CN108417971A - 双极化天线阵列和双极化相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双极化天线阵列和双极化相控阵天线，双极化天线阵列包括180度旋转对称设置的两个天线模块，天线模块包括极化馈线组件、耦合缝隙组件、多个辐射贴片，极化馈线组件包括第一极化馈线和第二极化馈线，第一极化馈线和第二极化馈线均设置在基于布置方向上位于旋转中心的同一侧上，耦合缝隙组件包括多个相互垂直的第一耦合缝隙和多个第二耦合缝隙，一个辐射贴片覆盖在一个第一耦合缝隙和一个第二耦合缝隙的上方，本案采用旋转对称排列的方式，使得相邻线阵中产生的影响是反相的，从而使得非理想因素产生的交叉极化分量相互抵消，也在一定程度上减少不同极化馈电网络间的互耦影响，最终得到的阵列天线极化隔离度可以达到30dB以上。

Description

双极化天线阵列和双极化相控阵天线

技术领域

本发明涉及天线领域，尤其涉及一种双极化天线阵列和双极化相控阵天线。

背景技术

随着雷达极化理论和技术的发展，极化已经成为现代精细化、高维度和智能化雷达不可或缺的技术手段。具有精确极化测量能力的双极化相控阵雷达是未来多功能相控阵雷达的重要发展趋势，在气象观测和防空反导等领域具有广阔的应用前景。目标极化信息获取的精度是影响极化应用技术性能的关键因素之一，精密极化测量对雷达系统设计和信号处理技术提出了非常苛刻的要求。双极化相控阵雷达天线的极化特性将在数据源头上对相控阵雷达极化信息获取与应用的各个环节产生影响。

极化描述了电磁波的矢量运动特征，是电磁波除幅度、频率、相位以外的另一重要基本属性。目标的极化信息能够更完整地反映和揭示目标的电磁散射机理，为提高雷达精细化、高维度和智能化信息处理能力提供了有效的理论与技术基础。

为了减小双极化工作方式下的互扰，双极化微带天线需要具有较高的交叉极化隔离度，目前现有技术中的交叉极化隔离度为20dB左右。采用多层结构等复杂结构设计，可以得到更高的极化隔离度，能够达到20~30dB，天线设计方案多采用平衡馈电、多层设计等途径来抑制交叉极化，这些方案得到的交叉极化隔离度有限，或者结构比较复杂。

对于传统同向排列的双极化阵列来说，由实际阵列天线的非理想因素（例如阻抗失配、加工误差等）产生的交叉极化分量难以避免，不同极化馈电网络间的互耦也会产生交叉极化分量，当这些因素处于主导地位时，会使阵列的交叉极化变得非常严重。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种高极化隔离度的双极化天线阵列。

本发明的第二目的是提供一种高极化隔离度的双极化相控阵天线。

为了实现本发明的第一目的，本发明提供一种双极化天线阵列，其特征在于，包括两个天线模块，两个天线模块均沿延伸方向延展设置，两个天线模块沿布置方向排列设置，延伸方向垂直于布置方向，两个天线模块之间设置有旋转中心；

天线模块包括：

极化馈线组件，极化馈线组件包括第一极化馈线和第二极化馈线，第一极化馈线设置在靠近旋转中心的位置上，第二极化馈线设置在相对于第一极化馈线远离旋转中心的位置上，第一极化馈线和第二极化馈线均设置在基于布置方向上位于旋转中心的同一侧上；

耦合缝隙组件，耦合缝隙组件包括多个第一耦合缝隙和多个第二耦合缝隙，第一耦合缝隙垂直于第二耦合缝隙，多个第一耦合缝隙沿延伸方向布置并位于第一极化馈线的上层，多个第二耦合缝隙沿延伸方向布置并位于第二极化馈线的上层；

多个辐射贴片，多个辐射贴片沿延伸方向布置，辐射贴片位于耦合缝隙组件的上层，一个辐射贴片覆盖在一个第一耦合缝隙和一个第二耦合缝隙的上方；

两个天线模块绕旋转中心呈180度旋转对称设置。

由上述方案可见，本发明通过采用旋转对称排列的方式，使得相邻线阵中产生的影响是反相的，从而使得非理想因素产生的交叉极化分量相互抵消，同时相同极化相邻线阵的馈电网络放置在一起，也在一定程度上减少不同极化馈电网络间的互耦影响，最终得到的阵列天线极化隔离度可以达到30dB以上。

更进一步的方案是，天线模块设置有布置中心线，布置中心线沿布置方向设置并经过旋转中心；多个辐射贴片以布置中心线呈轴对称设置，多个第一耦合缝隙以布置中心线呈轴对称设置，多个第二耦合缝隙以布置中心线呈轴对称设置。

更进一步的方案是，天线模块还包括第一射频接头焊盘和第二射频接头焊盘，第一射频接头焊盘、第二射频接头焊盘和极化馈线组件均位于的同一层；第一射频接头焊盘偏离布置中心线设置；第二射频接头焊盘设置在布置中心线上。

更进一步的方案是，第一射频接头焊盘的外周设置有多个第一金属化过孔，第一金属化过孔连接第一耦合缝隙所在的金属层；第二射频接头焊盘的外周设置有多个第二金属化过孔，第二金属化过孔连接第二耦合缝隙所在的金属层。

更进一步的方案是，两个天线模块各自的第一射频接头焊盘相连接，并排设置的多个第一金属化过孔位于两个第一射频接头焊盘之间。

更进一步的方案是，第一耦合缝隙和第二耦合缝隙沿布置方向共线布置。

更进一步的方案是，第一极化馈线和第二极化馈线均呈弯折线设置。

更进一步的方案是，第一极化馈线上设置有多个第一阻抗变换器；第二极化馈线上设置有多个第二阻抗变换器。

更进一步的方案是，在极化馈线组件和耦合缝隙组件之间设置有第一介质层，在辐射贴片和耦合缝隙组件之间设置有第二介质层。

由上可见，每个极化的馈线都是从耦合缝隙的中心线下方经过，以及利用各个部位相对称设置，这样实现单个辐射单元表面电流对称分布，更进一步减少不同极化馈电网络间的互耦影响。

为了实现本发明的第二目的，本发明提供一种双极化相控阵天线，其特征在于，包括多个双极化天线阵列，双极化天线阵列采用上述方案的双极化天线阵列，多个双极化天线阵列沿布置方向布置。

由上可见，通过采用了相邻1*N双极化线阵的旋转对称排列的方式，使得相邻双极化线阵中产生的影响是反相的，从而使得非理想因素产生的交叉极化分量相互抵消，同时相邻线阵相同极化的馈线放置在一起，也在一定程度上减少不同极化馈电网络间的互耦影响，最终得到的阵列天线极化隔离度可以达到30dB以上。

附图说明

图1是本发明双极化相控阵天线实施例的结构图。

图2是本发明天线阵列实施例中双极化天线阵列的局部结构图。

图3是本发明双极化相控阵天线实施例的分层示意图。

图4是本发明水平极化输入端输入信号时的辐射方向图。

图5是本发明垂直极化输入端输入信号时的辐射方向图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参照图1，天线阵列包括多个双极化天线阵列1，多个双极化天线阵列1沿布置方向Y并排布置。参照图2和图3，下面对其中一个的双极化天线阵列1进行说明，双极化天线阵列1呈多层微带结构设置，阵列中辐射贴片的水平和垂直间距约1/2波长，以X波段天线示例，水平间距约1.7cm，以水平N个阵元组成一行1*N元固定波束双极化线阵，即一个天线模块，双极化天线阵列1自上而下地依次设置有辐射贴片11、第二介质层22、耦合缝隙组件、第一介质层21、极化馈线组件和射频接头焊盘。

双极化天线阵列1包括两个天线模块，两个天线模块均沿延伸方向X延展设置，两个天线模块沿布置方向Y排列设置，延伸方向X垂直于布置方向Y，两个天线模块之间设置有旋转中心Z，旋转中心Z为虚拟中心。

每个天线模块包括辐射贴片11、耦合缝隙组件、极化馈线组件和底层电路，极化馈线组件包括第一极化馈线133和第二极化馈线131，在本实施例中第一极化馈线133为垂直极化馈线，第二极化馈线131为水平极化馈线，第一极化馈线133设置在靠近旋转中心Z的位置上，第二极化馈线131设置在相对于第一极化馈线133远离旋转中心Z的位置上，第一极化馈线133和第二极化馈线131均设置在基于布置方向Y上位于旋转中心Z的同一侧上，第一极化馈线133和第二极化馈线131均呈弯折线设置继而形成多个弯折部，且第一极化馈线133上设置有多个第一阻抗变换器132，第二极化馈线131上设置有多个第二阻抗变换器。

耦合缝隙组件包括多个第一耦合缝隙121和多个第二耦合缝隙122，耦合缝隙是同层的金属层开设的挖空缝隙，耦合缝隙可呈沙漏状地设置，亦可呈其他形状的缝隙设置，第一耦合缝隙121垂直于第二耦合缝隙122，第一耦合缝隙121为垂直极化耦合缝隙，第二耦合缝隙122为水平极化耦合缝隙，多个第一耦合缝隙121沿延伸方向X布置并位于第一极化馈线133的上层，多个第二耦合缝隙122沿延伸方向X布置并位于第二极化馈线131的上层。

多个辐射贴片11沿延伸方向X布置，辐射贴片11位于耦合缝隙组件的上层，一个辐射贴片11覆盖在一个第一耦合缝隙121和一个第二耦合缝隙122的上方, 辐射贴片11、第一耦合缝隙121和第二耦合缝隙122沿布置方向Y共线布置。

天线模块设置有布置中心线，布置中心线沿布置方向Y设置并经过旋转中心Z，多个辐射贴片11以布置中心线呈轴对称设置，多个第一耦合缝隙121以布置中心线呈轴对称设置，多个第二耦合缝隙122以布置中心线呈轴对称设置。

天线模块还包括第一射频接头焊盘151和第二射频接头焊盘141，第一射频接头焊盘151和第二射频接头焊盘141用于连接SMP射频接头，第一射频接头焊盘151、第二射频接头焊盘141和极化馈线组件均位于同一层上，第一射频接头焊盘151偏离布置中心线设置，第二射频接头焊盘141设置在布置中心线上，第一射频接头焊盘151的外周设置有多个第一金属化过孔152，第一金属化过孔152连接在第一耦合缝隙121的金属层和底层电路之间，第二射频接头焊盘141的外周设置有多个第二金属化过孔142，第二金属化过孔142连接第二耦合缝隙122的金属层。

每一行双极化线阵天线由通过两个SMP射频接头与天线背面一套含有移相器和衰减器的收发单元相连接。每个收发单元都有两个通道，一个通道对应垂直极化，另外一个通道对应水平极化。

两个天线模块各自的第一射频接头焊盘151相连接，并排设置的多个第一金属化过孔152位于两个第一射频接头焊盘151之间，两个天线模块各自的第二射频接头焊盘141相对，并排设置的多个第二金属化过孔142位于两个第二射频接头焊盘141之间。

两个天线模块绕旋转中心Z呈180度旋转对称设置，继而形成如图2所示的结构，天线模块中的馈线结构、缝隙、焊盘和辐射贴片均呈180度旋转对称设置。

天线工作时，系统传输垂直/水平极化信号时，收发单元的射频信号通过SMP射频接头传输到垂直/水平极化天线入口，沿着微带馈线由中心向两边将信号馈给各个辐射单元。

通过微带馈线到达电磁耦合缝隙下方的部分电磁能量将通过耦合缝隙而将传递给上层辐射贴片，耦合到辐射贴片上的能量将激发微带贴片上电流的谐振，从而将电磁能向空间辐射出去。

每一行微带贴片天线阵列的馈电通过从中心向两边串行馈电的方式，每两个微带贴片辐射单元之间的微带馈线的电长度为一个波长或者一个波长的整数倍。

另外，为了减小辐射方向图的旁瓣，每个辐射单元辐射出的能量按照一定的加权分布，在本例中按照泰勒幅值加权分布，每个辐射贴片的权值通过对微带贴片的物理尺寸和耦合缝隙的物理尺寸来控制。

当采用旋转对称排列且相邻线阵引入180°反相激励之后，由非理想因素（阻抗失配、加工误差等）引入的交叉极化分量是180°反相的，这些交叉极化分量最终会相互抵消。具体来说，由于结构的加工误差上引入的交叉极化分量是由于结构上引入的180°反相使其相互抵消的，由于阻抗失配等电路相关的因素引入的交叉极化分量是由180°反相激励来抵消的。

可见，天线相邻1*N双极化线阵采用旋转对称排列的方式，即如图1为N=32的排列的方式，相邻1*N双极化线阵相对其中心依次进行180度旋转排列。通过本案的设计，实现如图4水平极化输入端输入信号时的辐射方向图结果，以及实现如图5垂直极化输入端输入信号时的辐射方向图结果。这种排列方法使得对相邻双极化线阵中的影响是反相的，从而使得非理想因素产生的交叉极化分量相互抵消，同时相邻线阵相同极化馈线放置在一起，也减少了不同极化馈电网络间的互耦影响，在一定程度上改善交叉极化隔离度。

Claims (10)

1.双极化天线阵列，其特征在于，包括两个天线模块，两个所述天线模块均沿延伸方向延展设置，两个所述天线模块沿布置方向排列设置，所述延伸方向垂直于所述布置方向，两个所述天线模块之间设置有旋转中心；

所述天线模块包括：

极化馈线组件，所述极化馈线组件包括第一极化馈线和第二极化馈线，所述第一极化馈线设置在靠近所述旋转中心的位置上，所述第二极化馈线设置在相对于所述第一极化馈线远离所述旋转中心的位置上，所述第一极化馈线和所述第二极化馈线均设置在基于所述布置方向上位于所述旋转中心的同一侧上；

耦合缝隙组件，所述耦合缝隙组件包括多个第一耦合缝隙和多个第二耦合缝隙，所述第一耦合缝隙垂直于所述第二耦合缝隙，多个所述第一耦合缝隙沿所述延伸方向布置并位于所述第一极化馈线的上层，多个所述第二耦合缝隙沿所述延伸方向布置并位于所述第二极化馈线的上层；

多个辐射贴片，多个所述辐射贴片沿所述延伸方向布置，所述辐射贴片位于所述耦合缝隙组件的上层，一个所述辐射贴片覆盖在一个所述第一耦合缝隙和一个所述第二耦合缝隙的上方；

两个所述天线模块绕所述旋转中心呈180度旋转对称设置。

2.根据权利要求1所述的双极化天线阵列，其特征在于：

所述天线模块设置有布置中心线，所述布置中心线沿所述布置方向设置并经过所述旋转中心；

多个所述辐射贴片以所述布置中心线呈轴对称设置，多个所述第一耦合缝隙以所述布置中心线呈轴对称设置，多个所述第二耦合缝隙以所述布置中心线呈轴对称设置。

3.根据权利要求2所述的双极化天线阵列，其特征在于：

所述天线模块还包括第一射频接头焊盘和第二射频接头焊盘，所述第一射频接头焊盘、所述第二射频接头焊盘和所述极化馈线组件均位于的同一层；

所述第一射频接头焊盘偏离所述布置中心线设置；

所述第二射频接头焊盘设置在所述布置中心线上。

4.根据权利要求3所述的双极化天线阵列，其特征在于：

所述第一射频接头焊盘的外周设置有多个第一金属化过孔，所述第一金属化过孔连接所述第一耦合缝隙所在的金属层；

所述第二射频接头焊盘的外周设置有多个第二金属化过孔，所述第二金属化过孔连接所述第二耦合缝隙所在的金属层。

5.根据权利要求4所述的双极化天线阵列，其特征在于：

两个所述天线模块各自的所述第一射频接头焊盘相连接，并排设置的多个所述第一金属化过孔位于两个所述第一射频接头焊盘之间。

6.根据权利要求2所述的双极化天线阵列，其特征在于：

所述第一耦合缝隙和所述第二耦合缝隙沿所述布置方向共线布置。

7.根据权利要求1所述的双极化天线阵列，其特征在于：

所述第一极化馈线和所述第二极化馈线均呈弯折线设置。

8.根据权利要求7所述的双极化天线阵列，其特征在于：

所述第一极化馈线上设置有多个第一阻抗变换器；

所述第二极化馈线上设置有多个第二阻抗变换器。

9.根据权利要求1至8任一项所述的双极化天线阵列，其特征在于：

在所述极化馈线组件和所述耦合缝隙组件之间设置有第一介质层，在所述辐射贴片和所述耦合缝隙组件之间设置有第二介质层。

10.双极化相控阵天线，其特征在于，包括多个双极化天线阵列，所述双极化相控阵天线采用上述权利要求1至9任一项所述的双极化天线阵列，多个所述双极化天线阵列沿所述布置方向布置。