CN107834181A - Ka波段宽角扫描圆极化微带天线 - Google Patents

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Abstract

Ka波段宽角扫描圆极化微带天线，涉及卫星通信天线技术。本发明包括下述部分：第一天线基板，其正面设置有第一巴伦馈线，其反面设置有第一微带偶极子线，第一巴伦馈线与第一信号连接端连接；第二天线基板，其正面设置有第二巴伦馈线，其反面设置有第二微带偶极子线，第二巴伦馈线与第二信号连接端连接；第一天线基板与第二天线基板安装于天线地板上，第一天线基板与第二天线基板相交；天线地板，其上设置有地板接地线；天线地板上还设置有4根金属寄生棒，分别位于第一天线基板的两端和第二天线基板的两端；第一巴伦馈线和第二巴伦馈线相互绝缘。本发明的有益效果是，重量轻，波束扫描范围大，频带宽，通信容量大。

Description

Ka波段宽角扫描圆极化微带天线
技术领域
本发明涉及卫星通信天线技术。
背景技术
卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波，从而实现两个 或多个地球站之间的通信。
星载天线是通信卫星有效载荷的重要组成部分，对整个卫星通信***的性能 有着极其重要的影响。其中，宽波束(2θ0.5＞90°)宽角圆极化天线以其独有的 无需极化跟踪、可接受任意极化来波，宽角范围内极化失配损耗小等优良特性， 在移动卫星***，机载雷达***等领域有着巨大的应用潜力。
同时，星载天线和尖端雷达等在寻的过程中，常常期望波束扫描方向不断改 变，且能覆盖较大的扫描空间，因此对天线方向图的扫描角度提出了更高的要求。 数字多波束扫描天线阵，能自适应地改变波束位置对目标进行搜索和跟踪，能灵 活地控制波束指向，能识别目标，同时具有传输数据率高、扫描速度快和抵抗有 害环境条件的能力。
目前使用的数字多波束天线阵多采用缝隙阵和喇叭阵，这种阵列天线存在 的缺点是不仅体积大，超重，而且波束扫描范围小，一般在±20°左右，超过这个 范围以后，就会出现大的栅瓣，主波束的增益也显著下降。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种宽带小型化的Ka波段宽角扫描圆 极化微带天线及天线阵。该种天线及由它组成的天线阵是微带型天线在毫米波领 域应用的新进展，它在体积、重量、小型化、宽角度扫描方面取得了突破，为卫 星通信特别是小卫星通信应用方面创造了有利条件。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，Ka波段宽角扫描圆极化微带天 线，其特征在于，包括下述部分：
第一天线基板，其正面设置有第一巴伦馈线，其反面设置有第一微带偶极子 线，第一巴伦馈线与第一信号连接端连接；
第二天线基板，其正面设置有第二巴伦馈线，其反面设置有第二微带偶极子 线，第二巴伦馈线与第二信号连接端连接；
第一天线基板与第二天线基板安装于天线地板上，第一天线基板与第二天线 基板相交；
天线地板，其上设置有地板接地线；
天线地板上还设置有4根金属寄生棒，分别位于第一天线基板的两端和第二 天线基板的两端；
第一巴伦馈线和第二巴伦馈线相互绝缘。
进一步的，第一天线基板的正面垂直于第二天线基板的正面。第一天线基板 的正面和第二天线基板的正面皆垂直于天线地板。4根金属寄生棒皆垂直于天线 地板。所述第一信号连接端和第二信号连接端皆为同轴线。所述第一天线基板和 第二天线基板皆为矩形平板，且皆在第一天线基板和第二天线基板的交叉区处设 置有开口。
所述第一巴伦馈线包括相连接的低阻抗区和高阻抗区，高阻抗区跨过交叉区； 所述第二巴伦馈线包括相连接的低阻抗区和高阻抗区，高阻抗区跨过交叉区。
地板接地线与第一微带偶极子线、第二微带偶极子线连接，第一信号连接端 和第二信号连接端的同轴线的屏蔽层与地板接地线连接。
对本文中“交叉区”的解释：两个相互交叉的平板，等效于两个相互交叉的长 方体，在交叉处有一部分在空间上同属于两个长方体，本文将此部分称为“交叉 区”。
本发明的天线基板最好是采用PC板。PC板包括正面、反面和周围的侧面， 通常正面和反面的面积远大于任何一个侧面，以PCB板为例，正面或反面为覆 铜的表面。
本发明的有益效果是，重量轻，波束扫描范围大，频带宽，通信容量大，可 用于Ka波段多波束宽带卫星通信***(包括数字电视、数字广播、广域网互联、 远程教学、远程医疗、电视会议和视频点播)，新闻采集(SNG)，VSAT，直接 到户(DTH)，个人卫星通信，机载、车载高速“动中通”等。
附图说明
图1是本发明的立体示意图。
图2是本发明的侧视状态示意图。
图3为本发明的俯视状态示意图。
图4为第一天线基板反面示意图。
图5为第一天线基板正面示意图。
图6为第二天线基板反面示意图。
图7为第二天线基板正面示意图。
图8为采用本发明天线的馈电网络示意图。
具体实施方式
参见图1～7。
Ka波段宽角扫描圆极化微带天线，包括下述部分：
第一天线基板21，其正面设置有第一巴伦馈线24，其反面设置有第一微带 偶极子线31，第一巴伦馈线24与第一信号连接端42连接；
第二天线基板22，其正面设置有第二巴伦馈线20，其反面设置有第二微带 偶极子线32，第二巴伦馈线20与第二信号连接端41连接；
第一天线基板21与第二天线基板22安装于天线地板25上，第一天线基板 21与第二天线基板22相交；
平板状的天线地板25，其上设置有地板接地线；
天线地板25上还设置有4根金属寄生棒，分别位于第一天线基板21的两端 和第二天线基板22的两端；
第一巴伦馈线和第二巴伦馈线相互绝缘。
位于第一天线基板21的两端的两根金属寄生棒231、232的轴线相互平行， 这两根金属寄生棒的轴线构成的平面(称为第一平面)平行于第一天线基板21 的正面。更优的，第一天线基板21的正面和反面与第一平面等距。
位于第二天线基板22的两端的两根金属寄生棒233、234的轴线相互平行， 这两根金属寄生棒的轴线构成的平面(称为第二平面)平行于第二天线基板22 的正面。更优的，第二天线基板22的正面和反面与第二平面等距。
第一天线基板21和第二天线基板22皆为平板。第一天线基板21的正面垂 直于第二天线基板22的正面。
并且，第一天线基板的正面和第二天线基板的正面皆垂直于天线地板25的 正面。4根金属寄生棒皆垂直于天线地板25。
第一信号连接端和第二信号连接端皆为同轴线。
第一天线基板和第二天线基板皆为矩形平板，且皆在第一天线基板和第二天 线基板的交叉区处设置有开口。
所述第一巴伦馈线包括相连接的低阻抗区和高阻抗区，高阻抗区跨过交叉区。 第一巴伦馈线24的低阻抗区为矩形区域，其长边垂直于天线地板25；第一巴伦 馈线24的高阻抗区包括一个矩形区域，其长边垂直于天线地板25；第二巴伦馈 线20的低阻抗区为矩形区域，其长边垂直于天线地板25；第二巴伦馈线20的 高阻抗区包括一个矩形区域，其长边垂直于天线地板25。
地板接地线与第一微带偶极子线31、第二微带偶极子线32连接。
设线极化的微带偶极子天线的中心工作频率：f0＝19000MHz，
可求得自由空间波长：λ0＝15.79mm
印制板材料采用Taconic RF-35(tm)，厚度h0＝0.254mm，介电常数ε＝3.5， 在此条件下，天线的工作波长
优选的参数如下：
微带偶极子臂长度L0＝0.86λg＝7.26mm
臂宽度W0＝0.115λg＝0.97mm
臂底边高度LH＝0.16λg＝1.35mm
臂底边宽度WH＝0.14λg＝1.18mm
微带馈线长度Lf＝0.25λg＝2.11mm
按此条件设计的微带偶极子天线，其3dB波束宽度为80°左右。为了展宽天线单 元的波束宽度，分别在微带偶极子天线长度方向的轴线上加载寄生金属棒。金属 寄生棒与微带偶极子天线中心的距离d1＝3.7mm，3dB波束宽度达到120°。
采用HFSS电磁工程软件对上述的初始设计参数进行优化，优化的结果是
臂的长度L0＝6mm
臂的宽度W0＝2.1mm
臂底边高度LH＝2.25mm
臂底边宽度WH＝1.3mm
高度HS＝4.6mm
输入端50Ω微带馈线
宽度W1＝0.54mm
长度Lf＝2.4mm
100Ω微带馈线
宽度W2＝0.2mm
长度5.2mm
寄生金属棒
高度h＝2.7mm
直径0.5mm
地板为方形，宽度WG＝8.5mm
为了实现正交极化，分别在两个单极化微带天线的中间切掉一块宽度 Wf＝0.3mm，长度分别为L1＝1.6mm、L2＝3mm的长方体，切掉部分互补，使其垂 直交叉。在交叉处，为了避免馈线相碰应错开。
在实现了正交极化的基础上，通过采用微带3dB分支线耦合器实现圆极化， 微带3dB分支线耦合器如图8所示。

Claims (9)

1.Ka波段宽角扫描圆极化微带天线，其特征在于，包括下述部分：
第一天线基板(21)，其正面设置有第一巴伦馈线(24)，其反面设置有第一微带偶极子线(31)，第一巴伦馈线(24)与第一信号连接端(42)连接；
第二天线基板(22)，其正面设置有第二巴伦馈线(20)，其反面设置有第二微带偶极子线(32)，第二巴伦馈线(24)与第二信号连接端(41)连接；
第一天线基板(21)与第二天线基板(22)安装于天线地板(25)上，第一天线基板(21)与第二天线基板(22)相交；
天线地板(25)，其上设置有地板接地线；
天线地板(25)上还设置有4根金属寄生棒，分别位于第一天线基板(21)的两端和第二天线基板(22)的两端；
第一巴伦馈线(24)和第二巴伦馈线(20)相互绝缘。
2.如权利要求1所述的Ka波段宽角扫描圆极化微带天线，其特征在于，第一天线基板(21)的正面垂直于第二天线基板(22)的正面。
3.如权利要求1所述的Ka波段宽角扫描圆极化微带天线，其特征在于，第一天线基板(21)的正面和第二天线基板(22)的正面皆垂直于天线地板(25)。
4.如权利要求1所述的Ka波段宽角扫描圆极化微带天线，其特征在于，4根金属寄生棒皆垂直于天线地板(25)。
5.如权利要求1所述的Ka波段宽角扫描圆极化微带天线，其特征在于，所述第一信号连接端(42)和第二信号连接端(41)皆为同轴线。
6.如权利要求1所述的Ka波段宽角扫描圆极化微带天线，其特征在于，所述第一天线基板(21)和第二天线基板(22)皆为矩形平板，且皆在第一天线基板(21)和第二天线基板(22)的交叉区处设置有开口。
7.如权利要求6所述的Ka波段宽角扫描圆极化微带天线，其特征在于，所述第一巴伦馈线(24)包括相连接的低阻抗区和高阻抗区，高阻抗区跨过交叉区；所述第二巴伦馈线(20)包括相连接的低阻抗区和高阻抗区，高阻抗区跨过交叉区。
8.如权利要求7所述的Ka波段宽角扫描圆极化微带天线，其特征在于，
第一巴伦馈线(24)的低阻抗区为矩形区域，其长边垂直于天线地板(25)；
第一巴伦馈线(24)的高阻抗区包括一个矩形区域，其长边垂直于天线地板(25)；
第二巴伦馈线(20)的低阻抗区为矩形区域，其长边垂直于天线地板(25)；
第二巴伦馈线(20)的高阻抗区包括一个矩形区域，其长边垂直于天线地板(25)。
9.如权利要求1所述的Ka波段宽角扫描圆极化微带天线，其特征在于，地板接地线与第一微带偶极子线(31)、第二微带偶极子线(32)连接。
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