CN213905602U - 一种星载毫米波十字阵子天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种星载毫米波十字阵子天线，包括金属腔体、辐射底板、阵子主体、导体，所述金属腔体设置在辐射底板上，所述阵子主体通过导体连接辐射底板，所述阵子主体置于导体的顶端，所述导***于金属腔体内，解决了现有技术中低轨卫星通信时无法实现天线在Ka频段中低耦合的问题。本实用新型优点是：天线周围加载金属腔体的方式降低了相控阵天线单元之间的互耦效应，改善了相控阵天线方向图的扫描特性，由于天线单元四周均被金属腔体包围，为实现天线单元的宽波束，可以通过优化阵子臂到辐射底板高度和调节金属腔体的尺寸的办法来有效地展宽天线波束，并且保证了阵元之间的低互耦要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及卫星通讯、导航天线技术领域，特别涉及一种星载毫米波十字阵子天线。
背景技术
自从相控阵技术的诞生至今，相控阵天线早已广泛应用于雷达，导航，通信及电子对抗等领域。低轨道星地通信链路环境主要为莱斯衰减信道，要保证整个服务区通信的可靠，就必然需要提高天线特定方向增益和采用宽角域扫描。同时，由于卫星平台的特殊环境，要求天线具备抗辐照、抗原子氧、重量轻的性能，在重量和空间都十分珍贵的情况下，对单元天线提出了结构可靠、小型化、轻量化的要求。
由于圆极化天线有着抑制雨雾的去极化效应以及抗多径反射效应等优点而在星载天线中备受推崇，目前常用于实现宽波束的圆极化天线主要分为微带天线、螺旋天线和十字振子天线等三大类。其中，由于微带天线的有导体和介质损耗，会激励表面波，导致辐射效率降低，而且功率容量较小，一般用于中、小功率场合，其介质基片材料受原子氧的影响较大，在低轨情况下温度会出现骤变，会导致微带天线贴片变形，很有可能脱落，无法长期承受温变环境，而且微带天线带宽较窄，不适用于星载环境；而螺旋天线在Ka频段体积太小，不易加工，其性能无法保证。
因此，需要设计一种星载毫米波十字阵子天线，目的在于，解决现有技术中低轨卫星通信时无法实现天线在Ka频段中的宽频带、宽波束、低耦合、高可靠、小型化、重量轻特的缺陷。
实用新型内容
本实用新型目的在于解决现有技术中低轨卫星通信时无法实现天线在Ka频段中低耦合的问题。
本实用新型通过下述技术方案实现：
一种星载毫米波十字阵子天线，包括金属腔体、辐射底板、阵子主体、导体，所述金属腔体设置在辐射底板上，所述阵子主体通过导体连接辐射底板，所述阵子主体置于导体的顶端，所述导***于金属腔体内。
现有技术是常用于实现宽波束的圆极化天线主要分为微带天线、螺旋天线和十字振子天线等三大类。其中，由于微带天线的有导体和介质损耗，会激励表面波，导致辐射效率降低，而且功率容量较小，一般用于中、小功率场合，其介质基片材料受原子氧的影响较大，在低轨情况下温度会出现骤变，会导致微带天线贴片变形，很有可能脱落，无法长期承受温变环境，而且微带天线带宽较窄，不适用于星载环境；而螺旋天线在Ka频段体积太小，不易加工，其性能无法保证。
本实用新型增加了金属腔体，金属腔体设置在辐射底板上，金属腔体的内部设置有天线，天线周围加载金属腔体的方式降低了相控阵天线单元之间的互耦效应，改善了相控阵天线方向图的扫描特性，由于天线单元四周均被金属腔体包围，为实现天线单元的宽波束，可以通过优化阵子臂到辐射底板高度和调节金属腔体的尺寸的办法来有效地展宽天线波束，并且保证了阵元之间的低互耦要求。
进一步的，阵子主体包括阵子长臂和阵子短臂，所述阵子长臂和阵子短臂正交设置，相邻阵子长臂和阵子短臂之间的相位差为90度，所述阵子长臂和阵子短臂均设置在导体的顶端；
所述十字阵子长臂和十字阵子短臂，辐射振子本身取不同电长度时，上面的电流会表现出不同相位，当对称振子的电长度接近λ/2时，其输入阻抗近似为纯阻，加激励电压时，馈电处电流的初始相位可认为是0°，若振子电长度小于λ/2，其输入阻抗会表现出容性，馈电处电流初始相位对0°表现出超前性，若振子电长度大于λ/2，其输入阻抗会表现出感性，馈电处电流初始相位对0°表现出滞后性；
所述正交放置的两对振子同时馈电时，适当调节两对振子的长度，可使其上电流相位差正好满足90°，而两对振子相对于馈电点的不同摆放位置，可以产生左旋或右旋圆极化辐射，其极化特性由两电流分量中的超前者转向滞后者来判定，即由短臂转向长臂；
所述两对偶极子天线方位正交、幅度相等、相位差为90°，通过调节正交振子长度参数的调整可获得很好的圆极化特性，采用同轴开槽巴伦馈电，来实现平衡馈电和获得较好的阻抗匹配特性。
进一步的，导体由内到外依次设置为内导体、介质和外导体，所述外导体设置在金属腔体内，所述内导体、介质和外导体均连接辐射底板；
所述信号从同轴端口进入内导体，由于内导体与外导体相连接，信号经过内导体后到外导体，通过调节内导体的内径和长度可以调节其阻抗匹配。
所述在外导体上切割的长度约为λ/4的纵槽形成了开槽同轴巴伦，为了保持振子结构对称，开槽线两臂都与外导体相连接，开槽段可理解成λ/4短路线。
进一步的，内导体和介质均贯穿在辐射底板中；
所述辐射底板，仿真时需要将天线的底部边界条件设为无限大的地面，作为反射板，由于十字阵子天线可在其两侧辐射两种极化相反的圆极化波，在大多数应用场合，这种双向辐射特性会造成较大的能量浪费，因此在其下半空间放置反射板来增强单向辐射特性，通过调整振子平面与底板的间距可以调节天线的波束特性，当间距接近λ/4时可获最强的定向性。
进一步的，外导体的底部设置在辐射底板的上表面。
进一步的，介质的材料为聚酰亚胺；
所述聚酰亚胺具有优良的机械性能，微波性能稳定，耐温和耐辐照性能优良，在卫星通信领域已有大量应用。
进一步的，外导体的外表面轴向方向设置有长度为λ/4的槽，所述槽两边的开槽线与所述外导体相连接，所述λ/4的线路为短路线；
所述短路线时输入阻抗无限大，外导体无电流流过，达到了平衡馈电目的，通过调节开槽线内芯的直径和长度实现阻抗变换，可以使得天线在较宽频带内工作。
本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1.本实用新型一种星载毫米波十字阵子天线，金属腔体设置在辐射底板上，金属腔体的内部设置有天线，天线周围加载金属腔体的方式降低了相控阵天线单元之间的互耦效应，改善了相控阵天线方向图的扫描特性，由于天线单元四周均被金属腔体包围，为实现天线单元的宽波束，可以通过优化阵子臂到辐射底板高度和调节金属腔体的尺寸的办法来有效地展宽天线波束，并且保证了阵元之间的低互耦要求。
2.本实用新型一种星载毫米波十字阵子天线，通过两个正交放置的不同输入阻抗的偶极子加上等幅度等相位的激励，依靠自阻抗的不同使得电流相位差90°，构造了自相移结构，实现了圆极化波的辐射，不需要外加移相电路就可以直接实现圆极化，通过同轴开槽线巴伦馈电实现平衡馈电和阻抗匹配，通过在天线周围加载金属腔体的方案来实现十字交叉阵子高可靠、低互耦和宽波束的特性，通过选择合适的反射底板高度，可以实现较宽的定向波束及较高的增益。
3.本实用新型一种星载毫米波十字阵子天线，性能可靠、结构简单，是卫星通信和导航常用的终端天线，不但可作为单独天线，在工程应用中更多的是作为阵列天线的单元或者面天线的馈源使用，它广泛应用于雷达、通信、电子对抗等领域。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：
图1是本实用新型仿真模型示意图。
图2是本实用新型仿真模型俯视图。
图3是本实用新型方向图仿真曲线示意图。
图4是本实用新型轴比仿真曲线示意图。
图5是本实用新型驻波仿真曲线示意图。
图6是本实用新型正视图。
1-阵子长臂、2-阵子短臂、3-内导体、4-外导体、5-介质、6-金属腔体、7-辐射底板。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。
实施例1
如图1-6所示，本实用新型为一种星载毫米波十字阵子天线，包括金属腔体6、辐射底板7、阵子主体、导体，所述金属腔体6设置在辐射底板7上，所述阵子主体通过导体连接辐射底板7，所述阵子主体置于导体的顶端，所述导***于金属腔体6内。
所述阵子主体包括阵子长臂1和阵子短臂2，所述阵子长臂1和阵子短臂2正交设置，相邻阵子长臂1和阵子短臂2之间的相位差为90度，所述阵子长臂1和阵子短臂2均设置在导体的顶端；所述十字阵子长臂1和十字阵子短臂2，辐射振子本身取不同电长度时，上面的电流会表现出不同相位，当对称振子的电长度接近λ/2时，其输入阻抗近似为纯阻，加激励电压时，馈电处电流的初始相位可认为是0°，若振子电长度小于λ/2，其输入阻抗会表现出容性，馈电处电流初始相位对0°表现出超前性，若振子电长度大于λ/2，其输入阻抗会表现出感性，馈电处电流初始相位对0°表现出滞后性；
所述正交放置的两对振子同时馈电时，适当调节两对振子的长度，可使其上电流相位差正好满足90°，而两对振子相对于馈电点的不同摆放位置，可以产生左旋或右旋圆极化辐射，其极化特性由两电流分量中的超前者转向滞后者来判定，即由短臂转向长臂；
所述两对偶极子天线方位正交、幅度相等、相位差为90°，通过调节正交振子长度参数的调整可获得很好的圆极化特性，采用同轴开槽巴伦馈电，来实现平衡馈电和获得较好的阻抗匹配特性。
所述导体由内到外依次设置为内导体3、介质5和外导体4，所述外导体4设置在金属腔体6内，所述内导体3、介质5和外导体4均连接辐射底板7；所述信号从同轴端口进入内导体3，由于内导体3与外导体4相连接，信号经过内导体3后到外导体4，通过调节内导体3的内径和长度可以调节其阻抗匹配。
所述在外导体4上切割的长度约为λ/4的纵槽形成了开槽同轴巴伦，为了保持振子结构对称，开槽线两臂都与外导体4相连接，开槽段可理解成λ/4短路线。
所述内导体3和介质5均贯穿在辐射底板7中；所述辐射底板7，仿真时需要将天线的底部边界条件设为无限大的地面，作为反射板，由于十字阵子天线可在其两侧辐射两种极化相反的圆极化波，在大多数应用场合，这种双向辐射特性会造成较大的能量浪费，因此在其下半空间放置反射板来增强单向辐射特性，通过调整振子平面与底板的间距可以调节天线的波束特性，当间距接近λ/4时可获最强的定向性。
所述外导体4的底部设置在辐射底板7的上表面。
所述介质5的材料为聚酰亚胺；所述聚酰亚胺具有优良的机械性能，微波性能稳定，耐温和耐辐照性能优良，在卫星通信领域已有大量应用。
所述外导体4的外表面轴向方向设置有长度为λ/4的槽，所述槽两边的开槽线与所述外导体4相连接，所述λ/4的线路为短路线；所述短路线时输入阻抗无限大，外导体4无电流流过，达到了平衡馈电目的，通过调节开槽线内芯的直径和长度实现阻抗变换，可以使得天线在较宽频带内工作。
为了更直观的展现本实用新型的十字阵子天线的优点：图3展示了该十字阵子天线的方向图仿真曲线，从图中可以看到在29.5GHz时俯仰角±55°范围内增益大于2dB，展现了其宽波束的特性；
图4展示了该十字阵子天线的轴比仿真曲线，从图中可以看到在29.5GHz时俯仰角±55°范围内轴比都是小于3的，展现了其圆极化的特性；
图5展示了该十字阵子天线的驻波仿真曲线，从图中可以看出，天线在29-30.5GHz内驻波小于1.3，展现了其宽频带的特性；
图6展示了本实用新型的十字阵子单元天线的尺寸为5*5.8*5.4，展现了其小型化的特性，此尺寸实现了图3、4和5的特性。
实施例2
如图1-6所示，本实施例基于实施例1，对称振子天线原理可以近似地理解成由末端开路的两根平行线保持一定夹角而构成的结构，双线夹角张开后，电磁场由原先的封闭场变成了开放场，电磁波开始对外辐射能量，研究表明，增大双线夹角值可以提高辐射效率，当夹角张开到180°就得到了对称振子天线。本实用新型星载毫米波十字阵子天线就利用了两对对称阵子天线来形成自相移结构，从而产生了圆极化波。
电磁波有线极化，圆极化和椭圆极化等三种极化方式。线极化分为垂直极化和水平极化两种状态，而圆极化又可以看作为一种特殊的椭圆极化。相对于线极化波，圆极化波有不少的优势，例如圆极化波穿过雨雾区时衰减更小，线极化波在传播过程中存在极化偏转，而圆极化波却没有这个缺点，所以，采用圆极化的天线能够提高抗干扰和抗雨雾衰减的能力，所以圆极化波在卫星通信中应用越来越广泛。
在设计圆极化相控天线阵的过程中，单元天线是最关键的部分，天线单元的设计不仅要考虑到工作频段、工作带宽和极化方式等要求，而且单元的方向图还必须满足最大扫描角的要求，因此单元特性与天线阵列的性能息息相关，所以本实用新型中选择了十字阵子天线的单元形式。十字交叉振子天线是一种常用的圆极化天线形式，根据形成圆极化波的原理，只要正交放置的两个振子臂上的电流等幅并且相位相差90°，在两个振子臂所在平面的法线方向上就能得到圆极化波，十字阵子天线结构简单、性能优越、可靠性高、重量轻，是作为星载单元天线的很好选择。
在设计圆极化相控天线阵的过程中，由于互耦的影响，阵列中单元表现出来的特性与单个单元的的特性并不一致，不能简单地认为阵列的辐射特性就是单元辐射特性与阵因子的直接相乘。虽然设计的单元天线都具有良好的轴比和较宽的波束，但当将其组阵之后，得到的结果并不理想，轴比和驻波特性都会恶化。所以，阵列的设计必须考虑互耦因素，对于阵列的轴比特性，除了与单元的辐射特性有关外，还与阵列的排列方式有着关系，不少的专家学者都对通过改变阵列的布阵方式实现圆极化，例如采用旋转布阵的方式，也就是调整单元的自旋角度可以优化阵列的轴比，也可以在对称振子天线周围加载金属腔体6的方式降低了相控阵天线单元之间的互耦效应，改善了相控阵天线方向图和轴比的扫描特性，由于天线单元四周均被金属腔体6包围，为实现天线单元的宽波束，可以通过优化十字振子臂到反射面高度和调节加载金属腔体6尺寸的办法来有效地展宽天线波束。
在仿真十字阵子天线单元的过程中，仿真时需要将天线的底部边界条件设为无限大的地面，将对称振子单元由全向辐射变为定向辐射，由于交叉振子天线可在其两侧辐射两种极化相反的圆极化波，但在大多数应用场合，这种双向辐射特性会造成较大的能量浪费，因此在其下半空间放置反射板来增强单向辐射特性，通过调整振子平面与底板的间距可以调节天线的波束特性，当间距接近λ/4时可获最强的定向性。
以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种星载毫米波十字阵子天线，其特征在于，包括金属腔体(6)、辐射底板(7)、阵子主体、导体，所述金属腔体(6)设置在辐射底板(7)上，所述阵子主体通过导体连接辐射底板(7)，所述阵子主体置于导体的顶端，所述导***于金属腔体(6)内。
2.根据权利要求1所述的一种星载毫米波十字阵子天线，其特征在于，所述阵子主体包括阵子长臂(1)和阵子短臂(2)，所述阵子长臂(1)和阵子短臂(2)正交设置，相邻阵子长臂(1)和阵子短臂(2)之间的相位差为90度，所述阵子长臂(1)和阵子短臂(2)均设置在导体的顶端。
3.根据权利要求1所述的一种星载毫米波十字阵子天线，其特征在于，所述导体由内到外依次设置为内导体(3)、介质(5)和外导体(4)，所述外导体(4)设置在金属腔体(6)内，所述内导体(3)、介质(5)和外导体(4)均连接辐射底板(7)。
4.根据权利要求3所述的一种星载毫米波十字阵子天线，其特征在于，所述内导体(3)和介质(5)的底部均贯穿在辐射底板(7)中。
5.根据权利要求3所述的一种星载毫米波十字阵子天线，其特征在于，所述外导体(4)的底部设置在辐射底板(7)的上表面。
6.根据权利要求3所述的一种星载毫米波十字阵子天线，其特征在于，所述介质的材料为聚酰亚胺。
7.根据权利要求3所述的一种星载毫米波十字阵子天线，其特征在于，沿所述外导体(4)的外表面轴向方向设置有长度为λ/4的槽，所述槽两边的开槽线与所述外导体(4)相连接，所述λ/4的线路为短路线。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202120151207.4U CN213905602U (zh) | 2021-01-20 | 2021-01-20 | 一种星载毫米波十字阵子天线 |
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| CN202120151207.4U CN213905602U (zh) | 2021-01-20 | 2021-01-20 | 一种星载毫米波十字阵子天线 |
Publications (1)
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| CN213905602U true CN213905602U (zh) | 2021-08-06 |
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|---|---|
| CN (1) | CN213905602U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114464988A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-05-10 | 中国电子科技集团公司第二十九研究所 | 一种异型介质加载双极化背腔天线的设计方法 |
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2021
- 2021-01-20 CN CN202120151207.4U patent/CN213905602U/zh active Active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114464988A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-05-10 | 中国电子科技集团公司第二十九研究所 | 一种异型介质加载双极化背腔天线的设计方法 |
| CN114464988B (zh) * | 2021-12-30 | 2023-05-09 | 中国电子科技集团公司第二十九研究所 | 一种异型介质加载双极化背腔天线的设计方法 |
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