一种具有双谐振腔的双频双圆极化天线

技术领域

本发明涉及天线技术，具体涉及一种具有双谐振腔的双频双圆极化天线。

背景技术

在卫星通信中，为了获得更稳定的信号，更高的通信质量，要求天线具有高增益、圆极化的特性。然而传统的高增益天线，如反射面天线、阵列天线、波导喇叭天线虽然具有高增益的特点，但是存在造价高昂、馈电网络复杂或尺寸较大等缺点。如果使用法布里-珀罗谐振腔，借助其结构简单且剖面低的特点，可以实现高增益的天线性能，并且有效降低设备尺寸和成本，同时，借助超表面加载，可以对F-P谐振腔天线的性能进行优化。另一方面，尽管传统的螺旋天线、贴片天线可以实现圆极化功能，但是其带宽与增益均难以满足未来卫星互联网的需求。而法布里-珀罗谐振腔天线与顺序旋转馈电技术的结合，可以实现高增益、圆极化、小型化的性能，适用于未来高速卫星通信系统的地面终端设备。

与本发明最接近的现有技术，是利用圆极化贴片天线组阵以提高增益，或在传统的线极化高增益天线中线-圆加载极化转换表面，以上技术具有以下缺陷：

采用圆极化贴片天线组阵，较低的口径效会导致天线的增益较低，为了实现更高的天线增益，则需要组成更大的阵列；

采用圆极化贴片天线组阵，为了满足较高的增益需求往往需要组成更大的阵列，更多阵元的加入将导致天线的馈电线路复杂。

采用传统的高增益天线，由于传统的高增益天线存在造价高昂或体积大、剖面高等问题，不利于天线的小型化和低成本生产。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种具有双谐振腔的双频双圆极化天线，从上到下依次包括高通频率选择表面层、第一介质层、低通频率选择表面层、第二介质层以及馈源天线层。

进一步的，该天线由高通频率选择表面层与馈源天线层组成低频法布里-珀罗谐振腔，由低通频率选择表面层与馈源天线层组成高频法布里-珀罗谐振腔。所述高频法布里-珀罗谐振腔位于低频法布里-珀罗谐振腔之内，从而实现了天线的低剖面、高增益和双频功能。

进一步的，高通频率选择表面层包括F4B介质板以及设置在其下表面的金属层，金属层由多个高通频率选择单元形成N×N的矩阵，N为大于7且小于10的整数。

进一步的，高通频率选择单元为圆形削切结构，频率选择单元中心为一个圆形金属层，在该圆形金属层内部的上下左右四个方向分别削切四个小圆。在圆形金属层和内部削切的四个小圆之间削切矩形，将圆形金属层的边缘和内部削切的四个小圆的边缘连通。高通频率选择单元的大小为0.1λ

进一步的，低通频率选择表面层包括FR4介质板以及设置在其上表面的金属层，金属层由多个低通频率选择单元形成N×N的矩阵，N为大于7且小于10的整数，每个低通频率选择单元与高通频率选择单元一一对应。

进一步的，低通频率选择单元由外部的金属框和内部的金属矩形组成。其中，金属框紧贴频率选择单元的边缘，金属矩形位于单元的中心，在金属矩形的四周分别削切矩形，低通频率选择单元的大小为0.1λ

进一步的，馈源天线层的双圆极化贴片天线阵列由矩低频馈源天线阵列和高频馈源天线阵列组成。其中，阵元为正方形金属贴片切角构成，内部四个阵元构成高频天线阵列，外部四个阵元构成低频天线阵列，阵元旋转放置，分别对应0°、90°、180°和270°相位。

进一步的，第一介质层和第二介质层采用介质为空气或者相对介电常数小于2.0的泡沫板，第一介质层的厚度为0.5(λ

本发明提出的一种具有双谐振腔的双频双圆极化天线通过双法布里珀罗谐振腔和顺序旋转馈电，实现天线的高增益和双频双圆极化性能，天线的高频和低频相对阻抗带宽均达到10％以上，3dB增益带宽均达到4％以上，轴比带宽均达到6％以上，天线的工作频段内最大增益达到14dBi以上，剖面高度小于0.6λ

附图说明

图1为本发明一种具有双谐振腔的双频双圆极化天线的爆炸图；

图2为本发明一种具有双谐振腔的双频双圆极化天线的侧视图；

图3为本发明高通频率选择表面层的局部示意图；

图4为本发明低通频率选择表面层的局部示意图；

图5为本发明馈源天线层的局部示意图

图6为本发明一种具有双谐振腔的双频双圆极化天线的仿真与实测反射系数示意图；

图7为本发明一种具有双谐振腔的双频双圆极化天线的仿真与实测轴比示意图；

图8为本发明一种具有双谐振腔的双频双圆极化天线的仿真与实测增益；

图9为本发明一种具有双谐振腔的双频双圆极化天线的增益方向图；

图10为本发明的实施例实物图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种具有双谐振腔的双频双圆极化天线，如图1和图2，从上到下依次包括高通频率选择表面层、第一介质层、低通频率选择表面层、第二介质层以及馈源天线层。

如图3，高通频率选择表面层包括F4B介质板以及设置在其下表面的金属层，金属层由多个高通频率选择单元形成N×N的矩阵，N为大于7且小于10的整数。

具体地，高通频率选择单元为圆形削切结构，频率选择单元中心为一个圆形金属层，在该圆形金属层内部的上下左右四个方向分别削切四个小圆。在圆形金属层和内部削切的四个小圆之间削切矩形，将圆形金属层的边缘和内部削切的四个小圆的边缘连通。高通频率选择单元的大小为0.1λ

在本实施例中，所述的高通频率选择单元为一个中心对称的图案，单元周期为L

本实施例的高通频率选择表面层在高频工作频段工作时，高通频率选择单元产生谐振，电磁波通过高通频率选择表面。高通频率选择表面层在低频工作频段工作时，高通频率选择单元不产生谐振，电磁波在高通频率选择表面层和馈源天线层多次反射，并同相叠加，最终实现天线的低频段增益提升。

如图4，低通频率选择表面层包括FR4介质板以及设置在其上表面的金属层，金属层由多个高通频率选择单元形成N×N的矩阵，N为大于7且小于10的整数。

具体地，低通频率选择单元由外部的金属框和内部的金属矩形组成。其中，金属框紧贴频率选择单元的边缘，金属矩形位于单元的中心，在金属矩形的四周分别削切矩形，低通频率选择单元的大小为0.1λ

在本实施例中，所述的低通频率选择单元由外部的金属框和内部的金属矩形组成，单元周期为L

本实施例的低通频率选择表面层在低频工作频段工作时，低通频率选择单元产生谐振，电磁波通过低通频率选择表面。低通频率选择表面层在高频工作频段工作时，低通频率选择单元不产生谐振，电磁波在低通频率选择表面层和馈源天线层多次反射，并同相叠加，最终实现天线的高频段增益提升。

本发明中的高通频率选择表面的下表面单元与低通频率选择表面的上表面单元均采用良导体，且高通频率选择表面在低频工作频段均具有高反射系数，在高频工作频段具有高透射系数，低通频率选择表面在高频工作频段均具有高反射系数，在低频工作频段具有高透射系数。

如图5，馈源天线层由上层介质板和下层介质板组成，介质材料为F4B介质板。在上层介质板的上表面设置有贴片天线阵列，上层介质板和下层介质板之间为金属层，下层介质板的下表面为贴片天线阵列的馈电网络。其中，上层介质板上表面的贴片天线阵列和下层介质板下表面的馈电网络通过金属化过孔连接，上层介质板和下层介质板之间的金属层为法布里-珀罗谐振腔的完全反射层和馈源天线的金属地，高通频率选择表面和低通频率选择表面于金属地共同构成双法布里-珀罗谐振腔。

在本实施例中，馈源天线辐射的线极化电磁波通过顺序旋转馈电技术，分别在低频段与高频段辐射左旋圆极化电磁波与右旋圆极化电磁波。

进一步的，第一介质层和第二介质层采用介质为空气或者相对介电常数小于2.0的泡沫板，第一介质层位于高通频率选择表面与低通频率选择表面之间，第一介质层厚度为0.5(λ

接下来，本实施例给出一种具有双谐振腔的双频双圆极化天线的结构，本实施例提供一个整体尺寸为90mm×90mm的天线，该天线由81个高通频率选择单元形成9×9的矩阵构成高通频率选择表面层、由81个低通频率选择单元形成9×9的矩阵构成低通频率选择表面层，在本实施例中采用空气为介质。高通频率选择单元结构如图3所示，每个单元尺寸L

在本实施例中，通过塑料螺母、塑料螺丝和垫片，将高通频率选择表面层固定于低通频率选择表面层上方12.6mm处，中间形成12.6mm的第一介质层。将低通频率选择表面层固定于馈电网络层上方9.6mm处，中间形成9.6mm的第二介质层。

在本实施例中，低通频率选择单元结构如图4所示，每个单元尺寸L

在本实施例中，馈源天线层结构如图5所示，介质材料为FR4，其中上层介质板和下层介质板厚度分别为1.0mm和0.6mm，馈源天线层的上层介质板上表面为馈源天线，高频馈源天线尺寸为6.1mm，切角1.6mm，低频馈源天线尺寸为13.3mm，切角3.1mm。上层介质板和下层介质板之间为金属层，作为法布里-珀罗谐振腔的反射层和馈源天线的金属地，馈源天线辐射的线极化电磁波在腔体内多次反射并同相叠加，使电磁波波束聚集，天线的增益提升。下层介质板的下表面为贴片天线阵列的馈电网络，上层介质板上表面的贴片天线阵列和下层介质板下表面的馈电网络通过金属化过孔连接。其它尺寸本领域技术人员可以根据经验或者进行试验选择最优参数值。

依照上述结构生产的一种具有双谐振腔的双频双圆极化天线的阻抗带宽为6.56GHz～7.81GHz(17.39％)和13.36GHz～15GHz(11.57％)，3dB增益带宽为6.69GHz～7.35GHz(9.40％)和13.72GHz～14.30GHz(4.14％)，轴比带宽为6.68GHz～7.25GHz(8.18％)和13.61GHz～14.48GHz(6.19％)。天线的带内最大增益为14.78dBi和14.52dBi，剖面高度为0.56λ，详细数据见图6～9，实物图见图10。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。