一种用于卫星通信的Ku波段双频双极化天线

本发明涉及一种用于卫星通信的ku波段双频双极化天线，属于无线通信技术领域。

背景技术：

自古以来，作为抵御外敌入侵的前沿阵地和防止敌对势力渗透破坏的重要防线，加强边境防控，巩固边防安全，为国家构建起安全战略屏蔽是边防工作的重点。随着现代通信技术和互联网技术的发展，将智慧化和信息化的优势转化到边防工作中，构建快速反应、信息联动边防体系意义重大，这使得构建面向边防前线的全域覆盖、高安全性、可快速接入的便携式卫星通信系统具有重要的战略意义。与传统的抛物面天线为主的ku频段卫星便携站相比，采用小型化平板天线技术设计的天线，体积小，重量轻，容易加工。

双极化(两种相互正交的线极化)天线因其在对抗信道干扰的优势，在诸多应用场合收到青睐，在ku频段实现双极化的宽频带特性也是目前的研究热点。

贴片天线单元及凹槽天线单元具有不同的中心频率，由于两个天线单元的中心频率十分相近，大大拓展了天线的工作带宽，形成双谐振天线。

技术实现要素：

技术问题：

本发明的目的就是为了解决现有技术方案之不成熟而提供的一种能集成在卫星通信设备中的ku波段双频双极化天线，在性能上具有宽频带特性且能提双极化辐射，在结构上具有低轮廓、轻质材、易集成和共形方便等优点；特别的，在使用多付天线应用到卫星通信终端设备上时，使终端辐射信号覆盖超过半球空间。

技术方案：

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于卫星通信的ku波段双频双极化天线，自上而下包括辐射金属贴片、垂直极化方向和水平极化方向分别开有耦合缝隙的金属地板、馈电结构，辐射金属贴片由开有耦合缝隙的金属地板耦合馈电，金属地板由馈电结构耦合馈电，所述馈电结构包括位于分别位于垂直极化方向和水平极化方向的耦合缝隙下方的第一馈电贴片和第二馈电贴片，以及一端分别与第一馈电贴片和第二馈电贴片连接的第一微带线和第二微带线，第一微带线和第二微带线的另一端分别接垂直极化方向上的馈电端口和水平极化方向上的馈电端口。

进一步的，所述ku波段双频双极化天线包括空间耦合馈电的微带贴片天线单元和两个缝隙耦合天线单元，微带贴片天线单元的辐射由所述辐射金属贴片形成，缝隙耦合天线单元的辐射由所述金属底板上的耦合缝隙形成；所述微带贴片天线单元和缝隙耦合天线单元各有一个中心频率，两天线单元同时被激励产生双频点，形成谐振天线。

进一步的，所述微带贴片天线单元和缝隙耦合天线单元的中心频率分别为12.2-12.7ghz，13.8-14.3ghz。

进一步的，所述第一微带线和第一馈电贴片形成第一t型馈电结构，第二微带线和第二馈电贴片形成第二t型馈电结构，第一t型馈电结构和第二t型馈电结构与辐射金属贴片垂直中心轴成90°旋转对称。

进一步的，所述辐射金属贴片为方形，边长为6.0041mm。

进一步的，所述耦合缝隙为哑铃形，包括主体部分和两个方形，主体部分长为2.8626mm，宽为0.5777mm，方形边长为1.0874mm。

进一步的，所述耦合缝隙的中心距离天线边沿的距离分别为2.7406mm和6.0413mm。

一种应用上述双频双极化天线的卫星通信设备，其上侧面、左侧面和右侧面分别安装所述双频双极化天线。所述卫星通信设备可采用kp-1单兵卫星通信设备。

有益效果：

本发明的用于卫星通信的ku波段双频双极化天线，具有以下特点：

1)具有双极化特性。本发明的双端口馈电的缝隙耦合天线具有垂直极化特性和水平极化特性。双极化天线在增加收发隔离度的同时，也具有较强的抗信道干扰能力，在ku频段实现双极化的宽频带特性也是目前的研究热点。

2)具有宽频带特性。通过创新性的使用旋转对称放置的t型馈电结构，即微带传输线与馈电贴片，大大拓展了天线的工作带宽，从而在不影响天线性能的情况下减小耦合缝隙大小，降低了后向辐射，贴片天线单元及缝隙耦合天线单元具有不同的中心频率，由于两个天线单元的中心频率十分相近，形成双谐振天线。

3)在一个主面上具有较宽的波束宽度，易于实现信号的大角度覆盖；进一步的，本发明具有低轮廓、易集成和宽波束覆盖的特性，采用三付天线分别安装于设备的左侧、右侧和上侧，可以满足终端设备超过半球的三维空间信号覆盖需求，其中主要空间区域满足双极化特性。

4)结构简单，加工容易，且因为制作于介质基片上，使用pcb技术，所以天线轮廓低、重量轻、利于大量生产、易集成于卫星通信设备。

附图说明

图1是本发明双频双极化天线的俯视图；

图2是本发明双频双极化天线的主视图；

图中，1为方形辐射金属贴片；2为第一介质板；3为第一粘合板；4为第一耦合缝隙；5为第二耦合缝隙；6为开有耦合缝隙的第一金属地板；7为第二介质板；8为第一微带线；9为第一馈电贴片；10为第二微带线；11为第二馈电贴片；12为第二粘合板、13为第三介质板，14为第二金属地板；

图3是本发明贴片天线辐射结构示意图；

图4是本发明缝隙耦合天线辐射结构示意图；

图5是本发明双频双极化天线的馈电层覆铜区域示意图；

图6是本发明双频双极化天线的s参数设计结果；

图7是本发明双频双极化天线提供垂直极化(ev-pol)及水平极化(eh-pol)的设计方向图e面内结果；

图8是本发明双频双极化天线提供垂直极化(hv-pol)及水平极化(hh-pol)的设计方向图h面内结果。

具体实施方式

下面结合附图进一步阐述本发明。

如图1和2所示，本发明是一种ku波段双频双极化天线，自上而下依次为方形辐射金属贴片1、第一介质板2、第一粘合板3、垂直极化方向和水平极化方向分别开有耦合缝隙的的第一金属地板6、第二介质板7、第二粘合板12、馈电结构、第三介质板13和第二金属地板14。馈电结构包括位于分别位于垂直极化方向和水平极化方向的耦合缝隙下方的第一馈电贴片9和第二馈电贴片11，以及一端分别与第一馈电贴片9和第二馈电贴片11连接的第一微带线8和第二微带线10，第一微带线8和第二微带线10的另一端分别接垂直极化方向上的馈电端口和水平极化方向上的馈电端口。第一微带线8和第二微带线10采用50欧姆微带线。

将此天线应用于卫星通信设备ku波段通信时，拟采用三付天线安装在终端设备的上侧面、左侧面和右侧面，分别用来实现终端设备的上方、左方和右方三个方向的信号覆盖。借助于垂直极化天线单元和水平极化天线单元的交替使用，能实现终端设备超过半球的三维空间信号覆盖需求，并提供双极化特性。

图3为微带贴片天线单元，该贴片天线的辐射由方形辐射金属贴片1形成，方形辐射金属贴片1通过下层的第一金属地板6进行耦合馈电，方形辐射金属贴片1设置在天线中心处，边长为6.0041mm。第一介质板2的材料为rogersrt/duroid5880(tm)，厚度为1.1684mm。在第一介质板2的下表面设置有第一粘合板3，粘合板材料为r3001，厚度为0.23mm，第一粘合板3将第一介质板2和第一金属地板6固定在一起。第一金属地板6的厚度为0.0414mm。哑铃形耦合缝隙的主体部分长为2.8626mm，宽为0.5777mm，方形边长为1.0874mm。耦合缝隙中心距离天线边沿的距离分别为2.7406mm和6.0413mm。

图4为缝隙耦合天线单元，缝隙耦合天线的辐射由第一金属地板6上的两个哑铃形耦合缝隙形成。第一金属地板6覆盖在第二介质层7上表面，第二介质层7介质板材料为rogersrt/duroid5880(tm)，厚度为0.2921mm，缝隙耦合天线的馈电结构位于第二介质板7的下表面，两条微带线的宽为0.7341mm，长为4.1303mm，一端接馈电端口，另一端接馈电贴片，馈电贴片宽度为2.145mm，长度为3.2937mm，微带线中心距较近的天线边沿的距离为2.1969mm。

两条微带线与辐射金属贴片垂直中心轴成90°旋转对称。第二介质板7通过第二粘合板12与第三介质板13固定在一起，第二粘合板12的材质为r3001，厚度为0.23mm，第三介质板13的材质为rogersrt/duroid5880(tm)，厚度为1.1684mm。第三介质板下表面覆有第二金属地板14。

第一微带线8中传输的信号通过第一馈电贴片9耦合进入第一耦合缝隙4。第二微带线10中传输的信号通过第二馈电贴片11耦合进入第二耦合缝隙5。在第一金属地板6中，馈电金属贴片位置，有两块哑铃形投影面积的挖空区域，以作为缝隙耦合天线单元使用。

当使用垂直极化天线单元和水平极化天线单元形成双极化辐射时，通过各自的微带线分别进行激励。

由图6可看出天线的s11小于-10db的带宽范围为11.63ghz至14.74ghz，相对带宽为23.59％，覆盖卫星通信频段的12ghz至14ghz范围，中心频点为12.4ghz及14ghz。图7是天线垂直极化及水平极化e面内的方向图，图8是天线垂直极化及水平极化h面内方向图。可以看出，本发明的天线可以提供宽频带特性且具备双极化特性的辐射方向图。

借助于该发明天线方向图在一个主面的宽波束特性，可以满足卫星通信设备超过半球的三维空间信号覆盖需求，并具有便携性。