CN106654511A - 一种小型化收发共用宽波束覆盖天线 - Google Patents

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Abstract

一种小型化收发共用宽波束覆盖天线，包括天线辐射体、八棱台和八棱柱结构、内置收发组件、底板、射频连接器、低频连接器和八棱台上盖板。其中，天线辐射体包括八个接收天线单元和八个发射天线单元，且每个棱台的侧面有一组接收、发射单元；八棱台和八棱柱结构为上八棱台上和下八棱柱一体结构；内置收发组件包括接收组件和发射组件；底板用于固定内置收发组件；射频连接器包括发射和接收两个。通过八棱台相邻侧面上的接收、发射天线单元交叉阵列设计、16个类椭圆波束宽覆盖波束设计和小型化综合设计实现了本发明小型化、收发共用、俯仰面±70°宽波束覆盖区内5dBi的高增益覆盖性能。

Description

一种小型化收发共用宽波束覆盖天线
技术领域
本发明涉及一种小型化收发共用宽波束覆盖天线，属于天线技术领域。
背景技术
随着军事和民用通信技术的发展，通信系统的复杂度及系统性能在不断提升，用户在不断追求系统载荷性能的最大化，这所带来的一个问题，就是如何在有限的应用平台能力下，极大地提升平台的利用效率，采用较少或较小的设备实现更高，更优的系统性能。也即应用平台对载荷设备，尤其是天线的小型化提出了更为苛刻的要求。
另一方面，宽覆盖和高增益性能一直以来都是天线研究领域的热门话题。对单一的天线而言，宽覆盖和高增益是对立的两个方面，宽覆盖即意味着低增益性能。然而，为了实现宽覆盖和高增益的兼容，很多新的天线形式被广泛应用，典型的有相控阵天线和多波束波束天线，可在很宽的覆盖范围内实现较高的增益性能，但一定程度上增加了系统的复杂度。
对于机载无线通信或测控系统、室内短距离无线通信系统而言，通常要求在天线俯仰面大角度范围内、方位面全向的空间内实现较高增益。为了实现天线俯仰面大角度范围内波束覆盖，有一种天线设计形式通常可以被考虑，就是采用天线波束指向在俯仰面进行倾斜，同时棱台顶部的天线覆盖天线轴向的覆盖区域，实现俯仰面范围内波束覆盖，覆盖区范围和增益均比较小。还有一种天线虽然覆盖区内增益较高，但系统复杂，尺寸大，重量重。所以，针对小型化、收发共用、宽覆盖和高增益的性能需求，以上天线设计形式均有其自身限制而不能完全实现。综上所述，现有的传统技术已不能满足小型化、宽覆盖波束(俯仰±70°，方位全向)和高增益(大于5dBi)的天线应用需求。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，采用收发共用交叉阵列技术、宽覆盖波束设计技术和小型化综合设计技术，提出了一种新型的小型化收发共用宽波束覆盖天线，使得在天线尺寸受限情况下，实现天线的俯仰面宽角度(±70°)与方位面全向范围内的宽波束覆盖和高增益(大于5dBi)性能。
本发明的技术解决方案如下：一种小型化收发共用宽波束覆盖天线，包括：天线辐射体、八棱台和八棱柱结构、内置收发组件、底板、射频连接器、低频连接器和八棱台上盖板；八棱台和八棱柱结构，包括：八棱台结构和八棱柱结构，八棱台结构位于八棱柱结构上，八棱台结构的每个梯形侧面均开有槽体；天线辐射体包括8组收发天线单元，每组收发天线单元包括1个接收天线单元和1个发射天线单元；8组收发天线单元放置在八棱台结构侧面的槽体中，并通过螺钉固定连接在八棱台结构的侧面，每组收发天线单元分布在八棱台的一个梯形侧面上，且八棱台结构的相邻侧面上的收发天线单元中的接收天线单元和发射天线单元上下交叉分布，具体如下：八棱台结构的相邻侧面记为侧面1和侧面2，侧面1和侧面2均为梯形，侧面1上的发射天线单元布置在侧面1靠近梯形短边的一端，侧面1上的接收单元布置在侧面1靠近梯形长边的一端；侧面2上的发射天线单元布置在侧面2靠近梯形长边的一端，侧面2上的接收单元布置在侧面2靠近梯形短边的一端。八棱台上盖板扣在八棱台和八棱柱结构的八棱台结构上，八棱台上盖板通过螺钉连接于八棱台和八棱柱结构的八棱台结构上；内置收发组件包括接收组件和发射组件，并通过螺钉连接固定于底板上；底板和固定于其上的收发组件整体与八棱台和八棱柱结构通过螺钉连接在一起；射频连接器和低频连接器与八棱台和八棱柱结构的八棱柱结构通过螺钉连接；内置收发组件中的发射组件，接收外部发射机发射的信号，对该信号依次进行功分、相移、功率放大后，送至8组收发天线单元的发射天线单元，发射天线单元将信号辐射到空间；8组收发天线单元的接收天线单元分别从空间接收信号，将从空间接收的信号送至内置收发组件中的接收组件，对该信号依次进行低噪声放大、相移、功率合成后，送至外部接收机。
射频连接器连接收发组件和外部接收机和发射机，低频连接器连接外部控制单元。
所述八棱台结构和八棱柱结构为一次成型，八棱柱结构的每个侧面为矩形，将每个侧面等分为三部分，每个部分中间位置设置一个通孔；八棱台结构包括八个侧面，每个侧面为梯形。
八棱台结构侧面上的接收天线单元和发射天线单元，若发射天线单元为左旋圆极化，则接收天线单元为右旋圆极化，若发射天线单元为右旋圆极化，则接收天线单元为左旋圆极化，发射天线单元和接收天线单元均为正方形，边长在0.25λ～0.30λ之间；八棱台结构每个梯形侧面上发射天线单元和接收天线单元的中心之间间距相同，在0.35λ～0.40λ之间；靠近梯形上底的接收天线单元或发射天线单元中心距离梯形上底在0.25λ～0.28λ之间，λ为接收天线工作频率对应的自由空间波长。
八棱台结构上相邻侧面的发射天线单元或相邻侧面的接收天线单元组成二元天线阵列，在电性能上形成类椭圆子波束，类椭圆子波束的长轴方向与八棱台结构的梯形侧面的梯形高所在的直线一致，八棱台结构的八个侧面每相邻两个侧面上的发射天线单元或接收天线单元组成的二元天线阵列形成一个类椭圆子波束，共形成8个类椭圆波束，通过内置收发组件对四个接收天线单元或发射天线单元的固定离散移相，八棱台结构的八个侧面每相邻两个侧面上的发射天线单元或接收天线单元组成的二元天线阵列形成新的一个类椭圆子波束，共形成另外新的8个类椭圆子波束，共16个类椭圆子波束。这16个类椭圆子波束覆盖俯仰±70°覆盖区。具体方案为：将俯仰±70°的波束覆盖区分割为16个子覆盖区，每个子覆盖区分别对应设计的16个类椭圆子波束。这16个子覆盖区的定义用(u、v)坐标表示，分别由6条直线和2个椭圆分割构成，六条直线方程为u＝±v，u＝±0.29和v＝±0.29，两个椭圆方程为u2+4v2＝0.883和4u2+v2＝0.883，±70°覆盖区边界圆的方程为u2+v2＝0.883。同时采用收发共用交叉阵列设计，收发天线为旋转对称结构，收发天线结构轴向旋转相差45°。所以通过简单的坐标变换，收发天线具有相同的16波束覆盖区设计图。即对于接收天线：对于发射天线： 如此，接收天线和发射天线的16波束覆盖区设计图相同。
八棱台和八棱柱结构由八棱台结构和八棱柱结构组成，八棱柱结构便于将内置收发组件置于八棱台和八棱柱结构内，八棱台和八棱柱的八棱柱结构的外切圆的直径范围为φ2.6λ～2.7λ，八棱台和八棱柱结构的高度在0.68λ～0.7λ；八棱台和八棱柱结构的八棱台结构的顶面八边形的外切圆直径在φ0.8λ～φ1.0λ之间；八棱台结构的高度在0.36λ～0.40λ之间。八棱台上盖板的形状为八棱台的侧面，没有上表面和下表面，八棱台上盖板的每个侧面开有两个正方形槽孔，所有侧面共开有16个正方形槽孔，当八棱台上盖板盖在八棱台和八棱柱结构上，每组收发天线单元能够从每个侧面开有两个正方形槽孔中全部露出。
所述内置收发组件的接收组件，包括：单刀四掷开关1、单刀四掷开关2、低噪声放大器LNA1、低噪声放大器LNA2、5bit相移器1、2合1功率合成网络；外部控制单元能够控制单刀四掷开关1在4个动端1、动端3、动端5、动端7之间切换，动端1连接接收天线单元1，动端3连接接收天线单元3，动端5连接接收天线单元5，动端7连接接收天线单元7，当单刀四掷开关1的不动端与动端1形成导通，空间信号从接收天线单元1接收的信号进入单刀四掷开关1；当单刀四掷开关1的不动端与动端3形成导通，空间信号从接收天线单元3接收的信号进入单刀四掷开关1；当单刀四掷开关1的不动端与动端5形成导通，空间信号从接收天线单元5接收的信号进入单刀四掷开关1；当单刀四掷开关1的不动端与动端7形成导通，空间信号从接收天线单元7接收的信号进入单刀四掷开关1；单刀四掷开关1的不动端连接LNA1的输入，单刀四掷开关1的不动端的信号送至LNA1，LNA1对该信号进行低噪声放大后送至2合1功率合成网络；
外部控制单元能够控制单刀四掷开关2在4个动端2、动端4、动端6、动端8之间切换，动端2连接接收天线单元2，动端4连接接收天线单元4，动端6连接接收天线单元6，动端8连接接收天线单元8，当单刀四掷开关2的不动端与动端2形成导通，空间信号从接收天线单元2接收的信号进入单刀四掷开关2；当单刀四掷开关2的不动端与动端4形成导通，空间信号从接收天线单元4接收的信号进入单刀四掷开关2；当单刀四掷开关2的不动端与动端6形成导通，空间信号从接收天线单元6接收的信号进入单刀四掷开关2；当单刀四掷开关2的不动端与动端8形成导通，空间信号从接收天线单元2接收的信号进入单刀四掷开关2；
单刀四掷开关2的不动端连接LNA2的输入，单刀四掷开关2的不动端的信号送至LNA2，LNA2对该信号进行低噪声放大后送至相移器1进行相移，外部控制单元能够控制5bit相移器1将LNA2送来信号的相位相移到相位1、相位2、相位3、相位4这四种情况后，将相移后的信号送至2合1功率合成网络；2合1功率合成网络，将LNA1和5bit相移器1送来的信号进行功率合成送至外部接收机。
所述内置收发组件的发射组件，包括：单刀四掷开关3、单刀四掷开关4、功率放大器SSPA1、功率放大器SSPA2、5bit相移器2、1分2功分网络；外部发射机送来的信号送至1分2功分网络，1分2功分网络将接收的信号功分为两路信号，第一路信号送至功率放大器SSPA1，功率放大器SSPA1对该第一路信号进行功率放大后送至单刀四掷开关3的不动端，外部控制单元能够控制单刀四掷开关3在4个动端1、动端3、动端5、动端7之间切换，动端1连接发射天线单元1，动端3连接发射天线单元3，动端5连接发射天线单元5，动端7连接发射天线单元7，当单刀四掷开关3的不动端与动端1形成导通，进入单刀四掷开关3的信号从发射天线单元1发出；当单刀四掷开关3的不动端与动端3形成导通，进入单刀四掷开关3的信号从发射天线单元3发出；当单刀四掷开关3的不动端与动端5形成导通，进入单刀四掷开关3的信号从发射天线单元5发出；当单刀四掷开关3的不动端与动端7形成导通，进入单刀四掷开关3的信号从发射天线单元7发出；
第二路信号送至5bit相移器2，外部控制单元能够控制5bit相移器2将第二路信号的相位相移到相位1、相位2、相位3、相位4这四种情况后，将相移后的信号送至功率放大器SSPA2，功率放大器SSPA2对该第二路信号进行功率放大后送至单刀四掷开关4的不动端，外部控制单元能够控制单刀四掷开关4在4个动端2、动端4、动端6、动端8之间切换，动端2连接发射天线单元2，动端4连接发射天线单元4，动端6连接发射天线单元6，动端8连接发射天线单元8，当单刀四掷开关4的不动端与动端2形成导通，进入单刀四掷开关4的信号从发射天线单元2发出；当单刀四掷开关4的不动端与动端4形成导通，进入单刀四掷开关4的信号从发射天线单元4发出；当单刀四掷开关4的不动端与动端6形成导通，进入单刀四掷开关4的信号从发射天线单元6发出；当单刀四掷开关4的不动端与动端8形成导通，进入单刀四掷开关4的信号从发射天线单元8发出。
本发明与现有技术相比有益效果是：
(1)本发明小型化收发共用宽波束覆盖天线能够在包络尺寸为φ2.64λ×0.695λ的小尺寸下，实现收发共用、俯仰面±70°与方位面全向的宽覆盖范围内大于5dBi的增益性能，且收发波束设计相同，系统简单，可满足机载无线通信、测控和室内无线通信系统小型化、宽覆盖和高增益的应用需求。
(2)采用八棱台收发共用交叉阵列设计，在天线尺寸受限条件下，采用二元交叉阵列形成的类椭圆波束，实现宽波束覆盖所需的单波束性能及在俯仰±70°覆盖区内5dBi的高增益覆盖性能，同时收发共用交叉阵列设计使得收发天线结构具有旋转对称性，且八棱台顶部不需要额外收发单元，极大减小了收发波束设计的复杂度；
(3)采用了一种16个类椭圆波束的宽覆盖波束设计技术，将俯仰±70°的覆盖区进行分割优化设计，分为16个子覆盖区，分别对应优化设计的16个类椭圆波束，通过开关切换和对四个特定的收(发)单元的简单固定离散移相，实现要求的俯仰±70°覆盖区5dBi的高增益覆盖，且收发系统波束设计相同，简化了收发系统设计复杂度，可实现性强。
(4)采用了小型化综合设计技术，巧妙地综合微带天线单元小型化、交叉阵列布局小型化和八棱台内置收发组件小型化等。微带单元的小型化为收发共用交叉阵列布局小型化的应用奠定了基础，收发共用交叉阵列布局设计是天线小型化实现的核心与关键，二者相辅相成，不可或缺，最终天线整个尺寸为Φ2.64λ×0.695λ。
附图说明
图1为本发明天线结构示意图；
图2的(a)为八棱台上盖板示意图，(b)为八棱台和八棱柱结构示意图，(c)为底板示意图。
图3为收发微带天线单元结构示意图；
图4为传统棱台天线±70°范围5dBi增益覆盖示意图；
图5为棱台侧面横向二元阵5dBi增益覆盖示意图；
图6的(a)为本发明期望的第一种±70°范围5dBi增益覆盖示意图,(b)为期望的第二种±70°范围5dBi增益覆盖示意图；
图7为收发天线单元分布及编号，正方形为接收天线单元，三角形为发射天线单元；
图8(a)为接收组件原理框图，(b)为发射组件原理框图；
图9为天线宽覆盖16波束设计示意图；
图10(a)为接收天线8波束5dBi增益覆盖图，(b)为发射天线8波束5dBi增益覆盖图；
图11(a)为接收天线波束偏移覆盖设计示意图，(b)为发射天线波束偏移覆盖设计示意图；
图12(a)为接收天线16波束5dBi增益覆盖图；(b)为接收天线16波束4dBi增益覆盖图；
图13为发射天线16波束5dBi增益覆盖图；(b)为发射天线16波束4dBi增益覆盖图；
具体实施方式
本发明小型化收发共用宽波束覆盖天线，如图1所示，能够在包络尺寸为φ2.64λ×0.695λ的小尺寸下，实现收发共用、俯仰±70°宽覆盖范围内5dBi的增益性能，且收发波束设计相同，系统简单，可满足机载无线通信、测控和室内无线通信系统小型化、宽覆盖和高增益的应用需求。
本发明的一种小型化收发共用宽波束覆盖天线，包括天线辐射体1、八棱台和八棱柱结构2、内置收发组件3、底板4、射频连接器5、低频连接器6和八棱台上盖板7组成。其中，天线辐射体1包括八个接收天线单元和八个发射天线单元，且每个棱台的侧面有一组收发单元；八棱台和八棱柱结构2为上八棱台上和下八棱柱一体结构；内置收发组件3包括接收组件和发射组件；底板4用于固定内置收发组件3；射频连接器5包括发射和接收两个，见图1和图2(a)、(b)、(c)。
根据天线设计要求，用一个波束覆盖俯仰±70°、方位全向范围内且满足增益大于5dBi的要求是无法实现的。用相控阵扫描的方式可以实现，但系统复杂，成本过高。因此，考虑采用空间分组的设计方案，其系统简单，成本低，即选取合适的辐射单元、排列方式，和适宜的馈电方式，通过电子开关实现空间波束切换，实现在要求小尺寸下，在俯仰±70°覆盖范围内满足增益大于5dBi的要求。
考虑到覆盖区域内增益要求相同，而边缘增益实现起来相对困难，因此，将辐射单元排布在棱台结构的侧面，以借助棱台倾角使天线边缘增益满足要求，且按指标要求棱台底面的对角线不能超过2.64λ。
传统的棱台结构形式天线，对于收发共用而言，一般辐射单元采用收发共用辐射单元，可选形式有：厚度较厚的空气微带天线、螺旋天线等，其增益约为7～8dBi，3dB宽度在20°～30°左右，但其尺寸较大。由于该天线小型化的设计要求，收发共用辐射单元的应用受到限制。
考虑如果采用收发分开的辐射单元，该类单元形式多样，为了实现天线小型化，选用高介电常数的微带天线和通过小型化设计，可大大减小单元体积，使得单元数目选取更灵活。
设计中优选小型化收发分开的高介电常数微带天线，能够解决天线尺寸设计受限的问题，微带天线的介质基板采用Rogers TMM 10i，介电常数为9.8，单点馈电，采用四边刻槽方式实现圆极化性能，同时，通过刻槽可进一步实现天线单元的小型化，见图3所示。
要求在俯仰±70°的覆盖区内增益大于5dBi，对于单个微带天线，增益约为6～7dBi，5dBi的波束宽度约在±20°左右，要实现边沿的高增益，采用传统的每个棱台单个微带单元实现特定覆盖区5dBi的增益覆盖，显然是不可实现的。图4所示为采用传统的每个棱台单个单元实现俯仰面±70°，方位面全向范围内5dBi增益覆盖区的示意图。可以看出，这种情况下，必然要求在棱台的顶部平面上增加一个收发天线单元来覆盖天线轴向部分区域，且9个波束难以完全实现±70°范围5dBi的增益覆盖。
根据±70°覆盖区内增益大于5dBi的要求，提出了采用单波束为类椭圆波束的设计思路，类椭圆波束的长轴沿俯仰方向设计。可通过简单的二元阵列实现，阵列方向波束变窄，而非阵列方向波束变宽，且阵列天线与单个单元天线相比，增益增加了约3dB。根据仿真验算，这种类椭圆波束5dBi的波束宽度在两个正交方向分别为50°和100°左右，波束宽度100°的方向能有效的解决天线俯仰面±70°的波束覆盖问题。
根据类椭圆波束覆盖的设计思路，二元天线阵采用沿单个棱台侧面上下排阵方式，使类椭圆波束的长轴在方位面方向上，能够覆盖±70°的覆盖区，如图5所示，这与类椭圆波束的设计初衷相悖。
本发明提出的理想类椭圆波束覆盖示意图如图6(a)和6(b)所示，通过相邻棱台侧面上的单元组成二元阵列天线实现所需的单个类椭圆波束性能，具体实现为图6中的(a)或(b)则取决于具体的天线设计。通过合理的二元微带天线阵优化设计，可实现微带天线阵两个正交方向波束宽度分别为50°和100°左右，所以采用八棱台形成的8波束可基本覆盖所要求的俯仰±70°的大部分覆盖范围，其他未覆盖部分，由于采用阵列天线设计，可以灵活地通过二元阵部分天线单元离散固定移相实现波束偏移，进行整个俯仰面±70°、方位面全向范围内区域的全覆盖。
采用收发分开的微带单元实现该天线收发共用，需要八棱台的每个侧面都有一组收发单元。一般的设计思路是将尺寸较大的接收天线单元放置在每个棱台梯形侧面空间较大的梯形长边一端，而发射单元放置在每个棱台梯形侧面空间较小的梯形短边一端。这种设计看似合理，但前提是八棱台尺寸足够大，使得二元微带阵列之间的阵元间距足够，可满足设计要求天线阵列增益及波束宽度要求。由于本发明天线尺寸限制，靠近八棱台梯形侧面长边一端的二元阵阵列增益和波束宽度可满足设计要求，但靠近棱台梯形侧面短边一端的二元阵列，由于阵元间距太小，导致阵列增益不够，且5dBi的波束宽度不满足设计要求。
本发明中，在不增加棱台尺寸的情况下，巧妙地提出了一种收发单元交叉阵列设计技术，将接收、发射天线单元分别交叉布置在八棱台每个梯形侧面上。在相邻棱台梯形侧面上，上下交叉位置处为相同的发射或接收单元，即相邻梯形侧面上相同天线单元(发射天线单元或接收天线单元)分别在梯形侧面的靠近梯形短边一端和长边的一端。例如：八棱台结构的相邻侧面记为侧面1和侧面2，侧面1和侧面2均为梯形，侧面1上的发射天线单元布置在侧面1靠近梯形短边的一端，侧面1上的接收单元布置在侧面1靠近梯形长边的一端；侧面2上的发射天线单元布置在侧面2靠近梯形长边的一端，侧面2上的接收单元布置在侧面2靠近梯形短边的一端，如图7所示。如此，无论发射单元之间或接收单元之间的间距均相等，且该间距可满足所要求的阵列增益和波束宽度，同时也实现了天线整体小型化。
另外，本发明采用的这种收发单元交叉阵列设计技术，收发天线结构一致，且具有旋转对称性，发射天线或接收天线绕Z轴旋转45°，可得到一致结构的接收天线或发射天线。因此，收发天线具有相似的辐射覆盖特性，发射或接收天线辐射的波束只要绕Z轴旋转45°，可得到相似于接收或发射天线的辐射波束特性。这对于后面的系统设计具有很大的优势，大大减小了收发系统设计和波束设计的复杂度，即通过坐标变换，可实现收发天线的波束设计相同。
采用收发共用交叉阵列设计，不需要在棱台顶部平面上的放置天线单元，交叉二元阵列形成的类椭圆波束可覆盖天线轴向区域。同时，没有顶部天线单元，所有侧面单元均呈现完全的旋转对称性，所有后端的收发组件设计可采用相同的设计方式，系统实现方式简单。
提出的采用类椭圆波束覆盖设计思路很好地解决了普通棱台结构天线宽波束覆盖范围增益受限问题。类椭圆波束两个正交方向5dBi波束宽度分别为50°和100°左右。类椭圆波束椭圆长轴(波束宽度100°方向)覆盖俯仰方向±70°范围。由于方位面单波束宽度为50°左右，所以采用八棱台形成的8波束可基本覆盖所要求的俯仰±70°的大部分覆盖范围，如图6(a)、(b)所示。
为了实现±70°范围内5dBi的覆盖，需要通过电子开关选择不同的单元工作，从而实现波束切换，实现所要的高增益覆盖性能。
通过对微带天线单元和两两相邻的交叉二元阵列天线的优化设计，包括在棱台包络限制条件下对棱台倾角的设计(关系到波束覆盖性能)、单元在棱台侧面的布局位置及二元阵单元间距的设计、二元阵馈电相位的优化设计等，最终收发各8单元相邻两两单元的二元交叉阵列设计，可实现如图6(b)的收发各8个类椭圆波束覆盖特性。
8波束覆盖图显示，8个类椭圆波束基本覆盖了±70°大部分区域，而边缘部分区域不能完全覆盖。为了解决这些边缘区域的覆盖，本发明采用了改变阵列馈电相位可实现波束偏移的设计思路，即通过部分单元(与移相器连接的收发各4个单元)的简单离散移相使对应的8个波束分别向所需的方向偏移，进而对8个类椭圆波束未覆盖的区域进行补充覆盖，共形成16个类椭圆子波束。
根据以上内容，设计的天线收、发系统最终原理框图如图8(a)、8(b)所示。发射信号通过一个1分为2功分网络后，其中一路信号经过移相器再通过SSPA放大，另一路直接通过SSPA放大后，这两路信号通过波束选择开关(单刀四掷开关)输入到需要的辐射单元辐射出去。接收信号通过LNA放大后，通过调整移相器的输出相位，将需要接收信号的天线接收单元收到的电磁波信号通过功率合成器合成后送入接收机。
具体对于内置收发组件中的接收组件，包括：单刀四掷开关1、单刀四掷开关2、低噪声放大器LNA1、低噪声放大器LNA2、5bit相移器1、2合1功率合成网络；外部控制单元能够控制单刀四掷开关1在4个动端1、动端3、动端5、动端7之间切换，动端1连接接收天线单元1，动端3连接接收天线单元3，动端5连接接收天线单元5，动端7连接接收天线单元7，当单刀四掷开关1的不动端与动端1形成导通，空间信号从接收天线单元1接收的信号进入单刀四掷开关1；当单刀四掷开关1的不动端与动端3形成导通，空间信号从接收天线单元3接收的信号进入单刀四掷开关1；当单刀四掷开关1的不动端与动端5形成导通，空间信号从接收天线单元5接收的信号进入单刀四掷开关1；当单刀四掷开关1的不动端与动端7形成导通，空间信号从接收天线单元7接收的信号进入单刀四掷开关1；单刀四掷开关1的不动端连接LNA1的输入，单刀四掷开关1的不动端的信号送至LNA1，LNA1对该信号进行低噪声放大后送至2合1功率合成网络。
外部控制单元能够控制单刀四掷开关2在4个动端2、动端4、动端6、动端8之间切换，动端2连接接收天线单元2，动端4连接接收天线单元4，动端6连接接收天线单元6，动端8连接接收天线单元8，当单刀四掷开关2的不动端与动端2形成导通，空间信号从接收天线单元2接收的信号进入单刀四掷开关2；当单刀四掷开关2的不动端与动端4形成导通，空间信号从接收天线单元4接收的信号进入单刀四掷开关2；当单刀四掷开关2的不动端与动端6形成导通，空间信号从接收天线单元6接收的信号进入单刀四掷开关2；当单刀四掷开关2的不动端与动端8形成导通，空间信号从接收天线单元2接收的信号进入单刀四掷开关2。
单刀四掷开关2的不动端连接LNA2的输入，单刀四掷开关2的不动端的信号送至LNA2，LNA2对该信号进行低噪声放大后送至相移器1进行相移，外部控制单元能够控制5bit相移器1将LNA2送来信号的相位相移到相位1、相位2、相位3、相位4这四种情况后，将相移后的信号送至2合1功率合成网络；2合1功率合成网络，将LNA1和5bit相移器1送来的信号进行功率合成送至外部接收机。
对于内置收发组件中的发射组件，包括：单刀四掷开关3、单刀四掷开关4、功率放大器SSPA1、功率放大器SSPA2、5bit相移器2、1分2功分网络；外部发射机送来的信号送至1分2功分网络，1分2功分网络将接收的信号功分为两路信号，第一路信号送至功率放大器SSPA1，功率放大器SSPA1对该第一路信号进行功率放大后送至单刀四掷开关3的不动端，外部控制单元能够控制单刀四掷开关3在4个动端1、动端3、动端5、动端7之间切换，动端1连接发射天线单元1，动端3连接发射天线单元3，动端5连接发射天线单元5，动端7连接发射天线单元7，当单刀四掷开关3的不动端与动端1形成导通，进入单刀四掷开关3的信号从发射天线单元1发出；当单刀四掷开关3的不动端与动端3形成导通，进入单刀四掷开关3的信号从发射天线单元3发出；当单刀四掷开关3的不动端与动端5形成导通，进入单刀四掷开关3的信号从发射天线单元5发出；当单刀四掷开关3的不动端与动端7形成导通，进入单刀四掷开关3的信号从发射天线单元7发出；
第二路信号送至5bit相移器2，外部控制单元能够控制5bit相移器2将第二路信号的相位相移到相位1、相位2、相位3、相位4这四种情况后，将相移后的信号送至功率放大器SSPA2，功率放大器SSPA2对该第二路信号进行功率放大后送至单刀四掷开关4的不动端，外部控制单元能够控制单刀四掷开关4在4个动端2、动端4、动端6、动端8之间切换，动端2连接发射天线单元2，动端4连接发射天线单元4，动端6连接发射天线单元6，动端8连接发射天线单元8，当单刀四掷开关4的不动端与动端2形成导通，进入单刀四掷开关4的信号从发射天线单元2发出；当单刀四掷开关4的不动端与动端4形成导通，进入单刀四掷开关4的信号从发射天线单元4发出；当单刀四掷开关4的不动端与动端6形成导通，进入单刀四掷开关4的信号从发射天线单元6发出；当单刀四掷开关4的不动端与动端8形成导通，进入单刀四掷开关4的信号从发射天线单元8发出。
不管是发射还是接收，同时都有两个单元工作，波束切换时，只改变其中一个单刀四掷开关的通断状态，如表1所示，共用8个工作状态，每一个状态均有两个发射或接收单元同时工作。
表1单刀四掷开关通断状态表
结合对微带天线单元和交叉二元阵列天线的优化设计，在俯仰±70°的覆盖区内进行波束覆盖策略设计，综合交叉阵列设计结果和收发系统设计，将俯仰±70°的波束覆盖范围分割为16个子覆盖区，每个子覆盖区分别对应优化设计的16个类椭圆波束。这16个子覆盖区的定义用(u、v)坐标表示，分别由6条直线和2个椭圆分割构成，六条直线方程为u＝±v，u＝±0.29和v＝±0.29，两个椭圆方程为u2+4v2＝0.883和4u2+v2＝0.883，±70°覆盖区边界圆的方程为u2+v2＝0.883，见图9和表2。由于采用收发共用交叉阵列设计，收发天线为旋转对称结构，收发天线结构轴向旋转相差45°。所以通过简单的坐标变换，收发天线具有相同的16波束设计图。根据图7的天线布局，对于接收天线：则对于发射天线：收发天线16波束设计图相同，即图9所示。
每个波束通过单刀四掷开关和移相器唯一定义。每个波束对应的单刀四掷开关切换状态见表3和表4。波束1～波束16在切换过程中，需要改变移相器的输出相位，且仅需对与单刀四掷开关连接的偶数编号单元进行简单离散移相，移相相位由设计的二元交叉阵列的类椭圆波束覆盖情况具体确定。例如：对于接收天线，如表3所示，波束1工作时，单刀四掷开关1和2通过外部控制单元分别选择接收天线单元1和2，以接收天线单元1的相位为参考零相位，通过移相器1进行移相，实现接收天线单元2的相位值为相位1。其他情况以此类推。
根据波束设计估算，移相器精度要求为22.5°，即需要5bit移相器。
表2波束设计表
表3波束与开关切换状态及移相器状态对应表(接收天线)
表4波束与开关切换状态及移相器状态对应表(发射天线)
根据以上16波束设计，包括16波束的定义及波束切换设计，通过天线整体性能优化，可实现设计的16个类子椭圆波束分别覆盖图9所示的±70°覆盖区内所优化设计的16个子覆盖区，类椭圆子波束1覆盖子覆盖区1，类椭圆子波束2覆盖子覆盖区2，以此类推，即可实现小型化宽波束覆盖(俯仰面±70°)高增益(大于5dBi)天线。
本发明的设计核心在于小尺寸下的宽波束覆盖高增益设计，其关键设计特征为：小型化、宽波束覆盖和高增益，这也是该设计的难点。小型化综合设计为该发明的实现奠定了基础，包括微带天线单元的小型化、交叉布局设计的小型化、八棱台可内置收发组件的小型化。
收发微带天线单元的小型化设计，采用高介电常数的介质基板和在辐射体上刻槽实现了微带天线单元的小型化，同时，刻槽的另一个主要作用是实现天线的圆极化性能。单元的小型化设计使得微带单元布阵时不会造成单元之间结构上的干涉，且同时能够满足8棱台的侧面尺寸要求，使得收发共用交叉阵列技术的提出和使用成为可能。
收发共用交叉阵列技术是本天线设计的核心技术之一，是天线小型化实现的核心与关键，它使得小空间内的大距离实现成为可能。使得在满足天线性能的前提下，大大地缩小了整个天线的包络尺寸；同时收发共用交叉阵列设计使收发天线具有旋转对称的相似结构，且棱台顶部不需要额外收发单元，大大简化了系统设计的复杂度。
另外，八棱台和八棱柱结构的应用，不仅实现了16个类椭圆波束高增益宽覆盖的性能，且能有效集成天线后端的收发组件，使整个天线成为一个模块化系统，实现了天线系统整体的小型化。
实施例：
如图1和图2(a)、(b)、(c)所示，小型化收发共用宽波束覆盖天线由天线辐射体1、八棱台和八棱柱结构2、内置收发组件3、底板4、射频连接器5、低频连接器6和八棱台上盖板7组成。为了实现小型化，收发微带天线单元采用高介电常数介质基板，采用Rogers TMM10i板材，介电常数为9.8，厚度为0.035λ，单点馈电；采用四边刻槽方式实现圆极化性能的同时，刻槽进一步实现天线单元的小型化。通过商用软件HFSS v15对天线单元进行优化仿真，完成收发天线单元的设计(单元增益约为6～7dBi，5dBi的波束宽度约为±20°左右，轴向轴比小于1.5dB，驻波比小于1.3)。接收天线单元和发射天线单元分别为左旋和右旋圆极化，单元尺寸约为0.3λ，λ为接收天线工作频率对应的自由空间波长。
采用收发单元交叉阵列设计，将接收、发射天线单元分别交叉布置在八棱台和八棱柱结构2的每个梯形侧面上。在相邻棱台梯形侧面上，上下交叉位置处为相同的发射或接收单元(如图7)，且每个梯形侧面上收发单元中心之间间距相同。由于整个天线具有旋转对称性，为了提高设计效率，可建模部分天线结构(比如八棱台两个梯形侧面结构、两个发射天线或两个接收天线)进行棱台优化设计，在要求的包络尺寸下，调整棱台倾角、天线单元在棱台梯形侧面的位置及间距和阵列单元的馈电相位，使得二元交叉阵列所形成的类椭圆波束两个正交方向波束宽度分别为50°和100°左右，且满足图6(b)所示的类椭圆波束覆盖情况。通过HFSS v15优化，每个梯形侧面上收发单元中心之间间距为0.375λ，靠近梯形上底的天线单元距离梯形上底均为0.264λ，八棱台和八棱柱结构2的顶面八边形的外切圆直径为φ0.90λ，底面八边形的外切圆直径为φ2.64λ；八棱台高度为0.382λ，根据设计总高度的要求，八棱柱高度为0.313λ。接收天线单元的相位1和相位2分别为0°和-45°，见表3所示，发射天线单元的相位1和相位2分别为-45°和45°，见表4所示。接收和发射发天线的8波束覆盖性能如图10(a)和(b)所示，覆盖了优化设计的16个子覆盖区(表2和图9)中的1～8波束，且接收天线和发射天线16波束子覆盖区设计相同。
然后，通过HFSS v15优化与移相器连接的偶数单元(见图8(a)、(b)为所示为收发系统原理框图和表1)的馈电相位，使对应的8个波束分别向所需的方向偏移(如图11(a)和(b)所示)，实现对原8个类椭圆波束未覆盖的区域进行补充覆盖，最终形成16个类椭圆波束对应优化设计的16个子覆盖区，进而实现俯仰±70°区域的全覆盖。偏移的8个类椭圆波束的相位即表3和表4中的相位3和相位4，优化得到表3中接收天线单元的相位3和相位4分别为-90°和-135°，表4中发射天线单元的相位3和相位4分别为-135°和-90°。接收天线和发射天线通过移相器改变阵列馈电相位后实现波束偏移示意图见图11(a)和(b)所示。接收和发射天线16个类椭圆子波束的5dBi增益覆盖图和4dBi增益图(考虑到系统损耗0.6dB，覆盖图给出了5.6dB和4.6dB的设计结果)如图12(a)和(b)、图13(a)和(b)所示。可以看出，95％以上覆盖区大于5dBi和98％以上覆盖区大于4dBi(考虑到系统损耗0.6dB，覆盖图给出了5.6dB和4.6dB的设计结果)。
图1中射频连接器6优选采用国营853厂产品，型号为SMA-KFK-6；每个收发微带单元后连接的射频连接器型号为SMA-KFD424；低频接头型号为J559；天线辐射体1、内置收发组件3和射频连接器6之间的射频连接通过射频电缆连接。
本发明的小型化收发共用宽波束覆盖天线能够在小尺寸下，实现收发共用、俯仰面±70°、方位面全向的宽覆盖范围内5dBi的增益性能，且收发波束设计相同，系统简单，可满足机载无线通信、测控和室内无线通信系统小型化、宽覆盖和高增益的应用需求。
本发明小型化收发共用宽波束覆盖天线可以应用到多种宽覆盖通信系统中，特别是推动和开拓了相关应用，对于应用相近、指标类似的其它天线的设计，具有借鉴意义。
本发明说明书中其他未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种小型化收发共用宽波束覆盖天线，包括：天线辐射体(1)、八棱台和八棱柱结构(2)、内置收发组件(3)、底板(4)、射频连接器(5)、低频连接器(6)和八棱台上盖板(7)；
八棱台和八棱柱结构(2)，包括：八棱台结构和八棱柱结构，八棱台结构位于八棱柱结构上，八棱台结构的每个梯形侧面均开有槽体；
天线辐射体(1)包括8组收发天线单元，每组收发天线单元包括1个接收天线单元和1个发射天线单元；8组收发天线单元放置在八棱台结构侧面的槽体中，并通过螺钉固定连接在八棱台结构的侧面，每组收发天线单元分布在八棱台的一个梯形侧面上，且八棱台结构的相邻侧面上的收发天线单元中的接收天线单元和发射天线单元上下交叉分布；
八棱台上盖板(7)扣在八棱台和八棱柱结构(2)的八棱台结构上，八棱台上盖板(7)通过螺钉连接于八棱台和八棱柱结构(2)的八棱台结构上；
内置收发组件(3)包括接收组件和发射组件，并通过螺钉连接固定于底板(4)上；底板(4)和固定于其上的收发组件(3)整体与八棱台和八棱柱结构(2)通过螺钉连接在一起；
射频连接器(5)和低频连接器(6)与八棱台和八棱柱结构(2)的八棱柱结构通过螺钉连接；
内置收发组件(3)中的发射组件，接收外部发射机发射的信号，对该信号依次进行功分、相移、功率放大后，送至8组收发天线单元的发射天线单元，发射天线单元将信号辐射到空间；
8组收发天线单元的接收天线单元分别从空间接收信号，将从空间接收的信号送至内置收发组件(3)中的接收组件，对该信号依次进行低噪声放大、相移、功率合成后，送至外部接收机。
2.根据权利要求1所述的一种小型化收发共用宽波束覆盖天线，其特征在于：所述八棱台结构和八棱柱结构为一次成型，八棱柱结构的每个侧面为矩形，将每个侧面等分为三部分，每个部分中间位置设置一个通孔；八棱台结构包括八个侧面，每个侧面为梯形。
3.根据权利要求1所述的一种小型化收发共用宽波束覆盖天线，其特征在于：八棱台结构的相邻梯形侧面上的接收天线单元和发射天线单元上下交叉分布，具体如下：八棱台结构的相邻侧面记为侧面1和侧面2，侧面1和侧面2均为梯形，侧面1上的发射天线单元布置在侧面1靠近梯形短边的一端，侧面1上的接收单元布置在侧面1靠近梯形长边的一端；侧面2上的发射天线单元布置在侧面2靠近梯形长边的一端，侧面2上的接收单元布置在侧面2靠近梯形短边的一端。
4.根据权利要求1所述的一种小型化收发共用宽波束覆盖天线，其特征在于：所述的八棱台结构侧面上的接收天线单元和发射天线单元，若发射天线单元为左旋圆极化，则接收天线单元为右旋圆极化，若发射天线单元为右旋圆极化，则接收天线单元为左旋圆极化，发射天线单元和接收天线单元均为正方形，边长在0.25λ～0.30λ之间；八棱台结构每个梯形侧面上发射天线单元和接收天线单元的中心之间间距相同，在0.35λ～0.40λ之间；靠近梯形上底的接收天线单元或发射天线单元中心距离梯形上底在0.25λ～0.28λ之间，λ为接收天线工作频率对应的自由空间波长。
5.根据权利要求1所述的一种小型化收发共用宽波束覆盖天线，其特征在于：所述的八棱台结构上相邻侧面的发射天线单元或相邻侧面的接收天线单元组成二元天线阵列，在电性能上形成类椭圆子波束，类椭圆子波束的长轴方向与八棱台结构的梯形侧面的梯形高所在的直线一致，八棱台结构的八个侧面每相邻两个侧面上的发射天线单元或接收天线单元组成的二元天线阵列形成一个类椭圆子波束，共形成8个类椭圆波束，通过内置收发组件(3)对四个接收天线单元或发射天线单元的固定离散移相，八棱台结构的八个侧面每相邻两个侧面上的发射天线单元或接收天线单元组成的二元天线阵列形成新的一个类椭圆子波束，共形成另外新的8个类椭圆子波束，共16个类椭圆子波束。
6.根据权利要求5所述的一种小型化收发共用宽波束覆盖天线，其特征在于：所述的16个类椭圆子波束覆盖俯仰±70°覆盖区。
7.根据权利要求1所述的一种小型化收发共用宽波束覆盖天线，其特征在于：所述八棱台和八棱柱结构(2)由八棱台结构和八棱柱结构组成，八棱柱结构便于将内置收发组件(3)置于八棱台和八棱柱结构(2)内，八棱台和八棱柱(2)的八棱柱结构的外切圆的直径范围为φ2.6λ～2.7λ，八棱台和八棱柱结构(2)的高度在0.68λ～0.7λ；八棱台和八棱柱结构(2)的八棱台结构的顶面八边形的外切圆直径在φ0.8λ～φ1.0λ之间；八棱台结构的高度在0.36λ～0.40λ之间。
8.根据权利要求1所述的一种小型化收发共用宽波束覆盖天线，其特征在于：八棱台上盖板的形状为八棱台的侧面，没有上表面和下表面，八棱台上盖板的每个侧面开有两个正方形槽孔，所有侧面共开有16个正方形槽孔，当八棱台上盖板盖在八棱台和八棱柱结构(2)上，每组收发天线单元能够从每个侧面开有两个正方形槽孔中全部露出。
9.根据权利要求1所述的一种小型化收发共用宽波束覆盖天线，其特征在于：内置收发组件(3)的接收组件，包括：单刀四掷开关1、单刀四掷开关2、低噪声放大器LNA1、低噪声放大器LNA2、5bit相移器1、2合1功率合成网络；外部控制单元能够控制单刀四掷开关1在4个动端1、动端3、动端5、动端7之间切换，动端1连接接收天线单元1，动端3连接接收天线单元3，动端5连接接收天线单元5，动端7连接接收天线单元7，当单刀四掷开关1的不动端与动端1形成导通，空间信号从接收天线单元1接收的信号进入单刀四掷开关1；当单刀四掷开关1的不动端与动端3形成导通，空间信号从接收天线单元3接收的信号进入单刀四掷开关1；当单刀四掷开关1的不动端与动端5形成导通，空间信号从接收天线单元5接收的信号进入单刀四掷开关1；当单刀四掷开关1的不动端与动端7形成导通，空间信号从接收天线单元7接收的信号进入单刀四掷开关1；单刀四掷开关1的不动端连接LNA1的输入，单刀四掷开关1的不动端的信号送至LNA1，LNA1对该信号进行低噪声放大后送至2合1功率合成网络；
外部控制单元能够控制单刀四掷开关2在4个动端2、动端4、动端6、动端8之间切换，动端2连接接收天线单元2，动端4连接接收天线单元4，动端6连接接收天线单元6，动端8连接接收天线单元8，当单刀四掷开关2的不动端与动端2形成导通，空间信号从接收天线单元2接收的信号进入单刀四掷开关2；当单刀四掷开关2的不动端与动端4形成导通，空间信号从接收天线单元4接收的信号进入单刀四掷开关2；当单刀四掷开关2的不动端与动端6形成导通，空间信号从接收天线单元6接收的信号进入单刀四掷开关2；当单刀四掷开关2的不动端与动端8形成导通，空间信号从接收天线单元2接收的信号进入单刀四掷开关2；
单刀四掷开关2的不动端连接LNA2的输入，单刀四掷开关2的不动端的信号送至LNA2，LNA2对该信号进行低噪声放大后送至相移器1进行相移，外部控制单元能够控制5bit相移器1将LNA2送来信号的相位相移到相位1、相位2、相位3、相位4这四种情况后，将相移后的信号送至2合1功率合成网络；
2合1功率合成网络，将LNA1和5bit相移器1送来的信号进行功率合成送至外部接收机。
10.根据权利要求1所述的一种小型化收发共用宽波束覆盖天线，其特征在于：内置收发组件(3)的发射组件，包括：单刀四掷开关3、单刀四掷开关4、功率放大器SSPA1、功率放大器SSPA2、5bit相移器2、1分2功分网络；外部发射机送来的信号送至1分2功分网络，1分2功分网络将接收的信号功分为两路信号，第一路信号送至功率放大器SSPA1，功率放大器SSPA1对该第一路信号进行功率放大后送至单刀四掷开关3的不动端，外部控制单元能够控制单刀四掷开关3在4个动端1、动端3、动端5、动端7之间切换，动端1连接发射天线单元1，动端3连接发射天线单元3，动端5连接发射天线单元5，动端7连接发射天线单元7，当单刀四掷开关3的不动端与动端1形成导通，进入单刀四掷开关3的信号从发射天线单元1发出；当单刀四掷开关3的不动端与动端3形成导通，进入单刀四掷开关3的信号从发射天线单元3发出；当单刀四掷开关3的不动端与动端5形成导通，进入单刀四掷开关3的信号从发射天线单元5发出；当单刀四掷开关3的不动端与动端7形成导通，进入单刀四掷开关3的信号从发射天线单元7发出；
第二路信号送至5bit相移器2，外部控制单元能够控制5bit相移器2将第二路信号的相位相移到相位1、相位2、相位3、相位4这四种情况后，将相移后的信号送至功率放大器SSPA2，功率放大器SSPA2对该第二路信号进行功率放大后送至单刀四掷开关4的不动端，外部控制单元能够控制单刀四掷开关4在4个动端2、动端4、动端6、动端8之间切换，动端2连接发射天线单元2，动端4连接发射天线单元4，动端6连接发射天线单元6，动端8连接发射天线单元8，当单刀四掷开关4的不动端与动端2形成导通，进入单刀四掷开关4的信号从发射天线单元2发出；当单刀四掷开关4的不动端与动端4形成导通，进入单刀四掷开关4的信号从发射天线单元4发出；当单刀四掷开关4的不动端与动端6形成导通，进入单刀四掷开关4的信号从发射天线单元6发出；当单刀四掷开关4的不动端与动端8形成导通，进入单刀四掷开关4的信号从发射天线单元8发出。
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