Millimeter wave antenna for low orbit satellite communication

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

请参照图1至图4，本发明实施例提供一种用于低轨道卫星通信的毫米波天线包括介质基板1、第一圆极化辐射体2、七个导体柱3、一个90度圆弧4、第二圆极化辐射体5、接地面6以及馈点7。介质基板1具有四层导体，例如为铜导体，依序为第一层11、第二层12、第三层13与第四层14，第一层11的导体结构如图1所示，第二层12的导体结构如图2所示，第三层13的导体结构如图3所示，第四层14的导体结构如图4所示。第一层11与第二层12之间是第一介质，第二层12与第三层13之间是第二介质，第三层13与第四层14之间是第三介质。第一圆极化辐射体2在第一层11，第一圆极化辐射体2是以第一圆盘20的第一圆心200为中心，以相同长度的两个平行弦21截切第一圆盘20，且去除两个平行弦21外侧的两个截块210（在图中以虚线表示其范围）之后所剩余的导体区域（以斜线区域表示）。所述两个平行弦21不但彼此平行，且长度也相同。第一圆极化辐射体2提供第一Ku波段模态与第一Ka波段模态。第一圆极化辐射体2是利用两个平行弦21的截切第一圆盘20以产生圆极化的共振模态。第一圆盘20的半径长度决定第一Ku波段模态的共振频率，第一Ku波段模态是第一圆极化辐射体2的基础共振模态，第一Ka波段模态是第一圆极化辐射体2的高阶模态。所述Ku波段（或频段）是17.3GHz至20.2GHz的较低频波段，所述Ka波段是27.5GHz至30GHz的较高频波段。另外，在图1中，也显示馈点7的贯孔位置，且此贯孔的导体是与第一圆极化辐射体2不导通的，将于后续说明。

七个导体柱3垂直贯通介质基板1，且连接第一层11、第二层12、第三层13与第四层14，七个导体柱3以第一圆心200为圆心而均匀排列在第一圆极化辐射体2左侧的半圆弧，七个导体柱3之中的第一个与最后一个的连线与两个平行弦21所呈夹角为45度。在图1中，可见七个导体柱3是在左半圆弧，而第一圆极化辐射体2基于两个平行弦21而呈现向左倾45度的角度。七个导体柱3用以调整辐射场型的偏移，使辐射方向是垂直于介质基板1，以符合卫星通信的应用需求。

90度圆弧4在第二层12且90度圆弧4的圆心是第一圆心200在第二层12的投影，具有第一端41与第二端42，第一端41在七个导体柱3之中的第一个与最后一个的连线的右侧，第二端42在七个导体柱3之中的第一个与最后一个的连线之上，其中第一端41与第二端42的连线平行于两个平行弦21，第二端42以贯孔连接第一圆极化辐射体2，第一端41是直接连接馈点7的贯孔导体。90度圆弧4用以使第一Ku波段模态与第一Ka波段模态的极化皆为右旋。90度圆弧4的线宽并不限定，在此例如约为5米尔左右为较佳，稍微增加宽度或减少宽度并不大幅影响圆极化特性。在本实施例中，较佳的，90度圆弧4的半径小于第一圆盘20的半径。在本实施例中，较佳的，两个平行弦21包括右侧弦与左侧弦，90度圆弧4在第一层11的投影跨过右侧弦，但不限于此。在图2中，90度圆弧4是呈现在右上区域的四分之一圆弧。

第二圆极化辐射体5在第三层13且形状是一个受截角的长方形，提供第二Ku波段模态与第二Ka波段模态。对于长方形产生圆极化的截角方式是，在四个角中选择相对的两个角，且在此相对的两个角截掉一对相同尺寸的小区域面积。长方形的几何中心500是第一圆心200在第三层13的投影，其中长方形的短边51平行于两个平行弦21，其中在长方形右侧的顶点处501与在左侧的顶点处502分别以一直角三角形对此长方形截角。此直角三角形例如是顶角为90度的等腰三角形，使用顶角为90度的等腰三角形作为长方形的截角是简化调整圆极化特性的参数，用其他类似方式实施截角也可达到同样的效果，并不限定截角的形状。在本实施例中，在右上侧的短边51与在右下侧的长边52所连接的顶点称为右侧的顶点，且在左下侧的短边51与在左上侧的长边52所连接的顶点称为左侧的顶点，这两处的顶点分别以顶角为90度的等腰三角形对此长方形截角。因此，第二圆极化辐射体5是利用两个顶角为90度的等腰三角形截切长方形以产生圆极化的共振模态。参照图3，馈点7在利用贯孔通过但不接触第二圆极化辐射体5的耦合馈入，使第二Ku波段模态与第二Ka波段模态都是右旋极化。长方形的长边52的长度决定第二Ku波段模态的共振频率，长方形的短边51的长度决定第二Ka波段模态的共振频率。就结构而言，在本实施例的图中，所述顶角为90度的等腰三角形的腰的长度小于馈点7在第三层13的投影（即馈点7的贯孔处）与长方形右侧的短边51的距离。

接地面6在第四层14。馈点7位于第四层14，馈点7利用贯孔越过第四层14的接地面6与第三层13的第二圆极化辐射体5，且连接第二层12的90度圆弧4的第一端41。馈点7利用贯孔的详细馈入连接方式解释如下，馈点7利用贯孔通过且不连接接地面6与第二圆极化辐射体5，通过且连接90度圆弧4的第一端41，以利用90度圆弧4的第二端41连接第一圆极化辐射体2，使得第一圆极化辐射体2是直接馈入。而对于第二圆极化辐射体5，馈点7的贯孔的导体通过第三层13而产生环形间隙，如此以电容式的耦合馈入。另外，馈点7的贯孔可以在第一层11的第一圆极化辐射体2产生通孔（如图1所示），此在第一层11的通孔并无效用；若要在第一层11不产生通孔，使得在馈点7的投影位置的导体为平整，则需改用埋孔的制程技术（使第一层11与第二层12之间没有贯通），两者皆不影响天线特性。

更进一步，基于90度圆弧4的第一端41与第二端42的连线平行于两个平行弦21的情况，其中90度圆弧4的第一端41与第二端42在第一层11的投影位于第一圆极化辐射体2之内，且90度圆弧4的第一端41与第二端42在第三层13的投影也位于第二圆极化辐射体5之内。重要的是，第二端42作为第一圆极化辐射体2的一个连接馈点，让作为高阶模态的第一Ka波段模态是右旋极化模态。对于基本模态的第一Ku波段模态而言，若没有90度圆弧4的路径，且直接在第二端42的位置做贯孔馈入，则较低频的第一Ku波段模态是左旋极化模态。实际上若不考虑高阶模态的第一Ka波段模态，仅是要使较低频的第一Ku波段模态为右旋极化，则要直接在第一端41的位置做贯孔馈入，且不使用90度圆弧4（在此以第一端41直接馈入的情况会使高阶模态的第一Ka波段模态为左旋极化）。使用此90度圆弧4的馈入方式，对于较低频的第一Ku波段模态能达到右旋极化模态的结果，也能让高阶模态的第一Ka波段模态是右旋极化模态。换句话说，此90度圆弧4用以使第一Ku波段模态与第一Ka波段模态的极化皆为右旋。

以上述的天线结构可知，七个导体柱3的圆心、90度圆弧4的圆心与第二圆极化辐射体5的几何中心500这三者在第一层11的投影都是与第一圆极化辐射体2的第一圆心200重合，如此构成垂直堆栈结构。在图标中的形状并未完全按比例位置，仅是用于示意。以天线结构的详细尺寸而言，每一层导体的厚度是0.7米尔（mils），其中的介质层有三层，分别是: 第一介质的材质是roger ro4003，厚度为19.7米尔；第二介质的材质是rogerro4450f，厚度是11.8米尔，第三介质的材质是roger ro4003，厚度是19.7米尔。第一圆盘20的半径是60米尔，两个平行弦21的长度是102米尔，馈点7在第一层11的投影与最近的平行弦21（右侧弦）的距离是11米尔。90度圆弧4的半径是45米尔。长方形的短边51与长边52的长度分别是93米尔、152米尔，在此的短边51与长边52的长度是未截角前的长度，其中顶角为90度的等腰三角形的腰的长度是16.5米尔。并且，馈点7在第三层13的投影与长方形的短边51的距离是45米尔，而馈点7在第三层13的投影与长方形的长边52的距离是15米尔。馈点7位置的选择是用以使阻抗值接近50欧姆，且激发右旋极化模态。

请参照图5，曲线CPW是对应于上述天线结构的特性，曲线CPWG是以图9所表示结构的共面波导作馈入。第一Ku波段模态与第二Ku波段模态的频率范围是部分重合以增加圆极化带宽，在图5中的Ku波段模态是十分靠近而几乎完全重合，所以模态的曲线只是看似是单一模态。第一Ka波段模态与第二Ka波段模态的频率范围是部分重合以增加圆极化带宽。以曲线CPWG为例，在图5中的Ka波段明显可看出两个模态，其中频率较低的模态是第一圆极化辐射体2所产生，其中较高频的模态是第二圆极化辐射体5所产生的，同理以曲线CPW而言，也可见重合的模态。在设计的所需频率范围，请参照图5至图8中的曲线CPW，应用的频率的S11参数能够达到-10dB。请参照图6，在所需频率范围的轴比达到3（dB）以下。并且，参照图7与图8，此天线具有良好的增益与天线效率。再参照图9，以第一层L1、第二层L2、第三层L3及接地层GND表示所有结构，就实际制作而言，使用馈点的接头方式影响天线产品性能的表现，若以第四层14的接地面底下使用连接器直接馈入，基本上只要接地面够大则不影响天线原始设计参数的性能表现（例如指向性或辐射场型方向），而图9所表示的是以共面波导作馈入，此馈入方式容易应用于天线基板与电路板共享或组装在一起的情形，在图5至图8的特性中的曲线CPWG则是此馈入方式的天线特性结果。可见曲线CPW与曲线CPWG显示两者的天线性能并没有大幅差异，两者大致都能体现设计参数所要求达到的天线性能，由此可知此天线设计在实际产品面的应用效果良好，在产品化方面的实用性很高。

综上所述，本发明实施例所提供的用于低轨道卫星通信的毫米波天线，是双频的圆极化毫米波天线，第一圆极化辐射体是以直接连接馈入，产生双频且皆是圆极化的模态，利用90度圆弧的馈入方式使第一圆极化辐射体的双频圆极化模态皆为右旋。第二圆极化辐射体是耦合馈入，也提供双频的右旋圆极化模态。此双频天线设计是具有缩小天线面积且提供较大的右旋圆极化带宽的优点，且仅用单一馈入，具有很高的产业应用价值。