CN107689490A - 双频共口径阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双频共口径阵列天线，包括：Ku频段基片集成波导加载Dipole天线，基片集成波导壁和铜板构成的Ka频段金属波导天线，Ka频段基片集成波导馈电结构，Ku频段基片集成波导馈电结构，所述Ka频段基片集成波导馈电结构和Ku频段基片集成波导馈电结构的馈电网络一体化在同一块介质基板上；本发明提供的双频共口径阵列的发明中，Ku频段基片集成波导加载Dipole天线的基片集成波导传输部分既构成了Ku频段的天线，其和起固定作用的铜板又充当了Ka频段矩形金属波导的壁，实现了口径复用，大大降低了天线间的互耦，同时减小了天线的口径尺寸，实现了双频的共口径阵列天线。

Description

双频共口径阵列天线
技术领域
本发明属于共口径天线技术领域，更具体的，涉及Ku和Ka雷达工作波段的双频共口径阵列天线。
背景技术
共口径天线是一种在同一物理尺寸的口径面下，允许不同频段、不同极化的多副天线同时工作的天线形式。该天线通过在空间上对天线单元和馈电网络进行合理的拓扑布局，充分利用载体空间，减小不同类型天线之间的电磁耦合造成的影响，从而使得具有不同实现功能的多副天线能够独立地工作，多用于雷达探测、测量等领域。
由于微带天线具有加工方便、剖面低、易于组阵、馈电设计简单等特点，近几年来在共口径阵列天线技术的发展上，大多都是聚焦在微带阵列上面。此外，为了减少不同天线之间的耦合，提高天线间的隔离度和减小天线的交叉极化，该类共口径天线多采用层叠结构、嵌套和频率选择表面(FSS)等技术。
但当天线组阵以后，口径面较大、阵元数目较多时，传统的共口径天线中不同副天线间的互耦现象较为明显。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于解决问题，提供一种共口径天线。
本发明的目的是为了克服上述传统的共口径微带阵列天线设计中，因微带线的损耗和矩形辐射贴片的增益有限，从而导致固定口径面内天线辐射效率下降，天线阵列增益不高的难题。
本发明提出了一种口径复用的双频共口径阵列天线，馈电部分采用具有封闭结构的基片集成波导对两个不同频段的天线进行馈电，降低了馈电网络部分的损耗，提高了天线的辐射效率；天线辐射单元则采用基片集成波导加载Dipole天线，并且将该天线的基片集成波导传输部分组合构成新的金属波导的壁，并且在波导口进行辐射，综合形成了基于基片集成波导技术的双频共口径阵列天线。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种双频共口径阵列天线，包括：Ku频段基片集成波导加载Dipole天线，基片集成波导壁和铜板构成的Ka频段金属波导天线，Ka频段基片集成波导馈电结构，Ku频段基片集成波导馈电结构，所述Ka频段基片集成波导馈电结构和Ku频段基片集成波导馈电结构的馈电网络一体化在同一块介质基板上；
本发明的技术方案是双频共口径阵列天线，将共口径天线的馈电网络和天线单元形式进行更改，通过采用基片集成波导上表面开缝隙耦合馈电的方式对金属波导进行直接馈电减少了馈电端的损耗，同时也可以达到良好的驻波比，基片集成波导串联侧边馈电方式结构简单易于设计和调节，缝隙间隔一个波长使得馈电端均满足同相。同理，对于基片集成波导加载Dipole天线的馈电，还采用了垂直互联的过度结构，实现了天线和馈电网络在不同维度的连接，总体提高了天线辐射效率和口径利用率。
天线结构设计上，在Ku频段基片集成波导加载Dipole天线中，其两侧设有第一金属化通孔和第二金属化通孔，构成的基片集成波导的宽度不随位置的变化而变化，介质板的上下层分别为基片集成波导的上层金属覆铜面和下层金属覆铜面，基片集成波导加载dipole天线还包含两个反相的微带枝节；在Ka频段金属波导天线中，其Ku频段天线的基片集成波导构成该天线的第一壁，由铜板形成的第二壁、第三壁、第四壁和第一壁共同形成封闭的矩形波导，联合构成该金属波导天线，实现口径复用；
馈电网络设计上，在Ka频段基片集成波导馈电结构中，在每个基片集成波导上表面开耦合馈电缝隙，一个耦合缝隙对应一个Ka频段金属波导天线，因此耦合缝隙的数量根据设计的Ka频段金属波导天线阵列中单元数量决定，相邻缝隙的间距均为一个波长左右；从而达到对金属波导的等幅同相馈电的目的。
一分二的基片集成波导功分网络用于实现Ka频段馈电结构的一体化，在Ku频段基片集成波导馈电结构中，采用功分网络将馈电部分一体化得到馈电一体化结构，再利用基片集成波导垂直互联过度结构将天线和馈电两个部分连接，并且设置第一耦合孔和第二耦合孔，通过开同样大小的耦合缝隙并压合，实现了天线部分和馈电网络在不同维度的连接，从而实现馈电和辐射。
作为优选方式，馈电网络设计上，在Ka频段基片集成波导馈电结构中，在每个基片集成波导上表面开耦合馈电缝隙，每一行上有4个分布在中心线同侧的缝隙，这4个缝隙长宽均相同且偏移中心线的距离相同，共有16个相同的缝隙排列成四行四列，缝隙列与列之间的距离均为一个波长左右。
作为优选方式，Ka频段基片集成波导馈电结构和Ku频段基片集成波导馈电结构在同块馈电板上，所述馈电结构、馈电结构和Ku频段基片集成波导加载Dipole天线所在的基板搭建后通过螺钉固定在一起。
本发明的有益效果为：针对多频共口径微带阵列天线的不足之处，本发明提出了一种完全不同于传统的微带线馈电和矩形贴片辐射的全新馈电结构与天线辐射单元结构，一种新的双频共口径阵列天线。在本发明的天线单元设计中，用基片集成波导加载Dipole天线组成阵列实现Ku频段的正常工作，而该天线的基片集成波导传输部分充当了矩形金属波导的壁，组合起来又构成了金属波导阵列天线，其波导口直接辐射，实现了Ka频段的正常工作。此外，本发明采用基片集成波导上表面开缝耦合的方式对Ka波段的金属波导进行直接馈电，使得能量集中，降低了馈电部分的损耗；又在Ku波段馈电单元中引入了侧向垂直互联结构，实现了基于基片集成波导的馈电网络在不同维度的转换。本发明提供的双频共口径阵列的发明中，Ku频段基片集成波导加载Dipole天线的基片集成波导传输部分既构成了Ku频段的天线，其和起固定作用的铜板又充当了Ka频段矩形金属波导的壁，实现了口径复用，大大降低了天线间的互耦，同时减小了天线的口径尺寸，实现了双频的共口径阵列天线。
附图说明
图1为本发明基于基片集成波导的双频共口径阵列天线整体示意图。
图2为Ku波段天线单元示意图。
图3为Ka波段天线单元示意图。
图4为Ka频段功分馈电网络整体示意图。
图5为Ku频段功分馈电网络整体示意图。
图6为Ku频段垂直互联过度示意图。
其中，1为Ku频段基片集成波导加载Dipole天线，2为Ka频段金属波导天线，3为Ka频段基片集成波导馈电结构，4为Ku频段基片集成波导馈电结构，11为第一金属化通孔，12为第二金属化通孔，13为上层金属覆铜面，14为下层金属覆铜面，15为第一微带枝节，16为第二微带枝节，21为第一壁，22为第二壁，23为第三壁，24为第四壁，31为第一缝隙，32为第二缝隙，33为第三缝隙，34为第四缝隙，35为基片集成波导功分网络，41为馈电一体化结构，42为基片集成波导垂直互联过度结构，43为第一耦合缝隙，44为第二耦合缝隙，45为第一耦合孔，46为第二耦合孔。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
一种双频共口径阵列天线，包括：Ku频段基片集成波导加载Dipole天线1，基片集成波导壁和铜板构成的Ka频段金属波导天线2，Ka频段基片集成波导馈电结构3，Ku频段基片集成波导馈电结构4，所述Ka频段基片集成波导馈电结构3和Ku频段基片集成波导馈电结构4的馈电网络一体化在同一块介质基板上；
本发明的技术方案是双频共口径阵列天线，将共口径天线的馈电网络和天线单元形式进行更改，通过采用基片集成波导上表面开缝隙耦合馈电的方式对金属波导进行直接馈电减少了馈电端的损耗，同时也可以达到良好的驻波比，基片集成波导串联侧边馈电方式结构简单易于设计和调节，缝隙间隔一个波长使得馈电端均满足同相。同理，对于基片集成波导加载Dipole天线的馈电，还采用了垂直互联的过度结构，实现了天线和馈电网络在不同维度的连接，总体提高了天线辐射效率和口径利用率。
天线结构设计上，在Ku频段基片集成波导加载Dipole天线1中，其两侧设有第一金属化通孔11和第二金属化通孔12，构成的基片集成波导的宽度不随位置的变化而变化，介质板的上下层分别为基片集成波导的上层金属覆铜面13和下层金属覆铜面14，基片集成波导加载dipole天线1还包含两个反相的微带枝节15、16；在Ka频段金属波导天线2中，其Ku频段天线的基片集成波导构成该天线的第一壁21，由铜板形成的第二壁22、第三壁23、第四壁24和第一壁21共同形成封闭的矩形波导，联合构成该金属波导天线，实现口径复用；
馈电网络设计上，在Ka频段基片集成波导馈电结构3中，在每个基片集成波导上表面开耦合馈电缝隙，一个耦合缝隙对应一个Ka频段金属波导天线，因此耦合缝隙的数量根据设计的Ka频段金属波导天线阵列中单元数量决定，相邻缝隙的间距均为一个波长左右；从而达到对金属波导的等幅同相馈电的目的。
一分二的基片集成波导功分网络35用于实现Ka频段馈电结构的一体化，在Ku频段基片集成波导馈电结构4中，采用功分网络将馈电部分一体化得到馈电一体化结构41，再利用基片集成波导垂直互联过度结构42将天线和馈电两个部分连接，并且设置第一耦合孔45和第二耦合孔46，通过开同样大小的耦合缝隙43、44并压合，实现了天线部分和馈电网络在不同维度的连接，从而实现馈电和辐射。
本实施例中，馈电网络设计上，在Ka频段基片集成波导馈电结构3中，在每个基片集成波导上表面开耦合馈电缝隙，每一行上有4个分布在中心线同侧的缝隙31-34，这4个缝隙长宽均相同且偏移中心线的距离相同，共有16个相同的缝隙排列成四行四列，缝隙列与列之间的距离均为一个波长左右。
本实施例中，Ka频段基片集成波导馈电结构3和Ku频段基片集成波导馈电结构4在同块馈电板上，所述馈电结构3、馈电结构4和Ku频段基片集成波导加载Dipole天线1所在的基板搭建后通过螺钉固定在一起。
本实施例的工作频率在Ka(35-37GHz)和Ku(15-17GHz)两个雷达工作频段。
考虑到空间拓扑布局和馈电网络的一体化，天线单元和馈电网络选用的基板的介电常数均为3.0，厚度为0.508mm。Ku频段基片集成波导加载Dipole天线1的等效宽度为7mm，金属化通孔直径为0.5mm，孔间距为0.8mm，4个壁所构成的金属波导的宽边长度为6.5mm，窄边长度为3.25mm，金属波导之间间距为铜板厚度0.508mm，参见图2和图3。
根据确定的金属波导的长宽尺寸以及插铜板的间距，计算出金属波导的间距为7mm，调节用来馈电的基片集成波导的宽度得到波导内不同的等效波导波长，使得其约等于金属波导间距，即为每个波导上所开的四个馈电缝隙的中心距，为7mm。每个缝隙的偏移量和长宽均相同，分别为0.15mm、0.35mm和3.2mm，参见图4。
对于基片集成波导加载Dipole天线的馈电部分，为了保证具有良好的垂直互联特性，其基片集成波导的宽度和天线单元的基片集成波导部分相同，为7mm，厚度也为0.508mm，所开缝隙的大小和基片集成波导剖面尺寸相同，确保了良好的过度，参见图4和图6。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.一种双频共口径阵列天线，其特征在于，包括：Ku频段基片集成波导加载Dipole天线(1)，基片集成波导壁和铜板构成的Ka频段金属波导天线(2)，Ka频段基片集成波导馈电结构(3)，Ku频段基片集成波导馈电结构(4)，所述Ka频段基片集成波导馈电结构(3)和Ku频段基片集成波导馈电结构(4)的馈电网络一体化在同一块介质基板上；
天线结构设计上，在Ku频段基片集成波导加载Dipole天线(1)中，其两侧设有第一金属化通孔(11)和第二金属化通孔(12)，构成的基片集成波导的宽度不随位置的变化而变化，介质板的上下层分别为基片集成波导的上层金属覆铜面(13)和下层金属覆铜面(14)，基片集成波导加载dipole天线(1)还包含两个反相的微带枝节(15、16)；在Ka频段金属波导天线(2)中，其Ku频段天线的基片集成波导构成该天线的第一壁(21)，由铜板形成的第二壁(22)、第三壁(23)、第四壁(24)和第一壁(21)共同形成封闭的矩形波导，联合构成该金属波导天线，实现口径复用；
馈电网络设计上，在Ka频段基片集成波导馈电结构(3)中，在每个基片集成波导上表面开耦合馈电缝隙，一个耦合缝隙对应一个Ka频段金属波导天线，因此耦合缝隙的数量根据设计的Ka频段金属波导天线阵列中单元数量决定，相邻缝隙的间距均为一个波长左右；
基片集成波导功分网络(35)用于实现Ka频段馈电结构的一体化，在Ku频段基片集成波导馈电结构(4)中，采用功分网络将馈电部分一体化得到馈电一体化结构(41)，再利用基片集成波导垂直互联过度结构(42)将天线和馈电两个部分连接，并且设置第一耦合孔(45)和第二耦合孔(46)，通过开同样大小的耦合缝隙(43、44)并压合，实现了天线部分和馈电网络在不同维度的连接。
2.根据权利要求1所述的双频共口径阵列天线，其特征在于：馈电网络设计上，在Ka频段基片集成波导馈电结构(3)中，在每个基片集成波导上表面开耦合馈电缝隙，每一行上有4个分布在中心线同侧的缝隙(31-34)，这4个缝隙长宽均相同且偏移中心线的距离相同，共有16个相同的缝隙排列成四行四列，缝隙列与列之间的距离均为一个波长左右。
3.根据权利要求1所述的双频共口径阵列天线，其特征在于：Ka频段基片集成波导馈电结构(3)和Ku频段基片集成波导馈电结构(4)在同块馈电板上，所述馈电结构(3)、馈电结构(4)和Ku频段基片集成波导加载Dipole天线(1)所在的基板搭建后通过螺钉固定在一起。
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