CN117239426B - 一种基于磁电偶极子的圆极化卫星天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁电偶极子的圆极化卫星天线，通过在地板上开槽，利用接地直角折叠偶极子激励起一个等效磁电偶极子，同时加载两个方形寄生贴片提升辐射性能，从而激励起宽带高增益圆极化辐射波束。本发明利用L型的直角折叠偶极子同时实现了电偶极子与磁偶极子的巧妙结合，实现了较好的圆极化辐射性能。同时本发明通过使用磁偶极子的形式实现圆极化辐射使得其方向图稳定且增益较高。
Description
技术领域
本发明属于卫星通信天线技术领域，具体涉及一种基于磁电偶极子的圆极化卫星天线的设计。
背景技术
随着时代的不断发展，通信***的迭代速度越来越快。现在已进入5G时代，移动通信终端的数量也以指数级增长，这对移动通信带来了巨大的挑战和机遇。
天线作为通信***中必不可少的重要组件，其性能对于整个通信***的质量起到了决定性的作用。为了满足应对通信流量的巨大需求，需要在原先的基础上铺设更多的基站，缩小每个基站之间的距离，达到覆盖区域更大以及增大数据容量的目的。但是随着5G时代的到来，原有的基站站址资源变得紧张，急需开发一种新的通信方式以改变现有的局面。在此背景之下，卫星通信***应运而生。
卫星通信***由空中卫星群、地面网关站和卫星通信终端三部分构成，而卫星通信终端作为用户与卫星之间进行信息交互的重要工具在整个***中起到至关重要的作用。卫星通信天线是一种用于与地球轨道上的卫星进行通信的终端设备，它们是卫星通信***中至关重要的组成部分，因为它们负责将卫星发送的信号接收并转发给地面网关站或其他卫星。
为了满足移动卫星通信终端的波束需要时刻对准卫星的方位，目前通常采用机械扫描、电扫描以及两者结合的方式去实现卫星天线的波束扫描的效果。卫星天线的应用频段多为毫米波频段，以避免占据现有的通信频段。由于毫米波波段的电磁波在空间中的损耗较大，在实际应用的设计中需要将天线的增益设计得足够大才能满足长距离发射与接收的使用需求，因此一般采用阵元数量较多的相控阵作为卫星终端的卫星天线。除此之外，为了克服多径损耗效应，卫星天线大多是采用圆极化的天线作为阵元。
目前卫星通信天线的发展方向主要体现在如下的几个方面：（1）小型化：随着卫星通信技术的不断发展，卫星通信天线正在逐渐向小型化方向发展。小型化的卫星通信天线可以降低成本、减小体积和重量，使其更适合小型卫星和无人机等应用场景。（2）高频段应用：随着高频段通信技术的不断发展，越来越多的卫星通信***开始在Ka波段和Q/V波段等高频段进行通信，因此需要相应的天线来实现高频段通信。（3）自适应波束技术：自适应波束技术是一种新型的卫星通信天线技术，它可以根据通信环境和数据传输需求动态调整波束方向和形状，从而提高信号传输效率和可靠性。（4）智能化：智能化是卫星通信天线未来发展的重要方向之一。通过加入智能化软件和算法，可以实现卫星通信天线的自动化控制和优化，提高通信效率和可靠性。
就目前的卫星通信天线而言，需要对地面站进行精确的指向，以至于卫星天线通常需要较高的增益以及交叉极化比，从而实现最佳的信号接收和传输效果，这对于一些应用场景来说可能会带来额外的成本和技术难度。同时，目前的一些高性能的卫星通信天线的加工成本较高，这可能会限制其在一些应用场景中的广泛应用。例如，在一些小型卫星和无人机等应用场景中，需要更小、更轻、更便宜的天线。此外，就目前的卫星天线辐射方向图性能而言，由于相控阵天线阵元之间的间距通常为中心频率的二分之一波长，所以其耦合较为严重，从而导致天线阵列方向图的副瓣电平较高影响天线的正常使用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有卫星通信天线存在的上述问题，提出了一种基于磁电偶极子的圆极化卫星天线，能够激励起宽带高增益圆极化辐射波束。
本发明的技术方案为：一种基于磁电偶极子的圆极化卫星天线，包括一层地板、一个馈电端口、一个微带馈电线、两个接地短路通孔、一个长方形缝隙、两个寄生贴片和两个折叠偶极子。地板上开槽设置二分之一波长的长方形缝隙，长方形缝隙下方设置有与其正交的微带馈电线，微带馈电线的一端与馈电端口连接，两个折叠偶极子均为L型，且均设置于距离地板上方四分之一波长的平面内，其中一个折叠偶极子的第一偶极子臂与微带馈电线平行，其第二偶极子臂设置于长方形缝隙的一侧，另一个折叠偶极子的第一偶极子臂与微带馈电线平行，其第二偶极子臂设置于长方形缝隙的另一侧，每个折叠偶极子分别通过一个接地短路通孔与地板连接，两个接地短路通孔分别位于长方形缝隙两侧，两个寄生贴片设置于两个折叠偶极子所在平面内，且两个寄生贴片分别位于两个折叠偶极子的L型内侧。
进一步地，微带馈电线用于激励起长方形缝隙的工作模式。
进一步地，折叠偶极子用于激励起平行于长方形缝隙极化方向的电磁波，与接地短路通孔共同组成电偶极子，同时激励起通过接地短路通孔和长方形缝隙共同形成的磁偶极子，从而形成磁电偶极子。
进一步地，寄生贴片用于改善天线的圆极化辐射性能。
进一步地，将圆极化卫星天线作为一个天线阵元，4个天线阵元按照2*2形式排列，并以90°旋转馈电设置构成一个子阵列，4个子阵列按照2*2形式排列构成天线阵列。
进一步地，地板作为整个天线阵列的共同地板，用于使整个天线阵列工作时，最大辐射方向朝向垂直于地板的方向。
进一步地，地板采用Isola Tachyon 100材料的PCB基板，PCB基板上印刷的金属材料为铜。
进一步地，圆极化卫星天线的设计频段为Ka波段。
进一步地，折叠偶极子采用宽度为1.9mm的折叠微带线构成。
本发明的有益效果是：
（1）本发明利用L型的直角折叠偶极子同时实现了电偶极子与磁偶极子的巧妙结合，实现了较好的圆极化辐射性能。
（2）本发明通过使用磁偶极子的形式实现圆极化辐射使得其方向图稳定且增益较高。
（3）本发明在偶极子的内侧加载方形寄生贴片，调节了天线两个极化方向的电场幅度，从而提升了圆极化辐射的轴比。
（4）本发明采用较窄的微带偶极子实现圆极化辐射，实现了小型化的效果。
（5）本发明结构简单，总共由两层基板和三层金属组成，分别为底层的微带馈电线，中层的地板缝隙以及顶层的L型折叠偶极子与方形寄生贴片，体积小，造价低，可用于小型卫星和无人机等应用场景中。
（6）本发明使用PCB基板的设计，加工较为方便，且误差较小。
附图说明
图1所示为本发明实施例提供的一种基于磁电偶极子的圆极化卫星天线3D示意图。
图2所示为本发明实施例提供的一种基于磁电偶极子的圆极化卫星天线俯视图。
图3所示为本发明实施例提供的天线阵列3D示意图。
图4所示为本发明实施例提供的天线阵列俯视图。
图5所示为本发明实施例提供的主波束扫描角度为0°和30°的情况下馈电端口的反射系数示意图。
图6所示为本发明实施例提供的主波束扫描角度为0°和30°的情况下主波束方向的轴比示意图。
图7所示为本发明实施例提供的主波束扫描角度为0°时的辐射方向图。
图8所示为本发明实施例提供的主波束扫描角度为30°时的辐射方向图。
附图标记说明：1-地板、2-馈电端口、3-微带馈电线、4-接地短路通孔、5-长方形缝隙、6-寄生贴片、7-折叠偶极子。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
本发明实施例提供了一种基于磁电偶极子的圆极化卫星天线，如图1和图2共同所示，包括一层地板1、一个馈电端口2、一个微带馈电线3、两个接地短路通孔4、一个长方形缝隙5、两个寄生贴片6和两个折叠偶极子7。
其中，地板1上开槽设置二分之一波长的长方形缝隙5，长方形缝隙5下方设置有与其正交的微带馈电线3，微带馈电线3的一端与馈电端口2连接，两个折叠偶极子7均为L型，且均设置于距离地板1上方四分之一波长的平面内，其中一个折叠偶极子7的第一偶极子臂与微带馈电线3平行，其第二偶极子臂设置于长方形缝隙5的一侧，另一个折叠偶极子7的第一偶极子臂与微带馈电线3平行，其第二偶极子臂设置于长方形缝隙5的另一侧，每个折叠偶极子7分别通过一个接地短路通孔4与地板1连接，两个接地短路通孔4分别位于长方形缝隙5两侧，两个寄生贴片6设置于两个折叠偶极子7所在平面内，且两个寄生贴片6分别位于两个折叠偶极子7的L型内侧。
本发明实施例中，二分之一波长和四分之一波长均是针对天线工作频段中心频点的波长。
本发明实施例中，微带馈电线3用于激励起长方形缝隙5的工作模式。
本发明实施例中，折叠偶极子7用于激励起平行于长方形缝隙5极化方向的电磁波，与接地短路通孔4共同组成电偶极子，同时激励起通过接地短路通孔4和长方形缝隙5共同形成的磁偶极子，从而形成磁电偶极子。
本发明实施例中，折叠偶极子7与接地短路通孔4一起组成电偶极子，由于长方形缝隙5被激励时两侧的电位相反，导致接地短路通孔4上的电流相反。同时折叠偶极子7的折叠部分由于不同的两端与不同的接地短路通孔4相连，其电流方向相同，刚好与接地短路通孔4和长方形缝隙5之间形成电流环路，即形成磁偶极子。通过长方形缝隙5的耦合，电偶极子与磁偶极子被同时激励，形成磁电偶极子。利用磁偶极子与电偶极子两者激励起的电场极化方向正交，在远场区两者相差90°的相位差，从而形成圆极化辐射。
本发明实施例中，寄生贴片6用于改善天线的圆极化辐射性能。由于接地短路通孔4与L型折叠偶极子7的偶极子臂之间相连无可避免的会造成电偶极子与磁偶极子的远场辐射幅度不同，所以为了调节天线两个正交极化方向的电场分量的幅度，在折叠偶极子7同一高度的平面内加载两个寄生贴片6。本发明实施例中寄生贴片6采用方形寄生贴片，用于加强磁偶极子的辐射强度，使其近与正交方向幅度相等，从而产生标准的圆极化辐射，并扩大了天线的口径，实现了主波束的高增益性能。
本发明实施例中，如图3和图4共同所示，将圆极化卫星天线作为一个天线阵元，4个天线阵元按照2*2形式排列，并以90°旋转馈电设置构成一个子阵列，4个子阵列按照2*2形式排列构成天线阵列。子阵列中90°旋转馈电设置实现了较高的轴比性能，同时实现了较高的增益。
本发明实施例中，地板1作为整个天线阵列的共同地板，用于使整个天线阵列工作时，最大辐射方向朝向垂直于地板1的方向（即图2和图4中的正z轴方向）。
本发明实施例中，地板1采用Isola Tachyon 100材料的PCB基板，PCB基板上印刷的金属材料为铜。
本发明实施例中，圆极化卫星天线的设计频段为Ka波段（27-40GHz）。
本发明实施例中，折叠偶极子7采用宽度为1.9mm的折叠微带线构成，实现了天线小型化的效果。
图5所示为本发明实施例提供的圆极化卫星天线的主波束扫描角度为0°和30°的情况下馈电端口2的反射系数，体现出该圆极化卫星天线具有良好的阻抗匹配带宽。
图6所示为本发明实施例提供的圆极化卫星天线的主波束扫描角度为0°和30°的情况下主波束方向的轴比，体现出该圆极化卫星天线在不同的扫描角度下，都可以使天线在其辐射主波束方向保持良好的圆极化效应。
图7所示为本发明实施例提供的圆极化卫星天线主波束扫描角度为0°时的辐射方向图，体现出该圆极化卫星天线具有较高的可实现增益以及较好的交叉极化比，同时实现了较低的副瓣电平。
图8所示为本发明实施例提供的圆极化卫星天线主波束扫描角度为30°时的辐射方向图，体现出该圆极化卫星天线具有较高的可实现增益以及较好的交叉极化比，同时实现了较低的副瓣电平。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于磁电偶极子的圆极化卫星天线，其特征在于，包括一层地板（1）、一个馈电端口（2）、一个微带馈电线（3）、两个接地短路通孔（4）、一个长方形缝隙（5）、两个寄生贴片（6）和两个折叠偶极子（7）；
所述地板（1）上开槽设置二分之一波长的长方形缝隙（5），所述长方形缝隙（5）下方设置有与其正交的微带馈电线（3），所述微带馈电线（3）的一端与馈电端口（2）连接，所述两个折叠偶极子（7）均为L型，且均设置于距离地板（1）上方四分之一波长的平面内，其中一个折叠偶极子（7）的第一偶极子臂与微带馈电线（3）平行，其第二偶极子臂设置于长方形缝隙（5）的一侧，另一个折叠偶极子（7）的第一偶极子臂与微带馈电线（3）平行，其第二偶极子臂设置于长方形缝隙（5）的另一侧，每个所述折叠偶极子（7）的第一偶极子臂均横跨过长方形缝隙（5），且其远离第二偶极子臂的一端分别通过一个所述接地短路通孔（4）与地板（1）连接，所述两个接地短路通孔（4）分别位于长方形缝隙（5）两侧，所述两个寄生贴片（6）采用方形寄生贴片，其设置于两个折叠偶极子（7）所在平面内，且两个寄生贴片（6）分别位于两个折叠偶极子（7）的L型内侧；
所述折叠偶极子（7）用于激励起平行于长方形缝隙（5）极化方向的电磁波，与接地短路通孔（4）共同组成电偶极子，同时激励起通过接地短路通孔（4）和长方形缝隙（5）共同形成的磁偶极子，从而形成磁电偶极子。
2.根据权利要求1所述的圆极化卫星天线，其特征在于，所述微带馈电线（3）用于激励起长方形缝隙（5）的工作模式。
3.根据权利要求1所述的圆极化卫星天线，其特征在于，所述寄生贴片（6）用于改善天线的圆极化辐射性能。
4.根据权利要求1所述的圆极化卫星天线，其特征在于，将所述圆极化卫星天线作为一个天线阵元，4个所述天线阵元按照2*2形式排列，并以90°旋转馈电设置构成一个子阵列，4个所述子阵列按照2*2形式排列构成天线阵列。
5.根据权利要求4所述的圆极化卫星天线，其特征在于，所述地板（1）作为整个天线阵列的共同地板，用于使整个天线阵列工作时，最大辐射方向朝向垂直于地板（1）的方向。
6.根据权利要求1所述的圆极化卫星天线，其特征在于，所述地板（1）采用IsolaTachyon 100材料的PCB基板，所述PCB基板上印刷的金属材料为铜。
7.根据权利要求1所述的圆极化卫星天线，其特征在于，所述圆极化卫星天线的设计频段为Ka波段。
8.根据权利要求1所述的圆极化卫星天线，其特征在于，所述折叠偶极子（7）采用宽度为1.9mm的折叠微带线构成。
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