CN114122735A - 基于介质加载的具有均匀等通量辐射特性的圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于介质加载的具有均匀等通量辐射特性的圆极化天线，具体包括多槽加载空腔介质透镜和辐射源，所述多槽加载空腔介质透镜置于辐射源上方；所述多槽加载空腔介质透镜包括介质实体、堆叠圆台空气腔、第一渐变环形槽、第二渐变环形槽和圆柱空气腔；所述堆叠圆台空气腔包括倒置圆台空气腔和正置圆台空气腔；所述辐射源包括圆形贴片、圆形介质基板、圆形地板和馈电端口，所述每个馈电端口均包括内导体和外导体。通过采用所述堆叠圆台空气腔的介质透镜结构使辐射源实现了等通量的辐射模式，而通过采用渐变环形槽实现了等通量模式下增益随频率变化稳定的特性，该结构天线非常适合小型卫星通信应用场合。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种具有均匀等通量辐射特性的介质透镜天线。
背景技术
卫星通信的迅速发展，在国防，军事，民用以及现代化战争中起到了举足轻重的作用，比如卫星气象监测，遥感遥测和用于军事或民用的高空探测等。作为卫星通信系统的主要载体，圆极化天线以其良好的抗干扰能力成为首选。
在卫星通信系统中，不仅对交叉极化有较高的要求，还经常需要对地球一定区域实现稳定的覆盖，与地面实现稳定连接。但由于地球是球体，对通信卫星来说，尤其是低轨卫星，当进行大角度波束扫描时，由于远近效应的影响，在覆盖范围内会有不同的链路损耗。为了补偿这种差异，需要一种等通量的覆盖模式，即在低仰角处的增益要比中心增益更高，以此实现对覆盖区域提供统一的功率电平，这对于链路的稳定和任务的精确意义重大。另外，随着无线电技术的不断发展以及小卫星技术的不断成熟，卫星的质量越来越小。得益于其成本较低，制作周期较短的优点，越来越多的卫星应用开始使用小型卫星，这导致卫星的有效载荷面积越来越小。传统天线存在设计复杂，成本较高，体积较大或者无法在覆盖范围内实现所需波束的一些不足，使其无法适用于低成本的小型卫星通信系统。一些能够满足等通量需求的小型天线存在增益补偿效果随频率恶化较大缺点，而使得覆盖的频点较少。因此，有必要设计一种小型化的圆极化等通量天线同时具有较好的增益稳定性。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明设计了一种基于介质加载的具有均匀等通量辐射特性的圆极化天线，包括：多槽加载空腔介质透镜和辐射源，所述多槽加载空腔介质透镜设置于辐射源的上方；所述多槽加载空腔介质透镜包括介质实体、堆叠圆台空气腔、第一渐变环形槽、第二渐变环形槽和圆柱空气腔，所述堆叠圆台空气腔位于圆柱空气腔正上方，所述多槽加载空腔介质透镜从内到外依次为圆柱空气腔、介质实体、第二渐变环形槽和第一渐变环形槽，所述堆叠圆台空气腔包括倒置圆台空气腔和正置圆台空气腔；
所述辐射源包括自上而下依次设置的圆形贴片、圆形介质基板、圆形地板和馈电端口，所述馈电端口为四个，所述每个馈电端口均包括内导体和外导体；所述倒置圆台空气腔位于正置圆台空气腔的上方；所述正置圆台空气腔位于圆柱空气腔的上方；所述倒置圆台空气腔和正置圆台空气腔的尺寸不同；所述倒置圆台空气腔的上表面与多槽加载空腔介质透镜的上表面齐平；所述倒置圆台空气腔的下表面与正置圆台空气腔的上表面齐平；所述正置圆台空气腔的下表面与圆柱空气腔上表面齐平；所述圆柱空气腔的下表面与多槽加载空腔介质透镜的下表面齐平；
所述第一渐变环形槽和第二渐变环形槽的剖面均为倒梯型结构，自上而下槽的宽度逐渐变窄。
所述第一渐变环形槽和第二渐变环形槽均为封闭环形槽，所述第一渐变环形槽左侧面距离所述多槽加载空腔介质透镜左侧面的介质壁厚自上而下逐渐递增；所述第二渐变环形槽左侧面与所述第一渐变环形槽右侧面有一定的介质壁厚度，所述第二渐变环形槽左侧面距离所述第一渐变环形槽右侧面的介质壁厚自上而下从逐渐递增。
所述第一渐变环形槽和第二渐变环形槽上表面与所述多槽加载空腔介质透镜上表面间具有一定厚度的介质，所述第一渐变环形槽和第二渐变环形槽下表面与所述多槽加载空腔介质透镜下表面间具有一定厚度的介质。
所述馈电结构的内导体与圆形贴片相连接，所述外导体与地板相连接。
所述圆形贴片直径为中心频率对应波长的0.28倍，所述圆形介质基板直径为中心频率对应波长的0.37倍。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于介质加载的具有均匀等通量辐射特性的圆极化天线，该装置通过采用具有中心空气腔的介质透镜结构改变了辐射电磁波的相位差从而使辐射源天线实现了等通量的辐射模式；通过在介质透镜中开渐变环形槽实现了等通量模式下增益随频率变化稳定的特性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述介质透镜天线结构示意图。
图2为本发明所述介质透镜天线的介质透镜剖视图。
图3为本发明所述介质透镜天线的辐射源结构图。
图4为本发明所述介质透镜天线的S11曲线。
图5为本发明所述介质透镜天线在4.9GHz处的辐射方向图。
图6为本发明所述介质透镜天线在4.9GHz处的轴比曲线。
图7为本发明所述介质透镜天线在5.1GHz处的辐射方向图。
图8为本发明所述介质透镜天线在5.1GHz处的轴比曲线。
图9为本发明所述介质透镜天线在5.3GHz处的辐射方向图。
图10为本发明所述介质透镜天线在5.3GHz处的轴比曲线。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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：
本发明公开了基于介质加载的具有均匀等通量辐射特性的圆极化天线，包括多槽加载空腔介质透镜1和辐射源2。
本发明的技术指标如下：
频段：4.9GHz——5.3GHz
极化方式：右旋圆极化
等通量覆盖范围：±50°
轴比波束宽度：＞200°
峰值增益：>3dBic
多槽加载空腔介质透镜1置于辐射源2上方；多槽加载空腔介质透镜1包括介质实体11、堆叠圆台空气腔12、第一渐变环形槽13、第二渐变环形槽14和圆柱空气腔15；所述堆叠圆台空气腔12包括倒置圆台空气腔121和正置圆台空气腔122，所述辐射源2包括圆形贴片21、圆形介质基板22、圆形地板23和馈电端口24；所述馈电端口24为四个，所述每个馈电端口24均包括内导体241和外导体242；
如图2所示，堆叠圆台空气腔12为倒置圆台空气腔121和正置圆台空气腔122叠加而成；所述倒置圆台空气腔121位于正置圆台空气腔122的上方；所述正置圆台空气腔122位于圆柱空气腔15上方；所述倒置圆台空气腔121和正置圆台空气腔122的尺寸不同；所述倒置圆台空气腔121上表面与多槽加载空腔介质透镜1上表面齐平；所述倒置圆台空气腔121的下表面与正置圆台空气腔122上表面齐平；所述正置圆台空气腔122下表面与圆柱空气腔15上表面齐平；所述圆柱空气腔15下表面与多槽加载空腔介质透镜1下表面齐平；
所述第一渐变环形槽13和第二渐变环形槽14的剖面均为倒梯型结构，上宽2mm，下宽0.5mm，自上而下槽的宽度逐渐变窄；所述第一渐变环形槽13和第二渐变环形槽14均为封闭环形槽，所述第一渐变环形槽13和第二渐变环形槽14上表面与所述多槽加载空腔介质透镜1上表面间介质厚度为2mm，所述第一渐变环形槽13和第二渐变环形槽14下表面与所述多槽加载空腔介质透镜1下表面间介质厚度为2mm；所述第一渐变环形槽13左侧面与所述多槽加载空腔介质透镜1左侧面有一定的介质壁厚度，从剖面结构看，所述第一渐变环形槽13左侧面上端与下端距离所述多槽加载空腔介质透镜1左侧面的介质壁厚从2mm到3.5mm逐渐递增，同样，所述第二渐变环形槽14左侧面与所述第一渐变环形槽13右侧面有一定的介质壁厚度，从剖面结构看，所述第二渐变环形槽14左侧面上端与下端距离所述第一渐变环形槽13右侧面的介质壁厚从2mm到3.5mm逐渐递增。
如图3所示，辐射源2自上而下分别为圆形贴片21，圆形介质基板22，其介电常数为4.4，圆形地板23和馈电端口24；所述圆形贴片21直径为中心频率对应波长的0.28倍，其距离地板高度3mm，所述圆形介质基板22直径为中心频率对应波长的0.37倍；所述馈电端口24为四个，所述每个馈电端口24均包括内导体241和外导体242，内导体241与圆形贴片相连接，外导体242与地板23相连接。
如图4所示，本发明所提出的基于介质加载的具有均匀等通量辐射特性的圆极化天线在频段4.9GHz——5.3GHz内匹配良好。
如图5所示，本发明所提出的基于介质加载的具有均匀等通量辐射特性的圆极化天线在频率4.9GHz时xoz面和yoz面的右旋圆极化峰值增益均在±50°处，约为3.35dBic。说明本发明提出的天线在4.9GHz频点时实现了±50°的等通量覆盖模式。
如图6所示，本发明所提出的基于介质加载的具有均匀等通量辐射特性的圆极化天线在频率4.9GHz时xoz面和yoz面均达到了大于200°的3-dB轴比波束宽度，说明本发明提出的天线在4.9GHz频点时可以大角度内保持良好的圆极化性能。
如图7所示，本发明所提出的基于介质加载的具有均匀等通量辐射特性的圆极化天线在频率5.1GHz时xoz面和yoz面的右旋圆极化峰值增益均在±50°处，约为3.45dBic。说明本发明提出的天线在5.1GHz频点时实现了±50°的等通量覆盖模式。
如图8所示，本发明所提出的基于介质加载的具有均匀等通量辐射特性的圆极化天线在频率5.1GHz时xoz面和yoz面均达到了大于200°的3-dB轴比波束宽度，说明本发明提出的天线在5.1GHz频点时可以大角度内保持良好的圆极化性能。
如图9所示，本发明所提出的基于介质加载的具有均匀等通量辐射特性的圆极化天线在频率5.3GHz时xoz面和yoz面的右旋圆极化峰值增益均在±50°处，约为3.45dBic。说明本发明提出的天线在5.3GHz频点时实现了±50°的等通量覆盖模式。
如图10所示，本发明所提出的基于介质加载的具有均匀等通量辐射特性的圆极化天线在频率5.3GHz时xoz面和yoz面均达到了大于200°的3-dB轴比波束宽度，说明本发明提出的天线在5.3GHz频点时可以大角度内保持良好的圆极化性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于介质加载的具有均匀等通量辐射特性的圆极化天线，其特征在于包括：多槽加载空腔介质透镜(1)和辐射源(2)，所述多槽加载空腔介质透镜(1)设置于辐射源(2)的上方；
所述多槽加载空腔介质透镜(1)包括介质实体(11)、堆叠圆台空气腔(12)、第一渐变环形槽(13)、第二渐变环形槽(14)和圆柱空气腔(15)，所述堆叠圆台空气腔(12)位于圆柱空气腔(15)正上方，所述多槽加载空腔介质透镜(1)从内到外依次为圆柱空气腔(15)、介质实体(11)、第二渐变环形槽(14)和第一渐变环形槽(13)，所述堆叠圆台空气腔(12)包括倒置圆台空气腔(121)和正置圆台空气腔(122)；
所述辐射源(2)包括自上而下依次设置的圆形贴片(21)、圆形介质基板(22)、圆形地板(23)和馈电端口(24)，所述馈电端口(24)为四个，所述每个馈电端口(24)均包括内导体(241)和外导体(242)；
所述倒置圆台空气腔(121)位于正置圆台空气腔(122)的上方；所述正置圆台空气腔(122)位于圆柱空气腔(15)的上方；所述倒置圆台空气腔(121)和正置圆台空气腔(122)的尺寸不同；所述倒置圆台空气腔(121)的上表面与多槽加载空腔介质透镜(1)的上表面齐平；所述倒置圆台空气腔(121)的下表面与正置圆台空气腔(122)的上表面齐平；所述正置圆台空气腔(122)的下表面与圆柱空气腔(15)上表面齐平；所述圆柱空气腔(15)的下表面与多槽加载空腔介质透镜(1)的下表面齐平；
所述第一渐变环形槽(13)和第二渐变环形槽(14)的剖面均为倒梯型结构，自上而下槽的宽度逐渐变窄。
2.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于：所述第一渐变环形槽(13)和第二渐变环形槽(14)均为封闭环形槽，所述第一渐变环形槽(13)左侧面距离所述多槽加载空腔介质透镜(1)左侧面的介质壁厚自上而下逐渐递增；所述第二渐变环形槽(14)左侧面与所述第一渐变环形槽(13)右侧面有一定的介质壁厚度，所述第二渐变环形槽(14)左侧面距离所述第一渐变环形槽(13)右侧面的介质壁厚自上而下从逐渐递增。
3.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于：所述第一渐变环形槽(13)和第二渐变环形槽(14)上表面与所述多槽加载空腔介质透镜(1)上表面间具有一定厚度的介质，所述第一渐变环形槽(13)和第二渐变环形槽(14)下表面与所述多槽加载空腔介质透镜(1)下表面间具有一定厚度的介质。
4.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于：所述馈电结构(24)的内导体(241)与圆形贴片(21)相连接，所述外导体(242)与地板(23)相连接。
5.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于：所述圆形贴片(21)直径为中心频率对应波长的0.28倍，所述圆形介质基板(22)直径为中心频率对应波长的0.37倍。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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