CN113241533A - Ku/Ka双频双极化有源相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Ku/Ka双频双极化有源相控阵天线，包括：无源天线阵列，集成有Ku天线单元和Ka天线单元，用于辐射或接收射频信号，Ku天线单元为双线极化天线；TR组件，与无源天线阵列连接，用于对接收到的射频信号进行收发放大和幅相控制，对射频信号进行分路或合路；E面功分，与TR组件连接，用于对射频信号进行分路或合路；H面功分，与E面功分连接，用于对射频信号进行分路或合路；波控组件，与TR组件连接，用于接收外部发来的指令并执行相应的操作；电源模块，与外部电源、TR组件和波控组件连接。本发明中的相控阵天线具备Ku和Ka双频同时工作的能力，并且Ku具有水平和垂直极化同时工作的能力。

Description

Ku/Ka双频双极化有源相控阵天线

技术领域

本发明涉及有源相控阵天线技术领域，特别是涉及一种Ku/Ka双频双极化有源相控阵天线。

背景技术

随着技术的发展，有源相控阵天线在雷达、通信等军民领域的应用也越来越广泛，同时，对有源相控阵天线的功能要求也越来越多，比如要求两个频段的天线共口径同时工作、天线具备垂直和水平极化同时工作的能力等。

然而目前Ku/Ka双频复合的天线很少，Ku天线具备双极化同时工作能力、再在同一口径下复合Ka天线的设计就更没有，导致这种情况的原因主要有以下两点：

（1）天线单元设计困难：有源相控阵天线的阵元间距是频率的半波长左右，当工作频率为Ku频段时，根据天线扫描范围，阵元间距为9mm左右。由于双极化天线单元结构复杂，要在9mm*9mm的尺寸内实现Ku双极化天线已经很难，同时还要再剩余面积内设计出一定Ka的天线单元，并且保证Ka天线组阵后能实现扫描功能就更难。

（2）TR组件设计困难：双频同时工作的TR组件集成度要求就已经很高，如果Ku频段还需要双极化同时工作，需要在双频TR的基础上，Ku频段再增加一倍的通道数，这将对TR组件的集成能力提出更高的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的一项或多项不足，提供一种Ku/Ka双频双极化有源相控阵天线。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：Ku/Ka双频双极化有源相控阵天线，包括：

无源天线阵列，所述无源天线阵列上集成有Ku天线单元和Ka天线单元，用于辐射或接收射频信号，所述Ku天线单元为双线极化天线；

TR组件，与所述无源天线阵列连接，用于对接收到的射频信号进行收发放大和幅相控制，以及在天线处于发射状态时对射频信号进行分路，在天线处于接收状态时对射频信号进行合路；

E面功分，与所述TR组件连接，用于在天线处于发射状态时对接收到的射频信号进行分路，以及在天线处于接收状态时对接收到的射频信号进行合路；

H面功分，与所述E面功分连接，用于在天线处于发射状态时对接收到的射频信号进行分路，以及在天线处于接收状态时对接收到的射频信号进行合路；

波控组件，与所述TR组件连接，用于接收外部发来的指令，并根据所述指令执行相应的操作；

电源模块，与外部电源、TR组件和波控组件连接。

优选的，所述无源天线阵列包括若干基本单元和若干Ka天线单元，每个基本单元内设置有一个Ku天线单元；

所述Ku天线单元为双线极化天线，以周期阵列方式排布；

所述Ka天线单元为单线极化天线，以稀疏阵列方式排布；

所述Ka天线单元设置于相邻所述基本单元的交界处，和/或，所述Ka天线单元设置于无源天线阵列的外侧边缘。

优选的，所述Ku天线单元与所述Ka天线单元的数量比为1∶1.5-2。

优选的，所述Ku天线单元为缝隙耦合馈电天线；和/或，所述Ka天线单元为缝隙耦合馈电天线。

优选的，所述Ku天线单元和Ka天线单元共面。

优选的，所述TR组件中Ka频段电路和Ku频段电路分层设置。

优选的，所述TR组件包括组件壳体，所述组件壳体分隔为Ka结构腔体和Ku结构腔体，所述Ka结构腔体内设置有Ka频段电路，所述Ku结构腔体内设置有Ku频段电路，所述Ka结构腔体的侧壁上设置有Ka天线接口和Ka馈电网络接口，所述Ku结构腔体的侧壁上设置有Ku天线接口和Ku馈电网络接口，所述Ka频段电路与所述Ka天线接口和Ka馈电网络接口连接，所述Ku频段电路与所述Ku天线接口和Ku馈电网络接口连接。

优选的，所述Ka频段电路包括：

HTCC基板，通过微带传输线与所述Ka天线接口和Ka馈电网络接口连接；

Ka频段TR组件射频芯片，装配于所述HTCC基板上；

Ka供电控制板，与所述HTCC基板连接；

优选的，所述Ku频段电路包括：

水平极化通道，所述水平极化通道内设有射频放大芯片和幅相控制芯片；

垂直极化通道，所述垂直极化通道内设有射频放大芯片和幅相控制芯片；

Ku供电控制板，与所述射频放大芯片和幅相控制芯片连接；

多层微波板，与所述水平极化通道和垂直极化通道连接，用于分层实现水平极化信号和垂直极化信号的合成。

优选的，Ku/Ka双频双极化有源相控阵天线，还包括：

冷板，与所述TR组件的散热端面相接。

本发明的有益效果是：

（1）本发明中的相控阵天线具备Ku和Ka双频同时工作的能力，并且Ku具有水平和垂直极化同时工作的能力；

（2）本发明通过Ku周期阵列和Ka稀疏阵列的复合，Ku和Ka两个频段的辐射性不会相互影响，同时，Ka天线单元稀疏后副瓣特性好；

（3）Ku天线单元为缝隙耦合馈电天线，可以拓展天线带宽；

（4）Ka天线单元为缝隙耦合馈电天线，其耦合缝隙相当于滤波器，可以滤除来自Ku通道耦合过来的绝大部分能量，从而提高了Ku天线单元和Ka天线单元的隔离度；

（5）Ku天线单元和Ka天线单元共面，便于生产和安装；

（6）TR组件每路中包含两个独立的Ku通道，一个独立的Ka通道，具有较高的集成度。

附图说明

图1为本发明中Ku/Ka双频双极化有源相控阵天线的一种结构示意图；

图2为图1中A-A处的剖视图；

图3为本发明中无源天线阵列的一种示意图；

图4为本发明中TR组件上Ka天线接口和Ku天线接口的一种示意图；

图5为本发明中Ka馈电网络接口和Ku馈电网络接口的一种示意图；

图6为本发明中Ka频段电路的一种示意图；

图7为本发明中Ku频段电路的一种示意图；

图8为本发明中Ku供电控制板的一种示意图；

图中，1—无源天线阵列，2—冷板，3—TR组件，4—E面功分，5—H面功分，6—电源模块，7—波控组件，8—Ku天线单元，9—Ka天线单元，10—Ka天线接口，11—Ku天线接口，12—Ka馈电网络接口，13—Ku馈电网络接口，14—HTCC基板，15—Ka供电控制板，16—微带传输线，17—水平极化通道，18—垂直极化通道，19—多层微波板，20—Ku供电控制板。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的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。

参阅图1-图8，本实施例提供了一种Ku/Ka双频双极化有源相控阵天线：

如图1和图2所示，Ku/Ka双频双极化有源相控阵天线，包括无源天线阵列1、TR组件3、E面功分4、H面功分5、波控组件7和电源模块6。

所述无源天线阵列1上集成有Ku天线单元8和Ka天线单元9，用于辐射或接收射频信号，所述Ku天线单元8为双线极化天线。每个Ku天线单元8有水平和垂直极化两个馈电口，Ka天线单元9有一个馈电口。

具体的，在一些实施例中，如图3所示，所述无源天线阵列1包括若干基本单元、若干Ku天线单元8和若干Ka天线单元9，每个基本单元内设置有一个Ku天线单元8。

所述Ku天线单元8为双线极化天线，以周期阵列（即规律阵列、均匀阵列）方式排布；所述Ka天线单元9为单线极化天线，以稀疏阵列方式排布。所述Ka天线单元9采用稀疏阵列排布，提升了天线的副瓣特性。

所述Ka天线单元9设置于相邻所述基本单元的交界处，和/或，所述Ka天线单元9设置于无源天线阵列1的外侧边缘。

本实施例中Ku天线单元8采用周期阵列，Ka天线单元9采用稀疏阵列，Ku天线单元8设置在基本单元的交界处或无源天线阵列1的外侧边缘，使得Ku和Ka两个频段的辐射性不会相互影响，实现了双极化Ku天线单元8和Ka天线单元9的共口径复合。

在一些实施例中，所述Ku天线单元8与所述Ka天线单元9的数量比为1∶1.5-2，例如，所述Ku天线单元8与所述Ka天线单元9的数量比为1∶1.8。在保证无源天线阵列1性能的前提下，减少了Ka天线单元9的数量，降低了成本。

在一些实施例中，所述Ku天线单元8为缝隙耦合馈电天线；和/或，所述Ka天线单元9为缝隙耦合馈电天线。Ku天线单元8为缝隙耦合馈电天线，可以拓展天线带宽；Ka天线单元9为缝隙耦合馈电天线，其耦合缝隙相当于滤波器，可以滤除来自Ku通道耦合过来的绝大部分能量，从而提高了Ku天线单元8和Ka天线单元9的隔离度，避免Ku天线单元8和Ka天线单元9相互影响。

在一些实施例中，所述Ku天线单元8和Ka天线单元9共面，便于天线的生产和安装。

在一些实施例中，所述Ku天线单元8的工作频率大于4GHz，和/或，Ka天线单元9的工作频率大于4GHz，具有良好的宽带特性。

在一些实施例中，所述Ku天线单元8工作频率相对带宽大于25%，带宽较宽。

所述TR组件3与所述无源天线阵列1连接，用于对接收到的射频信号进行收发放大和幅相控制，以及在天线处于发射状态时对射频信号进行分路，在天线处于接收状态时对射频信号进行合路。

一般的，所述TR组件3采用CSMP连接器与所述无源天线阵列1连接。

在一些实施例中，Ku/Ka双频双极化有源相控阵天线，还包括冷板2，所述冷板2与所述TR组件3的散热端面相接。具体的，所述冷板2上集成有密闭水道，外部冷水在水道内循环后将TR组件3传导到冷板2的热量带走。所述冷板2上设置有上百个通孔，为实现无源天线阵列1与TR组件3连接的射频连接器提供空间。

在一些实施例中，所述TR组件3中Ka频段电路和Ku频段电路分层设置。具体的，TR组件3采用砖块式TR组件3，从而利用TR组件3的长度尺寸来实现微波电路和供电控制电路的布局，同时充分利用TR组件3的长度尺寸，将Ka频段电路和Ku频段电路分层设置。

在一些实施例中，如图4和图5，所述TR组件3包括组件壳体，所述组件壳体分隔为Ka结构腔体和Ku结构腔体，所述Ka结构腔体内设置有Ka频段电路，所述Ku结构腔体内设置有Ku频段电路，所述Ka结构腔体的侧壁上设置有Ka天线接口10和Ka馈电网络接口12，所述Ku结构腔体的侧壁上设置有Ku天线接口11和Ku馈电网络接口13，所述Ka频段电路与所述Ka天线接口10和Ka馈电网络接口12连接，所述Ku频段电路与所述Ku天线接口11和Ku馈电网络接口13连接。

在一些实施例中，所述Ka天线接口10、Ka馈电网络接口12、Ku天线接口11和Ku馈电网络接口13等间距排布，从而实现了TR组件3的标准化和模块化。

在一些实施例中，如图6所示，所述Ka结构腔体是Ka频段电路的载体，所述Ka频段电路包括HTCC基板14、Ka频段TR组件3射频芯片和Ka供电控制板15。

所述HTCC基板14（多层高温共烧陶瓷基板）通过微带传输线16与所述Ka天线接口10和Ka馈电网络接口12连接，所述微带传输线16通过金丝与所述HTCC基板14连接。所述HTCC基板14是Ka频段TR组件3射频芯片的装配载体，通过多层陶瓷电路，实现了射频信号传输、Ka频段TR组件3射频芯片的供电和幅相控制。

所述Ka供电控制板15通过金丝与所述HTCC基板14连接，用于为所述Ka频段TR组件3射频芯片的工作供电，以及用于通道幅相控制信号的传输。

在一些实施例中，如图7和图8所示，所述Ku结构腔体是Ku频段电路的载体，所述Ku频段电路包括水平极化通道17、垂直极化通道18、Ku供电控制板20和多层微波板19。

所述水平极化通道17内设有射频放大芯片和幅相控制芯片；所述垂直极化通道18内设有射频放大芯片和幅相控制芯片。

所述多层微波板19通过微带传输线16与所述水平极化通道17和垂直极化通道18连接，用于分层实现水平极化信号和垂直极化信号的合成，避免两种极化通道信号合成的时引起的射频信号线交叉。

所述Ku供电控制板20通过金丝与所述射频放大芯片和幅相控制芯片连接；用于为Ku频段TR通道射频芯片的工作供电，以及用于实现通道幅相控制信号的传输。一些实施例中，所述Ku供电控制板20与水平极化通道17、垂直极化通道18和多层微波板19不共面，从而减小Ku频段电路的面积。

所述E面功分4与所述TR组件3连接，用于在天线处于发射状态时对接收到的射频信号进行分路，以及在天线处于接收状态时对接收到的射频信号进行合路。E面功分4在射频信号链路上分别通过CSMP连接器与TR组件3和H面功分5连接。

所述H面功分5与所述E面功分4连接，用于在天线处于发射状态时对接收到的射频信号进行分路，以及在天线处于接收状态时对接收到的射频信号进行合路。所述H面功分5在射频信号链路上通过CSMP连接器与E面功分4连接，在天线处于接收状态时，H面功分5最终合成出两个独立Ku波束、一个独立Ka波束后输出。

所述波控组件7与所述TR组件3连接，用于接收外部发来的指令，并根据所述指令执行相应的操作。具体的，波控组件7的主要功能是完成外部发来的波束指向指令的接收，天线单元幅相控制信号的解算和分发，并实现电源控制、温度采集、状态回传功能。波控组件7的输入通过低频连接器与外部控制信号连接，波控组件7的输出通过低频连接器与TR组件3连接。

所述电源模块6与外部电源、TR组件3和波控组件7连接。具体的，电源模块6的主要功能是将输入的高电压直流电压转换为TR组件3和波控组件7需要的各种工作电压。电源模块6的输入通过低频连接器与外部电源连接，电源模块6的输出通过低频连接器分别与TR组件3和波控组件7连接。

本实施例中的工作原理为：发射状态，通过Ku和Ka各自的功分网络，将Ku/Ka双频射频激励信号分配到各TR组件3发射阵元，经过移相、功率放大，实现对特定指向的功率合成与发射。接收状态，对于Ku频段，天线接收到信号的水平和垂直极化信号后送至TR组件3中Ku频段的水平极化通道17和垂直极化通道18，在TR组件3中进行低噪声放大和移相衰减控制，再送入Ku两个极化各自的馈电网络中，合成Ku独立的两个波束；对于Ka频段，天线接收到空间信号后送至TR组件3中的Ka频段电路，在TR组件3中进行低噪声放大和移相衰减控制，再送入Ka的馈电网络中，合成Ka波束。

本实施例中Ku/Ka双频双极化有源相控阵天线的部分指标如表1所示。

表1

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.Ku/Ka双频双极化有源相控阵天线，其特征在于，包括：

无源天线阵列（1），所述无源天线阵列（1）上集成有Ku天线单元（8）和Ka天线单元（9），用于辐射或接收射频信号，所述Ku天线单元（8）为双线极化天线；

TR组件（3），与所述无源天线阵列（1）连接，用于对接收到的射频信号进行收发放大和幅相控制，以及在天线处于发射状态时对射频信号进行分路，在天线处于接收状态时对射频信号进行合路；

E面功分（4），与所述TR组件（3）连接，用于在天线处于发射状态时对接收到的射频信号进行分路，以及在天线处于接收状态时对接收到的射频信号进行合路；

H面功分（5），与所述E面功分（4）连接，用于在天线处于发射状态时对接收到的射频信号进行分路，以及在天线处于接收状态时对接收到的射频信号进行合路；

波控组件（7），与所述TR组件（3）连接，用于接收外部发来的指令，并根据所述指令执行相应的操作；

电源模块（6），与外部电源、TR组件（3）和波控组件（7）连接。

2.根据权利要求1所述的Ku/Ka双频双极化有源相控阵天线，其特征在于，所述无源天线阵列（1）包括若干基本单元和若干Ka天线单元（9），每个基本单元内设置有一个Ku天线单元（8）；

所述Ku天线单元（8）为双线极化天线，以周期阵列方式排布；

所述Ka天线单元（9）为单线极化天线，以稀疏阵列方式排布；

所述Ka天线单元（9）设置于相邻所述基本单元的交界处，和/或，所述Ka天线单元（9）设置于无源天线阵列（1）的外侧边缘。

3.根据权利要求2所述的Ku/Ka双频双极化有源相控阵天线，其特征在于，所述Ku天线单元（8）与所述Ka天线单元（9）的数量比为1∶1.5-2。

4.根据权利要求2所述的Ku/Ka双频双极化有源相控阵天线，其特征在于，所述Ku天线单元（8）为缝隙耦合馈电天线；和/或，所述Ka天线单元（9）为缝隙耦合馈电天线。

5.根据权利要求2所述的Ku/Ka双频双极化有源相控阵天线，其特征在于，所述Ku天线单元（8）和Ka天线单元（9）共面。

6.根据权利要求1所述的Ku/Ka双频双极化有源相控阵天线，其特征在于，所述TR组件（3）中Ka频段电路和Ku频段电路分层设置。

7.根据权利要求1所述的Ku/Ka双频双极化有源相控阵天线，其特征在于，所述TR组件（3）包括组件壳体，所述组件壳体分隔为Ka结构腔体和Ku结构腔体，所述Ka结构腔体内设置有Ka频段电路，所述Ku结构腔体内设置有Ku频段电路，所述Ka结构腔体的侧壁上设置有Ka天线接口（10）和Ka馈电网络接口（12），所述Ku结构腔体的侧壁上设置有Ku天线接口（11）和Ku馈电网络接口（13），所述Ka频段电路与所述Ka天线接口（10）和Ka馈电网络接口（12）连接，所述Ku频段电路与所述Ku天线接口（11）和Ku馈电网络接口（13）连接。

8.根据权利要求7所述的Ku/Ka双频双极化有源相控阵天线，其特征在于，所述Ka频段电路包括：

HTCC基板（14），通过微带传输线（16）与所述Ka天线接口（10）和Ka馈电网络接口（12）连接；

Ka频段TR组件射频芯片，装配于所述HTCC基板（14）上；

Ka供电控制板（15），与所述HTCC基板（14）连接。

9.根据权利要求7所述的Ku/Ka双频双极化有源相控阵天线，其特征在于，所述Ku频段电路包括：

水平极化通道（17），所述水平极化通道（17）内设有射频放大芯片和幅相控制芯片；

垂直极化通道（18），所述垂直极化通道（18）内设有射频放大芯片和幅相控制芯片；

Ku供电控制板（20），与所述射频放大芯片和幅相控制芯片连接；

多层微波板（19），与所述水平极化通道（17）和垂直极化通道（18）连接，用于分层实现水平极化信号和垂直极化信号的合成。

10.根据权利要求1所述的Ku/Ka双频双极化有源相控阵天线，其特征在于，Ku/Ka双频双极化有源相控阵天线，还包括：

冷板（2），与所述TR组件（3）的散热端面相接。

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