低剖面圆极化等通量星载天线

1.本发明涉及微电子天线领域，特别涉及一种低剖面圆极化等通量星载天线。


背景技术：

2.对比大卫星而言，小卫星制造成本低、开发周期短，其中立方星更是以其质量轻、易集成、模块化的优点在低轨道卫星领域得到广泛应用。由于尺寸限制，小型卫星对装配在上面的天线有着更严格的要求，低质量，低剖面，小尺寸，足够的机械健壮性等等。故而设计小型化的星载天线就尤为必要。
3.天线作为射频系统的重要前端部件，在不同应用场景需要具备不同的特性。圆极化由于其可以一直多径效应和极化失配的特点，广泛应用在卫星通信领域。另外，由于地球是球形，通常希望低轨道卫星的天线能够产生等通量的方向图，从而使得覆盖范围内获得大致相同的信号强度。
4.目前已有方案[1]，其中，采用一种介质加载的贴片天线，介质透镜起到波束赋形的作用，从而得到一个等通量的方向图。该方案虽然覆盖角度能够达到
±
50
°
，但加载的介质块体积大，剖面高，难以利用到立方星上。
[0005]
方案[2]的辐射主体为顺序馈电的圆形贴片和一圈pifa组成。馈电网络则是一个复杂的一分十二不等馈电。这个天线剖面较低，同时结构可靠性良好，但是其馈电网络过于复杂，导致损耗大，增益较低，轴比较差。
[0006]
[1]x.ren,s.liao,and q.xue,"a circularly polarized spaceborne antenna with shaped beam for earth coverage applications,"ieee transactions on antennas and propagation,vol.67,no.4,pp.2235-2242,2019.
[0007]
[2]s.li,s.liao,y.yang,w.che and q.xue,"low-profile circularly polarized isoflux beam antenna array based on annular aperture elements for cubesat earth coverage applications,"in ieee transactions on antennas and propagation,vol.69,no.9,pp.5489-5502,sept.2021,doi:10.1109/tap.2021.3060039.


技术实现要素：

[0008]
本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明实施例提供一种体积小剖面低、辐射效率高、空间轴比好的低剖面圆极化等通量星载天线。
[0009]
低馈电网络损耗保证高辐射效率，整体尺寸小。
[0010]
根据本发明实施例的低剖面圆极化等通量星载天线，包括平板波导，所述平板波导包括相互连接的金属盘和基板，所述基板和所述金属盘之间具有馈电内腔；馈电组件，所述馈电组件包括位于所述金属盘下表面中心位置的馈电网络，所述馈电网络连接有多个中心探针，所述中心探针置入到所述平板波导中，以将电磁波馈入到所述馈电内腔并在所述馈电内腔激励起圆极化的行波场；用于激发圆极化辐射的天线阵列，所述天线阵列布置在
所述基板上表面，所述天线阵列具有多圈环形口径场，各所述环形口径场同心设置，所述环形口径场包括有若干个贴片阵元，所述中心探针置入到所述平板波导后与最内圈所述环形口径场的贴片阵元电性连接；以及金属层，所述金属层布置在所述基板下表面，所述金属层在位于各所述贴片阵元匹配的位置开设有缝隙，以将所述馈电内腔的电磁波耦合到所述贴片阵元上，从而实现圆极化辐射。
[0011]
在可选或优选的实施例中，所述馈电组件还包括位于所述金属盘下表面的馈电板，所述馈电网络布置在所述馈电板下表面，所述中心探针先后穿过所述馈电板及所述平板波导后，与最内圈的所述贴片阵元电性连接，以进行馈电。
[0012]
在可选或优选的实施例中，最内圈所述环形口径场的所述贴片阵元为四元序列馈电的圆极化贴片，所述中心探针共设四根，所述馈电网络为一分四序列的微带结构，所述馈电网络通过各所述中心探针对最内圈的所述贴片阵元进行馈电。
[0013]
在可选或优选的实施例中，所述环形口径场共设置三圈，外两圈所述环形口径场中，每圈所述环形口径场的各所述贴片阵元呈旋转对称分布，并通过相应所述缝隙耦合进行馈电。
[0014]
在可选或优选的实施例中，外两圈所述环形口径场中，各所述贴片阵元为切角圆极化贴片。
[0015]
在可选或优选的实施例中，所述馈电板四周还设置有圆周布置的多个负载电阻，所述负载电阻通过周边探针置入到所述平板波导，以将所述平板波导末端未辐射的电磁波经所述周边探针流到所述负载电阻被吸收。
[0016]
在可选或优选的实施例中，所述金属盘内设置有若干个环向脊，用于控制所述环形口径场上所述贴片阵元的耦合量。
[0017]
在可选或优选的实施例中，所述金属盘内在所述平板波导末端沿半径方向设置有径向脊，用于提高吸收能量的能力。
[0018]
在可选或优选的实施例中，所述金属层镀在所述基板下表面。
[0019]
基于上述技术方案，本发明实施例至少具有以下有益效果：上述技术方案，电磁波经过中心探针馈入平板波导，一部分电磁波沿中心探针到达最内圈环形口径场的贴片阵元，一部分电磁波沿平板波导的半径方向向四周传播，平板波导内的电磁波经过金属层的缝隙时会有部分耦合到上方的贴片阵元上，实现圆极化辐射。通过控制贴片阵元的位置和缝隙的耦合度，来控制环形口径场，进而实现等通量的圆极化辐射。本发明的低剖面圆极化等通量天线模块，实现良好的圆极化等通量辐射性能，贴片阵元内各单元均可以激发圆极化辐射，实现比贴片阵元内各单元激发线极化能够有更好的轴比，整体组装简单易于加工，具有体积小剖面低、辐射效率高、空间轴比好的优点，适合应用于立方体卫星或其他小卫星。
附图说明
[0020]
下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；
[0021]
图1是本发明实施例的爆炸图；
[0022]
图2是本发明实施例中平板波导内电磁波的流动示意图；
[0023]
图3是本发明实施例中天线阵列的透视图；
[0024]
图4是本发明实施例中金属层的透视图；
[0025]
图5是本发明实施例中金属盘的透视图；
[0026]
图6是本发明实施例中馈电网络和负载电阻的俯视图；
[0027]
图7是本发明实施例低剖面圆极化等通量星载天线的反射系数s11示意图；
[0028]
图8是本发明实施例低剖面圆极化等通量星载天线的8.4ghz左旋圆极化、右旋圆极化增益示意图；
[0029]
图9是本发明实施例低剖面圆极化等通量星载天线的8.4ghz轴比示意图。
具体实施方式
[0030]
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0031]
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0032]
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
[0033]
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
[0034]
参照图1至图9，出示了一种低剖面圆极化等通量星载天线，包括馈电组件100、平板波导200、金属层311以及天线阵列320。
[0035]
其中，平板波导200包括相互连接的金属盘211和基板221，基板221和金属盘211之间具有馈电内腔，金属盘211起到承载基板221的作用，基板221和金属盘211两者构成了平板波导的结构。馈电组件100包括位于金属盘211下表面中心位置的馈电网络121，馈电网络121连接有多个中心探针122，中心探针122置入到平板波导200中，以将电磁波馈入到馈电内腔并在馈电内腔激励起圆极化的行波场。
[0036]
天线阵列320是用于激发圆极化辐射的，天线阵列320布置在基板221上表面，天线阵列320具有多圈环形口径场，各环形口径场同心设置，环形口径场包括有若干个贴片阵元321，中心探针122置入到平板波导后与最内圈环形口径场的贴片阵元321电性连接。金属层311布置在基板221下表面，金属层311在位于各贴片阵元321匹配的位置开设有缝隙312，以将馈电内腔的电磁波耦合到贴片阵元321上，从而实现圆极化辐射。本实施例中，金属层312镀在基板221下表面。
[0037]
进一步的，馈电板111四周还设置有圆周布置的多个负载电阻131，负载电阻131通过周边探针132置入到平板波导200，以将平板波导200末端未辐射的电磁波经周边探针132流到负载电阻131被吸收。负载电阻131用于吸收馈电内腔末端的电磁波，提高平板波导内
电磁波的驻波系数，改善带宽、稳定性。
[0038]
可以理解的是，中心序列馈电的四根中心探针122在平板波导200内激励起圆极化的行波场，四周探针132用于将电磁波引入底层的匹配的负载电阻131，从而避免在平板波导200内形成驻波。
[0039]
天线工作时平板波导内的电磁波流向如图2所示，结合图1，电磁波经过中心探针馈入平板波导200，一部分电磁波沿中心探针122到达最内圈环形口径场的贴片阵元321，另一部分电磁波从平板波导200中心通过中心探针122馈入，沿平板波导200内的馈电内腔的半径方向传播，并激励起圆极化的行波场，在馈电内腔的上部的金属层311设置的缝隙312，电磁波传播到缝隙312处时会经缝隙耦合到上方的贴片阵元321，从而实现圆极化辐射，在平板波导200内末端，即馈电空腔的周部，未辐射的电磁波经周边探针132流到下方的负载电阻131被吸收。本发明实施例可以通过控制贴片阵元的位置和缝隙的耦合度，来控制环形口径场，进而实现等通量的圆极化辐射。
[0040]
需要说明的是，本发明中所述“上”、“上表面”、“下”、“下表面”为基于附图所示的方位及位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。
[0041]
上述低剖面圆极化等通量天线模块，实现良好的圆极化等通量辐射性能，贴片阵元内各单元均可以激发圆极化辐射，实现比贴片阵元内各单元激发线极化能够有更好的轴比，整体组装简单易于加工，具有体积小剖面低、辐射效率高、空间轴比好的优点，适合应用于立方体卫星或其他小卫星。
[0042]
另外，馈电组件100还包括位于金属盘211下表面的馈电板111，馈电网络121布置在馈电板111下表面，中心探针122先后穿过馈电板111及平板波导200后，与最内圈的贴片阵元321电性连接，以进行馈电。
[0043]
结合图1和图3，本实施例中，天线阵列320具有三圈环形口径场，具体而言，最内圈环形口径场的贴片阵元321为四元序列馈电的圆极化贴片。外两圈环形口径场中，每圈环形口径场的各贴片阵元321呈旋转对称分布，并通过相应缝隙312耦合进行馈电；更为具体的，中间一圈环形口径场设置八个贴片阵元321，最外圈环形口径场设置贴片阵元321。
[0044]
如图1所示，馈电网络121为一分四序列的微带结构，可以根据输入按90
°
相差一等分为四，中心探针122共设四根，馈电网络121通过各中心探针122对最内圈的贴片阵元321进行馈电。外两圈环形口径场中，各贴片阵元321为切角圆极化贴片，每个切角圆极化贴片均能激发圆极化辐射，改善低仰角的空间轴比。本实施例中，圆极化辐射通过平板波导缝隙的形式，实现360
°
/n等相位馈电结构变得简单。
[0045]
在其中的一些实施例中，如图5所示，金属盘211内设置有若干个环向脊212，用于控制环形口径场上贴片阵元321的耦合量。金属盘211内在平板波导200末端沿半径方向设置有径向脊213，用于提高吸收能量的能力。
[0046]
在本实例中，天线阵列采用的基板和馈电板均为rogers 4003、介电常数为3.55、损耗角为0.0027、厚度分别为1.524mm和0.508mm。进行仿真数据测试，在工作频带内，反射系数s11均小于-10db，如图7所示；在8.4ghz的中心工作频率，可以看到左旋圆极化增益能够实现等通量的辐射效果，如图8所示；且增益高，
±
38
°
的范围内增益均大于5dbi。图9显示了低剖面圆极化等通量星载天线的空间轴比，可以看到在辐射范围内轴比均小于3db。
[0047]
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。