CN111900537B - 一种s频段低副瓣阵列天线及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子通讯设备技术领域，涉及一种天线，具体涉及一种S频段低副瓣阵列天线及其设计方法。它解决了现有低副瓣阵列天线制作复杂等技术问题。包含工作于S频段的宽带圆极化天线单元、S频段极化形成网络、S频段天线子阵分配网络、S频段阵列分配网络以及天线安装底板。本发明旨在解决了现有低副瓣阵列天线存在的布阵复杂、馈电网络复杂、损耗大以及制作复杂、可靠性差的缺点，满足了通信领域对收发天线宽频带、高增益、宽波束、低副瓣的要求。

Description

一种S频段低副瓣阵列天线及其设计方法
技术领域
本发明属于电子通讯设备技术领域，涉及一种天线，具体涉及一种S频段低副瓣阵列天线及其设计方法。
背景技术
天线可以说是无线电信号的频率和空域滤波器，是无线通信系统的关键器件，主要应用于无线信号的发射和接收环节，可通过天线将通信发射机产生的特定频段的无线电信号辐射至指定空域完成信号的发射，也可将来自空中某空域的特定频率无线电波转换成高频信号完成信号的接收。低副瓣天线突出其空域滤波特性，其性能优劣可以影响无线通信系统的通信效率、通信质量。目前低副瓣阵列天线存在的布阵复杂、馈电网络复杂、损耗大以及制作复杂、可靠性差的问题。
为了解决现有技术存在的问题，人们进行了长期的探索，提出了各种各样的解决方案，例如中国专利文献公开了一种低副瓣天线和其探测方法[申请号：202010364315.X]：其中所述低副瓣天线包括一参考地和一辐射源，其中所述辐射源具有一馈电点，所述辐射源被间隔地保持于所述参考地的一侧，并在所述参考地和所述辐射源之间形成一辐射缝隙，所述辐射源具有两个相对的极化边和两个非极化边，其中两个所述非极化边位于两个所述极化边之间，两个所述非极化边朝向所述辐射源的物理中点内凹，所述低副瓣天线能够抑制一探测微波的一副瓣波束的产生。
上述方案虽然在一定程度上解决了现有低副瓣天线可靠性差的问题，但是该方案依然存在着：布阵复杂、馈电网络复杂、损耗大以及制作复杂等问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种布阵简单的一种S频段低副瓣阵列天线。
本发明的另一个目的是针对上述问题，提供一种便于制作的一种S频段低副瓣阵列天线设计方法。
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本一种S频段低副瓣阵列天线，包括天线安装底板，其特征在于，所述的天线安装底板一侧具有自上向下依次分布设置的S频段宽带天线单元、S频段极化形成网络、S频段天线子阵分配网络和S频段阵列分配网络，所述的S频段宽带天线单元位于天线安装底板最远侧，且所述的S频段宽带天线单元、S频段极化形成网络、S频段天线子阵分配网络和S频段阵列分配网络均为印制板且采用层叠方式装配于天线安装底板上。
在上述的一种S频段低副瓣阵列天线中，所述的S频段宽带天线单元包括天线辐射板和天线寄生板，且所述的天线寄生板靠近S频段极化形成网络一侧，所述的天线辐射板的印制板和天线寄生板的单面环氧板上分别通过蚀刻方式设有圆形金属图形，且所述的天线辐射板和天线寄生板之间通过若干非金属螺钉间隔且自上向下依次层叠相连。
在上述的一种S频段低副瓣阵列天线中，所述的S频段极化形成网络由两层自上向下设置的印制板层叠而成，位于下方且远离S频段宽带天线单元一侧的印制板为第一双面印制板，且位于上方且靠近S频段宽带天线单元一侧的印制板为第一单面印制板，所述的第一双面印制板靠近第一单面印制板的一面具有微带线形式的威尔金森功分器和相位延迟线，且所述的第一单面印制板靠近S频段宽带天线单元的一面具有与S频段宽带天线单元上的接口相对应的第一定位孔。
在上述的一种S频段低副瓣阵列天线中，所述的S频段天线子阵分配网络具有两个直连网络和两个一分二等幅同相功率分配模块。
在上述的一种S频段低副瓣阵列天线中，所述的S频段阵列分配网络位于下方且远离S频段天线子阵分配网络一侧的印制板为第二双面印制板，且位于上方且靠近S频段天线子阵分配网络一侧的印制板为第二单面印制板，所述的第二双面印制板靠近第二单面印制板的一面具有微带线形式的威尔金森功分器，且所述的第二单面印制板靠近S频段天线子阵分配网络的一面具有与S频段天线子阵分配网络上的接口相对应的第二定位孔。
在上述的一种S频段低副瓣阵列天线中，所述的天线安装底板由金属材料制成，且所述的天线安装底板靠近S频段阵列分配网络的一面具有外形与S频段阵列分配网络相匹配的槽体，且所述的S频段阵列分配网络设置在槽体内。
上述的一种S频段低副瓣阵列天线的一种S频段低副瓣阵列天线设计方法如下所述：本一种S频段低副瓣阵列天线设计方法包括以下步骤：
A、S频段宽带天线单元、S频段极化形成网络、S频段天线子阵分配网络、S频段阵列分配网络自上向下依次设置，并采用层叠结构装配于天线安装底板上；
B、S频段宽带天线单元、S频段极化形成网络、S频段天线子阵分配网络、S频段阵列分配网络以及天线安装底板完成安装，将输入端口的功率通过天线辐射至空中并形成1221的功率幅度分配，最终通过空间功率合成实现整个天线的低副瓣特性。
在上述的一种S频段低副瓣阵列天线设计方法中，所述的步骤A包括以下步骤：
S1、天线辐射板和天线寄生板采用非金属螺钉隔离一定间距叠置安装；
S2、在S频段极化形成网络的第一单面印制板靠近天线寄生板的一面且与天线寄生板上的接口位置处开孔，并将第一单面印制板和天线寄生板两块印制板压合实现S频段宽带天线单元和S频段极化形成网络层叠相连；
S3、在S频段天线子阵分配网络的印制板靠近天线寄生板的一面且与天线寄生板上的接口位置处开孔，并将第一双面印制板和S频段天线子阵分配网络两块印制板压合实现S频段极化形成网络和S频段天线子阵分配网络层叠相连；
S4、在S频段阵列分配网络的第二单面印制板靠近S频段天线子阵分配网络的一面且与S频段天线子阵分配网络上的接口位置处开孔，并将第二单面印制板和S频段天线子阵分配网络两块印制板压合实现S频段天线子阵分配网络和S频段阵列分配网络层叠相连；
S5、在天线安装底板上根据S频段阵列分配网络外形进行挖槽处理并将S频段阵列分配网络设置在槽内，整个天线安装底板表面保证良好导电特性，起到对所述S频段低副瓣阵列天线支撑的作用。
在上述的一种S频段低副瓣阵列天线设计方法中，在步骤S1中，天线辐射板在印制板蚀刻圆形金属图形，天线寄生板在单面环氧板上蚀刻圆形金属图形，两者配合实现S频段宽带辐射以及S频段内与50欧姆匹配；在步骤S3中，所述的S频段天线子阵分配网络由两个直连网络和两个一分二等幅同相功率分配模块组成，实现天线子阵的功率分配合成。
在上述的一种S频段低副瓣阵列天线设计方法中，在步骤S2中，所述的S频段极化形成网络采用由两层印制板层叠而成，其中第一双面印制板的一面蚀刻微带线形式的威尔金森功分器和相位延迟线，另一个第一单面印制板采用单面板，实现对50欧姆接口的等幅功分并保证功分两路的相位差为90度，进一步的与S频段宽带天线单元实现宽带圆极化特性；在步骤S4中，所述的S频段阵列分配网络采用由两层印制板层叠而成，其中第二双面印制板的一面蚀刻微带线形式的威尔金森功分器，另一个第二单面印制板采用单面板，实现对50欧姆接口的等幅同相功分。
与现有的技术相比，当本发明的优点在于：
1、采用了天线寄生板展宽天线的宽带辐射特性和阻抗特性；
2、采用了多层功率分配网络替代现有大规模复杂波束形成网络，降低了波束形成网络的设计难度和测试难度，提升了产品的一次成品率，进一步降低了产品的研制成本；
3、采用不同阵元组成异型子阵，通过控制不同子阵的增益，采用空间功率合成实现天线阵的低副瓣性能；
4、采用低成本板材与馈电网络的三维连接降低S频段极化形成网络、S频段天线子阵分配网络和S频段阵列分配网络的复杂度，提升了天线阵的可靠性，同时降低传输损耗，实现了天线的高增益性能。
附图说明
图1是发明的结构爆炸图。
图2是S频段宽带天线单元的结构爆炸图。
图3是S频段极化形成网络的结构爆炸图。
图4是S频段阵列分配网络的结构爆炸图。
图5是S频段宽带圆极化低副瓣天线辐射方向图。
图中，S频段宽带天线单元1、天线辐射板11、天线寄生板12、非金属螺钉13、S频段极化形成网络2、第一双面印制板21、相位延迟线22、第一单面印制板23、S频段天线子阵分配网络3、S频段阵列分配网络4、第二双面印制板41、第二单面印制板42、天线安装底板5。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，本一种S频段低副瓣阵列天线，包括天线安装底板5，天线安装底板5一侧具有自上向下依次分布设置的S频段宽带天线单元1、S频段极化形成网络2、S频段天线子阵分配网络3和S频段阵列分配网络4，S频段宽带天线单元1位于天线安装底板5最远侧，且S频段宽带天线单元1、S频段极化形成网络2、S频段天线子阵分配网络3和S频段阵列分配网络4均为印制板且采用层叠方式装配于天线安装底板5上。
如图2所示，这里的S频段宽带天线单元1包括天线辐射板11和天线寄生板12，且天线寄生板12靠近S频段极化形成网络2一侧，天线辐射板11的印制板和天线寄生板12的单面环氧板上分别通过蚀刻方式设有圆形金属图形，且天线辐射板11和天线寄生板12之间通过若干非金属螺钉13间隔且自上向下依次层叠相连。优选地，这里的天线辐射板11采用聚四氟乙烯印制板制作，厚度为2mm，天线寄生板12采用环氧板制作，厚度1.5mm。也就是说，这里的S频段宽带天线单元1采用在厚度为2mm的聚四氟乙烯板上蚀刻两馈电圆形贴片天线、并配合与贴片天线距离为10mm的、同样采用厚度为1.5mm的环氧板上蚀刻圆形贴片而成的寄生单元实现在S频段宽带天线单元1。
如图3所示，这里的S频段极化形成网络2由两层自上向下设置的印制板层叠而成，位于下方且远离S频段宽带天线单元1一侧的印制板为第一双面印制板21，且位于上方且靠近S频段宽带天线单元1一侧的印制板为第一单面印制板23，优选地，这里的第一双面印制板21和第一单面印制板23采用聚四氟乙烯印制板制作，厚度为0.5mm。其中，第一双面印制板21靠近第一单面印制板23的一面具有微带线形式的威尔金森功分器和相位延迟线22，且第一单面印制板23靠近S频段宽带天线单元1的一面具有与S频段宽带天线单元1上的接口相对应的第一定位孔。显然，S频段极化形成网络2采用两层厚度为0.5mm的带状线实现信号的输入、功分和移相功能，配合S频段宽带天线单元1实现S频段宽带圆极化天线单元。
如图1所示，这里的S频段天线子阵分配网络3具有两个直连网络和两个一分二等幅同相功率分配模块。其中，两个一分二等幅同相功率分配模块采用聚四氟乙烯印制板制作，厚度为1mm。
如图4所示，这里的S频段阵列分配网络4位于下方且远离S频段天线子阵分配网络3一侧的印制板为第二双面印制板41，且位于上方且靠近S频段天线子阵分配网络3一侧的印制板为第二单面印制板42，第二双面印制板41靠近第二单面印制板42的一面具有微带线形式的威尔金森功分器，且第二单面印制板42靠近S频段天线子阵分配网络3的一面具有与S频段天线子阵分配网络3上的接口相对应的第二定位孔。根据S频段宽带圆极化单元的布阵形状，由S频段天线子阵分配网络3将S频段宽带圆极化单元有机的分配成为四组增益不同的阵列子阵，最终由S频段阵列分配网络4将所有四路子阵组合在一起形成在S频段具备低副瓣特性的天线。
如图1所示，这里的天线安装底板5由金属材料制成，且天线安装底板5靠近S频段阵列分配网络4的一面具有外形与S频段阵列分配网络4相匹配的槽体，且S频段阵列分配网络4设置在槽体内。
如图1-5所示，本一种S频段低副瓣阵列天线设计方法，包括以下步骤：
A、S频段宽带天线单元1、S频段极化形成网络2、S频段天线子阵分配网络3、S频段阵列分配网络4自上向下依次设置，并采用层叠结构装配于天线安装底板5上；
B、S频段宽带天线单元1、S频段极化形成网络2、S频段天线子阵分配网络3、S频段阵列分配网络4以及天线安装底板5完成安装，将输入端口的功率通过天线辐射至空中并形成1221的功率幅度分配，最终通过空间功率合成实现整个天线的低副瓣特性。
本实施例中，步骤A包括以下步骤：
S1、天线辐射板11和天线寄生板12采用非金属螺钉13隔离一定间距叠置安装，天线辐射板11在印制板蚀刻圆形金属图形，天线寄生板12在单面环氧板上蚀刻圆形金属图形，两者配合实现S频段宽带辐射以及S频段内与50欧姆匹配；
S2、这里的S频段极化形成网络2采用由两层印制板层叠而成，其中第一双面印制板21的一面蚀刻微带线形式的威尔金森功分器和相位延迟线22，另一个第一单面印制板23采用单面板，实现对50欧姆接口的等幅功分并保证功分两路的相位差为90度，进一步的与S频段宽带天线单元实现宽带圆极化特性；在S频段极化形成网络2的第一单面印制板23靠近天线寄生板12的一面且与天线寄生板12上的接口位置处开孔，并将第一单面印制板23和天线寄生板12两块印制板压合实现S频段宽带天线单元1和S频段极化形成网络2层叠相连；
S3、在S频段天线子阵分配网络3的印制板靠近天线寄生板12的一面且与天线寄生板12上的接口位置处开孔，并将第一双面印制板21和S频段天线子阵分配网络3两块印制板压合实现S频段极化形成网络2和S频段天线子阵分配网络3层叠相连；这里的S频段天线子阵分配网络3由两个直连网络和两个一分二等幅同相功率分配模块组成，实现天线子阵的功率分配合成。
S4、S频段阵列分配网络4采用由两层印制板层叠而成，其中第二双面印制板41的一面蚀刻微带线形式的威尔金森功分器，另一个第二单面印制板42采用单面板，实现对50欧姆接口的等幅同相功分，在S频段阵列分配网络4的第二单面印制板42靠近S频段天线子阵分配网络3的一面且与S频段天线子阵分配网络3上的接口位置处开孔，并将第二单面印制板42和S频段天线子阵分配网络3两块印制板压合实现S频段天线子阵分配网络3和S频段阵列分配网络4层叠相连；
S5、在天线安装底板5上根据S频段阵列分配网络4外形进行挖槽处理并将S频段阵列分配网络4设置在槽内，整个天线安装底板5表面保证良好导电特性，起到对所述S频段低副瓣阵列天线支撑的作用。
该发明的主要发明点在于将传统的天线阵根据实际需求划分为四路子阵，并通过简单的功率分配合成网络实现子阵辐射增益分配；进而通过空间功率合成实现天线阵的宽波束、低副瓣等特性。上述所述的为本发明的一种实现方式，应当指出的是，上述优选实施方式中阵列规模、子阵的分配组合方式以及工作频段均不应视为对本专利的限制，本专利的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利的精神和范围内，还可以在工作频段、阵列规模、子阵增益分配方面做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本专利的保护范围。
尽管本文较多地使用了S频段宽带天线单元1、天线辐射板11、天线寄生板12、非金属螺钉13、S频段极化形成网络2、第一双面印制板21、相位延迟线22、第一单面印制板23、S频段天线子阵分配网络3、S频段阵列分配网络4、第二双面印制板41、第二单面印制板42、天线安装底板5等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种S频段低副瓣阵列天线，包括天线安装底板(5)，其特征在于，所述的天线安装底板(5)一侧具有自上向下依次分布设置的S频段宽带天线单元(1)、S频段极化形成网络(2)、S频段天线子阵分配网络(3)和S频段阵列分配网络(4)，所述的S频段宽带天线单元(1)位于天线安装底板(5)最远侧，且所述的S频段宽带天线单元(1)、S频段极化形成网络(2)、S频段天线子阵分配网络(3)和S频段阵列分配网络(4)均为印制板且采用层叠方式装配于天线安装底板(5)上。
2.根据权利要求1所述的一种S频段低副瓣阵列天线，其特征在于，所述的S频段宽带天线单元(1)包括天线辐射板(11)和天线寄生板(12)，且所述的天线寄生板(12)靠近S频段极化形成网络(2)一侧，所述的天线辐射板(11)的印制板和天线寄生板(12)的单面环氧板上分别通过蚀刻方式设有圆形金属图形，且所述的天线辐射板(11)和天线寄生板(12)之间通过若干非金属螺钉(13)间隔且自上向下依次层叠相连。
3.根据权利要求2所述的一种S频段低副瓣阵列天线，其特征在于，所述的S频段极化形成网络(2)由两层自上向下设置的印制板层叠而成，位于下方且远离S频段宽带天线单元(1)一侧的印制板为第一双面印制板(21)，且位于上方且靠近S频段宽带天线单元(1)一侧的印制板为第一单面印制板(23)，所述的第一双面印制板(21)靠近第一单面印制板(23)的一面具有微带线形式的威尔金森功分器和相位延迟线(22)，且所述的第一单面印制板(23)靠近S频段宽带天线单元(1)的一面具有与S频段宽带天线单元(1)上的接口相对应的第一定位孔。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种S频段低副瓣阵列天线，其特征在于，所述的S频段天线子阵分配网络(3)具有两个直连网络和两个一分二等幅同相功率分配模块。
5.根据权利要求4所述的一种S频段低副瓣阵列天线，其特征在于，所述的S频段阵列分配网络(4)位于下方且远离S频段天线子阵分配网络(3)一侧的印制板为第二双面印制板(41)，且位于上方且靠近S频段天线子阵分配网络(3)一侧的印制板为第二单面印制板(42)，所述的第二双面印制板(41)靠近第二单面印制板(42)的一面具有微带线形式的威尔金森功分器，且所述的第二单面印制板(42)靠近S频段天线子阵分配网络(3)的一面具有与S频段天线子阵分配网络(3)上的接口相对应的第二定位孔。
6.根据权利要求4所述的一种S频段低副瓣阵列天线，其特征在于，所述的天线安装底板(5)由金属材料制成，且所述的天线安装底板(5)靠近S频段阵列分配网络(4)的一面具有外形与S频段阵列分配网络(4)相匹配的槽体，且所述的S频段阵列分配网络(4)设置在槽体内。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种S频段低副瓣阵列天线的设计方法，其特征在于，本方法包括以下步骤：
A、S频段宽带天线单元(1)、S频段极化形成网络(2)、S频段天线子阵分配网络(3)、S频段阵列分配网络(4)自上向下依次设置，并采用层叠结构装配于天线安装底板(5)上；
B、S频段宽带天线单元(1)、S频段极化形成网络(2)、S频段天线子阵分配网络(3)、S频段阵列分配网络(4)以及天线安装底板(5)完成安装，将输入端口的功率通过天线辐射至空中并形成1221的功率幅度分配，最终通过空间功率合成实现整个天线的低副瓣特性。
8.根据权利要求7所述的一种S频段低副瓣阵列天线设计方法，其特征在于，所述的步骤A包括以下步骤：
S1、天线辐射板(11)和天线寄生板(12)采用非金属螺钉(13)隔离一定间距叠置安装；
S2、在S频段极化形成网络(2)的第一单面印制板(23)靠近天线寄生板(12)的一面且与天线寄生板(12)上的接口位置处开孔，并将第一单面印制板(23)和天线寄生板(12)两块印制板压合实现S频段宽带天线单元(1)和S频段极化形成网络(2)层叠相连；
S3、在S频段天线子阵分配网络(3)的印制板靠近天线寄生板(12)的一面且与天线寄生板(12)上的接口位置处开孔，并将第一双面印制板(21)和S频段天线子阵分配网络(3)两块印制板压合实现S频段极化形成网络(2)和S频段天线子阵分配网络(3)层叠相连；
S4、在S频段阵列分配网络(4)的第二单面印制板(42)靠近S频段天线子阵分配网络(3)的一面且与S频段天线子阵分配网络(3)上的接口位置处开孔，并将第二单面印制板(42)和S频段天线子阵分配网络(3)两块印制板压合实现S频段天线子阵分配网络(3)和S频段阵列分配网络(4)层叠相连；
S5、在天线安装底板(5)上根据S频段阵列分配网络(4)外形进行挖槽处理并将S频段阵列分配网络(4)设置在槽内，整个天线安装底板(5)表面保证良好导电特性，起到对所述S频段低副瓣阵列天线支撑的作用。
9.根据权利要求8所述的一种S频段低副瓣阵列天线设计方法，其特征在于，在步骤S1中，天线辐射板(11)在印制板蚀刻圆形金属图形，天线寄生板(12)在单面环氧板上蚀刻圆形金属图形，两者配合实现S频段宽带辐射以及S频段内与50欧姆匹配；在步骤S3中，所述的S频段天线子阵分配网络(3)由两个直连网络和两个一分二等幅同相功率分配模块组成，实现天线子阵的功率分配合成。
10.根据权利要求8所述的一种S频段低副瓣阵列天线设计方法，其特征在于，在步骤S2中，所述的S频段极化形成网络(2) 采用由两层印制板层叠而成，其中第一双面印制板(21)的一面蚀刻微带线形式的威尔金森功分器和相位延迟线(22)，另一个第一单面印制板(23)采用单面板，实现对50欧姆接口的等幅功分并保证功分两路的相位差为90度，进一步的与S频段宽带天线单元实现宽带圆极化特性；在步骤S4中，所述的S频段阵列分配网络(4)采用由两层印制板层叠而成，其中第二双面印制板(41)的一面蚀刻微带线形式的威尔金森功分器，另一个第二单面印制板(42)采用单面板，实现对50欧姆接口的等幅同相功分。
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