CN105305100A - 多频段共口径高效率天线阵 - Google Patents

Abstract

本发明多频段共口径高效率天线阵，包括副反射面、S波段偶极子天线阵列、Ka波段主反射面阵列、馈源喇叭天线、X波段波导裂缝阵天线、Ku波段波导裂缝阵天线、填充泡沫；所述天线阵分为上、下两层，上层为Ka波段主反射面阵列、下层为X、Ku波段波导裂缝阵天线；副反射面设置于Ka波段主反射面阵列的正上方；所述X、Ku波段波导裂缝阵天线之间采用行波阵形式设置，交叉放置；S波段偶极子天线阵列垂直插入X、Ku波段波导裂缝阵天线之间的波导缝；馈源喇叭天线设置于天线阵的阵面中心，且轴线与副反射面的轴线在一条直线上；填充泡沫设置于Ku波段波导裂缝阵天线的下方使得X、Ku波段波导裂缝阵天线上表面位于同一水平高度。本发明具有重量轻、效率高、馈线损耗低的优点。

Description

多频段共口径高效率天线阵

技术领域

本发明涉及共口径天线阵列技术领域，特别是一种多频段共口径高效率天线阵。

背景技术

多频天线的实现方法有叠层，嵌套等一些方法，当工作频段相差比较多，一般采用共口径或者部分共口径的方法。共口径天线的一个重要的发展趋势是多波段、宽带，使用两个或多个频段共用一个天线阵列，可以充分发挥雷达测量的特点。不同频点的结构通常采用叠层的工作方式，之间用FSS(频率选择表面)提高其隔离度。共口径天线的设计可以采用微带天线，对称阵子结构，螺旋天线结构，抛物面与螺旋天线等。但是由于微带天线具有加工方便、低剖面、易组阵的优点，所以大多数的共口径天线都是采用微带结构。当天线阵面比较大时，用微带结构馈电，馈线损耗比较大，天线效率低。波导裂缝阵阵面口径电场幅度和相位分布能精确地控制，且波导传输功率容量大、损耗小，因而容易实现高效率、高增益、高功率、低副瓣、窄波束和赋形波束的要求；其次，它的馈电系统和辐射系统一体化，成板状结构，天线轮廓侧面较小故能方便转动或与飞行器载体共形。为了降低天线剖面，学者们提出了卡塞格伦天线，但是其比较笨重，各个频段之间的耦合度高，效率低，馈线损耗高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够工作在S、X、Ku、Ka波段的多频段共口径高效率天线阵。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种多频段共口径高效率天线阵，包括副反射面、S波段偶极子天线阵列、Ka波段主反射面阵列、馈源喇叭天线、X波段波导裂缝阵天线、Ku波段波导裂缝阵天线、填充泡沫；

所述天线阵分为上、下两层，上层为Ka波段主反射面阵列、下层为X波段波导裂缝阵天线、Ku波段波导裂缝阵天线；副反射面设置于Ka波段主反射面阵列的正上方；所述X波段波导裂缝阵天线、Ku波段波导裂缝阵天线之间采用行波阵形式设置，且X波段波导裂缝阵天线的X波段波导裂缝天线和Ku波段波导裂缝阵天线的Ku波段波导裂缝天线交叉排列；S波段偶极子天线阵列垂直插入X波段波导裂缝阵天线、Ku波段波导裂缝阵天线之间的波导缝；馈源喇叭天线设置于天线阵的阵面中心，且馈源喇叭天线的轴线与副反射面的轴线在一条直线上；填充泡沫设置于Ku波段波导裂缝阵天线的下方使得X波段波导裂缝阵天线、Ku波段波导裂缝阵天线上表面位于同一水平高度。

进一步地，所述S波段偶极子天线阵列中相邻两排S波段偶极子天线的间距为3排X波段波导裂缝天线和3排Ku波段波导裂缝天线宽度之和。

进一步地，所述S波段偶极子天线阵列中的每个S波段偶极子天线均包括偶极子介质层以及偶极子介质层表面印制的金属引向、偶极子单元、180°功分器、微带线端口、匹配枝节；从底部微带线端口馈电，能量经过180°功分器到达偶极子单元，然后辐射到空间中。

进一步地，所述Ka波段主反射面阵列包括反射介质层以及反射介质层上表面印制的反射圆环单元，反射圆环单元中相邻反射圆环圆心之间的距离均为天线阵的Ka波段主反射面阵列工作频段波长的0.6倍；电磁波从馈源喇叭天线到达副反射面后反射回Ka波段主反射面阵列，调整反射圆环单元的大小，调节入射波的反射相位，使得反射回去的电磁波实现同向辐射。

进一步地，所述馈源喇叭天线包括同轴馈电端口、波导段、喇叭段；同轴馈电端口位于距波导段底部1/4Ka波段主反射面阵列工作频段波长的位置，波导段与喇叭段相连接。

进一步地，所述X波段波导裂缝阵天线的波导窄壁上开“八字型”X波导裂缝单元，Ku波段波导裂缝阵天线的波导窄壁上开“八字型”Ku波导裂缝单元，从波导端口馈电，从X波段波导裂缝阵天线和Ku波段波导裂缝阵天线的辐射单元辐射能量。

进一步地，所述副反射面设置于Ka波段主反射面阵列的正上方，副反射面至Ka波段主反射面阵列上表面之间的距离为Ka波段主反射面阵列口径的0.3倍。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)上层为S频段，采用偶极子作为天线单元，对下层天线遮挡比较小；(2)中间采用卡塞格伦反射阵天线，剖面低，降低各个频段之间的耦合度，重量轻；(3)下层采用波导裂缝阵形式，效率高，馈线损耗低。

附图说明

图1为本发明多频共口径高效率阵列天线结构框架侧视图。

图2为本发明多频共口径高效率阵列天线结构框架俯视图。

图3为本发明多频共口径高效率阵列天线S频段偶极子单元结构图。

图4为本发明多频共口径高效率阵列天线S频段单根偶极子天线阵列辐射方向图。

图5为本发明多频共口径高效率阵列天线Ka波段反射阵列天线的结构示意图。

图6为本发明多频共口径高效率阵列天线Ka波段反射阵列天线的馈源结构图。

图7为本发明多频共口径高效率阵列天线Ka波段反射阵面示意图。

图8为本发明多频共口径高效率阵列天线Ka波段的反射单元结构图。

图9为本发明多频共口径高效率阵列天线Ka波段的反射阵列天线的辐射方向图。

图10为本发明多频共口径高效率阵列X/Ku波导裂缝阵结构示意图。

图11为本发明多频共口径高效率阵列X/Ku波段的波导裂缝阵单元结构图。

图12为本发明多频共口径高效率阵列天线X波段的单根波导裂缝阵辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明多频段共口径高效率天线阵，其中S频段的天线采用极子单元，中间Ka波段为反射阵形式，结合卡塞格伦天线的特点，用副反射面降低整个天线剖面，下层为X/Ku波段波导裂缝阵的集成。由于频率不同，波导的高度不同，为了上层天线的性能，Ku波段的波导下面垫一层泡沫，使得波导裂缝阵的高度相同。

本发明的工作原理为：S/X/Ku/Ka的频率比为1:3.75:6.62:11.7，直接全部集成，口径效率比较低，容易有栅板的出现。根据其频率特点S波段频率比较低，单元间距大，采用偶极子的单元形式，尺寸比较小，并且其结构可以竖直插放，占用口径比较小，放在上层，其馈电网络在下层。Ka波段频段高，相同的口径单元数目多，馈电网络比较难以实现，采用卡塞格伦反射阵的形式，采用圆环反射单元，实质是FSS单元，对其他频段的性能影响比较小。下层为X、Ku波导裂缝阵，其采用部分共口径方式，在波导的窄边开偏置的裂缝，由若干条辐射阵面、一条交叉放置的耦合波导、一个为耦合波导馈电的馈电波导共3个部分组成。

结合图1～2，本发明多频段共口径高效率天线阵，包括副反射面1、S波段偶极子天线阵列2、Ka波段主反射面阵列3、馈源喇叭天线4、X波段波导裂缝阵天线5、Ku波段波导裂缝阵天线6、填充泡沫7；所述天线阵分为上、下两层，上层为Ka波段主反射面阵列3、下层为X波段波导裂缝阵天线5、Ku波段波导裂缝阵天线6；副反射面1设置于Ka波段主反射面阵列3的正上方；所述X波段波导裂缝阵天线5、Ku波段波导裂缝阵天线6之间采用行波阵形式设置，且X波段波导裂缝阵天线5的X波段波导裂缝天线和Ku波段波导裂缝阵天线6的Ku波段波导裂缝天线交叉排列；S波段偶极子天线阵列2垂直插入X波段波导裂缝阵天线5、Ku波段波导裂缝阵天线6之间的波导缝；馈源喇叭天线4设置于天线阵的阵面中心，且馈源喇叭天线4的轴线与副反射面1的轴线在一条直线上；填充泡沫7设置于Ku波段波导裂缝阵天线6的下方使得X波段波导裂缝阵天线5、Ku波段波导裂缝阵天线6上表面位于同一水平高度。

进一步地，所述S波段偶极子天线阵列2中相邻两排S波段偶极子天线的间距为3排X波段波导裂缝天线和3排Ku波段波导裂缝天线宽度之和。

进一步地，所述S波段偶极子天线阵列2中的每个S波段偶极子天线均包括偶极子介质层25以及偶极子介质层25表面印制的金属引向21、偶极子单元22、180°功分器23、微带线端口24、匹配枝节26；从底部微带线端口24馈电，能量经过180°功分器23到达偶极子单元22，然后辐射到空间中。

进一步地，所述Ka波段主反射面阵列3包括反射介质层32以及反射介质层32上表面印制的反射圆环单元31，反射圆环单元31中相邻反射圆环圆心之间的距离均为天线阵的Ka波段主反射面阵列3工作频段波长的0.6倍；电磁波从馈源喇叭天线4到达副反射面1后反射回Ka波段主反射面阵列3，调整反射圆环单元2的大小，调节入射波的反射相位，使得反射回去的电磁波实现同向辐射。

进一步地，所述馈源喇叭天线4包括同轴馈电端口41、波导段42、喇叭段43；同轴馈电端口41位于距波导段42底部1/4Ka波段主反射面阵列3工作频段波长的位置，波导段42与喇叭段43相连接。

进一步地，所述X波段波导裂缝阵天线5的波导窄壁上开“八字型”X波导裂缝单元51，Ku波段波导裂缝阵天线6的波导窄壁上开“八字型”Ku波导裂缝单元61，从波导端口馈电，从X波段波导裂缝阵天线5和Ku波段波导裂缝阵天线6的辐射单元辐射能量。

进一步地，所述副反射面1设置于Ka波段主反射面阵列3的正上方，副反射面1至Ka波段主反射面阵列3上表面之间的距离为Ka波段主反射面阵列3口径的0.3倍。

实施例1

整个天线阵面尺寸为2.4m*2.4m。

结合图1-2，本发明多频段共口径高效率天线阵，包括副反射面1、S波段偶极子天线阵列2、Ka波段主反射面阵列3、馈源喇叭天线4、X波段波导裂缝阵天线5、Ku波段波导裂缝阵天线6、填充泡沫7；

结合图3-4，本发明的多频共口径高效率阵列的S频段偶极子天线阵列。

介质板采用“RogersRT/duroid5880(tm)”，厚度为0.254mm，偶极子天线单元包括：微带线端口(50欧姆匹配)24，180°功分器23，偶极子单元22，天线前方的金属引向21，匹配枝节26，主要是为了起到引向的作用，提高天线增益。为了提高天线的效率，单元间距为0.6个波长即90mm，共有26*26个单元，如图3所示，该天线的辐射方向图如图4所示。

结合图5-9，多频共口径高效率阵列的Ka波段反射天线。天线采用反射阵的形式，如图5所示，馈电方式采用正馈，馈源喇叭如图6所示，采用同轴馈电端口41，辐射方向图的波束宽度为70°。普通反射阵天线的纵向剖面高度比较大，结合卡塞格伦抛物面天线的特点，在天线的上方引入副反射面1，距离Ka波段主反射面阵列3上表面的距离为阵面口径大小的0.3倍。将天线的剖面降低了一半。根据FSS单元的滤波特性，反射单元采用反射圆环单元31，通过调整圆环的大小改变入射波的相位如图7所示，其反射波可以实现360°的相移范围。反射圆环单元如图8所示，介质板的材料为“ArlonCuClad217(tm)”，厚度为0.5mm，单元间距为0.6个波长即7mm。当阵面单元为32*32时，其天线阵列的辐射方向图如图9所示，天线的口径效率为50％。

结合图10-12，多频共口径高效率阵列的X/Ku波段的波导裂缝阵。天线采用波导缝隙的形式，在波导的窄边开一系列“八”字型的缝隙如图10所示，调整缝隙的倾斜角度和缝宽，进而调整其导纳值，实现同相辐射，由于其全部是波导结构，介质损耗小，辐射效率高。其整体波导裂缝阵结构示意图如图11所示，X波段的波导宽度为12.16mm，高度为24.86mm，Ku波段的波导宽度为8.48mm，高度14.96mm。每一排的波导缝隙间距为0.6个波长，为了使得两个频段的波导平面一致，在Ku频段的下方需填充介质。当缝隙数目为88时，天线的辐射方向图如图12所示。

综上所述，本发明多频段共口径高效率天线阵，上层为S频段，采用偶极子作为天线单元，对下层天线遮挡比较小；中间采用卡塞格伦反射阵天线，剖面低，降低各个频段之间的耦合度，重量轻；下层采用波导裂缝阵形式，效率高，馈线损耗低。

Claims (7)

1.一种多频段共口径高效率天线阵，其特征在于，包括副反射面(1)、S波段偶极子天线阵列(2)、Ka波段主反射面阵列(3)、馈源喇叭天线(4)、X波段波导裂缝阵天线(5)、Ku波段波导裂缝阵天线(6)、填充泡沫(7)；

所述天线阵分为上、下两层，上层为Ka波段主反射面阵列(3)、下层为X波段波导裂缝阵天线(5)、Ku波段波导裂缝阵天线(6)；副反射面(1)设置于Ka波段主反射面阵列(3)的正上方；所述X波段波导裂缝阵天线(5)、Ku波段波导裂缝阵天线(6)之间采用行波阵形式设置，且X波段波导裂缝阵天线(5)的X波段波导裂缝天线和Ku波段波导裂缝阵天线(6)的Ku波段波导裂缝天线交叉排列；S波段偶极子天线阵列(2)垂直插入X波段波导裂缝阵天线(5)、Ku波段波导裂缝阵天线(6)之间的波导缝；馈源喇叭天线(4)设置于天线阵的阵面中心，且馈源喇叭天线(4)的轴线与副反射面(1)的轴线在一条直线上；填充泡沫(7)设置于Ku波段波导裂缝阵天线(6)的下方使得X波段波导裂缝阵天线(5)、Ku波段波导裂缝阵天线(6)上表面位于同一水平高度。

2.根据权利要求1所述的多频段共口径高效率天线阵，其特征在于，所述S波段偶极子天线阵列(2)中相邻两排S波段偶极子天线的间距为3排X波段波导裂缝天线和3排Ku波段波导裂缝天线宽度之和。

3.根据权利要求1或2所述的多频段共口径高效率天线阵，其特征在于，所述S波段偶极子天线阵列(2)中的每个S波段偶极子天线均包括偶极子介质层(25)以及偶极子介质层(25)表面印制的金属引向(21)、偶极子单元(22)、180°功分器(23)、微带线端口(24)、匹配枝节(26)；从底部微带线端口(24)馈电，能量经过180°功分器(23)到达偶极子单元(22)，然后辐射到空间中。

4.根据权利要求1或2所述的多频段共口径高效率天线阵，其特征在于，所述Ka波段主反射面阵列(3)包括反射介质层(32)以及反射介质层(32)上表面印制的反射圆环单元(31)，反射圆环单元(31)中相邻反射圆环圆心之间的距离均为天线阵的Ka波段主反射面阵列(3)工作频段波长的0.6倍；电磁波从馈源喇叭天线(4)到达副反射面(1)后反射回Ka波段主反射面阵列(3)，调整反射圆环单元(2)的大小，调节入射波的反射相位，使得反射回去的电磁波实现同向辐射。

5.根据权利要求1或2所述的多频段共口径高效率天线阵，其特征在于，所述馈源喇叭天线(4)包括同轴馈电端口(41)、波导段(42)、喇叭段(43)；同轴馈电端口(41)位于距波导段(42)底部1/4Ka波段主反射面阵列(3)工作频段波长的位置，波导段(42)与喇叭段(43)相连接。

6.根据权利要求1或2所述的多频段共口径高效率天线阵，其特征在于，所述X波段波导裂缝阵天线(5)的波导窄壁上开“八字型”X波导裂缝单元(51)，Ku波段波导裂缝阵天线(6)的波导窄壁上开“八字型”Ku波导裂缝单元(61)，从波导端口馈电，从X波段波导裂缝阵天线(5)和Ku波段波导裂缝阵天线(6)的辐射单元辐射能量。

7.根据权利要求1或2所述的多频段共口径高效率天线阵，其特征在于，所述副反射面(1)设置于Ka波段主反射面阵列(3)的正上方，副反射面(1)至Ka波段主反射面阵列(3)上表面之间的距离为Ka波段主反射面阵列(3)口径的0.3倍。