CN112103631A - 一种相控阵天线和卫星通讯终端 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种相控阵天线和卫星通讯终端，涉及无线电技术领域，包括：多层印制板、端馈式波导同轴转换器和加脊喇叭；多层印制板经端馈式波导同轴转换器与加脊喇叭连接，加脊喇叭包括塑料喇叭本体以及覆盖于塑料喇叭本体外周的第一金属层。通过将喇叭本体选用低成本加工的塑料材质，可以有效降低加脊喇叭整体的重量，从而使其能够和多层印制板进行结合，此外，还可以降低多层印制板的结构强度负荷，从而减少多层印制板的压合次数，有效的降低多层印制板的制造成本。由于加脊喇叭具有低介质损耗的特点，故将其与多层印制板进行结合后，可以有效的改善传统微带天线的高介质损耗、低辐射增益的问题。

Description

一种相控阵天线和卫星通讯终端

技术领域

本发明涉及无线电技术领域，具体而言，涉及一种相控阵天线和卫星通讯终端。

背景技术

卫星的地面通讯终端可以利用无线电进行信息交互，其按照天线扫描方式可以分为机械扫描和相控阵等，其中，相控阵利用大量个别控制的小型天线单元排列成天线阵面，每个天线单元都由独立的移相开关控制，通过控制各天线单元发射的相位，就能合成不同相位波束。但随着卫星通讯应用越来越广泛，对于终端天线的要求也越来越高。

现有多层板平面微带天线，在毫米波频段，其存在介质损耗较大，会降低天线增益的问题。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种相控阵天线和卫星通讯终端，以解决现有多层板平面微带天线介质损耗较大，降低天线增益的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

本发明实施例的一方面，提供一种相控阵天线，包括：多层印制板、端馈式波导同轴转换器和加脊喇叭；多层印制板经端馈式波导同轴转换器与加脊喇叭连接，加脊喇叭包括塑料喇叭本体以及覆盖于塑料喇叭本体外周的第一金属层。

可选的，端馈式波导同轴转换器包括具有波导腔室的转换件以及位于转换件上的同轴端口和波导端口，同轴端口和波导端口同轴相对设置，多层印制板与同轴端口连接，加脊喇叭与波导端口连接。

可选的，转换件包括塑料转换本体以及覆盖于塑料转换本体外周的第二金属层。

可选的，在转换件的波导腔室内设置有阻抗变换阶梯。

可选的，阻抗变换阶梯为切比雪夫阻抗变换阶梯。

可选的，多层印制板包括层叠设置的芯片层、第一绝缘层、馈电网络层、第二绝缘层、射频层组、第三绝缘层和底层；馈电网络层通过设置在多层印制板内部的垂直通孔分别与芯片层和底层信号连接，射频层组通过馈电网络层分别与芯片层和底层信号连接；端馈式波导同轴转换器与底层连接。

可选的，第一金属层的材质为银、铜和铝中的一种。

可选的，在加脊喇叭的外壁沿周向环设有扼流槽，扼流槽的开口方向与加脊喇叭的开口方向相同。

可选的，加脊喇叭为双脊喇叭。

本发明实施例的另一方面，提供一种卫星通讯终端，包括呈阵列设置的上述任一种的相控阵天线。

本发明的有益效果包括：

本发明提供了一种相控阵天线，包括多层印制板、端馈式波导同轴转换器和加脊喇叭。其中，加脊喇叭的喇叭本体采用塑料材质制作从而形成塑料喇叭本体，同时，为了实现加脊喇叭的辐射功能，在塑料喇叭本体的外周覆盖有第一金属层，即在塑料喇叭本体的所有外表面均覆盖有第一金属层。通过将喇叭本体选用塑料材质，可以有效降低加脊喇叭整体的重量，从而使其能够和多层印制板进行结合，避免在将完全金属制的喇叭与多层印制板进行结合时，由于金属制的喇叭重量较大，导致多层印制板产生变形，影响到多层印制板内部的电路。此外，采用塑料镀膜工艺制作的加脊喇叭由于自身体积重量较轻，可以降低多层印制板的结构强度负荷，从而减少多层印制板的压合次数，有效的降低多层印制板的制造成本。由于加脊喇叭具有低介质损耗的特点，故将其与多层印制板进行结合后，可以有效的改善传统微带天线的高介质损耗、低辐射增益的问题。

本发明还提供了一种卫星通讯终端，将上述的相控阵天线应用于卫星通讯终端，即卫星通讯终端包括多个相控阵天线，其通过阵列设置组成卫星通讯终端的阵面结构，从而使得卫星通讯终端具有低损耗、低成本、易集成、体积重量轻以及能够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的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种相控阵天线的结构示意图之一；

图2为本发明实施例提供的一种相控阵天线的多层印制板的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种卫星通讯终端的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种相控阵天线的结构示意图之二。

图标：100-多层印制板；110-芯片层；120-第一绝缘层；130-馈电网络层；140-第二绝缘层；150-射频层组；151-数字层；152-第四绝缘层；153-射频层；154-第五绝缘层；155-地层；160-第三绝缘层；170-底层；180-垂直通孔；190-垂直互联地孔；200-芯片；300-端馈式波导同轴转换器；310-同轴端口；320-波导端口；330-阻抗变换阶梯；400-加脊喇叭。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的各个特征可以相互结合，结合后的实施例依然在本发明的保护范围内。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例的一方面，提供一种相控阵天线，包括：多层印制板100、端馈式波导同轴转换器300和加脊喇叭400；多层印制板100经端馈式波导同轴转换器300与加脊喇叭400连接，加脊喇叭400包括塑料喇叭本体以及覆盖于塑料喇叭本体外周的第一金属层。

示例的，如图1所示，相控阵天线包括多层印制板100、端馈式波导同轴转换器300和加脊喇叭400。其中，加脊喇叭400的喇叭本体采用塑料材质制作从而形成塑料喇叭本体，同时，为了实现加脊喇叭400的辐射功能，在塑料喇叭本体的外周覆盖有第一金属层，即在塑料喇叭本体的所有外表面均覆盖有第一金属层，覆盖的方式可以是采用塑料镀膜工艺等。通过将喇叭本体选用塑料材质，可以有效降低加脊喇叭400整体的重量，从而使其能够和多层印制板100进行结合，避免在将完全金属制的喇叭与多层印制板100进行结合时，由于金属制的喇叭重量较大，导致多层印制板100产生变形，影响到多层印制板100内部的电路，而且，金属喇叭也难以和多层印制板100的垂直互联结构实现良好对接。此外，采用塑料镀膜工艺制作的加脊喇叭400由于自身体积重量较轻，可以降低多层印制板100的结构强度负荷，从而减少多层印制板100的压合次数，有效的降低多层印制板100的制造成本。

由于加脊喇叭400具有低介质损耗的特点，故将其与多层印制板100进行结合后，可以有效的改善传统微带天线的高介质损耗、低辐射增益的问题。同时，加脊喇叭400通过中心脊对波导进行加载，可以降低其主模的截止频率而能加宽波导的可用频带。即由于脊的加入，在脊边沿处加入了对场的扰动(即容性加载)，使波导主模频带得到扩展，主模截止波长变长，从而使单模传输带宽可以达到数倍频程。

在结合时，如图1所示，可以通过端馈式波导同轴转换器300的同轴端口310和多层印制板100连接、波导端口320和加脊喇叭400连接，实现从同轴到波导的转换输出，使得多层印制板100能够通过控制加脊喇叭400的馈电相位来改变整个相控阵天线的方向图形，即通过控制相位的方式改变天线方向图最大值的指向，达到最终波束扫描的目的。端馈式波导同轴转换器300由于其同轴端和波导端同轴且相对设置，更便于多层印制板100和加脊喇叭400的结合，结合后的相控阵天线由多层印制板100、端馈式波导同轴转换器300至加脊喇叭400的呈垂直结构。通过多层印制板100和加脊喇叭400的结合，可以使得相控阵天线同时具有低损耗、低成本、易集成、体积重量轻以及能够快速波束扫描的特点。

在采用塑料镀膜工艺时，第一金属层可以是银、铜和铝中的任一种材质，需要说明的是，在其它实施例中也可以是其它类型的金属材质。在不同频段，需考虑选用的镀膜材料和镀膜厚度，结合加工成本进行选择，在较高频段时，例如30GHz，可以选用铝进行镀膜，即在真空中镀铝膜，根据铝的电导率为3.72*10^7，考虑电磁波的透射能力，计算出30GHz频段下的趋肤深度为0.0159mm，此时能量衰减为表面值的1/e，因此需要控制镀膜厚度，在30GHz验证，制作镀膜厚度0.025mm的镀铝膜喇叭经过测试性能表现和仿真吻合。如使用频段较低，或工艺控制镀膜厚度变厚，或使用电导率更高的材料。此外，也需要考虑镀膜表面长期使用氧化的影响。如表1仅示意性的提供部分材料、部分频段的结果：

表1不同材料在对应频段下的镀膜厚度

塑料材质的具体类型可以是聚苯乙烯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸酯等等。在进行仿真阵面性能时可以单独仿真双脊喇叭的阵面，从而减少仿真量。

当上述的相控阵天线设计为线极化天线阵列，单元间可旋转180°进行布阵，提高交叉极化比。设计为圆极化天线阵列，单元间可旋转90°进行布阵，提高轴比性能。使用线极化喇叭布阵，可增加极化栅结构实现线极化到圆极化的转变。

可选的，端馈式波导同轴转换器300包括具有波导腔室的转换件以及位于转换件上的同轴端口310和波导端口320，同轴端口310和波导端口320同轴相对设置，多层印制板100与同轴端口310连接，加脊喇叭400与波导端口320连接。

示例的，在多层印制板100和加脊喇叭400连接时，需要通过端馈式波导同轴转换器300进行连接，以便于完成同轴至波导的模式转换，即将同轴线中的TEM模转换到波导中的TE模。为了降低多层印制板100和加脊喇叭400结合的难度，可以使得端馈式波导同轴转换器300的同轴端和波导端处于同一直线上，例如图1所示的端馈式波导同轴转换器300，其包括转换件和位于转换件上的同轴端口310和波导端口320，同轴端口310位于转换件的下端，波导端口320位于转换件的上端，即两者相对且同轴设置。多层印制板100和同轴端口310连接，加脊喇叭400和波导端口320连接，形成如图1所示的由下至上的垂直结构。

可选的，转换件包括塑料转换本体以及覆盖于塑料转换本体外周的第二金属层。

示例的，端馈式波导同轴转换器300也可以采用塑料材质为主体结构，在其上镀金属层的方式，从而降低端馈式波导同轴转换器300自身的重量，进一步的减少设置于多层印制板100上的结构重量，降低多层印制板100的结构负荷。关于塑料转换件的材质和第二金属层的材质可以是参照前述列举的对应材质，也可以是其它类型的材质，本申请对其不做限定。

可选的，在转换件的波导腔室内设置有阻抗变换阶梯330。

示例的，如图1所示，在端馈式波导同轴转换器300中，阻抗变换非常重要，因此，在波导腔室内设置阻抗变换阶梯330可以获得较为理想的增益、输出功率、效率和动态范围，同时，减小馈线中的功率损耗。在对阻抗变换阶梯330进行设置时，根据实际需要可以灵活设置阶梯的数量，可以是三级阶梯、四级阶梯等等。

在设置阻抗变换阶梯330时，可以引入切比雪夫多项式，设置为切比雪夫阻抗变换阶梯330，其可以满足宽带较大的阻抗变换。在实际设置时，本领域技术人员应当知晓，在计算出各级脊波导的高度后，使波导口尺寸与双脊喇叭尺寸相符合。

可选的，多层印制板100包括层叠设置的芯片层110、第一绝缘层120、馈电网络层130、第二绝缘层140、射频层组150、第三绝缘层160和底层170；馈电网络层130通过设置在多层印制板100内部的垂直通孔180分别与芯片层110和底层170信号连接，射频层组150通过馈电网络层130分别与芯片层110和底层170信号连接；端馈式波导同轴转换器300与底层170连接。

示例的，多层印制板100可以包括芯片层110、馈电网络层130、射频层组150和底层170。其中，为了使得各层级之间能够形成更好的绝缘，避免相互干扰，还可以在相邻的层级之间设置有绝缘层，如图1所示，从下到上，依次为芯片层110、第一绝缘层120、馈电网络层130、第二绝缘层140、射频层组150、第三绝缘层160和底层170，为了实现电子扫描，在芯片层110的外表面可以设置有封装芯片200，其与芯片层110进行信号连接。射频层组150可以是如图2所示，包括依次层叠设置的数字层151、第四绝缘层152、射频层153、第五绝缘层154和地层155，其中数字层151和馈电网络层130相邻，地层155和底层170相邻，当然还可以包括有芯片200馈电、控制走线、电源线。还可以在多层印制板100内设置垂直互联地孔190，连接各层级，并通过垂直互联地孔190接地。实现信号连接时，芯片200通过微带的阻抗变换后经过垂直通孔180到达多层印制板100的底层170，然后与塑料镀膜加工的端馈式波导同轴转换器300的同轴端口310焊接在一起，最后对接到辐射体塑料镀膜加脊喇叭400上。

可选的，在加脊喇叭400的外壁还可以沿周向环设有扼流槽，扼流槽的开口方向可以是与加脊喇叭400的开口方向相同。通过扼流槽结构有效的调节阵面方向图性能和单元间耦合度，在设置时，扼流槽距离喇叭口的距离可以根据实际需要合理设置和优化。

加脊喇叭400可以是双脊喇叭，即在喇叭本体的敞口内腔中沿喇叭的延伸方向设置相对的脊形结构，脊的设计可以考虑塑料镀膜的加工工艺，不宜设计超出加工能力的脊曲线和阶梯。同时，在脊形结构的两侧，磁场更加集中，由于边缘电容的影响，加脊后，TE10模式的截止波长会更长，TE20模式截止波长相差也会更大，所以在同样频带的情况下，加脊的截面尺寸更小。此外，当加脊喇叭400为双脊喇叭时，其与端馈式波导同轴转换器300和多层印制板100连接后，不仅可以实现低损耗喇叭辐射阵面，还可以实现相控阵天线的二维电子扫描，即相控阵天线可以在X和Y两个方向进行电子扫描。将具有宽带宽角辐射特性的双脊喇叭进行阵列化时，可以减小阵面内单元间距从而实现大角度扫描。

本发明实施例的另一方面，提供一种卫星通讯终端，包括呈阵列设置的上述任一种的相控阵天线。

示例的，如图3和图4所示，将上述的相控阵天线应用于卫星通讯终端，即卫星通讯终端包括多个相控阵天线，其通过阵列设置组成卫星通讯终端的阵面结构，从而使得卫星通讯终端具有低损耗、低成本、易集成、体积重量轻以及能够快速波束扫描的特点。需要说明的是，为了进一步的提高集成度，还可以使得多个波导同轴转换器和加脊喇叭400的组合结构共用一个多层印制板100，即一个波导同轴转换器和加脊喇叭400的组合结构和多层印制板100中的一个通道对应。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种相控阵天线，其特征在于，包括：多层印制板、端馈式波导同轴转换器和加脊喇叭；所述多层印制板经所述端馈式波导同轴转换器与所述加脊喇叭连接，所述加脊喇叭包括塑料喇叭本体以及覆盖于所述塑料喇叭本体外周的第一金属层。

2.如权利要求1所述的相控阵天线，其特征在于，所述端馈式波导同轴转换器包括具有波导腔室的转换件以及位于所述转换件上的同轴端口和波导端口，所述同轴端口和所述波导端口同轴相对设置，所述多层印制板与所述同轴端口连接，所述加脊喇叭与所述波导端口连接。

3.如权利要求2所述的相控阵天线，其特征在于，所述转换件包括塑料转换本体以及覆盖于所述塑料转换本体外周的第二金属层。

4.如权利要求2所述的相控阵天线，其特征在于，在所述转换件的波导腔室内设置有阻抗变换阶梯。

5.如权利要求4所述的相控阵天线，其特征在于，所述阻抗变换阶梯为切比雪夫阻抗变换阶梯。

6.如权利要求1所述的相控阵天线，其特征在于，所述多层印制板包括层叠设置的芯片层、第一绝缘层、馈电网络层、第二绝缘层、射频层组、第三绝缘层和底层；所述馈电网络层通过设置在所述多层印制板内部的垂直通孔分别与所述芯片层和所述底层信号连接，所述射频层组通过所述馈电网络层分别与所述芯片层和所述底层信号连接；所述端馈式波导同轴转换器与所述底层连接。

7.如权利要求1所述的相控阵天线，其特征在于，所述第一金属层的材质为银、铜和铝中的一种。

8.如权利要求1所述的相控阵天线，其特征在于，在所述加脊喇叭的外壁沿周向环设有扼流槽，所述扼流槽的开口方向与所述加脊喇叭的开口方向相同。

9.如权利要求1所述的相控阵天线，其特征在于，所述加脊喇叭为双脊喇叭。

10.一种卫星通讯终端，其特征在于，包括呈阵列设置的如权利要求1至9任一项所述的相控阵天线。

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