专利名称：用于低轨卫星通信系统的宽波束圆极化全金属腔体天线的制作方法
技术领域：
本发明属于无线卫星通信技术的天线设计技术领域，具体涉及一种用于低轨卫星通信系统的宽波束圆极化全金属腔体天线。
背景技术：
卫星通信系统由卫星和地球站两部分构成，卫星的作用是把地球站发上来的电磁波放大后再返送回另一地球站。卫星通信系统的组成主要包括发端地球站、上行线路、卫星转发器、下行线路和收端地球站。其中上行线路和下行线路完成卫星系统中无线信号的接收与发射。而该过程的实现全部是由卫星通信天线实现，因而卫星天线的性能在卫星系统中起着举足轻重的作用。和其他通信手段相比，卫星通信具有以下一些特点通信距离远， 且费用与通信距离无关；覆盖面积大，可进行多址通信；通信频带宽、传输容量大；机动灵活通信线路稳定可靠，传输质量高等。卫星通信天线的形式一般有微带天线和波导缝隙天线。微带天线由于体积小、重量轻、剖面薄、易与飞行器共形、易于加工、易与有源器件和电路集成为单一模块等诸多优点，得到广泛的应用。但是当无线通信向频率越来越高的微波、毫米波、亚毫米波以及光波方向发展，微带天线的尺寸也变得越来越小，加工制作的精度对其性能的影响会变得很大。 此外微带天线频带窄，增益较低，存在表面波，功率容量较低等缺点制约了其在高频系统的应用。波导缝隙天线传输功率容量大、损耗小，因而容易实现高效率、高增益、高功率、低副瓣等要求。此外它的馈电系统和辐射系统一体化，成板状结构，天线轮廓侧面较小。这些重要的特性，使得波导缝隙天线在军事通信和广播电视通信等领域有着其它天线不可替代的地位。但是波导缝隙的物理尺寸通常较小，辐射性能受制造工艺的精度限制较大，而且制作材料成本昂贵，试验条件要求高。腔体天线的辐射是将波导纵向传输的整个端口开路而实现的，它具有波导缝隙天线低损耗，大容量等优点，同时其电尺寸在大于半个波长甚至一个波长的情况下，工作性仍能保持良好，这大大降低了天线制作对机械加工精度的要求。但在低频频段和微带天线相比，腔体天线尺寸较大，占用体积大，没有微带天线小型化，低剖面的优点。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于低轨卫星通信系统的宽波束圆极化全金属腔体天线，实现了具有体积小、结构简单、加工方便、低成本且宽波束的优点。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是—种用于低轨卫星通信系统的宽波束圆极化全金属腔体天线，包括有上端开口且下端短路的金属腔1，该金属腔1外壁的上部和下部分别环套有开口口面外环4和带有竖直贯穿其环面的螺钉52的短路口面外环51，而内导体探针21的一端穿过金属腔1的外壁伸入至金属腔1内部预设的激励所需要的工作模式位置，内导体探针21和其外的外导体22同轴线，内导体探针21、外导体22以及它们穿过的金属突台23构成了该金属腔体天线的馈电部分，在金属突台23内部的中空部分和内导体探针21之间的空隙由聚酰亚胺填充，而内导体探针21同金属腔1壁之间的空隙也由聚酰亚胺填充固定，在金属突台23外部的同轴外导体22和内导体探针21之间的空隙由聚四氟乙烯填充固定，内导体探针21的轴线同穿过金属腔1外壁的极化螺钉31的轴线之间的夹角为135度，极化螺钉31还通过螺母32同贴合在金属腔1外壁上的极化螺钉突台33相固定。本发明包括有上端开口且下端短路的金属腔1，该金属腔1的上部和下部分别环套有开口口面外环4和带有竖直贯穿其环面的螺钉52的短路口面外环51，另外还带有穿过金属腔1外壁的内导体探针21和极化螺钉31，还有对应的在金属腔1外壁上的金属突台 23、外导体22、螺母32以及极化螺钉突台33，具有全金属结构、加工简单方便、波束覆盖范围宽、低成本、易集成、设计灵活的优点，适用于卫星系统高频频段通信天线的设计。
图1是本发明的立体结构示意图，虚线为被遮挡住的轮廓。图2是本发明的侧视图，虚线为被遮挡住的轮廓。图3为本发明在工作于6. 71GHz频率时的回波损耗图。图4为本发明在工作于6. 71GHz频率时的轴比带宽图。图5为本发明在工作于6. 71GHz频率时的功率增益方向图，其中+线条轨迹表示 LHCP分量功率增益方向图，一线条轨迹表示RHCP分量功率增益方向图，图10 (a)表示X-Z 平面功率增益方向图，图10(b)表示Y-Z平面功率增益方向图。图6为本发明在金属地板上时工作于6. 71GHz频率时的功率增益方向图其中+ 线条轨迹表示有金属地板时LHCP分量功率增益方向图；一线条轨迹表示无金属地板时 LHCP分量功率增益方向图；+线条轨迹表示有金属地板时RHCP分量功率增益方向图； 一线条轨迹表示无金属地板时RHCP分量功率增益方向图；图11(a)表示X-Z平面功率增益方向图；图11(b)表示Y-Z平面功率增益方向图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作更详细的说明。如图1和图2所示，用于卫星通信系统的宽波束圆极化全金属腔体天线，包括有上端开口且下端短路的金属腔1，该金属腔1外壁的上部和下部分别环套有开口口面外环4和带有竖直贯穿其环面的螺钉52的短路口面外环51，而内导体探针21的一端穿过金属腔1 的外壁伸入至金属腔1内部预设的激励所需要的工作模式位置，该位置决定天线的阻抗匹配特性，进而决定天线的阻抗工作带宽，内导体探针21和其外的外导体22同轴线，内导体探针21、外导体22以及它们穿过的金属突台23构成了该金属腔体天线的馈电部分，在金属突台23内部直至外导体22嵌入金属腔1外壁内的部分的外导体22和内导体探针21之间的空隙由聚酰亚胺填充固定，而内导体探针21同金属腔1壁之间的空隙由聚酰亚胺填充固定，在金属突台23外部的外导体22和内导体探针21之间的空隙由聚四氟乙烯填充固定， 这些填充固定物有效防止宇宙射线的辐射，内导体探针21的轴线同穿过金属腔1外壁的极化螺钉31的轴线之间的夹角为135度，该极化螺钉31将内导体探针21激励起来的线极化电场分解成两个幅度相同，相位相差90°的分量，从而形成圆极化波，极化螺钉31相对于内导体探针21的左右可以分别形成右旋圆极化波与左旋圆极化波，极化螺钉31还通过螺母32同贴合在金属腔1外壁上的极化螺钉突台33相固定，这样开口口面外环4使得开口口面与开口口面外环4之间形成垂直方向的电场，金属腔外壁的垂直方向电流增强，沿金属腔1两侧的辐射增加，进而使得远场方向图波束变宽，开口口面外环4的半径与位置和工作频率有关，在一定频率下，调整开口口面外环4的半径与位置可以实现宽波束的方向图，短路口面外环51安装在该金属腔体天线的下部，起到两个作用，一方面通过螺钉52安装在卫星系统中，另一方面可以充当金属底面的作用，和天线单元结合在一起进行优化，可以降低外界大型金属结构对天线单元方向图的影响，如图3和图4分别为本发明在工作于6. 71GHz 频率时的回波损耗图和为本发明在工作于6. 71GHz频率时的轴比带宽图，该全金属腔体天线的回波损耗S11 < -IOdB的带宽在5. 92GHz-6. 98GHz之间，可以覆盖波段上行频段，该全金属腔体天线的轴比带宽AR < 3dB的带宽在6. 40GHz-6. 92GHz之间，而本发明在工作于 6. 71GHz频率时的X-Z功率增益方向图如图5(a)所示，实现左旋圆极化辐射，形状类似于单极子的苹果型方向图，但是正上方增益比单极子高，主瓣3dB波束宽度大约为140°，正上方增益2. 53dB，最大增益偏向两边30度附近，右旋圆极化波最大增益低于_8dB，而Y-Z 平面功率增益方向图如图5 (b)所示，形状也类似于单极子的苹果型方向图，主瓣3dB波束宽度大约为150°，正上方增益2. 53dB,最大增益偏向两边30度附近，右旋圆极化波最大增益低于_6dB，而本发明在金属地板上时工作于6. 71GHz频率时的功率增益方向图如图6所示，所述天线实现宽波束圆极化，主瓣波束宽，旁瓣小；主瓣方向基本可以覆盖整个上半球面，不随外界大型金属地板而偏移，这样本发明为卫星通信天线提供解决方案，促进卫星天线技术的发展，让宽波束、圆极化、低成本、易加工的卫星天线成为现实。
权利要求
1. 一种用于低轨卫星通信系统的宽波束圆极化全金属腔体天线，包括有上端开口且下端短路的金属腔(1)，其特征在于该金属腔(1)外壁的上部和下部分别环套有开口口面外环(4)和带有竖直贯穿其环面的螺钉(5 的短路口面外环(51)，而内导体探针的一端穿过金属腔(1)的外壁伸入至金属腔(1)内部预设的激励所需要的工作模式位置，内导体探针和其外的外导体02)同轴线，内导体探针(21)、外导体02)以及它们穿过的金属突台03)构成了该金属腔体天线的馈电部分，在金属突台03)内部的中空部分和内导体探针之间的空隙由聚酰亚胺填充，而内导体探针同金属腔(1)壁之间的空隙也由聚酰亚胺填充固定，在金属突台03)外部的同轴外导体02)和内导体探针之间的空隙由聚四氟乙烯填充固定，内导体探针的轴线同穿过金属腔(1)外壁的极化螺钉(31)的轴线之间的夹角为135度，极化螺钉(31)还通过螺母(32)同贴合在金属腔(1) 外壁上的极化螺钉突台(3 相固定。
全文摘要
一种用于低轨卫星通信系统的宽波束圆极化全金属腔体天线，包括有上端开口且下端短路的金属腔，该金属腔的上部和下部分别环套有开口口面外环和带有竖直贯穿其环面的螺钉的短路口面外环，另外还带有穿过金属腔外壁的内导体探针和极化螺钉，还有对应的在金属腔外壁上的金属突台、外导体、螺母以及极化螺钉突台，具有全金属结构、加工简单方便、波束覆盖范围宽、低成本、易集成、设计灵活的优点，适用于卫星系统高频频段通信天线的设计。
文档编号H01Q1/36GK102394345SQ20111016484
公开日2012年3月28日 申请日期2011年6月17日 优先权日2011年6月17日
发明者冯正和, 张志军, 赵阳 申请人:清华大学