CN113285220B - 双频共口径相控阵天线、通信装置及系统 - Google Patents

双频共口径相控阵天线、通信装置及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种双频共口径相控阵天线、通信装置及系统，该天线包括：从上至下依次包括多层介质基板构成的辐射层与馈电层；所述辐射层中每个Ku频段辐射贴片与三个Ka频段辐射贴片任意构成一个矩阵式的共口径相控阵天线单元以形成辐射贴片天线阵列；所述馈电层具有微带馈电网络，馈电层的能量通过微带馈电网络与耦合缝隙耦合到辐射贴片上。通过每个Ku频段辐射贴片与三个Ka频段辐射贴片任意构成一个矩阵式的相控阵天线单元，从而在所述辐射层中形成辐射贴片天线阵列；该相控阵的ka随机布阵方式使得相控阵天线不仅能够获取到更大的阵间距，同时，在大扫描角度下，不会产生栅瓣；能够较好的满足尺寸及重量受限的大角度扫描相控阵系统的应用。

Description

双频共口径相控阵天线、通信装置及系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种双频共口径相控阵天线、通信装置及系统。
背景技术
在日新月异的信息技术领域里，无线通信技术己经成为不可或缺的信息交流手段，应用领域不断扩大，是当今发展速度最快的工程技术之一。无线通信技术(例如，相控阵天线)不光在导弹制导、微波遥感、卫星和雷达通信等军事领域得到了广泛应用，同时，也在物联网、移动通信、无线局域网等民用领域得到了迅速发展和广泛应用。
目前，相控阵天线为了减小系统的体积以及RCS(雷达散射截面积)，迫切的希望在不影响天线性能的同时，尽可能的减小天线的口径。然而，目前的双频共口径相控阵天线中，采用单层或叠层布阵时，无法完全满足相控阵天线大角度扫描的栅瓣条件，不利于满足低RCS的要求。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双频共口径相控阵天线、通信装置及系统，用于解决现有技术中双频共口径相控阵天线无法满足相控阵天线大角度扫描的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种双频共口径相控阵天线，包括：
从上至下依次包括多层介质基板构成的辐射层与馈电层；所述辐射层中每个Ku频段辐射贴片与三个Ka频段辐射贴片任意构成一个矩阵式的共口径相控阵天线单元以形成辐射贴片天线阵列；所述馈电层具有微带馈电网络，所述馈电层的能量通过微带馈电网络与耦合缝隙耦合到所述辐射贴片上。
于本发明的一实施例中，所述Ku频段辐射贴片与所述Ka频段辐射贴片至少为两层。
于本发明的一实施例中，所述Ku频段辐射贴片为十字开槽矩形贴片天线，所述Ka频段辐射贴片为矩形贴片天线。
于本发明的一实施例中，所述耦合缝隙蚀刻在所述馈电层的地板上，其中，所述耦合缝隙为工字型。
于本发明的一实施例中，每个所述辐射贴片以及所述微带馈电网络的馈线对应设有金属化屏蔽孔。
于本发明的一实施例中，还包括：金属基板，所述金属基板蚀刻有与辐射贴片对应的空气腔，所述辐射贴片依次通过空气腔、耦合缝隙与微带馈电网络之间实现耦合馈电。
于本发明的一实施例中，所述微带馈电网络的带状馈线下方设有具有空气腔的金属基板，且所述Ku频段辐射贴片连接的所述带状馈线设有圆形枝节。
于本发明的一实施例中，所述Ku频段辐射贴片实现水平极化，且在工作频段内，E面和H面的扫描角度均为±60；所述Ka波段辐射贴片实现垂直极化，且E面和H面的扫面角度均为±40°。
本发明的另一目的在于提供一种通信装置，包括上述的双频共口径相控阵天线。
本发明还有一目的在于提供一种天线系统，包括上述的双频共口径相控阵天线，或/和，上述的通信装置。
如上所述，本发明的双频共口径相控阵天线、通信装置及系统，具有以下有益效果：
本发明通过将每个Ku频段辐射贴片与三个Ka频段辐射贴片任意构成一个矩阵式的共口径相控阵天线单元，从而在所述辐射层中形成辐射贴片天线阵列，所述馈电层的能量通过微带馈电网络与耦合缝隙耦合到所述辐射贴片上；该相控阵的ka随机布阵方式使得相控阵天线不仅能够获取到更大的阵间距，同时，在大扫描角度下，不会产生栅瓣；能够较好的满足尺寸及重量受限的大角度扫描相控阵系统的应用。
附图说明
图1显示为本发明提供的一种双频共口径相控阵天线的结构示意图；
图2显示为本发明提供的一种Ku天线的频谱图；
图3显示为本发明提供的一种Ka天线的频谱图；
图4显示为本发明提供的一种双频共口径相控阵天线的阵列仿真图；
图5显示为本发明提供的一种双频共口径相控阵天线在Ku阵列在低频、中频、高频对应在E面与H面的扫描方向图；
图6显示为本发明提供的一种双频共口径相控阵天线在Ka阵列在低频、高频对应在E面与H面的扫描方向图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，为本发明提供的一种双频共口径相控阵天线的结构示意图，详述如下：
从上至下依次包括多层介质基板构成的辐射层1与馈电层2；所述辐射层1中每个Ku频段辐射贴片10与三个Ka频段辐射贴片11任意构成一个矩阵式的共口径相控阵天线单元以形成辐射贴片天线阵列；所述馈电层2具有微带馈电网络，所述馈电层能量通过微带馈电网络与耦合缝隙耦合到辐射贴片上。
其中，相控阵天线指是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线。通过将Ka频段辐射贴片与Ku频段辐射贴片两种不同频段的天线集成在同一口径中，极大减小天线口径。
例如，如图1所示，辐射层1由第一介质基板1a与第二介质基板1b与金属基板1c构成，馈电层2由地板2a与馈电网络层2b构成，另外，在金属基板1c与馈电网络层2b填充有PEC(饱和高分子材料，如，附图标记14和23所示)。需要说明的是，在地板中圆形通孔是为了馈电层的带状馈线与下方的射频器焊接，方便天线后续的装备与焊接。
在本实施例中，通过将每个Ku频段辐射贴片与三个Ka频段辐射贴片任意构成一个矩阵式的共口径相控阵天线单元，从而在所述辐射层中形成辐射贴片天线阵列，通过辐射贴片通过所述馈电层内地板的耦合缝隙与微带馈电网络实现耦合馈电；其中，Ku/Ka频段的天线采用1配3的形式，集成在仅9mm×9mm的基板上，具有低剖面、低成本等特点；使得相控阵天线不仅能够获取到更大的阵间距，同时，在大扫描角度下，不会产生栅瓣；能够较好的满足尺寸及重量受限的大角度扫描相控阵系统的应用，具有馈电结构简单、共口径等优点。
其中，请参阅图2，为本发明提供的一种Ku天线的频谱图；图3为本发明提供的一种Ka天线的频谱图；从上述图可知，Ku天线单元的中心频点在16GHz，Ka天线单元的中心频点在16GHz。
在另一些实施例中，选取4×4的阵面进行仿真模拟，详见图4，为本发明提供的一种双频共口径相控阵天线的阵列仿真图，详述如下：
每个Ku频段辐射贴片与三个Ka频段辐射贴片任意构成一个矩阵(共口径相控阵天线单元)，其中，按照单个小矩阵的排列方式，Ku频段辐射贴片可以位于小矩阵(上、下、左、右)四个方位的任意一个位置，其余三个Ka频段辐射贴片填补剩余的小矩阵位置，从而构建一个矩阵式的共口径相控阵天线单元。
具体地，采用16个上述方式任意构成的一个矩阵，形成4×4的阵列矩阵，其中，通过对天线边缘进行合理布局，能够有效降低副瓣、并抑制栅瓣，尤其是在大扫描角度的情况下，适用于多种要求低剖面、结构紧凑的二维相控阵天线系统中，实现大扫描角度的二维相扫。
在上述实施例的基础上，所述Ku频段辐射贴片与所述Ka频段辐射贴片至少为两层，例如、三层、四层等，在本实施例中，Ku频段辐射贴片与Ku频段辐射贴片各自优选为两层贴片天线，通过两层贴片天线的配合能够有效扩展天线的带宽。
在上述实施例的基础上，所述Ku频段辐射贴片为十字开槽矩形贴片天线，所述Ka频段辐射贴片为矩形贴片天线，例如，采用2层大小相同的十字开槽的Ku频段辐射贴片，结合耦合缝隙与微带馈电网络相连，能够有效扩展天线的带宽。
更进一步地，所述耦合缝隙蚀刻在所述馈电层的地板上，其中，所述耦合缝隙20为工字型(横向工字形缝隙和竖向工字形缝隙)，且每个工字型的耦合缝隙与辐射层的贴片天线和馈电层的微带馈电网络相连，其中，Ku天线由2层大小相同的十字开槽的辐射贴片，结合竖向工字形缝隙耦合馈电，通过缝隙耦合的方式向开槽的辐射贴片馈入电磁波信号，并利用在带状线耦合辐射贴片，提升了波束扫描性能；Ka实现垂直极化，天线由两层矩形辐射贴片，同样采用横向工字形缝隙耦合馈电以及在带状馈线下方开空气腔的设计，以达到扩展带宽的效果。
在另一些实施例中，所述辐射贴片依次通过空气腔、耦合缝隙与微带馈电网络之间实现耦合馈电，如图标12或22所示。由于天线单元尺寸限制，阵面设计比较紧凑，为了减小各个天线之间的相互干扰，在各个馈线和辐射贴片采用金属柱进行屏蔽，例如，在耦合缝隙、带状馈线以及辐射贴片都各自形成金属化屏蔽孔，实现天线之间有效隔离，减少相互之间的干扰。例如，还可以在各个馈线和辐射贴片采用金属柱进行屏蔽；该金属柱可包括铜金属柱、金金属柱、银金属柱及铝金属柱中的一种或组合。
在上述实施例的基础上，还包括：金属基板，所述金属基板蚀刻有与辐射贴片对应的空气腔，所述辐射贴片依次通过空气腔、耦合缝隙与微带馈电网络之间实现耦合馈电。
该金属基板包括铜层、铝层、镍层、金层、银层及钛层中的一种或组合，通过该空气腔与耦合缝隙配合，连接微带馈电网络实现耦合馈电，空气腔的形状可设置为方形或圆形或者不规则形状，本实施例的空气腔形状为方形，减少封装天线在移动信道中的损耗，使得信号传输速度更快，以凭借其高速度、低延迟的特点，可在5G市场中占据有利地位。
在另一些实施例中，所述微带馈电网络的带状馈线(即，Ka垂直极化端口21)下方也设有具有空气腔的金属基板，且所述Ku频段辐射贴片连接的所述带状馈线设有圆形枝节(即，Ku水平极化端口22的圆形端点)。
例如，为了调整谐振点，进一步扩展带宽，还在带状馈线下方开了具有空气腔的金属基板，相当于在上述实施例结构基础上，增加了一层金属基板，以提高天线的带宽。通过在Ku频段辐射贴片连接的所述带状馈线设置圆形枝节，有效匹配阻抗，有利于控制辐射电磁波的能量。
在另一些实施例中，所述Ku频段辐射贴片实现水平极化，且在工作频段内，E面和H面的扫描角度均为±60；所述Ka波段辐射贴片实现垂直极化，且E面和H面的扫面角度均为±40°。
例如，E面就是电场面，H面就是磁场面。从学术上说，E面就是天线内，源激励的电场所在的平面，即，电场矢量所在平面。而H面是电场变化所形成的磁场所在的面，即，指磁场矢量所在平面。
具体地，详见图5-1、图5-3、图5-5中，当E面扫描角度达到60°时，高频(fH)的峰值增益减少约3.3dB，中频(f0)的峰值增益减少约2.5dB，低频(fL)的峰值增益几乎没有变化。详见图5-2、图5-4、图5-6中，当H面扫描角度达到60°时，高频(fH)的峰值增益减少约3.3dB，中频(f0)的峰值增益减少约2.5dB，低频(fL)的峰值增益几乎没有变化。
详见图6-1、图6-2、图6-3、图6-4中，Ka波段给出了低频和高频的扫面结果，在Ka波段，无论是E面还是H面，也无论是低频还是高频，在扫面角度均为±40°，与峰值相比，峰值增益几乎没有变化。
从上可知，无论在E面还是H面，上述所产生与最高峰值相比的峰值增益符合正常变化区间，能够支撑Ku频段辐射贴片实现水平极化，且E面和H面的扫描角度均为±60；也能够支撑Ka波段辐射贴片实现垂直极化，且E面和H面的扫面角度均为±40°。
现有的双频共口径相控阵天线而言，一方面，在设计中采用交叉截止谐振器天线、端口隔离度大于28db，造成单元尺寸较大，不适合紧凑型的阵面；另一方面，在天线设计结构中，馈电网络复杂、易产生不必要的辐射，抬高了幅瓣电频，形成满阵布局，成本较高、不适合大型相控阵阵面；而本实施中的双频共口径相控阵天线，能够提供一种体积小、重量轻、成本低的双频共口径相控阵天线，解决现有技术中双频共口径相控阵天线因体积大、重量高等因素造成无法适用于紧凑型或大型相控阵阵面的问题。
在另一些实施例中，本发明还提供一种通信装置，包括上述的双频共口径相控阵天线。
具体地，该通信装置包括双频共口径相控阵天线和构成基带信号处理电路的BBIC(BaseBand Integrated Circuit)。将从BBIC向双频共口径相控阵天线传递的信号上变频为高频信号并从天线阵列辐射，并且将利用天线阵列接收的高频信号下变频并利用BBIC进行信号处理。
在另一些实施例中，本发明还提供一种天线系统，包括上述的双频共口径相控阵天线，或/和，上述的通信装置。
具体地，该天线系统具有较宽的频宽，例如，大于350M，天线系统可支持B20+N28频段。此外，天线系统还支持B28+N5频段，B20+N8频段等等，以使通信装置能够支持各运营商所规划的频段范围，提高通信装置对于不同规划频段的适用性。
综上所述，本发明通过将每个Ku频段辐射贴片与三个Ka频段辐射贴片任意构成一个矩阵式的共口径相控阵天线单元，从而在所述辐射层中形成辐射贴片天线阵列，所述馈电层的能量通过微带馈电网络与耦合缝隙耦合到所述辐射贴片上；该相控阵的ka随机布阵方式使得相控阵天线不仅能够获取到更大的阵间距，同时，在大扫描角度下，不会产生栅瓣；能够较好的满足尺寸及重量受限的大角度扫描相控阵系统的应用。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种双频共口径相控阵天线，其特征在于，从上至下依次包括多层介质基板构成的辐射层与馈电层；所述辐射层中每个Ku频段辐射贴片与三个Ka频段辐射贴片任意构成一个矩阵式的共口径相控阵天线单元以形成辐射贴片天线阵列；所述馈电层具有微带馈电网络，所述馈电层的能量通过微带馈电网络与耦合缝隙耦合到所述辐射贴片上；所述Ku频段辐射贴片为十字开槽的矩形贴片天线，所述Ka频段辐射贴片为矩形贴片天线；所述耦合缝隙蚀刻在所述馈电层的地板上，其中，所述耦合缝隙为工字型。
2.根据权利要求1所述的双频共口径相控阵天线，其特征在于，所述Ku频段辐射贴片与所述Ka频段辐射贴片至少为两层。
3.根据权利要求1所述的双频共口径相控阵天线，其特征在于，每个所述辐射贴片以及所述微带馈电网络的馈线对应设有金属化屏蔽孔。
4.根据权利要求1所述的双频共口径相控阵天线，其特征在于，还包括：金属基板，所述金属基板蚀刻有与辐射贴片对应的空气腔，所述辐射贴片依次通过空气腔、耦合缝隙与微带馈电网络之间实现耦合馈电。
5.根据权利要求1或4所述的双频共口径相控阵天线，其特征在于，所述微带馈电网络的带状馈线下方设有具有空气腔的金属基板，且所述Ku频段辐射贴片连接的所述带状馈线设有圆形枝节。
6.根据权利要求1所述的双频共口径相控阵天线，其特征在于，所述Ku频段辐射贴片实现水平极化，且在工作频段内，E面和H面的扫描角度均为±60；所述Ka频段辐射贴片实现垂直极化，且E面和H面的扫面角度均为±40°。
7.一种通信装置，其特征在于，所述通信装置包括上述权利要求1至6中任一项所述的双频共口径相控阵天线。
8.一种天线系统，其特征在于，包括权利要求1至6中任一项所述的双频共口径相控阵天线，或/和，权利要求7中所述的通信装置。
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