CN110112573A - 一种低剖面双频二维宽角扫描共口径相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于共口径天线的技术领域，提供一种低剖面双频二维宽角扫描共口径相控阵天线，用以克服传统共口径相控阵天线设计中高低频天线无法同时实现二维大角度扫描的问题。本发明包括从下至上依次层叠的背馈结构、中层介质层、第二中层金属敷铜层、上层介质层与上层金属敷铜层，以及第一金属化过孔与第二金属化过孔；第一金属化过孔贯穿第二中层金属敷铜层、中层介质层及背馈结构，共同构成低频天线；第二金属化过孔与第一金属化过孔一一对应，第二金属化过孔穿过第一金属化过孔、并贯穿上层介质层与上层金属敷铜层连接，共同构成高频天线。本发明共口径天线能够满足双频布阵间距均满足二维大角度，同时还采用了结构复用技术简化了结构，使得天线整体剖面极低。

Description

一种低剖面双频二维宽角扫描共口径相控阵天线
技术领域
本发明属于共口径天线的技术领域，涉及S和X雷达工作频段的双频共口径相控阵天线，具体为一种低剖面双频二维宽角扫描共口径相控阵天线。
背景技术
共口径天线技术是指将多个频段，多种极化，多种工作方式，多种功能的天线放置于同一个物理口径面内，从而减小天线的占用面积。相控阵技术则通常用在军事雷达领域，用来对目标进行探测，跟踪即监视战场环境。随着现代化战争中战场环境越来越复杂，因此需要在有限的口径面内放置越来越多的相控阵天线，这无疑在物理排布方面均带来了新的挑战。
为了克服这一挑战，共口径相控阵技术应运而生。以往的共口径相控阵天线由于其布阵形式的限制，单元形式的选择，很难在同时在两个频段实现二维实现大角度扫描。例如文献“X.Qu,S.S.Zhong,Y.M.Zhang and W.Wang,“Design of an S/X Dual-Band Dual-Polarised Micro-strip Antenna array for SAR Applications,”IET Microwaves,Antennas Propag.,vol.1,no.2,pp.513-517,Apr.2007.”中采用了贴片中间交错放置十字缝隙从而实现两个频段的天线共口径；由于两个频段天线互耦很强，最终导致扫描角度均在±30°以内，显然无法满足雷达系统对于相控阵天线的大角度扫描要求。又如文献“G.Kwon,J.Y.Park,D.H.Kim and K.C.Hwang,“Optimization of a Share-ApertureDual-Band Transmitting/Receiving Array Antenna for Radar Applications,”IEEETrans.Antennas Propag.,vol.65,no.12,pp.7038-7051,Dec.2017.”中使用了三维立体偶极子天线实现两个不同频段的相控阵天线共口径，在极大的增加了整体剖面以后，也只达到了±40°的扫描角度；同时，多个频段天线的馈电网络会使得整个天线的机构复杂化，增大天线的整体剖面。
为了解决上述问题，本发明提出了新的层叠结构，并且在此基础上采用结构复用技术解决了馈电网络的放置问题，简化了结构，实现了低剖面双频大角度扫描共口径相控阵天线；本发明共口径相控阵天线形式的提出，从根本上解决了共口径相控阵天线无法同时在两个频段满足二维大角度扫描的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低剖面双频二维宽角扫描共口径相控阵天线，用以克服传统共口径相控阵天线设计中高低频天线无法同时实现二维大角度扫描的问题，并且在此基础上，通过结构复用技术进一步降低了共口径相控阵天线的整体剖面，实现了低剖面双频二维宽角扫描共口径相控阵天线。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种低剖面双频二维宽角扫描共口径相控阵天线，所述天线包括从下至上依次层叠的背馈结构、中层介质层4、第二中层金属敷铜层5、上层介质层6与上层金属敷铜层7，以及第一金属化过孔8与第二金属化过孔9；其特征在于：
所述第二中层金属敷铜层5由若干个呈栅格排布的下层方形贴片5-1构成，所述上层金属敷铜层7由若干个呈栅格排布的上层方形贴片7-1，所述下层方形贴片5-1与上层方形贴片7-1上下一一对应，其中，上层方形贴片7-1作为高频天线辐射体；
所述第一金属化过孔8贯穿第二中层金属敷铜层5、中层介质层4及背馈结构、并使背馈结构的顶层金属敷铜层与第二中层金属敷铜层5连接导通；所述背馈结构的顶层金属敷铜层、中层介质层4、第二中层金属敷铜层5及金属化过孔8共同构成低频天线辐射结构；所述低频天线辐射结构由背馈结构进行馈电；
所述第二金属化过孔9与第一金属化过孔8一一对应，第二金属化过孔9穿过第一金属化过孔8、并贯穿上层介质层7与高频天线辐射体连接，所述第二金属化过孔9作为高频天线辐射体的馈电结构。
进一步地，所述的低频天线和高频天线共口径，且布阵间距均为0.5λ0，其中，λ0为频段中心频率自由空间中的波长。
进一步地，所述背馈结构可以是单层介质层结构，如微带线等，也可以是多层介质层结构，如带状线，基片集成波导，共面波导。
更进一步地，背馈结构由从下往上依次层叠的下层金属敷铜层1、下层介质层2、第一中层金属敷铜层3构成，所述下层金属敷铜层1上刻蚀有馈电微带线1-1，所述第一中层金属敷铜层3上开设有若干个呈三角排布的馈电缝隙3-1，所述第一中层金属敷铜层3即为背馈结构的顶层金属敷铜层。
进一步地，所述馈电缝隙3-1为矩形缝隙或十字缝隙，当采用十字缝隙时，与之匹配馈电微带线，即可实现低频天线由单线极化工作方式变为双线极化或者双圆极化工作方式。
进一步地，所述每个高频天线辐射体的对应的第二金属化通孔9的数量为一个或多个；通过改变第二金属化通孔9的数量，当采用多个时，即增加方向贴片7-1的馈电口数量，即可实现高频天线的极化方式由单线极化转换成双线极化或者双圆极化。
进一步地，所述的共口径天线的工作频段可以是雷达工作频段，也可以是其它工作频段，共口径天线的高频和低频可以是fH/fL比值为任意值的两个频段；其中fH是高频频段的中心频率，fL是低频频段的中心频率。
本发明的有益效果：
本发明提出新的共口径单元形式，能够满足双频布阵间距均满足二维大角度，同时还采用了结构复用技术简化了结构，使得天线整体剖面极低。总而言之，本发明相较于传统设计，具有以下两个有益效果：
1、提出新的共口径单元形式，在雷达工作频段即S和X频段做到了双频二维扫描角度最大；
2、基于结构复用技术，在共口径相控阵天线中做到了整体剖面最低。
附图说明
图1是本发明的低剖面双频二维宽角扫描共口径相控阵天线整体结构示意图；
图2为本发明实施例1中低剖面双频二维宽角扫描共口径相控阵天线整体结构示意图；其中，图2(a)是剖面图，图2(b)是上层金属敷铜层7示意图，图2(c)是中层金属敷铜层5示意图，图2(d)是中层金属敷铜层3示意图，图2(e)是下层金属敷铜层1示意图；
图3是实施实例1中新型共口径相控阵天线单元示意图；
图4是实施实例1中S波段在不同扫描角度下的有源S参数和方向图；其中，图4(a)为有源S参数，图4(b)为归一化方向图；
图5是实施实例1中X波段在不同扫描角度下的有源S参数和方向图；其中，图5(a)为有源S参数，图5(b)为E面归一化方向图，图5(c)为H面归一化方向图；
以上附图中，1为下层金属敷铜层，1-1为馈电微带线，2为下层介质层，3为第一中层金属敷铜层，上面刻蚀有馈电缝隙3-1，4为中层介质层，5为第二中层金属敷铜层，5-1下层方形贴片，6为上层介质层，7为上层金属敷铜层，7-1为上层方形贴片，8为第一金属化通孔，9为第二金属化通孔。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
下面结合附图对本发明作进一步阐述。
本实施例提供一种低剖面双频二维宽角扫描共口径相控阵天线，其结构如图2所示：
所述天线包括从下至上依次层叠的下层金属敷铜层1、下层介质层2、第一中层金属敷铜层3、中层介质层4、第二中层金属敷铜层5、上层介质层6与上层金属敷铜层7，以及第一金属化过孔8与第二金属化过孔9，如图2(a)所示；
所述下层金属敷铜层1上刻蚀有馈电微带线1-1、如图2(e)所示，所述第一中层金属敷铜层3上开设有若干个呈三角排布的馈电缝隙3-1、如图2(d)所示，所述下层金属敷铜层1、下层介质层2、第一中层金属敷铜层3及馈电缝隙3-1共同构成微带线背馈结构，作为低频天线的背馈结构；所述第一中层金属敷铜层3即为背馈结构的顶层金属敷铜层；
所述第二中层金属敷铜层5由若干个呈栅格排布的下层方形贴片5-1构成、如图2(c)所示，所述上层金属敷铜层7由若干个呈栅格排布的上层方形贴片7-1、如图2(b)所示，所述下层方形贴片5-1与上层方形贴片7-1上下一一对应，其中，上层方形贴片7-1作为高频天线辐射体；
所述第一金属化过孔8贯穿第二中层金属敷铜层5、中层介质层4、第一中层金属敷铜层3、下层介质层2及下层金属敷铜层1、并使第一中层金属敷铜层3与第二中层金属敷铜层5连接导通；所述第一中层金属敷铜层3、中层介质层4、第二中层金属敷铜层5及金属化过孔8共同构成蘑菇结构，作为低频天线的辐射结构；
所述第二金属化过孔9与第一金属化过孔8一一对应，第二金属化过孔9穿过第一金属化过孔8、并贯穿上层介质层7与上层金属敷铜层7连接，作为高频天线辐射体的馈电结构。
本实施例低剖面双频大扫描角共口径相控阵天线的工作频率在S波段(3.2GHz-3.5GHz)和X波段(8.8GHz-9.3GHz)两个频段；如图3所示为该共口径相控阵天线的单元示意图，其中馈电微带线1-1一端与同轴接头连接、另一端与馈电缝隙3-1耦合；当天线工作在S波段时，此时能量通过馈电缝隙31耦合到由中层金属敷铜层3、中层介质层4和周期排布的下层方形贴片5-1以及金属过孔8组成的蘑菇结构(S波段的辐射结构)中；周期排布的上层方形贴片7-1用作高频X波段的辐射体，金属化过孔9作为该方形贴片7-1的馈电结构；上述两个波段的天线均使用同轴馈电。上述单元结构扩展为整体天线结构后，本实施例中，共口径天线单元一共3行，第1、3行分别有4个单元，第二行有3个单元，单元之间按照三角布阵排布，一共11个共口径单元；故低频阵列一共包含11个单元，而高频则为16×8的栅格阵列。
本实施例中，下层介质层2的厚度为0.508mm、介电常数为2.2，中层介质层4的厚度为1.58mm、介电常数为4.5，上层介质层6的厚度为1.016mm、介电常数为2.2；下层方形贴片边长为16mm，排布周期为17mm；上层方形贴片边长为10mm，排布周期为17mm。
如图4所示，给出了上述共口径相控阵在S波段的不同扫描角度下的有源S参数和归一化方向图，图4(a)给出了在E面不同扫描角度下，有源S参数随频率变化的曲线，图4(b)给出了在E面不同扫描角度下的归一化方向图。由于该结构是对称结构，即E面和H面的结构一致，因此此处仅对E面扫描情况进行了仿真；结果显示在3.2GHz-3.5GHz的频带范围内，S波段天线在E面不同扫描角度下的有源S参数均可以满足-10dB以下；并且在中心频点处天线在E面的±50°范围内波束均可以扫描且不出现栅瓣。
如图5所示，给出了上述共口径相控阵在X波段的不同扫描角度下的有源S参数和归一化方向图；图5(a)给出了X波段天线在E面和H面不同扫描角度下，有源S参数随频率变化的曲线，图5(b)给出了在E面不同扫描角度下的归一化方向图，图5(c)给出了在H面不同扫描角度下的归一化方向图。结果显示在8.7GHz-9.5GHz的频带范围内，X波段天线在E面和H面不同扫描角度下的有源S参数均可以满足小于-7dB；并且在中心频点处天线可以在E面和H面的±60°范围内波束均可以扫描且不出现栅瓣；上述结果表明所述共口径相控阵天线在S和X波段均具有二维大角度扫描能力。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (7)

1.一种低剖面双频二维宽角扫描共口径相控阵天线，包括从下至上依次层叠的背馈结构、中层介质层(4)、第二中层金属敷铜层(5)、上层介质层(6)与上层金属敷铜层(7)，以及第一金属化过孔(8)与第二金属化过孔(9)；其特征在于：
所述第二中层金属敷铜层(5)由若干个呈栅格排布的下层方形贴片(5-1)构成，所述上层金属敷铜层(7)由若干个呈栅格排布的上层方形贴片(7-1)构成，所述下层方形贴片(5-1)与上层方形贴片(7-1)上下一一对应，其中，上层方形贴片(7-1)作为高频天线辐射体；
所述第一金属化过孔(8)贯穿第二中层金属敷铜层(5)、中层介质层(4)及背馈结构、并使背馈结构的顶层金属敷铜层与第二中层金属敷铜层(5)连接导通；所述背馈结构的顶层金属敷铜层、中层介质层、第二中层金属敷铜层及金属化过孔共同构成低频天线辐射结构；所述低频天线辐射结构由背馈结构进行馈电；
所述第二金属化过孔(9)与第一金属化过孔(8)一一对应，第二金属化过孔(9)穿过第一金属化过孔(8)、并贯穿上层介质层(7)与高频天线辐射体连接，所述第二金属化过孔9作为高频天线辐射体的馈电结构。
2.按权利要求1所述低剖面双频二维宽角扫描共口径相控阵天线，其特征在于，所述的低频天线和高频天线共口径，且布阵间距均为0.5λ0，其中，λ0为频段中心频率自由空间中的波长。
3.按权利要求1所述低剖面双频二维宽角扫描共口径相控阵天线，其特征在于，所述背馈结构采用微带线结构、带状线结构、基片集成波导或共面波导。
4.按权利要求1所述低剖面双频二维宽角扫描共口径相控阵天线，其特征在于，背馈结构由从下往上依次层叠的下层金属敷铜层(1)、下层介质层(2)、第一中层金属敷铜层(3)构成，所述下层金属敷铜层(1)上刻蚀有馈电微带线(1-1)，所述第一中层金属敷铜层(3)上开设有若干个呈三角排布的馈电缝隙(3-1)。
5.按权利要求4所述低剖面双频二维宽角扫描共口径相控阵天线，其特征在于，所述馈电缝隙(3-1)为矩形缝隙或十字缝隙；当采用矩形缝隙时，低频天线的极化方式为单线极化；当采用十字缝隙时，低频天线的极化方式为双线极化或者双圆极化。
6.按权利要求1所述低剖面双频二维宽角扫描共口径相控阵天线，其特征在于，所述每个高频天线辐射体的对应的第二金属化通孔的数量为一个或多个；当对应一个时，高频天线的极化方式为单线极化；当对应多个时，高频天线的极化方式为双线极化或者双圆极化。
7.按权利要求1所述低剖面双频二维宽角扫描共口径相控阵天线，其特征在于，所述共口径天线的高频和低频比值为fH/fL为任意值的两个频段，其中，fH是高频频段的中心频率，fL是低频频段的中心频率。
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