CN112436281B - 一种阵列天线及自校准网络结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列天线及自校准网络结构，自校准网络结构由无源功分网络和馈电耦合网络组成，馈电耦合网络主要通过一条带状线形式的定向耦合电路与馈电传输线相连，多个馈电传输线形成网络并集成一路，最终由耦合网络公共端口输入/输出；无源功分网络由多个微带线威尔金森功分器组成，将多路馈电传输线网络合成一路。自校准网络的馈电耦合网络集成多层微带天线形式设计的天线单元，形成阵列天线，馈电传输线与定向耦合电路分布于同一介质层，馈电传输线位于天线单元中间层。本发明将微带形式的阵列天线与耦合线进行一体化设计，其具备结构紧凑、测量精度高的优点，采用直接耦合的方式可以避免外界环境对自校准网络的影响。

Description

一种阵列天线及自校准网络结构

技术领域

本发明涉及相控阵天线技术领域，尤其是一种用于阵列天线幅度相位校准数据采集的微波网络结构及对应的阵列天线。

背景技术

相控阵天线因其具备快速的波束扫描、灵活的波束赋形、较高的可靠性等优点，被广泛应用于雷达和无线通信领域。相控阵在对各个通道进行监测时，需要用到标定网络，该网络一般有两种形式，一种是开关，需要使用一整套控制设备，较为复杂；而另一种即由定向耦合器和功分器组成，较为简单，其通过在主路上引入定向耦合器，耦合一部分能量，再通过功分器传递到监测末端，同时通过功分器输出的功率可以判断相控阵的每个通道是否正常工作，从而在相控阵工作时起到一定的监测作用，而不需停机检查。相控阵天线自校准网络是采集阵元信号幅相的分部件，要想让各单元天线发送的信号达到预定幅相要求，需设计一个稳定可靠的校准网络。校准系统只能补偿从校准网络传下来的各通道幅相的偏差，却无法消除由校准网络带来的误差。因此，自校准网络的精准度对提高相控阵天线的性能至关重要。

目前阵列天线常见的自校准网络主要以波导缝隙耦合或者微带缝隙耦合的方式实现。文献CN105390814A 公开了一种具有内校准网络的有源相控阵天线，实现了阵列天线与校准网络的一体化设计，其中校准网络分布在多层带状线印制板中，避免了外部环境对校准网络的干扰。“星载相控阵天线与校准网络技术研究”文章中介绍了一种基于SIW耦合器的256通道阵列天线与监测校准网络，仅占用较小的空间就实现了校准网络与对称阵子天线的一体化设计。

以上两种自校准网络均具备结构紧凑的特点，但由于缝隙耦合结构的缝隙宽度会随温度变化而改变，自校准网络的精确度会随之大幅下降，严重影响阵列天线自校准功能。直接耦合匹配结构复杂，不易与阵列天线集成化设计，特别对于辐射单元数量较多的阵列天线，难以实现不受外部环境干扰，采集精度高，集成度高的自校准网络。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种阵列天线自校准网络结构，避免外界环境特别是温度对自校准网络的影响，并且使之具备结构紧凑、测量精度高的特点。

本发明采用的技术方案如下：

一种阵列天线自校准网络结构，包括一个等比无源功分网络和组数与等比无源功分网络接口数量对应的馈电耦合网络；各组馈电耦合网络分别由若干个耦合线基本网络单元通过串行的方式连接，形成统一传输通道由一个耦合网络公共端口连接到无源功分网络对应的接口；各耦合线基本网络单元均由镜像分布的一对耦合线基本单元构成；

耦合线基本单元包括定向耦合电路和馈电传输线，定向耦合电路传输方向与馈电传输线方向垂直，定向耦合电路通过微带线连接于馈电传输线中部位置；定向耦合电路采用蛇形微带线结构；馈电传输线的一端设计T/R接口，另一端设计馈电传输线枝节；

各耦合线基本单元的定向耦合器均经带状线传输线传输；带状传输线两端均连接有耦合网络公共端口，一端的耦合网络公共端口用于与无源功分网络连接，另一端的耦合网络公共端口用于与匹配负载连接。

进一步的，定向耦合电路由一个直线型传输线和蛇形传输线组成，直线型传输线与馈电传输线连接形成一个定向耦合器，蛇形传输线与直线型传输线连接形成一个反相电路。

进一步的，耦合网络公共端口位于与自校准网络对应的阵列天线包络外。

进一步的，包围耦合线基本网络单元、耦合网络公共端口和带状传输线密集分布有金属化隔离柱。

进一步的，金属化隔离柱的直径为0.3mm，相邻金属化隔离柱之间间距为0.6~1mm。

进一步的，馈电传输线枝节为扇形或矩形。

进一步的，耦合线基本单元所限制的阵列天线通道间距与对应的阵列天线二分之一工作波长相匹配。

进一步的，无源功分网络包含耦合网络接口、微带传输线、威尔金森功分器、功分网络公共端口和贴片匹配负载；各耦合网络接口用于分别连接对应的馈电耦合网络；各耦合网络接口经微带传输线依次连接到若干级威尔金森功分器，最终连接到功分网络公共端口；贴片匹配负载用于对威尔金森功分器进行多余端口匹配。

进一步的，各耦合网络接口等间距排布。

本发明还提供了一种自校准阵列天线，包括上述的阵列天线自校准网络结构，阵列天线的天线单元为多层微带天线形式，自校准网络结构位于天线单元的中间层，各耦合线基本单元的定向耦合电路与馈电传输线均分布于同一介质层中。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明采用蛇形定向耦合电路减小了微带线直接耦合的结构尺寸，使天线单元与馈电传输线直接连接，并且分布于多层微波印制板同一层内，保证了耦合信号在多层微波印制板带状线中传输，不受外界测试环境干扰。

2、本发明采用微带形式的阵列天线单元与耦合线基本单元进行一体化设计，使阵列天线具备结构紧凑、测量精度高的特点。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明阵列天线自校准网络原理框图；

图2是本发明一个馈电耦合网络实施例的结构示图；

图3是本发明一个无源功分网络实施例的结构示图；

图4是本发明一个阵列天线自校准网络实施例的结构示图；

图5是本发明一个阵列天线自校准网络实施例的测试结果图。

图中，1-T/R接口，2-馈电传输线枝节，3-定向耦合电路4-馈电传输线，5-耦合网络公共端口，6-金属化隔离柱，7-带状线传输线，11-耦合网络接口，12-微带传输线，13-威尔金森功分器，14-功分网络公共端口，15-贴片匹配负载。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明的自校准网络结构由无源功分网络和馈电耦合网络组成，馈电耦合网络主要通过一条带状线形式的定向耦合电路与馈电传输线相连，多个馈电传输线形成网络并集成一路，最终由耦合网络公共端口输入/输出；无源功分网络由多个微带线威尔金森功分器组成，将多路馈电传输线网络合成一路。

实施例一

本实施例公开了一种阵列天线自校准网络结构，包括一个等比无源功分网络和组数与所述等比无源功分网络接口数量对应的馈电耦合网络；各组馈电耦合网络分别由若干个耦合线基本网络单元通过串行的方式连接，形成统一传输通道由一个耦合网络公共端口连接到无源功分网络对应的接口。各耦合线基本网络单元均由镜像分布的一对耦合线基本单元构成，显然，一组馈电耦合网络的通道数量以2的整数倍进行设定。例如自校准网络结构包括一个一分M等比无源功分网络和M组馈电耦合网络，每一组馈电耦合网络均由N个耦合线基本单元串行连接而成，镜像分布的一对耦合线基本单元组合形成一个耦合线基本网络单元，如图1所示。一个耦合线基本单元对应一个通道，对应连接T/R组件，T/R组件连接天线单元，即一个T/R接口对应于一个天线单元，所有耦合线基本单元所对应的天线单元成阵列排布即构成阵列天线。

参见附图2所示，一个耦合线基本单元的结构如下：包括定向耦合电路3和馈电传输线4，两者分布于同一介质层。定向耦合电路3传输方向与馈电传输线4方向垂直，定向耦合电路3通过微带线连接于馈电传输线4中部（指非端部，不限定于正中）位置。定向耦合电路3采用蛇形微带线形式的结构，通过蛇形微带线折叠数量及微带线宽度控制定向耦合电路耦合系数及工作频段范围，具体的，蛇形传输线弯折数量越多，定向耦合电路3的耦合系数越小，定向耦合电路3的带宽越宽。具体而言，定向耦合电路3由一个直线型传输线和一个蛇形传输线组成，其中直线型传输线与馈电传输线4连接形成一个定向耦合器，蛇形传输线与直线型传输线连接形成一个反相电路，反相电路将大部分的耦合能量消耗在蛇形传输线中，同时蛇形传输线还起拓展定向耦合线路带宽的作用。馈电传输线4的一端设计T/R接口1，以与T/R组件连接，另一端设计馈电传输线枝节2，以为馈电传输线4增加电容分量，起到调节馈电传输线4阻抗匹配的作用，克服因定向耦合电路3与馈电传输线4连接后会引起馈电传输线4的阻抗失配问题。各耦合线基本单元的定向耦合器3均经带状线传输线7传输；带状传输线7两端均连接有耦合网络公共端口5，一端的耦合网络公共端口5作为输入/输出端口（与无源功分网络连接），另一端的耦合网络公共端口5用于与匹配负载连接，自校准工作时多余的校准信号会被匹配负载吸收，避免对系统造成干扰。耦合网络公共端口5位于与自校准网络对应的阵列天线包络外，避免与天线单元馈电接口产生干涉。在一些实施例中，包围耦合线基本网络单元、耦合网络公共端口5和带状传输线7密集分布有金属化隔离柱6，以改善馈电传输线4、定向耦合电路3与带状线传输线7间的信号隔离度，提高自校准信号精度。

阵列天线通道间距为满足阵列天线扫描范围，以二分之一工作波长的限制设计，相应的，耦合线基本单元所限制的阵列天线通道间距与对应的阵列天线二分之一工作波长相匹配。

参见附图3所示，无源功分网络包含耦合网络接口11、微带传输线12、威尔金森功分器13、功分网络公共端口14和贴片匹配负载15。用于连接馈电耦合网络的耦合网络接口11等间距排布，与对应的馈电耦合网络的耦合网络公共端口5连接。各耦合网络接口11经微带传输线12依次连接到若干级威尔金森功分器13，最终连接到功分网络公共端口14，各级威尔金森功分器13根据所处级别设定功分比。贴片匹配负载15用于对威尔金森功分器13进行多余端口匹配，同时吸收剩余耦合信号，改善功分网络阻抗匹配状况。

阵列天线接收状态自校准时，自校准信号由功分网络公共端口14进入经微带传输线12传输至馈电耦合网络，再经带状线传输线7传输至馈电传输线4将微小信号耦合至馈电传输线4，最终耦合信号经T/R组件回到信号处理模块形成自校准信号回路；阵列天线发射状态自校准时则与接收状态相反，自校准信号由T/R组件进入馈电传输线4并最终由功分网络公共端口14传输至信号处理模块形成信号回路。校准时，被检测天线通道处于工作状态，其他天线通道处于关闭状态，每个天线通道依次打开进行校准，直至所有通道完成接收和发射状态自校准。

实施例二

如图2所示为本实施例32通道馈电耦合网络结构图。如图2所示，T/R接口1、馈电传输线枝节2、定向耦合电路3和馈电传输线4构成一个耦合线基本单元，左右两侧分别设计有耦合网络公共端口5，左侧耦合网络公共端口5连接无源功分网络，右侧耦合网络公共端口5连接匹配负载。以左右两个耦合网络公共端口5的中心线为基准，耦合线基本单元呈镜像对称结构。带状线传输线7设计于两个耦合网络公共端口5的中心线上。32通道馈电耦合网络按照2*16的形式规则排布于耦合网络公共端口5的中心线两侧，共计32个耦合线基本单元，各耦合线基本单元均连接到带状线传输线7上，最终通过左侧耦合网络公共端口5输入/输出。

本实施例中T/R接口1为半圆形微带结构，其作用为将馈电传输线阻抗转换为50欧姆，实现馈电传输线4和与其电连接的T/R组件射频连接器（图中未示出）的阻抗匹配。本实施例中馈电传输线4为天线激励信号的传输通道，可以是不同外观形状的微带传输线结构，比如L型或直线型。定向耦合电路3与馈电传输线4直接连接，并且两者的传输方向呈垂直关系，定向耦合电路3与馈电传输线4直接连接后会引起馈电传输线4的阻抗失配，在馈电传输线4末端（与T/R接口相对的一端）引入馈电传输线枝节2，可以为馈电传输线4增加电容分量，起到调节馈电传输线4阻抗匹配的作用。其中，馈电传输线枝节2的外观形状可以多种多样，如扇形、矩形等。具体地，调整馈电传输线枝节2的扇形张角或者矩形长度、宽度可以调节加载电容分量的大小。定向耦合电路3由一个直线型传输线和蛇形传输线组成，其中直线型传输线与馈电传输线4连接形成一个定向耦合器，蛇形传输线与直线型传输线连接形成一个反相电路，反相电路将大部分的耦合能量消耗在蛇形传输线中，同时蛇形传输线还起拓展定向耦合电路带宽的作用。具体地，蛇形传输线弯折数量越多，定向耦合电路的耦合系数越小，定向耦合电路的带宽越宽。本实施例中，所有定向耦合电路3均经带状线传输线7传输，由耦合网络公共端口5输入/输出，耦合网络公共端口5位于阵列天线包络外，避免与天线单元馈电接口产生干涉。本实施例中，馈电耦合网络中分布大量金属化隔离柱6，金属化隔离柱6包围所有耦合网络公共端口5、带状线传输线7、耦合线基本网络单元呈规则排列，其直径为0.3mm，相邻金属化隔离柱6之间间距为0.6~1mm，所述金属化隔离柱6可以改善馈电传输线4、定向耦合电路3与带状线传输线7间的信号隔离度，提高自校准信号精度。

实施例三

如图3所示为无源功分网络结构图，采用平面微带功分网络实现小型化。无源功分网络包含耦合网络接口11、微带传输线12、威尔金森功分器13、功分网络公共端口14和贴片匹配负载15。本实施例中，耦合网络接口11按18mm等间距排布便于与规则排布的耦合网络公共端口5对接，耦合信号通过耦合网络接口11进入无源功分网络经微带传输线12传输至威尔金森功分器13，再经过多个（图3中为3个）不同功分比的威尔金森功分器13最终由功分网络公共端口14输入/输出。贴片匹配负载15用于对威尔金森功分器13进行多余端口匹配，同时吸收剩余耦合信号，改善功分网络阻抗匹配状况。

实施例四

如图4所示，本实施例公开了一种工作于Ku频段的320通道阵列天线的自校准网络结构。本实施例的自校准网络由10组馈电耦合网络和一个10接口的无源功分网络构成。无源功分网络的功分网络公共端口14位于结构图最下端，所有自校准耦合信号均由该功分网络公共端口14传输至信号处理模块。馈电耦合网络与无源功分网络间通过SMP和KK连接器完成信号互联，馈电耦合网络位于结构图上端的10个耦合网络公共端口5则与匹配负载连接，自校准工作时多余的校准信号会被匹配负载吸收，避免对系统造成干扰。

本实施例中，自校准网络整体尺寸为180mm×170mm×5mm，阵列天线通道间距为满足阵列天线扫描范围，按照二分之一工作波长的限制，确定为9mm×9mm，馈电耦合网络与阵列天线一体化设计加工，不增加阵列天线的高度，无源功分网络则与阵列天线的外部固定结构件一体化设计加工，不增加阵列天线的外包络尺寸。

实施例四

如图5所示为本发明实施例的自校准网络的一个通道在高、低温环境下耦合系数的测试结果，从测试结果可见：在工作频率范围内，耦合系数测试值在-36dB~-27dB之间，高温耦合系数与低温耦合系数保持一致，110℃温度差对自校准网络耦合系数的影响小于0.5dB。

综上所述，本发明实例中通过直接连接的强耦合方式实现校准信号的定向耦合，强耦合的方式与传统的缝隙耦合形式相比，具有更高的抗环境干扰能力同时避免了印制板加工误差导致的耦合量一致性差的问题。

实施例五

本实施例公开了一种自校准阵列天线，包括上述实施例一中的阵列天线自校准网络结构，该阵列天线自校准网络结构中的馈电耦合网络和无源功分网络还可参照实施例二~四中的结构或参数。阵列天线的天线单元为多层微带天线形式，自校准网络结构位于天线单元的中间层，各耦合线基本单元的定向耦合电路3与馈电传输线4均分布于同一介质层中。T/R组件通过馈电传输线4连接到天线单元。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种阵列天线自校准网络结构，其特征在于，包括一个等比无源功分网络和组数与所述等比无源功分网络接口数量对应的馈电耦合网络；各组所述馈电耦合网络分别由若干个耦合线基本网络单元通过串行的方式连接形成统一传输通道，该统一传输通道由一个耦合网络公共端口连接到无源功分网络对应的接口；各耦合线基本网络单元均由关于带状线传输线（7）成镜像分布的一对耦合线基本单元构成；

所述耦合线基本单元包括定向耦合电路（3）和馈电传输线（4），所述定向耦合电路（3）传输方向与所述馈电传输线（4）方向垂直，所述定向耦合电路（3）通过微带线连接于所述馈电传输线（4）中部位置；所述定向耦合电路（3）采用蛇形微带线结构；所述馈电传输线（4）的一端设计T/R接口（1），另一端设计馈电传输线枝节（2）；

所述定向耦合电路（3）由一个直线型传输线和蛇形传输线组成，所述直线型传输线与所述馈电传输线（4）连接形成一个定向耦合器，所述蛇形传输线与所述直线型传输线连接形成一个反相电路；

各所述耦合线基本单元的定向耦合器（3）均经带状线传输线（7）传输；所述带状线传输线（7）两端均连接有耦合网络公共端口（5），一端的耦合网络公共端口（5）用于与所述无源功分网络连接，另一端的耦合网络公共端口（5）用于与匹配负载连接。

2.如权利要求1所述的阵列天线自校准网络结构，其特征在于，所述耦合网络公共端口（5）位于与自校准网络对应的阵列天线包络外。

3.如权利要求1所述的阵列天线自校准网络结构，其特征在于，包围所述耦合线基本网络单元、所述耦合网络公共端口（5）和所述带状传输线（7）密集分布有金属化隔离柱（6）。

4.如权利要求3所述的阵列天线自校准网络结构，其特征在于，所述金属化隔离柱（6）的直径为0.3mm，相邻金属化隔离柱（6）之间间距为0.6~1mm。

5.如权利要求1所述的阵列天线自校准网络结构，其特征在于，所述馈电传输线枝节（2）为扇形或矩形。

6.如权利要求1所述的阵列天线自校准网络结构，其特征在于，所述耦合线基本单元所限制的阵列天线通道间距与对应的阵列天线二分之一工作波长相匹配。

7.如权利要求1~6任一所述的阵列天线自校准网络结构，其特征在于，所述无源功分网络包含耦合网络接口（11）、微带传输线（12）、威尔金森功分器（13）、功分网络公共端口（14）和贴片匹配负载（15）；各所述耦合网络接口（11）用于分别连接对应的所述馈电耦合网络；各所述各耦合网络接口（11）经所述微带传输线（12）依次连接到若干级威尔金森功分器（13），最终连接到所述功分网络公共端口（14）；所述贴片匹配负载（15）用于对威尔金森功分器（13）进行多余端口匹配。

8.如权利要求7所述的阵列天线自校准网络结构，其特征在于，各所述耦合网络接口（11）等间距排布。

9.一种自校准阵列天线，其特征在于，包括如权利要求1~8任一所述的阵列天线自校准网络结构，所述阵列天线的天线单元为多层微带天线形式，所述阵列天线自校准网络结构位于天线单元的中间层，各所述耦合线基本单元的所述定向耦合电路（3）与所述馈电传输线（4）均分布于同一介质层中。

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