本发明属于卫星移动通信领域，具体提供一种用于卫星通信的低剖面圆极化微带天线。
背景技术：
卫星移动通信中常用到的圆极化天线类型主要有螺旋天线、微带天线和交叉偶极子天线等。与线极化波相比，圆极化波在发射和接收之间的定向角上更好的灵活性、可移动性、电离层的穿透能量强以及减少多径反射或其他类型的干扰；因此，圆极化天线被广泛用于各种无线系统中。然而在许多应用系统中，除了要求天线有宽的工作带宽外，为保证卫星通信系统有足够的通信链路，要求天线具有足够宽的波束宽度；另外，对于高速移动的空中或者地面载体，由于所受的风阻力较大，因此系统对天线的剖面提出了更高的要求。
文献“sonxuatta,chienngocdao,kameucharistkedze,ikmopark.:‘low-profilecrossed-dipoleantennaloadedwithparasiticpatches’,2018internationalworkshoponantennatechnology(iwat),doi:10.1109/iwat.2018.8379175,2018”中公开了一种用于gps通信的加载寄生贴片的低剖面交叉偶极子天线，通过在交叉偶极子天线与地平面之间加载四个寄生贴片，有效的将天线的剖面高度降低至0.87λ0，并提高了天线的工作带宽；由仿真结果可知天线最终尺寸为0.64λ0×0.64λ0×0.87λ0(λ0为中心频点在自由空间中的波长)，半功率波束宽度为72°，驻波比<2的带宽为22.93％，轴比(ar<3db)带宽为13.4％，中心频点处轴比为1.5db；但此天线的缺点是波束宽度不宽，且剖面较高。
文献“choie.c,leej.w,leet.k,:‘modifieds-bandsatelliteantennawithisofluxpatternandcircularlypolarizedwidebeamwidth’,[j].ieeeantennasandwirelesspropagationletters,2013,12:1319–1322”中公开了一种用于s波段的卫星通信天线，该天线的主辐射单元为两对水平放置的蝶形交叉偶极子，在偶极子上垂直加载四个寄生单元；通过调节水平交叉偶极子天线与参考地之间的高度和垂直加载寄生单元的面积，最终使天线的整体3db轴比波束宽度大于140°，仰角0°时的轴比小于5db；但款天线的缺点是尺寸过大、剖面较高，最终仿真结果表面，天线尺寸为0.41λ0×0.41λ0×0.55λ0(λ0为中心频点在自由空间中的波长)。
文献“yu-xiangsun,kwokwaleung,kailu.:‘broadbeamcross-dipoleantennaforgpsapplications’,ieeetransactionsonantennasandpropagation.,vol:65,pp5605–5610,2017”中公开了一种用于gps通信的交叉偶极子天线；交叉偶极子与圆形地分别印刷在两个正交放置的介质基板上，天线的馈电网络采用的是t型结功分网络，天线整体垂直放置在一个带波纹状边缘的圆柱金属背腔内；弯折的印刷偶极子、圆形地和带波纹状边缘的圆柱金属背腔可以提高天线的低仰角增益，展宽波束宽度(轴比波束宽度、半功率波束宽度)；由仿真结果可知，天线的轴比波束宽度(ar<3db)达到230°，半功率波束宽度达到150°，实测得theta＝85°时的增益为0.11dbic，天线驻波小于2的带宽为19％，最终尺寸为0.26λ0×0.26λ0×0.38λ0，；但此天线的缺点是剖面较高，工作带宽较窄，安装比较复杂。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种用于卫星通信的低剖面圆极化天线，具备尺寸小、剖面极低、结构简单且易于安装等优点，同时具有宽波束特性，以应用于卫星通信中。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于卫星通信的低剖面圆极化微带天线，包括：辐射贴片阵列1、上层介质基板2、金属反射层3、下层介质基板4、馈电网络5以及同轴电缆7；其中，所述辐射贴片阵列1设置于上层介质基板2的上表面，所述辐射贴片阵列1由四个辐射贴片绕上层介质基板中心等间距顺序旋转排布构成；所述金属反射层3设置于下层介质基板4的上表面，所述馈电网络5设置于下层介质基板4的下表面；所述馈电网络5与四个方形辐射贴片之间分别通过同轴电缆7连接馈电，四根同轴电缆7固定连接上层介质基板2与下层介质基板4、于上层介质基板2与金属反射层3之间形成空气层6。
进一步的，所述辐射贴片阵列中四个辐射贴片通过馈电网络及同轴电缆进线馈电，产生四个正交的线极化波，对角线上的两个辐射贴片等幅同相辐射，并且四个辐射贴片馈电点的馈电相位顺序依次相差-90°或90°，四个辐射贴片的辐射场在空间叠加形成左旋或右旋圆极化波。
进一步的，所述馈电网络采用串联等功分馈电网络。
从工作原理上讲：
本发明的天线辐射体采用的是2×2顺序旋转微带阵列形式，4个线极化单元通过顺序旋转馈电组成阵列；通过同轴电缆结合串联等功分馈电网络进行馈电，因此产生四个正交的线极化波，对角线上的两个阵元等幅同相辐射，当四个馈电点的馈电相位顺序旋转依次相差-90°(90°)时，四个贴片单元的辐射场在空间叠加后形成左旋(右旋)圆极化波。天线选用四元阵的形式，微带贴片依次顺序旋转组成的阵列；相对于二元阵而言，由于四元阵的某行(或列)的空间相位差与其另一行(或列)的空间相位差相反，在远场时可相互抵消，因此其圆极化性能良好；通过调节辐射体与反射金属板之间的空气层厚度能够使天线的带宽展宽，调节阵元之间的距离能够控制对角线阵元的电流分布，使天线实现宽波束辐射。
综上，本发明的有益效果在于：
本发明提供一种用于卫星通信的低剖面圆极化微带天线，采用绕上层介质基板中心等间距顺序旋转排布的微带四元阵列设计，使天线具有良好的圆极化性能；同时，辐射体与金属反射层之间引入空气层，通过调节该空气层的厚度能够使天线的带宽展宽；并且，调节阵元之间的距离，能够控制对角线阵元的电流分布，使天线实现宽波束辐射；最重要的是，本发明天线相对于同样性能的天线具有极低的剖面，能够做到0.068λ0，更加适用于卫星通信中所受的风阻力较大的高速移动的空中或者地面载体。
附图说明
图1为本发明低剖面圆极化微带天线的剖视结构示意图；其中，1为辐射贴片，2为上层介质基板，3为金属反射板，4为下层介质基板，5为馈电网络，6为空气层，7为同轴电缆。
图2为本发明低剖面圆极化微带天线的三维结构示意图。
图3为实施例中正方形辐射贴片阵列结构示意图。
图4为实施例中馈电网络结构图。
图5为实施例中低剖面圆极化微带天线回波损耗仿真结果。
图6为实施例中低剖面圆极化微带天线中心频点处归一化增益方向图。
图7为实施例中低剖面圆极化微带天线在中心频点处轴比图。
图8为实施例中低剖面圆极化微带天线在中心频点处仰角增益。
图9为本实施例中长方形辐射贴片阵列结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供用于卫星通信的低剖面圆极化微带天线，其结构如图1～图4所示，具体包括：辐射贴片阵列1、上层介质基板2、金属反射层3、下层介质基板4、馈电网络5以及同轴电缆7；其中，所述辐射贴片阵列1设置于上层介质基板2的上表面，所述辐射贴片阵列1由四个辐射贴片绕上层介质基板中心等间距顺序旋转排布构成；所述金属反射层3设置于下层介质基板4的上表面，所述馈电网络5设置于下层介质基板4的下表面；所述馈电网络5与四个方形辐射贴片之间分别通过同轴电缆7连接馈电，四根同轴电缆7固定连接上层介质基板2与下层介质基板4、于上层介质基板2与金属反射层3之间形成空气层6。
需要说明的是，本实施例中辐射贴片采用正方形辐射贴片，故四个正方形辐射贴片绕上层介质基板中心等间距顺序旋转排布，等同于常规的2×2阵列，如图3所示；本实施例采用正方形，四个正方形贴片在结构上关于中心对称，其产生的圆极化辐射在空间也是对称的，在方位面的辐射比较均匀，因此可以使天线的圆极化性能较好；但本发明中，辐射贴片的形状并不局限于正方形，天线设计过程中可根据实际的需求，采用其他形状的辐射贴片，如长方形，如图9所示。
在本实施例中，天线辐射体结构如图1、图3所示，四个方形辐射贴片单元绕介质基板中心等间距顺序旋转印刷在上层介质基板的上表面，贴片单元尺寸为wp×wp：17mm×17mm，调节单元尺寸可以改变天线的增益；同时，为了获得更好的口径效率，减小交叉极化，以及保证有足够空间布局馈电网络，此处的阵元间距d取16mm、约为0.11λ0，d很大程度上决定了天线的波束宽度与方向图的形状；金属反射板位于下层介质基板的上表面，上层介质基板与下层介质基板均采用fr4，上层介质基板、下层介质基板、金属反射板的尺寸均为w1×l1：60mm×60mm，金属反射板的厚度为1mm；高度h0：8mm的空气层在上层介质基板与反射地板之间被引入，通过调节h0可以适当展宽工作带宽；馈电网络结构采用串联等功分馈电网络，如图4所示，各段传输线的宽度为：w0＝5.23mm，w1＝8.65mm，w2＝6.2mm，w3＝1.7mm。
对上述低剖面圆极化微带天线进行仿真测试，其结果如图5～图8所示；仿真结果表明：天线最终尺寸为0.42λ0×0.42λ0×0.068λ0，整体剖面仅有0.068λ0(λ0为中心频点在自由空间中的波长)；回波损耗小于-10db的阻抗带宽达到44％，如图5所示；在中心频点f0＝2.09ghz处，当phi＝0°时、3db_arbw＝175°、hpbw＝110°，当phi＝90°时、hpbw＝107°、3db_arbw＝167°，如图6、图7所示；在中心频点f0＝2.09ghz处，当theta＝0°时，轴比为1.33db，如图7所示；由天线的仰角增益图可知，在中心频点处，增益大于0dbi的仰角大于23°(theta<67°)，仰角大于30°(theta<60°)的增益大于0.47dbi，如图8所示；天线的后向辐射几乎为零，前后比可达-40db，如图6所示。由此可见，本实施例提供用于卫星通信的低剖面圆极化微带天线实现了宽带、宽波束、低仰角高增益与超低剖面的功能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。