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CN115051148B - 一种超宽带正交极化双频平板天线 - Google Patents

一种超宽带正交极化双频平板天线 Download PDF

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CN115051148B CN202210852878.2A CN202210852878A CN115051148B CN 115051148 B CN115051148 B CN 115051148B CN 202210852878 A CN202210852878 A CN 202210852878A CN 115051148 B CN115051148 B CN 115051148B
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Abstract

本发明公开了一种超宽带正交极化双频平板天线，包括逐层连接的上层微带线、上层微带基板、上层微带背板、天线波导腔体、下层微带背板、下层微带基板和下层微带线。上层微带背板上设计有第一缝隙、第一对称缝隙和第二对称缝隙，下层微带背板上设计有第二缝隙。第一对称缝隙和第二对称缝隙正交设计，分别作为第一极化和第二极化的辐射缝隙。本发明的平板天线的双极化共面辐射，高效利用了辐射面积，使得平板天线具备轻量化、小型化、超薄的特点，并且，在超薄情况下仍能具有较高的辐射效率。

Description

一种超宽带正交极化双频平板天线
技术领域
本发明涉及卫星天线领域，尤其是一种超宽带正交极化双频平板天线。
背景技术
随着航天技术的发展，卫星通信担任的通信任务也越来越多，而地面卫星设备的便携功能也越来越重要。其中天线作为通信的重要组成模块，其性能的优劣直接影响着整套设备。
从设计功能要求来说，天线在电气性能上需要满足通信带宽以及相应的增益特性，而对于一些特殊功能的天线，还需要满足额外的要求。例如对于多频天线而言，需要满足收发分频的要求；对于正交极化天线而言，需要将频率设计为极化正交等。除此之外，对应于卫星通信设备趋于小型化设计的趋势，天线在结构上还需要满足尺寸小、剖面小、重量轻的需求。
现有的天线设计中，已经设计有能够满足小型化设计并且具备较高增益特性的平板天线，但是，在尺寸(尤其厚度)上，还有进一步提升的空间。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种超薄且增益特性和驻波特性优良的超宽带正交极化双频平板天线。
本发明采用的技术方案如下：
一种超宽带正交极化双频平板天线，其包括第一极化结构、第二极化结构以及天线波导腔体；所述第一极化结构和所述第二极化结构分别设置于所述天线波导腔体的前后两侧；
所述第一极化结构上设有第一极化馈电结构，以及第一极化和第二极化的辐射缝隙，第一极化和第二极化的辐射缝隙正交设计；
所述第二极化结构上设有第二极化馈电结构。
进一步的，所述第一极化馈电结构上设置有上层微带线以及第一馈电耦合缝隙，所述上层微带线耦合所述第一馈电耦合缝隙，馈电到所述天线波导腔体；所述第二极化馈电结构上设置有下层微带线以及第二馈电耦合缝隙，所述下层微带线耦合所述第二馈电耦合缝隙，馈电到所述天线波导腔体。
进一步的，所述第一极化结构包括上层微带基板和上层微带背板，所述上层微带线设置于所述上层微带基板表面，所述上层微带基板背面连接所述上层微带背板，所述上层微带背板连接于所述天线波导腔体上；所述第二极化结构包括下层微带基板和下层微带背板，所述下层微带线设置于所述下层微带基板表面，所述下层微带基板背面连接所述下层微带背板，所述下层微带背板连接于所述天线波导腔体；
所述第一馈电耦合缝隙、所述第一极化和第二极化的辐射缝隙均开设于所述上层微带背板上，所述第二馈电耦合缝隙开设于所述下层微带背板上。
进一步的，所述第一极化的辐射缝隙包括第一对称缝隙，所述第一对称缝隙对称设置于所述第一馈电耦合缝隙的长度方向的两侧，且平行于所述第一馈电耦合缝隙。
进一步的，所述第一对称缝隙的两条缝隙的中点与所述第一馈电耦合缝隙的中点共线。
进一步的，所述第二极化的辐射缝隙包括第二对称缝隙，所述第二对称缝隙对称设置于所述第一馈电耦合缝隙的长度方向的两端，且垂直于所述第一馈电耦合缝隙。
进一步的，所述第二对称缝隙的两条缝隙的中点与所述第一馈电耦合缝隙共线。
进一步的，所述第一对称缝隙较所述第二对称缝隙长，且所述第二对称缝隙位于所述第一对称缝隙的两条缝隙之间。
进一步的，所述上层微带基板、上层微带背板、天线波导腔体、下层微带背板和下层微带基板均采用介电常数为2.2的材质制成。
进一步的，所述天线波导腔体的厚度为3毫米，所述第一极化结构和第二极化结构的厚度均为0.5毫米。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明的平板天线结构简单，加工难度小，制作成本低，具有轻量化、小型化、超薄的特点，便于在便携式卫星通信终端上的布置安装。
2、本发明的平板天线在超薄设计的情况下，仍能够得到较高的辐射效率。
3、本发明的平板天线的双极化共面辐射，高效利用了辐射面积。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明平板天线一个优选实施例的爆炸图。
图2是本发明平板天线第一极化结构的结构示意图。
图3是本发明平板天线的天线波导腔体的结构示意图。
图4是本发明平板天线第二极化结构的结构示意图。
图5是本发明平板天线一个优选示例的整体结构示图。
图6是本发明平板天线一个优选实施例的驻波特性仿真图。
图7是本发明平板天线一个优选实施例的增益特性仿真图。
图中，1为上层微带线，2为上层微带基板，3为上层微带背板，4为天线波导腔体，5为下层微带背板，6为下层微带基板，7为下层微带线，3-1为第一对称缝隙，3-2为第二对称缝隙，3-3为第一缝隙，5-1为第二缝隙。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例一
本实施例公开了一种超宽带正交极化双频平板天线，如图1所示，包括上层微带线1、上层微带基板2、上层微带背板3、天线波导腔体4、下层微带背板5、下层微带基板6和下层微带线7，其中上层微带线1、上层微带基板2和上层微带背板3构成了平板天线的第一极化结构，在上层微带背板3上设计有第一极化和第二极化的辐射缝隙，第一极化和第二极化的辐射缝隙正交设计；下层微带背板5、下层微带基板6和下层微带线7构成了平板天线的第二极化结构。在上层微带背板3上，设置有第一极化的馈电耦合缝隙(可称为第一馈电耦合缝隙)；在下层微带背板5上，设置有第二极化的馈电耦合缝隙(可称为第二馈电耦合缝隙)。
具体的，上层微带线1连接于上层微带基板2表面，上层微带基板2的背面连接上层微带背板3，上层微带背板3则连接于天线波导腔体4的一侧。天线波导腔体4的另一侧连接下层微带背板5，该下层微带背板5的另一侧连接下层微带基板6的背面，下层微带线7设置于下层微带基板6的表面。第一极化通过上层微带线1耦合第一馈电耦合缝隙馈电到天线波导腔体4，上层微带线1和第一馈电耦合缝隙构成第一极化馈电结构；第二极化通过下层微带线7耦合第二馈电耦合缝隙馈电到天线波导腔体4，下层微带线7和第二馈电耦合缝隙构成第二极化馈电结构。
如图2所示，在上层微带背板3上正交设置有第一对称缝隙3-1、第二对称缝隙3-2和第一缝隙3-3，该第一缝隙3-3作为第一极化的馈电耦合缝隙。在下层微带背板5上开设有第二缝隙5-1，该第二缝隙5-1与第一缝隙3-3垂直，第二缝隙5-1作为第二极化的馈电耦合缝隙。第一对称缝隙3-1的两条缝隙均与第一缝隙3-3平行，第一对称缝隙3-1对称设置于第一缝隙3-3长度方向的两侧，且第一对称缝隙3-1两条缝隙的中点与第一缝隙3-3的中点共线；第二对称缝隙3-2的两条缝隙均与第一缝隙3-3垂直，第二对称缝隙3-2对称设置于第一缝隙3-3长度方向的两端(不连通)，且第二对称缝隙3-2两条缝隙的中点与第一缝隙3-3共线。第一对称缝隙3-1作为第一极化的辐射缝隙，上层微带线1耦合第一缝隙3-3，馈电到天线波导腔体4，通过第一对称缝隙3-1切割天线波导腔体4的电流，获得激励，从而辐射电磁波；第二对称缝隙3-2作为第二极化的辐射缝隙，下层微带线7耦合下层微带背板5上的第二缝隙5-1，馈电到天线波导腔体4，通过第二对称缝隙3-2切割天线波导腔体4的电流，获得激励，从而辐射电磁波。两对称缝隙正交设计，遂达到了第一极化和第二极化的正交。
第一极化和第二极化的辐射缝隙的尺寸在一些实施方式中，可以根据需要进行优化调整，以达到辐射不同频段电磁波的目的。同样的，馈电耦合缝隙的尺寸也可以调整，以优化平板天线的驻波。当然，具体的优化过程需要根据具体需求而定，依据宽边切割缝隙波导的基本公式，初步确定辐射频点的初始辐射尺寸。在一些实施例中，以第一极化辐射较第二极化频率低的电磁波为例，将第一对称缝隙3-1的长度设计得较第二对称缝隙3-2长，并且，第二对称缝隙3-2位于第一对称缝隙3-1的两条缝隙之间。在初步确定好尺寸后，本实施例对所设计的天线进行了仿真测试。
如图2-图5所示，本实施例对天线上层微带线1、上层微带基板2、上层微带背板3、天线波导腔体4、下层微带背板5、下层微带基板6和下层微带线7的尺寸均进行了详细的设计，单位为毫米。就材料而言，可采用介电常数2.2的板材。结合商业ANSOFT公司的专业电磁仿真软件HFSS对正交双频天线进行仿真优化。如图6所示，为测试得到的天线驻波仿真曲线，图7为天线高低频正交增益方向图曲线。由图6、图7可以看出，天线驻波在10.7-13GHz/13.7-15GHz低于2.0，低频增益大于7.0dB，高频增益≥8.5dB，辐射带宽低频达到了20％，高频达到了12％。天线的驻波带宽和辐射带宽满足卫星通信ku频段的全部指标。而根据天线的尺寸和增益曲线可以得出天线辐射效率高。由附图5-图7可以看出，本设计的天线的尺寸可以做到仅4毫米的厚度，在此情况下仍能够使最低频点处效率达到85％，驻波带宽达到20％。
实施例二
参见附图1-附图5，本实施例公开了另一种超宽带正交极化双频平板天线，包括上层微带线1、上层微带基板2、上层微带背板3、天线波导腔体4、下层微带背板5、下层微带基板6和下层微带线7，其中上层微带线1、上层微带基板2和上层微带背板3构成了平板天线的第一极化结构，在上层微带背板3上设计有第一极化的辐射缝隙；下层微带背板5、下层微带基板6和下层微带线7构成了平板天线的第二极化结构，在下层微带背板5上设计有第二极化的辐射缝隙，第一极化和第二极化的辐射缝隙正交设计。在上层微带背板3上，设置有第一极化的馈电耦合缝隙(可称为第一馈电耦合缝隙)，在下层微带背板5上，设置有第二极化的馈电耦合缝隙(可称为第二馈电耦合缝隙)，第一馈电耦合缝隙和第二馈电耦合缝隙相互垂直。
具体的，上层微带线1连接于上层微带基板2表面，上层微带基板2的背面连接上层微带背板3，上层微带背板3则连接于天线波导腔体4的一侧。天线波导腔体4的另一侧连接下层微带背板5，该下层微带背板5的另一侧连接下层微带基板6的背面，下层微带线7设置于下层微带基板6的表面。第一极化通过上层微带线1耦合第一馈电耦合缝隙馈电到天线波导腔体4，上层微带线1和第一馈电耦合缝隙构成第一极化馈电结构；第二极化通过下层微带线7耦合第二馈电耦合缝隙馈电到天线波导腔体4，下层微带线7和第二馈电耦合缝隙构成第二极化馈电结构。
在上层微带背板3上正交设置有第一对称缝隙3-1和第一缝隙3-3，该第一缝隙3-3作为第一极化的馈电耦合缝隙。在下层微带背板5上开设有第二对称缝隙3-2和第二缝隙5-1，该第二缝隙5-1与第一缝隙3-3垂直，第二缝隙5-1作为第二极化的馈电耦合缝隙。第一对称缝隙3-1的两条缝隙均与第一缝隙3-3平行，第一对称缝隙3-1对称设置于第一缝隙3-3长度方向的两侧，且第一对称缝隙3-1两条缝隙的中点与第一缝隙3-3的中点共线。第二对称缝隙3-2的两条缝隙均与第二缝隙5-1平行，第二对称缝隙3-2对称设置于第二缝隙5-1长度方向的两侧，且第二对称缝隙3-2两条缝隙的中点与第二缝隙5-1的中点共线。第一对称缝隙3-1作为第一极化的辐射缝隙，上层微带线1耦合第一缝隙3-3，馈电到天线波导腔体4，通过第一对称缝隙3-1切割天线波导腔体4的电流，获得激励，从而辐射电磁波；第二对称缝隙3-2作为第二极化的辐射缝隙，下层微带线7耦合下层微带背板5上的第二缝隙5-1，馈电到天线波导腔体4，通过第二对称缝隙3-2切割天线波导腔体4的电流，获得激励，从而辐射电磁波。两对称缝隙正交设计，遂达到了第一极化和第二极化的正交。
此实施例二与实施例一的区别是对于第二对称缝隙3-2位置的平移到下层微带背板上，在效果上，则会使得原本朝一个方向辐射的双频电磁波会朝两个相反的方向辐射。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种超宽带正交极化双频平板天线，其特征在于，包括第一极化结构、第二极化结构以及天线波导腔体（4）；所述第一极化结构和所述第二极化结构分别设置于所述天线波导腔体（4）的前后两侧；
所述第一极化结构上设有第一极化馈电结构，以及第一极化和第二极化的辐射缝隙，第一极化和第二极化的辐射缝隙正交设计；所述第一极化馈电结构上设置有上层微带线（1）以及第一馈电耦合缝隙，所述上层微带线（1）耦合所述第一馈电耦合缝隙，馈电到所述天线波导腔体（4）；所述第一极化结构包括上层微带基板（2）和上层微带背板（3），所述上层微带线（1）设置于所述上层微带基板（2）表面，所述上层微带基板（2）背面连接所述上层微带背板（3），所述上层微带背板（3）连接于所述天线波导腔体（4）上；所述第一馈电耦合缝隙、所述第一极化和第二极化的辐射缝隙均开设于所述上层微带背板（3）上；所述第一极化的辐射缝隙包括第一对称缝隙（3-1），所述第一对称缝隙（3-1）对称设置于所述第一馈电耦合缝隙的长度方向的两侧，且平行于所述第一馈电耦合缝隙；第二极化的辐射缝隙包括第二对称缝隙（3-2），所述第二对称缝隙（3-2）对称设置于所述第一馈电耦合缝隙的长度方向的两端，且垂直于所述第一馈电耦合缝隙；
所述第二极化结构上设有第二极化馈电结构；所述第二极化馈电结构上设置有下层微带线（7）以及第二馈电耦合缝隙，所述下层微带线（7）耦合所述第二馈电耦合缝隙，馈电到所述天线波导腔体（4）；所述第二极化结构包括下层微带基板（6）和下层微带背板（5），所述下层微带线（7）设置于所述下层微带基板（6）表面，所述下层微带基板（6）背面连接所述下层微带背板（5），所述下层微带背板（5）连接于所述天线波导腔体（4）；所述第二馈电耦合缝隙开设于所述下层微带背板（5）上。
2.如权利要求1所述的超宽带正交极化双频平板天线，其特征在于，所述第一对称缝隙（3-1）的两条缝隙的中点与所述第一馈电耦合缝隙的中点共线。
3.如权利要求1或2所述的超宽带正交极化双频平板天线，其特征在于，所述第二对称缝隙（3-2）的两条缝隙的中点与所述第一馈电耦合缝隙共线。
4.如权利要求1或2所述的超宽带正交极化双频平板天线，其特征在于，所述第一对称缝隙（3-1）较所述第二对称缝隙（3-2）长，且所述第二对称缝隙（3-2）位于所述第一对称缝隙（3-1）的两条缝隙之间。
5.如权利要求1所述的超宽带正交极化双频平板天线，其特征在于，所述上层微带基板（2）、上层微带背板（3）、天线波导腔体（4）、下层微带背板（5）和下层微带基板（6）均采用介电常数为2.2的材质制成。
6.如权利要求1或5所述的超宽带正交极化双频平板天线，其特征在于，所述天线波导腔体（4）的厚度为3毫米，所述第一极化结构和第二极化结构的厚度均为0.5毫米。
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