CN104037497B - Ku波段收发共口径多层印制天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Ku波段收发共口径多层印制天线，其特征在于，包括：从上到下依次包括：设置有辐射贴片阵列和发射馈电网络的辐射贴片阵列和发射馈电网络层、第一介质层、金属地层、第二介质层、设置有接收馈电网络的接收馈电网络层、第三介质层、金属接地支撑层、第四介质层、设置有接收放大电路和发射放大电路的放大电路层；发射放大电路与发射馈电网络相连，接收放大电路与接收馈电网络相连。本发明不仅具有微带天线结构紧凑、体积小、重量轻等优点，而且将低噪声放大器和功率放大器集成在天线背面，缩小了它们与天线之间的馈电损耗，提高整机品质因素和功效。同时，整个电路结构采用多层印刷技术，工艺简单、成本低。

Description

Ku波段收发共口径多层印制天线

技术领域

本发明涉及一种天线，具体涉及一种Ku波段收发共口径多层印制天线，本发明属于天线技术领域。

背景技术

随着Ku波段卫星通信的发展和通信信息容量需求的不断增大，当前Ku波段卫星通信需要收发天线共用口径，以提高口径效率，在天线口径面积受限的条件下，尽量提高收发增益。同时，为减少发射信号对接收信道的干扰，收发频段之间必须具有较高的隔离度。现代卫星通讯系统要求天线重量轻、轮廓低，因此微带形式的收发共口径天线成为卫星通信天线技术发展的重要趋势。

Norbahiah Misran等人在《Design of a Compact Dual Band Microstrip Antenna for Ku-Band Application》（一种紧凑型Ku波段双频微带天线设计）一文(发表于2009 International Conference on Electrical Engineering and Informatics, 5-7 August 2009, Selangor, Malaysia，2009年电子工程与信息学国际会议，2009年8月5日-7日，雪兰莪州,马来西亚)和T. Nguyen Thi等人在《Dual-band circularly-polarised Spidron fractal microstrip patch antenna for Ku-band satellite communication applications》（应用于Ku波段卫星通信的双频圆极化分形微带贴片天线）一文(发表于ELECTRONICS LETTERS 28th March 2013 Vol. 49 No. 7，电子快报，2013年3月28日，第49卷，第7期)中分别提出了两种通过收发共用辐射贴片以达到口径共用目的的微带天线形式，但其辐射贴片上的收发馈电通过同一端口完成的，因此天线本身不具备收发隔离能力，需要在天线后端加上强抑制能力的双工器，将增大后端成本和复杂度。

李文晶等人在《Ku波段双频正交极化微带阵列天线》一文(发表于中国电子科学院学报，Vol.7，No.6)中通过将收发馈电分离到不同电路层的方式提高收发隔离度，但该天线不仅增加寄生贴片以扩大天线带宽，而且下层馈电网络对上层辐射贴片的激励是通过探针连接来实现的，因此每个贴片都需要一个探针，增大了工艺复杂度。

另外，卫星通信系统还要求接收品质因素G/T指标低、整机功效高，因此，应尽量减少天线与后端放大电路之间的馈电损耗。因此将放大电路与天线集成到同一电路结构中的一体化天线成为未来卫星通信天线发展的重要趋势。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种Ku波段收发共口径多层印制天线。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

Ku波段收发共口径多层印制天线，其特征在于，包括：从上到下依次包括：

设置有辐射贴片阵列和发射馈电网络的辐射贴片阵列和发射馈电网络层、第一介质层、金属地层、第二介质层、设置有接收馈电网络的接收馈电网络层、第三介质层、金属接地支撑层、第四介质层、设置有接收放大电路和发射放大电路的放大电路层；发射放大电路与发射馈电网络相连，接收放大电路与接收馈电网络相连。

前述的Ku波段收发共口径多层印制天线，其特征在于，还包括第一金属探针、第二金属探针，通过第一金属探针将发射放大电路与发射馈电网络相连，通过第二金属探针将接收放大电路与接收馈电网络相连。

前述的Ku波段收发共口径多层印制天线，其特征在于，所述发射放大电路包括依次相连的输入SMA接头、功率放大器、基片集成波导滤波器、第一同轴馈口，第一金属探针连接第一同轴馈口；所述接收放大电路包括依次相连的第二同轴馈口、双模滤波器、低噪声放大器、输出SMA接头，第二金属探针连接第二同轴馈口。

前述的Ku波段收发共口径多层印制天线，其特征在于，所述第一金属探针贯穿第一介质层、第二介质层、第三介质层、第四介质层；所述第二金属探针贯穿第三介质层、第四介质层。

前述的Ku波段收发共口径多层印制天线，其特征在于，金属地层上设置有耦合缝隙，所述接收馈电网络通过所述耦合缝隙激励所述辐射贴片阵列。

前述的Ku波段收发共口径多层印制天线，其特征在于，所述发射馈电网络和所述接收馈电网络相互正交。

本发明的有益之处在于：本发明的一种收发共口径多层微带阵列天线结构，不仅具有微带天线结构紧凑、体积小、重量轻等优点，而且将低噪声放大器和功率放大器集成在天线背面，缩小了它们与天线之间的馈电损耗，提高整机品质因素和功效。同时，整个电路结构采用多层印刷技术，工艺简单、成本低。

附图说明

图1为本发明Ku波段收发共口径多层印制天线的结构剖面示意图；

图2为本发明位于辐射贴片阵列和发射馈电网络层的微带辐射贴片阵列和发射馈电网络电路图；

图3为本发明带耦合缝隙的金属地层电路图；

图4为本发明位于接收馈电网络层的接收频段馈电网络电路图；

图5为本发明金属接地支撑层的俯视图；

图6为本发明放大电路层的框图；

图7为本发明收发端口隔离度曲线图；

图8为本发明接收频段E面方向图；

图9为本发明接收频段H面方向图；

图10为本发明发射频段E面方向图；

图11为本发明发射频段H面方向图。

图中附图标记的含义：

1、辐射贴片阵列和发射馈电网络层，2、金属地层，3、接收馈电网络层，4、金属接地支撑层，5、放大电路层，6、第一介质层，7、第二介质层，8、第三介质层，9、第四介质层，10、第一金属探针，11、第二金属探针， 13、辐射贴片，15、耦合缝隙，16、双模滤波器，17、低噪声放大器，18、基片集成波导滤波器，19、功率放大器，20、输出SMA接头，21、输入SMA接头。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

参照图1所示，本发明Ku波段收发共口径多层印制天线，从上到下依次包括：

设置有辐射贴片阵列和发射馈电网络的辐射贴片阵列和发射馈电网络层1、第一介质层6、金属地层2、第二介质层7、设置有接收馈电网络的接收馈电网络层3、第三介质层8、金属接地支撑层4、第四介质层9、设置有接收放大电路和发射放大电路的放大电路层5；发射放大电路与发射馈电网络相连，接收放大电路与接收馈电网络相连。由此可见，天线由5层金属层和4层介质层交替层叠而成，5层金属层从上至下依次为辐射贴片阵列和发射馈电网络层1、金属地层2、接收馈电网络层3、金属接地支撑层4和放大电路层5。

进一步的，本发明还包括第一金属探针10、第二金属探针11，通过第一金属探针10将发射放大电路与发射馈电网络相连，通过第二金属探针11将接收放大电路与接收馈电网络相连。如图1所示。第一金属探针10贯穿第一介质层6、第二介质层7、第三介质层8、第四介质层9；所述第二金属探针11贯穿第三介质层8、第四介质层9。

收发频段共用辐射贴片阵列，发射馈电网络与辐射贴片阵列位于同一层，辐射贴片阵列与发射馈电网络直接连接。为加强收发信号的隔离，接收馈电网络层3与辐射贴片阵列之间的金属地层2中存在一个缝隙阵列，优选为缝隙阵列形状为“I”型，缝隙与贴片的位置一一对应，接收信号通过缝隙从贴片耦合到接收馈电网络中。即接收馈电网络通过所述耦合缝隙15激励所述辐射贴片阵列。同时，为了进一步加强收发隔离度，发射馈电网络和接收馈电网络之间还采用了正交布线技术，发射馈电网络和所述接收馈电网络相互正交。控制两个馈电网络的长度，收发频段在辐射贴片上激励起幅度相等，相位相差180度的正交电流，使收发信号在极化上形成正交关系，提高两个频段的隔离。

如图3给出了辐射贴片阵列和发射馈电网络层1的电路结构。辐射贴片大小6.4*6.42mm，其发射频段工作频率为14-14.5GHz，采用共面微带馈电。接收频段工作在12.25-12.75GHz，采用缝隙耦合馈电，阵元之间的横向间距为7.43mm，纵向间距为9.68mm。

为降低损耗、提高增益，第一介质层6和第二介质层7采用低损耗板材，如Rogers5880，此类材料强度较低，容易变形。具体来说，第一介质层6为0.762mm厚度的rogers5880介质，位于辐射贴片阵列和发射馈电网络层1和金属地层2之间，该介质损耗小，低介电常数有助于提高天线的能量辐射，减少介质损耗。金属地层2带有“I”型耦合缝隙1515，缝隙大小为0.35*4.3mm，缝隙呈阵列分布，分布位置与辐射贴片一一对应。

如图4所示的接收馈电网络层3上设置接收馈电网络，接收馈电网络与发射馈电网络正交，且被金属地层2隔开，减少两者耦合，即金属地层2可以减少接收馈电网络与发射馈电网络之间的相互影响，提高收发频段的隔离度。信号输入通过第二金属探针11连接，连接处位于电路的对称中心。

第二介质层7为rogers4350，厚度0.508mm，板材强度高，不易使天线变形。

为加强整个电路结构的强度，如图5所示，金属接地支撑层4采用3-5mm的铝板或铜板，确保整个天线结构不变形。金属接地支撑层4两面抛光，以便于与第三介质层8和第四介质层9良好压合。具体而言，金属接地支撑层4与第三介质层8和第四介质层9之间均通过粘接，压合工艺或者螺丝结合，支撑整个电路结构，确保天线具有较低的翘曲度。金属接地支撑层4为3mm厚的铝材支撑板，起稳定结构的作用。第三介质层8是6mm厚的聚乙烯泡沫，介电常数接近空气，因6mm为接收频段的1/4波长，所以支撑板可作为天线的反射接地板，改善接收增益。

图6是放大电路的框图，发射放大电路包括依次相连的输入SMA接头21、功率放大器19（英文缩写即PA）、基片集成波导滤波器18、第一同轴馈口，第一金属探针10连接第一同轴馈口；所述接收放大电路包括依次相连的第二同轴馈口、双模滤波器16、低噪声放大器17（英文缩写即LNA）、输出SMA接头20，第二金属探针11连接第二同轴馈口。发射电路与发射馈电网络通过第一金属探针10连接，接收电路与接收馈电网络通过第二金属探针11连接。双模滤波器16通带为接收频段，它的优点是在通带内的插损很小，对整机噪声系数影响小。双模滤波器16对发射频段进行抑制，进一步提高收发信号之间的隔离度，有效保护低噪声放大器17不被发射信号饱和。基片集成波导滤波器18具有带外抑制度高的优点，可以将功率放大器19在接收频段的杂散进行有效抑制，以保护接收信号不被发射杂散所干扰，保证整机的品质因素。低噪声放大器17作用在于放大接收信号，它与天线集成在一起，可以缩短接收天线与低噪声放大器17之间的距离，减少馈线损耗，降低系统整机的噪声系数，保证整机品质因素。功率放大器19作用在于放大发射信号，它与天线集成在一起，可以缩短发射天线与功率放大器19之间的距离，减少馈线损耗，提高整机功效。双模滤波器16的作用在于抑制高频段发射信号，保护低噪声放大器17，避免出现低噪声放大器17被发射信号饱和的情况。基片集成波导滤波器18，其特点在于带外抑制度高，可有效抑制发射功率放大器19输出信号在接收频段的杂散。

天线接收电磁波的工作过程为：辐射贴片受空间中的电磁波激励产生感应电流，此电流激发的二次电磁波通过耦合缝隙15在接收馈电网络上形成感应电流，接收馈电网络将这些感应电流同相叠加，并通过第二金属探针11导入到双模滤波器16，再经过低噪声放大器17，最后通过输出SMA接头20输出到后级电路板。

天线发射电磁波工作过程为：发射信号通过经输入SMA接头21输入到功率放大器19，再进入基片集成波导滤波器18，然后通过第一金属探针10导入到发射馈电网络，激发辐射贴片产生电磁波，发射到空间中。

图7至11给出本实例的仿真结果，可见本实例收发端口隔离可达30dB以上，而极化隔离基本可达25dB，符合卫星通信要求。

本发明基于微带天线理论，提出一种集成部分放大电路的收发共口径多层微带阵列天线结构，不仅具有微带天线结构紧凑、体积小、重量轻等优点，而且将低噪声放大器17和功率放大器19集成在天线背面，缩小了它们与天线之间的馈电损耗，提高整机品质因素和功效。同时，整个电路结构采用多层印刷技术，工艺简单、成本低。本发明收发频段共用辐射贴片，实现了口径共用，采用正交极化技术实现收发信号的有效隔离。同时，将部分放大电路集成在天线背面，减少低噪声放大器17和接收馈电网络间的馈线损耗，提高整机品质因素，减少功率放大器19与发射馈电网络之间的馈线损耗，提高整机功效。本天线适用于作为卫星通信相控阵天线的阵元使用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.Ku波段收发共口径多层印制天线，其特征在于，包括：从上到下依次包括：

设置有辐射贴片阵列和发射馈电网络的辐射贴片阵列和发射馈电网络层、第一介质层、金属地层、第二介质层、设置有接收馈电网络的接收馈电网络层、第三介质层、金属接地支撑层、第四介质层、设置有接收放大电路和发射放大电路的放大电路层；发射放大电路与发射馈电网络相连，接收放大电路与接收馈电网络相连；还包括第一金属探针、第二金属探针，通过第一金属探针将发射放大电路与发射馈电网络相连，通过第二金属探针将接收放大电路与接收馈电网络相连；所述第一金属探针贯穿第一介质层、第二介质层、第三介质层、第四介质层；所述第二金属探针贯穿第三介质层、第四介质层；所述金属地层上设置有耦合缝隙，所述接收馈电网络通过所述耦合缝隙激励所述辐射贴片阵列。

2.根据权利要求1所述的Ku波段收发共口径多层印制天线，其特征在于，所述发射放大电路包括依次相连的输入SMA接头、功率放大器、基片集成波导滤波器、第一同轴馈口，第一金属探针连接第一同轴馈口；所述接收放大电路包括依次相连的第二同轴馈口、双模滤波器、低噪声放大器、输出SMA接头，第二金属探针连接第二同轴馈口。

3.根据权利要求1所述的Ku波段收发共口径多层印制天线，其特征在于，所述发射馈电网络和所述接收馈电网络相互正交。