CN110416718A - 一种可重构介质谐振器天线及其宽角扫描阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可重构介质谐振器天线及其宽角扫描阵列，该可重构介质谐振器天线包括天线主体；所述天线主体包括介质谐振器、微带馈线、介质基板、敷铜地板、第一馈电接插件及第二馈电接插件；所述微带馈线为正方环形并设置于所述介质谐振器正下方；所述微带馈线一侧设置有一微带线；所述微带馈线上下侧各设置有一呈辐射状的寄生贴片结构；所述微带馈线、微带线和寄生贴片结构位于所述介质基板的上方；所述敷铜地板位于所述介质基板的下方；所述第一馈电接插件与所述微带线电连接；所述第二馈电接插件的内芯伸入所述介质谐振器的内部。本发明具有结构简洁、尺寸小、环境适应性好等优点，且工作带宽较宽，并能满足大角度扫描下的低副瓣要求。

Description

一种可重构介质谐振器天线及其宽角扫描阵列

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种可重构介质谐振器天线及其宽角扫描阵列。

背景技术

近年来相控阵天线的宽角扫描问题受到了越来越多的关注。传统方案是尽可能地拓展阵列单元天线的波束宽度，其中以加载人工结构材料的宽波束天线设计尤为典型。但是这些设计中所使用的人工结构材料会大大增加设计、加工的复杂度和难度，使其实际的工程应用受到很大的限制。

目前已经有基于可重构阵列单元的宽角扫描线阵设计被提出，其往往利用子阵扫描或开关切换等可重构技术，在需要大角度扫描时旋转阵列单元本身的最大辐射方向，使其朝向低俯仰角度从而补偿大扫描角下的增益损失。但是现有设计的带宽一般都很窄，天线基本都工作在点频。同时在大角度扫描时，天线阵列的副瓣电平一般仅能被抑制到约-10dB的水平。

为了满足实际的工程需求，急切需要提出一种结构较为简单、同时天线性能比较优秀的宽角扫描相控阵天线及其阵列单元天线设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种可重构介质谐振器天线及其宽角扫描阵列，以解决上述现有技术的问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种可重构介质谐振器天线，其包括天线主体；所述天线主体包括介质谐振器、微带馈线、介质基板、敷铜地板、第一馈电接插件及第二馈电接插件；所述微带馈线为正方环形并设置于所述介质谐振器的正下方；所述微带馈线的一侧设置有一微带线；所述微带馈线的上下侧各设置有一呈辐射状的寄生贴片结构；所述微带馈线、微带线和寄生贴片结构位于所述介质基板的上方；所述敷铜地板位于所述介质基板的下方；所述第一馈电接插件依次穿过敷铜地板和介质基板后与所述微带线电连接；所述第二馈电接插件的内芯依次穿过敷铜地板和介质基板后伸入所述介质谐振器的内部。

上述的可重构介质谐振器天线，其中，所述微带馈线的四周具有倒角。

上述的可重构介质谐振器天线，其中，所述寄生贴片结构为多个平行的矩形贴片，且多个矩形贴片的长度由内向外逐渐增加。

上述的可重构介质谐振器天线，其中，还包括金属底壳；所述敷铜地板位于所述金属底壳的上表面；所述第一馈电接插件及第二馈电接插件设置在所述金属底壳中。

上述的可重构介质谐振器天线，其中，还包括位于所述金属底壳上方的天线罩体；所述天线罩体与所述金属底壳通过紧固件连接固定；所述天线主体被完全封装在所述天线罩体与所述金属底壳构成的结构中。

上述的可重构介质谐振器天线，其中，所述天线罩体的上表面完全封闭，下表面从上至下一次设置有第一凹槽及与第一凹槽连通的第二凹槽；所述第一凹槽用于容纳所述介质谐振器；所述第二凹槽的尺寸大于所述第一凹槽的尺寸。

上述的可重构介质谐振器天线，其中，所述金属底壳包括金属实体；所述金属实体上设置有供第一馈电接插件安装的第一安装孔及供第二馈电接插件安装的第二安装孔；所述金属实体和所述天线罩体上还设置有供所述紧固件安装的第三安装孔。

上述的可重构介质谐振器天线，其中，所述金属实体的上表面还设置有供所述介质基板和敷铜地板嵌入的第三凹槽。

本发明还提供了一种宽角扫描阵列，其包括多个上述的天线主体；多个所述天线主体沿微带线的方向等间隔直线布置。

上述的宽角扫描阵列，其中，还包括金属底壳和设置于金属底壳上方并与其连接固定的天线罩体；多个天线主体被完全封装在天线罩体与金属底壳构成的结构中。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明所提出的可重构介质谐振器天线及其宽角扫描阵列具有结构简洁、尺寸小(阵元间距可低于半波长)、环境适应性好等优点。而且所述相控阵天线具有较宽带宽(相对带宽22.92％)，并且满足了大角度扫描下的低副瓣要求(80°扫描角时SLL<-18dB)。

附图说明

图1为本发明可重构介质谐振器天线一实施例的结构示意图；

图2为本发明中天线主体一实施例的结构示意图(俯视图、侧视图)；

图3为本发明中金属底壳一实施例的结构示意图(俯视图、侧视图)；

图4为本发明中天线罩体一实施例的结构示意图(俯视图、侧视图)；

图5为天线回波损耗及端口互耦仿真曲线图；

图6为天线边射模式方向图(中心频点)；

图7为天线端射模式方向图(中心频点)；

图8为本发明宽角扫描阵列一实施例的结构图(俯视图)；

图9为不同扫描角度下的宽角扫描阵列方向图(中心频点)。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

实施例1

参见图1，该实施例所提供的可重构介质谐振器11天线包括天线主体1、金属底壳3及位于所述金属底壳3上方的天线罩体2；所述天线罩体2与所述金属底壳3通过紧固件4连接固定，该紧固件4可以选择为紧固螺钉；可选地，所述天线罩体2整体呈长方形，其长、宽尺寸与金属底壳3相同。所述天线主体1被完全封装在所述天线罩体2与所述金属底壳3构成的结构中，天线主体1是双馈点的方向图可重构介质谐振器11天线。

参见图2，所述天线主体1包括介质谐振器11、微带馈线12、介质基板13、敷铜地板14、第一馈电接插件15及第二馈电接插件16；所述微带馈线12为正方环形并设置于所述介质谐振器11的正下方，且该微带馈线12的四周具有倒角；在另一些实施例中，正方形微带环四周的倒角也可以没有；所述微带馈线12的一侧设置有一微带线17；所述微带线17可以为图1所示的短直结构，根据具体的天线接口位置要求进行设计时，短直微带线17可以改变成任意形状、走势的微带线17以满足第一接插件处于不同位置时的馈电要求。

所述微带馈线12的上下侧各设置有一呈辐射状的寄生贴片结构18；例如，寄生贴片结构18为多个平行的矩形贴片，且多个矩形贴片的长度由内向外逐渐增加。根据具体的天线性能要求进行调节时，“辐射状”寄生贴片结构18中的矩形贴片个数、尺寸和间隔可以改变。所述微带馈线12、微带线17和寄生贴片结构18位于所述介质基板13的上方；所述敷铜地板14位于所述介质基板13的下方，且敷铜地板14的面积与介质基板13相同。

所述介质谐振器11为长方形，其中心开有与第二馈电接插件16的内芯螺纹吻合的第一螺纹孔111，以此实现其激励馈电和结构紧固；第一螺纹孔111的高度可以大于第二馈电接插件16的内芯深入介质谐振器11的高度，甚至可以打通介质谐振器11。所述微带馈线12左侧通过一段短直微带线17实现与第一馈电接插件15的电连接。

所述天线主体1具有两个激励端口，相应的第一馈电接插件15和第二馈电接插件16设置于金属底壳3中。所述第一馈电接插件15依次穿过敷铜地板14和介质基板13后与所述微带线17电连接；所述第二馈电接插件16的内芯依次穿过敷铜地板14和介质基板13后伸入所述介质谐振器11的内部。所述敷铜地板14位于所述金属底壳3的上表面；所述第一馈电接插件15及第二馈电接插件16设置在所述金属底壳3中。

参见图3，所述金属底壳3整体呈长方形，整体尺寸与天线罩体2相同；在保证天线罩体2和金属底壳3的尺寸大于天线主体1的前提下，天线罩体2和金属底壳3的形状可以不是长方形。所述金属底壳3包括金属实体31；所述金属实体31上设置有供第一馈电接插件15安装的第一安装孔32及供第二馈电接插件16安装的第二安装孔；所述金属实体31和所述天线罩体2上还设置有供所述紧固件4安装的第三安装孔41。金属实体31可以进行局部镂空处理以降低其重量。

在一些实施例中，第一安装孔32为内螺纹结构，其中心位置与短直微带线17上的馈电点对齐。第二安装孔由一通孔33和设置在该通孔33两侧的一对第二螺纹孔34组成，所述通孔33的中心位置与介质谐振器11上的第一螺纹孔111对齐，用以穿过第二馈电接插件16的介质层和内芯；所述第二螺纹孔34中心位置与第二馈电接插件16法兰盘上的安装孔对齐，用以固定第二馈电接插件16。使用螺纹固定的第二馈电接插件16时，通孔33被替换为内螺纹，而第二螺纹孔34可以没有。

第三安装孔41可以是与紧固螺钉配合的螺纹结构；当介质谐振器11由天线罩体2中的等尺寸第一凹槽21限位，且天线罩体2上表面为封闭状态时，第三安装孔41可以由螺纹结构换成不起紧固作用的通孔结构。在另一些实施例中，所述金属实体31的上表面还可以设置有供所述介质基板13和敷铜地板14嵌入的第三凹槽35，其长、宽、高与介质基板13和敷铜地板14的尺寸相同。当使介质基板13的尺寸与金属底壳3相同时，紧固件4可以直接贯穿两者，此时等效于金属底壳3上没有第三凹槽35。

参见图4，所述天线罩体2的上表面完全封闭，下表面从上至下一次设置有第一凹槽21及与第一凹槽21连通的第二凹槽22；所述第一凹槽21用于容纳所述介质谐振器11；可选地，所述第一凹槽21的长、宽尺寸与介质谐振器11尺寸相同；根据具体的天线性能要求进行调节时，所述第一凹槽21的尺寸也可以大于介质谐振器11的尺寸。所述第二凹槽22的尺寸大于所述第一凹槽21的尺寸，根据具体的天线性能要求进行调节时，第一凹槽21和第二凹槽22的高度比例可以变化，同时第一凹槽21和第二凹槽22可以不是矩形凹槽。在不考虑环境影响的使用情况下，天线罩体2的上表面可以是不封闭的，或者天线罩体2可以没有。

图5显示了天线两端口回波损耗和互耦的结果。天线双端口回波损耗S₁₁<-10dB的重叠频段为5.91GHz～7.44GHz，有效相对带宽达22.92％。在有效相对带宽内，两端口互耦低于-18dB。图6和图7分别是天线工作在边射模式和端射模式的方向图结果。当边射端口和端射端口各自激励时，天线方向图体现出了很好的边射特性和端射特性。

实施例2

参见图8，本实施例利用实施例1的可重构介质谐振器11天线的天线主体1组成宽角扫描阵列5，其阵元相关特征基本与实施例1相同，特别之处如下：

(1)天线主体1(阵列单元)沿短直微带线17的方向等间隔组成1×14的直线阵列，天线主体1阵列被完全封装在天线罩体2与金属底壳3构成的整体结构中；

根据具体的天线阵列性能要求进行设计时，阵列单元的个数、阵列单元间距可以改变。当考虑具体的相控阵组件配置时，宽角扫描阵列5中的馈电接插件结构可以集成在组件、转接板等后端结构中。

(2)紧固件4按照实际需求排布在整体结构上，天线罩体2和金属底壳3上对应的螺纹孔位置也进行了相应调整；

(3)天线罩体2的第二凹槽22在阵列结构中形成完整的长方体凹槽。

图9显示了所述宽角扫描阵列5在扫描角指向20°、40°、60°和80°时的方向图结果。当天线波束指向小扫描角度时(20°和40°)，阵列单元工作在边射模式；当天线波束指向大扫描角度时(60°和80°)，阵列单元工作在端射模式。相关性能汇总如表1所示。

表1天线在不同扫描角度时的性能汇总

扫描角度	20°	40°	60°	80°
					增益	14.91dB	12.95dB	11.97dB	12.82dB
副瓣电平	-28.83dB	-24.68dB	-21.15dB	-18.43dB

从表1可知，当宽角扫描阵列5的扫描角度从20°变化到80°时，天线阵列的增益损失低于3dB。在80°的大扫描角度下，天线的副瓣电平依然可以被抑制到约-18dB的水平。

本发明所提供的可重构介质谐振器天线及其宽角扫描阵列，包括天线罩体、双馈点介质谐振器天线主体、金属底壳以及若干紧固件。其阵列单元天线的特征在于：介质谐振器天线采用矩形结构，并由双馈点激励。其中一路激励通过开有螺纹的接插件内芯伸入介质谐振器内部实现，同时依靠螺纹结构实现介质谐振器的定位和紧固；另一路激励通过介质谐振器下方与螺旋内芯同心的正方环形贴片实现，同时利用正方环两侧的寄生贴片结构拓展该路端口的带宽。通过切换两端口的激励，可以在一副天线上实现天线的边射和端射性能。为了拓展天线的波束宽度，天线结构上方安装了低介电常数材质的天线罩体，该罩体同时可以在实际应用中保护天线主体免受环境因素的影响。天线罩体和底部壳体上开有位置对应的螺纹孔，通过贯穿其中的螺钉实现整体结构的紧固。激励端口的接插件通过底部壳体上的螺纹孔进行定位和紧固。

所述天线及由其组成的宽角扫描天线阵列，具有结构简洁、尺寸小、环境适应性好等优点。且工作带宽较宽，并能满足大角度扫描下的低副瓣要求。按照天线设计的尺缩原理，本发明的设计思想和实现方案可以推广到其它频段、同等特性的可重构介质谐振器天线设计。

综上所述，本发明具有如下显而易见的突出优点：

(1)双端口激励分别对应介质谐振器的边射和端射模式，阵列单元单独使用时可以重构出天线的边射和端射方向图；

(2)双端口的设计都实现了介质谐振器天线的混合辐射特性，有效地拓展了两端口对应的带宽，两者重合的天线有效带宽达到了22.92％。

(3)天线罩体的设计同时考虑了环境适应性和天线性能优化的目的，其在封闭天线主体结构的同时实现了天线波束宽度的拓展。

(4)天线结构紧凑，其组成阵列的阵元间距可低于半波长。

(5)当使用本发明天线构成宽角扫描相控阵时，80°扫描角时的副瓣电平可以低于-18dB，有效地实现了宽角扫描时针对副瓣电平的抑制。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种可重构介质谐振器天线，其特征在于，包括天线主体；所述天线主体包括介质谐振器、微带馈线、介质基板、敷铜地板、第一馈电接插件及第二馈电接插件；所述微带馈线为正方环形并设置于所述介质谐振器的正下方；所述微带馈线的一侧设置有一微带线；所述微带馈线的上下侧各设置有一呈辐射状的寄生贴片结构；所述微带馈线、微带线和寄生贴片结构位于所述介质基板的上方；所述敷铜地板位于所述介质基板的下方；所述第一馈电接插件依次穿过敷铜地板和介质基板后与所述微带线电连接；所述第二馈电接插件的内芯依次穿过敷铜地板和介质基板后伸入所述介质谐振器的内部。

2.如权利要求1所述的可重构介质谐振器天线，其特征在于，所述微带馈线的四周具有倒角。

3.如权利要求1所述的可重构介质谐振器天线，其特征在于，所述寄生贴片结构为多个平行的矩形贴片，且多个矩形贴片的长度由内向外逐渐增加。

4.如权利要求1所述的可重构介质谐振器天线，其特征在于，还包括金属底壳；所述敷铜地板位于所述金属底壳的上表面；所述第一馈电接插件及第二馈电接插件设置在所述金属底壳中。

5.如权利要求2所述的可重构介质谐振器天线，其特征在于，还包括位于所述金属底壳上方的天线罩体；所述天线罩体与所述金属底壳通过紧固件连接固定；所述天线主体被完全封装在所述天线罩体与所述金属底壳构成的结构中。

6.如权利要求3所述的可重构介质谐振器天线，其特征在于，所述天线罩体的上表面完全封闭，下表面从上至下一次设置有第一凹槽及与第一凹槽连通的第二凹槽；所述第一凹槽用于容纳所述介质谐振器；所述第二凹槽的尺寸大于所述第一凹槽的尺寸。

7.如权利要求3所述的可重构介质谐振器天线，其特征在于，所述金属底壳包括金属实体；所述金属实体上设置有供第一馈电接插件安装的第一安装孔及供第二馈电接插件安装的第二安装孔；所述金属实体和所述天线罩体上还设置有供所述紧固件安装的第三安装孔。

8.如权利要求7所述的可重构介质谐振器天线，其特征在于，所述金属实体的上表面还设置有供所述介质基板和敷铜地板嵌入的第三凹槽。

9.一种宽角扫描阵列，其特征在于，包括多个如权利要求1所述的可重构介质谐振器天线；多个所述可重构介质谐振器天线沿微带线的方向等间隔直线布置。

10.如权利要求9所述的宽角扫描阵列，其特征在于，还包括金属底壳和设置于金属底壳上方并与其连接固定的天线罩体；多个天线主体被完全封装在天线罩体与金属底壳构成的结构中。