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CN114374087A - 一种基于耦合实现的宽带圆极化卫星导航天线 - Google Patents

一种基于耦合实现的宽带圆极化卫星导航天线 Download PDF

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CN114374087A
CN114374087A CN202111564643.5A CN202111564643A CN114374087A CN 114374087 A CN114374087 A CN 114374087A CN 202111564643 A CN202111564643 A CN 202111564643A CN 114374087 A CN114374087 A CN 114374087A
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CN
China
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antenna
coupling
excitation
array
symmetric array
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文乐虎
高式昌
任晓飞
吴健
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China Institute of Radio Wave Propagation CETC 22 Research Institute
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China Institute of Radio Wave Propagation CETC 22 Research Institute
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Abstract

本发明公开了一种基于耦合实现的宽带圆极化卫星导航天线，包括上层的天线辐射体和下层的天线反射板；在天线辐射体的介质板下层印刷激励对称阵子，介质板上层印刷角形耦合对称阵子和阶梯耦合方环；角形耦合对称阵子由两个中心对称的直角形金属贴片组成，两个直角形金属贴片通过高阻抗线相连；直角形金属贴片的一个直角金属边比另一个直角金属边细，较细的直角金属边与激励对称阵子相邻且平行；在阶梯耦合方环的中心开设罩住激励对称阵子和角形耦合对称阵子的十字形缝隙。本发明所公开的天线，辐射体仅由位于中心的激励对称阵子、角形耦合对称阵子和位于外围的阶梯耦合方环三个重要部分组成，结构简单紧凑。

Description

一种基于耦合实现的宽带圆极化卫星导航天线
技术领域
本发明属于圆极化卫星导航天线领域，特别涉及该领域中的一种基于耦合实现的宽带圆极化卫星导航天线。
背景技术
与线极化天线不同，圆极化天线可以在收发系统之间灵活摆放，而不用考虑天线的极化对齐。因此其受到无线电通信系统的广泛欢迎，在卫星、导航、雷达、射频识别等不同的系统中得到了广泛的应用。随着这些无线通信系统的发展，需要圆极化天线有越来越宽的阻抗轴比带宽、稳定的方向图和紧凑的天线辐射尺寸。
传统的圆极化天线可以通过在贴片上切角、加枝节、刻槽等方式实现天线的圆极化辐射。但由于受限于单馈电的方式，其圆极化辐射模式通常只有一个，很难获得较宽的轴比圆极化辐射带宽。通过引入宽带正交功分器或者耦合器，采用双馈电或者四馈电的圆极化微带贴片天线便可以获得相对较宽的圆极化辐射带宽。但由于引入额外的馈电网络，其插入损耗增加，辐射增益会有一定程度降低。为了获得更宽的圆极化辐射带宽，另外一种常用的方法便是采用十字交叉对称阵子。通常在十字交叉对称阵子中心引入环形90度移相线，这样较宽的圆极化辐射带宽便可以实现。同样，通过增加各式各样的耦合寄生辐射结构或短路寄生辐射等结构，十字交叉阵子天线的圆极化辐射带宽便可以得到广泛的提高。然而，随着圆极化辐射带宽的增加，受到天线反射板以及天线辐射口径的影响，宽带圆极化天线的远场方向图和辐射增益将会在工作频段的高频带处变得不稳定。也即天线的远场方向图在高频带处会变宽甚至出现裂瓣，而此时天线的增益会降低，甚至低至0dBic以下。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于耦合实现的宽带圆极化卫星导航天线。
本发明采用如下技术方案：
一种基于耦合实现的宽带圆极化卫星导航天线，其改进之处在于：包括上层的天线辐射体和下层的天线反射板；在天线辐射体的介质板下层印刷激励对称阵子，介质板上层印刷角形耦合对称阵子和阶梯耦合方环；一根同轴馈电电缆的上端外导体与激励对称阵子的一个臂相连，内导体与激励对称阵子的另外一个臂相连，下端外导体与天线反射板相连构成接地结构；另一根同轴馈电电缆的上端外导体与激励对称阵子的一个臂相连，下端外导体与天线反射板相连构成接地结构，两根同轴馈电电缆构成巴伦结构；角形耦合对称阵子由两个中心对称的直角形金属贴片组成，两个直角形金属贴片通过高阻抗线相连；直角形金属贴片的一个直角金属边比另一个直角金属边细，较细的直角金属边与激励对称阵子相邻且平行；在阶梯耦合方环的中心开设罩住激励对称阵子和角形耦合对称阵子的十字形缝隙。
进一步的，天线辐射体采用Rogers RO4003C介质板印刷加工而成。
进一步的，通过调整天线反射板的尺寸和与天线辐射体的间距，使天线获得稳定的辐射增益和方向图波瓣宽度。
进一步的，天线反射板的尺寸为200mm×200mm，天线辐射体与天线反射板的间距为50mm。
进一步的，激励对称阵子、角形耦合对称阵子和阶梯耦合方环呈中心对称和旋转对称结构。
进一步的，通过控制较细的直角金属边长度和离激励对称阵子的距离，使得较宽的直角金属边获得等幅90度延迟相位的正交激励。
进一步的，通过控制阶梯耦合方环的耦合距离和耦合长度，调节天线的阻抗带宽、圆极化辐射带宽以及天线辐射体的尺寸。
进一步的，天线的阻抗带宽为1.08—1.87GHz，回波反射系数小于—10dB；轴比带宽为1.1—1.74GHz，轴比小于3dB；天线的增益为7.6—8.4dBic，增益波动小于1dB，波瓣宽度在两个正交面均在69—74度范围内。
进一步的，天线应用在无线通信领域，包括卫星导航通信、雷达通信和射频识别；天线能扩展为天线阵列，天线阵列的形式包括线阵和面阵。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的天线，辐射体仅由位于中心的激励对称阵子、角形耦合对称阵子和位于外围的阶梯耦合方环三个重要部分组成，结构简单紧凑。通过合理调整激励对称阵子和角形耦合对称阵子间的耦合距离和耦合长度，使天线获得良好的圆极化辐射。通过合理调整阶梯耦合方环的耦合距离和耦合长度，使天线获得紧凑的结构、良好的阻抗工作带宽和圆极化辐射带宽。因该天线具有结构简单紧凑、工作频带宽、辐射性能稳定等特点，可以广泛应用于卫星导航通信、雷达通信、射频识别等无线通信领域。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开天线的三维立体结构示意图；
图2是本发明实施例1所公开天线辐射体的二维平面俯视结构示意图；
图3是本发明实施例1所公开天线的侧面结构示意图；
图4是本发明实施例1所公开天线的S参数结果图；
图5是本发明实施例1所公开天线的二维辐射方向图；
图6是本发明实施例1所公开天线的增益和半功率波瓣宽度数据图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，如图1-3所示，本实施例公开了一种基于耦合实现的宽带圆极化卫星导航天线，包括上层的天线辐射体1和下层的天线反射板2，天线辐射体采用Rogers RO4003C介质板印刷加工而成。通过调整天线反射板的尺寸和与天线辐射体的间距，使天线获得稳定的辐射增益和方向图波瓣宽度。本实施例天线反射板的尺寸为200mm×200mm，天线辐射体与天线反射板的间距为50mm。
在天线辐射体的介质板下层印刷激励对称阵子4，介质板上层印刷角形耦合对称阵子5和阶梯耦合方环6，激励对称阵子、角形耦合对称阵子和阶梯耦合方环呈中心对称和旋转对称结构，以保证天线获得稳定的远场辐射方向图、增益和半功率波瓣宽度。
一根同轴馈电电缆31的上端外导体与激励对称阵子的一个臂相连，内导体与激励对称阵子的另外一个臂相连，下端外导体与天线反射板相连构成接地结构。另一根同轴馈电电缆32的上端外导体与激励对称阵子的一个臂相连，下端外导体与天线反射板相连构成接地结构。单端输入的同轴馈电电缆31和短路接地的同轴馈电电缆32构成馈电巴伦结构，以达到平衡馈电。天线辐射体的激励对称阵子4由同轴馈电电缆31进行直接激励馈电，并对角形耦合对称阵子5和阶梯耦合方环6进行激励。
角形耦合对称阵子由两个中心对称的直角形金属贴片组成，两个直角形金属贴片通过细的高阻抗线53相连。直角形金属贴片的一个直角金属边52比另一个直角金属边51细，两个直角金属边的长度也不相同，分别起着不同的耦合和辐射作用。较细的直角金属边与激励对称阵子相邻且平行，起着幅度耦合和相位控制的作用。通过控制较细的直角金属边长度和离激励对称阵子的距离，可以有效地调节天线的圆极化辐射带宽，并使较宽的直角金属边获得等幅90度延迟相位的正交激励。结合直接激励的激励对称阵子和耦合激励而得的具有等幅90度延迟相位的角形耦合对称阵子，便可以激励出圆极化辐射波。
在阶梯耦合方环的中心开设罩住激励对称阵子和角形耦合对称阵子的十字形缝隙。十字形缝隙将阶梯耦合方环分隔为较宽部分61和较细部分62。通过控制阶梯耦合方环的耦合距离和耦合长度，可以有效地使天线获得更宽的阻抗带宽、圆极化辐射带宽和紧凑的天线辐射体尺寸。
天线可应用在卫星导航通信、雷达通信和射频识别等不同的无线通信领域；天线经过适当的调整可以扩展为天线阵列，天线阵列的形式包括但不限于线阵和面阵。
如图4所示，该天线的工作频段为1.1—1.74GHz。在工作频带内，天线的回波反射系数小于—10dB，天线的圆极化轴比小于3dB。
如图5所示，该天线的远场辐射方向图在工作频段可以获得稳定的定向辐射，其前后比优于16dB。
如图6所示，该天线在工作频带内具有稳定的增益和半功率波瓣宽度。其增益稳定在7.6—8.4dBic，其半功率波瓣宽度在两个正交面内稳定在69—74°之间。

Claims (9)

1.一种基于耦合实现的宽带圆极化卫星导航天线，其特征在于：包括上层的天线辐射体和下层的天线反射板；在天线辐射体的介质板下层印刷激励对称阵子，介质板上层印刷角形耦合对称阵子和阶梯耦合方环；一根同轴馈电电缆的上端外导体与激励对称阵子的一个臂相连，内导体与激励对称阵子的另外一个臂相连，下端外导体与天线反射板相连构成接地结构；另一根同轴馈电电缆的上端外导体与激励对称阵子的一个臂相连，下端外导体与天线反射板相连构成接地结构，两根同轴馈电电缆构成巴伦结构；角形耦合对称阵子由两个中心对称的直角形金属贴片组成，两个直角形金属贴片通过高阻抗线相连；直角形金属贴片的一个直角金属边比另一个直角金属边细，较细的直角金属边与激励对称阵子相邻且平行；在阶梯耦合方环的中心开设罩住激励对称阵子和角形耦合对称阵子的十字形缝隙。
2.根据权利要求1所述基于耦合实现的宽带圆极化卫星导航天线，其特征在于：天线辐射体采用Rogers RO4003C介质板印刷加工而成。
3.根据权利要求1所述基于耦合实现的宽带圆极化卫星导航天线，其特征在于：通过调整天线反射板的尺寸和与天线辐射体的间距，使天线获得稳定的辐射增益和方向图波瓣宽度。
4.根据权利要求1所述基于耦合实现的宽带圆极化卫星导航天线，其特征在于：天线反射板的尺寸为200mm×200mm，天线辐射体与天线反射板的间距为50mm。
5.根据权利要求1所述基于耦合实现的宽带圆极化卫星导航天线，其特征在于：激励对称阵子、角形耦合对称阵子和阶梯耦合方环呈中心对称和旋转对称结构。
6.根据权利要求1所述基于耦合实现的宽带圆极化卫星导航天线，其特征在于：通过控制较细的直角金属边长度和离激励对称阵子的距离，使得较宽的直角金属边获得等幅90度延迟相位的正交激励。
7.根据权利要求1所述基于耦合实现的宽带圆极化卫星导航天线，其特征在于：通过控制阶梯耦合方环的耦合距离和耦合长度，调节天线的阻抗带宽、圆极化辐射带宽以及天线辐射体的尺寸。
8.根据权利要求1所述基于耦合实现的宽带圆极化卫星导航天线，其特征在于：天线的阻抗带宽为1.08—1.87GHz，回波反射系数小于—10dB；轴比带宽为1.1—1.74GHz，轴比小于3dB；天线的增益为7.6—8.4dBic，增益波动小于1dB，波瓣宽度在两个正交面均在69—74度范围内。
9.根据权利要求1所述基于耦合实现的宽带圆极化卫星导航天线，其特征在于：天线应用在无线通信领域，包括卫星导航通信、雷达通信和射频识别；天线能扩展为天线阵列，天线阵列的形式包括线阵和面阵。
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