CN112421245A - 一种低剖面高效率双线极化天线阵 - Google Patents

一种低剖面高效率双线极化天线阵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低剖面高效率双线极化天线阵，属于天线技术领域。其从上到下由天线子阵部分和波导馈电网络部分构成，其中天线子阵层由2×4共8个天线子阵构成。天线子阵部分和波导馈电网络部分之间设有用于实现两者垂直互连的波导同轴转换结构。全阵整合了带状线及波导两种馈电形式，其中天线子阵内部采用带状线馈电形式，子阵间采用波导馈电形式，每种馈电形式均由两套馈电网络构成，分别实现整阵的垂直及水平极化辐射特性。波导馈电网络的分支端通过波导同轴转换结构与子阵内带状线馈电网络的合路端垂直互连。本发明实现了整阵低剖面、高效率以及双线极化的特性。

Description

一种低剖面高效率双线极化天线阵
技术领域
本发明涉及到天线技术领域，特别涉及一种低剖面高效率双线极化天线阵。
背景技术
随着移动通信领域的快速发展，对垂直极化及水平极化同时工作的需求越来越迫切，同时收发终端对于便携式、结构紧凑、低剖面以及高效率的要求也越来越高。传统的抛物面天线以及波导缝隙阵难以满足上述需求。
微带天线阵具有剖面低、易集成、结构紧凑等技术特点，能简便地布置于设备表面，且能与导弹、飞机等载体表面共形，特别是它可方便地与馈电网络和有源器件成块集成。近两年来，微带天线正以独特的优势在微波毫米波频段得到越来越广泛的应用，如卫星导航、雷达、导弹遥测遥控、武器引信、环境监测、遥感技术、生物医学等领域。但是传统的微带天线阵通常是通过带状线或是微带线的馈电网络进行组阵，由于带状线及微带线损耗较大，造成了整阵的效率较低，波导馈电网络的损耗虽然很低但尺寸较大、结构不够紧凑。所以如何平衡损耗与低剖面的要求，综合设计将低损耗的波导馈电网络与结构紧凑的传统微带天线阵相结合的同时实现阵列的双线极化特性成为研究的难点与重点。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种低剖面高效率双线极化天线阵，其实现了整阵的低剖面、高效率及双线极化的特性，且具有高度集成、剖面低、效率高、稳定性好的特点。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种低剖面高效率双线极化天线阵，包括从上到下层叠设置的天线子阵部分和波导馈电网络部分，
所述天线子阵部分是天线子阵以2×4阵列方式构成的，所述天线子阵包括从上到下依次设置的寄生贴片层、天线层以及馈电层；所述馈电层包括水平极化馈电网络和垂直极化馈电网络；
所述波导馈电网络部分为H面波导公分网络，其包括上下分层的两套1分8波导馈电网络，两套波导馈电网络均通过阶梯状过渡结构实现波导走向由垂直变为水平，同时通过阶梯状过渡结构的级数实现两套网络的分层，波导馈电网络分路端为短路，并在短路面旁的波导壁宽边上开设有小孔；
所述天线子阵部分和波导馈电网络部分通过波导同轴转换结构实现两者的垂直互连；
所述波导同轴转换结构包括玻璃绝缘子、金属探针以及探针匹配结构；所述玻璃绝缘子套装在金属探针的中间位置，金属探针的底部连接探针匹配结构；其中一部分金属探针连接水平极化馈电网络的合路端和其中一层波导馈电网络的分路端，另一部分金属探针连接垂直极化馈电网络的合路端和另外一层波导馈电网络的分路端；其中，金属探针通过玻璃绝缘子避免和波导壁的接触，探针匹配结构穿过所述小孔并位于波导馈电网络内。
进一步的，所述寄生贴片层，包括作为其主体的第一介质基板，第一介质基板的下表面设有由4×4的寄生贴片均匀排布所构成的寄生贴片阵；
所述天线层，包括作为其主体的第二介质基板，第二介质基板的上表面设有由4×4的辐射贴片均匀排布所构成的辐射贴片阵；所述辐射贴片与寄生贴片一一对应，每个辐射贴片均位于对应的寄生贴片的正下方；且辐射贴片和寄生贴片之间具有空气层；
所述馈电层，从上至下依次包括水平极化馈电网络层和垂直极化馈电网络层；其中，水平极化馈电网络层，包括作为其主体且上下设置的第三介质基板和第四介质基板，第三介质基板的上表面上设有金属板，金属板上设有耦合缝隙，耦合缝隙和所述辐射贴片一一对应，且每个耦合缝隙均位于对应的辐射贴片的正下方；第三介质基板和第四介质基板之间设有水平极化馈电网络，第四介质基板的下方贴有上层金属地板；垂直极化馈电网络层，包括作为其主体且上下设置的第五介质基板和第六介质基板，第五介质基板和第六介质基板之间设有垂直极化馈电网络；在第六介质基板的下方贴有下层金属地板；
每个辐射贴片的边缘位置处均连接有垂直的第二金属探针，第二金属探针的另一端与垂直极化馈电网络连接；
水平极化馈电网络的分路端与耦合缝隙垂直。
进一步的，所述耦合缝隙的结构形式为H型，水平极化馈电网络的分路端与所述H型的中间位置垂直。
本发明采取上述的技术方案所产生的有益效果在于：
1、本发明通过天线子阵连接波导馈电网络，减少了能量在天线子阵间长距离上的损耗，提高了天线的效率。同时在天线子阵内利用带状线馈电实现了天线阵的小型化、紧凑型及低剖面特性。
2、本发明在天线子阵部分和波导馈电网络部分的有限空间里各设计了两套馈电网络，实现了阵列的双线极化特性。利用波导同轴转换结构实现了波导馈电网络层与天线子阵层的高效垂直互连，既进一步保证了结构的紧凑又实现了能量的低损耗传输，实现了整阵的高效率特性。
3、本发明通过分层排布、不同馈电形式相结合的方法，在有限的空间里排布了两套1分16的带状线馈电网络及两套1分8的波导馈电网络，实现了传统微带天线阵难以实现的双线极化特性。通过改变天线阵接口处相位还可以实现双圆极化的功能。
附图说明
图1是本发明实施例下层波导馈电网络的结构示意图。
图2是本发明实施例上层波导馈电网络的结构示意图。
图3是本发明实施例中波导同轴转换结构的示意图。
图4是本发明实施例中天线子阵的爆炸图。
图5是图4中第一介质基板与寄生贴片阵的结构示意图。
图6是图4中介质框架的结构示意图。
图7是图4中辐射贴片阵与第二介质基板的结构示意图。
图8是图4中的第三介质基板与耦合缝隙层的结构示意图。
图9是图4中的第四介质基板和水平极化馈电网络的结构示意图。
图10是图4中的第五介质基板和垂直极化馈电网络的结构示意图。
图11是是本发明实施例的驻波曲线图。
图12是本发明实施例在7.2GHz时方位面与俯仰面的水平极化方向图。
图中：1、第一介质基板，2、寄生贴片阵，3、介质框架，4、辐射贴片阵，5、第二介质基板，6、金属板，7、第三介质基板，8、水平极化馈电网络，9、第四介质基板，10、上层金属地板，11、第五介质基板，12、垂直极化馈电网络，13、第六介质基板，14、下层金属地板，15、第二金属探针，16、波导同轴转换结构，17、波导馈电网络，18、天线子阵，16.1、金属探针，16.2、玻璃绝缘子，16.3、探针匹配结构。
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的说明。
一种低剖面高效率双线极化天线阵，包括从上到下层叠设置的天线子阵部分和波导馈电网络部分，
所述天线子阵部分是天线子阵以2×4阵列方式构成的，所述天线子阵包括从上到下依次设置的寄生贴片层、天线层以及馈电层；所述馈电层包括水平极化馈电网络和垂直极化馈电网络；
所述波导馈电网络部分为H面波导公分网络，其包括上下分层的两套1分8波导馈电网络，两套波导馈电网络均通过阶梯状过渡结构实现波导走向由垂直变为水平，同时通过阶梯状过渡结构的级数实现两套网络的分层，波导馈电网络分路端为短路，并在短路面旁的波导壁宽边上开设有小孔；
所述天线子阵部分和波导馈电网络部分通过波导同轴转换结构实现两者的垂直互连；
所述波导同轴转换结构包括玻璃绝缘子、金属探针以及探针匹配结构；所述玻璃绝缘子套装在金属探针的中间位置，金属探针的底部连接探针匹配结构；其中一部分金属探针连接水平极化馈电网络的合路端和其中一层波导馈电网络的分路端，另一部分金属探针连接垂直极化馈电网络的合路端和另外一层波导馈电网络的分路端；其中，金属探针通过玻璃绝缘子避免和波导壁的接触，探针匹配结构穿过所述小孔并位于波导馈电网络内。
进一步的，所述寄生贴片层，包括作为其主体的第一介质基板1，第一介质基板的下表面设有由4×4的寄生贴片均匀排布所构成的寄生贴片阵2；
所述天线层，包括作为其主体的第二介质基板5，第二介质基板的上表面设有由4×4的辐射贴片均匀排布所构成的辐射贴片阵4；所述辐射贴片与寄生贴片一一对应，每个辐射贴片均位于对应的寄生贴片的正下方；且辐射贴片和寄生贴片之间具有空气层；
所述馈电层，从上至下依次包括水平极化馈电网络层和垂直极化馈电网络层；其中，水平极化馈电网络层，包括作为其主体且上下设置的第三介质基板和第四介质基板，第三介质基板的上表面上设有金属板，金属板6上设有耦合缝隙，耦合缝隙和所述辐射贴片一一对应，且每个耦合缝隙均位于对应的辐射贴片的正下方；第三介质基板7和第四介质基板9之间设有水平极化馈电网络8，第四介质基板的下方贴有上层金属地板10；垂直极化馈电网络层，包括作为其主体且上下设置的第五介质基板11和第六介质基板13，第五介质基板和第六介质基板之间设有垂直极化馈电网络12；在第六介质基板的下方贴有下层金属地板14；
每个辐射贴片的边缘位置处均连接有垂直的第二金属探针15，第二金属探针的另一端与垂直极化馈电网络连接；
水平极化馈电网络的分路端与耦合缝隙垂直；所述水平极化馈电网络和垂直极化馈电网络的合路端连接金属探针的顶部。
进一步的，所述耦合缝隙的结构形式为H型，水平极化馈电网络的分路端与所述H型的中间位置垂直。
下面为一个更具体的实施例：
参照图1～图10，本实施例所的天线子阵部分由8个完全相同的天线子阵紧密排布构成，天线子阵呈2×4排布。每个天线子阵尺寸为100mm×100mm×8.5mm。
本实施例所述的天线子阵最上层为寄生贴片层，由4×4共16个完全相同的寄生贴片单元附着在厚度为0.508mm的第一介质基板下表面构成。
本实施例所述的寄生贴片层下方为与寄生贴片一一正对的辐射贴片层，两者通过2.5mm厚的“田”字形介质框架3隔开，介质框架材质为FR4，介电常数为4.4。
辐射贴片附着在厚度为1.52mm的第二介质基板，第二介质基板下表面为开由H型耦合缝隙的金属板，进一步，下层为带状线形式的1分16水平极化馈电网络8与垂直极化馈电网络9，两套馈电网络通过第四介质基板及第五介质基板上的金属层隔开。
上述第四介质基板和第五介质基板材质均为Arlon CLTE-XT，介电常数为2.95。
上述两套带状线馈电网络的合路端下方开孔，孔径为1mm，用于波导同轴转换结构16的金属探针16.1伸入并与带状线馈电网络的合路端接触，同样合路端上方开孔，孔径为4mm，便于电烙铁伸入对波导同轴转换结构的金属探针与带状线合路端焊接。
本实施例所述波导同轴转换结构金属探针直径为1mm,玻璃绝缘子16.2直径为4.1mm，由于两套波导馈电网络位于不同层，对应玻璃绝缘子长度分为2mm与11mm两种，对应探针匹配结构16.3直径为5mm，高度为3.2mm。
该波导馈电网络部分为H面波导公分网络，波导腔尺寸为8mm×25mm，由两套上下分层的1分8波导馈电网络17构成，两套波导网络通过阶梯状过渡结构实现波导走向由垂直变为水平，同时通过阶梯状过渡结构的级数实现两套网络的分层排布。
波导馈电网络分路端为短路设计，并在距离短路面一定距离处的波导壁宽边方向开孔，用于波导同轴转换结构穿入波导腔体。波导壁宽边方向开孔中心距波导短路面距离为9mm，开孔直径与玻璃绝缘子直径相同为4.1mm。
波导同轴转换结构包括玻璃绝缘子、金属探针以及探针匹配结构；所述玻璃绝缘子套装在金属探针的中间位置，金属探针的底部连接探针匹配结构；其中一部分金属探针连接水平极化馈电网络的合路端和其中一层波导馈电网络的分路端，另一部分金属探针连接垂直极化馈电网络的合路端和另外一层波导馈电网络的分路端；其中，金属探针通过玻璃绝缘子避免和波导壁的接触，探针匹配结构穿过所述小孔并位于波导馈电网络内。
图10所示为本实施例的驻波曲线图，其中实线为水平极化端口的驻波曲线，虚线为垂直极化端口的驻波曲线。
图11是本实施例在7.2GHz时方位面与俯仰面的水平极化方向图。从中可以看出本本实施例制作的天线阵方向图具有较好的对称性，增益在最低频7.2GHz处大于26.5dBi，效率高达80％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是在本发明权力要求范围内所作的修饰，均应均等变化与属于本发明权力要求的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种低剖面高效率双线极化天线阵，包括从上到下层叠设置的天线子阵部分和波导馈电网络部分，其特征在于，
所述天线子阵部分是天线子阵(18)以2×4阵列方式构成的，所述天线子阵包括从上到下依次设置的寄生贴片层、天线层以及馈电层；所述馈电层包括水平极化馈电网络和垂直极化馈电网络；
所述波导馈电网络部分为H面波导公分网络，其包括上下分层的两套1分8波导馈电网络，两套波导馈电网络(17)均通过阶梯状过渡结构实现波导走向由垂直变为水平，同时通过阶梯状过渡结构的级数实现两套网络的分层，波导馈电网络分路端为短路，并在短路面旁的波导壁宽边上开设有小孔；
所述天线子阵部分和波导馈电网络部分通过波导同轴转换结构实现两者的垂直互连；
所述波导同轴转换结构(16)包括玻璃绝缘子(16.2)、金属探针(16.1)以及探针匹配结构(16.3)；所述玻璃绝缘子套装在金属探针的中间位置，金属探针的底部连接探针匹配结构；其中一部分金属探针连接水平极化馈电网络的合路端和其中一层波导馈电网络的分路端，另一部分金属探针连接垂直极化馈电网络的合路端和另外一层波导馈电网络的分路端；其中，金属探针通过玻璃绝缘子避免和波导壁的接触，探针匹配结构穿过所述小孔并位于波导馈电网络内。
2.根据权利要求1所述的一种低剖面高效率双线极化天线阵，其特征在于，所述寄生贴片层，包括作为其主体的第一介质基板(1)，第一介质基板的下表面设有由4×4的寄生贴片均匀排布所构成的寄生贴片阵(2)；
所述天线层，包括作为其主体的第二介质基板(5)，第二介质基板的上表面设有由4×4的辐射贴片均匀排布所构成的辐射贴片阵(4)；所述辐射贴片与寄生贴片一一对应，每个辐射贴片均位于对应的寄生贴片的正下方；且辐射贴片和寄生贴片之间具有空气层；
所述馈电层，从上至下依次包括水平极化馈电网络层和垂直极化馈电网络层；其中，水平极化馈电网络层，包括作为其主体且上下设置的第三介质基板和第四介质基板，第三介质基板的上表面上设有金属板，金属板(6)上设有耦合缝隙，耦合缝隙和所述辐射贴片一一对应，且每个耦合缝隙均位于对应的辐射贴片的正下方；第三介质基板(7)和第四介质基板(9)之间设有水平极化馈电网络(8)，第四介质基板的下方贴有上层金属地板(10)；垂直极化馈电网络层，包括作为其主体且上下设置的第五介质基板(11)和第六介质基板(13)，第五介质基板和第六介质基板之间设有垂直极化馈电网络(12)；在第六介质基板的下方贴有下层金属地板(14)；
每个辐射贴片的边缘位置处均连接有垂直的第二金属探针(15)，第二金属探针的另一端与垂直极化馈电网络连接；
水平极化馈电网络的分路端与耦合缝隙垂直。
3.根据权利要求2所述的一种低剖面高效率双线极化天线阵，其特征在于，所述耦合缝隙的结构形式为H型，水平极化馈电网络的分路端与所述H型的中间位置垂直。
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