CN110112578B - 一种基于结构复用的矩形波导双频共口径天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于共口径天线的技术领域，具体提供一种基于结构复用的矩形波导双频共口径天线，用以克服传统双频共口径阵列天线设计中天线口径占用面积较大、天线间隔离度不足的问题。本发明利用矩形波导的封闭结构，以四个依次旋转90°排布的矩形波导天线共同构成背腔天线的边壁，再于背腔中心处开辐射缝隙形成背腔缝隙天线；利用SIW波导馈电结构和带状线馈电结构分别给矩形波导天线和背腔式缝隙天线馈送信号，实现矩形波导结构复用下的双频辐射，天线单元之间没有额外距离，天线口径占用面积减小，且频率比可以调控在1～4之间；同时，金属波导对低频的截止特性以及两个频率天线的正交极化特性使得天线间的隔离度大大提升，从而达到了较高的隔离效果。

Description

一种基于结构复用的矩形波导双频共口径天线
技术领域
本发明属于共口径天线技术领域，具体为一种基于结构复用的矩形波导双频共口径天线。
背景技术
传统的共口径天线是一种允许多个频段、多个极化的多副天线同时工作在同一个口径面内的天线形式；该天线一般通过在空间上对天线单元和馈电网络进行合理的拓扑布局，使得载体空间被充分利用，降低不同频段天线之间的互相干扰，从而使得具有不同实现功能的多副天线能够独立地工作；并且，共口径天线跟多副天线分开放置相比，在不明显增大天线尺寸和重量的前提下，大大节省了天线所占的空间。因此，近年来共口径天线的需求不断增加，多用于雷达探测、测量等领域。
基于上述背景，传统的共口径天线多采用交错排布方式进行双频共口径布局。例如，文献“Z.Sun,S.S.Zhong,L.B.Kong,C.Gao,W.Wang,and M.P.Jin,《Dual-band dual-polarized microstrip array with fractional frequency ration》，ElectronicsLett.,vol.48,no.12,pp.674-676,Jun.2012”中，S和X频段分别采用微带贴片天线和缝隙天线的形式，将不同频率的辐射单元交错放置，导致天线口径占用面积较大；并且不同频率天线之间仅靠空间位置进行隔离，使得天线间的隔离度较低。
又如，文献“F.Qin,S.Gao,Q.Luo,C.X.Mao,C.Gu,G.Wei,J.D.Xu,J.Z.Li,C.Y.Wu,K.S.Zheng,and S.F.Zheng《A simple low-cost shared-aperture dual-band dual-polarized high-gain antenna for synthetic aperture radars》，IEEETrans.Antennas Propag.,v ol.64,no.7,pp.2914-2922,Jul.2016”中，C和X波段天线均采用贴片天线形式，同样将不同频率的辐射单元交错放置，天线口径占用面积较大；此外，虽然该天线设计中引入了FSS(频率选择表面)结构来提高不同频率天线间的隔离度，但仍然无法满足技术需求。
可以发现，当双频共口径天线的工作频率的比值在1～4之间时，现有的将不同频率天线的辐射单元交错排布的方案导致天线单元之间的空隙导致天下口径占用面积较大，天线间的互耦影响较为明显，不同频段天线间的隔离度不够，无法满足技术需求。
发明内容
本发明的目的是针对在频率范围比为1～4的传统交错布局的双频共口径天线辐射单元导致的天线口径占用面积较大、天线间隔离度较低等问题，提出一种基于结构复用的矩形波导双频共口径天线；本发明基于结构复用的概念，完成两个频段天线的设计要求
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于结构复用的矩形波导双频共口径天线，包括：从下往上依次层叠的下金属覆铜层33、介质层12与上金属覆铜层11，所述介质层12中开设有四个相同尺寸的矩形槽、且以介质层中心为中心依次旋转90°排布，所述矩形槽贯穿上金属覆铜层11、介质层12和下金属覆铜层13，每个矩形槽的内壁进行金属化形成矩形波导天线；所述上金属覆铜层的中心开设有辐射缝隙21，以四个矩形波导天线为边壁，下金属覆铜层13、介质层12、上金属覆铜层11与辐射缝隙21共同构成背腔式缝隙天线2。
进一步的，所述辐射缝隙的长度为3/8～5/8工作波长。
本发明的工作原理在于：利用矩形波导的封闭结构，使得工作在给定频段下四个依次旋转90°排布的矩形波导天线共同构成另一个频段背腔天线的边壁，再在背腔中心处开辐射缝隙形成背腔缝隙天线，即矩形波导天线共同构成一个背腔式缝隙天线；再利用SIW波导馈电结构和带状线馈电结构分别给矩形波导天线和背腔式缝隙天线馈送信号，实现矩形波导结构复用下的双频辐射，天线单元之间没有额外距离，天线口径占用面积减小，且频率比可以调控在1～4之间；同时，金属波导对低频的截止特性以及两个频率天线的正交极化特性使得天线间的隔离度大大提升，从而达到了较高的隔离效果。
综上，本发明的有益效果为：
1.本发明基于结构复用的概念，使得矩形波导天线又可构成背腔式缝隙天线的边壁结构，相比交错排布的布局方式，天线口径占用面积相对减小，天线辐射体利用率提高；
2.本发明的馈电结构分离，不同频率天线可以独立、同时工作而互相不受影响。
3.本发明中利用金属波导对低频的截止特性和两个频率天线的正交极化特性，使得天线间的隔离度相比交错布局的共口径天线得到更大提升。
附图说明
图1是本发明基于结构复用的双频共口径阵列天线整体结构示意图。
图2是本发明基于结构复用的双频共口径阵列天线辐射器复用示意图。
图3是本发明基于结构复用的双频共口径阵列天线辐射结构1及SIW波导馈电结构3剖视图。
图4是本发明基于结构复用的双频共口径阵列天线辐射结构2及带状线馈电结构4剖视图。
图5是本发明基于结构复用的阵列规模为4×4的双频共口径天线整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
本实施例提供一种基于结构复用的矩形波导双频共口径阵列天线，其2×2的阵列如图1所示，其中，每个天线单元包括：4个矩形波导天线1及1个背腔式缝隙天线2；本实施例中天线的工作频率比值可选在1～4之间，矩形波导天线与背腔式缝隙天线利用结构上的特殊性进行融合，减少了天线口径占用面积，且实现了双频正常工作前提下的高隔离度。
本实施例中，天线单元结构如图2所示；包括：从下往上依次层叠的金属覆铜层13、介质层12与金属覆铜层11，所述介质层呈矩形，所述介质层12中沿四边开设有四个相同尺寸的矩形槽、且以介质层中心为中心依次旋转90°排布，所述矩形槽贯穿金属覆铜层11和介质层12，每个矩形槽的内壁进行金属化形成矩形波导天线1，矩形波导天线底部(金属覆铜层13)中心位置开设有耦合缝隙31；所述金属覆铜层的中心开设有辐射缝隙21，以四个矩形波导天线为边壁，金属覆铜层13、介质层12、金属覆铜层11与辐射缝隙21共同构成背腔式缝隙天线2；所述辐射缝隙的长度为3/8～5/8工作波长；即所述矩形槽的深度等于介质层23与上金属覆铜层22的总厚度；
本实施例中，采用SIW波导馈电结构3对矩形波导天线1馈电，由从下往上依次层叠的金属覆铜层35、介质层34和金属覆铜层13构成，两侧金属化通孔32构成SIW封闭结构，金属覆铜层13上开设耦合缝隙31，能量从缝隙31耦合到矩形波导中，如图3所示；采用带状线馈电结构4对背腔式缝隙天线2馈电，由行下往上依次层叠的金属覆铜层45、介质层44和金属覆铜层13构成，金属覆铜层13上开设耦合缝隙41，馈电信号从微带线42输入并从缝隙41耦合到背腔缝隙天线中，如图4所示；需要说明的是，矩形波导天线1中矩形槽应该贯穿下金属覆铜层，但本实施中，由于共口径天线的下层金属覆铜层、SIW波导馈电结构3与带状线馈电结构4的上层金属覆铜层同用金属覆铜层13，故从整个结构设计上，并未直接贯穿；当矩形波导天线采用其他馈电结构，如同轴馈电时，并不需要考虑天线与馈电结构同用覆铜层，矩形波导天线1中矩形槽贯穿下金属覆铜层。
进一步地，该结构对应的馈电结构形式除了本实施例中具体叙述外可以多样化，例如也可以对矩形波导天线采用同轴馈电；同理，对背腔式缝隙天线也可采用同轴馈电和SIW开缝耦合馈电，或者是采用微带线背向耦合缝隙馈电。
另外，在频率比为1～4范围内进行合理设计，天线阵列可以拓展为2×2、4×4、8×8甚至更大规模，以获取更高的增益等其他需求；如图5所示，为4×4的双频共口径天线。
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 (2)

1.一种基于结构复用的矩形波导双频共口径天线，包括：从下往上依次层叠的下金属覆铜层（13）、介质层（12）与上金属覆铜层（11），所述介质层（12）中开设有四个相同尺寸的矩形槽、且以介质层中心为中心依次旋转90°排布，所述矩形槽贯穿上金属覆铜层（11）、介质层（12）和下金属覆铜层（13），每个矩形槽的内壁进行金属化形成矩形波导天线（1）；所述上金属覆铜层的中心开设有辐射缝隙（21），以四个矩形波导天线为边壁，下金属覆铜层（13）、介质层（12）、上金属覆铜层（11）与辐射缝隙（21）共同构成背腔式缝隙天线（2）；所述矩形波导天线与背腔式缝隙天线的馈电结构分离。
2.按权利要求1所述基于结构复用的矩形波导双频共口径天线，其特征在于，所述辐射缝隙的长度为3/8~5/8工作波长。
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