CN112134013B - 一种基于介质集成腔体的宽带双极化相控阵天线 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种基于介质集成腔体的宽带双极化相控阵天线，涉及无线通信技术领域，雷达技术领域，特别是用于通信***中的网格形腔体的相控阵天线领域。本发明天线布局简洁紧凑，网格形腔体布局使相控阵天线两个极化一致性高、辐射性能优秀，并具有良好的端口隔离度；馈电结构简单从而避免了复杂的馈电网络。介质集成腔体的结构进一步降低了天线的重量，并使整个天线的辐射孔径均可使用PCB工艺制作，易于加工组装，便于直接与射频前端进行集成。

Description

一种基于介质集成腔体的宽带双极化相控阵天线

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，雷达技术领域，特别是用于通信***中的网格形腔体的相控阵天线领域。

背景技术

在过去的几十年里，宽带双极化相控阵天线在军事和商业领域愈发受到重视，广泛应用于多功能雷达，气象监测和航空管制等***，尤其是军事载体平台对高性能多功能（监视、识别、追踪目标）雷达***的需求促进了宽带双极化相控阵天线的快速发展。在该应用背景下，宽带、双极化、低剖面和轻重量是天线的主要设计指标。具有宽带特性的天线有利于雷达***实现多任务、多目标协同工作；双极化特性有利于实现极化复用、极化捷变，提高了***的抗干扰能力和灵敏度。因此在单一天线阵列口径下实现宽带、双极化是非常有益的。在传统的宽带双极化相控阵天线设计方法中，首先，为了避免扫描空域内出现栅瓣，天线单元尺寸必须满足无栅瓣条件，天线单元尺寸的限制增加了宽带和双极化布局的设计难度。其次，由于单个双极化相控阵阵元具有两个正交排布的极化端口，两极化端口需要实现独立工作，尽量避免互相干扰，所以极化隔离度的提高也是双极化相控阵天线设计需要考虑的重要问题。最后，在小阵元尺寸满足无栅瓣条件的情况下，阵元间的互耦会十分强烈，这严重影响了阵元扫描性能。即使天线阵列单元在侧射角度下有很好的宽带阻抗匹配，在大角度扫描情况下也往往会因为阵元间互耦形态的改变而使阵元出现严重的阻抗失配，如何抑制阵元间互耦一直是传统相控阵天线设计过程中主要挑战之一。

近年来，利用天线阵元间耦合来实现宽带相控阵天线的新思路引起了国际天线领域相关学者的广泛关注与深入研究。该思路的理论基础为Wheeler教授在1965年提出的连续电流面理论，Wheeler教授在IEEE Transactions on Antennas and Propagation期刊题为“Simple Relations Derived from a Phased-Array Antenna Made of an InfiniteCurrent Sheet”的论文里对此理论做了详细阐释。

2003年，俄亥俄州立大学的B. Munk教授在美国专利号6512487专利“宽带相控阵及相关技术”(Wideband Phased Array Antenna and Associated Methods)中首次提出了利用天线阵元间耦合的新型宽带相控阵。其特点是在偶极子单元之间加入耦合电容，利用单元间的强互耦效应形成连续电流，克服了互耦效应对天线带宽和扫描角的限制。在实际应用中，双极化强耦合偶极子相控阵天线的馈电网络需要进行精心设计，以避免馈电网络带来的交叉极化辐射和极化隔离度下降。另外，为了避免偶极子非平衡馈电而引起的共模谐振，通常需要采用短路探针或其他复杂的抑制措施。因此双极化强耦合偶极子阵列的馈电网络结构复杂，增加了整个天线***的尺寸、剖面和成本。

在申请号为CN201610945580.0的中国专利“一种基于连接腔体的相控阵天线”中，提出了一种基于连续电流面理论设计的宽带相控阵天线，其利用微带馈线激励连接腔体来形成连续的等效磁流辐射，有效地增加了天线的工作带宽。但该款天线需要在其金属地板上开长槽以形成连接腔体，天线辐射孔径不能完全使用PCB工艺制作，不方便直接与射频前端进行集成。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种避免复杂馈电网络设计，辐射孔径可以完全使用PCB工艺制作，易集成、加工组装方便，并具有宽带、低剖面、高极化隔离度、低交叉极化比和优秀扫描性能特性的双极化相控阵天线。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于介质集成腔体的宽带双极化相控阵天线，该相控阵天线从下到上依次包括：下层介质基板101、中层介质基板102、上层介质基板103；

所述下层介质基板101上表面阵列间隔排布有多个金属贴片109，绕金属贴片109的内边缘设置有一圈金属化过孔110，该金属化过孔110的上端与下层介质基板101的上表面齐平，下端与下层介质基板101的下表面齐平；金属贴片109内部设置有两个同轴接头内芯108：垂直极化同轴接头内芯和水平极化同轴接头内芯，同轴接头内芯108的上端与中层介质基板102的上表面齐平，下端从下层介质基板101伸出，连接所述宽带双极化相控阵天线的外部设备，同轴接头内芯108与金属贴片109不接触；

所述中层介质基板102上表面设置有若干长条形的垂直极化微带馈线106和长条形的水平极化微带馈线105；每一个垂直极化微带馈线106的一端对应连接一个垂直极化同轴接头内芯的上端，该垂直极化微带馈线106的另一端沿垂直方向延伸到相邻金属贴片109的对应上方；每一个水平极化微带馈线105的一端对应连接一个水平极化同轴接头内芯的上端，该水平极化微带馈线105的另一端沿水平方向延伸到相邻金属贴片109的对应上方；

所述上层介质基板103的上表面设置有网状金属贴片107，该网状金属贴片107包括垂直方向的多列贴片和水平方向的多行贴片，每一列或每一行贴片都包括多组金属条带，每组金属条带之间不接触，每组金属条带包括三根并列的完全相同的金属条带；每组的三根金属条带的两端分别位于相邻的两块金属贴片109的对应上方，且所有相邻的金属贴片109的对应上方都设置有一组金属条带；

所述下层介质基板101相邻的金属贴片109的金属化过孔110之间形成介质集成腔体104，相邻的四个金属贴片109之间形成一个十字形介质集成腔体104，该十字形介质集成腔体104对应的三层结构构成一个基本天线单元。

进一步的，所述金属化过孔110的高度为0.02～0.2 λ_low，λ_low为低频端自由空间波长，相邻金属贴片109的间隙宽度为0.02～0.2 λ_low；所述下层介质基板101相邻的金属贴片109的金属化过孔110之间形成介质集成腔体104，相邻金属贴片109之间的方向为介质集成腔体104宽度方向；同轴接头内芯108的轴线与介质集成腔体104宽度方向的中线相距0.02～0.2λ_low；水平极化微带馈线105和垂直极化微带馈线106的长度为0.05～0.4λ_low；所述上层介质基板103的相对介电常数在1～3.5之间，厚度为0.01～0.1λ_low；上层介质基板103直接覆盖在中层介质基板102上或放置在距离中层介质基板102上表面小于0.1λ_low高度的位置处；单根金属条带长度为0.1～0.4λ_low，宽度为0.005～0.1λ_low。

进一步的，所述垂直极化微带馈线106和水平极化微带馈线105的形状完全相同，为两端宽中间窄的长条形贴片，且馈电端的宽度窄于耦合端的宽度，其中馈电端为微带馈线与同轴接头内芯相连接的一端，耦合端为微带馈线远离同轴接头内芯的一端。

进一步的，所述金属贴片109为正方形或类正方形；类正方形结构为将正方形的每条边分为向外突起的三段，每段之间的夹角大于160°小于180°。

进一步的，所述宽带双极化相控阵天线为平板形或平面弧形。

本发明的有益效果是：天线布局简洁紧凑，网格形腔体布局使相控阵天线两个极化一致性高、辐射性能优秀，并具有良好的端口隔离度；馈电结构简单从而避免了复杂的馈电网络。介质集成腔体的结构进一步降低了天线的重量，并使整个天线的辐射孔径均可使用PCB工艺制作，易于加工组装，便于直接与射频前端进行集成。

附图说明

图1为实施例1中基于介质集成腔体的平面宽带双极化相控阵天线的结构分解示意图。

图2为一个基本天线单元的多视图，其中(a)为上层介质基板的上表面示意图，(b)为侧视剖视图，(c)为中层介质基板的上表面示意图，(d)为下层介质基板的上表面示意图。

图3为本发明宽带双极化相控阵天线为平板弧形时的结构示意图，其中(a)为平板弧形阵列三维图，(b)为平板弧形阵列俯视图，(c)为平板弧形阵列正视图。

图4为下层介质基板上表面的金属贴片为正方形时的示意图。

图5为下层介质基板上表面的金属贴片为类正方形时的示意图。

图6为本发明实施例1的有源电压驻波比仿真结果图。

图7为本发明实施例1的端口隔离度仿真结果图。

图8为本发明实施例2的有源电压驻波比仿真结果图。

图9为本发明实施例3的有源电压驻波比仿真结果图。

具体实施方式

实施例1

本实施例的基于介质集成腔体的宽带双极化相控阵天线平板阵列形式，如图1所示分为三层，包括具有网格形介质集成腔体104的下层介质基板101、印刷有水平极化微带馈线105和垂直极化微带馈线106的中层介质基板102、印刷有网状金属贴片107的上层介质基板103；下层介质基板101的厚度为3mm，相对介电常数为3，介质基板中利用周期排布的金属贴片109和金属化过孔110构成了深度3mm，宽度5mm的网格形介质集成腔体104；中层介质基板102的相对介电常数2.2，厚度0.25mm，其上表面印刷有水平极化微带馈线105和垂直极化微带馈线106；上层介质基板103的相对介电常数2.2，厚度2.5mm，上表面印刷有网状金属贴片107；两个同轴接头内芯108穿过下层介质基板101和中层介质基板102分别对应与水平极化微带馈线105和垂直极化微带馈线106相连，并进行馈电；相邻金属贴片109中点之间的距离为12.5mm；网状金属贴片中每个金属条带的尺寸均为7mm × 0.7 mm，同方向上金属条带之间的间距为2 mm；本实施例工作频段为7.5～12.5 GHz，阵列高度为高频12.5 GHz自由空间波长的0.24倍，具有低剖面的特性。

图2所示为将本发明宽带双极化相控阵天线进行单元划分后的一个基本天线单元的示意图，便于观察各层元件之间的位置关系。图 (a)为基本天线单元上层介质基板103的上表面示意图，图(b)为基本天线单元侧视剖视图，图(c)为基本天线单元中层介质基板102的上表面示意图，图(d)为基本天线单元下层介质基板101的上表面示意图；图中可看出金属条带为介质集成腔体104的正上方；水平极化微带馈线105和垂直极化微带馈线106跨越相邻的两个金属贴片109。

图3为本发明宽带双极化相控阵天线为平板弧形时的结构示意图。图 (a)为平板弧形阵列三维图，图 (b)为平板弧形阵列俯视图，图(c)为平板弧形阵列正视图。

图4为下层介质基板上表面的金属贴片为正方形时的示意图。

图5为下层介质基板上表面的金属贴片为类正方形时的示意图。类正方形结构为将正方形的每条边分为向外突起的三段，每段之间的夹角大于160°小于180°。

图6给出了实施例1中阵列单元在不同扫描角下，水平极化端口有源电压驻波比随频率变化的仿真结果。从中可以看到，在±60°扫描范围内，有源电压驻波比小于2的阻抗带宽大于50%，由于阵列单元结构的对称性，单元两极化的扫描性能仿真结果具有良好的一致性。

图7给出了实施例1中阵列单元在不同扫描角下，端口隔离度随频率变化的仿真结果。从中可以看到，在±60°扫描范围内，阵列单元内两正交极化端口的隔离度小于-20dB。从上述仿真结果中可以看出，本实施例中阵列单元实现了相控阵天线的宽带、双极化特性。

实施例2

本实施例基于介质集成腔体的宽带双极化相控阵天线平板阵列形式，如图1所示分为三层，包括具有网格形介质集成腔体104的下层介质基板101、印刷有水平极化微带馈线105和垂直极化微带馈线106的中层介质基板102、印刷有网状金属贴片107的上层介质基板103；下层介质基板101的厚度为3.5mm，相对介电常数为2.2，介质基板中利用周期排布的金属贴片109和金属化过孔110构成了深度3.5mm，宽度从4mm渐变至5mm的网格形介质集成腔体104；中层介质基板102的相对介电常数2.2，厚度0.127mm，其上表面印刷有水平极化微带馈线105和垂直极化微带馈线106；上层介质基板103的相对介电常数2.2，厚度2.5mm，上表面印刷有网状金属贴片107；两个同轴接头内芯108穿过下层介质基板101和中层介质基板102分别对应与水平极化微带馈线105和垂直极化微带馈线106相连，并进行馈电；金属贴片109为类正方形，类正方形结构为将正方形的每条边分为向外突起的三段，每段之间的夹角为160°；相邻金属贴片109中点之间的距离为12.5mm；网状金属贴片中每个金属条带的尺寸均为7.5mm × 0.6 mm，同方向上金属条带之间的间距为2 mm；本实施例工作频段为7.2～12.7GHz，阵列高度为高频12.7 GHz自由空间波长的0.26倍，具有低剖面的特性。

图8给出了实施例2中阵列单元在不同扫描角下，水平极化端口有源电压驻波比随频率变化的仿真结果。从中可以看到，在±60°扫描范围内，有源电压驻波比小于2的阻抗带宽大于55%。本实施例中的金属贴片109为类正方形，周期排布的金属贴片109和金属化过孔110构成了宽度渐变的网格型介质集成腔体104，阵列单元实现了相比实施例1更好的阻抗匹配带宽。

实施例3

本实施例的基于介质集成腔体的宽带双极化相控阵天线为平面弧形阵列形式；如图3所示分为三层，包括具有网格形介质集成腔体104的下层介质基板101、印刷有水平极化微带馈线105和垂直极化微带馈线106的中层介质基板102、印刷有网状金属贴片107的上层介质基板103；下层介质基板101的厚度为3mm，相对介电常数为3，介质基板中利用周期排布的金属贴片109和金属化过孔110构成了深度3mm，宽度4.8mm的网格形介质集成腔体104；中层介质基板102的相对介电常数2.2，厚度0.25mm，其上表面印刷有水平极化微带馈线105和垂直极化微带馈线106；上层介质基板103的相对介电常数2.2，厚度3mm，上表面印刷有网状金属贴片107；两个同轴接头内芯108穿过下层介质基板101和中层介质基板102分别对应与水平极化微带馈线105和垂直极化微带馈线106相连，并进行馈电；平面弧形阵列整体结构为一个半圆环，圆环的内圆的直径为100mm，外圆的直径为111.5mm；本实施例工作频段为7.6～12.6GHz，阵列剖面的厚度为高频12.6 GHz自由空间波长的0.24倍，具有低剖面的特性。

图9给出了实施例3中平面弧形阵列单元在不同扫描角下，水平极化端口有源电压驻波比随频率变化的仿真结果。从中可以看到，在±60°扫描范围内，有源电压驻波比小于2的阻抗带宽大于50%。从上述仿真结果中可以看出，本实施例中阵列单元在共形条件下仍可以实现相控阵天线的宽带、宽角扫描特性。

Claims (5)

1.一种基于介质集成腔体的宽带双极化相控阵天线，该相控阵天线从下到上依次包括：下层介质基板（101）、中层介质基板（102）、上层介质基板（103）；

其特征在于，所述下层介质基板（101）上表面阵列间隔排布有多个金属贴片（109），绕金属贴片（109）的内边缘设置有一圈金属化过孔（110），该金属化过孔（110）的上端与下层介质基板（101）的上表面齐平，下端与下层介质基板（101）的下表面齐平；金属贴片（109）内部设置有两个同轴接头内芯（108）：垂直极化同轴接头内芯和水平极化同轴接头内芯，同轴接头内芯（108）的上端与中层介质基板（102）的上表面齐平，下端从下层介质基板（101）伸出，连接所述宽带双极化相控阵天线的外部设备，同轴接头内芯（108）与金属贴片（109）不接触；

所述中层介质基板（102）上表面设置有若干长条形的垂直极化微带馈线（106）和长条形的水平极化微带馈线（105）；每一个垂直极化微带馈线（106）的一端对应连接一个垂直极化同轴接头内芯的上端，该垂直极化微带馈线（106）的另一端沿垂直方向延伸到相邻金属贴片（109）的对应上方；每一个水平极化微带馈线（105）的一端对应连接一个水平极化同轴接头内芯的上端，该水平极化微带馈线（105）的另一端沿水平方向延伸到相邻金属贴片（109）的对应上方；

所述上层介质基板（103）的上表面设置有网状金属贴片（107），该网状金属贴片（107）包括垂直方向的多列贴片和水平方向的多行贴片，每一列或每一行贴片都包括多组金属条带，每组金属条带之间不接触，每组金属条带包括三根并列的完全相同的金属条带；每组的三根金属条带的两端分别位于相邻的两块金属贴片（109）的对应上方，且所有相邻的金属贴片（109）的对应上方都设置有一组金属条带；

所述下层介质基板（101）相邻的金属贴片（109）的金属化过孔（110）之间形成介质集成腔体（104），相邻的四个金属贴片（109）之间形成一个十字形介质集成腔体（104），该十字形介质集成腔体（104）对应的三层结构构成一个基本天线单元。

2.如权利要求1所述的一种基于介质集成腔体的宽带双极化相控阵天线，其特征在于，所述金属化过孔（110）的高度为0.02～0.2 λ_low，λ_low为低频端自由空间波长，相邻金属贴片（109）的间隙宽度为0.02～0.2 λ_low；所述下层介质基板（101）相邻的金属贴片（109）的金属化过孔（110）之间形成介质集成腔体（104），相邻金属贴片（109）之间的方向为介质集成腔体（104）宽度方向；同轴接头内芯（108）的轴线与介质集成腔体（104）宽度方向的中线相距0.02～0.2λ_low；水平极化微带馈线（105）和垂直极化微带馈线（106）的长度为0.05～0.4λ_low；所述上层介质基板（103）的相对介电常数在1～3.5之间，厚度为0.01～0.1λ_low；上层介质基板（103）直接覆盖在中层介质基板（102）上或放置在距离中层介质基板（102）上表面小于0.1λ_low高度的位置处；单根金属条带长度为0.1～0.4λ_low，宽度为0.005～0.1λ_low。

3.如权利要求1所述的一种基于介质集成腔体的宽带双极化相控阵天线，其特征在于，所述垂直极化微带馈线（106）和水平极化微带馈线（105）的形状完全相同，为两端宽中间窄的长条形贴片，且馈电端的宽度窄于耦合端的宽度，其中馈电端为微带馈线与同轴接头内芯相连接的一端，耦合端为微带馈线远离同轴接头内芯的一端。

4.如权利要求1所述的一种基于介质集成腔体的宽带双极化相控阵天线，其特征在于，所述金属贴片（109）为正方形或类正方形；类正方形结构为将正方形的每条边分为向外突起的三段，每段之间的夹角大于160°小于180°。

5.如权利要求1所述的一种基于介质集成腔体的宽带双极化相控阵天线，其特征在于，所述宽带双极化相控阵天线为平板形或平面弧形。

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