CN109755763A - S/Ku双频共口径线极化相控阵扫描天线 - Google Patents

Abstract

发明提出了一种S/Ku双频共口径线极化相控阵扫描天线，旨在提供一种易实现双极化、加工简单的复合天线。本发明通过下述技术方案实现：Ku频段微带贴片阵列分布在介质板的十字交叉矩形平面上形成Ku频段微带阵面，Ku阵面为切角阵，四个顶角处切角的Ku阵面贴合于圆口径天线安装板上；四个S频段偶极子振子组成的方阵镶嵌于Ku波段微带阵面内，其余阵列S频段偶极子振子以四个S频段偶极子振子方阵为中心阵列为同心圆阵分布的阵列圆形阵，并列于Ku频段微带阵面范围之外，S频段偶极子通过法兰盘固定于天线安装板上，并且偶极子单元在10％的相对带宽内驻波比为1.5；Ku频段微带阵面与后端射频组件连接采用带状线转射频同轴馈电形式。

Description

S/Ku双频共口径线极化相控阵扫描天线

技术领域

本发明涉及一种天线技术领域中的S/Ku共口径双频线极化相控阵扫描天线。

技术背景

传统的雷达扫描天线是将一般天线阵列安装一个机械结构上，通过控制机械结构使天线主瓣方向改变，从而实现对空间的扫描。这类天线扫描完全依赖于机械结构，势必会引入机械旋转的问题，如扫描灵敏度低，扫描精度差，需要提供足够安装空间等。随着雷达的快速发展，并且相控阵天线在结构尺寸、成本及可靠性等诸多方面的明显优势，运动平台的相控阵雷达天线也已经由固定波束机械扫描阵列天线逐渐向相控阵雷达天线过渡，有些运动平台甚至要求同一平台上布局多个频段的相控阵雷达天线。以往，地面相控阵雷达天线由于在空间、尺寸上的自由度较高，其解决多频段布局的常规做法就是每个雷达使用一个频段天线,但对于运动平台，为满足小型化便携的要求，空间位置十分有限，故而就需要采用共口径技术。共口径相控阵天线的优势在于可以把频率、极化特性不同的多个天线合理设计在同一口径内，在保持天线结构紧凑的同时，还具有多频、多极化工作的性能。除此以外多频段复合对天线罩的适应能力也更强，一般来说高频段精度高，但受天线罩，特别是天线罩烧蚀的影响大，采用多频段、高低频结合就可以实现取长补短；而且现代战场干扰环境恶劣，可能采用箔条、角反射器、有源干扰机等对雷达进行干扰，除了设计上采取多种措施提高抗干扰能力，也需要通过双频天线特性提高系统的抗干扰能力。S频段相控阵天线探测距离远，搜索的范围大，可以极大增加运动平台远距离的跟踪和截获性能；Ku频段相控阵天线则可以提供更高分辨率的图像，因此，适用于运动平台的雷达相控阵S/Ku双频共口径天线的需求逐渐被提出。

为了实现双频段共孔径，两个频段的天线单元必须在立体空间分布，且天线单元形式要选择适当，使不同工作频率的天线单元尽量少遮蔽及耦合。首先，对于Ku频段来说,其频率范围为12-18GHz，故而工作波长较短，扫描角度的大小对共口径天线结构布局有较大的限制；而S频率范围为1.55-3.4GHz，故而单元尺寸较大，在有限的尺寸空间内单元数量分布较少，欲满足雷达的高功率指标要求，对S频段单元天线的功率容量则提出了更高的要求。

中国专利公开号(SN106252858.A)公开的S/X波段共口径小型化平面天线，其中S及X频段单元均采用微带贴片形式，功率容量无法满足高功率发射的需求。中国专利公开号(SN106558764.A)公开的一种馈电结构及双频共口径天线也采用微带辐射贴片形式，且馈电方式为侧馈，不能满足结构紧凑的需求。中国专利(SN107689490.A)公开的双一种基片集成波导加载的Ka和Ku雷达工作频段共口径双频阵列天线均采用偶极子形式，不便于多元天线阵列固定及安装，中国专利公开号(SN105846114.A)公开的双波段共口径天线采用了波导缝隙和长槽天线共口径设计，但是该发明只针对诸如C和L波段等频率间隔较小，单元尺寸相近的布阵方式。综上所述，上述专利中的设计均无法适用于诸如S/Ku共口径一类频率间隔较大，且低频天线需要大功率容量的设计需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种具有易实现双极化、装配、加工简单的S/Ku共口径复合天线。

本发明解决所述问题的技术方案是：一种S/Ku双频共口径线极化相控阵扫描天线，包括：按圆阵阵列分布在所述天线安装板上的S频段偶极子天线1和按面阵行列覆盖在天线安装板上的Ku频段微带贴片2，其特征在于：Ku频段微带贴片2阵列分布在介质板的十字交叉矩形平面上，形成Ku频段微带阵面，Ku阵面为切角阵，切角阵的四个顶角处切角的Ku阵面贴合于圆口径天线安装板上；四个S频段偶极子振子组成的方阵镶嵌于Ku波段微带阵面内，其余阵列S频段偶极子振子以四个S频段偶极子振子方阵为中心，阵列为同心圆阵分布的阵列圆形阵，并列于Ku频段微带阵面范围之外，S频段偶极子通过法兰盘固定于天线安装板上，并且偶极子单元在10％的相对带宽内驻波比为1.5以下；Ku频段微带阵面与后端射频组件连接，采用带状线转射频同轴馈电形式。

本发明具有如下有益效果：

本发明天线阵列理论在利用传统单极子天线和微带贴片天线的基础上，均采用的小型化设计。S频段偶极子采用弯折形式，经过优化可使弯折垂直部分与水平部分长度比达到2.1:1，圆形阵分布既可满足直径为335mm的口径需求，同时，由于镶嵌在Ku阵面的S频段振子数量少，也可极大降低S频段振子天线对Ku频段贴片的辐射遮挡，降低阵元间的辐射互耦，该偶极子单元在10％的相对带宽内驻波比达到1.5以下；Ku与后端射频组件的连接以每四个单元为一组，将馈电端口转接到四个单元几何中心位置，从而提升阵面与后端射频组件集成度，Ku频段微带贴片内部采用微带缝隙耦合馈电技术以提升交叉极化隔离度，带状线给辐射贴片馈电端利用电容加载技术以实现共轭匹配，提升天线驻波带宽。在S/Ku频段均可实现驻波比优于1.5，交叉极化隔离度均优于22dB，S频段阵面可实现±30°波束扫描范围，Ku频段阵面可实现±55°波束扫描范围。

本发明具有结构紧凑、重量轻、双波段、高隔离、易集成的特点，适用于雷达相控阵扫描天线阵面。

附图说明

图1是本发明S/Ku双频共口径线极化相控阵扫描天线阵面分布示意图；

图2是S频段偶极子单元的立体结构示意图；

图3是Ku频段贴片单元的俯视图；

图4是Ku频段贴片单元的侧视图；

图中：1.S频段偶极子振子，2.Ku频段微带贴片，3.振子辐射臂，4.法兰盘，5.平垫，6.弹垫，7.螺母，8.S频段介质填充螺杆馈电线，9.Ku频段辐射贴片，10.Ku频段缝隙耦合开槽板，11.带状线，12.导体地板，13.屏蔽柱，14.Ku频段同轴馈电线，15.第一层介质板，16.第二层介质板，17.第三层介质板。

具体实施方式

参阅图1，在以下描述的实施例中，S/Ku双频共口径线极化相控阵扫描天线，包括：按圆阵阵列分布在所述天线安装板上S频段偶极子天线(1)和按面阵进行行列分布覆盖在介质板上的Ku频段微带贴片2。Ku频段微带贴片2阵列分布在介质板的十字交叉矩形平面上形成Ku频段微带阵面，Ku频段微带贴片2阵列分布在介质板的十字交叉矩形平面上形成Ku频段微带阵面，Ku阵面为24×24的切角阵，四个顶角处切角4×4的Ku阵面贴合于圆口径天线安装板上；四个S频段偶极子振子组成的方阵镶嵌于Ku波段微带阵面内，其余阵列S频段偶极子振子以四个S频段偶极子振子方阵为中心阵列为同心圆阵分布的阵列圆形阵，并列于Ku频段微带阵面范围之外，S频段偶极子通过法兰盘固定于天线安装板上，并且偶极子单元在10％的相对带宽内驻波比为1.5以下；Ku频段微带阵面与后端射频组件连接采用射频同轴转带状线馈电形式。四个S频段偶极子振子组成的第一内圈阵列镶嵌于Ku波段微带阵面中部，第二及第三外圈阵列S频段偶极子振子阵列于Ku频段微带阵面范围之外，上述三圈阵列为同心圆；Ku频段微带阵面与后端射频组件连接采用射频同轴转带状线馈电，以每四个单元为一组，将馈电端口转接到四个单元几何中心位置。S与Ku频段的阵列和馈电系统安排在同一辐射口径下，构成双频波段共用口径阵列，将有效减小天线尺寸和重量，整个阵列结构的对称性极佳。在实施例中，Ku频段微带阵面采用焊接方式贴合于天线安装板上，S波段的S频段偶极子振子1通过方形圆导角的法兰固定孔以及同轴馈电线上的安装螺纹配合螺钉加固定位于天线安装板上。

参阅图2，S频段偶极子振子1具有一个由两根共轴直导线构成的振子辐射臂3，振子辐射臂3通过矩形法兰盘4连接同轴馈电线，馈电线通过平垫5、弹垫6和螺母7同轴镙接S频段介质填充螺杆馈电线8，形成整个T形弯折的S频段偶极子天线馈电及辐射单元。每个S频段偶极子天线辐射单元通过矩形法兰盘4呈直线垂直紧固于天线介质板上。S频段偶极子振子辐射臂3总长度为半波长，并具有很好的对称性。理论分析表明，S频段偶极子天线辐射单元细长的振子辐射臂3内的电流分布具有驻波的形式，驻波的波长正好是天线产生或接收电磁波的波长，通过底座上的法兰盘固定于天线安装板上则可以保证所有阵元的极化方向完全一致。

参阅图3、图4。Ku频段微带贴片9分布于第一层介质板15之上，其第一层介质板16下方为Ku频段缝隙耦合开槽板10；带状线11位于第二层介质板16下方，通过Ku频段缝隙耦合开槽板10耦合馈电至Ku频段微带贴片9；Ku频段同轴馈电线14内导体穿过第三层介质板17与带状线连接，Ku频段同轴馈电线14的外导体与位于第三层介质板17下方的导体地板12连接；带状线11通过合理布局及走线，将Ku频段同轴馈电线以四个为一组设置在此四个单元几何中心位置；同时，通过Ku频段缝隙耦合开槽板10与导体地板12之间的屏蔽柱将四个单元的馈电层保护起来，抑制单元之间的传导耦合；带状线11馈电终端部分线宽扩大两倍，利用用电容加载技术共轭匹配；Ku频段微带贴片9四个单元通过位于导体接地板12上的射频同轴端口馈电线14连接后端射频组件。

S波段弯折偶极子单元以三圈同心圆形式规则分布于直径为335mm的口径面内，采用同轴连器件馈电；Ku波段微带贴片以切角方形阵列阵形式均匀分布于该圆口径内，可以实现32元S频段偶极子阵列与496元Ku微带阵列共口径。

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，以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法及设备；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，本说明书实施例的内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种S/Ku双频共口径线极化相控阵扫描天线，包括：按圆阵阵列分布在所述天线安装板上的S频段偶极子天线(1)和按面阵行列覆盖在天线安装板上的Ku频段微带贴片(2)，其特征在于：Ku频段微带贴片(2)阵列分布在介质板的十字交叉矩形平面上，形成Ku频段微带阵面，Ku阵面为切角阵，切角阵的四个顶角处切角的Ku阵面贴合于圆口径天线安装板上；四个S频段偶极子振子组成的方阵镶嵌于Ku波段微带阵面内，其余阵列S频段偶极子振子以四个S频段偶极子振子方阵为中心，阵列为同心圆阵分布的阵列圆形阵，并列于Ku频段微带阵面范围之外，S频段偶极子通过法兰盘固定于天线安装板上，并且偶极子单元在10％的相对带宽内驻波比为1.5以下；Ku频段微带阵面与后端射频组件连接，采用带状线转射频同轴馈电形式。

2.如权利要求1所述的S/Ku双频共口径线极化相控阵扫描天线其特征在于：四个S频段偶极子振子组成的第一内圈阵列镶嵌于Ku波段微带阵面中部，第二及第三外圈阵列S频段偶极子振子阵列于Ku频段微带阵面范围之外，上述三圈阵列为同心圆。

3.如权利要求1所述的S/Ku双频共口径线极化相控阵扫描天线其特征在于：Ku频段微带阵面与后端射频组件连接，以每四个单元为一组，将馈电端口通过带状线走线、布局转接到四个单元几何中心位置。

4.如权利要求1所述的S/Ku双频共口径线极化相控阵扫描天线其特征在于：S与Ku频段的阵列和馈电系统安排在同一辐射口径下，构成双频波段共用口径阵列。

5.如权利要求1所述的S/Ku双频共口径线极化相控阵扫描天线其特征在于：Ku频段微带阵面采用焊接方式贴合于天线安装板上，S波段的S频段偶极子振子(1)通过方形圆导角的法兰固定孔以及同轴馈电线上的安装螺纹配合螺钉加固定位于天线安装板上。

6.如权利要求1所述的S/Ku双频共口径线极化相控阵扫描天线其特征在于：S频段偶极子振子(1)具有一个由两根共轴直导线构成的振子辐射臂(3)，振子辐射臂(3)通过矩形法兰盘(4)连接同轴馈电线，馈电线通过平垫(5)、弹垫(6)和螺母(7)同轴装配S频段介质填充螺杆馈电线(8)，形成T形弯折的S频段偶极子天线馈电及辐射单元。

7.如权利要求1所述的S/Ku双频共口径线极化相控阵扫描天线其特征在于：每个S频段偶极子天线辐射单元通过矩形法兰盘(4)呈直线垂直紧固于天线介质板上。

8.如权利要求1所述的S/Ku双频共口径线极化相控阵扫描天线其特征在于：Ku频段微带贴片(9)分布于第一层介质板(15)之上，第一层介质板(15)下方为Ku频段缝隙耦合开槽板(10)；而带状线(11)位于第二层介质板(16)下方，通过Ku频段缝隙耦合开槽板(10)耦合馈电至Ku频段微带贴片(9)；Ku频段同轴馈电线(14)内导体穿过第三层介质板(17)与带状线连接，Ku频段同轴馈电线(14)的外导体与位于第三层介质板(17)下方的导体地板(12)连接。

9.如权利要求1所述的S/Ku双频共口径线极化相控阵扫描天线其特征在于：带状线(11)通过Ku频段同轴馈电线，以四个为一组设置在此四个单元几何中心位置；同时，通过Ku频段缝隙耦合开槽板(10)与导体地板(12)之间的屏蔽柱(13)将四个单元的馈电层保护起来，抑制单元之间的传导耦合。

10.如权利要求1所述的S/Ku双频共口径线极化相控阵扫描天线其特征在于：Ku频段微带贴片(9)四个单元通过位于导体接地板(12)上的射频同轴端口馈电线(14)连接后端射频组件；带状线(11)馈电终端部分线宽扩大两倍，利用电容加载技术共轭匹配。