，并将其放置在抛物面的焦线上，来满足3dB波束宽度要求。但是本发明主要针对的是矩形辐射贴片单元，多个贴片单元可以组成任意大小天线阵列，且并列排布在抛物面的焦线上，本发明的实例就是已加工的2个空气腔体微带天线单元组成天线阵列，作为馈源。
本发明提供了一种用于星载海洋盐度探测的双极化空气腔体微带天线，该天线采用3米*5.5米柱面抛物面天线，多个(多于30个)空气腔体微带天线，即馈源，其共用柱面抛物面天线，为了实现最优天线性能，要求多个馈源并列排布在焦线上，这样对馈源的尺寸要求很严格，需要沿焦线方向馈源间隔小于0.65个波长。本实施例中，所述抛物面为柱面抛物面。
本发明提出的双极化天线为空气腔体微带天线，有效减少了天线的长度，从而可以作为新体制盐度计方案的馈源。如图2、3、4和5所示，该天线由上至下依次顺序包括阵列馈源、馈电功分网络层18和天线背板8；
所述阵列馈源，用于向抛物面辐射球面波并被抛物面往一个方向(天线轴向)反射并聚焦，形成尖锐波束；所述阵列馈源包括：第一金属槽1、第一矩形辐射贴片3、第一支馈电探针12、第二馈电探针13、第一隔板5、第二隔板6、第二金属槽2、第二矩形辐射贴片4、第三馈电探针14、第四馈电探针15、第五馈电探针30、第六馈电探针31、第七馈电探针32和第八馈电探针33；
如图6、7、8所示，第一矩形辐射贴片3通过第一馈电探针12、第二馈电探针 13、第三馈电探针14、第四馈电探针15安装在第一金属槽1内部，第一馈电探针12 与第二馈电探针13相对设置，第三馈电探针14与第四馈电探针15相对设置，四个探针的位置与馈电功分网络层上的对应位置处的四个馈电点相对，且四个探针穿过馈电功分网络层上的对应位置处的四个馈电点；
如图9、10、11所示，第二矩形辐射贴片4通过第五馈电探针30、第六馈电探针31、第七馈电探针32和第八馈电探针33安装在第二金属槽2内部，第五馈电探针30与第六馈电探针31相对设置，第七馈电探针32与第八馈电探针33相对设置，四个探针的位置与馈电功分网络层上的对应位置处的四个馈电点相对，且四个探针穿过馈电功分网络层上的对应位置处的四个馈电点；
第一金属槽1和第二金属槽2相对放置，且二者通过第一隔板5和第二隔板隔 6成多个减重槽7，用于存放空气。
所述第一金属槽1的外壁上开设多个侧立的凹槽16，在每个凹槽16的底部开有多个圆孔17，该圆孔17与馈电功分网络层18四周布设的圆孔、天线背板的四周布设的圆孔对应，用于通过固定装置依次穿过上述圆孔，将阵列馈源、馈电功分网络层和天线背板固定在一起。
所述第二金属槽2的外壁上开设多个侧立的凹槽16，在每个凹槽16的底部开有多个圆孔17，该圆孔17与馈电功分网络层18四周布设的圆孔、天线背板的四周布设的圆孔对应，用于通过固定装置依次穿过上述圆孔，将阵列馈源、馈电功分网络层 18和天线背板8固定在一起。
所述馈电功分网络层18，用于将每个端口提供的馈电等分为两个分馈电，并分别传输至第一矩形辐射贴片3和第二矩形辐射贴片4中；
其中，馈电功分网络层的外表面的中部对称分布四个馈电点11，所述四个馈电点11呈菱形分布。所述四个馈电点采用等辐差模馈电形式，所述四个馈电点包括两对对称的馈电点；其中，每对对称的两个馈电点幅度相等，其相位差为180度。
如图5所示，所述馈电功分网络层18包括四个等分的第一等分电路、第二等分电路、第三等分电路、第四等分电路，第一等分电路为依次顺序连接的第四分馈电点 22和第一分馈电点19；第二等分电路为依次顺序连接的第三分馈电点21和第二分馈电点20；第三等分电路为依次顺序连接的第七分馈电点25和第五分馈电点23；第四等分电路为依次顺序连接的第八分馈电点26和第六分馈电点；
第一等分电路和第三等分电路分别与第一端口9连接，第一端口9通过接口接入电信号，提供馈电，经过馈电功分网络层18后，等分为两路分馈电，分别进入第一等分电路和第三等分电路，再通过对应的第一矩形辐射贴片和第二辐射贴片向外辐射球面波；第二等分电路和第四等分电路分别与第二端口10连接，第二端口10通过接口接入电信号，提供馈电，经过馈电功分网络层18后，等分为两路分馈电，分别进入第二等分电路和第四等分电路，再通过对应的第一矩形辐射贴片和第二辐射贴片向外辐射球面波。
所述天线背板8的底部外表面上设有第一馈电端口9和第二馈电端口10，用于提供为第一馈电端口9和第二馈电端口10馈电。
在本实施例中，第一支馈电探针12、第二馈电探针13、第三馈电探针14和第四馈电探针15中，各自的直径均为1mm。
所述第一金属槽1和第二金属槽2均为方形结构微带天线的腔体，且其中方形贴片尺寸均为：110mm*110mm；如图6和7所示，第一金属槽的槽深为30mm，第一金属槽的槽宽为110mm，第一金属槽底部开有的两个孔的直径为5.3mm；如图8 和9所示，第二金属槽的槽深为30mm，第二金属槽的槽宽为110mm，第二金属槽底部开有的两个孔的直径为5.3mm。
所述第一金属槽1和第二金属槽2均采用金属材料制成，优选铝合金为；第一金属槽1和第二金属槽2的各自的金属壁会减弱相邻天线间的耦合，保证多个馈源的方向图一致。
所述第一矩形辐射贴片3和第二矩形辐射贴片4均为方形辐射贴片，其谐振模式均为TM01模式。
所述第一矩形辐射贴片3和第二矩形辐射贴片4均为方形辐射贴片，其谐振模式均为TM01模式；
根据公式(1)，获得等效辐射边长即方形金属槽的边长L；
Figure BDA0002324092700000071
其中，L为等效辐射边长；c光速；εe为相对介电常数；f0为双极化空气腔体微带天线的中心频率。
辐射贴片的边长：L′＝L-2h
其中，L′为辐射贴片的边长，h为辐射贴片到第一金属槽的底部或第二金属槽的底部的距离。
第一矩形辐射贴片3与第二矩形辐射贴片4之间的距离为126mm。
在本实施例中，如图6、7、8所示，所述第一矩形辐射贴片的边长为80.8mm，第一矩形辐射贴片的厚度为1mm，第一矩形辐射贴片到第一金属槽底部的距离为 14.9mm；如图9、10、11所示，所述第二矩形辐射贴片的边长为80.8mm，第二矩形辐射贴片的厚度为1mm，第二矩形辐射贴片到第二金属槽底部的距离为14.9mm；
第一矩形辐射贴片的外表面的中部对称分布四个馈电点11，所述四个馈电点11呈菱形分布；其中，每个馈电点11到第一矩形辐射贴片3的外表面的中部之间的距离为24.2mm。
所述四个馈电点采用等辐差模馈电形式，所述四个馈电点包括两对对称的馈电点；其中，每对对称的两个馈电点幅度相等，其相位差为180度，使天线结构具有对称性，优化交叉极化。
第二矩形辐射贴片的外表面的中部对称分布四个馈电点，所述四个馈电点呈菱形分布；其中，每个馈电点到第二矩形辐射贴片的外表面的中部之间的距离为 24.2mm。
所述四个馈电点采用等辐差模馈电形式，所述四个馈电点包括两对对称的馈电点；其中，每对对称的两个馈电点幅度相等，其相位差为180度，使天线结构具有对称性，优化交叉极化。
所述第一矩形辐射贴片的中心，其对称的两侧电场的垂直分量幅度相等，方向相反，因而在该第一矩形辐射贴片中心的对称位置对第一矩形辐射贴片进行等辐差模馈电，可以激励微带天线辐射。
如图11所示，发明天线的实例，盐度计馈源的实测驻波曲线，在1.4GHz到 1.43GHz频段范围内驻波小于1.3
如图2、3、4和5所示，所述空气腔体微带天线为双极化天线，第一馈电端口9 对应一个极化方向，即图11中的端口1对应1个极化方向，第二馈电端口10对应另一个极化方向，即图11中的端口2对应另一个极化方向。也就是说，当端口1馈电时，天线的主极化方向与端口2馈电时的主极化方向不同。图4中的天线背板的底部的外表面上设有第一馈电端口9和第二馈电端口10；图11中标记了两条曲线，分别对应端口1的驻波和端口2的驻波；
如图12所示，发明天线的实例，盐度计馈源的实测方向图。(图4中的端口1馈电情况下)此归一化方向图记录了从-90度到90度范围内，天线辐射场强幅度随角度的变化。E面主极化方向图和H面主极化方向图在0度方向的辐射场强度最大。从 E面主极化方向与E面交叉极化方向图中，可读出E面交叉极化值。从H面主极化方向与H面交叉极化方向图中，可读出H面交叉极化值，交叉极化小于-30dB。
如图13所示，发明天线的实例，盐度计馈源的实测方向图。(图4中的端口2 馈电情况下)此归一化方向图记录了从-90度到90度范围内，天线辐射场强幅度随角度的变化。E面主极化方向图和H面主极化方向图在0度方向的辐射场强度最大。从E面主极化方向与E面交叉极化方向图中，可读出E面交叉极化值。从H面主极化方向与H面交叉极化方向图中，可读出H面交叉极化值，交叉极化小于-30dB。
本发明还提供了一种天线阵列，该天线阵列是由基于上述双极化空气腔体微带天线组成的N*M的天线阵列，该天线阵列为抛物面天线的馈源。其中，N为大于或等于1的正整数；M为大于或等于2的正整数。
本发明还提供了一种抛物面天线，该抛物面天线包括反射面和上述双极化空气腔体微带天线。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种用于星载海洋盐度探测的双极化空气腔体微带天线，其特征在于，该天线由上至下依次顺序包括阵列馈源、馈电功分网络层（18）和天线背板（8）；
所述阵列馈源包括：第一金属槽（1）、第一矩形辐射贴片（3）、第一馈电探针（12）、第二馈电探针（13）、第一隔板（5）、第二隔板（6）、第二金属槽（2）、第二矩形辐射贴片（4）、第三馈电探针（14）、第四馈电探针（15）、第五馈电探针（30）、第六馈电探针（31）、第七馈电探针（32）和第八馈电探针（33）；
第一矩形辐射贴片（3）通过第一馈电探针（12）、第二馈电探针（13）、第三馈电探针（14）、第四馈电探针（15）安装在第一金属槽（1）内部，第一馈电探针（12）与第二馈电探针（13）相对设置，第三馈电探针（14）与第四馈电探针（15）相对设置；四个馈电探针呈菱形分布；
第二矩形辐射贴片（4）通过第五馈电探针（30）、第六馈电探针（31）、第七馈电探针（32）和第八馈电探针（33）安装在第二金属槽（2）内部，第五馈电探针（30）与第六馈电探针（31）相对设置，第七馈电探针（32）与第八馈电探针（33）相对设置；四个馈电探针呈菱形分布；
第一金属槽（1）和第二金属槽（2）相对放置，且二者通过第一隔板（5）和第二隔板（6）隔成多个减重槽（7），所述减重槽（7）用于存放空气；
所述馈电功分网络层（18），用于将每个端口提供的馈电等分为两个分馈电，并分别传输至第一矩形辐射贴片（3）和第二矩形辐射贴片（4）中；
所述天线背板（8）的底部外表面上设有第一馈电端口（9）和第二馈电端口（10）；
所述第一金属槽（1）和第二金属槽（2）均为方形结构的腔体；
根据公式（1），获得等效辐射边长即方形金属槽的边长L；
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中，L为等效辐射边长；c光速；εe为相对介电常数；f0 为双极化空气腔体微带天线的中心频率；
辐射贴片的边长：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，L ′ 为辐射贴片的边长，h为辐射贴片到第一金属槽的底部或第二金属槽的底部的距离。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一金属槽（1）和第二金属槽（2）均采用金属材料制成；第一金属槽的槽深为10-30mm，第一金属槽的槽宽为90-110mm；第二金属槽的槽深为10-30mm，第二金属槽的槽宽为90-110mm。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一矩形辐射贴片（3）和第二矩形辐射贴片（4）均为方形辐射贴片，其谐振模式均为TM01模式。
4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，第一矩形辐射贴片（3）与第二矩形辐射贴片（4）之间的距离为120-140mm。
5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，第一矩形辐射贴片（3）的外表面的中部对称分布四个馈电点（11），所述四个馈电点（11）呈菱形分布。
6.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，所述四个馈电点（11）采用等辐差模馈电形式，所述四个馈电点（11）包括两对对称的馈电点；其中，每对对称的两个馈电点幅度相等，其相位差为180度。
7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，第二矩形辐射贴片（4）的外表面的中部对称分布四个馈电点（11），所述四个馈电点（11）呈菱形分布。
8.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，所述四个馈电点（11）采用等辐差模馈电形式，所述四个馈电点（11）包括两对对称的馈电点；其中，每对对称的两个馈电点幅度相等，其相位差为180度。
9.一种天线阵列，其特征在于，该天线阵列是由基于上述权利要求1-8中任一所述的双极化空气腔体微带天线组成的N*M的天线阵列，该天线阵列为抛物面天线的馈源。
10.一种抛物面天线，其特征在于，该抛物面天线包括反射面和上述权利要求1-8中任一所述的双极化空气腔体微带天线。
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