CN110690584A - 一种低剖面宽带宽角柱面共形多波束微带阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低剖面宽带宽角柱面共形多波束微带阵列天线，包括波束形成层、辐射层；所述波束形成层和辐射层紧凑集成，并通过柱面共形异面过渡结构，采用曲面压合技术实现天线整体的集成；所述波束形成层为柱面共形微带Rotman透镜结构，所述Rotman透镜结构为7输入10输出且其馈电对象是辐射层。在传统宽带多层微带天线设计的基础上，开展多种展宽频带手段融合实施的研究，优化设计微带阵元的布局、馈电网络和阻抗匹配层，使天线具有宽频带宽角多波束性能且在宽角扫描情况下各馈电端口输入阻抗匹配良好。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及的是一种低剖面宽带宽角柱面共形多波束微带阵列天线。
背景技术
未来若干年，移动卫星通信领域将迎来一次重大发展，我国也在积极的建设低轨卫星星座，届时各类接入卫星通信的终端用户将会大量部署高性能的电扫天线用来与快速移动的低轨卫星进行实时通信。随着移动卫星通信市场的不断拓展，研发适应不同应用场景的波束扫描体制的电扫天线也将成为热点。多波束阵列天线通常由无源波束形成网络和天线阵列组成，此类结构简单易设计，可极大降低制造成本，配合开关网络可实现多个波束的电控切换从而实现快速扫描，在未来移动卫星通信市场也极具竞争力。
多波束天线中波束形成网络是关键器件，透镜类多波束形成网络具有结构简单、工作宽频带、波束指向与频率无关和加工成本低廉等优点，其中Rotman透镜具有一个正焦点和两个偏焦点，一般采用准光学方法进行设计，透镜输入端口的波束轮廓线固定为圆或椭圆，输出端口所在的内轮廓线由一系列的几何约束条件和电约束条件共同决定。Rotman透镜从提出到现在已经经历了半个多世纪的发展，一直有人对其研究并将其引入到更多的区域，实现副瓣电平降低、改善透镜两对称焦点波束口间的隔离度、将其扩展到倍频程工作都已实现。
多层微带阵列天线指单元采用多层结构的微带阵列或馈电网络采用多层结构的微带阵列，相比于单元和馈线同层的单层微带阵列来说，多层微带阵列在单元和馈电网络设计方面都获得了更高的自由度，从而能够通过灵活的设计使阵列获得更高的性能。
本发明涉及的低剖面宽带宽角扫描柱面共形多波束微带阵列天线，是为导弹、无人机等飞行器而设计的。工作在X频段具有宽频带、宽角覆盖、高增益的轻小型、紧凑型特性，外形符合导弹类飞行器的气动性能，天线辐射波束可通过开关网络进行快速切换以实现波束的宽角扫描，也可通过连接多个通道实现同时多波束，以满足在飞行过程中保持卫星对飞行器的实时测控和通信。
发明内容
本发明目的是提供一种低剖面柱面共形多波束微带阵列天线，这种天线具备可实现宽频带、宽角扫描、高增益等特点。
本发明的技术方案是：
一种低剖面宽带宽角柱面共形多波束微带阵列天线，包括波束形成层、辐射层；所述波束形成层和辐射层紧凑集成，并通过柱面共形异面过渡结构，采用曲面压合技术实现天线整体的集成。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述波束形成层为柱面共形微带Rotman透镜结构，所述Rotman透镜结构为7输入10输出且其馈电对象是辐射层。
所述Rotman透镜结构包括同轴输入端口、微带线透镜过渡结构、透镜腔体和实时延迟线；所述微带线透镜过渡结构由微带短线A和三角形阻抗匹配区域B组成；所述透镜腔体为一个以焦点圆弧C和内轮廓线D围成的填充介电常数为εr介质材料的封闭腔体，内轮廓线D与外轮廓线E之间由实时延迟线连接。
所述辐射层为宽带多层微带阵列天线，所述宽带多层微带阵列天线包括外腔铝板、第一PMI泡沫板、底层馈电微带线、第一微带板、耦合缝隙、第二微带板、上层馈电微带线、耦合贴片、第二PMI泡沫板、辐射贴片、第三微带板；所述外腔铝板在最底层且外腔铝板上表面贴装第一PMI泡沫板，所述第一PMI泡沫板上表面贴装底层馈电微带线，所述底层馈电微带线上表面贴装两层中间由耦合缝隙隔开的第一微带板和第二微带板，所述上层馈电微带线贴装在第二微带板上，所述耦合贴片通过第二PMI泡沫板和上层馈电微带线连接，经第三微带板连接辐射贴片。
所述辐射贴片为矩形微带贴片。
所述宽带多层微带天线单元排列方式为三角形排列。
本发明的有益效果为：
本发明在设计柱面共形Rotman透镜时基于光学方法重新推导设计方程解决柱面共形带来的相位补偿难题，在传统宽带多层微带天线设计的基础上，开展多种展宽频带手段融合实施的研究，优化设计微带阵元的布局、馈电网络和阻抗匹配层，使天线具有宽频带宽角多波束性能且在宽角扫描情况下各馈电端口输入阻抗匹配良好。实现Rotman透镜与多层微带天线的紧凑集成，采用先进的曲面压合技术实现天线整体的集成。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是波束形成层的立体和剖面结构示意；
图3是宽带多层微带天线单元的结构示意图；
图4是宽带多层微带天线单元性能的实测结果(a)天线H面增益(H面为天线的水平方位面)、(b)天线实测驻波、(c)天线实测E面方向图；
图5是是宽带多层微带阵列单元排布结构示意图。
附图标记：1、波束形成层；101、同轴输入端口；102、微带线透镜过渡结构；103、透镜腔体；104、实时延迟线；2、辐射层；201、外腔铝板；202a、第一PMI泡沫板；202b、第二PMI泡沫板；203、底层馈电微带线；204a、第一微带板；204b、第二微带板；204c、第三微带板；205、耦合缝隙；206、上层馈电微带线；207、耦合贴片；208、辐射贴片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加，以及“上”、“下”、“中间”、“上端”、“下端”等术语仅区分位置关系，并无具体限定。
下面结合附图对本发明的实施进行详细说明。
实施例1：如图1所示，本实施例的低剖面宽带宽角柱面共形多波束微带阵列天线，包括波束形成层1、辐射层2；波束形成层1和辐射层2紧凑集成，并通过柱面共形异面过渡结构，采用曲面压合技术实现天线整体的集成。
波束形成层1为柱面共形微带Rotman透镜结构，Rotman透镜结构为7输入10输出且其馈电对象是辐射层2。
如图2所示：Rotman透镜是透镜类多波束形成网络中结构简单、性能优良的一种，多波束形成网络具有良好的波束切换扫描能力。波束形成层1为7输入10输出的Rotman透镜结构包括同轴输入端口101、微带线透镜过渡结构102、透镜腔体103、实时延迟线104，微带线透镜过渡结构102由微带短线A和三角形阻抗匹配区域B组成，透镜腔体103为一个以焦点圆弧C和内轮廓线D围成的填充介电常数为εr介质材料的封闭腔体，内轮廓线D与外轮廓线E之间由实时延迟线104连接，以到达外轮廓线中心处的相位为标准，根据达到外轮廓线时各个输出端的相位设计相应长度的延迟线104实现补偿相位保证输出端口馈电的相位一致性。
如图3所示：辐射层2为宽带多层微带阵列天线，宽带多层微带阵列天线包括外腔铝板201、第一PMI泡沫板202a、底层馈电微带线203、第一微带板204a、耦合缝隙205、第二微带板204b、上层馈电微带线206、耦合贴片207、第二PMI泡沫板202b、辐射贴片208、第三微带板204c；外腔铝板201在最底层且外腔铝板201上表面贴装第一PMI泡沫板202a，第一PMI泡沫板202a上表面贴装底层馈电微带线203，底层馈电微带线203上表面贴装两层中间由耦合缝隙205隔开的第一微带板204a和第二微带板204b，上层馈电微带线206贴装在第二微带板204b上，耦合贴片207通过第二PMI泡沫板202b和上层馈电微带线206连接，经第三微带板204c连接辐射贴片208。普通的微带天线带宽一般低于5％；本发明辐射层2采用多种展宽频带的措施，包括采用低介电常数基板、PMI泡沫基板、缝隙耦合结构达到40％的宽频带。
进一步地；辐射贴片208为矩形微带贴片；宽带多层微带天线单元排列方式为三角形排列。Rotman透镜和宽带多层微带阵列天线2紧凑集成，通过柱面共形异面过渡结构设计，采用曲面压合技术实现天线整体的集成；单元实测驻波在7.4～12.7GHz带宽内都在1.5以下，驻波带宽超过50％。
进一步地；多个微带天线单元可以按一定规律排布组成阵列。
如图4、图5所示：在本发明所述天线中，柱面共形微带Rotman透镜是一个无源波束形成网络，随着波束的偏转，共形阵列单元到达等效面的波程差是非线性变化的，若使所有单元在某个方向的辐射能够同相叠加，根据柱面共形Rotman透镜的几何约束方程
(a2+c2-1)w2+(2ab+2cd+2ag+2g)w+b2+d2+2gd＝0；x＝aw+b；y＝cw+d
计算出Rotman透镜的归一化内轮廓线和各路延迟线。
在本发明所述天线中，宽带多层微带天线最上层的辐射贴片208起主要的辐射作用，底层采用低介电常数基板外腔铝板201和PMI泡沫基板达到40％的宽频带，应用多贴片耦合技术达到多谐振目的，配合倒置贴片、倒置微带线、反射背腔加载实现紧凑结构并提高增益，引入缝隙耦合馈电提高馈电带宽，采用底层倒置微带线激励缝隙，将能量通过缝隙耦合至耦合贴片，再耦合到最上层的辐射贴片，辐射到空间，最终形成多频点谐振式的宽带天线。为实现阵列的宽带，设计宽带馈电网络包括带T型接头和宽带1分2阻抗匹配功分/合成器。可在7.3GHz-12.6GHz频段内馈电网络的反射系数小于-20dB，相对带宽53％，可覆盖多层微带天线单元的工作带宽。优化阵列排布为三角形进一步优化间距改善宽带宽角扫描问题。
本发明所述天线成熟较多、厚度较大且各层材质不一，若在平面情形下压合后再进行弯曲则会因各层弯曲能力差异较大而出现不规则形变的现象，在设计过程中，由于各层基板都是在平面的形态下加工而成的，在设计平面版图的时候需要考虑形变之后的大小，不然在弯曲状态下压合会造成耦合缝隙无法对准造成馈电不匹配或辐射性能恶化。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。
Claims (6)
1.一种低剖面宽带宽角柱面共形多波束微带阵列天线，其特征在于：包括波束形成层(1)、辐射层(2)；所述波束形成层(1)和辐射层(2)紧凑集成，并通过柱面共形异面过渡结构，采用曲面压合技术实现天线整体的集成。
2.根据权利要求1所述的低剖面宽带宽角柱面共形多波束微带阵列天线，其特征在于：所述波束形成层(1)为柱面共形微带Rotman透镜结构，所述Rotman透镜结构为7输入10输出且其馈电对象是辐射层(2)。
3.根据权利要求2所述的低剖面宽带宽角柱面共形多波束微带阵列天线，其特征在于：所述Rotman透镜结构包括同轴输入端口(101)、微带线透镜过渡结构(102)、透镜腔体(103)和实时延迟线(104)；所述微带线透镜过渡结构(102)由微带短线A和三角形阻抗匹配区域B组成；所述透镜腔体(103)为一个以焦点圆弧C和内轮廓线D围成的填充介电常数为εr介质材料的封闭腔体，内轮廓线D与外轮廓线E之间由实时延迟线(104)连接。
4.根据权利要求1所述的低剖面宽带宽角柱面共形多波束微带阵列天线，其特征在于：所述辐射层(2)为宽带多层微带阵列天线，所述宽带多层微带阵列天线包括外腔铝板(201)、第一PMI泡沫板(202a)、底层馈电微带线(203)、第一微带板(204a)、耦合缝隙(205)、第二微带板(204b)、上层馈电微带线(206)、耦合贴片(207)、第二PMI泡沫板(202b)、辐射贴片(208)、第三微带板(204c)；所述外腔铝板(201)在最底层且外腔铝板(201)上表面贴装第一PMI泡沫板(202a)，所述第一PMI泡沫板(202a)上表面贴装底层馈电微带线(203)，所述底层馈电微带线(203)上表面贴装两层中间由耦合缝隙(205)隔开的第一微带板(204a)和第二微带板(204b)，所述上层馈电微带线(206)贴装在第二微带板(204b)上，所述耦合贴片(207)通过第二PMI泡沫板(202b)和上层馈电微带线(206)连接，经第三微带板(204c)连接辐射贴片(208)。
5.根据权利要求4所述的低剖面宽带宽角柱面共形多波束微带阵列天线，其特征在于：所述辐射贴片(208)为矩形微带贴片。
6.根据权利要求4所述的低剖面宽带宽角柱面共形多波束微带阵列天线，其特征在于：所述宽带多层微带天线单元排列方式为三角形排列。
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