CN112421246A - 一种共口径阵列天线和卫星通讯终端 - Google Patents

一种共口径阵列天线和卫星通讯终端 Download PDF

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CN112421246A CN202110085055.7A CN202110085055A CN112421246A CN 112421246 A CN112421246 A CN 112421246A CN 202110085055 A CN202110085055 A CN 202110085055A CN 112421246 A CN112421246 A CN 112421246A
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Abstract

本发明提供一种共口径阵列天线和卫星通讯终端，涉及通讯技术领域，包括层叠设置的接收天线层和发射天线层，接收天线层包括多个呈矩形阵列设置的接收天线单元，发射天线层包括多个呈矩形阵列设置的紧耦合单元，接收天线层的一个接收天线单元对应发射天线层的四个紧耦合单元，相邻两个紧耦合单元形成紧耦合单元组，通过每个紧耦合单元组的相位中心也呈随机分布，从而打破周期性，避免出现大角度扫描时容易出现栅瓣的现象。实现了在小频率比的情况下通过紧耦合和规则布阵相结合的形式使得双频收发共口径阵列天线不出现栅瓣。

Description

一种共口径阵列天线和卫星通讯终端
技术领域
本发明涉及通讯技术领域，具体而言，涉及一种共口径阵列天线和卫星通讯终端。
背景技术
小型化、多功能、高密度集成化已经成为现代通信技术的发展趋势。天线作为其重要组成部分，同样面临相同的挑战。共口径阵列天线是将多个功能不同，频段不同的天线阵列放在同一个口径面内，实现多功能的同时，充分减小了天线的占用面积，因此得到了广泛应用。
传统的共口径阵列天线的设计一般采用嵌套、重叠等布阵方式。对于频率比大于等于2:1（即波长比为小于等于1:2）时，其可以进行合理布阵，但是对于小频率比（小于2:1）时，依然采用上述布阵形式则会在大角度扫描时出现栅瓣，影响天线性能。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种共口径阵列天线和卫星通讯终端，采用新的布阵形式在小频率比时不出现栅瓣，提高天线的性能。
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，提供一种共口径阵列天线，包括层叠设置的接收天线层和发射天线层，接收天线层包括多个呈矩形阵列设置的接收天线单元，发射天线层包括多个呈矩形阵列设置的紧耦合单元，接收天线层的一个接收天线单元对应发射天线层的四个紧耦合单元，相邻两个紧耦合单元形成紧耦合单元组以使发射天线层处于紧耦合工作模式。
可选的，相邻两个紧耦合单元的几何中心间距与相邻接收天线单元的几何中心间距的差值的绝对值小于等于1mm。
可选的，发射天线层为Ka频段发射天线层，接收天线层为K频段接收天线层，相邻两个紧耦合单元的几何中心间距为Ka频段发射天线的波长的0.73倍，相邻接收天线单元的几何中心间距为K频段接收天线的波长的0.5倍。
可选的，还包括频率选择表面层，频率选择表面层位于接收天线层和发射天线层之间。
可选的，接收天线单元和紧耦合单元交错分布。
可选的，还包括层叠设置的紧耦合馈电巴伦层、L型馈线层、紧耦合馈电网络层和接收天线馈电网络层，发射天线层和接收天线层位于紧耦合馈电巴伦层和L型馈线层之间且发射天线层靠近紧耦合馈电巴伦层设置；紧耦合馈电巴伦层、发射天线层和紧耦合馈电网络层垂直互联以形成发射天线；接收天线层、L型馈线层和接收天线馈电网络层垂直互联以形成接收天线。
可选的，紧耦合馈电网络层包括多个第一馈电结构，相邻第一馈电结构之间的相位差为90°；接收天线馈电网络层包括多个第二馈电结构，相邻第二馈电结构之间的相位差为90°。
可选的，第一馈电结构和第二馈电结构均为带状线馈电结构。
可选的，接收天线单元为接收辐射贴片，紧耦合单元为发射辐射贴片。
本发明实施例的另一方面，提供一种卫星通讯终端，包括上述任一种的共口径阵列天线。
本发明的有益效果包括：
本发明提供了一种共口径阵列天线，包括层叠设置的接收天线层和发射天线层，接收天线层包括多个呈矩形阵列设置的接收天线单元，发射天线层包括多个呈矩形阵列设置的紧耦合单元，接收天线层的一个接收天线单元对应发射天线层的四个紧耦合单元，相邻两个紧耦合单元形成紧耦合单元组以使发射天线层处于紧耦合工作模式。即使得相邻两个紧耦合单元之间的几何中心间距能够较为接近相邻两个接收天线单元之间的几何中心间距，此时，虽然相邻两个紧耦合单元之间的几何中心间距仍然大于发射天线的半波长，但是由于紧耦合单元均是按照矩形阵列的形式排布，故，相邻两个紧耦合单元可以沿横向或纵向随机组合形成一个紧耦合单元组，每个紧耦合单元组的相位中心也呈随机分布，从而打破周期性，避免出现大角度扫描时容易出现栅瓣的现象。实现了在小频率比的情况下通过紧耦合和规则布阵相结合的形式使得双频收发共口径阵列天线不出现栅瓣。
本发明提供了一种卫星通讯终端，将上述的共口径阵列天线应用于卫星通讯终端，在相邻两个紧耦合单元之间的几何中心间距仍然大于发射天线的半波长，通过相邻两个紧耦合单元可以沿横向或纵向随机组合形成一个紧耦合单元组，每个紧耦合单元组的相位中心也呈随机分布，从而打破周期性，避免出现大角度扫描时容易出现栅瓣的现象。实现了在小频率比的情况下通过紧耦合和规则布阵相结合的形式使得双频收发共口径阵列天线不出现栅瓣。从而提高卫星通讯终端的性能。
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共口径阵列天线的结构示意图之一；
图2为本发明实施例提供的一种共口径阵列天线的结构示意图之二；
图3为本发明实施例提供的一种共口径阵列天线的结构示意图之三；
图4为本发明实施例提供的一种共口径阵列天线的结构示意图之四；
图5为本发明实施例提供的一种共口径阵列天线的结构示意图之五；
图6为本发明实施例提供的一种共口径阵列天线的结构示意图之六。
图标：010-紧耦合馈电巴伦层；020-发射天线层；021-发射辐射贴片；022-紧耦合单元；023-紧耦合单元组；024-发射信号；030-频率选择表面层；040-接收天线层；041-接收辐射贴片；042-接收天线单元；043-接收信号；050-L型馈线层；060-第一地层；070-紧耦合馈电网络层；071-第一馈电结构；080-第二地层；090-接收天线馈电网络层；091-第二馈电结构；100-第三地层；210-介质匹配层；220-PP层；230-介质基板层；300-垂直互联孔；310-隔离孔；320-第一接收天线垂直互联孔；330-第二接收天线垂直互联孔；340-第一发射天线垂直互联孔；350-第二发射天线垂直互联孔；360-第三发射天线垂直互联孔。
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，提供一种共口径阵列天线，包括层叠设置的接收天线层040和发射天线层020，接收天线层040包括多个呈矩形阵列设置的接收天线单元042，发射天线层020包括多个呈矩形阵列设置的紧耦合单元022，接收天线层040的一个接收天线单元042对应发射天线层020的四个紧耦合单元022，相邻两个紧耦合单元022形成紧耦合单元组023以使发射天线层020处于紧耦合工作模式。
示例的，如图1、图2和图4所示，共口径阵列天线包括层叠设置的接收天线层040和发射天线层020，其中，接收天线层040包括多个接收天线单元042，多个接收天线单元042采用矩形阵列的形式排布，相邻两个接收天线单元042之间的几何中心间距是接收天线的半波长；发射天线层020包括多个紧耦合单元022，多个紧耦合单元022也采用矩形阵列的形式排布，由于发射天线层020中的紧耦合单元022采用紧耦合结构，因此，其单元尺寸相对接收天线单元042更小，对应于层叠的接收天线层040和发射天线层020，在层叠方向上实现接收天线层040中的一个接收天线单元042对应发射天线层020的四个紧耦合单元022（图1中虚线框内位于下层的为一个接收天线单元042，位于上层与之对应的为四个紧耦合单元022），即使得相邻两个紧耦合单元022之间的几何中心间距能够较为接近相邻两个接收天线单元042之间的几何中心间距，此时，虽然相邻两个紧耦合单元022之间的几何中心间距仍然大于发射天线的半波长，但是由于紧耦合单元022均是按照矩形阵列的形式排布，故，相邻两个紧耦合单元022沿横向或纵向随机组合形成一个紧耦合单元组023，每个紧耦合单元组023的相位中心也呈随机分布，从而打破周期性，避免出现大角度扫描时容易出现栅瓣的现象。实现了在小频率比的情况下通过紧耦合和规则布阵相结合的形式使得双频收发共口径阵列天线不出现栅瓣。发射天线层020和接收天线层040是频段不同的天线层，即形成双频收发共口径阵列天线，例如后续实施例中的发射天线层020为Ka频段发射天线层020，接收天线层040为K频段接收天线层040。
如图2所示，给出了一种紧耦合单元022两两组合形成的紧耦合单元组023，图2中的一个小矩形框等效为两个紧耦合单元022。如图3所示，给出了另一种紧耦合单元022两两组合形成的紧耦合单元组023，同理，图3中的一个小矩形框也同样等效为两个紧耦合单元022。当然，在其它实施例中，还包括有多种其它组合形式。结合图1、图2和图3，看出，同一紧耦合单元022作为不同紧耦合单元组023中的组成因子。图1和图2为同一实施例，图1和图3为同一实施例。
可选的，相邻两个紧耦合单元022的几何中心间距与相邻接收天线单元042的几何中心间距的差值的绝对值小于等于1mm。
示例的，为了避免相邻两个紧耦合单元022的几何中心间距与相邻接收天线单元042的几何中心间距的差值过大，从而导致大角度扫描时容易出现栅瓣现象进而影响天线的性能，使得相邻两个紧耦合单元022的几何中心间距与相邻两个接收天线单元042的几何中心间距的差值处于1mm。如图1所示，相邻两个紧耦合单元022的几何中心间距还与相邻接收天线单元042的几何中心间距相等，此时，进一步的提高共口径阵列天线的性能。
可选的，发射天线层020为Ka频段发射天线层020，接收天线层040为K频段接收天线层040，相邻两个紧耦合单元022的几何中心间距为Ka频段发射天线的波长的0.73倍，相邻接收天线单元042的几何中心间距为K频段接收天线的波长的0.5倍。
示例的在一种实施例中，发射天线层020是Ka频段发射天线层020，接收天线层040是K频段接收天线层040，其中，K频段接收天线层040位于Ka频段发射天线层020之下。Ka频段发射天线层020即表示发射天线的频段为Ka（30GHz），其对应的波长数值为10mm，半波长数值为5mm；K频段接收天线层040即表示接收天线的频段为K（20GHz），其对应的波长数值为15mm，半波长数值为7.5mm。
在进行布阵时，按照规则布阵的形式对K频段接收天线层040中的多个K频段接收天线单元042进行矩形阵列布设从而形成规则阵面，相邻K频段接收天线单元042之间的几何中心的间距是按照满足半波长进行设置，即按照7.5mm设置。
同时，按照紧耦合布阵的形式对Ka频段发射天线层020中的多个Ka频段紧耦合单元022进行矩形阵列布设从而形成紧耦合阵面。并且将Ka频段紧耦合单元022的尺寸设置为Ka频段波长的0.365倍，即3.65mm，如此使得按照上述紧耦合布阵方式形成的阵列中的相邻Ka频段紧耦合单元022之间的几何中心间距成为Ka频段波长的0.73倍，即7.3mm，因此，相邻Ka频段紧耦合单元022几何中心间距与相邻K频段接收天线单元042几何中心间距相近，此时，虽然Ka频段紧耦合单元022几何中心间距（7.3mm）大于Ka频段的半波长（5mm），但是使得紧耦合阵面中相近的四个Ka频段紧耦合单元022和规则阵面中的一个K频段接收天线单元042对应，此时，由于相邻Ka频段紧耦合单元022两两随机组合形成一个Ka频段紧耦合单元组023，使得每个Ka频段紧耦合单元组023的相位中心呈随机分布，从而打破周期性，因此，实现在Ka频段紧耦合单元022几何中心间距（7.3mm）大于Ka频段的半波长（5mm）时，依然实现在大角度扫描下不出现栅瓣，从而保证了天线的性能，实现了在小频率比的情况下通过紧耦合和规则布阵相结合的形式使得双频收发共口径阵列天线不出现栅瓣。
可选的，共口径阵列天线还包括频率选择表面层030，频率选择表面层030位于接收天线层040和发射天线层020之间。
示例的，如图4所示，还在接收天线层040和发射天线层020之间设置有频率选择表面层030（FSS），其对不同频率的波进行选择性通过，即滤波的作用。例如对于低频接收天线时，将其等效为天线罩，即低频接收天线发出的波正常穿透。对于高频发射天线将其等效为反射面。如图6所示，发射天线层020在上层辐射Ka频段的发射信号024，Ka频段信号在FSS层时被反射，不进入接收天线层040。接收天线层040则在FSS下层辐射K频段的接收信号043，K频段的信号能够在FSS层通过，因此有效提高收发隔离，降低收发相互干扰，提高共口径阵列天线的性能。
可选的，接收天线单元042和紧耦合单元022交错分布。
示例的，如图1所示，接收天线单元042和紧耦合单元022在上下对应时，采用交错分布的形式，即接收天线单元042的辐射面与四个紧耦合单元022围合形成的中空区域正对应，如此，进一步的提高共口径阵列天线的性能。
可选的，共口径阵列天线还包括层叠设置的紧耦合馈电巴伦层010、L型馈线层050、紧耦合馈电网络层070和接收天线馈电网络层090，发射天线层020和接收天线层040位于紧耦合馈电巴伦层010和L型馈线层050之间且发射天线层020靠近紧耦合馈电巴伦层010设置；紧耦合馈电巴伦层010、发射天线层020和紧耦合馈电网络层070垂直互联以形成发射天线；接收天线层040、L型馈线层050和接收天线馈电网络层090垂直互联以形成接收天线。例如图5中的垂直互联孔300。
示例的，如图4所示，从上至下依次层叠设置有紧耦合馈电巴伦层010、发射天线层020、频率选择表面层030、接收天线层040、L型馈线层050、第一地层060、紧耦合馈电网络层070、第二地层080、接收天线馈电网络层090和第三地层100。在紧耦合馈电巴伦层010之上还依次设置有半固化片层（PP层220）和介质匹配层210。分别在紧耦合馈电巴伦层010和发射天线层020之间、在频率选择表面层030和接收天线层040之间、在L型馈线层050和第一地层060之间、在紧耦合馈电网络层070和第二地层080之间、在接收天线馈电网络层090和第三地层100之间设置有介质基板层230。分别在发射天线层020和频率选择表面层030之间、在接收天线层040和L型馈线层050之间、在第一地层060和紧耦合馈电网络层070之间、在第二地层080和接收天线馈电网络层090之间设置有PP层220。
同时，在接收天线馈电网络层090和第三地层100之间设置有第一接收天线垂直互联孔320；设置第二接收天线垂直互联孔330连通L型馈线层050和接收天线馈电网络层090；设置第一发射天线垂直互联孔340连通紧耦合馈电网络层070和第三地层100；设置第二发射天线垂直互联孔350连通发射天线层020和紧耦合馈电网络层070；设置第三发射天线垂直互联孔360连通紧耦合馈电巴伦层010和紧耦合馈电网络层070。还设置有隔离孔310。从而形成完整的共口径阵列天线的层级结构，实现共口径阵列天线稳定可靠的收发功能。
图5给出了图1中虚线框内共口径阵列天线的层级结构，结合图4所示，紧耦合馈电巴伦层010、发射天线层020、频率选择表面层030、接收天线层040、L型馈线层050、紧耦合馈电网络层070和接收天线馈电网络层090采用贴片的形式形成，即发射天线层020包括多个阵列设置的发射辐射贴片021，其一个贴片对应一个紧耦合单元022。紧耦合馈电巴伦层010中包括多个与发射辐射贴片021一一对应的紧耦合馈电巴伦贴片。接收天线层040包括多个阵列设置的接收辐射贴片041，一个贴片对应一个接收天线单元042。L型馈线层050是包括多个L型探针结构。
可选的，紧耦合馈电网络层070包括多个第一馈电结构071，相邻第一馈电结构071之间的相位差为90°；接收天线馈电网络层090包括多个第二馈电结构091，相邻第二馈电结构091之间的相位差为90°。
示例的，如图4和图5所示，发射天线采用双馈方式实现圆极化，即紧耦合馈电网络层070包括多个第一馈电结构071形成一分二馈电网络，例如图5中，四个相位差为90°的第一馈电结构071。第二馈电结构091同理。
可选的，第一馈电结构071和第二馈电结构091均为带状线馈电结构。
可选的，接收天线单元042为接收辐射贴片041，紧耦合单元022为发射辐射贴片021。
本发明实施例的另一方面，提供一种卫星通讯终端，包括上述任一种的共口径阵列天线。
示例的，将上述的共口径阵列天线应用于卫星通讯终端，在相邻两个紧耦合单元022之间的几何中心间距仍然大于发射天线的半波长，通过相邻两个紧耦合单元022沿横向或纵向随机组合形成一个紧耦合单元组023，每个紧耦合单元组023的相位中心也呈随机分布，从而打破周期性，避免出现大角度扫描时容易出现栅瓣的现象。实现了在小频率比的情况下通过紧耦合和规则布阵相结合的形式使得双频收发共口径阵列天线不出现栅瓣。从而提高卫星通讯终端的性能。
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)

1.一种共口径阵列天线，其特征在于，包括依次设置的接收天线层和发射天线层，所述接收天线层包括多个呈矩形阵列设置的接收天线单元，所述发射天线层包括多个呈矩形阵列设置的紧耦合单元，所述接收天线层的一个所述接收天线单元对应所述发射天线层的四个所述紧耦合单元，相邻两个所述紧耦合单元形成紧耦合单元组以使所述发射天线层处于紧耦合工作模式。
2.如权利要求1所述的共口径阵列天线，其特征在于，相邻两个所述紧耦合单元的几何中心间距与相邻所述接收天线单元的几何中心间距的差值的绝对值小于等于1mm。
3.如权利要求2所述的共口径阵列天线，其特征在于，所述发射天线层为Ka频段发射天线层，所述接收天线层为K频段接收天线层，相邻两个所述紧耦合单元的几何中心间距为Ka频段发射天线的波长的0.73倍，相邻所述接收天线单元的几何中心间距为K频段接收天线的波长的0.5倍。
4.如权利要求1所述的共口径阵列天线，其特征在于，还包括频率选择表面层，所述频率选择表面层位于所述接收天线层和所述发射天线层之间。
5.如权利要求1所述的共口径阵列天线，其特征在于，所述接收天线单元和所述紧耦合单元交错分布。
6.如权利要求1至5任一项所述的共口径阵列天线，其特征在于，还包括层叠设置的紧耦合馈电巴伦层、L型馈线层、紧耦合馈电网络层和接收天线馈电网络层，所述发射天线层和接收天线层位于所述紧耦合馈电巴伦层和L型馈线层之间且所述发射天线层靠近所述紧耦合馈电巴伦层设置；所述紧耦合馈电巴伦层、所述发射天线层和所述紧耦合馈电网络层垂直互联以形成发射天线；所述接收天线层、所述L型馈线层和所述接收天线馈电网络层垂直互联以形成接收天线。
7.如权利要求6所述的共口径阵列天线，其特征在于，所述紧耦合馈电网络层包括多个第一馈电结构，相邻所述第一馈电结构之间的相位差为90°；所述接收天线馈电网络层包括多个第二馈电结构，相邻所述第二馈电结构之间的相位差为90°。
8.如权利要求7所述的共口径阵列天线，其特征在于，所述第一馈电结构和所述第二馈电结构均为带状线馈电结构。
9.如权利要求1所述的共口径阵列天线，其特征在于，所述接收天线单元为接收辐射贴片，所述紧耦合单元为发射辐射贴片。
10.一种卫星通讯终端，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的共口径阵列天线。
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