CN114336011A - 一种应用于低轨卫星通信的双频四臂螺旋天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于低轨卫星通信的双频四臂螺旋天线，包括直接馈电螺旋单元、耦合馈电螺旋单元、天线反射底板和馈电网络；所述直接馈电螺旋单元和耦合馈电螺旋单元顶端开路，以共轴嵌套方式安装在天线反射底板上；所述耦合馈电螺旋单元与耦合馈电螺旋臂接地点连接；所述直接馈电螺旋单元直接馈电螺旋臂馈电点连接；所述馈电网络安装于天线反射底板，与多个直接馈电螺旋臂馈电点连接，用于为多个直接馈电螺旋臂馈电。本发明同时满足了四臂螺旋天线双频段工作，且双频段均拥有近似相同心脏形方向图，使低轨卫星在终端低仰角通信时，接收和发射都能有最佳效果。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，具体涉及一种应用于低轨卫星通信的双频四臂螺旋天线。
背景技术
随着卫星通信技术的不断发展和迭代，低轨卫星通信获得的关注越来越多，发展也日趋加快。不同于传统的高轨卫星或者同步轨道卫星，低轨卫星通信要求地面终端天线在低仰角附近具有较高增益，以满足天地链路的需求。四臂螺旋天线易于实现心脏形方向图，即方向图高仰角部分略有凹陷，中低仰角部分凸起的特点，较为符合低轨卫星通信的应用需要。然而另一方面，低轨卫星通信的接收和发射分别是两个独立的频段，而常用的宽波束四臂螺旋天线为谐振式天线，带宽在5％-8％附近，难以满足低轨卫星通信的双频段工作要求。除此之外，低轨卫星为了在接收和发射频段都有最佳通信效果，要求天线在两个频段都有近似相同的心脏形方向图。
为了满足四臂螺旋天线的心脏形方向图和双频工作特性,许多学者针对性做了很多工作：比如文献[1]“Dual band quadrifilar helix antenna”采用在螺旋臂上添加LC谐振电路实现双频；文献[2]“Broadband folded quadrifilar helical antenna”使用倒U型螺旋臂实现双频；文献[3]“Dual-band shaped-pattern quadrifilar helix antenna”在螺旋臂上添加短枝节，通过增加单极子类型螺旋臂的谐振路径实现双频。虽然上述方式都能够实现四臂螺旋天线的双频工作，但是却无法实现同时在两个频段都有近似相同的心脏形方向图，而这一点却是低轨卫星通信所看中的。
现有技术难以同时满足四臂螺旋天线双频段工作，且两个频段均具有近似相同的心脏形方向图的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，低轨卫星通信的接收和发射分别是两个独立的频段，常用的宽波束四臂螺旋天线难以满足低轨卫星通信的双频段工作要求，且为了在接收和发射两个频段都有最佳通信效果，要求天线在接收和发射两个频段具有近似相同的心脏形方向图，而现有技术难以同时满足四臂螺旋天线双频段工作且两个频段均具有近似相同的心脏形方向图的要求，目的在于提供一种应用于低轨卫星通信的双频四臂螺旋天线，解决上述的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种应用于低轨卫星通信的双频四臂螺旋天线，包括直接馈电螺旋单元、耦合馈电螺旋单元、天线反射底板和馈电网络；
所述直接馈电螺旋单元和耦合馈电螺旋单元顶端开路，以共轴嵌套方式安装在天线反射底板上；
所述耦合馈电螺旋单元包括多个耦合馈电螺旋臂，所述天线反射底板设置有与多个耦合馈电螺旋臂等同数量的多个耦合馈电螺旋臂接地点，所述多个耦合馈电螺旋臂分别与多个耦合馈电螺旋臂接地点一一连接；
所述直接馈电螺旋单元包括多个直接馈电螺旋臂，所述天线反射底板设置有与多个直接馈电螺旋臂等同数量的多个直接馈电螺旋臂馈电点，所述多个直接馈电螺旋臂分别与多个直接馈电螺旋臂馈电点一一连接；
所述馈电网络安装于天线反射底板，与多个直接馈电螺旋臂馈电点连接，用于为多个直接馈电螺旋臂馈电。
本发明通过直接馈电四臂螺旋和耦合馈电四臂螺旋的组合，实现了四臂螺旋天线整体的双频工作模式；通过设置内侧螺旋环绕半径小于外侧螺旋环绕半径，内侧螺旋升角小于外侧螺旋升角，实现了双频四臂螺旋天线在高低两个频段都具有近似相同心脏形方向图的要求。本发明满足了四臂螺旋天线双频段工作的同时，且双频段均拥有近似相同心脏形方向图，使低轨卫星在终端低仰角通信时，接收和发射都能达到最佳效果。
进一步地，所述耦合馈电螺旋单元包括多个耦合馈电螺旋臂，所述天线反射底板设置有与多个耦合馈电螺旋臂等同数量的多个耦合馈电螺旋臂接地点，所述多个耦合馈电螺旋臂分别与多个耦合馈电螺旋臂接地点一一连接，具体为：耦合馈电螺旋单元包括四个耦合馈电螺旋臂，天线反射底板设置有四个耦合馈电螺旋臂接地点，四个耦合馈电螺旋臂分别与四个耦合馈电螺旋臂接地点一一连接，且四个耦合馈电螺旋臂接地点相位依次相差九十度。
进一步地，所述直接馈电螺旋单元包括多个直接馈电螺旋臂，所述天线反射底板设置有与多个直接馈电螺旋臂等同数量的多个直接馈电螺旋臂馈电点，所述多个直接馈电螺旋臂分别与多个直接馈电螺旋臂馈电点一一连接，具体为：直接馈电螺旋单元包括四个直接馈电螺旋臂，天线反射底板设置有四个直接馈电螺旋臂馈电点，四个直接馈电螺旋臂分别与四个直接馈电螺旋臂馈电点一一连接，四个直接馈电螺旋臂馈电点与馈电网络连接，且四个直接馈电螺旋臂馈电点相位依次相差九十度；所述馈电网络用于为四个直接馈电螺旋臂馈电点提供四路幅度相等，相位依次相差90度的射频信号。
进一步地，所述直接馈电螺旋单元设置在外圈低频工作区，所述耦合馈电螺旋单元设置在内圈高频工作区。
进一步地，所述耦合馈电螺旋单元设置在外圈低频工作区，所述直接馈电螺旋单元设置在内圈高频工作区。
工作在较低频段的一组四臂螺旋放置在嵌套组合的外侧，可以是直接馈电螺旋单元也可以是耦合馈电螺旋单元；工作在较高频段的四臂螺旋放置在嵌套组合内侧，若嵌套组合的外侧设置直接馈电螺旋单元，则嵌套组合的内侧设置耦合馈电螺旋单元；若嵌套组合的外侧设置耦合馈电螺旋单元，则嵌套组合的内侧设置直接馈电螺旋单元。
进一步地，所述直接馈电螺旋单元采用高频介质薄基板印刷四臂螺旋天线、螺旋金属天线、螺旋金属棒天线、空心介质加载薄膜印刷四臂螺旋天线中的一种；所述耦合馈电螺旋单元与直接馈电螺旋单元材质相同。
进一步地，所述直接馈电螺旋单元和耦合馈电螺旋单元均采用高频介质薄基板印刷四臂螺旋天线；所述应用于低轨卫星通信的双频四臂螺旋天线还包括外支撑介质薄基板、内支撑介质薄基板；
所述外支撑介质薄基板和内支撑介质薄基板以共轴嵌套方式安装在天线反射底板上，所述内支撑介质薄基板位于外支撑介质薄基板内侧；
所述四个直接馈电螺旋臂按同一方向绕置在外支撑介质薄基板上，所述四个耦合馈电螺旋臂按同一方向绕置在内支撑介质薄基板上，其中，四个直接馈电螺旋臂的绕置方向与四个耦合馈电螺旋臂的绕置方向相同。
进一步地，所述直接馈电螺旋单元以及耦合馈电螺旋单元均为右旋圆极化四臂螺旋天线。
进一步地，所述直接馈电螺旋单元以及耦合馈电螺旋单元均为左旋圆极化四臂螺旋天线。
进一步地，所述直接馈电螺旋单元与耦合馈电螺旋单元均工作在四分之三波长模式。直接馈电螺旋单元与耦合馈电螺旋单元可以工作在二分之一波长模式或者四分之三波长模式，优选为四分之三波长模式。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明提供的一种应用于低轨卫星通信的双频四臂螺旋天线，同时满足了四臂螺旋天线双频段工作，且双频段均拥有近似相同心脏形方向图，使低轨卫星在终端低仰角通信时，接收和发射都能有最佳效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。在附图中：
图1为本发明优选实施例双频四臂螺旋天线方案总体图；
图2为本发明优选实施例双频四臂螺旋天线部件展开说明图的内圈高频工作区四臂螺旋天线示意图；
图3为本发明优选实施例双频四臂螺旋天线部件展开说明图的外圈低频工作区四臂螺旋天线示意图；
图4为本发明优选实施例双频四臂螺旋天线反射底板和馈电网络图；
图5为本发明优选实施例双频四臂螺旋天线馈电端电路原理图；
图6为本发明优选实施例双频四臂螺旋天线接地端电路原理图；
图7为传统双频四臂螺旋天线圆极化增益方向图的示意图；
图8为本发明双频四臂螺旋天线圆极化增益方向图的示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-直接馈电螺旋臂，2-耦合馈电螺旋臂，3-外支撑介质薄基板，4-内支撑介质薄基板，5-天线反射底板，6-外圈螺旋臂安装位置，7-内圈螺旋臂安装位置，8-直接馈电螺旋臂馈电点，9-耦合馈电螺旋臂接地点，10-总馈电端口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例1中的四臂螺旋采用的是螺旋金属线，本发明实施例双频四臂螺旋天线方案包含三个部分：一组直接馈电的金属线四臂螺旋，一组耦合馈电的金属线四臂螺旋，天线反射底板及其附带馈电网络。
所述直接馈电的金属线四臂螺旋和耦合馈电的金属线四臂螺旋顶端开路，以共轴嵌套方式安装在天线反射底板上；直接馈电的金属线四臂螺旋设置在外圈低频工作区，耦合馈电的金属线四臂螺旋设置在内圈高频工作区。
天线反射底板为双面赋铜圆形PCB板，底板表面预留四个耦合螺旋臂接地点，四个直接馈电螺旋臂馈电点。四个耦合馈电螺旋臂2分别与四个耦合馈电螺旋臂接地点一一连接，且四个耦合馈电螺旋臂接地点相位依次相差九十度；四个直接馈电螺旋臂1分别与四个直接馈电螺旋臂馈电点一一连接，四个直接馈电螺旋臂馈电点与馈电网络连接，且四个直接馈电螺旋臂馈电点相位依次相差九十度；所述馈电网络用于为四个直接馈电螺旋臂馈电点提供四路幅度相等，相位依次相差90度的射频信号。
本实施例中，直接馈电的金属线四臂螺旋和耦合馈电的金属线四臂螺旋均为右旋圆极化四臂螺旋天线，且均工作在四分之三波长模式。
实施例2
本实施例2与实施例1不同的是，实施例1中的四臂螺旋采用的是螺旋金属线，本实施例2中的四臂螺旋采用的是高频介质薄基板印刷四臂螺旋。本实施例作为优选实施例，如图1和图2所示，以一款应用于低轨卫星通信的双频四臂螺旋天线方案为实施例进行说明。
图1给出了双频四臂螺旋天线方案总体图。图2和图3给出了双频四臂螺旋天线部件展开说明图，其中，图2为内圈高频工作区四臂螺旋天线示意图，图3为外圈低频工作区四臂螺旋天线示意图。图4给出了双频四臂螺旋天线反射底板和馈电网络图。图5给出了双频四臂螺旋天线馈电端电路原理图；图6给出了双频四臂螺旋天线接地端电路原理图；图7给出了传统双频四臂螺旋天线圆极化增益方向图的示意图；图8给出了本发明双频四臂螺旋天线圆极化增益方向图的示意图。
从图4可以看出，传统双频四臂螺旋天线的低频方向图和高频方向图是不一致的：当高频呈现针对低轨卫星通信合适的心脏形方向图时，低频并未呈现出心脏形方向图；当低频呈现出针对低轨卫星通信合适的心脏形方向图时，高频方向图高仰角部分凹陷又将变得过深。两种情况均不利于低轨卫星取得接收和发射的最佳效果。本发明双频四臂螺旋天线解决了传统双频四臂螺旋天线的上述问题，可以在接收和发射两个频段均具有近似相同的心脏形方向图，如图5所示。
如图1所示，本发明实施例双频四臂螺旋天线方案包含三个部分：一组直接馈电的印刷四臂螺旋，即直接馈电螺旋臂1；一组耦合馈电的印刷四臂螺旋，即耦合馈电螺旋臂2，天线反射底板5及其附带馈电网络。
本实施例1中，两组四臂螺旋分别印刷在两张高频介质薄基板表面，具体地，如图1-3所示，四个直接馈电螺旋臂1印刷在外支撑介质薄基板3上，四个耦合馈电螺旋臂2印刷在内支撑介质薄基板4上。首先，将高频介质薄基板环绕成圆柱筒状，由于介质薄基板边缘预留了焊接固定点位，只需要用焊锡即可将两片高频介质薄基板固定为两个圆柱筒，此时螺旋辐射臂位于圆柱筒外侧。
用焊锡首先将耦合馈电四臂螺旋的四个螺旋臂和天线反射地板的四个耦合馈电螺旋臂接地点连接起来，然后将直接馈电四臂螺旋的四个螺旋臂和天线反射地板5的四个直接馈电螺旋臂馈电点连接起来。从结构可靠性的角度考虑，也可在两个四臂螺旋圆柱筒表面多预留几个焊接固定点。天线反射底板5为双面赋铜圆形PCB板，底板表面预留四个耦合馈电螺旋臂接地点，四个直接馈电螺旋臂馈电点。四个直接馈电螺旋臂馈电点的馈电电流幅度相等，相位依次相差90°，四个直接馈电螺旋臂馈电点为一枚四相位芯片的四个输出端(芯片输出端和对应馈电点通过微带线连接)，具体相位变化方式：按照图4逆时针旋转，端口相位依次递减90°。四相位芯片的输入端是双频四臂螺旋天线的总馈电端口10。
本实施例给出的是右旋圆极化双频四臂螺旋天线，本发明也可为左旋圆极化双频四臂螺旋天线，具体实施方式只需对应改变螺旋臂旋向和馈电网络的相位递减方向即可。
本实施例中采用了高频介质薄基板印刷四臂螺旋，本发明也可采用螺旋金属线，螺旋金属棒，空心介质加载薄膜印刷四臂螺旋天线等，四臂螺旋天线工作在四分之三波长模式或者二分之一波长模式，其长度约为对应环境工作频点介质波长的四分之三或者二分之一，四分之三波长模式为优选波长模式。
实施例中馈电网络的实现方式为四相位芯片输出四路幅度相等，相位依次相差90度的射频信号。本发明可以采用的馈电网络具体形式有很多，包括但不限于3dB电桥和相位延迟线组合，威尔金森功分器和相位延迟线组合等。其核心在于只要馈电网络提供四路幅度相等，相位依次相差90度的信号给本专利提到的双频四臂螺旋天线进行馈电，即在本发明的保护范围内。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种应用于低轨卫星通信的双频四臂螺旋天线，其特征在于，包括直接馈电螺旋单元、耦合馈电螺旋单元、天线反射底板和馈电网络；
所述直接馈电螺旋单元和耦合馈电螺旋单元顶端开路，以共轴嵌套方式安装在天线反射底板上；
所述耦合馈电螺旋单元包括多个耦合馈电螺旋臂，所述天线反射底板设置有与多个耦合馈电螺旋臂等同数量的多个耦合馈电螺旋臂接地点，所述多个耦合馈电螺旋臂分别与多个耦合馈电螺旋臂接地点一一连接；
所述直接馈电螺旋单元包括多个直接馈电螺旋臂，所述天线反射底板设置有与多个直接馈电螺旋臂等同数量的多个直接馈电螺旋臂馈电点，所述多个直接馈电螺旋臂分别与多个直接馈电螺旋臂馈电点一一连接；
所述馈电网络安装于天线反射底板，与多个直接馈电螺旋臂馈电点连接，用于为多个直接馈电螺旋臂馈电。
2.根据权利要求1所述的一种应用于低轨卫星通信的双频四臂螺旋天线，其特征在于，所述耦合馈电螺旋单元包括多个耦合馈电螺旋臂，所述天线反射底板设置有与多个耦合馈电螺旋臂等同数量的多个耦合馈电螺旋臂接地点，所述多个耦合馈电螺旋臂分别与多个耦合馈电螺旋臂接地点一一连接，具体为：耦合馈电螺旋单元包括四个耦合馈电螺旋臂，天线反射底板设置有四个耦合馈电螺旋臂接地点，四个耦合馈电螺旋臂分别与四个耦合馈电螺旋臂接地点一一连接，且四个耦合馈电螺旋臂接地点相位依次相差九十度。
3.根据权利要求2所述的一种应用于低轨卫星通信的双频四臂螺旋天线，其特征在于，所述直接馈电螺旋单元包括多个直接馈电螺旋臂，所述天线反射底板设置有与多个直接馈电螺旋臂等同数量的多个直接馈电螺旋臂馈电点，所述多个直接馈电螺旋臂分别与多个直接馈电螺旋臂馈电点一一连接，具体为：直接馈电螺旋单元包括四个直接馈电螺旋臂，天线反射底板设置有四个直接馈电螺旋臂馈电点，四个直接馈电螺旋臂分别与四个直接馈电螺旋臂馈电点一一连接，四个直接馈电螺旋臂馈电点与馈电网络连接，且四个直接馈电螺旋臂馈电点相位依次相差九十度；所述馈电网络用于为四个直接馈电螺旋臂馈电点提供四路幅度相等，相位依次相差90度的射频信号。
4.根据权利要求3所述的一种应用于低轨卫星通信的双频四臂螺旋天线，其特征在于，所述直接馈电螺旋单元设置在外圈低频工作区，所述耦合馈电螺旋单元设置在内圈高频工作区。
5.根据权利要求3所述的一种应用于低轨卫星通信的双频四臂螺旋天线，其特征在于，所述耦合馈电螺旋单元设置在外圈低频工作区，所述直接馈电螺旋单元设置在内圈高频工作区。
6.根据权利要求4所述的一种应用于低轨卫星通信的双频四臂螺旋天线，其特征在于，所述直接馈电螺旋单元采用高频介质薄基板印刷四臂螺旋天线、螺旋金属天线、螺旋金属棒天线、空心介质加载薄膜印刷四臂螺旋天线中的一种；所述耦合馈电螺旋单元与直接馈电螺旋单元材质相同。
7.根据权利要求6所述的一种应用于低轨卫星通信的双频四臂螺旋天线，其特征在于，所述直接馈电螺旋单元和耦合馈电螺旋单元均采用高频介质薄基板印刷四臂螺旋天线；所述应用于低轨卫星通信的双频四臂螺旋天线还包括外支撑介质薄基板(3)、内支撑介质薄基板(4)；
所述外支撑介质薄基板(3)和内支撑介质薄基板(4)以共轴嵌套方式安装在天线反射底板(5)上，所述内支撑介质薄基板(4)位于外支撑介质薄基板(3)内侧；
所述四个直接馈电螺旋臂(1)按同一方向绕置在外支撑介质薄基板(3)上，所述四个耦合馈电螺旋臂(2)按同一方向绕置在内支撑介质薄基板(4)上，其中，四个直接馈电螺旋臂(1)的绕置方向与四个耦合馈电螺旋臂(2)的绕置方向相同。
8.根据权利要求3所述的一种应用于低轨卫星通信的双频四臂螺旋天线，其特征在于，所述直接馈电螺旋单元以及耦合馈电螺旋单元均为右旋圆极化四臂螺旋天线。
9.根据权利要求3所述的一种应用于低轨卫星通信的双频四臂螺旋天线，其特征在于，所述直接馈电螺旋单元以及耦合馈电螺旋单元均为左旋圆极化四臂螺旋天线。
10.根据权利要求1所述的一种应用于低轨卫星通信的双频四臂螺旋天线，其特征在于，所述直接馈电螺旋单元与耦合馈电螺旋单元均工作在四分之三波长模式。
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