CN113506982A - 一种双频段双极化共口径天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双频段双极化共口径天线，所述共口径天线包含双频段天线阵列，采用多层微带贴片结构设计，将不同工作频段天线分别放置在不同层，各天线采用不同介电常数的介质基板。本发明一种双频段双极化共口径天线，天线结构简单、成本低廉、增益较高、天线之间隔离度较高等优点，在现代雷达系统中具有重要意义。

Description

一种双频段双极化共口径天线
技术领域
本发明属于雷达检测技术领域，具体涉及一种双频段双极化共口径天线。
背景技术
随着现代雷达技术的不断发展，对雷达系统中天线性能要求变得越来越高，主要体现在多频带、多极化、宽频带和小型化等方面，常规的天线设计已经无法满足这些要求。
传统天线系统中一般需要多幅天线来实现系统的多频工作，这会造成整个系统的尺寸大大增加，同时还会提高了整个系统的结构复杂度。
共口径天线本质是多副不同工作频率天线同时工作在同一天线口径内，因此天线之间可能会产生相互耦合，这将造成天线性能的极大损失，导致天线无法正常进行工作。因此怎样有效合理的处理不同工作频率天线间的相互耦合是共口径天线设计的首要目标，也是衡量共口径天线设计好坏的重要标准。因此能够设计一款结构简单、成本低廉、性能优越的双频段双极化共口径天线在现代雷达系统中具有重要意义。
发明内容
发明目的：针对上述技术缺陷，本申请提出了一种双频段双极化共口径天线，降低结构复杂度、提高不同天线间隔离度、降低由于共口径导致的天线增益损失。
本发明为一种双频段双极化共口径天线，所述共口径天线包含双频段天线阵列，采用多层微带贴片结构设计，将不同工作频段天线分别放置在不同层，各天线采用不同介电常数的介质基板。
进一步的，所述共口径天线包括X频段天线阵列和S频段天线；所述共口径天线分为上下两层，其中，上层为X频段天线阵列，所述X频段天线采用高介电常数介质基板；下层为S频段天线，所述S频段天线采用低介电常数介质基板上。
进一步的，所述X频段天线阵列包含四个双极化X频段天线单元，各X频段天线单元 间距0.36
Figure 612774DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 169395DEST_PATH_IMAGE001
为自由空间中的波长；
所述X频段天线单元采用双馈点进行馈电，馈电点位于X频段矩形微带贴片两相邻正交边中点，通过两组一分四微带功分网络将四个双极化X频段天线单元连接起来，通过X频段天线馈电同轴线与微带功分网络进行连接。
进一步的，所述S频段天线采用两根微带线进行馈电，馈电点位于S频段矩形微带贴片两正交且相邻边中点，通过S频段天线馈电同轴线与微带馈电线进行连接，实现了天线的双极化辐射。
作为本申请的一种优选实施方案，所述S频段天线的中心频率为3GHz，S频段微带 贴片尺寸为0.48
Figure 355657DEST_PATH_IMAGE002
*0.48
Figure 658856DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure 145332DEST_PATH_IMAGE002
为介质中的波长。
更进一步的，所述X频段天线阵列中心工作频率为9GHz，X频段微带贴片尺寸为0.4
Figure 108740DEST_PATH_IMAGE002
*0.4
Figure 546412DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure 886258DEST_PATH_IMAGE002
为介质中的波长。
作为本申请的一种优选实施方案，所述共口径天线中X频段微带贴片以及S频段微带贴片的尺寸和相对位置关系具体为：
设定X频段微以及S频段天线工作中心频率分别记为f1、f2，两频段天线介质基板 介电常数分别记为
Figure 135230DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 535118DEST_PATH_IMAGE004
，两频段微带贴片长度
Figure 194507DEST_PATH_IMAGE005
根据公式
Figure 338044DEST_PATH_IMAGE006
计算得到，其 中，c为光速，各频段微带贴片长度与宽度相等；
X频段天线阵列中的四个X频段微带贴片单元，其水平维天线单元间距为
Figure 533533DEST_PATH_IMAGE007
，垂直 维天线单元间距为
Figure 594069DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 773377DEST_PATH_IMAGE009
为0.5
Figure 251763DEST_PATH_IMAGE001
~1
Figure 98497DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 135460DEST_PATH_IMAGE001
为自由空间中的波长。
进一步的，
Figure 333224DEST_PATH_IMAGE010
是光速c与X频段天线中心工作中心频率f1的比值。
有益效果：本发明采用多层微带贴片设计，将不同工作频段天线分别放置在不同层，使两工作频段天线之间相互独立工作，有效降低了不同工作频段天线之间相互耦合，提高了不同天线之间的隔离度，各微带贴片单元通过微带线进行同层馈电，实现了天线的双极化工作，简化了天线结构降低了天线成本。
X频段天线阵列通过两个一分四微带功分网络对四个微带贴片进行馈电，有效提高了天线增益，同时X频段天线采用高介电常数介质基板，有效降低了天线尺寸，下层S频段天线使用低介电常数介质基板，使得X频段天线介质基板尺寸小于下层S频段天线贴片尺寸，有效解决了多层微带贴片天线上层天线对下层天线造成遮挡导致下层微带贴片天线增益损失严重的问题。本发明的双频段双极化共口径天线在现代雷达系统中具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对本发明中所需要使用的附图进行简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明一种双频段双极化共口径天线的俯视图；
图2是本发明一种双频段双极化共口径天线的侧视图；
图3是本发明X频段天线水平极化和垂直极化电压驻波比图；
图4是本发明X频段天线增益随频率变化图；
图5是本发明X频段天线两维辐射方向图；
图6是本发明只在X频段中心频率激励下X频段天线与S频段天线之间隔离度图；
图7是本发明S频段天线水平极化和垂直极化电压驻波比图；
图8是本发明S频段天线增益随频率变化图；
图9是本发明S频段天线两维辐射方向图；
图10是本发明只在S频段中心频率激励下S频段天线与X频段天线之间隔离度图；
图11是本发明S天线上层有X频段天线与上层无X频段天线增益随频率变化曲线对比图；
图12是上层天线阵列尺寸变化对下层天线增益影响效果图；
图中，1-S频段天线介质基板，2-S频段天线微带贴片，3-X频段天线微带馈电网络，4- X频段天线微带贴片，5- S频段天线馈电同轴线，6-X频段天线介质基板，7- S频段天线微带馈电网络，8- X频段天线馈电同轴线。
具体实施方式
下面结合附图和实施对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明为一种双频段双极化共口径天线，所述共口径天线包含双频段天线阵列，采用多层微带贴片结构设计，将不同工作频段天线分别放置在不同层，各天线采用不同介电常数的介质基板。
该双频段双极化共口径天线主要有以下几部分组成：S频段天线微带贴片2及微带馈电线、S频段天线馈电同轴线5、X频段天线微带贴片4及馈电网络、X频段天线馈电同轴线8。S频段天线与X频段天线采用两套相互独立馈电网络，两天线之间相互独立工作。
如图1所示天线自上而下依次为：X频段天线微带贴片4阵列及馈电网络、X频段天线介质基板6、S频段天线微带贴片2及馈电网络、S频段天线介质基板1、金属接地板。X频段微带贴片阵列通过两个一分四微带馈电网络与各自馈电同轴线内芯相连，同轴线内芯穿过底层金属接地板及下层S频段天线，馈电同轴线外径同时与下层S频段天线微带贴片2及底层金属接地板相连。S频段天线微带贴片2单元通过微带线直接与馈电同轴线内芯连接，馈电同轴线外径与底部金属接地板连接。
本发明S、X频段天线均采用矩形微带贴片设计，各微带贴片单元均采用双馈点馈电，且两馈电端口均在矩形微带贴片两相邻正交边中点处以实现天线双极化辐射。同时在微带馈电口两侧开两条大小相同的矩形缝，用以改善微带贴片与微带馈电网络之间阻抗匹配，提高天线阻抗带宽。
本发明S、X频段微带贴片天线分布在不同层，且两个频段天线采用不同介电常数 介质基板，高频天线分布在上层使用高介电常数介质基板，低频天线分布在下层使用低介 电常数介质基板。两频段天线工作中心频率分别记为f1、f2，两频段天线介质基板介电常数 分别记为
Figure 615300DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 316540DEST_PATH_IMAGE004
，两频段矩形微带贴片长度
Figure 291449DEST_PATH_IMAGE005
可根据公式
Figure 445350DEST_PATH_IMAGE006
计算得到（c为光 速），各频段矩形微带贴片长度与宽度相等。上层X频段天线阵列由四个X频段微带贴片单元 组成，水平维天线单元间距为
Figure 32583DEST_PATH_IMAGE007
，垂直维天线单元间距为
Figure 588329DEST_PATH_IMAGE008
。
Figure 999719DEST_PATH_IMAGE009
约为0.5
Figure 640916DEST_PATH_IMAGE001
~1
Figure 264795DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 940627DEST_PATH_IMAGE001
自由空间中的波长，是光速c与X频段天线中心工作频率f1的比值。
结合附图1、图2详细介绍本发明X频段双极化天线阵列具体实施方案：
X频段天线中心工作频率为9GHz，矩形微带贴片尺寸为0.4
Figure 755874DEST_PATH_IMAGE002
*0.4
Figure 884367DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure 311937DEST_PATH_IMAGE002
为介质 中的波长。天线介质基板采用Arlon AD450，介电常数4.5，厚度0.5mm。X频段双极化天线阵 列由四个双极化天线单元组成，天线单元间距0.36
Figure 576697DEST_PATH_IMAGE001
。各微带贴片单元采用双馈点进行馈 电，两馈电点位于矩形微带贴片两相临正交边中点，实现了天线单元的双极化辐射。通过两 组一分四微带功分网络将四个双极化天线单元连接起来，最后通过同轴线与微带功分网络 进行连接。
通过高频电子仿真软件对天线阵列进行仿真，X频段天线阵列水平极化和垂直极化两维电压驻波比仿真结果如图3所示，根据仿真结果可知在中心工作频点处天线阵列电压驻波比为1.1，在8.9GHz~9.1GHz频率范围内电压驻波比小于1.5。X频段天线阵列增益频响曲线仿真结果如图4所示，根据仿真结果可知在中心工作频点处天线增益为6.94dBi。X频段天线阵列在中心工作频点处xoz和yoz面的二维辐射方向图如图5所示，根据仿真结果可知天线两维3dB波束宽度基本一致约为75°，满足天线双极化辐射的性能要求。上层X频段天线与下层S频段天线之间隔离度仿真结果如图6所示，根据仿真结果可知工作频段范围内两天线间隔离度小于-23dB，实现了高低频天线间的高隔离度的性能要求。
进一步的，上层天线阵列尺寸变化对下层天线增益影响如图12所示，l1、l2分别代表上层天线阵列长度，下层贴片长度。根据仿真结果可知，随着上层天线阵列尺寸逐渐变大，下层天线增益逐渐降低，当上层天线阵列尺寸大于下层天线尺寸时，下层天线增益值急剧下降。因此在保证上层天线增益满足指标要求的条件下，应尽量缩小上层天线尺寸以降低对下层天线增益造成的影响。
结合附图1详细介绍本发明S频段双极化天线具体实施方案
S频段天线中心频率为3GHz，矩形微带贴片尺寸为0.48
Figure 64310DEST_PATH_IMAGE002
*0.48
Figure 447143DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure 678404DEST_PATH_IMAGE002
为介质中 的波长。天线介质基板采用Rogers 5880，介电常数2.2，厚度0.5mm。S频段双极化天线采用 两根微带线进行馈电，两馈电点位于矩形微带贴片两正交且相临边中点，实现了天线单元 的双极化辐射，最后通过同轴线与微带馈电线进行连接，实现了天线的双极化辐射。
通过高频电子仿真软件对天线进行仿真，S频段天线水平极化和垂直极化电压驻波比仿真结果如图7所示，根据仿真结果可知，在中心工作频点处天线两维电压驻波比为1.1。S频段天线增益频响曲线仿真结果如图8所示，根据仿真结果可知在中心工作频点处天线增益为5.6dBi。S频段天线在中心工作频点处xoz和yoz面的二维辐射方向图如图9所示，根据仿真结果可知天线两维3dB波束宽度基本一致约为78°，满足天线双极化辐射的性能要求。上层X频段天线与下层S频段天线之间隔离度仿真结果如图10所示，根据仿真结果可知工作频段范围内两天线间隔离度小于-29.6dB，实现了高低频天线间的高隔离度的性能要求。
根据图11对比结果可知，S频段上层放置X频段天线时S频段天线最大增益降低约0.04dB，增益损失非常小基本可以忽略不计，同时天线增益带宽存在一定的展宽效果。综合上述仿真结果可知，本发明双频段双极化共口径天线具有结构简单、成本低廉、天线之间隔离度高、增益较高、下层天线增益损失小等优点，在现代雷达系统中具有重要意义。
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。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种双频段双极化共口径天线，其特征在于，所述共口径天线包含双频段天线阵列，采用多层微带贴片结构设计，将不同工作频段天线分别放置在不同层，各天线采用不同介电常数的介质基板。
2.根据权利要求1所述的一种双频段双极化共口径天线，其特征在于，所述共口径天线包括X频段天线阵列和S频段天线；所述共口径天线分为上下两层，
其中，上层为X频段天线阵列，所述X频段天线采用高介电常数介质基板；下层为S频段天线，所述S频段天线采用低介电常数介质基板。
3.根据权利要求1所述的一种双频段双极化共口径天线，其特征在于，所述X频段天线 阵列包含四个双极化X频段天线单元，各X频段天线单元间距0.36
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 564545DEST_PATH_IMAGE002
为自由空间中的波 长；
所述X频段天线单元采用双馈点进行馈电，馈电点位于X频段矩形微带贴片两相邻正交边中点，通过两组一分四微带功分网络将四个双极化X频段天线单元连接起来，通过X频段天线馈电同轴线与微带功分网络进行连接。
4.根据权利要求1所述的一种双频段双极化共口径天线，其特征在于，所述S频段天线采用两根微带线进行馈电，馈电点位于S频段矩形微带贴片两正交且相邻边中点，通过S频段天线馈电同轴线与微带馈电线进行连接，实现了天线的双极化辐射。
5.根据权利要求2所述的一种双频段双极化共口径天线，其特征在于，所述S频段天线 的中心频率为3GHz，S频段微带贴片尺寸为0.48
Figure DEST_PATH_IMAGE003
*0.48
Figure 278423DEST_PATH_IMAGE003
，其中
Figure 917215DEST_PATH_IMAGE003
为介质中的波长。
6.根据权利要求2所述的一种双频段双极化共口径天线，其特征在于，所述X频段天线 阵列中心工作频率为9GHz，X频段微带贴片尺寸为0.4
Figure 578003DEST_PATH_IMAGE003
*0.4
Figure 330059DEST_PATH_IMAGE003
，其中
Figure 11576DEST_PATH_IMAGE003
为介质中的波长。
7.根据权利要求2所述的一种双频段双极化共口径天线，其特征在于，所述共口径天线中X频段微带贴片以及S频段微带贴片的尺寸和相对位置关系具体为：
设定X频段微以及S频段天线工作中心频率分别记为f1、f2，两频段天线介质基板介电 常数分别记为
Figure 544188DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，两频段微带贴片长度
Figure 539826DEST_PATH_IMAGE006
根据公式
Figure DEST_PATH_IMAGE007
计算得到，其中，c 为光速，各频段微带贴片长度与宽度相等；
X频段天线阵列中的四个X频段微带贴片单元，其水平维天线单元间距为
Figure 677546DEST_PATH_IMAGE008
，垂直维天线 单元间距为
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 529965DEST_PATH_IMAGE010
为0.5
Figure 753136DEST_PATH_IMAGE002
~1
Figure 818043DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure 810270DEST_PATH_IMAGE002
为自由空间中的波长。
8.根据权利要求7所述的一种双频段双极化共口径天线，其特征在于，
Figure 505694DEST_PATH_IMAGE012
是光速c与X频 段天线中心工作中心频率f1的比值。
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