CN216529345U - 一种圆极化多层微带天线单元及其立体阵 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种圆极化多层微带天线单元，包括金属腔体、第一高频介质基板、第二高频介质基板、第一辐射贴片、第二辐射贴片、天线馈针以及SMA连接器。其中，金属腔体为圆柱形空腔，第一高频介质基板设置于金属腔体的第一表面，第二高频介质基板设置于金属腔体的内部，且与第一高频介质基板平行，第一辐射贴片及第二辐射贴片分别置于所述第一高频介质基板的第一面及第二高频介质基板的第二面的中心处，第一辐射贴片为圆形，第二辐射贴片为具有对称凹槽的圆形，天线馈针连接至第二辐射贴片，以及SMA连接器连接至天线馈针。采用多个圆极化多层微带天线单元分多圈安装与球形支撑架上可进一步构成圆极化多层微带天线立体阵。

Description

一种圆极化多层微带天线单元及其立体阵

技术领域

本实用新型涉及航空航天技术领域，特别涉及一种圆极化多层微带天线单元及其立体阵。

背景技术

自20世纪60年代，美国成功发射第一颗商用通信卫星以来，卫星通信技术和应用已在全球领域取得巨大成就。相比于微波中继通信等方式，卫星通信有着大面积覆盖、远距离通信、信道质量好、通信成本不随通信距离增加等优点，逐渐成为全球主要的通信应用技术之一。

相控阵相比单一阵列天线，具有灵活度高、响应时间短等优点，因此被广泛应用于卫星通信。但是传统相控阵由于单元天线波束宽度有限，同时阵元间会出现耦合影响，因此其通常在低仰角时增益低，扫描角度范围受限，难以满足卫星通信近半球全覆盖高增益的要求。

为解决这一问题，目前已有部分技术采用了宽波束高增益的阵列单元进行立体组阵。例如，专利CN 106785437公开了一种六面体的螺旋天线立体阵，其具有±65度的宽角度扫描、8dB增益的辐射性能。但是，该专利中采用了螺旋天线作为阵列单元，所述螺旋天线的剖面高、体积大，并不满足大部分卫星通信的低剖面需求。同时，所述螺旋天线的扫描角度也不足够宽，不能完全满足卫星通信近半球全覆盖的要求。又例如，有文章公开了一种金字塔型立体阵，其采用了微带天线单元结构，剖面低，同时利用金字塔结构组阵，将扫描角范围扩大到±80度。但是，该立体阵采用了双馈点实现圆极化，需要内置功分网络，结构复杂，同时天线单元的波束窄，需要相对较多的单元数量来实现相同的扫描范围。

实用新型内容

针对现有技术中的部分或全部问题，本实用新型一方面提供一种圆极化多层微带天线单元，包括：

金属腔体，其为圆柱形空腔；

第一高频介质基板，设置于所述金属腔体的第一表面；

第二高频介质基板，设置于所述金属腔体的内部，且与所述第一高频介质基板平行；

第一辐射贴片，设置于所述第一高频介质基板的第一面的中心处，且为圆形；

第二辐射贴片，设置于所述第二高频介质基板的第二面的中心处，且为具有对称凹槽的圆形；

天线馈针，连接至所述第二辐射贴片；以及

SMA连接器，连接至所述天线馈针。

进一步地，所述第一高频介质基板与第二高频介质基板之间为空气层。

进一步地，所述空气层的厚度至少为所述第一高频介质基板或第二高频介质基板的5倍。

进一步地，所述第二辐射贴片上的凹槽为长方形。

进一步地，所述天线馈针的馈电位置相对所述第二辐射贴片上的凹槽对称轴偏离45度角。

基于如前所述圆极化多层微带天线单元，本实用新型另一方面提供一种圆极化多层微带天线立体阵，包括：

支撑架，为金属半球形，其表面设置有多圈圆形通孔，所述圆形通孔用于安装所述圆极化多层微带天线单元；以及

天线波控板，设置于所述支撑架的内部，且通过柔性电缆与所述圆极化多层微带天线单元相连。

进一步地，所述圆形通孔包括三层，其中：

第一层包括一个圆形通孔，设置于所述支撑架的顶点处；

第二层设置于所述第一层的下侧，且与所述第一层的距离为所述圆极化多层微带天线单元的工作波长的0.7至0.8倍，所述第二层包括多个圆形通孔，所述多个圆形通孔围绕所述第一层的圆形通孔等轴分布；以及

第三层设置于所述第二的层下侧，且与所述第二层的距离为所述圆极化多层微带天线单元的工作波长的0.7至0.8倍，所述第三层包括多个圆形通孔，所述多个圆形通孔围绕所述第一层的圆形通孔等轴分布。

进一步地，所述支撑架的半径为所述圆极化多层微带天线单元的工作波长的1至1.1倍。

进一步地，所述第二层包括6个圆形通孔，以及所述第三层包括12个圆形通孔。

本实用新型提供的一种圆极化多层微带天线单元及其立体阵，采用高增益宽波束的单馈点圆极化微带天线单元，结构简单，有效减少天线单元数量，降低成本。同时采用半球型立体组阵方式，实现±85度增益。以及高于12dB的扫描角度，能够满足卫星及地面终端应用的高增益、宽覆盖技术需求，具有推广价值。

附图说明

为进一步阐明本实用新型的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本实用新型的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本实用新型的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出本实用新型一个实施例的一种圆极化多层微带天线单元的结构示意图；

图2示出本实用新型一个实施例的一种圆极化多层微带天线单元的侧视示意图；

图3示出本实用新型一个实施例的一种圆极化多层微带天线立体阵的俯视示意图；

图4示出本实用新型一个实施例的一种圆极化多层微带天线立体阵的侧视示意图；

图5示出本实用新型一个实施例的一种圆极化多层微带天线立体阵的支撑架的结构示意图；

图6示出本实用新型一个实施例的一种圆极化多层微带天线单元在2.294GHz仿真方向图；

图7示出本实用新型一个实施例的一种圆极化多层微带天线单元在2.294GHz仿真轴比曲线；

图8示出本实用新型一个实施例的一种圆极化多层微带天线立体阵在2.294GHz法相扫描的仿真方向图；

图9示出本实用新型一个实施例的一种圆极化多层微带天线立体阵在2.294GHz法相扫描的仿真轴比曲线；

图10示出本实用新型一个实施例的一种圆极化多层微带天线立体阵在2.294GHz85度扫描的仿真方向图和轴比曲线；

图11示出本实用新型一个实施例的一种圆极化多层微带天线立体阵在2.294GHz扫描角度与增益变化曲线图；以及

图12示出本实用新型一个实施例的一种圆极化多层微带天线立体阵在2.294GHz扫描角度与变化轴比曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本实用新型。应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本实用新型中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本实用新型中，各实施例仅仅旨在说明本实用新型的方案，而不应被理解为限制性的。

在本实用新型中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本实用新型的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本实用新型的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。

在此还应当指出，在本实用新型的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本实用新型中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。

为了面向高速率卫星通信的应用需求，解决现有天线高增益与宽覆盖的技术问题，本实用新型提供一种圆极化多层微带天线单元及其立体阵，尤其是一种S波段半球体圆极化多层微带天线立体阵，其采用高增益宽波束的单馈点圆极化微带天线单元，结构简单，有效减少天线单元数量，降低成本。同时采用半球型立体组阵方式，实现±85度增益。以及高于12dB的扫描角度。下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本实用新型。

图1示出本实用新型一个实施例的一种圆极化多层微带天线单元的结构示意图，以及图2示出本实用新型一个实施例的一种圆极化多层微带天线单元的侧视示意图。如图1及图2所示，一种圆极化多层微带天线单元100为圆柱形，包括金属腔体101、第一高频介质基板121、第二高频介质基板122、第一辐射贴片131、第二辐射贴片132、天线馈针104以及SMA连接器105。

所述金属腔体101为圆柱形空腔，可视为所述圆极化多层微带天线单元的外壳或支撑体。

所述第一高频介质基板121、第二高频介质基板122分别设置于所述金属腔体101的第一表面及所述金属腔体101的内部。所述第一高频介质基板121与第二高频介质基板122平行，之间形成空气层106。在本实用新型的一个实施例中，所述空气层106的厚度至少为所述第一高频介质基板121或第二高频介质基板122的5倍，以保证天线的带宽和增益。在本实用新型的又一个实施例中，所述第一高频介质基板121与第二高频介质基板122采用低损耗微波材料制成。

所述第一辐射贴片131、第二辐射贴片132分别设置于所述第一高频介质基板121的第一面、第二高频介质基板122的第二面的中心处。其中，所述第一辐射贴片131为辐射面，设置为圆形，所述第二辐射贴片132为反射面，或称寄生贴片，用于提高单元天线的增益和波束宽度，所述第二辐射贴片132也为圆形，但其上设置有对称凹槽1321，以实现良好的匹配，在本实用新型的一个实施例中，所述凹槽为长方形。

所述天线馈针104的一端连接至所述第二辐射贴片132，在本实用新型的一个实施例中，所述天线馈针104的馈电位置相对所述第二辐射贴片132上的凹槽1321的对称轴偏离45度角。所述天线馈针104的另一端与所述SMA连接器105连接。

基于如前所述的圆极化多层微带天线单元，图3示出本实用新型一个实施例的一种圆极化多层微带天线立体阵的俯视示意图，以及图4示出本实用新型一个实施例的一种圆极化多层微带天线立体阵的侧视示意图。如图3及图4所示，一种圆极化多层微带天线立体阵，其整体为半球形，包括支撑架301以及天线波控板302。

所述支撑架301的表面设置有多圈如前所述的圆极化多层微带天线单元100。其中，第一圈包括一个圆极化多层微带天线单元，设置于所述支撑架的顶点处；第二圈设置于所述第一圈的下侧，包括多个圆极化多层微带天线单元，所述多个圆极化多层微带天线单元围绕所述第一圈的圆极化多层微带天线单元等轴分布；以及第三圈设置于所述第二圈的下侧，且包括多个圆极化多层微带天线单元，所述多个圆极化多层微带天线单元围绕所述第一层的圆极化多层微带天线单元等轴分布，第三圈包含的圆极化多层微带天线单元数量应当多于第二圈所包含的圆极化多层微带天线单元数量，以此类推。在本实用新型的一个实施例中，每一圈与相邻圈之间的距离根据所述圆极化多层微带天线单元的工作波长确定，通常不大于所述工作波长，且每一圈与相邻圈之间的距离优选为相等。应当理解的是，在本实用新型的其他实施例中，可根据实际需要的天线参数，合理设置所述圆极化多层微带天线单元100的圈数、和/或每圈包含的圆极化多层微带天线单元100的数量、和/或每圈之间的间距。

图5示出本实用新型一个实施例的一种圆极化多层微带天线立体阵的支撑架的结构示意图。如图5所示，所述支撑架301为金属半球形，且其半径根据所述圆极化多层微带天线单元的工作波长确定，优选等于或略大于所述工作波长。所述支撑架301的表面设置有多圈圆形通孔311，所述圆形通孔用于安装所述圆极化多层微带天线单元100。所述支撑架301上的圆形通孔311的位置对应于所述圆极化多层微带天线单元100的布置。

所述天线波控板302设置于所述支撑架301的内部，且通过柔性电缆与所述圆极化多层微带天线单元100相连。

为更好地说明本实用新型的技术效果，接下来以一个具体的圆极化多层微带天线立体阵为例，描述其相关技术特性。

首先，所述圆极化多层微带天线立体阵中的圆极化多层微带天线单元的第一高频介质基板及第二高频介质基板材料为介电常数2.65低损耗微波材料，第一辐射贴片的工作频点是2.294GHz。同时，第一高频介质基板、第二高频介质基板及空气层的厚度分别为1.3mm、2.8mm及14.4mm。

图6及图7分别示出本实用新型一个实施例的一种圆极化多层微带天线单元在2.294GHz仿真方向图及轴比曲线；可以看出，所述圆极化多层微带天线单元的轴比在0至85°的扫描范围内均小于3dB，具有出色的圆极化特性。

其次，所述圆极化多层微带天线立体阵的支撑架的半径为所述圆极化多层微带天线单元的工作波长的1至1.1倍，具体而言，为360毫米，且其包含三层圆形通孔，其中，第一层为1个，第二层法相35度环形均匀围绕6个，以及第三层法相65度环形均匀围绕12个。同时，第一层与第二层之间、以及第二层与第三层之间的距离相等，均为所述圆极化多层微带天线单元的工作波长的0.7至0.8倍。则每个圆形通孔上安装一个圆极化多层微带天线单元，共计有19个圆极化多层微带天线单元。对该S波段19单元半球体圆极化多层微带天线立体阵进行测试及仿真，得到如下结果：

图8示出该S波段19单元半球体圆极化多层微带天线立体阵在2.294GHz法相扫描的仿真方向图；

图9示出该S波段19单元半球体圆极化多层微带天线立体阵在2.294GHz法相扫描的仿真轴比曲线；

图10示出该S波段19单元半球体圆极化多层微带天线立体阵在2.294GHz 85度扫描的仿真方向图和轴比曲线；

图11示出该S波段19单元半球体圆极化多层微带天线立体阵在2.294GHz扫描角度与增益变化曲线图；以及

图12示出该S波段19单元半球体圆极化多层微带天线立体阵在2.294GHz扫描角度与变化轴比曲线图。

可以看出，该S波段19单元半球体圆极化多层微带天线立体阵的增益最大高达14.9dB，在170°波束宽度内增益均大于12dB，其间波束增益曲线平缓，未出现增益剧烈起伏，实现宽波束高增益。

尽管上文描述了本实用新型的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本实用新型的精神和范围。因此，此处所公开的本实用新型的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (9)

1.一种圆极化多层微带天线单元，其特征在于，包括：

金属腔体，其为圆柱形空腔；

第一高频介质基板，设置于所述金属腔体的第一表面；

第二高频介质基板，设置于所述金属腔体的内部，且与所述第一高频介质基板平行；

第一辐射贴片，设置于所述第一高频介质基板的第一面的中心处，且为圆形；

第二辐射贴片，设置于所述第二高频介质基板的第二面的中心处，且为具有对称凹槽的圆形；

天线馈针，连接至所述第二辐射贴片；以及

SMA连接器，连接至所述天线馈针。

2.如权利要求1所述的圆极化多层微带天线单元，其特征在于，所述第一高频介质基板与第二高频介质基板之间为空气层。

3.如权利要求2所述的圆极化多层微带天线单元，其特征在于，所述空气层的厚度至少为所述第一高频介质基板或第二高频介质基板的5倍。

4.如权利要求1所述的圆极化多层微带天线单元，其特征在于，所述第二辐射贴片上的凹槽为长方形。

5.如权利要求1所述的圆极化多层微带天线单元，其特征在于，所述天线馈针的馈电位置相对所述第二辐射贴片上的凹槽的对称轴偏离45度角。

6.一种圆极化多层微带天线立体阵，其特征在于，包括：

支撑架，为金属半球形，其表面设置有多圈圆形通孔，所述圆形通孔被配置为安装如权利要求1至5任一所述的圆极化多层微带天线单元；以及

天线波控板，设置于所述支撑架的内部，且通过柔性电缆与所述圆极化多层微带天线单元相连。

7.如权利要求6所述的圆极化多层微带天线立体阵，其特征在于，所述支撑架的半径为所述圆极化多层微带天线单元的工作波长的1至1.1倍。

8.如权利要求6所述的圆极化多层微带天线立体阵，其特征在于，所述圆形通孔包括三层，其中：

第一层包括一个圆形通孔，设置于所述支撑架的顶点处；

第二层设置于所述第一层的下侧，且与所述第一层的距离为所述圆极化多层微带天线单元的工作波长的0.7至0.8倍，所述第二层包括多个圆形通孔，所述多个圆形通孔围绕所述第一层的圆形通孔等轴分布；以及

第三层设置于所述第二层的下侧，且与所述第二层的距离为所述圆极化多层微带天线单元的工作波长的0.7至0.8倍，所述第三层包括多个圆形通孔，所述多个圆形通孔围绕所述第一层的圆形通孔等轴分布。

9.如权利要求8所述的圆极化多层微带天线立体阵，其特征在于，所述第二层包括6个圆形通孔，以及所述第三层包括12个圆形通孔。

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