宽带双圆极化低剖面天线单元及大角度低轴比天线阵列的制作方法

本发明涉及卫星通信天线，特别涉及一种宽带双圆极化低剖面天线单元及大角度低轴比天线阵列。

背景技术：

1、随着无线通信技术的快速发展，卫星通信成为了越来越重要的通信手段。卫星通信利用人造地球卫星作为中转平台，实现卫星与地球站之间的通信，其具备覆盖区域广，通信容量大，组网迅速等优势，因此在国内外无论军用还是民用领域都被广泛使用。但目前在轨的通信卫星种类，体制不同，装载平台不同，对卫星通信天线提出了不同的要求。为了同时兼容不同频率的多卫星通信平台，需要天线具有较宽的工作频带以及较低的剖面高度；为了满足不同卫星体制及高性能的要求，需求天线兼容左旋/右旋圆极化可任意切换，并且在各角度尤其低仰角情况下，具有良好的圆极化轴比特性从而抵抗多径效应。

2、微带贴片天线具有结构紧凑，方向性好，极化制式多样等优点。但普通的微带天线覆盖带宽很窄，并不适用与宽带多卫星通信系统的需求。拓展微带天线带宽可以在贴片上开槽，构成e型或u型贴片，但其贴片结构为非对称结构，无法实现多极化特性。多层堆叠技术，缝隙耦合，探针耦合馈电等方式是拓展多极化微带天线带宽的有效手段，但始终存在剖面高度与带宽相矛盾的问题，如何在低剖面情形下实现宽带性能依旧是需要克服的难题。

3、与此同时，在组阵实现圆极化扫描时，大角度尤其要抵抗多径效应的影响，这要求天线阵列在大角度扫描下更好的实现低轴比特性。但一方面，采用普通微带天线的阵列，由于阵元的轴比在大角度的恶化以至于组阵后大角度扫描情况下轴比较差。另一方面采用传统的对称性旋转阵列排布的六元阵方形微带贴片天线，即空间旋转0°，60°，120°，180°，240°，300°，360°，相位根据圆极化旋向补偿相应的度数，所需的结构尺寸较大，且大角度轴比依旧较差(≥6db)。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，提供了一种宽带双圆极化低剖面天线单元及大角度低轴比天线阵列。

2、本发明第一方面提出了宽带双圆极化低剖面天线单元，包括微带天线从属辐射单元、结构腔体以及微带天线主激励单元；所述结构腔体为环形金属腔；所述微带天线从属辐射单元和微带天线主激励单元分别安装在结构腔体两侧，并在结构腔体内形成空气层；所述微带天线主激励单元的一层集成主激励辐射贴片，另一层集成馈电电桥，其中集成主激励辐射贴片的一层面向微带天线从属辐射单元；射频信号通过馈电电桥进入到天线单元内部，在主激励辐射贴片和从属辐射单元的共同作用下形成左旋/右旋圆极化波。

3、进一步的，所述微带天线从属辐射单元包括第一介质基板与金属贴片，所述金属贴片设置于第一介质基板上表面，且四角做切角处理；所述第一介质基板四角设有螺钉孔，第一介质基板下表面面向结构腔体进行安装。

4、进一步的，所述第一介质基板四周采用金属层包围，形成独立的屏蔽体。

5、进一步的，所述结构腔体为方环形金属腔，且四角具有一定厚度；所述结构腔体在两面的四角均开设有螺钉孔，用于与微带天线从属辐射单元和微带天线主激励单元固定。

6、进一步的，所述主激励辐射贴片包括第二介质基板、微带金属贴片，所述微带金属贴片设置于第二介质基板上表面；所述微带金属贴片上蚀刻有旋转45°的具有枝节的方环形槽缝，并且在方环形槽缝包围的内侧顶角金属区域内每隔90°均匀排布四根金属接地柱。

7、进一步的，所述馈电电桥包括第三介质基板、位于第三介质基板内部的第一带状线和第二带状线、第一外部激励馈点、第二外部激励馈点、第一馈电探针以及第二馈电探针；所述第一外部激励馈点通过第二带状线与第二外部激励馈点，第一馈电探针通过第二带状线与第二馈电探针连接；所述第一外部激励馈点通过第一带状线与第一馈电探针连接，第二外部激励馈点通过第一带状线与第二馈电探针连接；所述第一带状线和第二带状线设置后呈方环形；所述第一馈电探针和第二馈电探针，馈入到主激励辐射贴片中。

8、进一步的，所述第一带状线长度l1≈λg/4，阻抗所述第二带状线长度l2≈λg/4，阻抗为z2≈z0。

9、进一步的，所述馈电电桥的第三介质基板与主激励辐射贴片第二介质基板的下表面压合形成一体的微带天线主激励单元。

10、进一步的，所述第三介质基板和第四介质基板四周采用金属层包围，形成独立的屏蔽体。

11、本发明第二方面提出了大角度低轴比天线阵列，包括六个上述的宽带双圆极化低剖面天线单元，六个天线单元围绕一个中心点环绕设置；第一个天线单元以其自身结构中心空间旋转0°，第二个天线单元以其自身结构中心空间旋转90°，第三个天线单元以其自身结构中心空间旋转180°，第四个天线单元以其自身结构中心空间旋转180°，第五个天线单元以其自身结构中心空间旋转270°，第六个天线单元以其自身结构中心空间旋转270°；在相位上根据右旋/左旋需要，第一个天线单元补偿0°，第二个天线单元补偿+/-90°，第三个天线单元补偿+/-180°，第四个天线单元补偿+/-180°，第五个天线单元补偿+/-270°，第六个天线单元补偿+/-270°。

12、与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明提出的天线单元具有15.5％的-10db相对带宽，剖面高度约为0.068中心波长，天线单元在较低的剖面高度下，实现了宽带性能，天线单元在工作带宽内增益及方向图稳定，并且天线单元的方向图于半平面空间内(-90°～90°)轴比均小于3db。天线阵列在各个剖面下的-70°～70°波束扫描情况下，大角度轴比均小于3db，约为2.82db,具有良好的大角度扫描低轴比特性。本发明天线单元及阵列整体结构简单，紧凑，易于制造加工，适用于兼容多卫星体制的通信系统。

技术特征：

1.宽带双圆极化低剖面天线单元，其特征在于，包括微带天线从属辐射单元、结构腔体以及微带天线主激励单元；所述结构腔体为环形金属腔；所述微带天线从属辐射单元和微带天线主激励单元分别安装在结构腔体两侧，并在结构腔体内形成空气层；所述微带天线主激励单元的一层集成主激励辐射贴片，另一层集成馈电电桥，其中集成主激励辐射贴片的一层面向微带天线从属辐射单元；射频信号通过馈电电桥进入到天线单元内部，在主激励辐射贴片和从属辐射单元的共同作用下形成左旋/右旋圆极化波。

2.根据权利要求1所述的宽带双圆极化低剖面天线单元，其特征在于，所述微带天线从属辐射单元包括第一介质基板与金属贴片，所述金属贴片设置于第一介质基板上表面，且四角做切角处理；所述第一介质基板四角设有螺钉孔，第一介质基板下表面面向结构腔体进行安装。

3.根据权利要求2所述的宽带双圆极化低剖面天线单元，其特征在于，所述第一介质基板四周采用金属层包围，形成独立的屏蔽体。

4.根据权利要求1所述的宽带双圆极化低剖面天线单元，其特征在于，所述结构腔体为方环形金属腔，且四角具有一定厚度；所述结构腔体在两面的四角均开设有螺钉孔，用于与微带天线从属辐射单元和微带天线主激励单元固定。

5.根据权利要求1所述的宽带双圆极化低剖面天线单元，其特征在于，所述主激励辐射贴片包括第二介质基板、微带金属贴片，所述微带金属贴片设置于第二介质基板上表面；所述微带金属贴片上蚀刻有旋转45°的具有枝节的方环形槽缝，并且在方环形槽缝包围的内侧顶角金属区域内每隔90°均匀排布四根金属接地柱。

6.根据权利要求5所述的宽带双圆极化低剖面天线单元，其特征在于，所述馈电电桥包括第三介质基板、位于第三介质基板内部的第一带状线和第二带状线、第一外部激励馈点、第二外部激励馈点、第一馈电探针以及第二馈电探针；所述第一外部激励馈点通过第二带状线与第二外部激励馈点，第一馈电探针通过第二带状线与第二馈电探针连接；所述第一外部激励馈点通过第一带状线与第一馈电探针连接，第二外部激励馈点通过第一带状线与第二馈电探针连接；所述第一带状线和第二带状线设置后呈方环形；所述第一馈电探针和第二馈电探针，馈入到主激励辐射贴片中。

7.根据权利要求6所述的宽带双圆极化低剖面天线单元，其特征在于，所述第一带状线长度l1≈λg/4，阻抗所述第二带状线长度l2≈λg/4，阻抗为z2≈z0，其中，λg为介质波长，z0为特征阻抗。

8.根据权利要求6所述的宽带双圆极化低剖面天线单元，其特征在于，所述馈电电桥的第三介质基板与主激励辐射贴片第二介质基板的下表面压合形成一体的微带天线主激励单元。

9.根据权利要求6所述的宽带双圆极化低剖面天线单元，其特征在于，所述第三介质基板和第四介质基板四周采用金属层包围，形成独立的屏蔽体。

10.大角度低轴比天线阵列，其特征在于，包括六个权利要求1～9任一项所述的宽带双圆极化低剖面天线单元，六个天线单元围绕一个中心点环绕设置；以第一个天线单元为参照，第一个天线单元以其自身结构中心空间旋转0°，第二个天线单元以其自身结构中心空间旋转90°，第三个天线单元以其自身结构中心空间旋转180°，第四个天线单元以其自身结构中心空间旋转180°，第五个天线单元以其自身结构中心空间旋转270°，第六个天线单元以其自身结构中心空间旋转270°；在相位上根据右旋/左旋需要，第一个天线单元补偿0°，第二个天线单元补偿+/-90°，第三个天线单元补偿+/-180°，第四个天线单元补偿+/-180°，第五个天线单元补偿+/-270°，第六个天线单元补偿+/-270°。

技术总结
本发明提供了一种宽带双圆极化低剖面天线单元，包括微带天线从属辐射单元、结构腔体以及微带天线主激励单元；所述结构腔体为环形金属腔；微带天线从属辐射单元和微带天线主激励单元分别安装在结构腔体两侧，中间形成空气层；微带天线主激励单元一层集成主激励辐射贴片，另一层集成馈电电桥，集成主激励辐射贴片的一面面向微带天线从属辐射单元；射频信号通过馈电电桥进入到天线单元内部，在主激励辐射贴片和从属辐射单元的共同作用下形成左旋/右旋圆极化波。采用该天线单元组成天线阵列，通过合理分配每个阵元的空间旋转关系和相位补偿，达到大角度下低轴比的特性。本发明整体结构简单，紧凑，易于制造加工，适用于兼容多卫星体制的通信系统。

技术研发人员：王磊,胡大成,饶玉如,张杨曈,何凌云
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第十研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27