CN201904439U - 一种具有立体馈电网络的s频段四点馈电贴片圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有立体馈电网络的S频段四点馈电贴片圆极化天线，其馈电网络由三个并排竖直排列的矩形同轴线型混合环级联而成；每个同轴线型混合环均为方空气同轴形式；三个同轴线型混合环的输入端口输入的信号等幅反相分配给两个输出端口；两个位于外侧的同轴线型混合环的两个输出端口分别接移相段；相位超前的输出端口所接移相段比相位滞后的输出端口所接的移相段长λ/4。本实用新型中的馈电网络采用了立体结构，并对三个同轴线型混合环的结构由普通的圆环状结构改成矩形结构，使三个同轴线型混合环在组合成网络时能够直接对接，省去了额外的连接传输线，使网络的结构紧凑、尺寸小、易加工，有效解决了阵元天线横向尺寸过大的问题。

Description

一种具有立体馈电网络的S频段四点馈电贴片圆极化天线

技术领域

本实用新型属于天线技术领域，特别涉及一种四点馈电的贴片圆极化天线。

背景技术

进入上世纪90年代后，通信卫星受到通信技术的进步影响，出现了许多面向个人用户服务的新型通信卫星，如静止轨道移动通信卫星、音频广播通信卫星、宽带多媒体通信卫星等。这些卫星的显著特点就是通信卫星的有效载荷均采用了许多新技术、新手段。尤其是移动通信卫星和音频广播卫星无一例外采用了大型可展开多波束天线，面向移动终端和个人用户提供卫星通信业务。

为了产生多个波束，大型可展开多波束天线反射器的照射源为由若干个阵元组成的馈源阵。多波束天线馈源阵中的阵元天线，在结构上对其横向尺寸有严格要求，如果横向尺寸过大，组阵时两两阵元天线之间就会形成结构干涉而无法组阵。因此根据波束设计要求，馈源阵中两两阵元之间需要满足一定的间距。当两个阵元之间的距离给定后，在设计阵元天线的时候，必须使得设计的阵元天线横向尺寸不能超过两个阵元之间的距离，否则会引起结构干涉，无法组阵。再者，阵元天线必须要有低的损耗，这样才能提高多波束天线的EIRP值和G/T值。

如果按照平面结构进行设计，则馈电网络的横向尺寸过大，只能单独使用，无法实现组阵。现有四点馈电圆极化网络一般采用微带或者带状线进行馈电网络的设计，这种馈电网络虽然比较轻薄，但是其损耗大。另外，在双点馈电圆极化网络的设计中也有采用空气同轴形式，但是这种形式的贴片圆极化天线，轴比性能远远不如采用四点馈电的圆极化网络形成的贴片圆极化天线。

实用新型内容

本实用新型的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种低损耗、能组阵的S频段四点馈电贴片圆极化天线。

本实用新型的技术解决方案是：一种具有立体馈电网络的S频段四点馈电贴片圆极化天线，由辐射部分和馈电网络组成，辐射部分包括辐射腔体、下层贴片、上层贴片和聚酰亚胺支撑棒；所述的馈电网络由三个并排竖直排列的矩形同轴线型混合环级联而成；同轴线型混合环一和同轴线型混合环二结构形式完全相同，同轴线型混合环三位于同轴线型混合环一和同轴线型混合环二中间，起到功率平均分配和相位延迟的作用；每个同轴线型混合环为方空气同轴形式，方空气同轴的内导体和外导体之间使用介质支撑进行支撑；三个同轴线型混合环的输入端口输入的信号等幅反相分配给两个输出端口，其中相位滞后的输出端口比相位超前的输出端口相位滞后180°；同轴线型混合环一和同轴线型混合环二的两个输出端口分别接移相段；相位超前的输出端口所接移相段比相位滞后的输出端口所接的移相段长λ/4；四个移相段的输出端口构成馈电网络的输出端口；同轴线型混合环三相位滞后的输出端口与同轴线型混合环一的输入端口相连；同轴线型混合环三的相位超前的输出端口与同轴线型混合环二的输入端口相连。

所述方形空气同轴的内导体和外导体之间使用的介质支撑为聚酰亚胺。

所述方空气同轴的内导体和外导体表面镀银。

所述同轴线型混合环一的输入端口、同轴线型混合环二的输入端口和同轴线型混合环三的相位滞后输出端口及相位超前输出端口均为L形方同轴到圆同轴转换的形式。

本实用新型与现有技术相比的有益效果是：

(1)本实用新型中的馈电网络采用了立体结构，并对三个组成馈电网络的同轴线型混合环的结构做了改进，即由普通的圆环状结构改成矩形结构，使得三个同轴线型混合环在组合成网络时能够直接对接，省去了额外的连接传输线，使得网络的结构紧凑、尺寸小、易加工，有效解决了阵元天线横向尺寸过大的问题，使得组阵得以实现。图1为现有技术同轴线型混合环的原理图；图2为本实用新型的同轴线型混合环原理图。可以看到虽然两者的工作原理一致，但现有技术的同轴线型混合环为圆环形结构，在组合成网络时不能直接对接，需要额外的连接传输线，会导致结构复杂、尺寸大。

(2)本实用新型的馈电网络采用空气同轴形式，并在方空气同轴的内导体和外导体表面镀银，有效降低了天线的损耗。

(3)本实用新型馈电网络的同轴线型混合环之间通过L形方同轴到圆同轴转换的形式，不需要多次弯曲或额外的连接线，进一步使整个天线的结构紧凑、尺寸小。

附图说明

图1为普通同轴线型混合环结构原理图；

图2为改进后的同轴线型混合环结构原理图；

图3为本实用新型的三维示意图；

图4为本实用新型的主视图；

图5为本实用新型的侧视图；

图6为馈电网络级联示意图；

图7为同轴线型混合环一和移相段结构示意图；

图8为同轴线型混合环二和移相段结构示意图；

图9为同轴线型混合环三的结构示意图；

图10(a)、10(b)为下行中心频率的轴比和辐射方向图仿真结果；

图11(a)、11(b)为上行中心频率的轴比和辐射方向图仿真结果；

图12(a)、12(b)为下行中心频率的轴比和辐射方向图实测结果；

图13(a)、13(b)为上行中心频率的轴比和辐射方向图实测结果。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图3、4、5所示，本实用新型的一种具有立体馈电网络的S频段四点馈电贴片圆极化天线，由辐射部分和馈电网络组成，辐射部分包括辐射腔体10、下层贴片11、上层贴片12和聚酰亚胺支撑棒13；所述的馈电网络2由三个同轴线型混合环级联而成。

如图6、7、8、9所示，为本实用新型馈电网络的级联示意图。馈电网络由三个同轴线型混合环级联而成；同轴线型混合环一20、同轴线型混合环二21和同轴线型混合环三22均为矩形环结构。

同轴线型混合环一20和同轴线型混合环二21结构形式完全相同。三个同轴线型混合环并排竖直排列，同轴线型混合环三22位于同轴线型混合环一和同轴线型混合环二中间，起到功率平均分配和相位延迟的作用。

每个同轴线型混合环为立体的方空气同轴形式，方空气同轴的内导体3和外导体4之间使用介质支撑进行支撑。内导体3和外导体4的表面镀银，以降低损耗。本实施例中的介质支撑的个数为22个，材料为聚酰亚胺。

三个同轴线型混合环的输入端口输入的信号等幅反相分配给两个输出端口，其中相位滞后的输出端口比相位超前的输出端口相位滞后180°；同轴线型混合环一和同轴线型混合环二的两个输出端口分别接移相段，相位超前的输出端口所接移相段比相位滞后的输出端口所接的移相段长λ/4；四个移相段的输出端口构成馈电网络的输出端口。

同轴线型混合环三22的输入端口220做为整个天线输入端口；同轴线型混合环三22的相位滞后输出端口221与同轴线型混合环一20的输入端口202相连；同轴线型混合环三22的相位超前输出端口222与同轴线型混合环二21的输入端口212相连。其中同轴线型混合环一20的输入端口202、同轴线型混合环二21的输入端口212和同轴线型混合环三的相位滞后输出端口221及相位超前输出端口222都为L形方同轴到圆同轴转换的形式。

三个同轴线型混合环的结构都设计成矩形环的形式，配合L形方同轴到圆同轴转换，可以使得三个同轴线型混合环立体级联时结构非常紧凑。同轴线型混合环一20的相位滞后输出端口200与移相段一6的输入端口61相接，相位超前输出端口201与移相段二7的输入端口71相接；同轴线型混合环二21的相位滞后输出端口210与移相段三8的输入端口81相接，相位超前输出端口211与移相段四9的输入端口91相接。其中移相段一6与移相段三8结构完全相同；移相段二7与移相段四9结构完全相同，并且移相段一6与移相段三8比移相段二7与移相段四9短λ/4。移相段一6的输出端口(60)，移相段二7的输出端口70，移相段三8的输出端口80与移相段四9的输出端口90做为整个馈电网络的输出端口，馈电网络的设计必须使得输出端口60与输出端口70、输出端口70与输出端口80、输出端口80与输出端口90以及输出端口90与输出端口60之间的距离d相等。

通过以上方案的设计，可以使得从馈电网络的输入端口220输入的信号，通过馈电网络后在输出端口60、输出端口70、输出端口80和输出端口90上形成四路等功分，相位依次相差90°的信号。适当调节d值，可以使得整个天线具有良好的匹配和良好的圆极化性能。

本实施例中，根据某S频段多波束天线波束设计结果，要求馈源阵阵元天线间间距小于150mm，每个阵元天线的轴比在±50°内小于2dB，且正前方峰值增益要求大于9.5dBi。

根据此要求，设计的四点馈电贴片圆极化天线的辐射部分横向尺寸为135.6mm，满足组阵要求。

由于同轴线型混合环的周长为1.5λ，是固定值，为了使馈电网络的纵向长度最小，必须在满足组阵条件的情况下尽量加长横向尺寸。根据反复调整，最终确定的同轴线线型混合环的矩形长度为97.2mm，宽度为25.2mm。加上两个移相段，同轴线型混合环一20和同轴线型混合环二21的横向距离最大为114.76mm；加上馈电网络输入段的传输线，同轴线型混合环三22的最大横向尺寸为114.36mm。由于三个同轴线型混合环在组成馈电网络的时候需要一定的错位，最终的馈电网络横向尺寸为131.32mm，馈电网络横向外包络的最大尺寸为148mm，满足组阵要求。在整个馈电网络刚好满足组阵条件的情况下，馈电网络的纵向尺寸达到了最小，为122.35mm。

本实用新型的电性能设计结果见图10、图11，实测结果见图12、图13。其中，图10(a)、10(b)为下行中心频率的轴比和辐射方向图仿真结果；图11(a)、11(b)为上行中心频率的轴比和辐射方向图仿真结果。图12(a)、12(b)为下行中心频率的轴比和辐射方向图实测结果；图13(a)、13(b)为上行中心频率的轴比和辐射方向图实测结果。

可以看到，天线下行中心频率实测最差结果为：轴比在±50°内小于1dB，峰值增益为9.83dBi。损耗仅0.223dB。天线上行中心频率实测最差结果为：轴比在±50°内小于1.5dB，峰值增益为10.4dBi。损耗仅0.192dB。达到了预期效果。

本实用新型也可用在L频段的四点馈电贴片圆极化天线。

本实用新型说明书未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种具有立体馈电网络的S频段四点馈电贴片圆极化天线，由辐射部分(1)和馈电网络(2)组成，辐射部分包括辐射腔体(10)、下层贴片(11)、上层贴片(12)和聚酰亚胺支撑棒(13)，其特征在于：所述的馈电网络(2)由三个并排竖直排列的矩形同轴线型混合环级联而成；同轴线型混合环一(20)和同轴线型混合环二(21)结构形式完全相同，同轴线型混合环三(22)位于同轴线型混合环一(20)和同轴线型混合环二(21)中间，起到功率平均分配和相位延迟的作用；每个同轴线型混合环均为方空气同轴形式，方空气同轴的内导体(3)和外导体(4)之间使用介质支撑进行支撑；三个同轴线型混合环的输入端口输入的信号等幅反相分配给两个输出端口，其中相位滞后的输出端口比相位超前的输出端口相位滞后180°；同轴线型混合环一(20)和同轴线型混合环二(21)的两个输出端口分别接移相段；相位超前的输出端口所接移相段比相位滞后的输出端口所接的移相段长λ/4；四个移相段的输出端口构成馈电网络的输出端口；同轴线型混合环三(22)相位滞后的输出端口与同轴线型混合环一(20)的输入端口相连；同轴线型混合环三(22)的相位超前的输出端口与同轴线型混合环二(21)的输入端口相连。

2.根据权利要求1的一种具有立体馈电网络的S频段四点馈电贴片圆极化天线，其特征在于：所述方形空气同轴的内导体(3)和外导体(4)之间使用的介质支撑为聚酰亚胺。

3.根据权利要求1或2的一种具有立体馈电网络的S频段四点馈电贴片圆极化天线，其特征在于：所述方空气同轴的内导体(3)和外导体(4)表面镀银。

4.根据权利要求1或2的一种具有立体馈电网络的S频段四点馈电贴片圆极化天线，其特征在于：所述同轴线型混合环一(20)的输入端口、同轴线型混合环二(21)的输入端口和同轴线型混合环三(22)的相位滞后输出端口及相位超前输出端口均为L形方同轴到圆同轴转换的形式。

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