CN110797649A - 一种具有滤波和定标功能的宽带双极化微带天线子阵 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种具有滤波和定标功能的宽带双极化微带天线子阵，包括辐射层、纸蜂窝支撑层和功能层，功能层包括：上层印刷板的上表面设置有上层金属面，刻蚀有“H”形缝隙，第一“H”形缝隙沿上层金属面的垂直方向排布，第二“H”形缝隙沿水平方向排布；下层印刷板上设置有极化馈电网络，包括“T”形带线和特征带线，“T”形带线与第一“H”形缝隙垂直的极化馈电网络，记作水平极化馈电网络，与第二“H”形缝隙垂直的，记作垂直极化馈电网络；下层金属面上设置有金属化过孔，金属化过孔穿过下层印刷板、且对称分布于极化馈电网络的两侧。通过本申请中的技术方案，实现一种具有功率分配、滤波和定标功能的双极化宽带微带天线子阵。

Description

一种具有滤波和定标功能的宽带双极化微带天线子阵

技术领域

本申请涉及微波天线的技术领域，具体而言，涉及一种具有滤波和定标功能的宽带双极化微带天线子阵。

背景技术

随着雷达技术的快速发展，基于星载平台的雷达探测、成像技术已成为军事侦察、战略预警以及民用资源勘测、灾害预测的重要手段，这些星载雷达系统在分辨率、工作模式等方面都有着更高要求。随着星载相控阵雷达口径面不断增大、性能指标不断提高、设备越来越多，考虑到其基于卫星平台发射和在空间环境下的特殊性，如何控制雷达载荷的重量和提高系统的集成度，已成为目前星载雷达迫切需要解决的共性问题。

星载雷达的轻量化主要集中在对天线阵面的轻量化，在有源相控阵雷达中，天线阵面的重量占整个雷达载荷重量的80％以上。而在天线阵面中，辐射天线的重量占天线阵面总重量的20％左右。天线阵面中占比最多是高频网络，包括功分配和高频电缆在内约占阵面总重量的25％，由此可见辐射天线和高频电缆占了整个天线阵面重量的大部分。因此，需要改变传统阵面方案中功分器与辐射天线之间采用电缆连接方式，如果将功分器与辐射天线集成设计，可以省去互联电缆，大幅降低天线系统重量。

而现有技术中，星载相控阵雷达天线多采用波导缝隙天线和微带天线，其中，波导缝隙天线辐射效率高，但带宽窄、重量大；微带天线重量轻，但存在带外谐振，抗干扰能力弱。并且上述两种类型的天线，其功能都较为单一，无法满足天线阵面多功能化、高集成的要求。

另外，在星载相控阵雷达中，通常使用T/R组件和天线辐射单元进行级联，实现大功率信号输出和接收信号的低噪声放大，同时，为了评估T/R组件中某个接收/发射通道的性能以及判断该通道是否发生故障，需要在T/R组件内部集成定标器来实现定标功能。因此，需要将T/R组件与定标器集成设计，一方面，可以评估星载相控阵雷达的天线阵面中，包括T/R组件和终端天线在内的，整个发射/接收链路的性能，另一方面，可以减小星载相控阵雷达的尺寸和重量。

发明内容

本申请的目的在于：提供一种具有功率分配、滤波和定标功能的双极化宽带微带天线子阵，具有重量轻、宽带、集成度高的特点。

本申请的技术方案是：提供了一种具有滤波和定标功能的宽带双极化微带天线子阵，该微带天线子阵包括由上至下依次设置的辐射层、纸蜂窝支撑层和功能层，功能层包括：上层印刷板，下层印刷板和下层金属面；上层印刷板的上表面设置有上层金属面，上层金属面上间隔刻蚀有“H”形缝隙，其中，第一“H”形缝隙沿上层金属面的垂直方向排布，第二“H”形缝隙沿上层金属面的水平方向排布；下层印刷板上设置有极化馈电网络，极化馈电网络包括“T”形带线和特征带线，其中，“T”形带线与第一“H”形缝隙垂直的极化馈电网络，记作水平极化馈电网络，“T”形带线与第二“H”形缝隙垂直的极化馈电网络，记作垂直极化馈电网络；下层金属面上设置有金属化过孔，金属化过孔穿过下层印刷板、且对称分布于水平极化馈电网络和垂直极化馈电网络的两侧，金属化过孔连接于上层金属面。

上述任一项技术方案中，进一步地，辐射层还包括：辐射贴片单元；辐射贴片单元设置于辐射层的上表面、且位于水平极化馈电网络和垂直极化馈电网络的上方。

上述任一项技术方案中，进一步地，下层印刷板上等间距、间隔设置有四个水平极化馈电网络和四个垂直极化馈电网络，下层印刷板上下两侧还包括两组功能网络，功能网络设置有四个网络接口，分别连接于四个水平极化馈电网络或者四个垂直极化馈电网络，功能网络包括：极化功分网络，极化滤波网络和极化定标网络；第一、第二网络接口通过第一极化功分网络相连，第三、第四网络接口通过第二极化功分网络相连，第一极化功分网络和第二极化功分网络通过极化滤波网络连接于第三极化功分网络，第三极化功分网络连接于极化定标网络。

上述任一项技术方案中，进一步地，极化功分网络，具体包括：第一带线、第二带线和膜电阻；第一带线被围成具有开口的矩形，并通过开口串联于第二带线之间，开口之间连接有膜电阻；第二带线的两侧对称设置有金属化过孔。

上述任一项技术方案中，进一步地，极化滤波网络具体包括：第一主信号带线和滤波带线；滤波带线串联于第一主信号带线之间，滤波带线由四段特征阻值为100欧姆的带线组成，滤波带线为阶梯状。

上述任一项技术方案中，进一步地，极化定标网络包括：第二主信号带线和耦合带线，下层印刷板还包括：极化馈电口，极化定标口和极化匹配口；极化馈电口连接于第二主信号带线；极化定标口和极化匹配口通过耦合带线相连，其中，第二主信号带线和耦合带线的间距为0.4mm。

上述任一项技术方案中，进一步地，特征带线的阻抗为50欧姆。

本申请的有益效果是：

1、多功能集成：本申请中的微带天线子阵，通过在下层印刷板上设置有极化馈电网络，结合上层金属面上间隔刻蚀有的“H”形缝隙，一体化集成了带膜电阻的功分网络、滤波网络和定标网络，使得其不仅具有传统天线的辐射作用，还具有功率分配、滤波和定标的作用，能够在一个微带天线子阵中同时实现多个辐射单元的信号分配/合成、有效抑制工作频带外的干扰信号、替代T/R组件实现信号的定标功能，并且没有增加额外的微带天线子阵尺寸。

2、剖面低、重量轻：本申请中的微带天线子阵采用带线馈电、缝隙耦合形式，利用微波介质板与纸蜂窝多层胶接工艺，一体化层压，实现了微带天线子阵的低剖面。将纸蜂窝作为支撑层，避免了常规集成方式中的各种结构附件。此外，集成多个功能模块后的微带天线子阵，替代了现有天线阵面中高频网络、滤波网络和T/R组件等部件，有利于微带天线子阵重量的大幅度降低。

3、宽带多极化：本申请中采用的纸蜂窝支撑层，具有低的相对介电常数，天线具有更宽的工作带宽，本申请中集成了两套独立极化的网络，两种极化网络共用纸蜂窝支撑层和辐射贴片层，两个极化通道间具有良好的极化隔离度。

附图说明

本申请的上述和/或附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本申请的一个实施例的具有滤波和定标功能的宽带双极化微带天线子阵的示意图。

图2是根据本申请的一个实施例的上层印刷板的示意图；

图3是根据本申请的一个实施例的下层印刷板的示意图；

图4是根据本申请的一个实施例的极化馈电网络、极化功分网络、极化滤波网络和极化定标网络的示意图；

图5是根据本申请的一个实施例的两个极化端口的驻波比曲线；

图6是根据本申请的一个实施例的定标端口的耦合度和方向性曲线；

图7是根据本申请的一个实施例的水平极化的方向图曲线；

图8是根据本申请的一个实施例的垂直极化的方向图曲线；

图9是根据本申请的一个实施例的增益曲线；

图10是根据本申请的一个实施例的极化隔离度曲线。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本实施例提供了一种具有滤波和定标功能的宽带双极化微带天线子阵，该微带天线子阵包括由上至下依次设置的辐射层3、纸蜂窝支撑层2和功能层，三者通过采用胶膜进行粘接，采用胶膜的型号为J78环氧胶、厚度为0.1mm。胶接时采用加压、温度80～90℃的胶接工艺条件。

本实施例中的天线子阵工作在1.26GHz，子阵的规模取为1(垂直面)4(水平面)，辐射层3、纸蜂窝支撑层2和功能层为面积相同的三层平面式部件，功能层上采用带线级联的方式，组成极化馈电网络，包括水平极化馈电网络和垂直极化馈电网络，其中，带线为下层印制板193上表面的金属线条。

进一步的，辐射层3还包括：辐射贴片单元31；辐射贴片单元31设置于辐射层3的上表面、且位于水平极化馈电网络和垂直极化馈电网络的上方。

具体的，辐射层3采用单层印制板加工而成，介质型号为CLTE-XT、厚度为0.256mm、相对介电常数为2.94。沿辐射层3水平方向印制有4个辐射贴片单元31，辐射贴片单元31是4个大小一致、边长为90mm的方形金属片，相邻辐射贴片单元31的间距为150mm。为了防止辐射贴片单元31被氧化，辐射贴片单元31的表面进行镀金工艺处理。本发明中两种极化信号辐射时共用同一组辐射贴片单元31。

本实施例中，纸蜂窝支撑层2的型号为芳纶纸蜂窝，厚度为12mm。从功能层1激励的电磁波信号，经过纸蜂窝支撑层2，向辐射层3耦合，最终通过辐射层3中的辐射贴片单元31辐射电磁波信号。

该微带天线子阵中的功能层包括：上层印刷板192，下层印刷板193和下层金属面194；

具体的，功能层采用双层印制板加工而成，两层印制板采用的介质型号为CLTE-XT、厚度为0.512mm、相对介电常数为2.94。集成了水平极化馈电网络、水平极化滤波网络、水平极化功分网络、水平极化定标网络、垂直极化馈电网络、垂直极化滤波网络、垂直极化功分网络以及垂直极化定标网络。

上层印刷板192的上表面设置有上层金属面191，上层金属面191上间隔刻蚀有“H”形缝隙，其中，第一“H”形缝隙111沿上层金属面191的垂直方向排布，第二“H”形缝隙151与上层金属面191的水平方向排布；

具体的，如图2所示，一个第一“H”形缝隙111和一个第二“H”形缝隙151为一组，位于辐射贴片单元31的下方，相邻水平极化馈电耦合缝隙111或垂直极化馈电耦合缝隙151之间的间距与相邻辐射贴片单元31的间距一致。

下层印刷板193上设置有采用带线级联的方式组成的极化馈电网络，如图3所示，极化馈电网络包括“T”形带线和特征带线，其中，“T”形带线与第一“H”形缝隙111垂直的极化馈电网络，记作水平极化馈电网络11，“T”形带线与第二“H”形缝隙151垂直的极化馈电网络，记作垂直极化馈电网络15，两种极化馈电网络在同一个带线层内，但相互独立，互不交叉干涉。

优选的，特征带线的阻抗为50欧姆。

具体的，如图4(a)所示，水平极化馈电网络11是由沿垂直方向的“T”形带线112和阻抗为50欧姆的特征带线113组成，水平极化馈电的“T”形带线112位于水平极化馈电耦合缝隙111的正下方，起到对水平极化馈电耦合缝隙111的激励作用。

如图4(b)所示，垂直极化馈电网络15是由沿水平方向的“T”形带线152和特征阻抗为50欧姆的带线153组成，垂直极化馈电的“T”形带线152位于垂直极化馈电耦合缝隙151的正下方，起到对垂直极化馈电耦合缝隙151的激励作用。

进一步的，下层印刷板193上等间距、间隔设置有四个水平极化馈电网络11和四个垂直极化馈电网络15，下层印刷板193上下两侧还包括两组功能网络，功能网络设置有四个网络接口，分别连接于四个水平极化馈电网络11、或者四个垂直极化馈电网络15，其中，将与四个水平极化馈电网络11相连的功能网络，记作水平功能网络，将与四个垂直极化馈电网络15相连的功能网络，记作垂直功能网络，两种功能网络的结构对称，因此，本实施例中记载的功能网络既可以为水平功能网络，也可以为垂直功能网络。

如图3所示，本实施例中的功能网络包括：极化功分网络，极化滤波网络和极化定标网络；第一、第二网络接口通过第一极化功分网络相连，第三、第四网络接口通过第二极化功分网络相连，第一极化功分网络和第二极化功分网络通过极化滤波网络连接于第三极化功分网络，第三极化功分网络连接于极化定标网络。

进一步的，极化功分网络，具体包括：第一带线133、第二带线131和膜电阻132；第一带线133被围成具有开口的矩形，并通过开口串联于第二带线131之间，开口之间连接有膜电阻132。

具体的，如图4(c)所示，极化功分网络由阻抗50欧姆的第一带线133和阻抗为70.7欧姆的第二带线131组成，第一、第二带线之间有电阻为100欧姆的膜电阻132，膜电阻132通过印制板加工工艺直接印制在第一、第二带线之间，位于下层印制板193的上表面。

进一步的，极化滤波网络具体包括：第一主信号带线121和滤波带线122；滤波带线122串联于第一主信号带线121之间，滤波带线122由四段特征阻值为100欧姆的带线组成，滤波带线122为阶梯状。

具体的，如图4(d)所示，极化滤波网络由阻抗为50欧姆的第一主信号带线121和四段阻抗为100欧姆的滤波带线122组成，第一主信号带线121与滤波带线122依赖带线之间的电磁耦合，进行工作频带内有效信号的传输和工作频带外干扰信号的抑制。

进一步的，极化定标网络包括：第二主信号带线145和耦合带线144，下层印刷板193还包括：极化馈电口141，极化定标口142和极化匹配口143；极化馈电口141连接于第二主信号带线145；极化定标口142和极化匹配口143通过耦合带线144相连，其中，第二主信号带线145和耦合带线144的间距为0.4mm。

具体的，如图4(e)所示，极化定标网络由第二主信号带线145和耦合带线144组成，第二主信号带线145和耦合带线145的阻抗均为50欧姆，第二主信号带线145和耦合带线144之间的间距决定定标器耦合值的大小，本实施例中，第二主信号带线141和耦合带线142的间距为0.4mm，定标耦合值为20dB。

极化定标网络中的第二主信号带线145与下层印刷板193中的极化馈电口141相连，极化馈电口141是天线子阵与天线阵面中T/R组件互联的接口，用来发射和接收对应两种极化的射频信号。极化定标口142是天线子阵定标信号的输入/输出接口，与天线阵面中定标网络相连。极化匹配口143接阻抗为50欧姆的匹配负载。

下层金属面194上设置有金属化过孔195，金属化过孔195穿过下层印刷板193、且对称分布于水平极化馈电网络11和垂直极化馈电网络15的两侧，金属化过孔195连接于上层金属面191。

综上所述，本实施例中的下层印刷板193上共印刷有两组极化带线网络，包括水平极化带线网络和垂直极化带线网络，水平极化带线网络由水平极化馈电网络11、水平极化滤波网络12、水平极化功分网络13和水平极化定标网络14组成，垂直极化带线网络由垂直极化馈电网络15、垂直极化滤波网络16、垂直极化功分网络17和垂直极化定标网络18组成。在本实施例中子阵的规模取为1(垂直面)×4(水平面)，水平极化带线网络由4个水平极化馈电网络11、2个水平极化滤波网络12、3个水平极化功分网络13和1个水平极化定标网络14组成。水平极化定标网络14位于子阵中部，先与第一级的水平极化功分网络13连接，水平极化功分网络13的两个输出口与2个水平极化滤波网络12连接后再与第二级的2个水平极化功分网络13串联，第二级的水平极化功分网络13的分口最终与4个水平极化馈电网络11相连。垂直极化带线网络的组成和级联方式与水平极化带线网络相同。水平极化带线网络和垂直极化带线网络相互隔离，没有线条的干涉和交叉。在水平极化带线和垂直极化带线的两侧均对称分布网络层金属化过孔195，网络层金属化过孔195起到信号隔离的作用。并在下层金属面194上刻蚀有水平极化馈电口141、水平极化定标口142和水平极化匹配口143共3个水平极化信号的对外接口，以及垂直极化定标网络18中有垂直极化馈电口181、垂直极化定标口182和垂直极化匹配口183共3个垂直极化信号的对外接口。

通过对本实施例中的天线子阵进行试验，得到的试验结果如图5至图10所示，表明该天线子阵具有如下性能：

(1)天线子阵在1.18～1.34GHz的工作带宽内驻波比小于1.8，具有较好的阻抗匹配性能。

(2)天线子阵具有20dB的耦合度和大于40dB的方向性系数，耦合度曲线较为平坦，耦合性能较好。

(3)天线子阵水平极化和垂直极化在1.26GHz处的方向图，可见天线子阵在水平面方向图主波束和副波束明显，说明天线子阵中的功分网络性能良好。

(4)天线子阵在工作带宽内的增益大于12dB，在高频段容易有干扰信号的频点处增益小于-10dB，说明天线子阵的滤波性能良好。

(5)天线子阵的极化隔离度大于35dB，尽管天线子阵两种极化的馈电网络位于同一层且共用相同的辐射贴片，天线子阵仍具有较好的极化隔离度。

以上结合附图详细说明了本申请的技术方案，本申请提出了一种具有滤波和定标功能的宽带双极化微带天线子阵，包括辐射层3、纸蜂窝支撑层2和功能层，功能层包括：上层印刷板192的上表面设置有上层金属面191，刻蚀有“H”形缝隙，第一“H”形缝隙111沿上层金属面191的垂直方向排布，第二“H”形缝隙151沿水平方向排布；下层印刷板193上设置有极化馈电网络，包括“T”形带线和特征带线，“T”形带线与第一“H”形缝隙111垂直的极化馈电网络，记作水平极化馈电网络11，与第二“H”形缝隙151垂直的，记作垂直极化馈电网络15；下层金属面194上设置有金属化过孔195，金属化过孔195穿过下层印刷板193、且对称分布于极化馈电网络的两侧。通过本申请中的技术方案，实现一种具有功率分配、滤波和定标功能的双极化宽带微带天线子阵。

本申请中的步骤可根据实际需求进行顺序调整、合并和删减。

本申请装置中的单元可根据实际需求进行合并、划分和删减。

尽管参考附图详地公开了本申请，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本申请的应用。本申请的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本申请保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (7)

1.一种具有滤波和定标功能的宽带双极化微带天线子阵，其特征在于，该微带天线子阵包括由上至下依次设置的辐射层、纸蜂窝支撑层和功能层，所述功能层包括：上层印刷板，下层印刷板和下层金属面；

所述上层印刷板的上表面设置有上层金属面，所述上层金属面上间隔刻蚀有“H”形缝隙，其中，第一“H”形缝隙沿所述上层金属面的垂直方向排布，第二“H”形缝隙沿所述上层金属面的水平方向排布；

所述下层印刷板上设置有极化馈电网络，所述极化馈电网络包括“T”形带线和特征带线，其中，所述“T”形带线与所述第一“H”形缝隙垂直的极化馈电网络，记作水平极化馈电网络，所述“T”形带线与所述第二“H”形缝隙垂直的极化馈电网络，记作垂直极化馈电网络；

所述下层金属面上设置有金属化过孔，所述金属化过孔穿过所述下层印刷板、且对称分布于所述水平极化馈电网络和所述垂直极化馈电网络的两侧，所述金属化过孔连接于所述上层金属面。

2.如权利要求1所述的具有滤波和定标功能的宽带双极化微带天线子阵，其特征在于，所述辐射层还包括：辐射贴片单元；

所述辐射贴片单元设置于所述辐射层的上表面、且位于所述水平极化馈电网络和所述垂直极化馈电网络的上方。

3.如权利要求1所述的具有滤波和定标功能的宽带双极化微带天线子阵，其特征在于，所述下层印刷板上等间距、间隔设置有四个所述水平极化馈电网络和四个所述垂直极化馈电网络，所述下层印刷板上下两侧还包括两组功能网络，所述功能网络设置有四个网络接口，分别连接于四个所述水平极化馈电网络或者四个所述垂直极化馈电网络，所述功能网络包括：极化功分网络，极化滤波网络和极化定标网络；

第一、第二网络接口通过第一极化功分网络相连，第三、第四网络接口通过第二极化功分网络相连，所述第一极化功分网络和所述第二极化功分网络通过所述极化滤波网络连接于第三极化功分网络，所述第三极化功分网络连接于所述极化定标网络。

4.如权利要求3所述的具有滤波和定标功能的宽带双极化微带天线子阵，其特征在于，所述极化功分网络，具体包括：第一带线、第二带线和膜电阻；

所述第一带线被围成具有开口的矩形，并通过所述开口串联于所述第二带线之间，所述开口之间连接有所述膜电阻；

所述第二带线的两侧对称设置有所述金属化过孔。

5.如权利要求3所述的具有滤波和定标功能的宽带双极化微带天线子阵，其特征在于，所述极化滤波网络具体包括：第一主信号带线和滤波带线；

所述滤波带线串联于所述第一主信号带线之间，所述滤波带线由四段特征阻值为100欧姆的带线组成，所述滤波带线为阶梯状。

6.如权利要求5所述的具有滤波和定标功能的宽带双极化微带天线子阵，其特征在于，所述极化定标网络包括：第二主信号带线和耦合带线，所述下层印刷板还包括：极化馈电口，极化定标口和极化匹配口；

所述极化馈电口连接于所述第二主信号带线；

所述极化定标口和所述极化匹配口通过所述耦合带线相连，其中，所述第二主信号带线和所述耦合带线的间距为0.4mm。

7.如权利要求1至6中任一项所述的具有滤波和定标功能的宽带双极化微带天线子阵，其特征在于，所述特征带线的阻抗为50欧姆。

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