CN108767454A - 超宽带共辐射孔径天线单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开的超宽带共辐射孔径天线单元，旨在提供一种极化隔离度高，插入损耗小、能够减轻天线重量，降低天线损耗的宽带辐射孔径天线单元。本发明通过下述技术方案予以实现：强耦合天线介质层的层中镶嵌有相邻十字圆弧过渡相连的十字对角圆弧耦合贴片，上、下表面刻蚀有十字架形的微带偶极子振子臂辐射贴片，微带偶极子振子臂7射贴片被4个开槽线分成对称的偶极子对，且水平微带偶极子对和垂直偶极子对分别位于该层结构的上下两面，以此两对偶极子多作为天线的基本单元，在空间上，呈十字隔槽分隔的上、下对应交叉撘叠的，对称耦合平衡馈电的结构形式，从而形成产生相互容性加载馈电的高隔离度、低交叉极化和强耦合效应的超宽带工作天线单元。

Description

超宽带共辐射孔径天线单元

技术领域

本发明涉及一种广泛应用在航空和航天领域的宽带共孔径天线，能对相控阵天线系统超宽带多频段、结构功能平台一体化需求的天线辐射孔径，尤其是18～40GHz超宽带一体化辐射孔径天线单元。

背景技术

现有技术微带天线以其自身的体积小、重量轻、易加工等特点在许多领域得到了重视，但微带天线辐射增益低，。但在大部分的应用当中都采用天线阵的形式。天线单元组成天线阵时，阵元的结构和馈电方式对天线阵的极化特性和旁瓣等有很大的影响。当用双极化微带天线组成天线阵元时，一方面要求天线具有双频特性，且每个频带又要求宽带工作；另一方面天线要具有双线极化特性，而且要求具有较高的隔离度。双频双极化天线虽然交叉极化特性得到了提高，频带宽、性能好，但是这种天线馈电比较复杂，发展缓慢。而且出现了不期望的旁瓣。微带天线是在带导体接地板的介质基片上贴加导体薄片构成，其辐射由微带天线边沿和地板之间的边缘场产生。具有重量轻，体积小，剖面低，易于共形和易于组阵等诸多优点，但是，微带天线也有其自身的缺点，比如，由于微带天线的谐振性，其频带较窄，因而限制了其进一步的应用和发展，为此，提出很多方法来拓宽微带天线的带宽，其中最具代表性的是采用包括:单微带对角馈电、双微带边馈、同轴双馈电、双小孔耦合馈电等的双线极化微带天线的馈电方法来解决这些缺陷。近年来，由于无线通信的发展需求，各种形状的微带贴片，例如蝶形、倒F形、三角形、L形等，都被用来拓展天线频带。此外，采用一些特殊的馈电形式也可以展宽天线带宽。例如采用L形探针馈电、共面波导(CPW)馈电的结构形式也可以明显提高微带天线的相对带宽。由于事物都有两面性，天线带宽的增加必然带来结构的进一步复杂。所以，在设计微带天线、增大其带宽的同时，也应考虑到不应使天线过于复杂，否则将增加天线分析、制作和调协的难度。

任何双极化天线都要用两个端口进行馈电，每个阵元的馈电端口用相同的激励源进行馈电，但具有不相同的相位(“一”表示初相位为－90度，“+”表示初相位为+90度)。一般采用一个端口H为水平极化馈电端口，另一端口V为垂直极化馈电端口。垂直极化端工作于TMol模，水平极化端口H工作于TMlo模，水平极化和垂直极化的两极化分量均相互正交，和理论分析基本一致。但该天线存在几个缺点：一是采用金属直接成型的结构，重量较大；二是馈电线与支撑柱之间的距离很小，该距离对阻抗带宽影响很大，必然会增加安装、调试、维护的成本；三是该天线两个馈电线之间距离过大，阻抗的一致性差。不同的馈电方式各有其优缺点。但要同时实现高极化隔离、低交叉极化、低插入损耗、天线阵列的高效率辐射等性能仍较为困难。为满足极化隔离度、交叉极化以及工作带宽的要求,双线极化微带天线的馈电常采用双同轴馈电或双小孔耦合馈电。相对而言,双同轴馈电微带天线的制作较为困难,加工精度要求高，且工作带宽较窄；而双小孔耦合馈电虽然工作带宽较宽,但由于双极化馈电网络位于同层介质上,极化隔离和交叉极化较差。微带天线阵列的馈电方式包括串联馈电和并联馈电两种基本形式。在微带天线阵列中,为了减少插入损耗和获得更高的辐射效率,常常采用串联馈电结构，但串联馈电结构的不同馈电点间存在相位差,使得辐射方向发生偏移,限制了串联馈电在微带阵列中的广泛应用。宽带共用孔径天线技术是一种新的相控阵天线技术，它通过一个通用的超宽带将多个天线的功能结合到一个相控阵天线孔径中，从而实现多种功能，降低了器件一个超宽带的瞬时带宽；也可以控制各频段的移相的研制难度。

宽带辐射单元是全数字阵列的核心部分。基本单元有正交偶极子单元、锥削槽天线单元、锥累圆盘单元、背腔圆盘单元、平行板波导等，可以根据不同要求进行组合。不同频段天线之间的耦合、干扰的抑制和兼容是共孔径天线要解决的核心问题。作为组阵的基本辐射单元在非常宽的频带内具有电压驻波比VSWR≤2的优良特性。孔径设计使用在每一个单元位置带有水平和垂直的渐开槽线(缺口)辐射器的正方形单元栅格。

目前适合相控阵应用的超宽带天线如蝶形天线、传统单极子天线、Vivaldi天线等结构形式受天线单元和馈电结构的剖面和互耦影响限制，普遍缺点为剖面过高或阻抗带宽较易恶化，限制了其在高机动性的机载平台上的使用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种超宽带、低剖面，极化隔离度高，插入损耗小、阵列效率高，平面化、低剖面，能够使天线阵面微带天线层在宽角扫描时达到更好的阻抗匹配效果，能够减轻天线重量，降低覆盖层对天线带来的损耗，而不降低天线的辐射效率的超宽带共辐射孔径天线单元。

本发明上述目的可以通过以下技术方案予以实现：一种超宽带共辐射孔径天线单元，包括：通过周向立柱支撑固定的至少三层矩形介质板，其中，位于底层的阻抗变换介质层(4)通过周向立柱支撑天线介质层3，天线介质层3通过周向立柱支撑强耦合天线介质层2，其特征在于：强耦合天线介质层2的层中镶嵌有相邻十字圆弧过渡相连的十字对角圆弧耦合贴片，上、下表面刻蚀有十字架形的微带偶极子振子臂7辐射贴片，微带偶极子振子臂7辐射贴片被4个开槽线分成对称的偶极子对，且水平微带偶极子对5和垂直偶极子对6分别位于该层结构的上下两面，以此两对偶极子多作为天线的基本单元，其中，水平偶极子对(5)振子臂辐射水平极化波，垂直偶极子对6振子臂辐射垂直极化波，垂直偶极子对6和水平微带偶极子对5呈十字交叉分布在介质板上下两侧平面上，它们的尾端贴片，以锥形大端过渡矩形面相向对称分隔于中心开槽线，形成在频段上极化相互垂直的2个馈电端口，在空间上，呈十字隔槽分隔的上、下对应交叉撘叠的，对称耦合平衡馈电的结构形式，从而形成产生相互容性加载馈电的高隔离度、低交叉极化和强耦合效应的超宽带工作天线单元。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

超宽带、低剖面。本发明在紧耦合相控阵的基础上，结合低成本的多层PCB加工工艺技术，强耦合天线介质层2的层中镶嵌有相邻十字圆弧过渡相连的十字形耦合贴片，上、下表面刻蚀有十字架形的微带偶极子振子臂7辐射贴片，微带偶极子振子臂7辐射贴片被4个开槽线分成对称的偶极子对，且水平微带偶极子对5和垂直偶极子对6分别位于该层结构的上下两面，以此两对偶极子多作为天线的基本单元，将传统立体结构的超宽带天线阵面微带天线层转换为纯平面结构，而不降低天线的辐射效率，进而突破共孔径天线的超宽带、低剖面、高效率等关键技术。馈电端口对下层贴片进行馈电，并通过耦合作用激励上层寄生贴片，使微带天线谐振于两个谐振点，从而使天线可在两个频段上共达到12.2％的阻抗带宽，同时，通过给相互垂直方向上的两个端口正交馈电，可以成功的实现双线极化。采用垂直偶极子对(6)振子臂辐射垂直极化波，垂直偶极子对6和水平微带偶极子对5呈十字交叉分布在介质板上下两侧平面上，实现对天线单元垂直极化和水平极化的激励，替代微带阵列中传统的右手微带线馈电,可以获得电磁波传播的零相位偏移，这种可以避免馈电点间的相位差和相应辐射方向的偏移，不但提高了交叉极化性能，同时也避免了不必要的旁瓣的出现。还可以通过减小耦合微带线与支撑柱之间的耦合距离，展宽天线带宽，将立体巴伦转换电路集成于天线阵面微带天线层内。用这样的阵元组成天线阵其性能将会得到很大的提高。

较高的极化隔离度。本发明将垂直偶极子对6振子臂辐射垂直极化波，垂直偶极子对6和水平微带偶极子对5呈十字交叉分布在介质板上下两侧平面上，在该结构中,由于采用在空间上，呈十字隔槽分隔的上、下对应交叉撘叠的，对称耦合平衡馈电的耦合馈电,天线的工作带宽较宽，同时,由于实现双极化的激励位于同介质不同面上,相互耦合小,可以有效抑制交叉极化,获得高极化隔离。使得该天线单元具有很低的交叉极化电平、很低的回波损耗和很好的极化隔离,两个正交极化的垂直偶极子对6和水平微带偶极子对5一致性非常好,驻波小于～10dB的相对带宽均达12％,双极化端口的隔离度达到～30dB,方向图前后比达～19dB,交叉极化小于～23dB,最大增益值为6.6dB左右,3dB增益带宽达16.5％，频段上的反射损耗均大于10dB，且在两个频段上极化互相垂直的两个端口的隔离度均大于32dB。将开孔结构宽角扫描阻抗匹配介质层1覆盖于天线辐射面上，用以实现辐射孔径在宽角扫描时的阻抗匹配，使天线阵面微带天线层在宽角扫描时达到更好的阻抗匹配效果，同时减轻天线重量和降低覆盖层对天线带来的损耗。

插入损耗小、阵列效率高。本发明垂直偶极子对6振子臂辐射垂直极化波，垂直偶极子对6和水平微带偶极子对5呈十字交叉分布在介质板上下两侧平面上，它们的尾端贴片，以锥形大端过渡矩形面相向对称分隔于中心开槽线，形成在频段上极化相互垂直的2个馈电端口，在空间上，呈十字隔槽分隔的上、下对应交叉撘叠的，镜像对称耦合平衡馈电的结构形式，左边末端单元和右边末端相同,只是方向相反，两端口的输入阻抗均为50Ω,长度与微带边馈单元相同,可获得完整的上层垂直极化，也可以通过调整两端口的输入阻抗与两端口间的相位差。采用分别位于强耦合天线介质层2上下两面的水平和垂直两对偶极子作为天线的基本单元，两对偶极子在末端进行上下交叠馈电幅度和相位的平衡，形成了相互容性加载来产生强耦合效应，实现天线的超宽带工作。这种在相邻图形层上纵向维度的电容耦合结构，类似于开槽线平衡器的馈电方式提高了功率容量，仿真结果表明，还展宽了天线单元的驻波带宽，可使阵列天线单元的驻波在18GHz～19.8GHz以及22GHz～39.6GHz的带宽内小于1.5，同时，可以大大降低对天线加工精度的要求，可以避免传统强耦合的交指部分精度要求较高的问题，便于毫米波频段超宽带天线的工程实现。

平面化、低剖面。本发明将主要用于天线阻抗与50Ω的同轴馈电端口的阻抗进行匹配的阻抗变换介质层位于整个天线的最底层，便于天线阵面微带天线层的一体化加工。在紧耦合相控阵的基础上，将传统立体结构的超宽带天线阵面微带天线层转换为纯平面结构，采用纯平面结构的多层印制板来进行设计，突破了共孔径天线的超宽带、低剖面、高效率等关键技术，使辐射天线阵面微带天线层具有一体化、低剖面特性，而不降低天线的辐射效率，可实现18～40GHz的超宽带天线单元和8×8规模天线阵面微带天线层共孔径天线的设计工作，可以将立体巴伦转换电路集成于天线阵面微带天线层内，相对于传统微带阵列天线,该阵列天线结构简单、面积小、插入损耗小、阵列效率高、易于扩展成更大的平面阵列。

可降低天线重量。本发明将强耦合天线介质层2紧耦合结构的上下两层双线极化微带偶极子，为天线的主要辐射结构，天线介质层3作为天线的馈电结构，天线单元上层采用以使其具有更好的宽角扫描特性为方形微带贴片宽角扫描覆盖层，以其良好的极化特性和微带天线本身具有的结构小、重量轻、易与有源电路集成一体化。呈十字隔槽分隔的上、下对应交叉撘叠的对称耦合平衡馈电的结构形式，形成产生相互容性加载馈容性加载馈电可以较容易地实现微带天线的50Ω阻抗匹配,进一步缩小了微带天线的尺寸。在毫米波频段，这种紧耦合形式的平面超宽带天线单元可以通过多层印制板的层压工艺进行直接一体化加工成型，这种天线单元紧凑的一体化结构和较高的集成度，降低了天线的重量和对天线加工及组装的要求，使得辐射口径便于制造和装配，可使整个天线阵面微带天线层具有较高的机械强度，从而极大地减少成本和周期，避免了设计立体结构的宽带小型化馈电巴伦，因此整个天线阵面微带天线层具有超宽带、平面化、低剖面的特点。同时还适合于机载等高速运动平台的使用。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征例可以相互结合。

图1是本发明超宽带共辐射孔径天线单元透视图的构造示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是本发明组阵构成的一个8×8排布的天线阵列的俯视图。

图4是本发明辐射孔径架构的分解示意图.。

图中：1阻抗匹配介质层、2强耦合天线介质层、3天线介质层，4阻抗变换介质层，5水平微带偶极子对，6垂直偶极子对，7振子臂，8金属化馈电通孔，9短路接地孔，10天线阵面微带天线层，11金属腔体，12毛纽扣。

具体实施方式

参阅图1～图2。在以下描述的实施例中，一种超宽带共孔径辐射天线单元，包括：通过周向立柱支撑固定的至少三层矩形介质板，每层介质板之间用厚度为至少1mm的空气层隔开。为满足实际使用的要求，其结构层次从上至下依次为开孔结构的阻抗匹配介质层1、强耦合天线介质层2、天线介质层3、阻抗变换介质层，共包含4层结构，整个天线单元为尺寸为3.75mm×3.75mm×4mm的平面多层微带形式结构层次。阻抗匹配介质层1为覆盖于天线辐射面上的宽角扫描开孔结构，用以实现辐射孔径在宽角扫描时的阻抗匹配。强耦合天线介质层2为天线的主要辐射结构，采用分别位于该层结构上下两面的水平微带偶极子对5和垂直偶极子对6。强耦合天线介质层2的层面上分别有支撑天线介质层3的阻抗立柱和连接垂直偶极子对6的座体，以及连接天线介质层3振子臂7馈电端与50Ω阻抗进行匹配的同轴馈电端口。其中，强耦合天线介质层2的层中镶嵌有相邻十字圆弧过渡相连的十字对角圆弧耦合贴片，上、下表面刻蚀有十字架形的微带偶极子振子臂7辐射贴片，微带偶极子振子臂7辐射贴片被4个开槽线分成对称的偶极子对，且水平微带偶极子对5和垂直偶极子对6分别位于该层结构的上下两面，以此两对偶极子多作为天线的基本单元，其中，水平偶极子对5振子臂辐射水平极化波，垂直偶极子对6振子臂辐射垂直极化波，垂直偶极子对6和水平微带偶极子对5呈十字交叉分布在介质板上下两侧平面上，它们的尾端贴片，以锥形大端过渡矩形面相向对称分隔于中心开槽线，形成在频段上极化相互垂直的2个馈电端口，通过两个端口的正交馈电来实现水平/垂直双极化辐射。在空间上，呈十字隔槽分隔的上、下对应交叉撘叠的，对称耦合平衡馈电的结构形式，从而形成产生相互容性加载馈电的高隔离度、低交叉极化和强耦合效应的超宽带工作天线单元。

天线介质层3通过周向立柱支撑强耦合天线介质层2，位于底层的阻抗变换介质层4通过周向立柱支撑天线介质层3。阻抗变换介质层4位于整个天线基本单元的最底层，用来使其与50Ω的标准接头匹配。

每个振子臂7的直段支臂末端制有金属化过孔8，及其矩形面过渡锥形小端制有短路孔9，短路孔9围绕十字交叉振子臂7对称分布。强耦合天线介质层2为方形微带贴片，采用正方形微带贴片，是因为正方形微带贴片具有良好的极化辐射对称性且易于加工制造。强耦合天线介质层2层中镶嵌的十字对角圆弧耦合贴片，通过周向对角圆弧上的同弧立式介质瓦片支撑顶层形状一致的阻抗匹配介质层1，顶层上的阻抗匹配介质层1为制有开孔结构的宽角扫描覆盖层，且强耦合天线介质层2中镶嵌的十字对角圆弧耦合贴片和位于顶层上的阻抗匹配介质层1的十字对角圆弧耦合贴片都制有围绕十字交叉振子臂7对称分布的短路孔9。顶层十字对角圆弧耦合贴片对下层十字对角圆弧耦合贴片进行馈电，并通过耦合作用激励顶层寄生贴片，使十字交叉振子臂7谐振于相互垂直方向上的两个端口给正交馈电微带线两个谐振点，实现双线极化，从而可使在两个频段上共达到12.2％的阻抗带宽。

将阻抗匹配层的同轴形式过渡段的外导体用一圈屏蔽孔来替代，通过调节这一圈屏蔽孔与过渡段的内导体的间距来达到所需的阻抗值。

天线介质层3是天线的馈电结构，包含两个对称分布在强耦合天线介质层2振子臂7中供电的金属化馈电通孔，一个连接振子臂7的馈电端，以及抑制天线阵面微带天线层共模谐振模式，对称分布在振子臂7两边的短路接地孔9，其中短路接地孔9的位置需要进行合理的设计，以便将共模谐振频点移出工作频段。

参阅图3。综合考虑天线阵元间的互耦效应和栅瓣问题，阵元间距取高频40G的半波长3.75mm。其次，考虑到强耦合天线阵列的边缘阶段效应，在8×8阵列的最外边缘的每一行/列再外扩增加半个振子臂7，作为哑元来进行阵列布阵设计，最终实现8×8阵列的布阵形式。考虑截断效应，实际上是9×9阵列。

参阅图4。根据共孔径辐射天线单元组阵的天线架构，其组装工艺流程主要包括天线阵面微带天线层与金属腔体的连接、毛纽扣连接器与金属腔体的装配。共孔径辐射天线单元作为整个孔径的辐射部分，一体化嵌入天线阵面微带天线层10的金属腔体11中，和插入金属腔体11连接天线阵面微带天线层10的毛纽扣连接器12，穿过金属腔体后与天线阵面微带天线层10相连。其中天线阵面微带天线层10通过焊接的方式与金属腔体11进行连接固定，毛纽扣连接器12与金属腔体11的连接，最下层的圆柱结构为毛纽扣连接器12。利用毛纽扣塑料套筒的弹性，然后通过控制金属腔体11开孔直径的负公差，来使毛纽扣连接器12与金属腔体11互相之间紧配合，进而通过卯装方式来完成装配。金属腔体11为铝材质的中间板层，为天线阵面微带天线层提供支撑和稳固作用，使得整个一体化共孔径辐射天线单元天线架构具有较高的机械强度。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种超宽带共辐射孔径天线单元，包括：通过周向立柱支撑固定的至少三层矩形介质板，其中，位于底层的阻抗变换介质层(4)通过周向立柱支撑天线介质层(3)，天线介质层(3)通过周向立柱支撑强耦合天线介质层(2)，其特征在于：强耦合天线介质层(2)的层中镶嵌有相邻十字圆弧过渡相连的十字对角圆弧耦合贴片，上、下表面刻蚀有十字架形的微带偶极子振子臂(7)辐射贴片，微带偶极子振子臂(7)辐射贴片被(4)个开槽线分成对称的偶极子对，且水平微带偶极子对(5)和垂直偶极子对(6)分别位于该层结构的上下两面，以此两对偶极子多作为天线的基本单元，其中，水平偶极子对(5)振子臂辐射水平极化波，垂直偶极子对(6)振子臂辐射垂直极化波，垂直偶极子对(6)和水平微带偶极子对(5)呈十字交叉分布在介质板上下两侧平面上，它们的尾端贴片，以锥形大端过渡矩形面相向对称分隔于中心开槽线，形成在频段上极化相互垂直的2个馈电端口，在空间上，呈十字隔槽分隔的上、下对应交叉撘叠的，对称耦合平衡馈电的结构形式，从而形成产生相互容性加载馈电的高隔离度、低交叉极化和强耦合效应的超宽带工作天线单元。

2.如权利要求1所述的超宽带共辐射孔径天线单元，其特征在于：整个天线单元为平面多层微带形式，其结构层次包含，从上至下依次为开孔结构的阻抗匹配介质层(1)、强耦合天线介质层(2)、天线介质层(3)和阻抗变换介质层(4)。

3.如权利要求1所述的超宽带共辐射孔径天线单元，其特征在于：整个天线单元为尺寸为3.75mm×3.75mm×4mm的平面多层微带形式结构层次。

4.如权利要求1所述的超宽带共辐射孔径天线单元，其特征在于：强耦合天线介质层(2)的层中镶嵌有相邻十字圆弧过渡相连的十字对角圆弧耦合贴片，上、下表面刻蚀有十字架形的微带偶极子振子臂(7)辐射贴片，微带偶极子振子臂(7)辐射贴片被4个开槽线分成对称的偶极子对，且水平微带偶极子对(5)和垂直偶极子对(6)分别位于该层结构的上下两面，以此两对偶极子多作为天线的基本单元。

5.如权利要求1所述的超宽带共辐射孔径天线单元，其特征在于：阻抗匹配介质层(1)为覆盖于天线辐射面上的宽角扫描开孔结构，用以实现辐射孔径在宽角扫描时的阻抗匹配。

6.如权利要求1所述的超宽带共辐射孔径天线单元，其特征在于：阻抗变换介质层(4)位于整个天线基本单元的最底层，用来使其与50Ω的标准接头匹配。

7.如权利要求1所述的超宽带共辐射孔径天线单元，其特征在于：每个振子臂(7)的直段支臂末端制有金属化过孔(8)，及其矩形面过渡锥形小端制有短路孔(9)，短路孔(9)围绕十字交叉振子臂(7)对称分布。

8.如权利要求1所述的超宽带共辐射孔径天线单元，其特征在于：强耦合天线介质层(2)为方形微带贴片，层中镶嵌的十字对角圆弧耦合贴片，通过周向对角圆弧上的同弧立式介质瓦片支撑顶层形状一致的阻抗匹配介质层(1)。

9.如权利要求1所述的超宽带共辐射孔径天线单元，其特征在于：顶层上的阻抗匹配介质层(1)为制有开孔结构的宽角扫描覆盖层，且强耦合天线介质层(2)中镶嵌的十字对角圆弧耦合贴片和位于顶层上的阻抗匹配介质层(1)的十字对角圆弧耦合贴片都制有围绕十字交叉振子臂(7)对称分布的短路孔(9)。

10.如权利要求1所述的超宽带共辐射孔径天线单元，其特征在于：顶层十字对角圆弧耦合贴片对下层十字对角圆弧耦合贴片进行馈电，并通过耦合作用激励顶层寄生贴片，使十字交叉振子臂(7)谐振于相互垂直方向上的两个端口给正交馈电微带线两个谐振点，实现双线极化，从而可使在两个频段上共达到12.2％的阻抗带宽。