基于实现中心凹陷方向图的同心圆环天线阵

摘要

本发明公开了一种基于实现中心凹陷方向图的同心圆环天线阵。它包括正交相位馈电的同轴馈电端、方形贴片、第一天线单元组、第二天线单元组、第三天线单元组；正交相位馈电的同轴馈电端固定在FR4介质上，经穿过FR4介质的同轴探针与方形贴片相连构成天线辐射单元，由天线辐射单元分别组成不同半径的第一天线单元组、第二天线单元组、第三天线单元组，由第一天线单元组、第二天线单元组、第三天线单元组构成同心圆环天线阵。本发明第一种天线阵馈电方便，通过最外圈天线单元180°旋转，所有天线辐射单元在正交相位馈电的基础上同相馈电。另一种天线阵的优势在于该布阵的对称性，地面上用户所接受到的信号极化率和幅度响应均会有较大改善。

说明书

技术领域

本发明涉及天线阵，尤其涉及一种基于实现中心凹陷方向图的同心圆环天线阵。

背景技术

在卫星天线中，实现中心凹陷方向图的辐射特性对于卫星与地面的通信极其重要。因地球是球状的，在保证太空轨道上的卫星天线能与地面上的各个用户实现同质量的信号通信，则需要保证每个用户在所接收到的信号强度时一样的，由于球面的限制，则要求天线辐射特性是正前方视角是缓变凹陷。在0～85°仰角范围内轴比小于3的正交馈电方形贴片天线来讲，当该天线实现左旋圆极化时，将天线逆时针旋转某个角度得到的天线辐射特性与未旋转的天线在原始馈电相位上叠加旋转的角度作为新的馈电相位得到的天线辐射特性是一致的。当天线实现右旋圆极化时，天线则需要顺时针旋转某个角度，未旋转的天线在原始相位叠加旋转角度作为新的馈电相位后，两者辐射特性才是一致。利用这项原理，提出了两种利用旋转特性实现中心凹陷方向图辐射特性的天线阵，结构简单，电机转动天线单元方便，可用于星载天线，增强了卫星天线设计的灵活性及实用性。

发明内容

本发明的目的是提供两种基于实现中心凹陷方向图的同心圆环天线阵。

一种基于实现中心凹陷方向图的同心圆环天线阵包括正交相位馈电的同轴馈电端、方形贴片、第一天线单元组、第二天线单元组、第三天线单元组；正交相位馈电的同轴馈电端固定在FR4介质上，经穿过FR4介质的同轴探针与方形贴片相连构成天线辐射单元，由天线辐射单元分别组成不同半径的第一天线单元组、第二天线单元组、第三天线单元组，由第一天线单元组、第二天线单元组、第三天线单元组构成同心圆环天线阵。

所述的第一天线单元组、第二天线单元组由同向摆放的天线辐射单元组成，第三天线单元组由与第一天线单元组中的天线辐射单元反向摆放的天线辐射单元组成。所述的第一天线单元组、第二天线单元组、第三天线单元组在天线辐射单元正交相位馈电的基础上同相馈电。

另一种基于实现中心凹陷方向图的同心圆环天线阵包括正交相位馈电的同轴馈电端、方形贴片、第四天线单元组、第五天线单元组、第六天线单元组；正交相位馈电的同轴馈电端固定在FR4介质上，经穿过FR4介质的同轴探针与方形贴片相连构成天线辐射单元，由天线辐射单元分别组成不同半径的第四天线单元组、第五天线单元组、第六天线单元组，由第四天线单元组、第五天线单元组、第六天线单元组构成同心圆环天线阵。

所述的第四天线单元组是由初始同向摆放的4个天线辐射单元以天线阵几何中心为旋转中心，从其中1个参考天线单元开始沿逆时针方向依次逆时针水平旋转0°、90°、180°和270°组成。

所述的第五天线单元组是由初始同向摆放的8个天线辐射单元以天线阵几何中心为旋转中心，从其中1个参考天线单元开始沿逆时针方向依次逆时针水平旋转0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°组成。

所述的第六天线单元组8是由沿逆时针方向初始同向摆放的16个天线辐射单元以天线阵几何中心为旋转中心，从其中1个参考天线单元开始沿逆时针方向依次逆时针水平旋转180°、202.5°、225°、247.5°、270°、292.5°、315°、337.5°、360°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°和157.5°组成。

所述的第四天线单元组的4个天线辐射单元在天线辐射单元正交相位馈电的基础上以第五天线单元组的参考天线单元为参考点沿逆时针方向依次叠加90°、180°、270°和360°作为新的馈电相位。

所述的第五天线单元组的8个天线辐射单元在天线辐射单元正交相位馈电的基础上以第五天线单元组的参考天线单元为参考点从参考点开始沿逆时针方向依次叠加0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°作为新的馈电相位。

所述的第六天线单元组的16个天线辐射单元在天线辐射单元正交相位馈电的基础上以第六天线单元组的参考天线单元为参考点从参考点开始沿逆时针方向依次叠加0°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°、180°、202.5°、225°、247.5°、270°、292.5°、315°和337.5°作为新的馈电相位。

本发明的第一种基于实现中心凹陷方向图的同心圆环天线阵馈电方便，通过最外圈天线单元180°旋转，所有天线辐射单元在正交相位馈电的基础上采用同相的激励源馈电。另一种基于实现中心凹陷方向图的同心圆环天线阵的优势在于该布阵方法的对称性，地面上用户所接受到的信号极化率和幅度响应均会有较大改善。

附图说明

图1是一种基于实现中心凹陷方向图的同心圆环天线阵俯视图；

图2是另一种基于实现中心凹陷方向图的同心圆环天线阵俯视图；

图3是本发明的天线辐射单元侧视图；

图4是本发明的天线辐射单元俯视图；

图中：同轴馈电端1、方形贴片辐射单元2、第一天线单元组3、第二天线单元组4、第三天线单元组5、第四天线单元组6、第五天线单元组7、第六天线单元组8。

具体实施方式

本发明的两种基于实现中心凹陷方向图的同心圆环天线阵。是通过天线的旋转特性保证里层两圈天线和最外圈的天线相对相位相差180°，内外圈天线单元形成的辐射特性会在方向图中心区域相互抵消，形成凹陷，通过控制三圈天线单元组幅度形成中心凹陷方向图。

如图1、3、4所示，一种基于实现中心凹陷方向图的同心圆环天线阵包括正交相位馈电的同轴馈电端1、方形贴片2、第一天线单元组3、第二天线单元组4、第三天线单元组5；正交相位馈电的同轴馈电端1固定在FR4介质上，经穿过FR4介质的同轴探针与方形贴片2相连构成天线辐射单元，由天线辐射单元分别组成不同半径的第一天线单元组3、第二天线单元组4、第三天线单元组5，由第一天线单元组3、第二天线单元组4、第三天线单元组5构成同心圆环天线阵。

所述的第一天线单元组3、第二天线单元组4由同向摆放的天线辐射单元组成，第三天线单元组5由与第一天线单元组3中的天线辐射单元反向摆放的天线辐射单元组成。所述的第一天线单元组3、第二天线单元组4、第三天线单元组5在天线辐射单元正交相位馈电的基础上同相馈电。

如图2、3、4所示，另一种基于实现中心凹陷方向图的同心圆环天线阵包括正交相位馈电的同轴馈电端1、方形贴片2、第四天线单元组6、第五天线单元组7、第六天线单元组8；正交相位馈电的同轴馈电端1固定在FR4介质上，经穿过FR4介质的同轴探针与方形贴片2相连构成天线辐射单元，由天线辐射单元分别组成不同半径的第四天线单元组6、第五天线单元组7、第六天线单元组8，由第四天线单元组6、第五天线单元组7、第六天线单元组8构成同心圆环天线阵。

所述的第四天线单元组6是由初始同向摆放的4个天线辐射单元以天线阵几何中心为旋转中心，从其中1个参考天线单元开始沿逆时针方向依次逆时针水平旋转0°、90°、180°和270°组成。所述的第五天线单元组7是由初始同向摆放的8个天线辐射单元以天线阵几何中心为旋转中心，从其中1个参考天线单元开始沿逆时针方向依次逆时针水平旋转0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°组成。所述的第六天线单元组8是由沿逆时针方向初始同向摆放的16个天线辐射单元以天线阵几何中心为旋转中心，从其中1个参考天线单元开始沿逆时针方向依次逆时针水平旋转180°、202.5°、225°、247.5°、270°、292.5°、315°、337.5°、360°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°和157.5°组成。所述的第四天线单元组6的4个天线辐射单元在天线辐射单元正交相位馈电的基础上以第五天线单元组6的参考天线单元为参考点沿逆时针方向依次叠加90°、180°、270°和360°作为新的馈电相位。所述的第五天线单元组7的8个天线辐射单元在天线辐射单元正交相位馈电的基础上以第五天线单元组7的参考天线单元为参考点从参考点开始沿逆时针方向依次叠加0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°作为新的馈电相位。所述的第六天线单元组8的16个天线辐射单元在天线辐射单元正交相位馈电的基础上以第六天线单元组8的参考天线单元为参考点从参考点开始沿逆时针方向依次叠加0°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°、180°、202.5°、225°、247.5°、270°、292.5°、315°和337.5°作为新的馈电相位。

本发明的天线设计相关参数主要涉及如下：第一天线单元组3、第二天线单元组4、第三天线单元组5、第四天线单元组6、第五天线单元组7、第六天线单元组8的馈电幅度分别为A₃、A₄、A₅、A₆、A₇和A₈；第一天线单元组3、第二天线单元组4、第三天线单元组5、第四天线单元组6、第五天线单元组7、第六天线单元组8的半径分别为r₃、r₄、r₅、r₆、r₇和r₈。可根据波瓣宽度要求来设置r₃、r₄、r₅、r₆、r₇和r₈，只要保证天线单元间的互耦比较小即可。第一天线单元组3和第二天线单元组4的作用是给第一种基于实现中心凹陷方向图的同心圆环天线阵提供增益，第三天线单元组5的作用是改变第一种基于实现中心凹陷方向图的同心圆环天线阵所形成的天线的方向图形状。第四天线单元组6和第五天线单元组7的作用是给另一种基于实现中心凹陷方向图的同心圆环天线阵提供增益，第六天线单元组8的作用是改变另一种基于实现中心凹陷方向图的同心圆环天线阵所形成的天线的方向图形状。若要使天线方向图中心凹陷程度接近1.5dB，可设置第一种基于实现中心凹陷方向图的同心圆环天线阵的参数如下：A₄≈A₃，A₅≈0.3A₃，r₄≈1.5r₃，r₅≈6r₃；可设置另一种基于实现中心凹陷方向图的同心圆环天线阵的参数如下：A₇≈A₆，A₈≈0.3A₆，r₈≈6r₆，r₇≈1.5r₆。可根据要求改变这些参数来实现所要的中心凹陷程度的方向图。