CN110504527B - 一种新型结构的l与x波波段共口径天线 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种新型结构的L与X波波段共口径天线，属于雷达技术，无线通信技术领域。本发明天线基板中间的是一层带阻性的频率选择表面，其只对X波段的电磁波具有反射特性，但是对其他频段的电磁波具有透射性能，因此可以作为X波段天线的反射地板。本发明通过设计四种不同的馈电网络，从而可以实现X波段天线旋转不同的角度,其极化方向可以与低频背腔天线极化平行，也可以垂直。并且在两种极化方式下，共口径天线都能正常工作，因此可以增加天线系统的极化丰富度，可以实现多极化辐射，增加天线系统的有效信息量，并且X波段是平面结构的多层PCB可模块化制作的天线拥有加工方便、结构简单、易于组装、机械强度高等优点。

Description

一种新型结构的L与X波波段共口径天线

技术领域

本发明属于雷达技术，无线通信技术领域，相控阵天线，特别涉及宽带、共口径天线，适用于微波、毫米波等雷达和通信系统中

背景技术

随着雷达观测目标种类的增多以及近十年来无线通信的快速发展，对相控阵天线的要求也越来越高，对小型化、多极化、宽频带、大角度扫描及多波段的天线需求也越来越多。然而飞机、船舶、车辆这些移动终端往往面临着空间可用大小有限、空间表面形状不规则的问题，所以对提高有限空间的利用率提出了更高的要求，这就极大的约束了天线的形状、物理尺寸以及整体重量。另一方面，尽管能同时把多副不同天线安装在一个狭小的物理空间内，它们之间的电磁耦合却不可忽略，从而导致天线间相互干扰，影响所有天线的性能。

共口径天线是由多副天线(多个不同结构形式的天线，而不是说传统天线阵列中形式与结构相同的天线单元)组成并且共用同一口径面的天线，与多副独立放置的天线相比，共口径天线大大节省了天线占用的空间，在无线通信系统中，共口径天线的需求也不断增加。

由于共口径天线的设计是把多副天线安装在同一狭小空间内，通常天线之间会产生较强的电磁耦合，影响天线相互之间的正常工作，从而导致一些天线性能的恶化。所以合理地解决各个天线之间的电磁耦合是共口径天线设计的难点和关键，否则就丧失了共口径天线的优势。目前共口径天线的发展趋势是宽角扫描、多极化、小型化和宽频带等。多种极化方式的应用，能够在增加天线系统的有效信息量。同时设计水平极化和垂直极化的馈电网络，可以实现天线的多极化辐射。但极化之间的影响也会影响各个波段天线之间的性能，带来的是更大的设计难度。

综上所述，设计具有宽带、多极化等功能的的共口径天线是具有很大难度的。本发明正是针对这些关键问题而提出。

发明内容

本发明的目的在于:针对上述问题,提供出一种新型的结构的L/X波段共口径天线设计,实现了L/X波段的共口径天线。并且具有多种极化方式的应用。

为了实现上述发明目的,本发明采用如下技术方案:一种新型结构的L/X波段共口径天线，其中L波段天线采用金属背腔天线，X波段天线采用长槽天线，共口径方式是将X波段天线加载至L波段天线的上方，为了抵消金属背腔对X波段天线的影响，在X波段与L波段天线之间加入一层频率选择表面(FSS)，该FSS的作用：对X波段的电磁波具有反射的功能，对其他波段的电磁波具有透射功能，从而抵消L波段金属背腔天线对X波段天线的影响。X波段天线的馈电同轴接头在最底层先接一段弯折微带线进行过渡，然后再接X波段天线的馈电柱，这样可以使得X波段天线单元的同轴接头可以避开L波段天线的背腔部分。实现多极化的方式是将X波段天线的阵面旋转任意角度，但是其馈电部分都可以不变，从而实现共口径天线的多极化功能。下面结合附图1与附图2来具体说明设计的共口径天线的结构。

所述的基于新型结构的共口径天线的基本结构如图1与图2所示，X波段天线的极化方向沿y方向，L波段天线的极化方向沿x方向，是极化正交的情况。其结构包括下层金属背腔天线111，包含有四种微带馈电结构107的馈电网络，X波段的馈电同轴接头内芯108与微带线107连接，这样可以使得X波段天线单元的同轴接头外径109可以避开L波段天线的背腔110，并且在旋转X波段天线时外径109也可以避开金属背腔110。通过微带线馈网107将能量过渡到X波段天线的馈电柱106，馈电柱106再与最上层的金属微带线103相连，通过耦合馈电的方式将能量传输到下层的金属贴片102上。在X波段介质基板105中间的是一层带阻性的频率选择表面104，其只对X波段的电磁波具有反射特性，但是对其他波段的电磁波具有透射性能，因此可以作为X波段天线的反射地板，最上层的是起到宽角匹配作用的介质匹配层101。

因而，本发明技术方案为一种新型结构的L与X波波段共口径天线，该天线包括：L波段天线和X波段天线，所述L波段天线包括一金属背板，该金属背板中线位置设置有一脊状凸起，该脊状凸起内部中空与金属背板形成矩形凹槽；所述X波段天线设置于L波段天线金属背板上；所述X波段天线阵列分布的多个单元天线，每个单元天线包括由下往上依次设置的：第一过渡层、X波段介质基板、第二过渡层、介质匹配层，设置于第一过渡层上表面的馈电微带线、穿过X波段介质基板的馈电柱、设置于X波段介质基板内的频率选择表面、设置于第二过渡层下表面的下层金属贴片、设置于第二过渡层上表面的上层金属微带线、穿过第一过渡层连接馈电微带线输入端的同轴接头内芯、包括同轴接头内芯的同轴接头外径；所述L波段天线的金属背板开设有通孔用于设置同轴接头外径；所述频率选择表面只对X波段的电磁波具有反射特性；所述馈电柱位于单元天线的中心位置，一端连接馈电微带线输出端另一端连接上层金属微带线；所述上层金属微带线和下层金属贴片分别位于馈电柱的两侧；所述上层金属微带线与下层金属贴片都沿各自方向延伸至相邻单元天线内。

进一步的，所述馈电微带线包括长度相同、夹角为90°的两条枝节，转角处进行倒外角处理；所述馈电微带线输出端位置为第一过渡层上表面的中心，输入端为第一过渡层上表面的左下角、右下角、右上角或左上角。

进一步的，所述频率选择表面为方环形微带结构，对称的设置于X波段介质基板内。

进一步的，所述X波段天线为6×6单元天线阵列，其中3×6单元天线阵列中的馈电微带线输入端为第一过渡层上表面的左下角；另外3×6单元天线阵列中的馈电微带线输入端为第一过渡层上表面的右上角。

本发明的有益效果是：通过设计四种不同的馈电网络，从而可以实现X波段天线旋转不同的角度,其极化方向可以与低频背腔天线极化平行，也可以垂直。并且在两种极化方式下，共口径天线都能正常工作，因此可以增加天线系统的极化丰富度，可以实现多极化辐射，增加天线系统的有效信息量，并且X波段是平面结构的多层PCB可模块化制作的天线，拥有加工方便、结构简单、易于组装、机械强度高等优点。

附图说明

图1(a)为实施例1中所述6×6的X波段阵列与一个L波段金属背腔天线的极化正交情况下的共口径天线结构示意图；

图1(b)为实施例1中所述6×6的X波段阵列与一个L波段金属背腔天线的极化正交情况下的共口径天线结构侧视图；

图1(c)为实施例1中所述6×6的X波段阵列与一个L波段金属背腔天线的极化正交情况下的共口径天线结构俯视图；

图2(a)为实施例1中所述的L/X共口径天线的X波段天线单元。

图2(b)为实施例1中所述的L波段天线单元结构示意图。

图3(a)(b)(c)(d)为实施例1中所述的L/X共口径天线的X波段天线单元中馈电微带线的4种设置方式示意图。

图4为实施例1中所述共口径天线中的X波段天线阵列中心单元的E面有源电压驻波比的仿真结果。

图5为实施例1中所述共口径天线中的L波段天线的有源电压驻波比的仿真结果。

图6为实施例1中所述共口径天线中的X波段天线阵列的E面在各个扫描角下增益方向图的仿真结果。

图7为实施例1中所述共口径天线中的L波段天线E面与H面增益方向图的仿真结果。

图8为实施例2的所述6×6的X波段阵列与一个L波段金属背腔天线的极化平行情况下的共口径天线结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步详细描述。

实施例1

本实施例的一种新型结构的L/X波段共口径天线形式,如图1所示。

如图1所示，6×6的X波段天线阵列加载在L波段天线的正上方，6个天线单元沿着x方向排列，单元间距为12mm，6个天线单元沿着y方向排列，单元间距为12mm。图2所示为图1共口径天线的X波段天线基本单元与L波段天线基本单元。

其结构包括下层金属背腔天线111，大小为72mm×72mm，高度为35mm，包含有四种微带馈电结构107的馈电网络，其中微带馈线的宽度都为0.7mm。X波段的馈电同轴接头内芯108与微带线107连接，馈电同轴内芯108的直径为0.51mm，采用四种不同位置的微带馈线可以使得X波段天线单元的同轴接头外径109可以避开L波段天线的背腔110，并且在旋转X波段天线时馈电同轴外径109也可以避开金属背腔110，同轴接头外径109的直径为1.8mm，金属腔110的长度为68mm，宽度6mm，腔深33mm。通过微带线馈网107将能量过渡到X波段天线的馈电柱106，馈电柱106的直径为0.51mm，高度为5.5mm，馈电柱106再与最上层的金属微带线103相连，通过耦合馈电的方式将能量传输到下层的金属贴片102上，上下层金属贴片之间的厚度为0.25mm，其中，上层金属微带线103分为两段，头端和尾端，头端宽度为0.25mm，长度2.3mm，尾端的宽度0.7mm，长度为3.5mm,下层金属贴片102的长度为10.2mm，宽度为7mm。在X波段介质基板105中间的是一层带阻性的频率选择表面104，距离金属背腔天线平面为2mm，其内边长为6mm，外边长为10mm，该频率选择表面只对X波段的电磁波具有反射特性，但是对其他波段的电磁波具有透射性能，因此可以作为X波段天线的反射地板，整个X波段天线的高度为5.5mm，其介质基板的介电常数为2.2。最上层的是起到宽角匹配作用的介质匹配层101，介电常数3，厚度为3mm。

图4给出了本实施例中L/X共口径天线的X波段天线阵列中心单元的E面有源电压驻波比随频率变化的仿真结果，从图4可以看出在整个X波段频率范围内，有源电压驻波比都小于2.5。

图5给出的是本实施例中L/X共口径天线的L波段天线的有源电压驻波比，可以看到，L波段天线有源电压驻波比小于2的有效带宽达到了200MHz以上。图6给出的是本实施例中L/X共口径天线的X波段天线阵列的E面扫描至45度的增益方向图。图7给出的是本实施例中L/X共口径天线的L波段天线的E面与H面增益方向图。

图8为实施例2中所述的X波段天线与L波段天线极化平行情况下的共口径天线。

实施例2

通过旋转X波段天线阵面，X波段天线与L波段天线可以在极化平行的条件下形成共口径天线。如图8所示。

实施例3

具体的，将每个基本天线单元向二维方向分别延伸，即可构成任意大小的平面阵列。其他结构同实施例1中的详细描述。

以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (4)

1.一种新型结构的L与X波波段共口径天线，该天线包括：L波段天线和X波段天线，所述L波段天线包括一金属背板，该金属背板中线位置设置有一脊状凸起，该脊状凸起内部中空与金属背板形成矩形凹槽；所述X波段天线设置于L波段天线金属背板上；所述X波段天线阵列分布的多个单元天线，每个单元天线包括：第一过渡层、X波段介质基板、第二过渡层、介质匹配层、设置于第一过渡层上表面的馈电微带线、穿过X波段介质基板的馈电柱、设置于X波段介质基板内的频率选择表面、设置于第二过渡层下表面的下层金属贴片、设置于第二过渡层上表面的上层金属微带线、穿过第一过渡层连接馈电微带线输入端的同轴接头内芯、包裹同轴接头内芯的同轴接头外径，所述第一过渡层、X波段介质基板、第二过渡层、介质匹配层为由下往上依次堆叠设置；所述L波段天线的金属背板开设有通孔用于设置同轴接头外径；所述频率选择表面只对X波段的电磁波具有反射特性；所述馈电柱位于单元天线的中心位置，一端连接馈电微带线输出端另一端连接上层金属微带线；所述上层金属微带线和下层金属贴片分别位于馈电柱的两侧；所述上层金属微带线与下层金属贴片都沿各自方向延伸至相邻单元天线内。

2.如权利要求1所述的一种新型结构的L与X波波段共口径天线，其特征在于所述馈电微带线包括长度相同、夹角为90°的两条枝节，转角处进行倒外角处理；所述馈电微带线输出端位置为与多个天线单元的中心相对应的第一过渡层上表面处，输入端为与多个天线单元的的左下角、右下角、右上角或左上角相对应的第一过渡层上表面处。

3.如权利要求1所述的一种新型结构的L与X波波段共口径天线，其特征在于所述频率选择表面为方环形微带结构，对称的设置于X波段介质基板内。

4.如权利要求2所述的一种新型结构的L与X波波段共口径天线，其特征在于所述X波段天线为6×6单元天线阵列，其中3×6单元天线阵列中的馈电微带线输入端为与相应天线单元的左下角相对应的第一过渡层上表面；另外3×6单元天线阵列中的馈电微带线输入端为与相应天线单元的右上角相对应的第一过渡层上表面。

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