CN204857954U - 一种Ka频段宽角扫描相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种Ka频段宽角扫描相控阵天线，射频电路层和辐射层通过通孔连接，所述校正网络层连接辐射层，所述本振网络层分别连接射频电路层和外部本振信号接口；所述中频网络层分别连接射频电路层和外部中频连接器，所述环控层设置于射频电路层的背面。采用片式有源相控阵天线结构、高效的分布式馈电空间能量合成，以及高密度单片微波集成电路技术，并充分利用***可提供的资源以及规模生产技术，提高***集成度和利用率，最大限度地减少天线***的高度和体积，重量并降低制造成本，满足大批量生产和调试的要求。

Description

一种Ka频段宽角扫描相控阵天线

技术领域

本实用新型涉及一种移动卫星通信技术，尤其涉及的是一种Ka频段宽角扫描相控阵天线。

背景技术

卫星通信具有超视距、高质量、不间断、高速率等通信特点，并且不依赖于易受服务中断、自然灾害和人为破坏所影响的地面通信链路和地面网络，扩展了人们的视野和活动区域，因此无论卫星通信作为主干通信网络还是备选通信网络都越来越受到各界的广泛关注。随着卫星通信技术的发展和应用领域的扩展，如何在在运动过程中实现与卫星实时高速数据交换的需求变得越来越迫切，因此实现高频段的各类载体的卫星通信变的越来越重要。

然而目前卫星应用中的天线技术研发主要集中在高、中轮廓的外置天线***，这类天线具有高增益、低噪声等优点被广泛应用在地面***以及对天线高度没有要求的平台上，但是对于无人机、战斗机、导弹等要求风阻小、高速行进的载体平台，这类天线是不适合的。

要实现对无人机、战斗机、导弹等载体卫星测控通信，需要实现易于加载于此类平台的低剖面或无剖面的卫星终端的外置天线，该类天线易于与载体共形设计、并且重量轻、功耗低、尺寸小不影响载体的气动性。然而此类天线相较于高剖面的天线而言，设计实现都比较困难，并且要实现高增益、宽覆盖、高效率等优良性能，对于天线设计和加工精度更是提出了更高的要求。

低剖面或无剖面的天线形式向两维有源相控阵天线发展，在整个波束覆盖的空域内，使用无惯性的电子波束扫描，亦能实现良好的跟踪，其中机械扫描的伺服***会消失，这样天线轮廓大大降低，并且随着器件的发展将天线的辐射单元与射频电路以及环控等进行集成设计是该类天线的发展趋势。而宽角扫描的有源相控阵***尺寸由波长决定，通信频率越高，波长越短，导致天线尺寸越小，最终导致天线***实现较困难。

要实现宽角扫描，有源相控阵的天线单元间距由波长决定，而Ka频段频率高、波长短，因此导致片式Ka频段宽角扫描有源相控阵天线的具体尺寸较小。如若实现通信功能，有源相控阵天线需要具有辐射***、馈电***、射频电路、环控***、校正***以及控制***等，如何在有限的高度和范围内集成上述诸多***功能，并且满足电磁兼容要求，那么如何进行片式天线***的功能层布局构造是实现片式Ka频段宽角相控阵天线的关键内容，是本实用新型所需要解决的具体问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种Ka频段宽角扫描相控阵天线，实现天线剖面的高度低于30mm。

本实用新型是通过以下技术方案实现的，本实用新型包括自上而下依次设置的辐射层、馈电层、校正网络层、本振网络层、环控层、中频网络层和射频电路层；所述射频电路层和辐射层通过通孔连接，所述校正网络层连接辐射层，所述本振网络层分别连接射频电路层和外部本振信号接口；所述中频网络层分别连接射频电路层和外部中频连接器，所述环控层设置于射频电路层的背面。

所述辐射层包括8×8布阵的64个阵列单元，每个阵列单元为单点馈电的单层缺口微带贴片蚀刻而成，每个阵列单元上设置两个用于接收校正信号的探针。

作为本实用新型的优选方式之一，所述辐射层的外层设置隔离层。

作为本实用新型的优选方式之一，所述校正网络层包括64个校正阵元，每个校正阵元通过两条微带线连接对应辐射层上阵列单元的探针，每个校正阵元的两条微带线合并成一路，相邻的两路再合并成一路，64个校正阵元依次合并最后形成一路信号输出。

所述射频电路层包括64个相同的阵元射频通道，每个阵元射频通道包括依次连接的衰减移相芯片、功率放大器和隔离器。

所述馈电层包括64个结构相同的馈电电路。

所述环控层包括毛细冷却水道和散热冷板，所述散热冷板上开设多条水平凹槽形成毛细冷却水道，所述多条毛细冷却水道的一端连接在一起形成冷水入口，另一端连接在一起形成热水出口。

本实用新型相比现有技术具有以下优点：本实用新型采用片式有源相控阵天线结构、高效的分布式馈电空间能量合成，以及高密度单片微波集成电路技术，并充分利用***可提供的资源以及规模生产技术，提高***集成度和利用率，最大限度地减少天线***的高度和体积，重量并降低制造成本，满足大批量生产和调试的要求，作为卫星应用的通信***的天线，通过各***配合可实现战斗机、导弹、无人机等机动性强、气动性要求高的平台的大动态下双向高效宽带通信，实现对上述平台的超视距测控以及通信需求。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是辐射层的结构示意图；

图3是校正网络层的结构示意图；

图4是单个阵元射频通道示意图；

图5是本振网络层的结构示意图；

图6是馈电层的结构示意图；

图7是环控层的结构示意图；

图8是中频网络层的结构示意图。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括自上而下依次设置的辐射层1、馈电层2、校正网络层3、本振网络层4、环控层5、中频网络层6和射频电路层7；辐射层1进行信号辐射；射频电路层7和辐射层1通过通孔直接连接，主要实现将射频信号端口输入信号转换成两个相位相差90°的信号传给辐射层1，实现信号的圆极化；所述校正网络层3连接辐射层1，对于Ka频段的相控阵天线，由于波长较短，必须进行相位校正，并且考虑到能量损失以及校正的准确程度，将校正网络层3放置在离辐射层1最近的位置；本振网络层4分别连接射频电路层7和外部本振信号接口，本振网络层4为输入信号进行混频提供本振信号；中频网络层6连接射频电路层7和外部中频连接器，中频网络层6将输入的中频信号进行分配给各个阵元对应的射频电路；所述环控层5设置于射频电路层7的背面，由于射频电路层7会产生大量热量，通过环控层5将热量传导出散掉，避免电路板过热烧毁；射频电路层7对输入中频信号进行混频放大，然后传递给馈电层2，并将射频芯片所需要的供电网络布置在此层，考虑到散热问题将此层放置在最外层，结合环控层5就可直接进行散热，避免天线***过热烧毁功能芯片。

从图1中可以看出，本实用新型的模块含有7个功能层，并且该***是Ka频段，所采用的封装技术会严重影响到***性能，并根据LTCC工艺在高密度、高性能电子封装方面的优势和特点，此***采用LTCC工艺封装，并且随着该项技术的发展***实现可行。

本实施例的片式Ka频段宽角扫描相控阵天线可实现数字波束形成，并且平板结构，高度低于30mm。从功能实现、电性能、以加工难度、封装复杂度、及***散热、控制等角度分析，这种天线构造是实现该宽角扫描相控阵的最佳构造，并且可根据天线阵元隔离度的需求，对该***构造进行辐射层1上进行改进实现高隔离度的要求，或者将数字波束处理芯片集成进来形成数字模块。此架构即可横向扩展实现天线***规模，亦可竖向扩展增加功能。

如图2所示，辐射层1包括8×8布阵的64个阵列单元，每个阵列单元为单点馈电的单层缺口微带贴片蚀刻而成，每个阵列单元上设置两个用于接收校正信号的探针。辐射层11的尺寸为50mm×50mm。

每个阵列单元为单点馈电的单层缺口微带贴片，这种单元形式是实现圆极化的最简单方式，仅用一层介质片通过蚀刻加工就可以实现。在每个阵列单元上的两个探针主要接收校正信号，辅助实现校正的功能，具体探针的位置通过单元仿真确定；阵列单元通过通孔与校正网络层3和射频电路层7相连，辐射层1在模块的结构中处于最外层，并且基于电磁兼容以及隔离等考虑，需要在辐射阵面外层设置隔离层，隔离层属于辐射层1的一部分。

考虑到天线需要与平台共形，辐射层1采用贴片形式，并且天线***需要进行宽角扫描实现波束空域覆盖，因此采用固定的阵元间距，单元间距根据扫描角度仿真分析确定，信号通过各阵元向空间辐射出去，合成所需要方向的波束。

如图3所示，校正网络层3包括64个校正阵元，每个校正阵元通过两条微带线连接对应辐射层1上阵列单元的探针，每个校正阵元的两条微带线合并成一路，相邻的两路再合并成一路，64个校正阵元依次合并最后形成一路信号输出。

校正网络层3配合辐射层1的校正探针实现有源相控阵的校正，为了避免对辐射层1性能的影响并满足校正信号的强度，每个校正阵元的有两个探针，对应校正网络层3有两条微带线传输信号，然后两条微带线合并成一个路形成一路校正信号输出，探针位置以及微带线的长度经过仿真设计，确保每个探针到校正信号接收机的路径相同，即每个探针的信号到校正接收机具有相同的衰减。

如图4所示，射频电路层7包括64个相同的阵元射频通道和所需电源分布通道，每个阵元射频通道包括依次连接的衰减移相芯片、功率放大器和隔离器。输入射频信号经过衰减移相后，放大再传输给辐射层1。

射频电路层7的功能是将发射的射频信号进行放大、幅度衰减以及相位改变等，实现相控阵天线***的模拟波束合成所需要的各通道幅相值，该模块采用小型射频多功能芯片，实现在狭小空间中对64路信号的幅相调制，完成波束合成。

衰减移相芯片主要完成信号幅度的衰减和相位的改变，功率放大器将信号进行放大，通过开关配合波控实现发射通道独立控制，用于天线***的校正。

如图5所示，本振网络层4采用等功分功率分配器，通过微带线将输入的相同两路本振信号进行功分成64路信号传递给射频电路层7，为每路射频信号变频提供本振信号。

如图6所示，馈电层2将来自射频电路层的64路射频信号，每路转换为相差90度的两路信号给对应的辐射层1的各个辐射单元，两路相差90度的信号经过同一辐射单元合成后形成圆极化。

如图7所示，环控层5与外部环控***相连有两个水路连接器，环控层5包括毛细冷却水道52和散热冷板51，所述散热冷板51上开设多条水平凹槽形成毛细冷却水道52，所述多条毛细冷却水道52的一端连接在一起形成冷水入口53，另一端连接在一起形成热水出口54，将冷水入口53进入的冷却水通过毛细冷却水道52传给热水出口54，实现***冷却。

如图8所示，中频网络层6通过微带线将输入的64个通道信号传递给射频电路层7进行混频放大，实现中频信号到射频信号的改变，采用不同的微带线进行信号传递。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种Ka频段宽角扫描相控阵天线，其特征在于，包括自上而下依次设置的辐射层、馈电层、校正网络层、本振网络层、环控层、中频网络层和射频电路层；所述射频电路层和辐射层通过通孔连接，所述校正网络层连接辐射层，所述本振网络层分别连接射频电路层和外部本振信号接口；所述中频网络层分别连接射频电路层和外部中频连接器，所述环控层设置于射频电路层的背面。

2.根据权利要求1所述的一种Ka频段宽角扫描相控阵天线，其特征在于，所述辐射层包括8×8布阵的64个阵列单元，每个阵列单元为单点馈电的单层缺口微带贴片蚀刻而成，每个阵列单元上设置两个用于接收校正信号的探针。

3.根据权利要求2所述的一种Ka频段宽角扫描相控阵天线，其特征在于，所述辐射层的外层设置隔离层。

4.根据权利要求2所述的一种Ka频段宽角扫描相控阵天线，其特征在于，所述校正网络层包括64个校正阵元，每个校正阵元通过两条微带线连接对应辐射层上阵列单元的探针，每个校正阵元的两条微带线合并成一路，相邻的两路再合并成一路，64个校正阵元依次合并最后形成一路信号输出。

5.根据权利要求2所述的一种Ka频段宽角扫描相控阵天线，其特征在于，所述射频电路层包括64个相同的阵元射频通道，每个阵元射频通道包括依次连接的衰减移相芯片、功率放大器和隔离器。

6.根据权利要求2所述的一种Ka频段宽角扫描相控阵天线，其特征在于，所述馈电层包括64个结构相同的馈电电路。

7.根据权利要求2所述的一种Ka频段宽角扫描相控阵天线，其特征在于，所述环控层包括毛细冷却水道和散热冷板，所述散热冷板上开设多条水平凹槽形成毛细冷却水道，所述多条毛细冷却水道的一端连接在一起形成冷水入口，另一端连接在一起形成热水出口。