一种星载小型化混合可重构天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种星载小型化混合可重构天线。

背景技术

具有频率与极化可重构功能的天线可以使得天线动态地在多个频段上工作，各频段之间几乎没有干扰，同时辐射的方向图可以保持大致不变，但现在的重构天线设计方法，频率重构所需器件超过6个，极化重构所需器件数量均在2个以上，都存在重构器件数量较多、电路复杂的问题，对于器件使用较少的方法，其功能又过于单一，在星载应用中受到较大限制。大部分设计方法所使用的器件数量较多，导致电路拓扑结构复杂，不适合星载使用；有一些设计方法所使用的器件数量少，但是天线的增益较低、轴比较差、功能单一，无法满足星载应用要求。

在辐射器小型化设计、减少重构器件数量基础上兼顾频率极化独立混合重构；低轨微小卫星对天线尺寸要求苛刻，因此在辐射器小型化设计的同时，还需要尽量简化重构控制和偏置等外围电路的设计。现有的可重构天线存在以下问题：首先，功能单一的频率或极化可重构天线的电路较为简洁，而两者结合的混合重构往往需要较多重构器件，器件数量增加直接导致重构电路和控制逻辑复杂，使整机体积增大。其次，采用重构器件共用的方式能够在一定程度上减少重构器件数量，但又导致两种重构类型失去独立性和灵活性。再次，现有的可重构天线不具备抗宇航环境辐照与力、热等能力。最后，要达到重构参数独立调谐的目的，关键在于提高两类重构特性参数调谐的独立性。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明基于序列馈电天线具有良好的频率极化重构独立调谐能力，将对频率重构和极化重构电路进行独立设计作为重要方案，提供了一种星载小型化混合可重构天线，包括：频率可重构辐射器、极化可重构馈电网络；

所述频率可重构辐射器包括辐射器基板、调谐螺钉、中空螺钉、矩形短路块、馈电探针和介质支撑筒；

所述极化可重构馈电网络为印刷电路基板结构，包括馈电网络基板、接地金属盘、射频连接器，所述极化可重构馈电网络的输入端口与所述射频接器焊接，所述射频连接器安装于所述接地金属盘下表面，所述馈电网络基板上表面具有馈电网络接地金属层；

所述辐射器基板由印刷在复合材料基板表面的三组水平金属板和直流偏置圆盘，以及焊接在三组水平金属板和直流偏置圆盘之间的变容二极管组成，所述变容二极管两端分别通过印刷在基板上的窄金属带与所述水平金属板和所述直流偏置圆盘实现电气连接，所述直流偏置圆盘印刷在所述辐射器基板的中部，用于所述变容二极管的反向偏置直流电压馈电加载位置，所述直流偏置圆盘中部通过中空螺钉固定有直流馈电线缆，所述直流馈电线缆与所述直流偏置圆盘电气连接，所述直流馈电线缆穿过接地金属盘和馈电网络基板，并由所述介质支撑筒固定走线路径，所述直流馈电线缆和所述直流偏置圆盘用于所述变容二极管的反向偏置，所述水平金属板、矩形短路块、馈电探针与所述馈电网络接地金属层共同组成3单元PIFA辐射器；

所述馈电网络基板包括微带功分器和可重构微带移相器，所述馈电探针为垂直安装结构，所述可重构微带移相器具有3个输入端口，分别与所述馈电探针底部焊接，所述微带功分器的输出端口与所述射频连接器焊接，所述馈电探针的顶部分别与三组水平金属板的一端采用金属螺钉进行电气连接和固定，所述三组水平金属板的另一端分别安装有3个调谐螺钉用于各个辐射器单元的频率微调；

所述矩形短路块为垂直安装结构，所述矩形短路块底部分别与所述馈电网络接地金属层、接地金属盘通过金属螺钉固定连接，所述矩形短路块顶部分别与所述三组水平金属板靠近所述馈电探针的一端采用金属螺钉电气连接和固定，所述水平金属板、矩形短路块、馈电探针和所述馈电网络接地金属层共同组成倒F形天线单元。

本发明的进一步技术方案是：所述射频连接器为SMA射频连接器。

本发明的进一步技术方案是：所述介质支撑筒为聚酰亚胺介质支撑筒。

本发明的进一步技术方案是：所述变容二极管采用单管、双管并联、三管并联三种方式中的任意一种。

本发明的进一步技术方案是：所述变容二极管正极安装在水平金属板侧，负极安装在直流偏置圆盘侧。

本发明的进一步技术方案是：所述可重构微带移相器通过双刀双掷开关实现电路重构。

本发明提供的一种星载小型化混合可重构天线，其有益效果是：

1、为了实现频率的连续可调，在辐射振子中增加变容二极管，通过改变变容二极管的工作电压，实现电容的可调，最终达到频率的可调；

2、天线的圆极化辐射特性是由三组谐振频率相同的线极化构成的，在天线辐射频率的可重构过程中，需要三组振子的谐振频率随着电压的变化而同步变化，从而实现在频率可变的同时，具有较好的圆极化特性；

3、本发明天线具备小型化、重构器件数量少、频率极化独立混合重构、频率重构连续调谐、重构控制和偏置等外围电路设计简洁等特性，同时，天线整体结构具备优良的力、热环境适应性和抗辐照特性，满足宇航环境使用要求。

附图说明

图1为本发明实施例的天线整体结构示意图；

图2为本发明实施例的极化可重构馈电网络左旋圆极化模式的示意图；

图3为本发明实施例的极化可重构馈电网络右旋圆极化模式的示意图；

图4为本发明实施例在330MHz重构频率的左旋圆极化模式下的方向图和测试结果图；

图5为本发明实施例在330MHz重构频率的右旋圆极化模式下的方向图和测试结果图；

图6为本发明实施例的频率重构与左旋圆极化混合重构状态的仿真和实测结果图；

图7为本发明实施例的频率重构与右旋圆极化混合重构状态的仿真和实测结果图。

其中附图标记说明：1、频率可重构辐射器，2、极化可重构馈电网络，11、辐射器基板，12、调谐螺钉，13、中空螺钉，14、矩形短路块，15、馈电探针，16、介质支撑筒 ，17、直流馈电线缆，111、变容二极管，112、直流偏置圆盘，113、水平金属板，21、馈电网络基板，22、接地金属盘，23、射频连接器，211、微带功分器 ，212、可重构微带移相器，213、馈电网络接地金属层，2111、微带功分器隔离电阻，2121、双刀双掷射频开关。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“内，外”通常是指相应物体轮廓的内和外。使用的方位词如“上下左右，前后，顶部底部”通常是指相应物体的上下左右、前后、顶部底部。

如图1所示，本实施例涉及一种星载小型化混合可重构天线，具体的，该天线包括：频率可重构辐射器1和极化可重构馈电网络2，该频率可重构辐射器1包括辐射器基板11、调谐螺钉12、中空螺钉13、矩形短路块14、馈电探针15和介质支撑筒16；该极化可重构馈电网络2为印刷电路基板结构，包括馈电网络基板21、接地金属盘22、射频连接器23，优选实施例中，射频连接器23为SMA射频连接器，该极化可重构馈电网络（2）的输入端口与射频接器23焊接，射频连接器23安装于接地金属盘22下表面，接地金属盘22为金属结构，作为馈电网络基板21和射频连接器23的连接结构，馈电网络基板21上表面具有馈电网络接地金属层213；该辐射器基板11由印刷在复合材料基板表面的三组水平金属板113和直流偏置圆盘112，以及焊接在三组水平金属板113和直流偏置圆盘112之间的变容二极管111组成，其中三组水平金属板113螺旋布局，变容二极管111两端分别通过印刷在基板上的窄金属带与水平金属板113和直流偏置圆盘112实现电气连接，优选的，变容二极管111采用单管、双管并联、三管并联三种方式中的任意一种，进一步的，变容二极管111正极安装在水平金属板113侧，负极安装在直流偏置圆盘112侧，直流偏置圆盘112印刷在辐射器基板11的中部，用于变容二极管111的反向偏置直流电压馈电加载位置，直流偏置圆盘112中部通过中空螺钉13固定有直流馈电线缆17，直流馈电线缆17与直流偏置圆盘112电气连接，直流馈电线缆17穿过接地金属盘22和馈电网络基板21，并由介质支撑筒16固定走线路径，直流馈电线缆17和直流偏置圆盘112用于变容二极管111的反向偏置，其中介质支撑筒16为柱形或锥形结构，优选的，介质支撑筒16为聚酰亚胺介质支撑筒，安装在辐射器基板11和馈电网络基板21之间，用于固定直流偏置线缆，起到支撑的作用，保证线缆的走线路径，从而避免直流偏置线缆对天线电性能的影响。水平金属板113、矩形短路块14、馈电探针15与馈电网络接地金属层214共同组成3单元PIFA辐射器，变容二极管111采用焊接方式，通过宽度远小于水平金属板113的高阻金属带线，将直流偏置圆盘112、水平金属板113连接在一起；

馈电网络基板21包括微带功分器211和可重构微带移相器212，馈电探针15为垂直安装结构，可重构微带移相器212具有3个输入端口，分别与馈电探针15底部焊接，微带功分器211的输出端口与射频连接器23焊接，优选的，可重构微带移相器212通过双刀双掷开关实现电路重构，用于将极化可重构馈电网络2的激励信号传输至辐射器，极化可重构馈电网络2为一分三网络，具有等幅、相差依次为180度的输出特性；馈电探针15的顶部分别与三组水平金属板113的一端采用金属螺钉进行电气连接和固定，三组水平金属板113的另一端分别安装有3个调谐螺钉12用于各个辐射器单元的频率微调，减小变容二极管器111的不一致性引起的频率偏移。

辐射器直流偏置电路方面，直流偏置圆盘112中心设计有中空螺钉13，用来可靠连接1路直流偏置电缆，同时为三路变容二极管111提供偏置电压，为了降低直流偏置线缆对辐射器的影响，在馈电网络基板21的中心、远离网络走线处开了通孔，并在偏置电缆（正极）走线路径上设计了锥形的聚酰亚胺支撑结构。由于接地板与天线的地平面通过螺钉良好接触，因此每个固定螺钉都是良好接地并与天线的地平面共地，从固定接地金属盘22的其中一个固定螺钉引出导线，做为偏置供电的接地线（负极）。采用稳压源直接供电，提供变容二极管111调谐所需的电压。

矩形短路块14为垂直安装结构，该矩形短路块14底部分别与馈电网络接地金属层213、接地金属盘22通过金属螺钉固定连接，接地金属盘22实现天线的接地功能。实现良好射频接地，矩形短路块14顶部分别与三组水平金属板113靠近馈电探针15的一端采用金属螺钉电气连接和固定，水平金属板113、矩形短路块14、馈电探针15和馈电网络接地金属层214共同组成倒F形天线（PIFA，Planar Invert-F Antenna）单元，因此天线辐射器可以看成由三个PIFA单元组成。

具体的，通过频率可重构辐射器1中的三个PIFA单元的旋转对称特点，通过辐射器基板11中央的直流偏置圆盘112连接变容二极管111并为其提供偏置电压，从而实现天线的频率可重构工作模式和频率连续调谐的特性。在直流偏置圆盘112和三个PIFA单元的水平金属板113开路端之间加载的变容二极管111可以采用单管、双管并联、三管并联等方式实现频率调谐范围的扩展或频率调谐精度的调整。使用介质支撑筒16、中空螺钉13等结构进行直流馈电线缆17的走线固定，使其对天线的辐射性能影响最小。在PIFA单元的开路端增加了调谐螺钉12，具备对谐振频率的微调能力，降低了对变容二极管一致性的要求。采用了巧妙的、旋转对称的宽带微带功分器211和移相器212馈电方式，实现馈电网络的小型化、对三组辐射臂宽带馈电的同时，仅需要一个双刀双掷射频开关即可实现左右旋圆极化的切换，从而实现天线的极化可重构模式，大大减少了重构器件、简化了控制和偏置电路，这是该馈电网络结构的天然优势。

本发明实现的具体过程如下：接地金属盘22作为天线的金属地，射频信号通过极化可重构馈电网络2产生三路等幅、相差依次为180°的电信号，并由馈电网络基板 21和馈电探针15对频率可重构辐射器1进行馈电；同时，变容二极管111加载在直流偏置圆盘112和水平金属板113之间，正极安装在水平金属板113侧、负极安装在直流偏置圆盘112侧；直流馈电线缆17穿过接地金属盘22和馈电网络基板21，由介质支撑筒16结构固定走线路径，由中空螺钉13固定在直流偏置圆盘112中心，通过直流馈电线缆17和直流偏置圆盘112来实现变容二极管111的反向偏置。实施例中天线接收电磁波的过程与上述辐射电磁波的过程相反。

图2为极化可重构馈电网络左旋圆极化模式示意图，在如图所示的双刀双掷开关状态下，天线将工作在左旋圆极化模式下；图3为极化可重构馈电网络右旋圆极化模式示意图，在如图所示的双刀双掷开关状态下，天线将工作在右旋圆极化模式；如图4为在330MHz重构频率下的不同极化可重构状态下的仿真和测试结果图，对应图2的设置状态，为左旋圆极化重构模式；图5为在330MHz重构频率下的不同极化可重构状态下的仿真和测试结果图，对应图3的设置状态，为右旋圆极化重构模式；图6为在频率极化混合重构状态下的主极化轴向增益仿真和实测结果图，以280MHz、330MHz、380MHz三个典型重构频率为例，为频率重构与左旋圆极化混合重构状态的仿真和实测结果；图7为在频率极化混合重构状态下的主极化轴向增益仿真和实测结果图，以280MHz、330MHz、380MHz三个典型重构频率为例，为频率重构与右旋圆极化混合重构状态的仿真和实测结果。

本发明天线工作频率的可重构是基于调节天线辐射振子的谐振频率；振子的谐振频率与振子的等效电容相关，通过改变辐射振子的等效电容，实现谐振频率的改变。为了实现频率的连续可调，在辐射振子中增加可变电容器件，通过改变电容器件的工作电压，实现电容的可调，最终达到频率的可调。天线的圆极化辐射特性是由三组谐振频率相同的线极化构成的，在天线辐射频率的可重构过程中，需要三组振子的谐振频率随着电压的变化而同步变化，从而实现在频率可变的同时，具有较好的圆极化特性。通过以上天线的示例，可以验证天线具备圆极化辐射特性的频率可重构。

整个天线设计新颖，在功能和性能方面的优势明显，适用于低轨微小卫星，主要表现在：可实现频率和极化的独立重构，频率重构可实现频率灵活的连续调谐，在左旋和右旋两种圆极化重构状态下的增益波动小，同时所用重构器件数量少。同时，天线整体结构具备优良的力、热环境适应性和抗辐照特性，满足宇航环境使用要求。

在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的步骤、方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种步骤、方法所固有的要素。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。