CN112615166A - 频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线及使用方法，包括天线阵面，所述天线阵面包括Ns×Ns个天线子阵面，所述天线子阵面按照Ns行Ns列矩形栅格排布；所述天线子阵面包括Na×Na个平面模块化天线单元，所述天线子阵面中的所述平面模块化天线单元按照Na行Na列矩形栅格排布，Na为奇数；所述天线子阵面内部设置频率开关，所述平面模块化天线单元内部设置极化开关；本发明所述频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线能够实现天线阵列的工作频段、极化形式和阵列孔径同时可重构，满足战略电子对抗装备对抗高性能天线需求。

Description

频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线及使用方法

技术领域

本发明涉及微波技术领域，具体涉及一种频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线及使用方法。

背景技术

随着在星载、球载、机载和舰载等平台上，需要实现的雷达、电子战、通信、导航等功能越来越多，导致各平台天线数量大幅增加。这就带来了诸多问题，包括天线互扰、电磁干扰和雷达散射面积的增大，以及与多重系统相关的维护问题。上述系统日益增长的功能需求，对现有平台的宝贵天线资源提出了更高的要求。包括电子对抗在内的各类装备平台的综合射频系统，均要求系统中的天线单元及阵列实现共用孔径。天线为了能够同时满足现代军事通讯、雷达功能的设计要求，往往既要保证所需的宽频段和高增益性能，又要在极为有限的空间内实现小体积、低剖面和高可靠性等个性化需求。上述要求在常规的天线设计中实现起来很困难，特别是超宽频带和多极化特性，但可重构天线技术通过可重构功能，能够较好满足上述需求，成为未来重要的解决途径之一。

目前可重构天线的研究较多，有频率可重构、方向图可重构、极化可重构等等，但大部分是单个天线单元，可重构阵列天线研究较少，无法在一个天线阵列上实现工作频段、极化形式和阵列孔径同时可重构。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线，包括天线阵面，所述天线阵面包括Ns×Ns个天线子阵面，所述天线子阵面按照Ns行Ns列矩形栅格排布；所述天线子阵面包括Na×Na个平面模块化天线单元，所述天线子阵面中的所述平面模块化天线单元按照Na行Na列矩形栅格排布，Na为奇数；

所述天线子阵面内部设置频率开关，所述平面模块化天线单元内部设置极化开关。

较佳的，所述平面模块化天线单元均包括双极化辐射振子、介质基板、接地片、金属短路柱、馈电柱和金属反射板；所述双极化辐射振子包括水平辐射振子和垂直辐射振子，所述水平辐射振子和所述垂直辐射振子均位于所述介质基板上，所述馈电柱包括水平极化馈电柱和垂直极化馈电柱，且所述水平辐射振子通过所述水平极化馈电柱馈电，所述垂直辐射振子通过所述垂直极化馈电柱馈电；所述金属短路柱穿过所述介质基板分别与所述双极化辐射振子和所述金属反射板连接；所述接地片位于所述介质基板下方，并与位于所述接地片下方的所述金属短路柱相连，所述水平极化馈电柱与所述垂直极化馈电柱之间设置所述极化开关。

较佳的，建立xoy坐标系，设定x轴平行于水平方向；y轴平行于垂直方向，

根据位置对所述天线子阵面中的各所述平面模块化天线单元进行编号，顺序为从上至下、从左至右，编号为：NcNr(Nc，Nr＝1，2，...，Na)；Nc为行序号，Nr为列序号；

对所述天线子阵面中第一列的所述平面模块化天线单元设置所述频率开关：从上至下行序号为奇数的所述平面模块化天线单元的所述垂直辐射振子之间设置所述频率开关，且两两所述平面模块化天线单元相邻的所述垂直辐射振子之间设置所述频率开关。

较佳的，对所述天线子阵面中最后一行的所述平面模块化天线单元设置所述频率开关：从左至右列序号为奇数的所述平面模块化天线单元的所述水平辐射振子之间设置所述频率开关，且两两所述平面模块化天线单元相邻的所述水平辐射振子之间设置所述频率开关。

较佳的，所述介质基板材质为Rogers RO4350。

较佳的，所述介质基板为矩形。

较佳的，所述双极化辐射振子为2个对称的五边形铜箔，五边形的尖头指向外侧。

较佳的，所述接地片为圆形铜箔。

较佳的，所述频率开关选择贴片开关，所述极化开关为单刀双掷开关。

较佳的，一种频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线的使用方法，在f1～f2的工作频段下存在四种工作状态：

处于工作状态一时所有频率开关处于断开状态，所有极化开关连通水平极化，垂直极化端口处于负载态；天线阵面辐射水平极化波，所有天线单元水平极化进行激励参与阵面辐射，天线阵面的工作频段为f1～f2，实现两维±45°扫描，激励端口数为Ns×Ns×Na×Na；

处于工作状态二时所有频率开关处于断开状态，所有极化开关连通垂直极化，水平极化端口处于负载态；天线阵面辐射垂直极化波，工作频段和激励端口数与工作状态一相同；

处于工作状态三时所有频率开关处于导通状态，所有极化开关连通水平极化，垂直极化端口处于负载态；天线子阵面中仅最后一行中央水平极化端口进行激励，其余水平极化端口均处于负载态，天线阵面工作频段为f1/Na～f2/Na，实现频率可重构，激励端口数为Ns×Ns；

处于工作状态四时所有频率开关处于导通状态，所有极化开关连通垂直极化，水平极化端口处于负载态；天线子阵面中仅第一列中央垂直极化端口进行激励，其余垂直极化端口均处于负载态，天线阵面工作频段和激励端口数与工作状态三相同。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，本发明所述频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线能够实现天线阵列的工作频段、极化形式和阵列孔径同时可重构，满足战略电子对抗装备对抗高性能天线需求；2，本发明中的一种频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线，通过频率开关和极化开关实现了天线阵面频率可重构，大幅度展宽了天线阵面的工作带宽，同时实现了极化可重构，便于进行极化选择；3，本发明中的一种频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线，通过天线子阵面拼接实现模块化扩展，进而实现孔径可重构，可满足阵面高增益等需求；4，本发明中的频率开关与天线阵面高度集成，降低了开关对原天线阵面的影响，保证了天线阵面不同工作状态之间切换的稳定性。

附图说明

图1为所述频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线在实施例中的俯视图；

图2为所述频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线在实施例中天线子阵面的俯视图；

图3为所述频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线在实施例中阵列天线单元的结构示意图；

图4为所述频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线在实施例中处于工作状态一和工作状态二时天线单元激励端口扫描45°有源驻波；

图5为所述频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线在实施例中处于工作状态一时天线单元水平极化在E面辐射方向图；

图6为所述频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线在实施例中处于工作状态二时天线单元垂直极化在E面辐射方向图；

图7为所述频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线在实施例中处于工作状态三和工作状态四时天线子阵面激励端口扫描45°有源驻波图；

图8为所述频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线在实施例中处于工作状态三时天线子阵面水平极化在E面辐射方向图；

图9为所述频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线在实施例中处于工作状态四时天线子阵面垂直极化在E面辐射方向图。

图中数字表示：

1-天线阵面；2-天线子阵面；3-平面模块化天线单元；4-频率开关；31-双极化辐射振子；32-介质基板；33-接地片；34-馈电柱；35-金属短路柱；36-金属反射板。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例一

本发明所述频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线物理结构上包括1个天线阵面，阵面由Ns×Ns个天线子阵面组成，所有子阵面按照Ns行Ns列矩形栅格排布在一起；天线子阵面由Na×Na个平面模块化天线单元组成，每个子阵面中天线单元按照Na行Na列矩形栅格排布在一起，Na为奇数；

建立xoy坐标系，设定x轴平行于水平方向，决定左右位置关系；y轴平行于垂直方向，决定上下位置关系。

每个平面模块化天线单元可同时辐射水平、垂直两个极化的电磁波，包括双极化辐射振子、介质基板、接地片、金属短路柱、馈电柱和金属反射板；双极化辐射振子由水平辐射振子和垂直辐射振子组成，位于介质基板上，馈电柱由水平极化馈电柱和垂直极化馈电柱组成，且水平方向的辐射振子通过水平极化馈电柱馈电，垂直方向的辐射振子通过垂直极化馈电柱馈电；金属短路柱穿过介质基板分别与辐射振子和金属反射板连接；接地片位于介质基板下方，且位于中央金属短路柱顶面。水平极化馈电柱与垂直极化馈电柱之间设置极化开关，可进行开关切换选择天线单元极化方向。

天线子阵面内设置频率开关实现频率可重构，设置步骤如下：

S1，根据天线子阵面中的阵元行列位置，对其进行编号，顺序为从上至下、从左至右，编号为：NcNr(Nc，Nr＝1，2，...，Na)；Nc为行序号，Nr为列序号；

S2，对天线子阵面中第一列天线单元设置开关：从上至下行序号为奇数的天线单元的垂直辐射振子之间设置开关，且两两天线单元相邻的垂直辐射振子之间设置开关；

S3，对天线子阵面中最后一行天线单元设置开关：从左至右列序号为奇数的天线单元的水平辐射振子之间设置开关，且两两天线单元相邻的水平辐射振子之间设置开关；

S4，重复步骤S2和步骤S3在所有天线子阵面的上述相同位置处设置开关，完成全阵面建模。

如图1所示，图1为所述频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线在实施例中的俯视图；本发明所述频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线包括天线阵面1，在本实施例中，所述天线阵面1由16个天线子阵面2组成，16个所述天线子阵面2按照4行4列排布。

如图2所示，图2为所述频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线在实施例中天线子阵面的俯视图；所述天线子阵面2由9个平面模块化天线单元3组成，9个所述平面模块化天线单元3按照3行3列排布。

为便于描述及理解，按照图1所示的状态，以右方(即列的排布方向)为x，上方(即行的排布方向)为y，对相应位置的所述天线子阵面2进行编号，所述天线子阵面2从上至下、从左至右编号依次为#1～#16；在所述天线子阵面2内部对相应位置的所述平面模块化天线单元3进行编号，如第三行第二列的所述平面模块化天线单元3编号为#23。

如图3所示，图3为所述频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线在实施例中阵列天线单元的结构示意图；所述平面模块化天线单元3均包括双极化辐射振子31、介质基板32、接地片33、馈电柱34、金属短路柱35、金属反射板36。

所述双极化辐射振子31包括2个水平极化贴片和2个垂直极化贴片，所述双极化辐射振子31向空间辐射电磁波，所述双极化辐射振子31位于介质基片上。

所述馈电柱34包括水平极化馈电柱和垂直极化馈电柱，2个所述水平极化贴片通过所述水平极化馈电柱连接，形成x极化，2个所述垂直极化贴片通过所述垂直极化馈电柱连接，形成y极化，所述水平极化馈电柱和所述垂直极化馈电柱之间连接极化开关。

所述接地片33位于所述介质基板32下方，形状为圆形，以增强阵元间耦合。

所述垂直极化馈电柱穿过所述介质基板32与所述垂直极化贴片焊接实现对其馈电，所述水平极化馈电柱穿过所述介质基板32与所述水平极化贴片焊接实现对其馈电。

与所述馈电柱34相邻的2个所述金属短路柱35上部分穿过所述介质基板32与所述接地片33焊接，下部分焊接于所述金属反射板36上，实现阻抗匹配。

对编号为#1的所述天线子阵面2设置频率开关4。所述天线子阵面2第1列天线单元设置所述频率开关4：天线单元编号为#11和#13的垂直辐射贴片之间设置所述频率开关4，且3个天线单元两两相邻的垂直辐射贴片之间设置所述频率开关4；对天线子阵面2第3行天线单元设置频率开关4：天线单元编号为#31和#33的水平辐射贴片之间设置频率开关4，且3个天线单元两两相邻的水平辐射贴片之间设置频率开关4；重复上述步骤，在编号为#2～#15的天线子阵面2的上述相同位置处设置频率开关4，完成全阵面建模。

所述介质基板32材质为RogersRO4350，RogersRO4350即玻璃纤维增强碳氢化合物/陶瓷层压板，所述介质基板32的介电常数为3.66，所述介质基片32为正方形，所述双极化辐射振子31为五边形，贴片的尖头指向相邻贴片，所述双极化辐射振子31为铜箔，所述接地片33为铜箔，所述频率开关4选择贴片开关，所述极化开关为单刀双掷开关。

工作原理：

本发明所述频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线，假设平面模块化天线单元工作于f1～f2频段，该天线存在四种工作状态如下。

a)处于工作状态一时所有频率开关处于断开状态，所有极化开关连通水平极化，垂直极化端口处于负载态；此时天线阵面辐射水平极化波，所有天线单元水平极化进行激励参与阵面辐射，天线阵面的工作频段为f1～f2，可实现两维±45°扫描，激励端口数为Ns×Ns×Na×Na。

b)处于工作状态二时所有频率开关处于断开状态，所有极化开关连通垂直极化，水平极化端口处于负载态；此时天线阵面辐射垂直极化波，工作频段和激励端口数与工作状态一相同。

c)处于工作状态三时所有频率开关处于导通状态，所有极化开关连通水平极化，垂直极化端口处于负载态；此时天线子阵面中仅最后一行中央水平极化端口进行激励，其余水平极化端口均处于负载态，天线阵面工作频段为f1/Na～f2/Na，实现了频率可重构，激励端口数为Ns×Ns。

d)处于工作状态四时所有频率开关处于导通状态，所有极化开关连通垂直极化，水平极化端口处于负载态；此时天线子阵面中仅第一列中央垂直极化端口进行激励，其余垂直极化端口均处于负载态，天线阵面工作频段和激励端口数与工作状态三相同。该阵列具有模块化可扩充功能，以天线子阵面为单元，在已有天线规模基础上通过增加子阵面个数提高阵面增益等参数，子阵面的相关部件之间通过焊接或搭接方式实现电连接，进而实现阵面孔径可重构。

与现有技术相比，本发明中的频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线可同时实现上述三种可重构技术，在展宽阵列天线带宽的同时满足天线阵面高增益等需求。

具体的，基于本实施例本发明所述频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线存在四种工作状态如下：

a)处于工作状态一时所有频率开关4处于断开状态，所有极化开关连通水平极化，垂直极化端口处于负载态；此时天线阵面辐射水平极化波，所有天线单元水平极化进行激励参与阵面辐射，天线阵面的工作频段为2GHz～6GHz，可实现两维±45°扫描，激励端口数为144个。

b)处于工作状态二时所有频率开关4处于断开状态，所有极化开关连通垂直极化，水平极化端口处于负载态；此时天线阵面辐射垂直极化波，工作频段和激励端口数与工作状态一相同。

c)处于工作状态三时所有频率开关4处于导通状态，所有极化开关连通水平极化，垂直极化端口处于负载态；此时天线子阵面中仅第3行中央水平极化端口进行激励，其余水平极化端口均处于负载态，天线阵面工作频段为0.7GHz～2GHz，实现了频率可重构，激励端口数为16个。

d)处于工作状态四时所有频率开关4处于导通状态，所有极化开关连通垂直极化，水平极化端口处于负载态；此时天线子阵面中仅第1列中央垂直极化端口进行激励，其余垂直极化端口均处于负载态，天线阵面工作频段和激励端口数与工作状态三相同。

如图4至图9所示，图4为所述频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线在实施例中处于工作状态一和工作状态二时天线单元激励端口扫描45°有源驻波；图5为所述频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线在实施例中处于工作状态一时天线单元水平极化在E面辐射方向图；图6为所述频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线在实施例中处于工作状态二时天线单元垂直极化在E面辐射方向图；图7为所述频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线在实施例中处于工作状态三和工作状态四时天线子阵面激励端口扫描45°有源驻波图；图8为所述频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线在实施例中处于工作状态三时天线子阵面水平极化在E面辐射方向图；图9为所述频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线在实施例中处于工作状态四时天线子阵面垂直极化在E面辐射方向图

该阵列具有模块化可扩充功能，以所示天线子阵面2为单元，在已有天线规模基础上通过增加所示天线子阵面2的数量提高阵面增益等参数，其部件之间通过焊接或搭接方式实现电连接，进而实现阵面孔径可重构。

所述频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线可实现工作频带覆盖0.7GHz～6GHz，极化形式为线极化可切换，且实现两维±45°扫描。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线，其特征在于，包括天线阵面，所述天线阵面包括Ns×Ns个天线子阵面，所述天线子阵面按照Ns行Ns列矩形栅格排布；所述天线子阵面包括Na×Na个平面模块化天线单元，所述天线子阵面中的所述平面模块化天线单元按照Na行Na列矩形栅格排布，Na为奇数；

所述天线子阵面内部设置频率开关，所述平面模块化天线单元内部设置极化开关。

2.如权利要求1所述的频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线，其特征在于，所述平面模块化天线单元均包括双极化辐射振子、介质基板、接地片、金属短路柱、馈电柱和金属反射板；所述双极化辐射振子包括水平辐射振子和垂直辐射振子，所述水平辐射振子和所述垂直辐射振子均位于所述介质基板上，所述馈电柱包括水平极化馈电柱和垂直极化馈电柱，且所述水平辐射振子通过所述水平极化馈电柱馈电，所述垂直辐射振子通过所述垂直极化馈电柱馈电；所述金属短路柱穿过所述介质基板分别与所述双极化辐射振子和所述金属反射板连接；所述接地片位于所述介质基板下方，并与位于所述接地片下方的所述金属短路柱相连，所述水平极化馈电柱与所述垂直极化馈电柱之间设置所述极化开关。

3.如权利要求2所述的频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线，其特征在于，建立xoy坐标系，设定x轴平行于水平方向；y轴平行于垂直方向，

根据位置对所述天线子阵面中的各所述平面模块化天线单元进行编号，顺序为从上至下、从左至右，编号为：NcNr(Nc，Nr＝1，2，...，Na)；Nc为行序号，Nr为列序号；

对所述天线子阵面中第一列的所述平面模块化天线单元设置所述频率开关：从上至下行序号为奇数的所述平面模块化天线单元的所述垂直辐射振子之间设置所述频率开关，且两两所述平面模块化天线单元相邻的所述垂直辐射振子之间设置所述频率开关。

4.如权利要求3所述的频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线，其特征在于，对所述天线子阵面中最后一行的所述平面模块化天线单元设置所述频率开关：从左至右列序号为奇数的所述平面模块化天线单元的所述水平辐射振子之间设置所述频率开关，且两两所述平面模块化天线单元相邻的所述水平辐射振子之间设置所述频率开关。

5.如权利要求4所述的频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线，其特征在于，所述介质基板材质为Rogers RO4350。

6.如权利要求4所述的频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线，其特征在于，所述介质基板为矩形。

7.如权利要求4所述的频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线，其特征在于，所述双极化辐射振子为2个对称的五边形铜箔，五边形的尖头指向外侧。

8.如权利要求4所述的频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线，其特征在于，所述接地片为圆形铜箔。

9.如权利要求4所述的频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线，其特征在于，所述频率开关选择贴片开关，所述极化开关为单刀双掷开关。

10.一种如权利要求4-9中任一项所述的频率、孔径、极化同时可重构模块化阵列天线的使用方法，其特征在于，在f1～f2的工作频段下具有四种工作状态：

处于工作状态一时所有频率开关处于断开状态，所有极化开关连通水平极化，垂直极化端口处于负载态；天线阵面辐射水平极化波，所有天线单元水平极化进行激励参与阵面辐射，天线阵面的工作频段为f1～f2，实现两维±45°扫描，激励端口数为Ns×Ns×Na×Na；

处于工作状态二时所有频率开关处于断开状态，所有极化开关连通垂直极化，水平极化端口处于负载态；天线阵面辐射垂直极化波，工作频段和激励端口数与工作状态一相同；

处于工作状态三时所有频率开关处于导通状态，所有极化开关连通水平极化，垂直极化端口处于负载态；天线子阵面中仅最后一行中央水平极化端口进行激励，其余水平极化端口均处于负载态，天线阵面工作频段为f1/Na～f2/Na，实现频率可重构，激励端口数为Ns×Ns；

处于工作状态四时所有频率开关处于导通状态，所有极化开关连通垂直极化，水平极化端口处于负载态；天线子阵面中仅第一列中央垂直极化端口进行激励，其余垂直极化端口均处于负载态，天线阵面工作频段和激励端口数与工作状态三相同。

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