CN112563752B - 一种基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵及天线 - Google Patents

一种基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵及天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵及天线，包括：谐振层，谐振层还均匀间隔设有若干个第一辐射贴片；馈电层，馈电层上设置有功分网络；反射层，馈电层上设置有第二辐射贴片、功分网络，第二辐射贴片与功分网络的输入端相连接；第一尼龙支撑件，第一尼龙支撑件的顶部与谐振层的底部四周固定连接，第一尼龙支撑件的底部与馈电层顶部四周固定连接；第二尼龙支撑件，第二尼龙支撑件设置于反射层的顶部周侧，第二尼龙支撑件的顶部与馈电层的底部周侧相接触；SMP接口，SMP接口与馈电层固定连接并接收功分网络输出的信号。本发明能够降低有源通道数，这样就能够减少TR组件的数量，从而降低了成本。

Description

一种基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵及天线
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵及天线。
背景技术
相控阵天线是一种通过移相来改变天线波束指向和波束形状的天线，同时相控阵天线反应十分灵敏，易实现多波束。传统的阵列天线或者抛物面天线只有固定的波束形状，而且只能通过机械转动的方式来改变波束指向。相控阵天线有着诸多的优点，但也带来了很多新的问题，比如相控阵天线需要使用昂贵的TR组件实现移相，同时相控阵天线热耗很高，这给散热也带来了巨大挑战。简单来说，相控阵天线的有源通道数越多、TR组件(收发组件)就越多、成本也越高、散热更困难。
卫星通信属于极限通信方式，为了获得高增益天线的物理口径往往很大，若采用常规相控阵天线形式则需要的TR组件的数量相对较多，成本会很高，这对于民用、商用天线来说是不能接受的，而且存在电磁波能量泄露的情况。
例如申请号为“CN201810896375.9”的发明专利申请公开了一种宽带多模式卫星通信相控阵天线，属于电子信息技术领域，包括接收阵面、发射阵面、综合信息一体化平台、供配电层、分布式电源、惯性系统、跟踪接收机、状态监测与监控管控、卫通终端、热控系统以及支撑底座等部分，其中接收阵面和发射阵面均工作在Ku、Ka，但是该专利方案中，其并未减少TR组件的数量，成本较高，也不可避免的存在电磁波能量泄露的情况。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服相控阵天线中的电磁波能量泄露的问题。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
一种基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵，工作频段:12.25GHz～14.5GHz，包括：
谐振层，所述谐振层还均匀间隔设有若干个第一辐射贴片，所述谐振层上固定设置有若干个龙波透镜，使所述龙波透镜位于第一辐射贴片的上方，且所述龙波透镜的轴线与第一辐射贴片的中心重合，所述龙波透镜的周侧开设有若干个缺口部分且每个缺口的截面相互靠近，使若干个龙波透镜彼此之间的空隙减小；
馈电层，所述馈电层的上表面设置有第二辐射贴片以及电桥，所述馈电层的下表面设置有功分网络，所述第二辐射贴片与功分网络的输入端相连接，所述功分网络还与电桥相连；
反射层，所述谐振层、馈电层、反射层通过尼龙支撑组件固定连接。
作为本发明进一步的方案：所述尼龙支撑组件包括：
第一尼龙支撑件，所述第一尼龙支撑件的顶部与谐振层的底部四周固定连接，所述第一尼龙支撑件的底部与馈电层顶部四周固定连接；
第二尼龙支撑件，所述第二尼龙支撑件设置于反射层的顶部周侧，所述第二尼龙支撑件的顶部与馈电层的底部周侧相接触；
SMP接口，所述SMP接口与馈电层固定连接并接收功分网络输出的信号；
所述谐振层、第一尼龙支撑件、馈电层、第二尼龙支撑件、反射层的周侧均设置有相对应的安装孔，所述谐振层、馈电层、反射层、第一尼龙支撑件、第二尼龙支撑件通过连接件依次插入安装孔从而连接为一个整体结构。
第一辐射贴片、第二辐射贴片接收到的能量通过下层功分网络的输入端收集在一起，功分网络通过金属过孔与3dB电桥相连接成一个整体，能量通过金属过孔传递至3dB电桥处，最好通过功分网络的输出端输出，输出的能量信号通过SMP接口与通信链路中的TR组件相连，第一辐射贴片、第二辐射贴片能够展宽天线的带宽，降低有源通道数，这样就能够减少TR组件的数量，从而降低了成本。
作为本发明进一步的方案：所述龙波透镜的俯视图为四边形或者六边形。
作为本发明进一步的方案：所述馈电层还包括第二辐射贴片、功分网络、电桥、金属过孔、接地孔，其中，所述馈电层的底部设置有前后方向对称的功分网络，所述功分网络的输入端与第二辐射贴片相连接，所述馈电层的顶部设置有电桥，所述馈电层的顶部还设置有金属过孔；
所述功分网络通过金属过孔与电桥相连接，所述功分网络的输出口与SMP接口相连接，所述SMP接口与馈电层固定连接；
所述馈电层的中部还设置有若干个接地孔，所述功分网络通过接地孔与反射层连接。
作为本发明进一步的方案：所述谐振层沿着对角线的两端对称设置有第一缺口；
所述谐振层还均匀间隔设有若干个第一辐射贴片、第一定位孔，所述第一定位孔开设于谐振层的中间位置，若干个第一辐射贴片沿着第一定位孔对称设置。
作为本发明进一步的方案：所述谐振层两个长边中部对称设置有第一固定缺口、第二固定缺口，所述第一固定缺口、第二固定缺口均梯形结构，且所述第一固定缺口、第二固定缺口下底与谐振层的长边相重合。
作为本发明进一步的方案：所述第一固定缺口、第二固定缺口形状相同。
作为本发明进一步的方案：所述第三固定缺口、第四固定缺口的周侧设置有若干个接地孔。
作为本发明进一步的方案：所述反射层的底部还设置有金属接地层，所述金属接地层通过接地孔与功分网络相连接。
一种基于所述的基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵的天线，若干个收发子阵之间组阵，且所述SMP接口与TR组件相连。
本发明的优点在于：
1、本发明中，龙波透镜的周侧开设有若干个缺口部分且每个缺口的截面相互靠近，避免了电磁波能量的泄露，在物理口径一定的情况下，能有更高的增益及口径效率。
2、本发明中第一辐射贴片、第二辐射贴片接收到的能量通过下层功分网络的输入端收集在一起，功分网络通过金属过孔与3dB电桥相连接成一个整体，能量通过金属过孔传递至3dB电桥处，最好通过功分网络的输出端输出，输出的能量信号通过SMP接口与通信链路中的TR组件相连，第一辐射贴片、第二辐射贴片能够展宽天线的带宽，从而降低有源通道数，并减少TR组件的数量，从而降低了成本。
3、本发明中，反射层下表面包含一整块反射金属地板，目的是为了保护功分网络，减少外界泄露的电磁波对功分网络的干扰。
4、本发明还包括龙波透镜，根据龙波透镜原理，龙波透镜具有很强的聚波效果，大大提高了增益。
5、本发明中，结合TR组件移相方式可以实现变极化功能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵的天线的立体示意图。
图2为本发明实施例提供的种基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵中谐振层的俯视结构示意图。
图3为本发明实施例提供的种基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵中馈电层的俯视透视结构示意图。
图4为本发明实施例提供的种基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵中反射层的结构示意图。
图5为本发明实施例提供的基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵的天线的主视结构示意图。
图6为本发明实施例提供的基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵的组阵示意图。
图7为龙波透镜为球体结构的基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线的结构示意图。
图8为龙波透镜四周削去四个缺口部分的基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线的结构示意图。
图9为龙波透镜四周削去六个缺口部分的基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线的结构示意图。
图中，1、谐振层；101、第一辐射贴片；102、第一定位孔；1031、第一固定缺口；1032、第二固定缺口；
2、馈电层；201、第二辐射贴片；202、功分网络；203、电桥；204、金属过孔，205接地孔；
3、反射层；
4、第一尼龙支撑件；401、尼龙支撑组件；
5、第二尼龙支撑件；501、第二子尼龙支撑件；
6、SMP接口。
7、安装孔；8、连接件；9、龙波透镜。
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，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参阅图1、图2、图3、图4及图7，图1为本发明实施例提供的基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵的天线的立体示意图，图2为本发明实施例提供的种基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵中谐振层的俯视结构示意图。图3为本发明实施例提供的种基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵中馈电层的俯视透视结构示意图。图4为本发明实施例提供的种基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵中反射层的结构示意图，图7为龙波透镜为球体结构的基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线的结构示意图。
该基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵的工作频段:12.25GHz～14.5GHz，包括：
谐振层1，所述谐振层1还均匀间隔设有若干个第一辐射贴片101，所述谐振层1上固定设置有若干个龙波透镜9，使所述龙波透镜9位于第一辐射贴片101的上方，所述龙波透镜9的周侧开设有若干个缺口部分且每个缺口的截面相互靠近，使若干个龙波透镜9彼此之间的空隙减小；
馈电层2，所述馈电层2的上表面设置有第二辐射贴片201以及电桥203，所述馈电层2的下表面设置有功分网络202，所述第二辐射贴片201与功分网络201的输入端相连接，所述功分网络202还与电桥203相连；
反射层3，所述谐振层1、馈电层2、反射层3通过尼龙支撑组件固定连接。
其中，所述尼龙支撑组件包括：
第一尼龙支撑件4，所述第一尼龙支撑件4的顶部与谐振层1的底部四周固定连接，所述第一尼龙支撑件4的底部与馈电层2顶部四周固定连接；
第二尼龙支撑件5，所述第二尼龙支撑件5设置于反射层3的顶部周侧，所述第二尼龙支撑件5的顶部与馈电层2的底部周侧相接触；
SMP接口6，所述SMP接口6与馈电层2固定连接并接收功分网络202输出的信号。
所述谐振层1、第一尼龙支撑件4、馈电层2、第二尼龙支撑件5、反射层3的周侧均设置有相对应的安装孔，所述谐振层1、馈电层2、反射层3、第一尼龙支撑件4、第二尼龙支撑件5通过连接件依次插入安装孔从而连接为一个整体结构。
具体的，本发明实施例中，所述龙波透镜9的俯视图可以为四边形或者六边形，优选为正四边形或者正六边形。
可以参阅图7、图8及图9，图8为龙波透镜四周削去四个缺口部分的基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线的结构示意图。图9为龙波透镜四周削去六个缺口部分的基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线的结构示意图。其中，为了方便观察该天线的结构，图6及图7也为透视图。
可以理解的是，谐振层1、馈电层2、反射层3安装在一起的时候，在谐振层1、馈电层2之间沿着长边方向设置有若干个第一尼龙支撑件4，优选为两个，也就是说以图5的视角为例，前后一共有四个第一尼龙支撑件4。
在馈电层2、反射层3设置有第二尼龙支撑件5，第一尼龙支撑件4的高度小于第二尼龙支撑件5的高度，在馈电层2、反射层3之间沿着长边方向(图5视角的左右方向)设置有若干个第二尼龙支撑件5，优选为两个，也就是说以图5的视角为例，前后一共有四个第二尼龙支撑件5。且所述第一尼龙支撑件4、第二尼龙支撑件5的宽度较小，可以为馈电层2的前后宽度的1/3-1/5。
此外，在谐振层1、馈电层2之间的左右两侧还可以设置第一子尼龙支撑件401，所述第一子尼龙支撑件401与第一尼龙支撑件4连接为一体，所述所述第三支撑板沿着谐振层1宽边(图5视角的前后方向设置)，所述第一子尼龙支撑件401数量为若干；在馈电层2、反射层3之间的左右两侧还可以设置第二子尼龙支撑件501，所述第二子尼龙支撑件501与第二尼龙支撑件5连接为一体，所述第二子尼龙支撑件501沿着反射层3宽边方向(前后方向设置)，所述第二子尼龙支撑件501也为若干。
作为本发明的一个实施例，参阅图3，所述谐振层1还均匀间隔设有若干个第一定位孔102，所述第一定位孔102开设于谐振层1的中间位置，若干个第一辐射贴片101沿着第一定位孔102对称设置，所述第一定位孔102与龙波透镜9固定连接，同时保证龙波透镜9的轴线与第一辐射贴片101的中心要重合而已。
具体的，第一定位孔102与龙波透镜固定连接，实现在第一辐射贴片101上都放有一个龙波透镜，龙波透镜左右两两相互靠近(接近相切)，龙波透镜是3D打印而成。
第一定位孔102与龙波透镜固定的固定方式可以为：每个龙波透镜下方都有一个带螺纹的固定腿，固定腿穿过第一定位孔102固定。
可以理解的是，龙波透镜的固定安装方法也可以在龙波透镜的下方设置有一个固定腿，固定腿通过螺栓或者螺钉等与第一定位孔102固定，当然并不限于这两种固定方式。
作为本发明的一个实施例，图2中，所述第一辐射贴片101数量为十六个，分为两组，两组第一辐射贴片101沿着谐振层1上平行于谐振层1长边的中心线对称设置。
此外，所述第一定位孔102数量为八个，均匀间隔设置于谐振层1的顶部，且八个第一定位孔102设置于谐振层1上平行于谐振层1长边的中心线位置处，通过定位孔102可以用来定位龙波透镜。
可以参阅图2，所述谐振层1两个长边对称设置有第一固定缺口1031、第二固定缺口1032，所述第一固定缺口1031、第二固定缺口1032均为一个梯形结构，且所述第一固定缺口1031、第二固定缺口1032下底(较长的边)与谐振层1的长边相重合。
其中，所述第一固定缺口1031、第二固定缺口1032形状相同。
作为本发明的一个实施例，参阅图3，图3为本发明实施例1提供的种基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵中馈电层的俯视结构示意图，(应当说明的图3为透视图，为了方便观察将部分部件画出)，所述馈电层2的形状与谐振层1的形状相同，所述馈电层2由两层层压板通过粘合剂粘贴在一起形成。
其中，下端的层压板厚度要小于上端的层压板。
图3中，所述馈电层2还包括电桥203、金属过孔204、接地孔205，其中，所述馈电层2的下表面设置有前后方向对称的功分网络202，所述功分网络202的输入端与第二辐射贴片201相连接，所述馈电层2的上表面设置有电桥203，所述馈电层2的上表面还设置有金属过孔204，所述功分网络202通过金属过孔204与电桥203相连接实现无源合路，所述功分网络202的输出口与SMP接口相连接，便可以和通信链路中的TR模块连接在一块。
此外，所述馈电层2的两个长边中部对称设置有与第一固定缺口1031、第二固定缺口1032相对应的第三固定缺口、第四固定缺口；所述SMP接口数量为两个，分别位于第三固定缺口、第四固定缺口处，所述SMP接口与馈电层2通过螺杆固定连接。
优选的，所述电桥203为3dB电桥。
应当说明的是，3dB电桥为已知的，所以此处不再对3dB电桥的形状进行详细说明。
所述第三固定缺口、第四固定缺口的周侧设置有若干个接地孔205。
具体工作时，第一辐射贴片、第二辐射贴片接收到的能量通过下层功分网络的输入端收集在一起，功分网络通过金属过孔与3dB电桥相连接成一个整体，能量通过金属过孔传递至3dB电桥处，最好通过功分网络的输出端输出，输出的能量信号通过SMP接口与通信链路中的TR组件相连。
作为本发明的一个实施例，参阅图4，图4为本发明实施例1提供的种基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵中反射层的俯视结构示意图，所述反射层3的形状与1的形状也相同，所以不再具体描述反射层3的形状。
为了能够保护功分网络202，所述反射层3的底部还设置有金属接地层，所述金属接地层通过接地孔205与功分网络202相连接，通过金属接底层来保护功分网络202。
实施例2
参阅图6，本实施例与实施例3的区别为，若干个天线中的天线子阵进行组阵，且所述天线上的所述SMP接口与TR组件相连。
作为本发明的一个实施例，结合TR组件移相方式可以实现变极化功能。
加上龙波透镜之后，根据龙波透镜原理，龙波透镜具有很强的聚波效果，如图七所示，天线的增益提高了6dB以上，最后将子阵按照实际应用场景需求进行组阵，如图八所示，接头分别接上TR组件后，便可以得到相应的相控阵天线了，同时，结合TR组件移相方式可以实现变极化功能。
应当强调的是，具体天线子阵之间进行组阵的方式为现有技术，此处不再进行详细说明。
此外，参阅图5及图7，通过仿真实验，该种情况下天线的增益提高了3～4dB，但是相邻球之间还有很大的缝隙，导致泄露了一部分电磁波能量，为了挽回这部分电磁波能量，将传统球形龙波透镜改成图8、图9所示龙波透镜形状。
图8为龙波透镜四周削去四个缺口部分的基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线的结构示意图。图9为龙波透镜四周削去六个缺口部分的基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线的结构示意图。图8、图9，龙波透镜上下两端为1/n球体(n大于2)而中部为棱柱体结构，参与图8，龙波透镜是通过传统球形龙波透镜在其四周削去四个缺口部分(上下两侧不削)，俯视图可以看成一个正方形的龙波透镜，此时增益提高了0.5～1dB。图9龙波透镜是通过传统球形龙波透镜在其四周削去六缺口部分而来(上下两侧不削)，俯视图可以看成一个正六边形的龙波透镜，此时增益提高了1～1.5dB.可见，改进后的龙波透镜，在物理口径一定的情况下，能有更高的增益及口径效率。
工作原理：第一辐射贴片101与第二辐射贴片201的共同作用主要就是为了展宽天线的带宽，第二辐射贴片201采用的是双馈形式，接上3dB电桥203后天线实现了双圆极化，再与功分网络202连接实现无源合路，功分网络202末端接上SMP接头6，便可以和通信链路中的TR模块连接；反射层3下表面包含一整块反射金属地板，目的是为了保护功分网络，减少外界泄露的电磁波对功分网络的干扰。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵，其特征在于，工作频段:12.25GHz~14.5GHz，包括：
谐振层（1），所述谐振层（1）还均匀间隔设有若干个第一辐射贴片（101），所述谐振层（1）上固定设置有若干个龙波透镜（9），使所述龙波透镜（9）位于第一辐射贴片（101）的上方，且所述龙波透镜（9）的轴线与第一辐射贴片（101）的中心重合，所述龙波透镜（9）的周侧开设有若干个缺口部分且每个缺口的截面相互靠近，使若干个龙波透镜（9）彼此之间的空隙减小；
馈电层（2），所述馈电层（2）的上表面设置有第二辐射贴片（201）以及电桥（203），所述馈电层（2）的下表面设置有功分网络（202），所述第二辐射贴片（201）与功分网络（202）的输入端相连接，所述功分网络（202）还与电桥（203）相连；
反射层（3），所述谐振层（1）、馈电层（2）、反射层（3）通过尼龙支撑组件固定连接；
所述尼龙支撑组件包括第一尼龙支撑件（4），所述第一尼龙支撑件（4）的顶部与谐振层（1）的底部四周固定连接，所述第一尼龙支撑件（4）的底部与馈电层（2）顶部四周固定连接；
第二尼龙支撑件（5），所述第二尼龙支撑件（5）设置于反射层（3）的顶部周侧，所述第二尼龙支撑件（5）的顶部与馈电层（2）的底部周侧相接触；
SMP接口（6），所述SMP接口（6）与馈电层（2）固定连接并接收功分网络（202）输出的信号；
所述谐振层（1）、第一尼龙支撑件（4）、馈电层（2）、第二尼龙支撑件（5）、反射层（3）的周侧均设置有相对应的安装孔，所述谐振层（1）、馈电层（2）、反射层（3）、第一尼龙支撑件（4）、第二尼龙支撑件（5）通过连接件依次插入安装孔从而连接为一个整体结构。
2.根据权利要求1所述的基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵，其特征在于，所述龙波透镜（9）的俯视图为四边形或者六边形。
3.根据权利要求1所述的基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵，其特征在于，所述馈电层（2）包括第二辐射贴片（201）、功分网络（202）、电桥（203）、金属过孔（204）、接地孔（205），其中，所述馈电层（2）的底部设置有前后方向对称的功分网络（202），所述功分网络（202）的输入端与第二辐射贴片（201）相连接，所述馈电层（2）的顶部设置有电桥（203），所述馈电层（2）的顶部还设置有金属过孔（204）；
所述功分网络（202）通过金属过孔（204）与电桥（203）相连接，所述功分网络（202）的输出口与SMP接口（6）相连接，所述SMP接口与馈电层（2）固定连接；
所述馈电层（2）的中部还设置有若干个接地孔（205），所述功分网络（202）通过接地孔（205）与反射层（3）连接。
4.根据权利要求1所述的基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵，其特征在于，所述谐振层（1）均匀间隔设有若干个第一辐射贴片（101）、第一定位孔（102），所述第一定位孔（102）开设于谐振层（1）的中间位置，若干个第一辐射贴片（101）沿着第一定位孔（102）对称设置。
5.根据权利要求2所述的基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵，其特征在于，所述谐振层（1）两个长边中部对称设置有第一固定缺口（1031）、第二固定缺口（1032），所述第一固定缺口（1031）、第二固定缺口（1032）均梯形结构，且所述第一固定缺口（1031）、第二固定缺口（1032）下底与谐振层（1）的长边相重合。
6.根据权利要求5所述的基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵，其特征在于，所述第一固定缺口（1031）、第二固定缺口（1032）形状相同。
7.根据权利要求5所述的基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵，其特征在于，所述馈电层（2）的两个长边中部对称设置有与第一固定缺口（1031）、第二固定缺口（1032）相对应的第三固定缺口、第四固定缺口，所述第三固定缺口、第四固定缺口的周侧设置有若干个接地孔（205）。
8.根据权利要求1所述的基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵，其特征在于，所述反射层（3）的底部还设置有金属接地层，所述金属接地层通过接地孔（205）与功分网络（202）相连接。
9.一种基于权利要求1-7任一所述的基于高口径效率龙波透镜的微带阵列天线子阵的天线，其特征在于，若干个收发子阵之间组阵，且所述SMP接口与TR组件相连。
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