CN109755758A - 一种超宽带宽波束低轮廓背腔天线结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超宽带宽波束低轮廓背腔天线结构，包括从上到下依次设置的引向介质基板、馈电基板以及反射腔体，所述馈电基板为多层层压基板结构，所述上馈电基板层、中间馈电基板层和下馈电基板层通过压合工艺压合为一体。上述天线结构突破了已有低轮廓背腔缝隙天线工作带宽限制，相对带宽可达40％～78％，且能够在±65°方向上具有较高的增益，拓宽了低轮廓背腔天线的应用场合。

Description

一种超宽带宽波束低轮廓背腔天线结构

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及一种覆盖三个波段宽波束低轮廓背腔天线，可作为射频收发前端的天线，广泛应用在雷达、通信等无线系统，特别适合于接收信号弱，需要宽带高增益天线的应用场合。

背景技术

作为关键部件，高性能的天线不但可以显著提高雷达系统的性能，获取良好的接收效果，同时可以极大地缓解后续射频电路的指标压力，降低雷达系统的成本。在雷达应用场合，对天线的需求不仅仅是优异的辐射性能，还包括覆盖区域、体积重量等方面的要求。

当前，为实现超宽带宽波束的天线结构，多利用纯金属结构的Vivaldi天线形式。该天线形式具有一定的带宽优势，但是重量相对较重，且很难实现低剖面性能。而选择印制板形式的天线虽然可以获得相对较宽的带宽，重量也相对较轻，但是天线剖面较高。为此，又出现了用印制板形式的平面螺旋天线，其一般通过加载电阻或者使用高介电常数的介质加载实现天线一定程度上的低剖面结构，然而这种天线结构一般损耗较大，增益偏低，且其极化方向固定，多用于定极化的使用场合。

如图1所示，中国专利文献CN105703064A公开了一种具备低剖面、高极化纯度和宽带的金属背腔双极化宽带辐射单元，其包括从上到下依次设置的第三馈电基板3和第四馈电基板40，屏蔽板100粘接在馈电基板4的下表面，金属背腔50上表面中心开有两个正交的长圆盲孔，屏蔽板100和金属背腔50的垂直中心线重合。然而，由于上述辐射单元的第三馈电基板30和第四馈电基板40单独制作再进行组装，装配误差相对较大，难以保证上下两块馈电基板精确地保持在同一垂直中心线上。屏蔽板100通过粘接定位在第四馈电基板的下表面，也不容易实现与上面的馈电基板垂直中心线重合。同时，由于屏蔽板100设置在四馈电基板下表面，使得第三馈电基板与第四馈电基板的微带线耦合相对较弱；此外，该辐射单元的背腔形状固定，无法在更宽的带宽条件下调节天线的波束宽度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种超宽带宽波束低轮廓背腔天线结构，该天线结构具有工作频带宽、增益高、辐射效率好、体积紧凑结构简单、易于设计加工、成本低廉等优点。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种超宽带宽波束低轮廓背腔天线结构，包括从上到下依次设置的引向介质基板、馈电基板以及反射腔体，所述馈电基板包括上馈电基板层、中间馈电基板层、下馈电基板层，所述上馈电基板层布置有第一金属微带线，所述下馈电基板层布置有第二金属微带线，中间馈电基板层设有避让孔，所述馈电基板为多层层压基板结构，所述上馈电基板层、中间馈电基板层和下馈电基板层通过压合工艺压合为一体。

进一步地，所述引向介质基板、馈电基板以及反射腔体均为圆形部件，且上述各部件的垂直中心线重合。

进一步地，所述反射腔体为金属材质，该金属反射腔体为具有倾斜反射面的环形看台结构。

进一步地，所述反射腔体还包括一底面反射板，该底面反射板与所述倾斜发射面形成预定角度。

进一步地，所述底面反射板包括一金属材质的反射支撑板，该反射支撑板组装在反射腔体底面。

进一步地，所述反射腔体为一体成型结构。

进一步地，所述反射腔体底面具有多个窗口。

进一步地，所述第一金属微带线与中间馈电基板层，以及该中间馈电基板层与所述第二金属微带线之间均通过金属探针过层连接。

进一步地，所述第二金属微带线通过同轴探针馈电，该同轴探针穿过所述窗口。

进一步地，所述同轴探针外侧设有震动缓冲装置。

进一步地，所述引向介质基板与馈电基板之间通过塑料螺钉锁紧。

进一步地，所述引向介质基板与馈电基板之间形成空气间隙。

由于采用上述方案，与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

该天线结构突破了已有低轮廓背腔缝隙天线工作带宽限制，相对带宽可达40％～78％，且能够在±65°方向上具有较高的增益，拓宽了低轮廓背腔天线的应用场合。

附图说明

图1是现有技术公开的金属背腔双极化宽带辐射单元结构示意图；

图2是根据本发明实施例的天线整体结构示意图；

图3是根据本发明实施例的低频波段金属反射腔体的结构示意图；其中，图3(c)为图3(a)沿L-L向剖视图；

图4是安装在图3金属反射腔体上的反射支撑板结构示意图；

图5是图3、图4所示的低频波段金属反射腔体的立体结构示意图；

图6是根据本发明实施例的高频波段的金属反射腔体结构示意图；其中，其中6(b)为6(a)沿M-M向剖视图，图6(c)为高频波段金属反射腔体的立体结构示意图；

图7是根据本发明实施例的超宽带宽波束低轮廓背腔天线结构整体立体结构示意图；

图8是本发明提出的超宽带宽波束低轮廓天线的低频波段E面(8(a))和H面(8(b))方向图仿真结果；

图9是本发明提出的超宽带宽波束低轮廓天线的高频波段E面(9(a))和H面(9(a))方向图仿真结果。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行更加详细地描述。

如图2所示，本发明提出的超宽带宽波束低轮廓背腔天线结构包括引向介质基板、馈电基板以及反射腔体。

引向介质基板包括第一引向介质基板1和第二引向介质基板2。根据本发明优选的实施例，所述第一引向介质基板1和第二引向介质基板2均为圆形基板。为提高天线的增益，所述引向介质基板可以设置第三引向介质基板，或更多的引向介质基板。优选地，所述引向介质基板具有相同或相似的结构。

所述第一引向介质基板1和第二引向介质基板2优选为圆形形状，厚度大于3mm，优选为5mm。通过将所述引向介质基板设计为较厚的圆形，可以在不增加天线高度的情况下保证低轮廓和方向图的一致性，也可以有效地展宽天线的波束宽度。

所述第一引向介质基板1和第二引向介质基板2可以采用粘结剂粘接为一体。根据优选的实施例，该粘结剂为环氧树脂，且选择为与介质基板材质相同的材料。由于在两引向介质基板之间使用与引向介质基板材质相同的粘结剂，开减小电磁波经过粘接交界面时产生的反射和折射，从而降低粘结剂对天线的影响。

所述第一引向介质基板1设有第一引向辐射贴片6，所述第二引向介质基板2设有第二引向辐射贴片7。所述引向介质基板采用PCB多层板压合结构，上表面利用刻蚀工艺形成金属引向片，中间层利用刻蚀工艺形成大小不同的金属引向片，以增强天线的定向辐射能力。

在本发明另外的实施例中，所述引向辐射贴片也可以完全埋设在对应的引向介质基板中，不与空气接触。

与所述引向介质基板形状相对应，所述第一引向辐射贴片6和第二引向辐射贴片7均为圆形。通过将所述引向辐射贴片设计为圆形，可以保证天线在相互正交的两个方向上具有高度的极化一致性，降低方向图的不圆率。所述第一引向辐射贴片6、第二引向辐射贴片7大小相同或大小不同。

在本发明另外的实施例中，所述馈电基板为多层层压基板结构，包括上馈电基板层3、中间馈电基板层4、下馈电基板层5，所述上馈电基板层3、中间馈电基板层4和下馈电基板层5通过压合工艺压合为一体。根据本发明的实施例，所述馈电基板为圆形形状。

本发明通过将所述上馈电基板层3、中间馈电基板层4和下馈电基板层5通过压合工艺压合为一体，可以减小由于人工组装产生的误差，能够保证组件的安装精度。

所述上馈电基板层3布置有第一金属微带线8，所述下馈电基板层5布置有第二金属微带线9，所述第一微带线8和第二微带线9相互正交。所述中间馈电基板层4为一金属片构成的地板，该金属片采用刻饰工艺形成一十字形缝隙。所述十字形缝隙形成避让孔，所述第一微带线8与该金属片以及该金属片与所述第二微带线9之间通过金属探针过层连接，从而实现馈电端口的层间转移。

根据本发明的实施例，所述第二微带线9通过同轴探针直接馈电，所述第一微带线8通过探针过层馈电。由于所述第一微带线8与第二微带线9分别分布在所述中间馈电基板层4的两侧上，有效地隔离了两个馈电端口，保证了天线良好的隔离度。同时，所述第一微带线8和第二微带线9之间通过中间馈电基板层4的十字形缝隙加强耦合。

本发明采用表贴的同轴探针(未图示)为天线馈电，同轴探针悬空设置在馈电基板下方。为避免在高强度震动冲击的环境下天线的可靠性受到影响，本发明在同轴探针外周套设一缓冲限位装置(未图示)。该缓冲限位装置为环形件或筒形件，该环形件或筒形件的内径与同轴探针外径大致相同，从而在高强度震动冲击的环境下保持馈电探针稳固地定位，而不影响天线的可靠性。优选地，所述环形件或筒形件内填充弹性材料，该弹性材料与同轴探针外表面接触。

所述的第一引向介质基板1、第二引向介质基板2与所述多层馈电基板保持相对固定连接。根据本发明的实施例，所述引向介质基板与所述多层馈电基板之间可通过绝缘材料制成的紧固件锁紧，例如上馈电基板层3与第二引向介质基板2之间设置3个以上(例如4个)塑料螺钉紧固。

当上馈电基板层3与第二引向介质基板2之间以塑料螺钉紧固时，第二引向介质基板2与上馈电基板层3之间留有预定大小的空气间隙。根据本发明的实施例，该空气间隙为0.5-1.6mm，优选为1mm。

所述引向介质基板与多层馈电基板固定在一金属反射腔体10上。根据本发明的实施例，引向介质基板、多层馈电基板组合体通过金属紧固件，如螺钉固定在该金属反射腔体10上。

根据本发明的实施例，所述第一引向介质基板1、第二引向介质基板2、上馈电基板层3、中间馈电基板层4、下馈电基板层5以及金属反射腔体10均为圆形，且上述各部件的垂直中心线重合。

图3示出了根据本发明实施例的低频波段金属反射腔体结构。如图所示，该低频波段金属反射腔体10为内表面具有预定倾斜角度的环形看台结构。该低频波段金属反射腔体10基本上为一圆环形金属壳体，用于调节天线波束宽度。该圆环结构的厚度从反射腔体顶面向底面逐渐增加，即该圆环结构的内径从馈电基板安装侧(该圆环结构的顶面)向另一侧(该圆环结构的底面)逐渐减小，进而该圆环结构内表面形成相对该圆环结构底面倾斜预定角度的斜面。所述斜面形成能够向上反射能量，以激励所述第一引向辐射贴片6和第二引向辐射贴片7的反射面101。

图3(c)为图3(a)L-L向剖视图。如图所示，所述反射面101相对于反射腔体10底面形成倾斜角A。研究发现，该反射面101的倾斜角度相对较大时，其激励效果较好。根据本发明优选的实施方式，该倾斜角A在120-155度之间。

所述圆环结构内表面向内突出设有多个安装座102，安装座上设有延圆环结构轴向延伸的安装孔103，用于将所述引向介质基板、多层馈电基板组合体通过螺钉固定在该金属反射腔体10上。优选地，所述安装座为4个，均匀分布在圆环结构的内侧。

根据本发明的实施例，该圆环结构在馈电基板安装侧形成有台阶部107，该台阶部形成环形槽，该环形槽的内径与所述引向介质基板、馈电基板的外径相适配，使得在引向介质基板、馈电基板安装在低频波段金属反射腔体10上时，至少馈电基板沿厚度方向的一部分容置在该环形槽中。采用上述结构，进一步降低了天线整体结构的高度。

所述低频波段金属反射腔体10还包括一金属材质的反射支撑板120，其结构如图4所示。该反射支撑板120包括圆形部以及由圆形部沿径向向外延伸形成的多个支臂121。所述支臂121外侧形成具有安装孔123的安装部122，用于将反射支撑板129安装在所述低频波段金属反射腔体10底面。

参照图3(b)，根据本发明优选的实施例，所述低频波段金属反射腔体10底面104对应所述安装座形成有多个安装槽105，所述安装槽105与支臂的安装部122形状相适配，所述安装部122能够容置在所述安装槽105内，使得所述反射支撑板安装在所述低频波段金属反射腔体10底面时，该发射支撑板底面与所述低频波段金属反射腔体10底面基本平齐，如图3(c)所示。采用上述结构，进一步降低了天线整体结构的高度。

根据本发明优选的实施例，所述支臂为4个，周向均匀地分布在圆形部上。所述支臂121具有与圆形部共圆心的扇形形状。该反射支撑板120设置在低频波段金属反射腔体10圆环结构的底面。因此，如图3(c)所示，当所述反射支撑板120安装在所述低频波段金属反射腔体10底面104上时，所述反射支撑板120与圆环结构的内表面围成多个窗口。优选地，所述窗口为与所述圆环共心的扇形，如图5所示。

在现有技术中，由于反射背腔采用盲孔结构，且屏蔽板在第四馈电基板的下层，在垂直方向上没有过孔，因此只能采取侧馈电方式。本发明通过在金属反射腔体底面设置多个扇形窗口，馈电元件可以从反射腔体底面进入，即采用下馈电方式，同时馈电基板采用多层层压基板结构，因此进一步提高了装置的加工精度和安装精度。

同时，与现有技术开盲孔结构的反射腔体相比，本发明通过所述倾斜反射面与底板共同构成反射腔体。同时在底板上开窗，既可以避让馈电同轴装置，也可以用作反射腔体。连续变化的金属看台圆环的内径结构对应了不同频率的半波长，可以获得大带宽、大角度的波束。

所述低频波段金属反射腔体10采用上述结构，一方面保证了宽带情况下方向图的一致性，另一方面由于反射支撑板上开窗，既能用作同轴探针的安装孔，也可以有效的改善腔体内部的谐振模式，可以产生0°方向凹陷和±65°方向具有较高增益的苹果形状的方向图。

图6示出了根据本发明实施例的超宽带宽波束低轮廓背腔天线结构的高频波段金属反射腔体20。如图所示，该高频波段金属反射腔体20也为一圆环形金属壳体，用于调节天线波束宽度。所述高频波段金属反射腔体为一体结构，包括设置外圆环、设置在圆环中心底部的反射板204以及连接在所述外圆环与发射板204之间的多个楔形臂。根据本发明的实施例，所述楔形臂为4个，相邻两个楔形臂之间形成一窗口。优选地，所述窗口为与所述圆环共圆心的扇形，如图6(c)所示。

所述楔形臂的下表面为平面，并与所述反射板204共面，构成该高频波段金属反射腔体20的底面。所述楔形臂的上表面包括一相对于所述反射板204倾斜预定角度的斜面203，该斜面203形成能够向上反射能量，以激励引向辐射贴片的反射面。根据本发明的实施例，所述斜面203与反射板204之间的夹角B在115-145度之间。

所述楔形臂上还设有安装座201，该安装座201具有安装孔202，用于定位引向介质基板、馈电基板。

所述高频波段金属反射腔体采用上述结构，一方面保证了宽带情况下方向图的一致性，另一方面由于反射支撑板外形成开窗，既能用作同轴探针的安装孔，也可以有效的改善腔体内部的谐振模式。

与所述低频波段金属反射腔体10相类似，高频波段金属反射腔体的圆环结构在顶面也形成有台阶部，该台阶部形成的环形凹槽206的内径与所述引向介质基板、馈电基板的外径相适配，使得在引向介质基板、馈电基板安装在高频波段金属反射腔体上时，至少馈电基板沿厚度方向的一部分容置在该环形凹槽206中。采用上述结构，进一步降低了天线整体结构的高度。

所述引向介质基板、馈电基板以及反射腔体构成了本发明提出的超宽带宽波束低轮廓背腔天线结构的天线，该天线放置于支撑平台11上。如图7所示，该支撑平台11为圆盘形结构，直径约为150mm。

支撑平台11沿第一直径设有两个圆形孔槽，每个圆形孔槽内周均设有多个缺口。所述缺口的形状、位置、数量与所述支撑板的支臂相对应。根据本发明优选的实施例，每个圆形孔槽设有4个缺口。两个低频波段的天线分别定位在两个圆形孔槽中。

支撑平台11沿与第一直径垂直的第二直径设置两个高频波段的天线，使得两个低频波段的天线分别位于两个高频波段天线之间连线的两侧，两个高频波段的天线分别位于两个低频波段天线之间连线的两侧。所述低频波段的天线尺寸大于所述高频波段的天线。

两个高频波段天线的金属反射腔体通过多个定位柱安装在支撑平台11上，使得高频波段天线与支撑平台11上表面间隔预定距离。所述支撑平台1在每个高频波段天线与两个低频波段天线之间均形成有长条形开口，用于对高低波段天线进行隔离。优选地，所述长条形开口邻近高频波段天线的中间部分的宽度大于远离高频波段天线的两端部分的宽度。

本发明提供的超宽带低轮廓背腔集成天线在普通的介质基片上采用平面电路加工技术制造等效于传统金属腔体的新型低轮廓背腔结构，从而极大地减小背腔天线的体积。

与传统背腔天线需要精密的机械加工不同的是，本发明提供的天线及其后续的馈电网络可以采用普通的平面电路工艺制作，如印刷电路板、低温共烧陶瓷等，制作成本显著降低，并可与平面电路实现无缝集成。

与由相同的辐射单元构成的平面天线相比，本发明通过引入具有前述结构的背腔结构，显著提高了天线的效率和增益。同时，金属条带开口边沿与辐射单元之间相互耦合，使得在金属条带覆盖的腔体区域产生新的寄生腔体谐振模式，从而极大地展宽了天线的工作带宽；具有一定倾角的金属看台背腔结构能够改变天线能量的空间分布，显著地提高了天线的波束宽度。

图8是本发明提出的超宽带宽波束低轮廓天线的低频波段E面和H面方向图仿真结果。由图中可见，在未加具有一定倾角的金属看台背腔结构时，±65°方向的仿真增益为-5dB，改善背腔结构以后，±65°方向的仿真增益为-3dB。

图9是本发明提出的超宽带宽波束低轮廓天线的高频波段E面和H面方向图仿真结果。由图中可见，在未加具有一定倾角的金属看台背腔结构时，±65°方向的仿真增益为-8dB，改善背腔结构以后，±65°方向的仿真增益为-4dB。

根据实验结果，在本发明的一实施例中，天线的阻抗带宽VSWR<2.5的覆盖三个波段，达到2～5个倍频程，带宽达到78％；在±65°方向的仿真增益-3dB，实测增益-4dB。

Claims (10)

1.一种超宽带宽波束低轮廓背腔天线结构，包括从上到下依次设置的引向介质基板、馈电基板以及反射腔体，所述馈电基板包括上馈电基板层、中间馈电基板层、下馈电基板层，所述上馈电基板层布置有第一金属微带线，所述下馈电基板层布置有第二金属微带线，中间馈电基板层设有避让孔，其特征在于：所述馈电基板为多层层压基板结构，所述上馈电基板层、中间馈电基板层和下馈电基板层通过压合工艺压合为一体。

2.根据权利要求1所述的超宽带宽波束低轮廓背腔天线结构，其特征在于：所述引向介质基板、馈电基板以及反射腔体均为圆形部件，且上述各部件的垂直中心线重合。

3.根据权利要求1所述的超宽带宽波束低轮廓背腔天线结构，其特征在于：所述反射腔体为金属材质，该金属反射腔体为具有倾斜反射面的环形看台结构。

4.根据权利要求2所述的超宽带宽波束低轮廓背腔天线结构，其特征在于：所述反射腔体还包括一底面反射板，该底面反射板与所述倾斜发射面形成预定角度。

5.根据权利要求4所述的超宽带宽波束低轮廓背腔天线结构，其特征在于：所述底面反射板包括一金属材质的反射支撑板，该反射支撑板组装在反射腔体底面。

6.根据权利要求3或4所述的超宽带宽波束低轮廓背腔天线结构，其特征在于：所述反射腔体为一体成型结构。

7.根据权利要求1-5任一项所述的超宽带宽波束低轮廓背腔天线结构，其特征在于：所述反射腔体底面具有多个窗口。

8.根据权利要求7所述的超宽带宽波束低轮廓背腔天线结构，其特征在于：所述第一金属微带线与中间馈电基板层，以及该中间馈电基板层与所述第二金属微带线之间均通过金属探针过层连接。

9.根据权利要求7所述的超宽带宽波束低轮廓背腔天线结构，其特征在于：所述第二金属微带线通过同轴探针馈电，该同轴探针穿过所述窗口。

10.根据权利要求9所述的超宽带宽波束低轮廓背腔天线结构，其特征在于：所述同轴探针外侧设有震动缓冲装置。