实施例设计中，所述8X8单元微带天线子阵I的两个的频带的中心频率分别是12.5GHz和14.25GHz。微波介质板采用介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.508mm的ArlonSSO商用板材。为了避免栅瓣同时又获取较高的增益，相邻两个天线阵元的间距选定为18mm，相对于两个中心频点来说，该阵元间距分别大约为0.75 λ JP
0.85 λ 20微带天线子阵的尺寸为144mmX 144mm。
[0037]参见图4，为本发明实施例低剖面高增益双频双极化天线的背面示意图。该部分为天线的外置馈电网络部分，它的作用为有效减小馈电网络损耗，提高天线效率。该外置馈电网络实际上是经过了两级功率分配。其中，所述第一级功分包括I个低损耗功分器8和多条较长的同轴半钢缆9 ;所述第二级馈电网络包括多个低损耗功分器10和多条较短的同轴半钢缆11 ;上述两级功分网络都固定在支撑板6的背面，并且最终穿过支撑板上的圆孔7给位于支撑板正面的每个微带天线子阵I进行馈电。
[0038]为了更好的说明外置馈电网络中各器件的连接关系，给出了图4中的A-A，剖面的侧视图，并示于图5中。以发射天线为例来说明其工作过程:来自外部信号源的发射能量由第一级功分网络的一级功分器8的输入口进入，由一级功分器8将功率平分成4份后，其中一份经过长的同轴半钢缆9连接到第二级功分网络的二级功分器10的输入口，这部分能量再经过二级功分器10平分成4份，其中一份再连接到短的同轴半钢缆11。可以看出，经过这样两级功分后，来自外部信号源的能量已经被均匀的分成16份。
[0039]示例性的，本发明实施例中的长的同轴半钢缆9和短的同轴半钢缆11是任意一种具有低损耗特性的半钢缆连接线。
[0040]示例性的，本发明中的低损耗一级功分器8和二级功分器10是任意一种具有低损耗特性的功分器。例如可以是宽带波导型功分器，或者微带型双极化功分器。
[0041 ] 优选的，本发明实施例中的功分器选用圆柱谐振腔功分器，其原理如图6所示。由图可见，所述圆柱谐振腔功分器包括I个圆柱谐振腔12，位于谐振腔底部的一个第一 SMA连接器13和位于谐振腔壁上的4个第二 SMA连接器14。所述圆柱谐振腔内部是一个圆柱型空气腔，而外部由金属包裹；位于底部的第一 SMA连接器13位于谐振腔的底部中央，其内导体深入谐振腔一定的长度；位于谐振腔壁上的4个第二 SMA连接器14位于同一个水平面内，并且相临第二SMA连接器14之间相隔90°，其内导体也深入谐振腔中一定的长度，但是位于底部的第一 SMA连接器13和位于四壁的第二 SMA连接器14的内导体深入腔体中的长度未必相等。所述圆柱谐振腔功分器由于能量是在空气中传播，避免了介质损耗，所以损耗比其他的微带功分器要小。此外，由于结构的对称性，能量在四个输出端口之间的分配非常平衡，幅度和相位差也更小。
[0042]在制作的功分器实施例中，圆柱谐振腔12的直径为23.4mm,高度为16.8mm。底部第一 SMA连接器13的内导体深入长度为6.0mm，而四壁上的第二 SMA连接器14内导体深入长度为5.3mm。四壁上的第二 SMA连接器14距离圆柱谐振腔底部平面10.7mm。该型圆柱谐振腔功分器的实测S参数曲线如图7所示。从图7(a)可以看出其-1OdB工作带宽从
11.65GHz到15.12GHz，完全覆盖该天线工作的两个工作频带12.5GHz和14.25GHz。从图7(b)可以看出，圆柱谐振腔功分器的插入损耗在两个工作频点都低于0.35dB。
[0043]本实施例中第一部分微带天线阵和第二部分外置馈电网络最终都固定在一个共同的支撑板6上。当天线不使用时可以将天线和馈电网络拆卸后存放，而使用时可以很方便的组装在一起。示例性的，本发明中的支撑板6可以是金属材质的，也可以是其他具有足够支撑强度的其他材质的。在制作的实施例中，支撑板为铝质的，厚度为2.5mm，尺寸为576mmX 576mm0
[0044]最后，对所述低剖面高增益双频双极化卫星通信天线的设计实施例经过了实际测量，实测所得的S11曲线如图8所示，天线带宽覆盖了 12.04-12.69GHz以及13.82-14.66GHz，两个频段的带宽都大于600MHz。实测的天线增益在12.5GHz和14.25GHz 分别为34.72dB和35.64dB，完全满足卫星通信的需要。
【主权项】
1.一种低剖面高增益双频双极化卫星通信天线，其特征在于:该装置包括微带天线阵、外置馈电网络以及固定所述微带天线阵和外置馈电网络的支撑板￠)，微带天线阵和外置馈电网络分别置于支撑板￠)的两侧；所述微带天线阵由2mX2M"相同的微带天线子阵(I)在平面上拼接而成，且所有微带天线子阵均匀分布，m、η均为自然数；所述外置馈电网络由功分器和同轴半钢缆连接而成；所述每个微带天线子阵(I)的中心均设有通孔(4)，支撑板(6)上与通孔⑷对应的位置开设有圆孔(7)，通孔(4)与圆孔(7)同轴； 所述每个微带天线子阵(I)的中心均依次通过通孔(4)、圆孔(7)与支撑板另一侧外置馈电网络中的同轴半钢缆连接；在外置馈电网络一侧，每相邻的四个圆孔(7)通过同轴半钢缆接入同一个初级功分器，每相邻的四个初级功分器再通过同轴半钢缆汇聚至上级同一功分器，依次逐级汇聚直至顶级功分器，使得馈电点的能量均匀的分成2mX 2η份，然后对2mX2M"微带天线子阵(I)进行馈电。2.根据权利要求1所述的低剖面高增益双频双极化卫星通信天线，其特征在于:所述每个微带天线子阵(I)包括64个双频双极化微带天线单元(2)和微带馈电网络(3)，所述微带天线单元(2)呈8X8阵列均匀分布，该微带天线子阵(I)通过位于微波介质板(5)中心的通孔(4)进行底部馈电。3.根据权利要求1所述的低剖面高增益双频双极化卫星通信天线，其特征在于:所述功分器为具有宽带低损耗性能的功分器，或者具有双频低损耗性能的功分器。4.根据权利要求2所述的低剖面高增益双频双极化卫星通信天线，其特征在于:所述微带天线阵由4X4个相同的微带天线子阵(I)在支撑板(6)上拼接而成，即呈32X32阵元微带天线阵，对应的外置馈电网络包括第一级功分网络和第二级功分网络: 所述第一级功分网络包括I个顶级功分器和多条同轴半钢缆；所述第二级功分网络包括4个初级功分器和多条同轴半钢缆；所述顶级功分器的输入端口与信号源相连接，顶级功分器的4个输出端口分别与4个初级功分器的输入端口相连接，每个初级功分器的4个输出端口均与相应的微带天线子阵(I)相连接。5.根据权利要求2所述的低剖面高增益双频双极化卫星通信天线，其特征在于:所述微带天线子阵(I)通过光刻工艺在单层微波介质板(5)上制备，其中，微波介质板(5)上表面为辐射部分，包括双频双极化微带天线单元(2)和微带馈电网络(3);下表面是金属接地部分，微带天线子阵(I)利用微波介质板(5)中心的通孔(4)进行底部馈电。6.根据权利要求2所述的低剖面高增益双频双极化卫星通信天线，其特征在于:所述双频双极化微带天线单元(2)为单馈点双频双极化天线单元，极化方式为双频双线极化或双频双圆极化。7.根据权利要求2所述的低剖面高增益双频双极化卫星通信天线，其特征在于:所述双频双极化微带天线单元⑵间距小于1λ，λ为双频中相对较高频点的波长。8.根据权利要求3所述的低剖面高增益双频双极化卫星通信天线，其特征在于:所述功分器为圆柱谐振腔功分器，所述圆柱谐振腔功分器由圆柱谐振腔和多个SMA射频连接器构成，其中I个SMA连接器位于圆柱谐振腔的底部中央，其余SMA连接器均匀分布于圆柱谐振腔的腔壁。
【专利摘要】本发明公开了一种低剖面高增益双频双极化卫星通信天线。该装置包括微带天线阵、外置馈电网络以及支撑板，所述微带天线阵包括2m×2n个相同的微带天线子阵，m、n均为自然数，外置馈电网络由功分器和同轴半钢缆连接而成；每个微带天线子阵的中心均设有通孔，支撑板上与通孔对应的位置开设有圆孔，通孔与圆孔同轴。每个微带天线子阵的中心均依次通过通孔、圆孔与外置馈电网络中的同轴半钢缆连接；每相邻的四个圆孔通过同轴半钢缆接入同一个初级功分器，每相邻的四个初级功分器再通过同轴半钢缆汇聚至上级同一功分器，依次逐级汇聚直至顶级功分器，使能量均匀的分成2m×2n份进行馈电。该卫星通信天线剖面低，重量轻，增益高，能够实现双频双极化收发共用，而且结构简单，便于实现。
【IPC分类】H01Q1/38, H01Q5/42, H01Q1/50, H01Q21/00
【公开号】CN105591203
【申请号】CN201410563949
【发明人】张金栋, 汪敏, 陈春红, 吴文, 方大纲, 邓小东, 张铎, 崔璨
【申请人】南京理工大学
【公开日】2016年5月18日
【申请日】2014年10月21日