CN113991320A - 一种三元序列馈电可重构天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种三元序列馈电可重构天线，包括天线主体和馈电网络，天线主体包括上层基板、中层基板、下层基板、三个平面天线单元和三个馈电探针，平面天线单元用于接收馈电网络输送的特高频信号，每个馈电探针分别用于给相应设置的平面天线单元输送特高频信号；馈电网络用于产生幅度相同、相位依次相差120°的三路序列馈电特高频信号并将特高频信号输送至三个平面天线单元，馈电网络包括输入端口、三个输出端口、一分三威尔金森功分器、四条螺旋传输线和两个双刀双掷开关，两个双刀双掷开关用于将传输线TL5用于改变圆极化信号的旋转方向。通过两个双刀双掷开关进行高低电平切换，复用部分馈电网络，实现相位方向可调，进而实现左右圆极化可调。

Description

一种三元序列馈电可重构天线

技术领域

本发明涉及电子通信技术的天线领域，尤其涉及一种地面接收卫星天线，特别涉及一种三元序列馈电可重构天线。

背景技术

卫星通信凭借其覆盖范围广、不受地理条件影响等优势，与地面通信系统形成互补，广泛应用于地面通信系统不易覆盖或建设成本过高的地区。天线是卫星通信系统中一个关键的部分。传统的特高频卫星通信天线（如，浅腔交叉槽天线、浅脊状腔交叉槽天线等）体积庞大，无法满足现代卫星通信对宽波束、小型化天线的需要。序列旋转阵列天线是一种应用广泛的圆极化天线，它能够在宽波束宽度和带宽范围内实现低轴向比，根据这一特性，序列旋转阵列天线在卫星通信中得到了广泛应用。S. Liao等在《Compact UHF Three-Element Sequential Rotation Array Antenna for Satcom Applications, IEEETransactions on Antennas and Propagation, vol. 65, no. 5, pp. 2328-2338, May2017.》提出了一种用于卫星通信的小型化超高频圆极化天线，该天线具有三个旋转辐射面，同时设计了一种螺旋形状威尔金森功率分配器的馈电网络，实现三路功率分束和120°相移。Y. Sun等在《UHF Compact Dual-Band Circularly Polarized Antenna Loadedwith Split-Ring Resonators for Satellite Communications, IEEE MTT-SInternational Wireless Symposium (IWS), Shanghai China, 20-23 Sept. 2020.》提出了一种双频的小型化特高频圆极化天线，采用了三个旋转辐射面和开口谐振环实现双频功能。以上两种设计方案中天线尺寸较大，且不能实现极化可重构。

综上，现有技术存在以下问题：1、传统特高频波段的天线无法满足现代卫星通信对宽波束、低剖面、小型化天线的需要；2、双元序列馈电天线无法实现对称辐射图，三元序列馈电天线无法实现极化可重构，四元序列馈电天线设计复杂、成本高、体积大。

发明内容

为了克服目前序列旋转阵列天线在技术上存在的不足，本发明提出了一种小型化的序列馈电可重构特高频天线。该天线采用了三元序列馈电天线结构实现圆极化辐射，通过将天线辐射面折叠极大地缩小天线尺寸。此外，在天线馈电网络中采用了两个双刀双掷开关，通过高低电平切换，复用部分馈电网络，实现相位方向可调，进而实现左右圆极化可调的新型馈电结构。整体设计不仅结构简单、小巧、易于装配、成本低廉、电气性能好，而且可根据信息的要求生成和接收左、右圆极化信号。以上优点可以完全满足地面卫星通信天线小型化和圆极化可重构的应用需求。

为了实现本发明目的，本发明提供的一种三元序列馈电可重构天线，包括天线主体和馈电网络；

天线主体包括上层基板、中层基板、下层基板、三个平面天线单元和三个馈电探针，上层基板、中层基板和下层基板从上到下依次设置，三个平面天线单元围绕天线整体结构的中心轴旋转对称分布，平面天线单元用于接收馈电网络输送的特高频信号，每个馈电探针分别用于给相应设置的平面天线单元输送特高频信号；

馈电网络设置在下层基板上，用于产生幅度相同、相位依次相差120°的三路序列馈电特高频信号并将特高频信号输送至三个平面天线单元，馈电网络包括一个输入端口、三个输出端口、一分三威尔金森功分器、四条螺旋传输线和两个双刀双掷开关，输入端口位于下层基板的中心处，三个输出端口与输入端口的距离相等，且相邻两个输出端口与输入端口之间的连线夹角为120°，一分三威尔金森功分器的一端与输入端口连接且一分三威尔金森功分器的传输线螺旋围绕输入端口分布，将四条螺旋传输线分别定义为传输线TL3、传输线TL4、传输线TL5和传输线TL6，传输线TL3、传输线TL4和传输线TL6的一端分别与一分三威尔金森功分器的三路输出口连接，另一端分别与三个输出端口连接，两个双刀双掷开关用于将传输线TL5并入传输线TL4或传输线TL6以改变圆极化信号的旋转方向。

进一步地，还包括底盘，所述底盘位于下层基板的下表面。

进一步地，馈电探针分别与三个输出端口电连接。

进一步地，一分三威尔金森功分器上设置有三个隔离电阻，用于隔离任意两个输出端口。

进一步地，该天线采用了三元序列馈电天线结构实现圆极化辐射，通过将天线辐 射面折叠极大地缩小天线尺寸，天线整体尺寸仅为

，其中

表示自由空间中433MHz的波长。

进一步地，每个平面天线单元均包括双层铜带、与双层铜带连接的导体连接块和接地金属块，其中，双层铜带与导体连接块连接组成折叠式天线辐射面，双层铜带包括设置在上层基板的上层铜带和设置在中层基板的中层铜带，导体连接块设置在上层基板和中层基板之间用于连接上层铜带和中层铜带，接地金属块设置在中层基板和下层基板下层基板之间且接地金属块的两端分别与中层铜带和下层基板连接。

进一步地，上层铜带和中层铜带均呈扇形。

进一步地，呈扇形的上层铜带和中层铜带的圆心角是120度。

进一步地，导体连接块的形状呈矩形。

进一步地，接地金属块的形状呈C形。

与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：

本发明提出的一种小型化三元序列馈电可重构特高频天线，天线小巧，整体尺寸 仅为

，相比较同类型的天线尺寸缩减了70%左右；天线馈电网 络中装配两个双刀双掷开关，当其中一个双刀双掷开关处于开启状态，另一个双刀双掷开 关处于关闭状态时，与开启双刀双掷开关联通的馈电网络将与复用的馈电网络联通，这样 经过开关切换可以实现信息传输在左圆极化和右圆极化之间进行切换；天线结构简单、成 本低廉、电气性能优、易于装配，满足大部分地面卫星通信的需求，可以进行大规模的商业 应用。

附图说明

图1（a）为本发明所提出的的一种三元序列馈电可重构天线的总体结构示意图；

图1（b）为所提出一种三元序列馈电可重构天线的正视图；

图1（c）为所提出一种三元序列馈电可重构天线的俯视图；

图1（d）为上、中层基板中的铜带与导体连接块组成的折叠式天线辐射面的结构示意图；

图2（a）为馈电网络结构示意图；

图2（b）为馈电网络的正视图；

图3表示所提出的一种三元序列馈电可重构天线的天线主体（不含馈电网络）在顺时针序列馈电（左手圆极化）和逆时针序列馈电（右手圆极化）情况下的模拟测量反射系数图；

图4（a）-4（c）分别表示所提出的一种三元序列馈电可重构天线的天线主体，在左手圆极化和右手圆极化时的归一化辐射方向分别为0度、60度和120度时的仿真图；

图5（a）和5（b）分为所提出的一种三元序列馈电可重构天线的馈电网络在左手圆极化和右手圆极化情况下的输入端口反射系数仿真图；

图6（a）和图6（b）分别为所提出的一种三元序列馈电可重构天线的馈电网络在左手圆极化和右手圆极化情况下的三个输出端口之间的耦合仿真曲线；

图7（a）和图7（b）分别为所提出的一种三元序列馈电可重构天线的馈电网络在左手圆极化和右手圆极化情况下的三个输出端口自身的反射系数仿真曲线；

图8（a）和图8（b）分别为所提出的一种三元序列馈电可重构天线的馈电网络在左手圆极化和右手圆极化情况下三个输出端口幅度仿真曲线；

图9（a）和图9（b）分别为所提出的一种三元序列馈电可重构天线的馈电网络在左手圆极化和右手圆极化情况下输出端口2和1、输出端口3和2之间的120°相位差仿真曲线图；

图10为所提出的一种三元序列馈电可重构天线整体（含天线主体和馈电网络）在左手圆极化和右手圆极化情况下的反射系数仿真图；

图11表示所提出的一种三元序列馈电可重构天线整体的视轴左手圆极化和右手圆极化情况下的视轴增益仿真图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都是本发明保护的范围。

本发明提供的一种三元序列馈电可重构天线的结构分为两部分，第一部分为天线主体，包括上层基板1、中层基板2、下层基板3，以及夹在上层基板1、中层基板2、下层基板3之间的三个平面天线单元4和三个馈电探针5，其中每个平面天线单元4均包括双层铜带8、导体连接块9、接地金属块10；第二部分为馈电网络，蚀刻在下层基板3的下表面，在下层基板3下面设置一块底盘7用于保护馈电网络。将两部分组装起来即得到可重构天线的整体结构。在下层基板3底部还设置有用于信息的发送和接收的馈电端17，且馈电端17位于馈电网络的正中间。馈电端17输入信号时，即可将信号通过天线辐射出去，天线接收到的信息也将通过馈电端17传递到接收端进行信息处理。

在本发明的一些实施例中，下层基板3的表面镀有一层金属铜。

在本发明的一些实施例中，上层基板1、中层基板2中的铜带与导体连接块9组成折叠形状的天线辐射面，铜带与导体连接块9之间连接在一起，共同构成连续1/4波长的谐振结构，达到工作频率。

在本发明的一些实施例中，请参阅图1（a）所示，天线主体包括上层基板1、中层基板2、下层基板3，以及上设置在上层基板1、中层基板2和下层基板3之间的三个平面天线单元4和三个馈电探针5，三元天线可以保证最小设计尺寸的同时实现辐射旋转对称。其中平面天线单元4用来接收馈电网络输送的特高频信号，三个平面天线单元4围绕天线整体中心轴旋转对称分布；三个馈电探针5围绕天线整体中心轴对称分布，每个馈电探针5分别用于向相应设置的平面天线单元4输送特高频信号；下层基板3的下表面蚀刻馈电网络6，用于产生幅度相同、相位依次相差120°的三路序列馈电特高频信号和接收特高频信号；在下层基板的下面加载一个底盘7用于保护馈电网络6。

在本发明的一些实施例中，每个平面天线单元4均包括双层铜带8、与双层铜带8连接的导体连接块9和接地金属块10，双层铜带8包括分别蚀刻在上层基板1和中层基板2的下表面和上表面的上层铜带和中层铜带，上层铜带和中层铜带可以实现信号辐射，两层铜带的尺寸相同。三个平面天线单元4的双层铜带8围绕天线整体中心轴旋转对称分布；导体连接块9用于将上下铜带辐射面连接起来，共同形成1/4波长的谐振结构，达到工作频率，具体地，导体连接块9放置在上层基板1和中层基板2之间，连接上层铜带和中层铜带。三个平面天线单元的导体连接块9围绕天线整体中心轴对称分布；接地金属块10设置在中层基板2和下层基板3之间，接地金属块10一端与中层基板2上的铜带电连接，另一端与下层基板3连接，三个平面天线单元4的接地金属块10围绕天线整体中心轴对称分布。

上层基板1和中层基板2中任意两个扇形铜带弯曲线中心与基板中心连接线形成的角度为120°，即扇形铜带的圆心角是120度，下层基板3中相邻两块接地金属块10与下层基板3的中心点连接线形成的角度为120°。

在本发明的一些实施例中，上层铜带和中层铜带均呈扇形，扇形尺寸的目的是尽量减少尺寸。

在本发明的一些实施例中，导体连接块9呈矩形，导体连接块9的材质为铜，铜的导电性良好，且矩形铜块在加工成本上更加经济实惠。当然，在其他实施例中，也可以采用其他的金属材质。

在本发明的一些实施例中，接地金属块10的材质为铝，接地金属块10的形状呈C形。C形铝块可以增加信号的传输路径，确保天线的工作频率。

在没有装配馈电网络时，天线主体的几何参数如表1所示。

表1

图2（a）为馈电网络的结构示意图，图2（b）为馈电网络的正视图。在本发明的一些实施例中，请参阅图2（a）,馈电网络6包括一个输入端口11、三个输出端口12、一个用于将信号功率进行均匀分配的一分三威尔金森功分器13、用于实现相移为120°的信号的四条螺旋传输线14、三个隔离电阻15和两个用于控制相移顺序以实现左或右圆极化信号的双刀双掷开关16。在馈电网络中，输入端口11设置在下层基板3的中心处，三个输出端口12与输入端口11的距离相等，且任意两个输出端口12与输入端口11之间的连线夹角为120°；一分三威尔金森功分器13中的传输线包括传输线TL2和三条传输线TL1，每条传输线TL1的一端与与输入端口11电连接，且每条传输线TL1呈螺旋扇形绕输入端口11均匀分布，一分三威尔金森功分器13中的传输线TL2中设置有三个隔离电阻15，可以将任意两个输出端口进行隔离；四条螺旋传输线14呈螺旋形状，将四条螺旋传输线14分别定义为传输线TL3、传输线TL4、传输线TL5和传输线TL6，传输线TL3、传输线TL4和传输线TL6分别与一分三威尔金森功分器13的的三路输出口电连接，传输线TL3、传输线TL4和传输线TL6的另一端分别与三个输出端口12进行电连接；天线主体中的三个馈电探针5分别与馈电网络的三个输出端口12进行电连接；两个双刀双掷开关16分别设置在传输线TL2和传输线TL5之间、传输线TL5和传输线TL6之间，用于将传输线TL5并入传输线TL4或传输线TL6以改变圆极化信号的旋转方向。

将两个双刀双掷开关16分别定义为双刀双掷开关

和双刀双掷开关

，如将双 刀双掷开关

的VC1端口和VC2端口分别加载高电平和低电平，双刀双掷开关

的VC1端口 和VC2端口分别加载低电平和高电平，此时双刀双掷开关

中链路ANT1-TX和ANT2-RX断 开、链路ANT1-RX和ANT2-TX连通，双刀双掷开关

中链路ANT1-TX和ANT2-RX连通、链路 ANT1-RX和ANT2-TX断开，于是传输线TL5与传输线TL6合并，信号在传输线TL5中的传输路径 将延长，此时馈电网络将生成逆时针旋转信号，即右圆极化信号，反之，信号在传输线TL4中 的传输路径将延长，馈电网络将生成顺时针信号，即左圆极化信号。

在本发明的一些实施例中。在没有装配天线时，馈电网络中各传输线的长度和隔离电阻的阻值如表2所示。

表2

为了测试所提出的小型化的三元序列馈电可重构特高频天线的电性能，将分别对天线主体、馈电网络以及天线整体进行模拟性能测试。

图3示出了三元序列馈电可重构特高频天线的天线主体（不含馈电网络）在顺时针序列馈电（左手圆极化）和逆时针序列馈电（右手圆极化）情况下的模拟测量反射系数图。从图中可以看到，模拟反射系数曲线的波谷出现在433.8MHz，模拟反射系数在-6dB处的反射系数带宽为4.2MHz（431.7MHz~435.9MHz），频宽效率为0.97%，满足卫星通信系统部分应用对信息传输要求。

图4（a）-4（c）分别表示所提出的三元序列馈电可重构特高频天线的天线主体，在左手圆极化和右手圆极化时的归一化辐射方向仿真图，其中工作频率为433MHz，平面角分别为Ф＝0°、60°、120°。从图中的仿真结果可以看出，当天线工作在433MHz时，天线在左、右手圆极化时在不同平面角情况下的模拟归一化辐射方向图均呈现120°旋转对称，符合三元序列馈电圆极化天线的设计要求。

图5（a）和5（b）分别为所提出的三元序列馈电可重构特高频天线的馈电网络在左手圆极化和右手圆极化情况下的输入端口反射系数仿真图，从两幅图中可以看出，在左、右圆极化的输入馈电条件下反射系数在405MHz-497MHz区间内均低于-15dB，这表明辐射反射损耗小，更多的能量被辐射出去，满足信号传输要求。

图6（a）和图6（b）分别为所提出的三元序列馈电可重构特高频天线的馈电网络在左手圆极化和右手圆极化情况下的三个输出端口之间的耦合仿真曲线，从两幅仿真图可看出，在左手圆极化和右手圆极化的馈电输入情况下，三个输出端口间的耦合在频带区间400MHz-465MHz内均低于-23dB，这表明端口间的干扰非常小，符合信号传输要求。

图7（a）和图7（b）分别为所提出的三元序列馈电可重构特高频天线的馈电网络在左手圆极化和右手圆极化情况下的三个输出端口的反射系数仿真曲线，从两幅仿真图可看出，在左手圆极化和右手圆极化的馈电输入情况下，三个输出端口的反射系数在频带区间400MHz-465MHz内均低于-20dB，这表明馈电网络中信号损耗很低，满足信号在电路中传输的要求。

图8（a）和图8（b）分别为所提出的三元序列馈电可重构特高频天线的馈电网络在左手圆极化和右手圆极化情况下三个输出端口幅度仿真曲线，从图中可以看出在400MHz-465MHz频段区间内，模拟的最大幅度不平衡约为0 .07dB，这表明三个馈电输出端口的一致性很好，符合设计要求。

图9（a）和图9（b）分别为所提出的三元序列馈电可重构特高频天线的馈电网络在左手圆极化和右手圆极化情况下输出端口2和1、输出端口3和2之间的120°相位差仿真曲线，从图中可以看出在400MHz-465MHz频段区间内，输出端口2和1之间的120°相位差约为4°，输出端口3和2之间的120°相位差约为11°，这表明三个馈电端口可以形成很好的圆极化辐射，满足设计要求。

图10为所提出的三元序列馈电可重构特高频天线整体（含天线主体和馈电网络）在左手圆极化和右手圆极化情况下的反射系数仿真图，从图中可以看出在400MHz-465MHz频段区间，模拟反射系数在绝大多数频段内小于-8dB，在425MHz-465MHz频段区间，模拟反射系数均小于-10dB，这表明整体天线内的信号衰减很小，更多的能量可以被辐射出去，符合设计要求。

图11表示所提出的三元序列馈电可重构特高频天线整体的视轴左手圆极化和右手圆极化情况下的视轴增益仿真图。从图中可以看出，天线工作频段为433MHz，左手圆极化最高增益值为4.85dBi，0dBi以上的视轴左手圆极化频段427.75MHz-438.57MHz，增益带宽约为10.8MHz，频带效率为2.5%；右手圆极化最高的增益值为5.42dBi，0dBi以上的视轴左手圆极化频段427.5MHz-439.45MHz，增益带宽约为11.6MHz，频带效率为2.7%。从图11的视轴增益仿真图可以得出所设计的三元序列馈电可重构特高频天线能覆盖卫星通信所需的工作频段，满足工作需求。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种三元序列馈电可重构天线，其特征在于，包括天线主体和馈电网络，

天线主体包括上层基板（1）、中层基板（2）、下层基板（3）、三个平面天线单元（4）和三个馈电探针（5），上层基板（1）、中层基板（2）和下层基板（3）从上到下依次设置，三个平面天线单元（4）围绕天线整体结构的中心轴旋转对称分布，平面天线单元（4）用于接收馈电网络输送的特高频信号，每个馈电探针（5）分别用于给相应设置的平面天线单元（4）输送特高频信号；

馈电网络设置在下层基板（3）上，用于产生幅度相同、相位依次相差120°的三路序列馈电特高频信号并将特高频信号输送至三个平面天线单元（4），馈电网络包括一个输入端口（11）、三个输出端口（12）、一分三威尔金森功分器（13）、四条螺旋传输线（14）和两个双刀双掷开关（16），输入端口（11）位于下层基板（3）的中心处，三个输出端口（12）与输入端口（11）的距离相等，且相邻两个输出端口（12）与输入端口之间的连线夹角为120°，一分三威尔金森功分器（13）的一端与输入端口（11）连接且一分三威尔金森功分器（13）的传输线螺旋围绕输入端口分布，将四条螺旋传输线（14）分别定义为传输线TL3、传输线TL4、传输线TL5和传输线TL6，传输线TL3、传输线TL4和传输线TL6的一端分别与一分三威尔金森功分器（13）的三路输出口连接，另一端分别与三个输出端口（12）连接，两个双刀双掷开关（16）用于将传输线TL5并入传输线TL4或传输线TL6以改变圆极化信号的旋转方向。

2.根据权利要求1所述的一种三元序列馈电可重构天线，其特征在于，还包括底盘（7），所述底盘（7）位于下层基板（3）的下表面。

3.根据权利要求1所述的一种三元序列馈电可重构天线，其特征在于，馈电探针（5）分别与三个输出端口（12）电连接。

4.根据权利要求1所述的一种三元序列馈电可重构天线，其特征在于，一分三威尔金森功分器（13）上设置有三个隔离电阻（15），用于隔离任意两个输出端口（12）。

5.根据权利要求1所述的一种三元序列馈电可重构天线，其特征在于，所述天线的尺寸 为

，

为波长。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种三元序列馈电可重构天线，其特征在于，每个平面天线单元（4）均包括双层铜带（8）、与双层铜带（8）连接的导体连接块（9）和接地金属块（10），其中，双层铜带（8）与导体连接块（9）连接组成折叠式天线辐射面，双层铜带（8）包括设置在上层基板的上层铜带和设置在中层基板的中层铜带，导体连接块（9）设置在上层基板（1）和中层基板（2）之间用于连接上层铜带和中层铜带，接地金属块（10）设置在中层基板（2）和下层基板下层基板（3）之间且接地金属块（10）的两端分别与中层铜带和下层基板（3）连接。

7.根据权利要求6所述的一种三元序列馈电可重构天线，其特征在于， 上层铜带和中层铜带均呈扇形。

8.根据权利要求7所述的一种三元序列馈电可重构天线，其特征在于，呈扇形的上层铜带和中层铜带的圆心角是120度。

9.根据权利要求6所述的一种三元序列馈电可重构天线，其特征在于，导体连接块（9）的形状呈矩形。

10.根据权利要求6所述的一种三元序列馈电可重构天线，其特征在于，接地金属块（10）的形状呈C形。

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