CN107732438A - 一种宽波束圆极化收发共用小卫星天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽波束圆极化收发共用小卫星天线，包括圆形金属底板、金属圆台、圆形辐射体和电桥；所述金属圆台为空心圆台，金属圆台面积大的底面固定在圆形金属底板中心，金属圆台顶面固定在圆形辐射体底面中心，且圆形辐射体的直径大于金属圆台顶面直径，小于圆形金属底板的直径，电桥设置在金属圆台内，且固定于其顶面内壁。本发明在频段范围内‑1dBi增益能够覆盖俯仰角‑85°~85°（其中0°代表天线轴向）、方位角0°~360°的空域范围；具有右旋圆极化端口和左旋圆极化端口，实现天线的圆极化收发共用；具有体积小、重量轻、结构及加工工艺简单的优点。

Description

一种宽波束圆极化收发共用小卫星天线
技术领域
本发明属于卫星天线领域，具体涉及一种宽波束圆极化收发共用小卫星天线。
背景技术
低轨卫星是相对地球同步轨道卫星而言，主要指运行于椭圆轨道上并存在明显近地点的卫星，一般为重量小、寿命短的小型卫星。主要应用于测绘、探测、照相和卫星通话等要求解析精度高、信号衰减小的近地通信和测量场合。低轨卫星由于存在明显近地点，此时卫星发射的电磁波到达地面直线距离很短，有利于用天线增益较低、发射功率较小的便携设备收发，因此常被用做卫星定位***（GPS）、便携式卫星电话等低增益天线设备的通信信源或中继站。高质量、大容量、高增益覆盖率是人们对现代卫星通信提出的要求。
卫星天线多采用圆极化辐射，这有很多优点：可以消除电离层产生的法拉第旋转效应；不需要极化跟踪；收发天线采用不同的极化旋向，可以提高收发天线隔离度性以降低接收机的设计难度。另外根据电磁场理论，圆极化电磁波入射到导体平面后，其反射波的极化旋向相反，因此星上金属反射物体对于圆极化天线的性能影响很小。
多波束天线是现代卫星通信新技术中非常重要的一项，但多波束天线是一个高复杂性的天线***，具有复杂的阵列形式或复杂的波束形成网络。
四臂螺旋天线具有良好的半球心形方向图，其优良的宽波束和圆极化特性被广泛应用于卫星通信，但在有限的空间体积内，单个螺旋天线并不能实现左右旋圆极化的收发共用。
微带天线因其可共形、重量轻、成本低、易组装成阵列、易采用微波集成电路加工、易实现圆极化等特点，在卫星通信、航空航天通信和移动通信终端等便携式通信设备中都有广泛应用。但传统微带天线波束宽度较窄，一般在70°~110°左右，且低仰角时增益较低。微带天线实现圆极化大致有单馈、多馈和多元三大类方法，单馈法实现方式最简单，但带宽相对较窄；多馈法一般包括双馈和四馈，双馈法实现网络较为简单，四馈法的馈电网络较为复杂；多元法可理解为天线阵，结构尺寸大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽波束圆极化收发共用小卫星天线，解决了当收发同频时螺旋天线不能收发共用、微带天线波束宽度较窄等问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种宽波束圆极化收发共用小卫星天线，包括圆形金属底板、金属圆台、圆形辐射体和电桥；所述金属圆台为空心圆台，金属圆台面积大的底面固定在圆形金属底板中心，金属圆台顶面固定在圆形辐射体底面中心，且圆形辐射体的直径大于金属圆台顶面直径，小于圆形金属底板的直径，电桥设置在金属圆台内，且固定于其顶面内壁。
所述圆形辐射体包括两面覆铜的辐射体介质基片，辐射体介质基片底面与金属圆台顶面固连，并去除底面不与金属圆台接触面上的覆铜层，辐射体介质基片顶面的覆铜层为圆形，其直径小于金属圆台顶面直径，将其作为微带贴片。
所述电桥包括两面覆铜的电桥介质基片，顶面固定于金属圆台的顶面内壁，底面腐蚀形成微带电桥。
所述微带电桥采用3dB定向耦合器结构，包括两个第一端口、两个第二端口和两个探针，金属凸台顶面设有两个通孔，两个第一端口信号幅度相等且相位正交，每个第一端口上接有一个探针，探针穿过上述通孔，通过探针给所述辐射体的微带圆形贴片馈电以实现圆极化，两个第二端口根据产生的圆极化波的旋向分别为右旋圆极化端口和左旋圆极化端口。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
（1）本发明采用延伸辐射体介质基片及三维接地结构和折叠导体墙的技术，来展宽微带天线波束宽度，提高低仰角增益，实现天线较好的辐射性能。
（2）本发明采用电桥形式作为天线的馈电单元来给天线单元馈电以双馈圆极化。电桥可以在宽频带范围内保持两个输出端口幅度相等、相位相差90°，并且终端为匹配负载形式，避免了反射带来的影响，有利于改善驻波和轴比特性。且电桥的两个第二端口分别是天线的左旋圆极化端口和右旋圆极化端口，实现了天线的收发共用。
（3）本发明具有体积小、重量轻、结构及加工工艺简单的优点。
附图说明
图1是本发明的宽波束圆极化收发共用小卫星天线的结构三维图。
图2是本发明的宽波束圆极化收发共用小卫星天线的剖视图。
图3是本发明辐射体的俯视图。
图4是本发明电桥的仰视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1、图2、图3和图4，一种宽波束圆极化收发共用小卫星天线，适用于低轨小卫星***的宽波束圆极化天线，尤其涉及一种工作于S频段的宽波束圆极化收发共用小卫星天线。其包括圆形金属底板1、金属圆台2、圆形辐射体3和电桥4；所述金属圆台2为空心圆台，构成三维接地结构和折叠导体墙，金属圆台2面积大的底面通过螺丝固定在圆形金属底板1中心，金属圆台2顶面通过螺丝固定在圆形辐射体3底面中心，且圆形辐射体3的直径大于金属圆台2顶面直径，小于圆形金属底板1的直径，电桥4设置在金属圆台2内，且通过螺丝固定于其顶面内壁，圆形金属底板1可与天线安装面共形。
所述圆形辐射体3包括两面覆铜的辐射体介质基片31，辐射体介质基片31底面与金属圆台2顶面固连，并去除底面不与金属圆台2接触面上的覆铜层，辐射体介质基片31顶面的覆铜层为圆形，其直径小于金属圆台2顶面直径，将其作为微带贴片32。
所述电桥4包括两面覆铜的电桥介质基片41，顶面固定于金属圆台2的顶面内壁，底面腐蚀形成微带电桥42。
所述微带电桥42采用3dB定向耦合器结构，包括两个第一端口、两个第二端口和两个探针5，金属凸台2顶面设有两个通孔，两个第一端口信号幅度相等且相位正交，每个第一端口上接有一个探针5，探针5穿过上述通孔，通过探针5给所述辐射体3的微带圆形贴片32馈电以实现圆极化，两个第二端口根据产生的圆极化波的旋向分别为右旋圆极化端口6和左旋圆极化端口7。
辐射体3的辐射体介质基片31介电常数3.3，厚度3.048mm；电桥4的电桥介质基片41介电常数9.8，厚度0.762mm。
圆形微带贴片32尺寸决定了所述宽波束圆极化收发共用小卫星天线工作于S频段；辐射体介质基片31凸出金属圆台2的顶面，这种结构展宽了微带天线波束宽度、提高低仰角增益、实现天线较好的辐射性能。金属圆台2的结构将地板折叠成空腔，拉伸了天线的辐射方向图进一步展宽天线波束。通过电桥4给天线单元馈电来实现双馈圆极化，改善了驻波和轴比特性；右旋圆极化端口6和左旋圆极化端口7可分别用于发射端口和接收端口，实现天线的收发共用，且两个端口间有一定的隔离度。
经过计算，本发明在该工作频段范围内-1dBi增益能够覆盖俯仰方向-85°~ 85°（其中0°代表天线轴向），方位角0°~360°的空域范围，且本发明在中心频率处的0dBi增益覆盖率达到41.86%，-2dBi增益覆盖率达到50.33%，-4dBi增益覆盖率达到59.82%。
应用该宽波束圆极化收发共用小卫星天线工作时，假定发射采用左旋圆极化，接收采用右旋圆极化，当天线发射信号时，电流信号从左旋圆极化输入端口7进入，经电桥将电流信号分成两路幅度相等先给正交的电信号通过探针馈入辐射体3的微带圆形贴片32，将电流信号转变为电磁波信号辐射出去，且该电磁波信号为左旋圆极化。当天线接收信号时，辐射体3的微带圆形贴片32将接收的电磁波信号转变为电流信号，经电桥将右旋圆极化信号从右旋圆极化端口6输出。
所述宽波束圆极化收发共用小卫星天线，采用延伸辐射体介质基片技术，是将普通微带天线的介质基片沿轴延伸，并保持微带天线的接地板和辐射贴片尺寸不变，当辐射能量馈入天线后，整个天线的辐射由微带贴片产生的辐射和介质基板的末端辐射叠加而成，因为微带贴片在法向方向辐射最强，介质天线则在切向方向辐射最强，所以这种结构达到了展宽微带天线波束宽度、提高低仰角增益、实现天线较好的辐射性能的目的。同时，采用三维接地结构和折叠导体墙的技术，将地板折叠成空腔，这会对天线的辐射方向图具有拉伸作用，进一步展宽天线波束。另一方面，本发明通过电桥给天线单元馈电来实现双馈圆极化，有利于改善驻波和轴比特性，同时电桥的两个第二端口可分别形成左旋圆极化波和右旋圆极化波，实现左右旋圆极化的收发共用。

Claims (4)

1.一种宽波束圆极化收发共用小卫星天线，其特征在于：包括圆形金属底板（1）、金属圆台（2）、圆形辐射体（3）和电桥（4）；所述金属圆台（2）为空心圆台，金属圆台（2）面积大的底面固定在圆形金属底板（1）中心，金属圆台（2）顶面固定在圆形辐射体（3）底面中心，且圆形辐射体（3）的直径大于金属圆台（2）顶面直径，小于圆形金属底板（1）的直径，电桥（4）设置在金属圆台（2）内，且固定于其顶面内壁。
2.根据权利要求1所述的宽波束圆极化收发共用小卫星天线，其特征在于：所述圆形辐射体（3）包括两面覆铜的辐射体介质基片（31），辐射体介质基片（31）底面与金属圆台（2）顶面固连，并去除底面不与金属圆台（2）接触面上的覆铜层，辐射体介质基片（31）顶面的覆铜层为圆形，其直径小于金属圆台（2）顶面直径，将其作为微带贴片（32）。
3.根据权利要求1所述的宽波束圆极化收发共用小卫星天线，其特征在于：所述电桥（4）包括两面覆铜的电桥介质基片（41），顶面固定于金属圆台（2）的顶面内壁，底面腐蚀形成微带电桥（42）。
4.根据权利要求3所述的宽波束圆极化收发共用小卫星天线，其特征在于：所述微带电桥（42）采用3dB定向耦合器结构，包括两个第一端口、两个第二端口和两个探针（5），金属凸台（2）顶面设有两个通孔，两个第一端口信号幅度相等且相位正交，每个第一端口上接有一个探针（5），探针（5）穿过上述通孔，通过探针（5）给所述辐射体（3）的微带圆形贴片（32）馈电以实现圆极化，两个第二端口根据产生的圆极化波的旋向分别为右旋圆极化端口（6）和左旋圆极化端口（7）。
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