CN111786133A - 一种收发共口径相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种收发共口径相控阵天线，包括PCB多层板，所述PCB多层板的正面为天线单元，背面为馈电网络及焊接多功能多通道芯片，其余中间各层为射频信号、芯片的馈电及控制走线，所述PCB多层板上阵列设置的多个收发双频天线，所述PCB多层板上位于多个收发双频天线的中间设有发射单频天线，所述多个收发双频天线上层均设有射频发射天线，所述PCB多层板设有将收发双频天线、发射单频天线隔离的隔离腔结构。通过上述方式，本发明能够解决传统卫通天线不能同时具有低剖面、低成本、易集成、体积重量轻、快速波束扫描的特点。

Description

一种收发共口径相控阵天线

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种收发共口径相控阵天线。

背景技术

无线通信做为当今最重要的通信手段之一，特别今年来卫星通信发展迅速，对于卫通终端的要求也越来越高，传统的卫通终端天线有抛物面天线，VICTS(可变倾角连续断面节)天线，收发分口径相控阵天线。抛物面天线为收发一体、共口径天线，靠机械伺服实现波束扫描，抛物面天线本身体积大，额外增加的伺服的机械结构更增加了其体积重量，不易于集成于各种平台上，尤其对体积重量要求高的车载平台，以及气动性要求高的机载平台，机械扫描方式速度慢且具有惯性的缺点，对于动中通等需要快速切换波束及指向精度高的运用会降低性能，尤其对于日渐成熟的低轨卫星动中通天线，载体的卫星均在运动对波束切换时间和指向精度要求比高轨卫星终端更严格。VICTS天线为平面结构比抛物面天线剖面低，收发分口径，是机扫加点扫的波束扫描方式，因其仍然是机扫形式所以也有惯性的缺点，机械结构也会增加其高度和重量，收发分口径的结构形式使得天线口径大，不易于天线实现轻小型。收发分口径相控天线为全电扫模式，有比抛物面天线和VICTS天线更低的剖面，更轻的重量，更快的波束切换时间，但其收发分口径的排布形式使天线口径大，口径利用率低，且单独制作接收和发射使其有成本高的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种收发共口径相控阵天线，能够解决传统卫通天线不能同时具有低剖面、低成本、易集成、体积重量轻、快速波束扫描的特点。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种收发共口径相控阵天线，包括PCB多层板，所述PCB多层板的正面为天线单元，背面为馈电网络及焊接多功能多通道芯片，其余中间各层为射频信号、芯片的馈电及控制走线，所述PCB多层板上阵列设置的多个收发双频天线，所述PCB多层板上位于多个收发双频天线的中间设有发射单频天线，所述多个收发双频天线上层均设有射频发射天线，所述PCB多层板设有将收发双频天线、发射单频天线隔离的隔离腔结构。

进一步的是，所述PCB多层板包括九金属层(9)、十金属层(10)、十一金属层(11)、十二第金属层(12)、十三金属层(13)、十四金属层(14)、十五金属层(15)、十六金属层(16)、十七金属层(17)、十八金属层(18)以及各金属层之间的介质层。

进一步的是，所述九金属层(9)是发射天线贴片(1)层，十金属层(10)是接收天线贴片(2)和发射天线接地层，十一金属层(11)是接收天线接地层，十金属层(10)和十一金属层(11)通过若干接地孔连接，十二金属层(12)是电桥(6)，十三金属层(13)是接地层，十四金属层(14)和十六金属层(16)分别为芯片供电的走线层和芯片控制的走线层，十五金属层(15)和十七金属层(17)均为接地层，十八金属层(18)是馈电网络及芯片焊接层。

进一步的是，所述收发双频天线包括发射天线贴片(1)、接收天线贴片(2)、类同轴内导体(4)、类同轴外导体(5)和电桥(6)，所述发射天线贴片(1)、接收天线贴片(2)、类同轴内导体(4)和类同轴外导体(5)构成高频发射天线，所述接收天线贴片(2)、电桥(6)构成了低频接收天线，所述发射天线贴片(1)为天线的辐射贴片，接收天线贴片(2)为低频接收天线的辐射贴片同时也是天线的地，发射天线贴片(1)上的缝隙(19)可使类同轴馈电处于贴片中心，类同轴内导体(4)从接收天线贴片(2)的中心穿过，接收天线采用双馈电形式,由馈电通孔(20)实现，馈电通孔从接收天线贴片(2)处于的十金属层(10)穿过十一金属层(11)底到电桥(6)所处的金属层十二(12)连接到电桥(6)的两个输出端口，电桥(6)的两个输出端口具有90度相位差，且与发射天线的圆极化正交。

进一步的是，所述单频发射天线包括发射天线贴片(1)、类同轴内导体(4)、类同轴外导体(5)以及天线地(21)，天线地(21)同收发双频天线的接收天线贴片(2)位于十金属层(10)，接收天线贴片(2)和天线地(21)通过金属层开缝隙(22)分开，所述类同轴外导体(5)和接地孔(3)分别连接到十金属层(10)底和十三金属层(13)。

进一步的是，所述类同轴内导体(7)与电桥输入端口连接同类同轴外导体(8)接收天线的馈电。

进一步的是，所述单频发射天线与双频收发天线的发射天线的地位于同一层，所述单频发射天线与双频收发天线的发射天线结构相同。

进一步的是，所述隔离腔结构包括接地孔(3)、金属条带(23)、十金属层(10)、十一金属层(11)和十三金属层(13)，所述若干接地孔(3)围成许多圆形以及多边形的圈，接地孔(3)与金属层(11)和十三金属层(13)围成的圆形腔将电桥隔离起来，防止各电桥的信号串扰，十一金属层(11)与十三金属层(13)近距离设置形成平板传输线使电磁波在此两层之间传播，使天线单元的激励耦合。

一种收发共口径相控阵天线的布阵方法，其特征在于四个收发双频天线中间放置一个发射单频天线，发射和接收均为矩形布阵，发射单元间距为d2，接收单元间距为d1，间距d≤λ/(1+|sin(θ)|)，其中λ是波长，θ为相控阵扫描角度，波长λ与频率f的关系λ＝c/f，c为光速，满足收发阵面阵元对间距的要求，实现了收发共口径。

本发明的有益效果是：本发明的一种收发共口径相控阵天线，能够解决传统卫通天线不能同时具有低剖面、低成本、易集成、体积重量轻、快速波束扫描的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种收发共口径相控阵天线的正视图；

图2是本发明一种收发共口径相控阵天线的侧视图；

图3是本发明一种收发共口径相控阵天线的剖视图；

图4是本发明一种收发共口径相控阵天线的中间层图；

图5是本发明一种收发共口径相控阵天线的中间层图；

1、发射天线贴片；2、接收天线贴片；3、接地孔、4、类同轴内导体；5、类同轴外导体；6、电桥；7、类同轴内导体；8、同类同轴外导体；9、九金属层；10、十金属层；11、十一金属层；12、十二金属层；13、十三金属层；14、十四金属层；15、十五金属层；16、十六金属层；17、十七金属层；18、十八金属层；19、缝隙、20、切角、21、天线地、22、金属层开缝隙、23、金属条带。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

以及，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参阅图1至图5，本发明实施例包括：一种收发共口径相控阵天线，其特征在于包括PCB多层板，所述PCB多层板正面为天线单元，背面为馈电网络及焊接多功能多通道芯片，中间各层层是射频信号、芯片的馈电及控制走线，所述PCB多层板包括阵列设置的多个收发双频天线，所述多个收发双频天线中心设有射频发射天线，所述PCB多层板包括隔离腔结构，所述隔离腔结构将收发双频天线、发射单频天线包围使这些结构同其他隔离。所述PCB多层板包括九金属层9、十金属层10、十一金属层11、十二第金属层12、十三金属层13、十四金属层14、十五金属层15、十六金属层16、十七金属层17、十八金属层18以及各金属层之间的介质层。

一种收发双频天线，实现收发双频双极化，包括发射天线贴片1、接收天线贴片2、类同轴内导体4、类同轴外导体5和电桥6。

本发明的天线采用微带天线，微带天线具有易加工、易集成等特点。发射天线贴片1、接收天线贴片2、类同轴内导体4和类同轴外导体5构成高频发射天线，发射天线贴片1为天线的辐射贴片实现天线发射信号功能，接收天线贴片2作为低频接收天线的辐射贴片同时也是发射天线的地，发射天线贴片1上的缝隙19可使类同轴馈电处于贴片中心，类同轴内导体4从接收天线贴片2的中心穿过可保证不影响接收天线的辐射性能，缝隙19具有电容效应同时抵消了类同轴内导体4的电感效应扩宽发射天线带宽，发射天线贴片1上切角20可使发射天线形成圆极化性能。

接收天线贴片2和电桥6构成了低频接收天线，由馈电通孔20实现，馈电通孔从接收天线贴片2处于的金属层10穿过十一金属层11底到电桥所处的十二金属层12连接到电桥6的两个输出端口，电桥6的两个输出端口具有90度相位差，可实现接收天线圆极化，且与发射天线的圆极化正交。类同轴内导体7与电桥输入端口连接同类同轴外导体8一起实现接收天线的馈电。

一种单频发射天线，实现发射圆极化，包括发射天线贴片1、类同轴内导体4、类同轴外导体5和天线地21。

单频发射天线位于四个收发双频天线中心，由发射天线贴片1、类同轴内导体4、类同轴外导体5以及天线地21构成，天线地21同收发双频天线的接收天线贴片2位于十金属层10，接收天线贴片2和天线地21通过金属层开缝隙22分开，同时又通过类同轴外导体5和接地孔3连接到同样的十金属层10底层和十三金属层13地层，保证两种发射天线共地。因此单频发射天线与双频收发天线的发射天线的地位于同一层，可使两种发射天线结构相同，性能一致，易于组阵，避免同一阵面中结构不同的天线相位中心不同而引起栅瓣。

隔离腔结构，隔离腔能减少天线单元之间，以及各层各层信号之间的耦合，提高天线性能，包括接地孔3、金属条带23、十金属层10、十一金属层11和十三金属层13。

若干接地孔3围城许多圆形以及多边形的圈将收发双频天线、发射单频天线、电桥6包围使这些结构同其他隔离，相控阵天线单元之间的耦合会影响天线的方向图、驻波、增益等重要性能，存在扫描盲点等对相控阵来说致命的缺点。收发双频天线外为腔体，单频发射天线外为腔体，这些腔体能减少天线单元之间的耦合，提高性，同时隔离腔也是天线的一部分，设计时需兼顾天线贴片尺寸、隔离腔尺寸等共同优化。接地孔3与十一金属层11和十三金属层13围城的圆形腔将电桥隔离起来，防止各电桥的信号串扰，十一金属层11与十三金属层13之间距离很近，具备形成平板传输线的条件，因此电磁波很容易在此两层之间传播，从而使天线单元的激励耦合。

一种收发共口径的布阵方式，收发共口径，提高口径利用率，降低天线成本。接收阵元间距d1,发射阵元间距d2。

四个收发双频天线中间放置一个发射单频天线，相控阵天线阵元间距与波长相关，理论上应满足间距d≤λ/(1+|sin(θ)|)其中λ是波长，θ为相控阵扫描角度，波长λ与频率f的关系λ＝c/f，c为光速，因此频率低的天线阵元间距比频率高的天线阵元间距大，本发明在四个双频收发天线中间放置一个发射单频天线，发射和接收均为矩形布阵，发射单元间距为d2，接收单元间距为d1，满足收发阵面阵元对间距的要求，实现了收发共口径，同等接收性能的条件下，收发共口径相控阵天线比收发分口径相控阵天线节约了发射阵面的布阵面积，节约了发射阵面的制作成本，且发射阵元数可增加，提高了发射性能。

一种低成本易加工多层板结构，多层板结构可天线实现轻薄化，提高天线集成度，切PCB多层板工艺成熟，天线具有易加工性，和低成本性。

相控阵天线由PCB多层板天线实现，多次压合加工而成，多层板正面为天线单元，背面为馈电网络及焊接多功能多通道芯片，中间各层层是射频信号、芯片的馈电及控制走线，可实现相控阵超薄、超轻，易于集成。九金属层9是发射天线贴片1层，十金属层10是接收天线贴片2和发射天线接地层，十一金属层11是接收天线接地层，十金属层10和十一金属层11通过若干接地孔连接可使全阵天线共地，十二金属层12是电桥6所在层，十三金属层13是接地层，十四金属层14和十六金属层16可作分别为芯片供电和控制的走线层，十五金属层15和十七金属层17为接地层，十八金属层18是馈电网络及芯片焊接层，十三金属层13、十五金属层15、十七金属层17作为接地层将射频信号、电源信号以及控制信号隔离开，避免信号间相互影响。

收发共口径相控阵可与变频器、天线控制器、接收发射机等集成各种通信终端，各种卫通固定站、信关站、便携站、各种平台的动中通终端以及星载天线等。

收发双频天线的接收天线实现信号的接收功能，接收天线贴片2将空间中接收到的信号通过类同轴(由类同轴内导体7和类同轴外导体8组成)传输到最底层的馈电网络层(十八金属层18)，输入给接收芯片，经过芯片放大后传输给后级电路。发射性能由收发双频天线的发射天线以及发射单频天线实现，发射芯片芯片将后级电路输入的信号放大后通过类同轴(由类同轴内导体4和类同轴外导体5组成)传输给发射天线贴片1辐射到空间中去。阵面的接收和发射天线极化正交，接收天线圆极化由电桥实现，发射天线圆极化由贴片上的切角20实现。相控阵天线的波束形成由波束控制软件以及相应的硬件电路控制收发多功能芯片实现。

本发明的一种收发共口径相控阵天线，带来技术效果是:

1、极大的降低了天线剖面，减少了天线体积重量。

采用多层板设计使天线、射频馈电、供电和控制以及有源芯片全部集成在一块板子，以ka卫通频段为例，多层PCB板厚度不超过2mm,整个相控阵阵面板包括射频芯片高度在内厚度不超过3mm，重量不超过0.7kg,将相控阵集成成卫通终端是可大大降低整个终端的体积重量，同样以ka卫通终端为例，等效0.45m口径的终端厚度可降低到40mm，重量不超过10kg。

2、提升了口径利用率。

收发分口径天线需要将接收和发射天线部分分开放置，整个阵面口径为接收加发射的口径，而收发共口径天线只需要接收口径的大小就可以同时实现接收和发射功能。因此同等性能的条件下节约了发射口径面积，提高了口径利用率。

3、降低了天线成本。

PCB多层板工艺为成熟工艺，加工简单，成品率高，可实现批量生产，加工成本低，将天线、芯片以及各种信号连接线集成在一块多层PCB板上，省去了额外的连接器以及各种连接线缆成本，以及组装产品的人力成本和时间成本，同时收发共口径设计可将收发天线同时加工完成，几乎只需要制作接收天线的成本节约了制作发射天线的成本。

4、提升天线性能。

收发共口径天线在阵元数相同的情况下节约了发射阵面口径，且发射与接收共口径的情况下可增加发射阵数，提高阵面增益，如果芯片输出功率不变则可提升发射阵面的EIRP(等效全向辐射功率)，如果保持EIRP不变，则可以降低芯片输出功率，从而降低相控阵功耗。如果将收发共口径天线扩大到同收发分口径天线的口径相同，则收发天线阵元数都将增加，收发阵面增益都将提高，从而提高接收天线的G/T值(增益和噪声温度比值)，以及发射天线EIRP值，所以相同口径的收发共口径天线比收发分口径天线性更优。

5、提高可靠性。

天线一体加工而成，省去了额外的连接器、线缆，可避免，连接器、线缆损坏以及安装问题引起的产品不可靠性。

此外，需要说明的是，在本说明书中，“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种收发共口径相控阵天线，其特征在于包括PCB多层板，所述PCB多层板的正面为天线单元，背面为馈电网络及焊接多功能多通道芯片，其余中间各层为射频信号、芯片的馈电及控制走线，所述PCB多层板上阵列设置的多个收发双频天线，所述PCB多层板上位于多个收发双频天线的中间设有发射单频天线，所述多个收发双频天线上层均设有射频发射天线，所述PCB多层板设有将收发双频天线、发射单频天线隔离的隔离腔结构。

2.根据权利要求1所述的一种收发共口径相控阵天线，其特征在于：所述PCB多层板包括九金属层(9)、十金属层(10)、十一金属层(11)、十二第金属层(12)、十三金属层(13)、十四金属层(14)、十五金属层(15)、十六金属层(16)、十七金属层(17)、十八金属层(18)以及各金属层之间的介质层。

3.根据权利要求2所述的一种收发共口径相控阵天线，其特征在于：所述九金属层(9)是发射天线贴片(1)层，十金属层(10)是接收天线贴片(2)和发射天线接地层，十一金属层(11)是接收天线接地层，十金属层(10)和十一金属层(11)通过若干接地孔连接，十二金属层(12)是电桥(6)，十三金属层(13)是接地层，十四金属层(14)和十六金属层(16)分别为芯片供电的走线层和芯片控制的走线层，十五金属层(15)和十七金属层(17)均为接地层，十八金属层(18)是馈电网络及芯片焊接层。

4.根据权利要求1所述的一种收发共口径相控阵天线，其特征在于：所述收发双频天线包括发射天线贴片(1)、接收天线贴片(2)、类同轴内导体(4)、类同轴外导体(5)和电桥(6)，所述发射天线贴片(1)、接收天线贴片(2)、类同轴内导体(4)和类同轴外导体(5)构成高频发射天线，所述接收天线贴片(2)、电桥(6)构成了低频接收天线，所述发射天线贴片(1)为天线的辐射贴片，接收天线贴片(2)为低频接收天线的辐射贴片同时也是天线的地，发射天线贴片(1)上的缝隙(19)可使类同轴馈电处于贴片中心，类同轴内导体(4)从接收天线贴片(2)的中心穿过，接收天线采用双馈电形式,由馈电通孔(20)实现，馈电通孔从接收天线贴片(2)处于的十金属层(10)穿过十一金属层(11)底到电桥(6)所处的金属层十二(12)连接到电桥(6)的两个输出端口，电桥(6)的两个输出端口具有90度相位差，且与发射天线的圆极化正交。

5.根据权利要求1所述的一种收发共口径相控阵天线，其特征在于：所述单频发射天线包括发射天线贴片(1)、类同轴内导体(4)、类同轴外导体(5)以及天线地(21)，天线地(21)同收发双频天线的接收天线贴片(2)位于十金属层(10)，接收天线贴片(2)和天线地(21)通过金属层开缝隙(22)分开，所述类同轴外导体(5)和接地孔(3)分别连接到十金属层(10)底和十三金属层(13)。

6.根据权利要求5所述的一种收发共口径相控阵天线，其特征在于：所述类同轴内导体(7)与电桥输入端口连接同类同轴外导体(8)接收天线的馈电。

7.根据权利要求1所述的一种收发共口径相控阵天线，其特征在于：所述单频发射天线与双频收发天线的发射天线的地位于同一层，所述单频发射天线与双频收发天线的发射天线结构相同。

8.根据权利要求1所述的一种收发共口径相控阵天线，其特征在于：所述隔离腔结构包括接地孔(3)、金属条带(23)、十金属层(10)、十一金属层(11)和十三金属层(13)，所述若干接地孔(3)围成许多圆形以及多边形的圈，接地孔(3)与金属层(11)和十三金属层(13)围成的圆形腔将电桥隔离起来，防止各电桥的信号串扰，十一金属层(11)与十三金属层(13)近距离设置形成平板传输线使电磁波在此两层之间传播，使天线单元的激励耦合。

9.一种收发共口径相控阵天线的布阵方法，其特征在于四个收发双频天线中间放置一个发射单频天线，发射和接收均为矩形布阵，发射单元间距为d2，接收单元间距为d1，间距d≤λ/(1+|sin(θ)|)，其中λ是波长，θ为相控阵扫描角度，波长λ与频率f的关系λ＝c/f，c为光速，满足收发阵面阵元对间距的要求，实现了收发共口径。

Images