CN108461929A - 双极化天线阵列和双极化相控阵天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双极化天线阵列和双极化相控阵天线，包括极化馈线组件、耦合缝隙组件、多个辐射贴片和金属化过孔组件，极化馈线组件包括第一极化馈线和第二极化馈线，耦合缝隙组件包括相互垂直的多个第一耦合缝隙和多个第二耦合缝隙，辐射贴片位于耦合缝隙组件的上层，并排设置的多个第一金属化过孔位于第一耦合缝隙和第二耦合缝隙之间。通过引入金属化过孔，将各个极化的馈电网络隔离开，从而能够有效抑制馈线间的互耦引起的交叉极化分量，本案双极化相控阵天线交叉极化隔离度在35dB以上。
Description
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，具备同时进行多种任务的雷达成为各国研究的热点，因其可以替代多个单一功能的雷达，从而能有效减少雷达的数量，这些需求对天线的设计提出了更高的要求，其中最主要的的需求是天线应该具有双极化的工作能力。
具有精确极化测量能力的多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。其中目标极化信息获取的精度是影响系统性能的关键因素之一，极化信息的准确程度将从源头上对相控阵雷达的准确性产生影响。
对于天线来说，为了保证极化信息的准确性，天线需要具有较高的交叉极化隔离度，目前现有技术中的天线交叉极化隔离度一般为 20dB至30dB。
对于传统微带线馈电的双极化阵列来说，由于微带线中电场的分布不平衡，会引入较强的交叉极化分量，另外，不同极化馈电网络间的互耦也会产生正交极化分量，在多个因素的影响下会使阵列的交叉极化明显恶化。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种高交叉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交叉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，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，第一极化馈线和第二极化馈线沿延伸方向延展设置，第一极化馈线和第二极化馈线沿布置方向排列设置，延伸方向垂直于布置方向，
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；金属化过孔组件，金属化过孔组件包括多个第一金属化过孔，第一金属化过孔连接耦合缝隙组件所在的金属层，沿延伸方向并排设置的多个第一金属化过孔位于第一极化馈线和第二极化馈线之间，并排设置的多个第一金属化过孔位于第一耦合缝隙和第二耦合缝隙之间。
更进一步的方案是，双极化天线阵列设置有布置中心线，布置中心线平行于布置方向设置；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，双极化天线阵列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、第二射频接头焊盘位于极化馈线组件的下层；第一射频接头焊盘设置在布置中心线上；第二射频接头焊盘偏离布置中心线设置；沿延伸方向并排设置的多个第一金属化过孔位于第一射频接头焊盘和第二射频接头焊盘之间。
更进一步的方案是，金属化过孔组件还包括多个第二金属化过孔，多个第二金属化过孔沿布置方向排列设置，第二金属化过孔连接于第一射频接头焊盘的信号接入部和第一极化馈线。
更进一步的方案是，金属化过孔组件还包括多个第三金属化过孔，多个第三金属化过孔沿布置方向排列设置，第三金属化过孔连接于第二射频接头焊盘的信号接入部和第二极化馈线。
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，在极化馈线组件和射频接头焊盘之间设置有第三介质层。
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，双极化相控阵天线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，沿延伸方向并排设置的多个第一金属化过孔还设置在相邻的两个双极化天线阵列之间。
本发明的有益效果是，通过采用带状线馈电的方式，抑制由于不平衡的电场分布引入的交叉极化分量，同时，带状线的引入可以抑制表面波以及消除馈线产生的辐射；另外，通过引入金属化过孔，将各个极化的馈电网络隔离开，从而能够有效抑制馈电网络间的互耦引起的交叉极化分量，本案双极化相控阵天线交叉极化隔离度在35dB以上。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，这样实现单个辐射贴片表面电流对称分布，更进一步减少不同极化馈电网络间的互耦影响。
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是本发明双极化相控阵天线实施例的局部结构图。
图3是本发明双极化天线阵列实施例的分层示意图。
图4是本发明垂直极化输入端输入信号时的辐射方向图。
图5是本发明水平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，双极化相控阵天线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，沿延伸方向X并排设置的多个第一金属化过孔151设置在位于相邻的两个双极化天线阵列之间。双极化天线阵列1呈多层微带结构设置，天线由水平方向上的天线单元组成具有固定波束的线阵作为子阵，每个子阵连接一套具有两个独立工作模式的收发单元，天线由若干个相同的子阵在布置方向Y上相距约二分之一波长进行排列，通过收发单元对每个子阵的输入幅度和相位进行控制，形成垂直方向电子扫描。考虑到空间的限制，每一行线阵连接的收发单元一般选择垂直安装于天线背面，本案的双极化相控阵天线采用多层印刷电路板，电路板包括四层印刷电路。
参照图2和图3，双极化天线阵列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、第三介质层23和射频接头焊盘。
极化馈线组件包括第一极化馈线131和第二极化馈线132，在本实施例中，第一极化馈线131为垂直极化馈线，第二极化馈线132为水平极化馈线，当然也是可以互换的，第一极化馈线131和第二极化馈线132沿延伸方向X延展设置，第一极化馈线131和第二极化馈线132沿布置方向Y排列设置，延伸方向X垂直于布置方向Y，第一极化馈线131和第二极化馈线132均呈弯折线设置继而形成多个弯折部，第一极化馈线131和第二极化馈线132上分别设置有多个阻抗变换器。
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，或呈蝴蝶结型，也可以是哑铃型，或H型，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，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131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132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，相邻辐射贴片间距为水平方向约为二分之一波长，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。
双极化天线阵列设置有布置中心线，布置中心线平行于布置方向Y设置，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。
双极化天线阵列还包括第一射频接头焊盘141和第二射频接头焊盘142，第一射频接头焊盘141、第二射频接头焊盘142位于极化馈线组件的下层，第一射频接头焊盘141设置在布置中心线上，第二射频接头焊盘142偏离布置中心线地设置，多个第一射频接头焊盘141共线设置，多个第二射频接头焊盘142共线设置，
金属化过孔组件包括多个第一金属化过孔151、第二金属化过孔152和第三金属化过孔153，第一金属化过孔151呈多排设置，第一金属化过孔151连接在耦合缝隙组件所在的金属层与第一射频接头焊盘141所在的底层金属，以及第一金属化过孔151也与第二射频接头焊盘142连接，沿延伸方向X并排设置的多个第一金属化过孔151位于第一极化馈线131和第二极化馈线132之间，并排设置的多个第一金属化过孔151位于第一耦合缝隙121和第二耦合缝隙122之间，由于第一金属化过孔151是沿厚度方向设置，沿延伸方向X并排设置的多个第一金属化过孔151位于第一射频接头焊盘141和第二射频接头焊盘142之间，能够将各个馈线之间隔离开，从而能够有效抑制馈线间互耦引起的交叉极化分量。
极化馈线组件的输入部分为T型节与阻抗变换器组成的功分匹配网络，多个第二金属化过孔152沿布置方向Y排列设置，第二金属化过孔152连接于第一射频接头焊盘的信号接入部和第一极化馈线131，且第二金属化过孔152连接于第一极化馈线的T型节内。经过T型节以及阻抗变换段，将输入信号等功率地分配到两侧。
金属化过孔组件还包括多个第三金属化过孔153，多个第三金属化过孔153沿布置方向Y排列设置，第三金属化过孔153连接于第二射频接头焊盘的信号接入部和第二极化馈线132，且第三金属化过孔153连接于第二极化馈线的T型节内。
优选地，T型节输入段宽度为0.8mm,对应传输线特性阻抗约为50Ohm,与同轴输入端匹配，T型节输出端经过阻抗变换段连接信号传输段垂直极化馈线以及水平极化馈线，馈线的宽度取值为0.5mm。
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，沿着馈线由中心向两边将信号馈给各个辐射贴片。
通过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励辐射贴片产生高频电流，从而将电磁能量向空间辐射出去。
每一行天线阵列的馈电通过从中心向两边串行馈电的方式，每两个辐射贴片之间的馈线的长度为一个波长或者一个波长的整数倍。
耦合能量的大小主要与缝隙尺寸以及辐射贴片尺寸有关；通过改变缝隙和辐射贴片的尺寸，可以对阵元的辐射功率进行调整，从而可以通过引入合适的功率分布达到降低辐射阵列天线方向图的旁瓣电平的目的。另外为了减小辐射方向图的旁瓣，每个辐射单元辐射出的功率按照一定的加权分布，在本例中按照泰勒幅值加权分布。
通过本案的阵列天线在9.50GHz工作时，实现如图4垂直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水平极化输入端输入信号时的辐射方向图结果。可见，两个方向图具有较低的旁瓣电平以及高的交叉极化隔离度。
由上可见，通过采用带状线馈电的方式，抑制了由于不平衡的电场分布引入的交叉极化分量，同时，带状线的引入可以抑制表面波以及消除馈线产生的辐射；另外，通过引入金属化过孔，将各个极化的馈电网络隔离开，从而能够有效抑制馈电网络间的互耦引起的交叉极化分量，本案双极化相控阵天线交叉极化隔离度在35dB以上。以及，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，这样实现单个辐射贴片表面电流对称分布，更进一步减少不同极化间的互耦影响。
Claims (10)
1.双极化天线阵列，其特征在于，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，所述第一极化馈线和所述第二极化馈线沿延伸方向延展设置，所述第一极化馈线和所述第二极化馈线沿布置方向排列设置，所述延伸方向垂直于所述布置方向，
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；
金属化过孔组件，所述金属化过孔组件包括多个第一金属化过孔，所述第一金属化过孔连接所述耦合缝隙组件所在的金属层，沿所述延伸方向并排设置的多个所述第一金属化过孔位于所述第一极化馈线和所述第二极化馈线之间，并排设置的多个所述第一金属化过孔位于所述第一耦合缝隙和所述第二耦合缝隙之间。
2.根据权利要求1所述的双极化天线阵列，其特征在于：
所述双极化天线阵列设置有布置中心线，所述布置中心线平行于所述布置方向设置；
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：
所述双极化天线阵列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位于所述极化馈线组件的下层；
所述第一射频接头焊盘设置在布置中心线上；
所述第二射频接头焊盘偏离所述布置中心线设置；
沿所述延伸方向并排设置的多个所述第一金属化过孔位于所述第一射频接头焊盘和所述第二射频接头焊盘之间。
4.根据权利要求3所述的双极化天线阵列，其特征在于：
所述金属化过孔组件还包括多个第二金属化过孔，多个第二金属化过孔沿所述布置方向排列设置，所述第二金属化过孔连接于所述第一射频接头焊盘的信号接入部和所述第一极化馈线。
5.根据权利要求3所述的双极化天线阵列，其特征在于：
所述金属化过孔组件还包括多个第三金属化过孔，多个第三金属化过孔沿所述布置方向排列设置，所述第三金属化过孔连接于所述第二射频接头焊盘的信号接入部和所述第二极化馈线。
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，在所述极化馈线组件和射频接头焊盘之间设置有第三介质层。
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，沿所述延伸方向并排设置的多个所述第一金属化过孔还设置在位于相邻的两个所述双极化天线阵列之间。
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