CN115882223A - 双频双圆极化天线和天线系统 - Google Patents

双频双圆极化天线和天线系统 Download PDF

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Abstract

本申请实施例提供一种双频双圆极化天线和天线系统，天线包括：第一贴片，用于辐射高频信号；第二贴片，包括辐射单元与接地板，辐射单元用于辐射低频信号，接地板包括一个空心圆，辐射单元位于接地板的空心圆之内，辐射单元为开口谐振环；微带馈线；第一介质基板，用于放置第二贴片与微带馈线；第一贴片在第二贴片之上，第一贴片与第二贴片之间有间隔，第二贴片在微带馈线之上；天线尺寸在0.3×0.3×0.05λ与0.4×0.4×0.1λ之间，λ为天线工作的最低频率对应的波长。通过该天线，本申请实施例能够在保证天线扫描性能的前提下，实现增大阵列扫描角度、减小天线尺寸，以及高低频的较宽角度扫描和双频双圆极化功能。

Description

双频双圆极化天线和天线系统
技术领域
本申请实施例涉及天线技术领域，更具体地，涉及一种双频双圆极化天线和天线系统。
背景技术
随着低地球轨道(low earth orbit，LEO)卫星通信的大规模发展，卫星用户终端的发展趋势是轻量化与便携化。目前的商用卫星终端呈现尺寸大、重量重以及不易携带等特点，因此其天线结构的未来发展方向是低剖面收发共口径。
由于卫星终端采用基于频分双工(frequency division duplexing，FDD)的双频双圆极化的工作模式，理论上需要由两个天线阵面分别完成收发工作，如果将两个天线阵面收编成一个阵面，即收发共口径时，对于高频与低频之间间隔较大的平面天线而言，在进行高频段扫描时会遇到栅瓣问题，这会影响到终端的系统性能。
目前，存在如收发共口径的反射阵列和双层贴片结构等技术方案，能够避免高频段扫描遇到栅瓣，但是该天线的阵列扫描角度较小、尺寸较大，且无法同时实现高低频的较宽角度扫描。
发明内容
本申请实施例提供一种双频双圆极化天线和天线系统，能够在保证天线扫描性能的前提下，实现增大阵列扫描角度、减小天线尺寸、同时实现高低频的较宽角度扫描，并能实现双频双圆极化功能。
第一方面，提供了一种双频双圆极化天线，该天线包括：第一贴片，用于辐射高频信号；第二贴片，包括辐射单元与接地板，该辐射单元用于辐射低频信号，该接地板包括一个空心圆，该辐射单元位于该接地板的空心圆之内，该辐射单元为开口谐振环；微带馈线；第一介质基板，用于放置第二贴片与微带馈线；该第一贴片在该第二贴片之上，该第一贴片与该第二贴片之间有间隔，该第二贴片在该微带馈线之上；其中，天线的尺寸在0.3×0.3×0.05λ与0.4×0.4×0.1λ之间，λ为天线工作的最低频率对应的波长。
通过上述的三层式天线结构，具体地，该天线包括第一贴片、第二贴片和微带馈线，其中，该第二贴片包括辐射单元和接地板，辐射单元位于接地板所包括的空心圆之内，该辐射单元为开口谐振环，第一贴片与第二贴片之间有间隔，该间隔可以是空气，也可以是具体地介质基板，第二贴片与微带馈线之间有第一介质基板，第一介质基板用于放置第二贴片与微带馈线，并且，通过调整开口谐振环的开口位置改变极化方向，以及通过调整开口谐振环的尺寸获得不同的高低频段，天线尺寸在0.3×0.3×0.05λ与0.4×0.4×0.1λ之间，λ为天线工作的最低频率对应的波长，如此，本申请实施例能够在保证天线扫描性能的前提下，实现增大阵列扫描角度、减小天线尺寸，以及同时实现高低频的较宽角度扫描，并能实现双频双圆极化功能。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该天线还包括：第二介质基板，用于放置第一贴片与第二贴片。
通过采用第一贴片与第二贴片堆叠的方式，本申请实施例能够有效降低减少该双频双圆极化天线的尺寸，即单元天线所占的口径面积。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该天线还包括：枝节，该枝节与微带馈线贴合连接。
具体地，该枝节与该微带馈线位于该第一介质基板的背面，
通过该枝节，本申请实施例能够有效调节该天线的阻抗。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该第一贴片为圆形或者正方形。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该天线还包括至少一个馈电点。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，开口谐振环为环形开口谐振环。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该天线的微带馈线的长度在0.1λ与0.3λ之间；接地板的空心圆的半径在0.1λ与0.3λ之间；开口谐振环与接地板的空心圆的半径差值在0.01λ与0.04λ之间，开口谐振环的圆环宽度在0.01λ与0.04λ之间，开口谐振环的开口尺寸在0.01λ～0.04λ之间；第一贴片的尺寸在0.1λ与0.3λ之间。
结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，第一贴片为圆形贴片，第二介质基板的厚度在0.01λ与0.04λ之间；或者，第一贴片为正方形贴片，第二介质基板的厚度在0.01λ与0.02λ之间。
第二方面，提供了一种天线系统，该天线系统包括第一方面以及第一方面的任一种可能的实现方式中所述的天线，该天线系统还包括：双工器，用于隔离接收信号与发送信号；收发一体芯片，用于收发双频双圆极化信号。
附图说明
图1是一种双层双频天线的结构示意图。
图2是本申请实施例提供的一种双频双圆极化天线的立体结构示意图。
图3是本申请实施例提供的一种双频双圆极化天线的平面结构示意图。
图4是本申请实施例提供的一种天线系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。
航天器通过采用圆极化天线，可以实现在任意状态下都能接收到信号。飞行设备通过采用圆极化天线，不但可以实现减少信号的漏失与衰减，而且还能消除电离层中由法拉第旋转而导致的极化畸变，从而能够避免对移动通信中利用极化分集方式降低多径衰落造成影响。
在卫星通信领域，卫星终端的未来发展方向是轻量化与便携性，这便要求卫星终端天线的结构需要朝着低剖面收发共口径的方向去发展，但是支持双频扫描且高低频段之间间隔较大的天线又很容易出现在进行高频段扫描时，出现栅瓣问题，这会影响卫星终端的整体系统性能。
目前存在一种采用双层贴片单元设计的双层双频的天线。图1所示的双层双频天线采用两层贴片设计。其中，上层贴片用于辐射高频(例如，30GHz)，下层贴片用于辐射低频(例如，20GHz)。当高频段与低频段均扫描至相同的波束指向角度时，上层贴片之间与下层贴片之间的单元距离要求是不同的。例如，下层贴片之间的单元距离(例如为d，见图1)是上层贴片之间的单元距离(例如，1.5d，见图1)的1.5倍。
因此，如果按照上层贴片之间的单元距离来排布所有的贴片，则将导致无法同时实现高低频的较宽角度扫描，以及会缩小该天线单元的阵列扫描角度。并且，在相同的扫描角度下，高频段扫描会出现栅瓣问题，继而会影响阵列性能。
具体而言，保证不会出现栅瓣的阵列扫描性能需要满足如下公式：
Figure BDA0003291167030000031
其中，该λ是指天线工作的波长，d是指天线单元之间的间距，θ0是指扫描角度。阵列扫描性能在满足上述公式的前提下不会出现栅瓣，但是对于一个双频段阵列扫描性能来说，在扫描角度相同的条件下，高频段天线不出现栅瓣，则要求天线单元之间的间距要小，但是低频天线的天线单元之间的间距要大，如此就会使天线设计变得更为复杂，即很难同步实现高低频的较宽扫描角度。
鉴于上述技术问题，本申请实施例提供一种双频双圆极化天线和天线系统，能够在保证天线扫描性能的前提下，实现增大阵列扫描角度、减小天线尺寸，以及同时实现高低频的较宽角度扫描，并还能实现双频双圆极化的功能。
图2是本申请实施例提供的一种双频双圆极化天线的立体结构示意图，该天线包括：
第一贴片，用于辐射高频信号；
第二贴片，包括辐射单元与接地板，辐射单元用于辐射低频信号，接地板包括一个空心圆，辐射单元位于接地板的空心圆之内，辐射单元为开口谐振环；
第一介质基板，用于放置第二贴片与微带馈线；
微带馈线。
应理解，微带馈线是能够用于连接射频端口的一段微带走线，换言之，可以理解为一段用于传输信号的线缆。其中，该天线的尺寸在0.3×0.3×0.05λ与0.4×0.4×0.1λ之间，λ为天线工作的最低频率对应的波长。
具体地，第一贴片在第二贴片之上，第一贴片与第二贴片之间有间隔，该第一贴片与第二贴片之间的间隔可以是空气，换言之，第一贴片与第二贴片之间可以无介质基板。第二贴片在微带馈线之上，第二贴片与微带馈线之间有间隔，该第二贴片与微带馈线之间的间隔是第一介质基板，该第一介质基板用于放置第二贴片与微带馈线。具体地，第二贴片位于第一介质基板的顶层，微带馈线位于该第一介质基板的背面。
应理解，本申请实施例对第一贴片的形状不做任何限定，该第二贴片包括的辐射单元为开口谐振环，本申请实施例对辐射单元的形状不做具体限定。
通过上述的三层式天线结构，具体地，该天线包括第一贴片、第二贴片和微带馈线，其中，该第二贴片包括辐射单元和接地板，辐射单元位于接地板所包括的空心圆之内，该辐射单元为开口谐振环，第一贴片与第二贴片之间有间隔，该间隔可以是空气，也可以是具体地介质基板，第二贴片与微带馈线之间有第一介质基板，第一介质基板用于放置第二贴片与微带馈线，并且，通过调整开口谐振环的开口位置改变极化方向，以及通过调整开口谐振环的尺寸获得不同的高低频段，天线尺寸在0.3×0.3×0.05λ与0.4×0.4×0.1λ之间，λ为天线工作的最低频率对应的波长，如此，本申请实施例能够在保证天线扫描性能的前提下，实现增大阵列扫描角度、减小天线尺寸，以及同时实现高低频的较宽角度扫描，并能实现双频双圆极化功能。
更具体地，本申请实施例实现只用一个天线阵面(共口径)，从而减少天线系统的尺寸和重量，并能够实现双频段宽角扫描和双圆极化可重构。
应理解，在本申请实施例中，第二贴片的辐射单元能够产生自谐振。通过该第二贴片的辐射单元的自谐振以及与第一贴片之间的耦合，本申请实施例支持产生不同的高低频段，例如，低频段为20GHz，高频段为30GHz。本申请实施例对所产生的高低频段不做具体限定。
应理解，通过调整该第二贴片的辐射单元的开口角度、第一贴片的尺寸以及第一贴片与该第二贴片之间的高度，本申请实施例能够产生不同的高低频段。
应理解，上述天线实现双圆极化的工作原理按如下所述：第二贴片的辐射单元与第二贴片的接地板(或者，也可以理解为天线地面)之间形成的环形电流能够形成一个方向的圆极化，第一贴片形成的电流方向又与该第二贴片的辐射单元形成的电流方向相反，因此，这能够形成另一个方向的圆极化。
作为一种可能的实现方式，该第一贴片与第二贴片之间有第二介质基板。
更具体地，该第二介质基板用于放置第一贴片与第二贴片，其中，第一贴片位于该第二介质基板的顶层(上面)，第二贴片位于该第二介质基板的底层(下面)。
应理解，该第一介质基板与第二介质基板可以是FR4、陶瓷和低温共烧陶瓷(lowtemperature co-fired ceramic，LTCC)等，本申请实施例对第一介质基板与第二介质基板的形状不做具体限定。
应理解，通过将微带馈线布置在第一介质基板的背面，本申请实施例能够使信号从微带馈线耦合到第二贴片的辐射单元。
应理解，第二贴片的辐射单元与第二贴片的接地板可以位于不同的平面，例如，该辐射单元的厚度可以厚于第二贴片的接地板的厚度，或者，该辐射单元的厚度可以薄于第二贴片的接地板的厚度。
应理解，该辐射单元的形状可以是一个标准的环形开口谐振环，也可以是呈非标准的环形开口谐振环，例如，该辐射单元为椭圆形的环形开口谐振环，又或者，该辐射单元可以是其他的谐振环结构，只要其能够形成环形电流即可，本申请实施例对谐振环的具体结构不做限定。
作为一种可能的实现方式，该天线还包括枝节，该枝节与该微带馈线贴合连接。
应理解，该枝节与该微带馈线贴合连接，可以理解为：该枝节可以是位于该微带馈线的末端，且与该微带馈线垂直，或者，也可以呈一定的交叉角度。应理解，该枝节与该微带馈线位于第一介质基板的背面。
通过该枝节，本申请实施例能够有效调整该天线的阻抗。
作为一种可能的实现方式，该第一贴片为圆形或者正方形。
具体地，当第一贴片的形状为圆形时，或者，当第一贴片的形状是正方形时，
作为一种可能的实现方式，该馈线的长度在0.1λ与0.3λ之间，且微带馈线的宽度是由阻抗值50ohm和第一介质基板的厚度以及介电常数决定，本申请实施例对此不做限定。该空心圆的半径在0.1λ与0.3λ之间。开口谐振环与空心圆的半径差值在0.01λ与0.04λ之间。开口谐振环的圆环宽度在0.01λ与0.04λ之间，开口谐振环的开口尺寸在0.01λ～0.04λ之间。第一贴片的尺寸在0.1λ与0.3λ之间。
图3是本申请实施例提供的一种双频双圆极化天线的平面结构示意图。具体如图3所示。图3所示的第一贴片为圆形，但本申请实施例对第一贴片的形状不做具体限定。该第二贴片的辐射单元是开口谐振环，图3所示的开口谐振环为环形开口谐振环，但本申请实施例对开口谐振环的形状不做具体限定。图3所示的微带馈线为一个长方形平面，但本申请实施例对微带馈线的形状也不做具体限定。
图4是本申请实施例提供的一种天线系统的示意结构图。具体如图4所示，该天线系统包括前述所述的任一种天线，双工器，以及双发一体芯片。其中，该双工器用于隔离接收信号与发送信号，该双发一体芯片用于收发双频双圆极化天线。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种双频双圆极化天线，其特征在于，所述天线包括：
第一贴片，用于辐射高频信号；
第二贴片，包括辐射单元与接地板，所述辐射单元用于辐射低频信号，所述接地板包括一个空心圆，所述辐射单元位于所述接地板的空心圆之内，所述辐射单元为开口谐振环；
微带馈线；
第一介质基板，用于放置所述第二贴片与所述微带馈线；
所述第一贴片在所述第二贴片之上，所述第一贴片与所述第二贴片之间有间隔，所述第二贴片在所述微带馈线之上；
其中，所述天线的尺寸在0.3×0.3×0.05λ与0.4×0.4×0.1λ之间，所述λ为所述天线工作的最低频率对应的波长。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线还包括：
第二介质基板，用于放置所述第一贴片与所述第二贴片。
3.根据权利要求1或2任一项所述的天线，其特征在于，所述天线还包括：
枝节，所述枝节与所述微带馈线贴合连接。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的天线，其特征在于，所述第一贴片为圆形或者正方形。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的天线，其特征在于，所述天线还包括至少一个馈电点。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的天线，其特征在于，所述开口谐振环为环形开口谐振环。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的天线，其特征在于，
所述微带馈线的长度在0.1λ与0.3λ之间；
所述接地板的空心圆的半径在0.1λ与0.3λ之间；
所述开口谐振环与所述接地板的空心圆的半径差值在0.01λ与0.04λ之间，所述开口谐振环的圆环宽度在0.01λ与0.04λ之间，所述开口谐振环的开口尺寸在0.01λ～0.04λ之间；
所述第一贴片的尺寸在0.1λ与0.3λ之间。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的天线，其特征在于，
所述第一贴片为圆形贴片，所述第二介质基板的厚度在0.01λ与0.04λ之间；或者，
所述第一贴片为正方形贴片，所述第二介质基板的厚度在0.01λ与0.02λ之间。
9.一种天线系统，其特征在于，所述天线系统包括权利要求1至8中任一项所述的天线，所述天线系统还包括：
双工器，用于隔离接收信号与发送信号；
收发一体芯片，用于收发双频双圆极化信号。
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