CN117458133A - 一种卫星天线及卫星通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及卫星天线领域，具体涉及一种卫星天线及卫星通信系统，本发明提供的卫星天线具有结构简单、成本低、剖面高度小、易于实现双极化辐射。本发明提供一种卫星天线，包括介质块(1)、金属底板(2)以及馈源，所述介质块(1)由多圈不同厚度的介质环组成，所述介质环由多个不同频段的介质环叠加组成，介质块(1)放置在金属底板(2)上，馈源设置在介质环中心，当馈源在介质环中心激励时，部分电磁波沿介质环传播，并在介质环边缘辐射出去，通过控制介质环之间的间距，使不同介质环边缘的衍射场相位一致并叠加，得到多频段高方向性的波束。本发明适用于卫星通信。
Description
技术领域
本发明涉及卫星天线领域，具体涉及一种卫星天线及卫星通信系统。
背景技术
卫星通信是一种利用人造卫星作为中继站，实现地面、空中或海上各地之间通信的一种通信方式。它的发展历史可以追溯到20世纪60年代初，随着技术的不断进步，卫星通信已经广泛应用，并成为现代通信领域不可或缺的一部分。卫星通信有很广泛的应用领域，可以为大量用户提供电话、互联网、广播和电视服务。在双向卫星通信系统中，下行链路和上行链路工作在不同的频段，通常以20GHz和30GHz为中心。作为卫星通信的关键组成部分，双频段卫星通信天线的研究是一个重要的研究领域。
目前，常见的固定波束高增益天线有阵列天线、透射阵天线、反射阵天线等。阵列天线具有低剖面的优点，但实现双频段，双极化辐射比较困难。透射阵天线和反射阵天线可以在双频段实现高增益辐射，但剖面高度比较大，不适用于低剖面应用场景，并且该天线只能在单频段工作。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种卫星天线及卫星通信系统，解决了传统天线存在的频段单一、剖面高度较大、结构复杂以及成本高的问题。
本发明采取如下技术方案实现上述目的，一种卫星天线，包括介质块1、金属底板2以及馈源，所述介质块1由多圈不同厚度的介质环组成，所述介质环由多个不同频段的介质环叠加组成，介质块1放置在金属底板2上，馈源设置在介质环中心，当馈源在介质环中心激励时，部分电磁波沿介质环传播，并在介质环边缘辐射出去，通过控制介质环之间的间距，使不同介质环边缘的衍射场相位一致并叠加，得到多频段高方向性的波束。
进一步的是，所述金属底板2上设置有圆形凹槽 5，所述介质块1放置在圆形凹槽5内，介质块1与圆形凹槽5粘接固定。
进一步的是，所述金属底板2下方设置有凸台，所述凸台上设置有方形馈电口3与底板定位孔4。
进一步的是，所述馈源上设置有馈电喇叭辐射口7与馈电喇叭定位孔6，方形馈电口3与馈电喇叭辐射口7通过底板定位孔4与馈电喇叭定位孔6连接。
进一步的是，所述方形馈电口3与馈电喇叭辐射口 7大小相同。
进一步的是，所述馈源内设置有馈电波导脊8，所述馈电波导脊8用于增加馈电结构带宽。
进一步的是，所述馈源上设置有馈电喇叭同轴接头定位孔9，所述馈电喇叭同轴接头定位孔9用于将同轴接头固定在馈源上。
进一步的是，所述馈源上还设置有馈电喇叭同轴探针伸入口10，所述馈电喇叭同轴探针伸入口10用于将同轴接头伸入到馈源内进行耦合馈电。
进一步的是，所述馈源为馈电喇叭。
一种卫星通信系统，包括信号发送机以及信号接收机，所述卫星通信系统还包括上述所述的卫星天线。
本发明的有益效果为：
1. 本发明通过组合不同高度、不同厚度、不同频段的介质圆环，通过在圆形介质块中心激励可以实现双频段的双极化高增益辐射。相比于同类型的天线，结构简单，成本低，易于实现。
2. 本发明介质块的选择对介电常数要求不高，不同介电常数的材料都可以应用于本发明，介电常数越高介质块的厚度越低，介电常数越低介质块的厚底越低，成本低。
3. 本发明不仅可以实现双频段天线，通过本发明的方案，多频段的双极化高增益天线也可以设计实现，应用性强。
附图说明
图1是本发明实施例提供的介质块3D示意图；
图2是本发明实施例提供的金属底板3D示意图；
图3是本发明实施例提供的馈源3D示意图；
图4是本发明实施例提供的一半介质块的侧视图；
图5是本发明实施例提供的设计实例的仿真和测试的反射系数示意图；
图6是本发明实施例提供的设计实例的仿真和测试的峰值增益和效率示意图；
图7是本发明实施例提供的工作原理示意图，其中（a）为电流源与介质块位置示意图，（b）为激发的电磁波及能量传播过程示意图，（c）为电流源、介质块及PEC位置示意图；
图8是本发明实施例提供的2个频段天线叠加示意图，（a）为工作在20GHz频段的天线示意图，（b）为工作在30GHz频段的天线示意图，（c）为工作在20GHz频段的天线与工作在30GHz频段的天线进行叠加后的结构示意图，（d）为对叠加后的天线进行优化后的结构示意图；
附图中，1为介质块，2为金属底板，3为方形馈电口，4为底板定位孔，5为圆形凹槽，6为馈电喇叭定位孔，7为馈电喇叭辐射口，8为馈电波导脊，9为馈电喇叭同轴接头定位孔，10为馈电喇叭同轴探针伸入口。
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、完整地描述。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，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的卫星天线，其核心结构为：该天线包括一组同心介质环、一个金属底板和一个宽带馈源，所述介质环由低损耗PLA（polylactice acid，聚乳酸）塑料制成，采用3D打印技术制造，所述金属基板由黄铜制成，所述馈源为一种脊波导喇叭天线，由铝合金制成，采用3D打印技术制造。
其核心原理为：当馈源在介质环中心激励时，部分电磁波沿介质环传播，并在介质环边缘辐射出去。通过控制介质环之间的间距，使不同介质环边缘的衍射场相位一致并叠加，从而实现高方向性的波束。由于环形结构的对称性，该天线能够支持双极化辐射。通过堆叠两个频段的介质环，可以实现双频段操作。本发明的有益效果是：该天线具有结构简单、成本低、剖面高度小、易于实现双极化辐射等独特优点，非常适合通信系统应用，如卫星通信。
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图1-4所示，本发明的卫星天线包括：介质块1、金属底板2、馈源，介质块1由多圈不同厚度的介质环组成，介质环由多个不同频段的介质环叠加组成，例如，可以两个频段的介质环组成，不同频段的介质环叠加在一起，没有先后关系。
图4为叠加融合后的一半介质块的侧视图，其中的各参数如下表(单位：MM)。
| r1 | r2 | r3 | r4 | r5 | r6 | r7 | r8 | r9 | r10 | r11 | r12 | r13 | r14 | h1 |
| 5.75 | 7.32 | 7.86 | 14.1 | 16.4 | 19.7 | 25.5 | 31.3 | 34.6 | 39.8 | 46.6 | 51.6 | 53.6 | 61.5 | 2.46 |
| h2 | h3 | h4 | h5 | h6 | h7 | h8 | h9 | |||||||
| 5.75 | 3.11 | 7.21 | 5.13 | 3.28 | 4.05 | 3.32 | 3.63 |
其中，r1-r14表示的是介质环的半径, h1-h9表示的是介质环的厚度。
金属底板2上设置有圆形凹槽 5，介质块1放置在圆形凹槽5内，介质块1与金属底板2通过环氧树脂粘接固定。
金属底板2下方设置有一个凸台，凸台上设置有方形馈电口3与底板定位孔4。馈源上设置有馈电喇叭辐射口7与馈电喇叭定位孔6，方形馈电口3与馈电喇叭辐射口7通过底板定位孔4与馈电喇叭定位孔6固定连接，其中方形馈电口3与馈电喇叭辐射口7大小相同。
馈源内设置有馈电波导脊8，馈电波导脊8 是为了是馈电结构带宽更宽，馈电结构需要覆盖20GHz和30GHz的频段。
馈源上设置有馈电喇叭同轴接头定位孔9，馈电喇叭同轴接头定位孔9 是为了将同轴接头能固定在馈电喇叭（馈源）上。
馈源上还设置有馈电喇叭同轴探针伸入口10，馈电喇叭同轴探针伸入口10是为了将同轴接头伸入到喇叭内进行耦合馈电。具体馈电方式是同轴接头通过馈电喇叭同轴接头定位孔9固定在馈电喇叭上，同轴探针插入喇叭内部激励馈电喇叭，馈电喇叭辐射能量到底板馈电口，馈电喇叭通过馈电喇叭定位孔6与金属底板2连接在一起。
本发明提出的卫星天线主要依据是惠更斯菲涅尔原理。如图7（a）和（b）所示，电流源放置在介质块中间时，激发的电磁波（Ei和Hi）向介质块传播，一部分能量（Et和Ht）透过介质向下一个介质块传播，另一部分（Er和Hr）会在介质块的边缘产生散射后辐射出去。能量会在传输核辐射过程中消耗。根据对菲涅尔区的计算，当介质块间距为整数倍二分之波长时，截止边缘辐射的能量可以同相叠加实现高方向性的辐射。可以看出这种天线与工作频率的波长严格相关，因此工作带宽较窄。不难得到，电流源可以换为磁流源。根据镜像原理，介质块下面可以换为PEC，如图7（c）所示，这样就可以实现单向高方向性的辐射。本发明通过在金属底板上开槽实现等效磁流。
本发明提供一种双频段研究过程，为了实现双频段，首先设计了工作在20GHz和30GHz两个频段的天线，如图8（a）和（b）所示，然后将两个频段的天线进行叠加，如图8（c）所示。由于20GHz频段的天线的介质块比较大，因此在叠加后，天线在20Ghz频段的方向图受到的影响较小，但在30Ghz无法实现高增益的辐射。我们对直接叠加后的结构进行了优化，除了对介质环的半径进行了调整，也对每个介质环的高度进行了优化，优化后如图8（d）所示。由于天线是由几个介质环组成，为了降低最终的组装误差，我们将每个介质环都放置在了一个介质圆盘上，这样3D打印就可以一体化打印，降低最终的组装误差和成本。
优化过程包括：根据频率和公式设计出8（a）和（b）后，将两个介质块直接叠加后形成8（c）。8（c）结构的天线在低频段辐射高增益但在高频段无法形成高增益波束。在8（c）的基础上使用遗传算法进行优化，实现了8（d）结构，实现了双频段高增益辐射。从8（c）结构开始优化可以大大减少优化时间，使优化更容易收敛，从而达到目标。
本发明提供一种设计方法，具体包括：首先根据需求确定两个合适的频段。一般两个频段不能相邻太远。选择合适的介质材料，为了提升效率，尽量选择损耗低的介质材料。根据所需的增益大致估算需要的口径面积。由于天线剖面很低，天线的口径效率也会很低（单频段天线口径效率一般在10%左右，双频段天线口径效率会更低）。计算每个频段的介质环尺寸，每个介质环圈之间的间距为半波长的整数倍。介质环宽度和厚度一般为半波长（都指的是单频段时的情况下的介质环宽度和厚度。最终的结构是由优化算法得到，没有特定的宽度和厚度。）。将两个频段的结构叠加在一起。然后对每个介质环的宽度，高度进行优化。最后设计馈源，根据实际需求设计宽带馈源或双频段馈源。常见的贴片天线或背腔槽天线都可以胜任。
设计实例的仿真和测试的反射系数如图5所示，可以看出，设计实例可以在20GHz和30GHz频段的反射系数都低于-10dB，仿真结果和实测结果基本吻合。
设计实例的峰值增益和辐射效率如图6所示，可以看出，设计实例可以在20GHz可以实现17.5dBi的峰值增益，在30Ghz频段可以实现20dBi的峰值增益，在两个频段的效率都高于80%。仿真结果和实测结果基本吻合。
综上所述，本发明提供的卫星天线具有结构简单、成本低、剖面高度小、易于实现双极化辐射等独特优点，非常适合通信系统应用，如卫星通信。
Claims (10)
1.一种卫星天线，其特征在于，包括介质块(1)、金属底板(2)以及馈源，所述介质块(1)由多圈不同厚度的介质环组成，所述介质环由多个不同频段的介质环叠加组成，介质块(1)放置在金属底板(2)上，馈源设置在介质环中心，当馈源在介质环中心激励时，部分电磁波沿介质环传播，并在介质环边缘辐射出去，通过控制介质环之间的间距，使不同介质环边缘的衍射场相位一致并叠加，得到多频段高方向性的波束。
2. 根据权利要求1所述的卫星天线，其特征在于，所述金属底板(2)上设置有圆形凹槽(5)，所述介质块(1)放置在圆形凹槽(5)内，介质块(1)与圆形凹槽(5)粘接固定。
3.根据权利要求1所述的卫星天线，其特征在于，所述金属底板(2)下方设置有凸台，所述凸台上设置有方形馈电口(3)与底板定位孔(4)。
4.根据权利要求3所述的卫星天线，其特征在于，所述馈源上设置有馈电喇叭辐射口(7)与馈电喇叭定位孔(6)，方形馈电口(3)与馈电喇叭辐射口(7)通过底板定位孔(4)与馈电喇叭定位孔(6)连接。
5. 根据权利要求4所述的卫星天线，其特征在于，所述方形馈电口(3)与馈电喇叭辐射口 (7)大小相同。
6.根据权利要求3所述的卫星天线，其特征在于，所述馈源内设置有馈电波导脊(8)，所述馈电波导脊(8)用于增加馈电结构带宽。
7.根据权利要求3所述的卫星天线，其特征在于，所述馈源上设置有馈电喇叭同轴接头定位孔(9)，所述馈电喇叭同轴接头定位孔(9)用于将同轴接头固定在馈源上。
8.根据权利要求3所述的卫星天线，其特征在于，所述馈源上还设置有馈电喇叭同轴探针伸入口(10)，所述馈电喇叭同轴探针伸入口(10)用于将同轴接头伸入到馈源内进行耦合馈电。
9.根据权利要求1所述的卫星天线，其特征在于，所述馈源为馈电喇叭。
10.一种卫星通信系统，包括信号发送机以及信号接收机，其特征在于，所述卫星通信系统还包括如权利要求1-9任意一项所述的卫星天线。
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