CN113809536A - 一种低剖面高集成度天线有源子阵 - Google Patents

一种低剖面高集成度天线有源子阵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低剖面高集成度天线有源子阵，包括：模块集成在微波板上的天线罩、天线模块、射频模块、功分网络和波控模块。其中，天线罩覆盖在所天线模块的上方，射频模块的输入端分别与功分网络和波控模块连接，射频模块的输出端通过微带线与天线模块连接。本发明在不增加集成印制板厚度的情况下，采用基于蚀刻有特殊图案的频率选择表面的蜂窝夹层天线罩，与高度集成在一起的天线模块、射频模块、功分网络和波控模块相互配合，通过调相、调幅等手段，使频率选择表面与电磁波产生相互作用而出现明显的带通或带阻的滤波特性，实现天线在不增加集成印制板厚度的前提下，使天线满足宽度宽角特性，同时减少±60°大角度扫描在天线各剖面的增益。

Description

一种低剖面高集成度天线有源子阵
技术领域
本发明涉及一种天线有源子阵，具体而言，涉及一种低剖面高集成度天线有源子阵。
背景技术
相控阵***要求天线单元/阵面能够实现宽角宽带特性，即天线单元在10％以上工作频带内波束扫描±60°角度均能保持较好的有源驻波匹配。
现有相控阵***多采用微带天线。为了使采用微带天线的相控阵***实现宽角宽带特性，通常采用展宽微带天线的带宽的来实现，即采用多叠层贴片的方法展宽微带天线的带宽。然而，运用此方法展宽带宽取决于频段与印制板的厚度，频段越高，印制板越厚，工作带宽展宽的效果越明显。目前，运用较广的印制板为高密度集成印制板，其要求将天线、馈电网络、芯片波控及电源层集成在同一张多层印制板上，采用增大印制板厚度或者层数(多叠层)的办法展宽带宽。但是，在增大高密度集成印制板厚度的过程中，由于天线、馈电网络、芯片波控及电源层的集成要求，使高密度集成印制板的厚度受限于印制板加工的孔径比，从而使带宽展宽的效果受到影响。
有鉴于此，特提出本申请。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有的通过增大高密度集成印制板的厚度来展宽天线的带宽的方式受限于印制板加工的孔径比，使得带宽展宽的效果受到影响，不易满足天线的宽角宽带特性。目的在于提供一种低剖面高集成度天线有源子阵，在不增加集成印制板厚度的情况下，采用基于蚀刻有特殊图案的频率选择表面的蜂窝夹层天线罩，与高度集成在一起的天线模块、射频模块、功分网络和波控模块相互配合，使频率选择表面与电磁波产生相互作用而出现明显的带通或带阻的滤波特性，实现天线在不增加集成印制板厚度的前提下，使天线满足宽度宽角特性，同时减少±60°大角度扫描在天线各剖面的增益。
本发明通过下述技术方案实现：
一种低剖面高集成度天线有源子阵，包括：天线罩、天线模块、射频模块、功分网络和波控模块；所述天线模块、所述射频模块、所述功分网络和所述波控模块集成在微波板上，所述天线罩覆盖在所天线模块的上方，所述射频模块的输入端分别与所述功分网络和所述波控模块连接，所述射频模块的输出端通过微带线和信号过孔与所述天线模块连接。
所述天线罩包括：底部介质层、蜂窝夹层和顶部介质层；所述天线模块包括：多个天线单元。所述底部介质层靠近所述天线模块的一面为频率选择表面。
所述频率选择表面上包括多个贴片，所述贴片的边缘开设有4个呈中心对称分布的T型槽，所述贴片为圆形或矩形。
所述蜂窝夹层包括多个六边形结构，所述六边形结构与所述天线单元一一对应，所述六边形结构与所述贴片一一对应；在俯视角度上，所述贴片位于所述六边形结构的内部。
信号首先进入所述功分网络，然后经过所述射频模块，再由所述天线模块向外辐射，最后穿过所述天线罩进入周围空域。
与现有技术相比，本发明将天线模块、射频模块、功分网络和波控模块集成在了同一张印制板上，满足了高密度集成印制板的集成要求。不同的是，现有技术通过增大印制板厚度或层数的方式来展宽天线的带宽，此过程中容易受到印制板加工的孔径比的限制；而本发明采用在集成的天线模块的上方增加蚀刻有圆形或矩形贴片，且在贴片的边缘开设有4个呈中心对称分布的T型槽的频率选择表面的蜂窝夹层天线罩，使天线罩配合高度集成在一起的线模块、射频模块、功分网络和波控模块集工作，利用频率选择表面与电磁波之间相互作用而产生明显的带通或带阻的滤波特性来增加天线的工作带宽和提高天线扫描大角度时的增益。其中，射频模块用以对信号进行调相、调幅、低噪声放大、功率放大；波控模块通过控制芯片各通道的幅度、相位以及增益调整，实现波束扫描与波束赋形功能；蚀刻有圆形或矩形贴心及T型槽的频率选择表面用以增加天线工作带宽和提高提天线扫描大角度时的增益，也可展宽或者缩小任意扫描角的波束宽度。各功能模块之间相互配合、协调，在不增加集成印制板厚度的前提下，共同实现展宽天线带宽和降低天线剖面的增益。此外，由于不用增加印制板厚度，因此本发明具有质量轻和加工工艺简单的优势。
作为对本发明的进一步描述，所述底部介质层和所述顶部介质层为玻璃纤维，所述蜂窝夹层为蜂窝纸材质。
作为对本发明的进一步描述，
所述天线单元包括：主辐射贴片、从辐射贴片、介质层、PP材料夹层和探针；所述介质层为2层，所述探针为2个；2个所述探针的馈电相位差为90°或-90°，形成左旋圆极化或右旋圆极化的双馈点，并且可根据实际需求任意切换。
2层所述介质层位于所述主辐射贴片和所述从辐射贴片之间，所述PP材料夹层位于2层所述介质层之间。
所述探针的一端连接所述主辐射贴片且不与所述主辐射贴片的边缘接触，以满足上述2个探针的馈电相位差的要求；所述探针的另一端连接所述微带线。
所述介质层和所述PP材料夹层为大小相同的六边形结构，所述主辐射贴片的尺寸大于所述从辐射贴片的尺寸，使得两层贴片边缘产生谐振，以最大限度增加天线增益和工作频段带宽，
在俯视角度上，所述主辐射贴片和所述从辐射贴片位于所述介质层的内部，所述从辐射贴片位于所述主辐射贴片的内部。
作为对本发明的进一步描述，所述天线模块包括m×n个所述天线单元，m×n个所述天线单元呈三角形栅格排布，形成m×n天线阵列。其中，m表示天线阵列中天线单元的行数，n表示天线阵列中天线单元的列数。在满足相同的天线指标，如主瓣宽度、方向性系数、不出现栅瓣条件等情况下，三角形栅格排列的平面阵与矩形栅格相比，所需天线单元数更少，在同样不产生栅瓣情况下，天线单元数可以减少10％，使相控阵天线实现大角度扫描。
作为对本发明步的进一描述，所述射频模块包括多个芯片，所述芯片包括多个芯片通道，位于相邻2个所述芯片通道的分路处设置有隔离埋阻，用以提高隔离度。
作为对本发明步的进一描述，所述功分网络包括多个功分器，每个所述芯片连接2个所述功分器。
作为对本发明的进一步描述，所述芯片通道数为k，所述芯片个数为(m×n÷k)个；所述功分器为一分j功分器，所述一分j功分器为带状线；其中j＝(m×n÷k)。
作为对本发明的进一步描述，低剖面高集成度天线有源子阵还包括电源模块，所述电源模块分别与所述射频模块和所述波控模块连接，用于给所述波控模块和所述射频模块供电，实现电源转换和电源管理。
作为对本发明的进一步描述，低剖面高集成度天线有源子阵还包括多个结构件，所述天线罩、所述天线模块、所述射频模块、所述功分网络和所述波控模块通过所述结构件固定。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明实施例提供的一种低剖面高集成度天线有源子阵，可实现在不增加印制板厚度的情况下，展宽天线的工作带宽，降低天线各剖面的损耗；
2、本发明实施例提供的一种低剖面高集成度天线有源子阵，采用三角形栅格布阵方式，在不影响其他指标的情况下，与矩形栅格相比可减少10％的天线单元数量，从而减少满阵芯片数量，提升大角度扫描波束增益；
3、本发明实施例提供的一种低剖面高集成度天线有源子阵，基于蚀刻有特殊贴片的频率选择表面的天线罩具有良好的透波性；
4、本发明实施例提供的一种低剖面高集成度天线有源子阵，结构简单、质量轻，易于集成和加工。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的低剖面高集成度天线有源子阵结构原理图；
图2为本发明实施例提供的天线罩结构示意图；
图3为本发明实施例提供的蚀刻圆形或方形贴片的频率选择表面结构示意图；
图4为本发明实施例提供的采用三角形栅格排布的天线阵列结构示意图；
图5为本发明实施例提供的天线单元结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-天线罩，2-天线模块，3-射频模块，4-功分网络，5-波控模块，6-电源模块，11-底部介质层，12-蜂窝夹层，21-天线单元，111-贴片，121-六边形结构，211-主辐射贴片，212-从辐射贴片，213-介质层，214-PP材料夹层，215-探针。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例
由于现有的通过增大高密度集成印制板的厚度来展宽天线的带宽的方式受限于印制板加工的孔径比，使得带宽展宽的效果受到影响，不易满足天线的宽角宽带特性。对此，本实施例提供了一种低剖面高集成度天线有源子阵，将天线模块、射频模块、功分网络和波控模块集成在了同一张印制板上，并通过结构件固定，满足高密度集成印制板的集成要求；采用在集成的天线模块的上方增加蚀刻有圆形或矩形贴片，且在贴片的边缘开设有4个呈中心对称分布的T型槽的频率选择表面的蜂窝夹层天线罩，使天线罩配合高度集成在一起的线模块、射频模块、功分网络和波控模块集工作，利用频率选择表面与电磁波之间相互作用而产生明显的带通或带阻的滤波特性来增加天线的工作带宽和提高天线扫描大角度时的增益。
该低剖面高集成度天线有源子阵的结构原理如图1所示，包括：天线罩1、天线模块2、射频模块3、功分网络4和波控模块5；所述天线模块2、所述射频模块3、所述功分网络4和所述波控模块5集成在微波板上，所述天线罩1覆盖在所天线模块2的上方，所述射频模块3的输入端分别与所述功分网络4和所述波控模块5连接，所述射频模块3的输出端通过微带线和信号过孔与所述天线模块2连接。
其中，
天线罩1的结构如图2所示，包括：底部介质层11、蜂窝夹层12和顶部介质层，该底部介质层11靠近所述天线模块2的一面为频率选择表面。频率选择表面采用二维周期阵列结构，其本质是一种空间滤波器，当频率选择表面与电磁波相互作用时会表现出明显的带通和带阻的滤波特性。目前，频率选择表面单元一般为孔径型(波导型)和贴片111型，而本实施例提供的在频率选择表面选择将贴片111蚀刻为圆形或矩形，并且在圆形或矩形贴片111的边缘还开设有4个呈中心对称分布的T型槽，可以拓展工作带宽，按需求增大任意扫描角度的增益，并有助于减小大角度扫描增益损失，也可展宽或者缩小任意扫描角的波束宽度。频率选择表面的结构可参考图2和图3。实际运用中，天线罩1可满足一定的曲率和透波性。需补充说明的是，本实施例中，底部介质层11顶部介质层选择玻璃纤维或其他介质复合材料，蜂窝夹层12为蜂窝纸材质；此外，T型槽的长度与中心频率波长有关。
如图4所示，本实施例中的天线模块2共有64个呈三角形栅格排布的天线单元21，形成了一个8×8的天线阵列。采用三角形栅格布阵的优势在于，相较于现有的矩形栅格布阵方式，其在满足相同的天线指标，如主瓣宽度、方向性系数、不出现栅瓣条件等情况下，可使天线单元21的数量减少10％，从而低剖面高集成度天线有源阵列满阵的芯片数量，提升大角度扫描波束增益，从整体而言结构更加简单、质量更轻，更易于集成和加工；且各天线单元21排列紧密，使相控阵天线实现大角度扫描。
与该天线模块2中的64个天线单元21对应的，上述天线罩1的蜂窝夹层12中共有64个六边形结构121和64个贴片111，该64个六边形结构121与64个天线单元21一一对应，且在俯视角度上，每个贴片111均位于六边形结构121的内部。
进一步的，每一个天线单元21的结构如图5所示。图中，天线单元21由1个主辐射贴片211、1个贴片212、2层介质层213、1层PP材料夹层214和2个探针215组成。
具体的，2层所述介质层213位于所述主辐射贴片211和所述212之间，所述PP材料夹层214位于2层所述介质层213之间。2个所述探针215的馈电相位差为90°或-90°，形成左旋圆极化或右旋圆极化的双馈点，双馈点也使得天线具有良好的轴比，并且可根据实际需求任意切换。2层所述介质层213位于所述主辐射贴片211和所述212之间，所述PP材料夹层214位于2层所述介质层213之间。所述探针215的一端连接所述主辐射贴片211且不与所述主辐射贴片211的边缘接触，以满足上述2个探针215的馈电相位差的要求；所述探针215的另一端连接所述微带线。
具有上述结构的天线模块2可作为接收子阵，也可作为发射子阵，并根据实际需要进行调节。当天线模块2作为接收子阵时，天线模块2底部与射频模块3中的芯片连接，此时该芯片为接收芯片，芯片的每个通道可以单独控制幅度、相位、低噪声放大；当天线模块2作为发射子阵时，连接的芯片为发射芯片，芯片每2个通道可单独控制幅度、相位和功率放大。
对此，本实施例中，射频模块3中共8个芯片，每个芯片具有8个通道，每个通道具有调相功能、调整幅度功能、低噪声放大功能(接收芯片)、功率放大功能(发射芯片)。功分网络4为一分八功分器，并且为提高隔离度，在相邻两个通道的分路出均设置有隔离埋阻。
此外，控制模块通过对每个通道的信号分配，实现收发通道移相、衰减放大等功能；对相控阵天线实现波束合成，扫描等功能，也可以通过算法对相位和幅度加权，实现期望的赋形波束。
本实施例还为低剖面高集成度天线有源子阵还包括电源模块6，所述电源模块6分别与所述射频模块3和所述波控模块5连接，用于给所述波控模块5和所述射频模块3供电，实现电源转换和电源管理。
根据上述结构的低剖面高集成度天线有源子阵，信号首先进入所述功分网络4，然后经过所述射频模块3，再由所述天线模块2向外辐射，最后穿过所述天线罩1进入周围空域。利用射频模块3对信号进行调相、调幅、低噪声放大、功率放大；波控模块5通过控制芯片各通道的幅度、相位以及增益调整，实现波束扫描与波束赋形功能；蚀刻有圆形或矩形贴心及T型槽的频率选择表面用以增加天线工作带宽和提高提天线扫描大角度时的增益，也可展宽或者缩小任意扫描角的波束宽度。各功能模块之间相互配合、协调，在不增加集成印制板厚度的前提下，共同实现展宽天线带宽和降低天线剖面的增益。此外，由于不用增加印制板厚度，因此本发明具有质量轻和加工工艺简单的优势。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低剖面高集成度天线有源子阵，其特征在于，
包括：天线罩(1)、天线模块(2)、射频模块(3)、功分网络(4)和波控模块(5)；所述天线模块(2)、所述射频模块(3)、所述功分网络(4)和所述波控模块(5)集成在微波板上，所述天线罩(1)覆盖在所天线模块(2)的上方，所述射频模块(3)的输入端分别与所述功分网络(4)和所述波控模块(5)连接，所述射频模块(3)的输出端通过微带线和信号过孔与所述天线模块(2)连接；
所述天线罩(1)包括：底部介质层(11)、蜂窝夹层(12)和顶部介质层；所述天线模块(2)包括：多个天线单元(21)；
所述底部介质层(11)靠近所述天线模块(2)的一面为频率选择表面；所述频率选择表面上包括多个贴片(111)，所述贴片(111)的边缘开设有4个呈中心对称分布的T型槽，所述贴片(111)为圆形或矩形；
所述蜂窝夹层(12)包括多个六边形结构(121)，所述六边形结构(121)与所述天线单元(21)一一对应，所述六边形结构(121)与所述贴片(111)一一对应；在俯视角度上，所述贴片(111)位于所述六边形结构(121)的内部。
2.根据权利要求1所述的一种低剖面高集成度天线有源子阵，其特征在于，所述底部介质层(11)和所述顶部介质层为玻璃纤维，所述蜂窝夹层(12)为蜂窝纸材质。
3.根据权利要求1所述的一种低剖面高集成度天线有源子阵，其特征在于，
所述天线单元(21)包括：主辐射贴片(211)、从辐射贴片(212)、介质层(213)、PP材料夹层(214)和探针(215)；所述介质层(213)为2层，所述探针(215)为2个；
2层所述介质层(213)位于所述主辐射贴片(211)和所述从辐射贴片(212)之间，所述PP材料夹层(214)位于2层所述介质层(213)之间；所述探针(215)的一端连接所述主辐射贴片(211)且不与所述主辐射贴片(211)的边缘接触，所述探针(215)的另一端连接所述微带线；
所述介质层(213)和所述PP材料夹层(214)为大小相同的六边形结构，所述主辐射贴片(211)的尺寸大于所述从辐射贴片(2)的尺寸，在俯视角度上，所述主辐射贴片(211)和所述从辐射贴片(212)位于所述介质层(213)的内部，所述从辐射贴片(212)位于所述主辐射贴片(211)的内部；2个所述探针(215)的馈电相位差为90°或-90°。
4.根据权利要求1或3所述的一种低剖面高集成度天线有源子阵，其特征在于，所述天线模块(2)包括m×n个所述天线单元(21)，m×n个所述天线单元(21)呈三角形栅格排布，形成m×n天线阵列，m表示天线阵列中天线单元的行数，n表示天线阵列中天线单元的列数。
5.根据权利要求1所述的一种低剖面高集成度天线有源子阵，其特征在于，所述射频模块(3)包括多个芯片，所述芯片包括多个芯片通道，位于相邻2个所述芯片通道的分路处设置有隔离埋阻。
6.根据权利要求5所述的一种低剖面高集成度天线有源子阵，其特征在于，所述功分网络(4)包括多个功分器，每个所述芯片连接2个所述功分器。
7.根据权利要求6所述的一种低剖面高集成度天线有源子阵，其特征在于，所述芯片通道数为k，所述芯片个数为(m×n÷k)个；所述功分器为一分j功分器，所述一分j功分器为带状线，j＝(m×n÷k)。
8.根据权利要求1所述的一种低剖面高集成度天线有源子阵，其特征在于，包括电源模块(6)，所述电源模块(6)分别与所述射频模块(3)和所述波控模块(5)连接。
9.根据权利要求1所述的一种低剖面高集成度天线有源子阵，其特征在于，包括多个结构件(7)，所述天线罩(1)、所述天线模块(2)、所述射频模块(3)、所述功分网络(4)和所述波控模块(5)通过所述结构件(7)固定。
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