CN109462039B - 一体化圆柱共形相控阵天线 - Google Patents

一体化圆柱共形相控阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种一体化圆柱共形相控阵天线，本发明能够实现方位维360°覆盖，整个阵列分为4个扇区，一个扇区覆盖90°范围，将其中每一列作为一个子阵，进行模块化处理，以减少接口数量方便维护。该相控阵天线前端主要包括了基于腔体结构的可集成天线单元、多功能一体化的T/R芯片及射频功分网络、和差网络等。通过利用可集成的阵元、一体化的T/R芯片及子阵模块化设计，本发明的一体化圆柱共形相控阵天线一体化程度高，加工维护方便，成本低。

Description

一体化圆柱共形相控阵天线
技术领域
本发明涉及相控阵雷达系统技术，具体涉及一种一体化圆柱共形相控阵天线。
背景技术
共形相控阵天线是相控阵天线技术发展的一个重要方向。将阵列天线中各个单元安装在平台的表面，使阵列天线的表面与平台外形相吻合，即可形成“共形阵列天线”。共形相控阵相比传统平面阵在扫描范围和同时多目标等方面具有更有的扫描波束特性。
常用的共形相控阵阵元采用普通微带贴片单元，波束宽度较窄，限制了相扫角度的范围。同时传统的T/R组件采用“砖块”式结构，纵向尺寸较大，造成了共形相控阵系统体积大，重量沉，成本高等问题。这些都严重限制共形相控阵的其发展与应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种一体化圆柱共形相控阵天线，解决现有共形相控阵系统体积大，重量沉，成本高等问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种一体化圆柱共形相控阵天线，包括天线单元、T/R芯片、俯仰维功分和差网络、方位维功分和差网络、一分M功分网络及子阵模块电路，所述每个天线单元都与一块置于其背部的T/R芯片[9]通过探针进行垂直互联构成阵元，所述阵元按列排布，每列N个阵元作为一个子阵，每列子阵的T/R芯片与一个子阵模块电路连接，所述子阵模块电路[26]用于控制每列T/R芯片的工作状态，每列子阵的T/R芯片同时与一个俯仰维功分和差网络连接，所述俯仰维功分和差网络用于得到俯仰维的和/差信号，俯仰维功分和差网络的差信号端口与一分M功分网络连接，M为子阵的个数，所述一分M功分网络用于得到整体扇区的俯仰维的差信号；每列子阵在空间上按圆柱共形结构排列，在方位维360°实现覆盖，将方位维分为4个扇区，每个扇区覆盖90°范围，每个扇区内的列子阵的俯仰维功分和差网络与一个方位维功分和差网络[23]相连，所述方位维功分和差网络用于得到方位维的和/差信号。
优选地，所述天线单元包括上层PCB介质板、下层PCB介质板以及印刷在上层PCB介质板外表面的金属贴片,所述上层PCB介质板、下层PCB介质板通过金属键合环固定，且对上层PCB介质板、下层PCB介质板的内表面进行蚀刻以在二者间形成空气腔，所述下层PCB介质板四周周期性设有金属化过孔,所述上层PCB介质板、下层PCB介质板、金属化过孔围成一个腔体结构，然后通过探针进行背馈，与T/R芯片垂直互联构成阵元。
优选地，所述上层PCB板和下层PCB板均选用高阻硅作为介质板材，整体尺寸为9.9mm*9.9mm的矩形，其介电常数εγ＝11.9,电导率σ＝0.016S/m，厚度H＝0.9mm。
优选地，上层PCB介质板、下层PCB介质板大小均为长L＝9.9mm，宽W＝9.9mm；金属贴片的尺寸为：长L1＝6.4mm，宽W1＝4.4mm；金属键合环的宽度Wh＝0.7mm；蚀刻形成的空气腔的尺寸为：长L2＝2mm，宽W2＝2mm，深度H2＝0.3mm；下层PCB介质板的金属化过孔直径D＝0.2mm，间距P＝0.46mm；馈电探针直径Dt＝0.2mm。
优选地，所述俯仰维功分和差网络包括一个一分N功分网络和混合环，所述一分N功分网络和混合环级联，所述混合环用于对俯仰维的信号做和差。
优选地，所述方位维功分和差网络包括一个一分H功分网络和混合环，H表示一个扇区内的子阵个数，所述一分H功分网络和混合环级联，所述混合环用于做方位维的信号和差，得到方位维的差信号及整体和信号。
优选地，所述天线单元、T/R芯片位于圆柱共形结构的最表层，固定在子阵模块电路的PCB板上表面，所述俯仰维功分和差网络位于子阵模块电路PCB板的另一面。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)本发明实现了两维3dB波束宽度均达到110°，并且天线的辐射特性稳定，易于集成，成本低，便于大规模加工生产；(2)本发明采用多功能一体化的T/R芯片，体积小、重量轻，集成度高；(3)本发明提出的子阵模块化设计，对于子阵内部采用共同控制，大大减小了布线空间和维护的难度。
下面结合附图对本发明进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明一体化圆柱共形相控阵天线示意图。
图2为本发明天线单元的结构图，其中图(a)为三维图，图(b)为俯视图。
图3为实施例1俯仰维功分和差网络示意图，其中图(a)为原理框图，图(b)为结构图。
图4为实施例1方位维功分和差网络，其中图(a)为原理框图，图(b)为结构图。
图5为实施例1采用的T/R芯片的原理框图。
图6为本发明一体化圆柱共形相控阵天线的子阵模块电路的原理框图
图7为本发明的天线单元的反射系数。
图8为本发明的天线单元工作在中心频9GHz时的辐射方向图。
具体实施方式
一种一体化圆柱共形相控阵天线，包括天线单元1、T/R芯片9、俯仰维功分和差网络19、方位维功分和差网络23、一分M功分网络22及子阵模块电路26，所述每个天线单元1都与一块置于其背部的T/R芯片9通过探针进行垂直互联构成阵元，所述阵元按列排布，每列N个阵元作为一个子阵，每列子阵的T/R芯片9与一个子阵模块电路26连接，所述子阵模块电路26用于控制每列T/R芯片9的工作状态，每列子阵的T/R芯片同时与一个俯仰维功分和差网络19连接，所述俯仰维功分和差网络19用于得到俯仰维的和/差信号，俯仰维功分和差网络19的差信号端口与一分M功分网络22连接，M为子阵的个数，所述一分M功分网络22用于得到整体扇区的俯仰维的差信号；每列子阵在空间上按圆柱共形结构排列，在方位维360°实现覆盖，将方位维分为4个扇区，每个扇区覆盖90°范围，每个扇区内的列子阵的俯仰维功分和差网络19与一个方位维功分和差网络23相连，所述方位维功分和差网络23用于得到方位维的和/差信号。
某些实施例中，子阵模块化电路利用多层PCB板将一个子阵中的N个T/R芯片进行级联，实现利用一组控制信号控制一列N个T/R芯片的工作状态，以减少接出端口，方便布线与维护，整个T/R组件可共用时钟信号、片选信号、锁存信号和收发开关信号等。
阵元采用基于腔体结构的硅基天线，可以实现小体积可集成的两维宽角扫描。T/R组件采用多功能集成一体化的T/R芯片，重量轻，体积小，外部接口少，方便与天线集成。对于子阵内部的多个T/R芯片，利用多层PCB板对其进行级联，实现共同控制，最后引出一组控制信号及电源。射频信号通过多个射频网络进行合成，分别得到方位维、俯仰维的和差信号。
本发明的阵元选用高阻硅作为介质板材，一方面便于集成，一方面可以缩小体积，同时通过在介质中形成空气腔，以降低介电常数，减少损耗。整个天线由上下两块介质板构成，中间通过金属键合环进行连接与固定。同时在介质板周围打上周期性的金属化通孔，形成腔体结构，抑制表面波的同时增强阵元间的隔离度。
本发明选用多功能一体化的T/R芯片，芯片具有全套TR射频功能以及逻辑控制功能，集成了低噪声放大器、功率放大器、限幅器、功率开关、驱动放大器、六位数字移相、六位衰减芯片以及串口驱动等电路。芯片采用BGA封装，体积小重量轻，适于共形相控阵的要求。
进一步的实施例中，所述天线单元1包括上层PCB介质板2、下层PCB介质板3以及印刷在上层PCB介质板2外表面的金属贴片4,所述上层PCB介质板2、下层PCB介质板3通过金属键合环5固定，且对上层PCB介质板2、下层PCB介质板3的内表面进行蚀刻以在二者间形成空气腔6，所述下层PCB介质板3四周周期性设有金属化过孔7,所述上层PCB介质板2、下层PCB介质板3、金属化过孔7围成一个腔体结构，然后通过探针8进行背馈，与T/R芯片9垂直互联构成阵元。
进一步的实施例中，所述上层PCB板1和下层PCB板2均选用高阻硅作为介质板材，整体尺寸为9.9mm*9.9mm的矩形，其介电常数εγ＝11.9,电导率σ＝0.016S/m，厚度H＝0.9mm。
进一步的实施例中，上层PCB介质板2、下层PCB介质板3大小均为长L＝9.9mm，宽W＝9.9mm；金属贴片4的尺寸为：长L1＝6.4mm，宽W1＝4.4mm；金属键合环5的宽度Wh＝0.7mm；蚀刻形成的空气腔6的尺寸为：长L2＝2mm，宽W2＝2mm，深度H2＝0.3mm；下层PCB介质板3的金属化过孔直径D＝0.2mm，间距P＝0.46mm；馈电探针直径Dt＝0.2mm。
进一步的实施例中，所述俯仰维功分和差网络19包括一个一分N功分网络20和混合环21，所述一分N功分网络20和混合环21级联，所述混合环21用于对俯仰维的信号做和差。
进一步的实施例中，所述方位维功分和差网络23包括一个一分H功分网络24和混合环25，H表示一个扇区内的子阵个数，所述一分H功分网络24和混合环25级联，所述混合环25用于做方位维的信号和差，得到方位维的差信号及整体和信号。
进一步的实施例中，所述天线单元1、T/R芯片9位于圆柱共形结构的最表层，固定在子阵模块电路26的PCB板上表面，所述俯仰维功分和差网络19位于子阵模块电路26PCB板的另一面。
实施例1
如图1所示，一种一体化圆柱共形相控阵天线，整体阵面32*8，将方位维360°的范围分为4个扇区，每个扇区覆盖90°范围，每个扇区内，是8*8的阵面，将一列的阵元作为一个子阵。
如图2所示，本发明设计的基于腔体结构的可集成天线单元包括上层PCB介质板、下层PCB介质板、金属贴片、金属键合环、空气腔及金属化过孔,其中上下两层PCB介质板通过中间的金属键合环固定，并且两块PCB介质板各蚀刻掉一部分，形成空气腔，以降低介电常数。上层PCB介质板的外表面印刷矩形金属贴片，下层介质板四周周期性的打上金属化过孔形成腔体结构。天线单元通过探针8进行背馈，方便与后端的T/R芯片实现集成。所述上层PCB板1和下层PCB板均选用高阻硅作为介质板材，整体尺寸为9.9mm*9.9mm的矩形，其介电常数εγ＝11.9,电导率σ＝0.016S/m，厚度H＝0.9mm，两层介质板间有0.003mm的空气间隙。PCB板大小L＝9.9mm，W＝9.9mm；天线贴片的尺寸L1＝6.4mm，W1＝4.4mm；键合环的宽度Wh＝0.7mm；被挖去空气腔的尺寸L2＝2mm，W2＝2mm，H2＝0.3mm；下层介质板中的金属化过孔直径D＝0.2mm，间距P＝0.46mm；馈电探针直径Dt＝0.2mm。
如图7、8所示，本实施例的一体化圆柱共形相控阵天线，VSWR低于2:1的工作频带为8.7GHz～9.34GHz，相对带宽7％，最大增益可以达到4.91dBi，9GHz时的E面和H面方向图具有良好的对称性。
如图3所示，多功能一体化的T/R芯片的原理框图，芯片集成了低噪声放大器10、功率放大器11、限幅器12、功率开关13、六位数字移相14、六位衰减芯片15以及串口驱动18等电路，为+5V/-5V电源工作，采用26位串口控制，在8～12GHz内提供4°的移相精度、0.3dB的衰减精度，接收方向增益30dB、P-1 4dBm、噪声系数3.0dB，发射方向小信号增益20dB、输出饱和功率30dBm，输入驻波1.6、输出驻波2.0，接收端可承受2W功率。
如图4所示，本实施例俯仰维功分和差网络主要包含两个一分四的功分网络和一个混合环，主要实现一列子阵内部的射频功分，并通过混合环做俯仰维和差，得到俯仰维的和信号及差信号，其中网络的接口通过SMA与T/R芯片的射频端口垂直互联。多列俯仰维差信号又通过一个一分八的功分网络22得到整体扇区俯仰维的和信号。
如图5所示，本实施例方位维功分和差网络包含两个一分四的功分网络和一个混合环，主要实现多列子阵之间的射频功分，并通过混合环做方位维和差，得到方位维的差信号及整体和信号。
如图6所示，子阵模块化电路将一个子阵中的8个T/R芯片进行级联，实现共同控制，以减少接出端口，方便布线与维护。整个T/R组件可共用时钟信号、片选信号、锁存信号和收发开关信号等。

Claims (6)

1.一种一体化圆柱共形相控阵天线，其特征在于，包括天线单元(1)、T/R芯片(9)、俯仰维功分和差网络(19)、方位维功分和差网络(23)、一分M功分网络(22)及子阵模块电路(26)，每个所述天线单元(1)都与一块置于其背部的T/R芯片(9)通过探针进行垂直互联构成阵元，所述阵元按列排布，每列N个阵元作为一个子阵，每列子阵的T/R芯片(9)与一个子阵模块电路(26)连接，所述子阵模块电路(26)用于控制每列T/R芯片(9)的工作状态，每列子阵的T/R芯片同时与一个俯仰维功分和差网络(19)连接，所述俯仰维功分和差网络(19)用于得到俯仰维的和/差信号，俯仰维功分和差网络(19)的差信号端口与一分M功分网络(22)连接，M为子阵的个数，所述一分M功分网络(22)用于得到整体扇区的俯仰维的差信号；每列子阵在空间上按圆柱共形结构排列，在方位维360°实现覆盖，将方位维分为4个扇区，每个扇区覆盖90°范围，每个扇区内的列子阵的俯仰维功分和差网络(19)与一个方位维功分和差网络(23)相连，所述方位维功分和差网络(23)用于得到方位维的和/差信号；
所述天线单元(1)包括上层PCB介质板(2)、下层PCB介质板(3)以及印刷在上层PCB介质板(2)外表面的金属贴片(4),所述上层PCB介质板(2)、下层PCB介质板(3)通过金属键合环(5)固定，且对上层PCB介质板(2)、下层PCB介质板(3)的内表面进行蚀刻以在二者间形成空气腔(6)，所述下层PCB介质板(3)四周周期性设有金属化过孔(7),所述上层PCB介质板(2)、下层PCB介质板(3)、金属化过孔(7)围成一个腔体结构，然后通过所述探针(8)进行背馈，与T/R芯片(9)垂直互联构成阵元。
2.根据权利要求1所述的一体化圆柱共形相控阵天线，其特征在于，所述上层PCB介质板(2)和下层PCB介质板(3)均选用高阻硅作为介质板材，整体尺寸为9.9mm*9.9mm的矩形，其介电常数εγ＝11.9,电导率σ＝0.016S/m，厚度H＝0.9mm。
3.根据权利要求1所述的一体化圆柱共形相控阵天线，其特征在于，上层PCB介质板(2)、下层PCB介质板(3)大小均为长L＝9.9mm，宽W＝9.9mm；金属贴片(4)的尺寸为：长L1＝6.4mm，宽W1＝4.4mm；金属键合环(5)的宽度Wh＝0.7mm；蚀刻形成的空气腔(6)的尺寸为：长L2＝2mm，宽W2＝2mm，深度H2＝0.3mm；下层PCB介质板(3)的金属化过孔直径D＝0.2mm，间距P＝0.46mm；馈电探针直径Dt＝0.2mm。
4.根据权利要求1所述的一体化圆柱共形相控阵天线，其特征在于，所述俯仰维功分和差网络(19)包括两个一分N/2功分网络(20)和混合环(21)，所述一分N/2功分网络(20)和混合环(21)级联，所述混合环(21)用于对俯仰维的信号做和差。
5.根据权利要求1所述的一体化圆柱共形相控阵天线，其特征在于，所述方位维功分和差网络(23)包括两个一分H/2功分网络(24)和混合环(25)，所述一分H/2功分网络(24)和混合环(25)级联，所述混合环(25)用于做方位维的信号和差，得到方位维的差信号及整体和信号，H表示一个扇区内的子阵个数。
6.根据权利要求1所述的一体化圆柱共形相控阵天线，其特征在于，所述天线单元(1)、T/R芯片(9)位于圆柱共形结构的最表层，固定在子阵模块电路(26)的PCB板上表面，所述俯仰维功分和差网络(19)位于子阵模块电路(26)PCB板的另一面。
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