CN113517554B - 一种低剖面宽频带双圆极化相控阵天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低剖面宽频带双圆极化相控阵天线系统，属于天线领域，包括：天线阵列，包括多个天线单元，天线单元包括介质层和辐射层，所述介质层中设有90°电桥；辐射层上设有双馈电点，双馈电点通过馈线与90°电桥连接；射频模块，射频模块为瓦片式射频模块，射频模块包括多条与天线单元对应连接的射频通道；以及用于控制射频模块的收发切换以及极化选择的控制模块。本发明采用瓦片式射频模块，连接结构简单，避免复杂的板间互连方式造成成本的增加以及系统损耗的增加；旋转组阵，优化轴比特性；90°电桥提高天线在左右旋圆极化同时工作时的极化隔离，减小两种极化间的影响，组成高集成度、低剖面、低损耗的相控阵天线系统。

Description

一种低剖面宽频带双圆极化相控阵天线系统

技术领域

本发明涉及天线领域，尤其涉及一种低剖面宽频带双圆极化相控阵天线系统。

背景技术

未来空天地一体化融合网络对数据传输终端在多轨道、多星、星地覆盖区之间提出了无缝切换的应用需求。为保证信号传输质量，对直接影响整个系统能力的天线性能提出了较高要求，须充分考虑信道容量、信道衰落以及多径衰减等方面的问题，圆极化天线的表现一般优于线极化天线，而能够同时实现左旋圆极化以及右旋圆极化的双圆极化天线更是研究重点。

天线为覆盖更大的空间范围，常用机械波束扫描的反射面天线或平板天线实现大范围覆盖，但这种方式会增加天线剖面、重量以及安装空间，不利于小型化和轻量化；而常规的相控阵天线随扫描范围的扩大，其性能下降较大，如增益和圆极化轴比特性，会导致系统能力下降。

对于圆极化天线而言，一般采用微带天线或者喇叭天线，传统单层的微带天线易用于相控阵天线，能够实现低剖面，小重量，但是带宽较窄，无法实现宽频带工作；而一般多层微带天线虽然能实现宽频带工作，但是结构较复杂，不便与相控阵天线的射频模块对接；喇叭天线能够实现宽带性，但是天线剖面普遍较高，重量较大，在星载天线应用普遍追求小型化、轻量化的环境下不是最佳选择。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中圆极化天线存在的问题，提供了一种低剖面宽频带双圆极化相控阵天线系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

提供一种低剖面宽频带双圆极化相控阵天线系统，所述系统包括：

天线阵列，包括多个天线单元，所述天线单元包括介质层和辐射层，所述介质层中设有90°电桥；辐射层上设有双馈电点，双馈电点通过馈线与90°电桥连接；

射频模块，所述射频模块为瓦片式射频模块，所述射频模块包括多条与天线单元对应连接的射频通道，所述射频模块与所述天线单元对插式连接；以及

用于控制射频模块的收发切换以及极化选择的控制模块；

所述天线阵列采用矩形布阵，所述天线阵列中每2*2个天线单元旋转组阵

作为一优选项，所述天线单元采用多层混压微带结构。

作为一优选项，所述双馈电点包括两个相位差为90°或-90°的馈电点。

作为一优选项，所述90°电桥为支线电桥，所述支线电桥包括一个输入端、一个直通端、一个耦合端和一个隔离端，所述直通端、耦合端分别与所述双馈电点连接，所述输入端、隔离端分别与所述射频通道连接。

作为一优选项，所述射频通道包括左旋通道和右旋通道，左旋通道中设有左旋T/R组件，右旋通道中设有右旋T/R组件，所述左旋T/R组件连接所述双馈电点中一个馈电点，所述右旋T/R组件与所述双馈电点中另一个馈电点连接。

作为一优选项，所述辐射层与介质层通过连接器连接。

作为一优选项，所述射频模块通过毛纽扣或表贴式连接器与所述天线阵列垂直连接。

作为一优选项，所述控制模块包括控制单元、馈电网络以及收发切换开关，所述控制单元分别与所述馈电网络、收发切换开关和射频模块连接，所述馈电网络与所述射频模块连接。

作为一优选项，所述所述左旋T/R组件和右旋T/R组件中均设有移相补偿单元，所述移相补偿单元与所述控制单元连接。

作为一优选项，所述移相补偿单元包括矢量调制器。

需要进一步说明的是，上述系统各选项对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。

与现有技术相比，本发明有益效果是：

(1)本发明采用瓦片式射频模块，射频模块与所述天线单元对插式连接，连接结构简单，避免复杂的板间互连方式造成成本的增加以及系统损耗的增加，90度电桥提高天线在左右旋圆极化同时工作时的极化隔离，减小两种极化间的影响，组成高集成度、低剖面、低损耗的相控阵天线系统，相比喇叭天线，更易实现小型化、轻量化。

(2)支线电桥包括一个输入端、一个直通端、一个耦合端和一个隔离端，所述直通端、耦合端分别与两个相位差为90°或-90°的馈电点连接，所述输入端、隔离端分别与所述射频通道连接，可以同时在天线面同时输出左旋圆极化信号和右旋圆极化信号。

(3)射频模块包括左旋T/R组件和右旋T/R组件，采用双T/R组件实现天线左旋和右旋两个旋向独立的接收发射，可以在同时输入不同信号的情况下，同步发射左旋信号与右旋信号，且天线采用支线电桥或其他90°电桥提高两端口的隔离度，进而提高天线在左右旋圆极化同时工作时的极化隔离，减小两种极化间的影响。

(4)天线阵面为矩形布阵，且采用旋转组阵的方式布阵，该种布阵方式能有效地优化阵列轴比特性，提高天线传输效率，较少传输过程中的极化损耗。

(5)控制模块包括控制单元、馈电网络以及收发切换开关，能够实现天线系统的波束扫描以及收发切换的功能，采用自动控制，提高智能化以及调节的精度。

(6)移相补偿单元实现高精度相位补偿，在天线扫描时能够保证高精度的波束指向。

(7)改变天线单元的尺寸，配合不同厚度和不同介电常数的基板，可以满足不同频段的需求；以2*2小阵列为整体改变小阵列数量，可以满足不同增益的需求；改变单元间距可以满足阵列天线的性能要求。

附图说明

图1为本发明一种低剖面宽频带双圆极化相控阵天线系统的示意图；

图2为本发明天线单元的示意图；

图3为本发明天线单元中辐射层的示意图；

图4为本发明支线电桥的结构示意图；

图5为本发明天线阵列与射频模块的连接示意图；

图6为本发明天线单元与射频通道的连接示意图；

图7为本发明天线阵列布阵示意图；

图8为本发明具体相控阵天线系统的框架图；

图9为本发明电扫描以及相位补偿的示意图。

具体实施方式

下面结合附图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做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明主要通过对天线单元、射频模块的改进结合控制技术，达到减小圆极化天线两种极化间的影响，组成高集成度、低剖面、低损耗的相控阵天线系统。

实施例1

在一示例性实施例中，提供一种低剖面宽频带双圆极化相控阵天线系统，如图1、2所示，所述系统包括：

天线阵列1，包括多个天线单元11，所述天线单元11包括介质层112和辐射层111，所述介质层112中设有90°电桥；辐射层111上设有双馈电点114，双馈电点114通过馈线与90°电桥连接；

射频模块2，所述射频模块2为瓦片式射频模块，所述射频模块2包括多条与天线单元11对应连接的射频通道21，所述射频通道21与所述天线单元11对插式连接；以及

用于控制射频模块2的收发切换以及极化选择的控制模块3。

具体地，采用瓦片式射频模块，射频模块2与所述天线单元11对插式连接，连接结构简单，避免复杂的板间互连方式造成成本的增加以及系统损耗的增加，90度电桥提高天线在左右旋圆极化同时工作时的极化隔离，减小两种极化间的影响，组成高集成度、低剖面、低损耗的相控阵天线系统，相比喇叭天线，更易实现小型化、轻量化。

所述天线阵列1采用矩形布阵，所述天线阵列1中每2*2个天线单元11旋转组阵。

具体地，现有技术中有采用喇叭天线三角布阵，阵列单元一般以等边三角形的位置分布，但该布阵方式一方面喇叭天线剖面高，不易小型化，另一方面三角布阵优化轴比教差，本发明采用矩形布阵更能优化轴比。

进一步地，每2*2个天线单元11旋转组阵，优化轴比，如图7所示，a、b、c、d四个天线单元11旋转组阵，再以2*2个单元为小阵，依次排布组成4*4阵列，在a、b、c、d四个天线单元的小阵中，以a为首，按4个单元中心点顺时针依次旋转转0°、90°、180°、270°得到。

同时需要利用T/R组件中的移向功能补偿单元相位，单元旋转0°、90°、180°、270°则在右旋T/R组件中需要依次补偿相位为0°、-90°、-180°、-270°，实现右旋圆极化；在左旋T/R组件中需要补偿的相位依次为0°、90°、180°、270°，实现左旋圆极化。

采用旋转组阵的方式布阵，该种布阵方式能有效地优化阵列轴比特性，提高天线传输效率，较少传输过程中的极化损耗。

进一步地，如图5所示，所述射频模块2通过毛纽扣或表贴式连接器与所述天线阵列1垂直连接。具体地，天线阵列1中个单元需要与射频模块中各T/R组件通过毛纽扣或表贴式连接器连接。

实施例2

基于实施例1，提供一种低剖面宽频带双圆极化相控阵天线系统，其中，所述天线单元11采用多层混压微带结构。具体地，如图2所示，天线辐射层111与介质层112中90电桥层通过板间互连形成连接，可以采用多层板混压技术，也可以利用连接器113互连。

进一步地，所述双馈电点114包括两个相位差为90°或-90°的馈电点。如图3所示，双馈电点114馈入相位差为90度的信号，形成左旋圆极化；双馈电点114馈入相位差为-90度的信号，形成右旋圆极化。

进一步地，为提高极化间隔离度，并形成圆极化，天线两个馈电点与90度电桥相连。具体地，如图4所示，所述90°电桥为支线电桥，所述支线电桥包括一个输入端、一个直通端、一个耦合端和一个隔离端，所述直通端、耦合端分别与所述双馈电点连接，所述输入端、隔离端分别与所述射频通道连接。

图4中，若以端口1为输入端，则端口4为直通端，端口3为耦合端，端口2为隔离端，端口3相位比端口4相位滞后90°；若以端口2为输入端，则端口3为直通端，端口4为耦合端，端口1为隔离端，端口4相位比端口3相位滞后90°。将电桥端口3和端口4与天线两馈电点相接，从端口1或端口2输入的信号到达端口3和端口4都有90度的相位差，传输到天线辐射层就能够激发起圆极化波，所以当一种信号从端口1输入，则在天线面输出右旋圆极化信号，同时当另一不相关信号从端口2输入，则能够在天线面同时输出左旋圆极化信号。

可以同时在天线面同时输出左旋圆极化信号和右旋圆极化信号，并且减小两种极化间的影响。

实施例3

基于以上实施例，提供一种低剖面宽频带双圆极化相控阵天线系统。所述射频通道21包括左旋通道和右旋通道，左旋通道中设有左旋T/R组件，右旋通道中设有右旋T/R组件，所述左旋T/R组件连接所述双馈电点114中一个馈电点，所述右旋T/R组件与所述双馈电点114中另一个馈电点连接。

具体地，如图6所示，左旋T/R组件对应左旋通道，右旋T/R组件对应右旋通道，天线单元11上设有左旋接口和右旋接口，左旋接口与一个馈电点连接，右旋接口与另一个馈电点连接，左旋通道与左旋接口连接，右旋通道与右旋接口连接，采用双T/R组件实现天线左旋和右旋两个旋向独立的接收发射，可以在同时输入不同信号的情况下，同步发射左旋信号与右旋信号。

进一步地，天线采用支线电桥提高天线在左右旋圆极化同时工作时的极化隔离，减小两种极化间的影响。

实施例4

在一示例性实施例中，如图8所示，所述控制模块3包括控制单元、馈电网络以及收发切换开关，所述控制单元分别与所述馈电网络、收发切换开关和射频模块2连接，所述馈电网络与所述射频模块2连接。通过收发切换开关通断实现收发切换以及极化选择，同时控制通道内VM芯片偏置电压改变相位补偿量实现波束扫描。

具体地，各T/R组件与控制模块3通过连接器相连；馈电网络包括左旋馈电网络和右旋馈电网络，左旋馈电网络为左旋通道输入电压，右旋馈电网络为右旋通道输入电压。

系统开机后，通过外部控制软件输入控制命令，控制单元改变不同馈电网络的输入电压，从而改变T/R组件对应天线单元的输入相位以及收发开关的通断状态，能够实现天线系统的波束扫描以及收发切换的功能，采用自动控制，提高智能化以及调节的精度。

进一步地，所述所述左旋T/R组件和右旋T/R组件中均设有移相补偿单元，所述移相补偿单元与所述控制单元连接。

进一步地，所述移相补偿单元包括矢量调制器。移相芯片采用矢量调制器(VM)体制，通过致密的偏置电压控制可提供精度1°以内的移相精度，实现高精度的相位补偿，分别为左旋圆极化天线和右旋圆极化天线提供大角度电子波束扫描下优异的圆极化轴比特性，在天线扫描时能够保证高精度的波束指向。

实施例5

在一示例性实施例中，提供一种补偿计算方法，给出一个4*4阵列模型，需要阵列实现在离轴角±θ°的最大角度扫描，天线中心频点取f₀，工作频段覆盖f₁-f₂，其中f₁≤f₀≤f₂，计算得到单元间距为d。其中天线单元以间距为d，可以组成m*n规模的天线阵面，其中m和n为x轴和y轴阵列单元数。

如图9所示，为实现电扫描，需要不同位置的单元天线的相位发生改变，而相位改变的量与频率、单元间距以及单元所在位置息息相关，天线阵单列扫描角度计算其中f₀为所需扫描频点f₁≤f₀≤f₂，α为该频点预期扫描角度，α≤θ；在该例中m＝n＝4，实现x轴α角度扫描时，如下图所示，第一列单元补偿相位＝各自旋转组阵补偿相位+a*1,依次类推，则第m列单元补偿相位＝各自旋转组阵补偿相位+a*m；实现y轴α扫描时，第一行单元补偿相位＝各自旋转组阵补偿相位+a*1，依次类推，则第n列单元补偿相位＝各自旋转组阵补偿相位+a*n。

改变单元天线辐射贴片尺寸，配合不同厚度和不同介电常数的基板，可以满足不同频段的需求；以2*2小阵列为整体改变小阵列数量，可以满足不同增益的需求；改变单元间距可以满足阵列天线的性能要求，如最大扫描角度以及扫描下降等。

以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种低剖面宽频带双圆极化相控阵天线系统，其特征在于，包括：

天线阵列(1)，包括多个天线单元(11)，所述天线单元(11)包括介质层(112)和辐射层(111)，所述介质层(112)中设有90°电桥；辐射层(111)上设有双馈电点(114)，双馈电点(114)通过馈线与90°电桥连接；

射频模块(2)，所述射频模块(2)为瓦片式射频模块，所述射频模块(2)包括多条与天线单元(11)对应连接的射频通道(21)，所述射频通道(21)与所述天线单元(11)对插式连接；以及

用于控制射频模块(2)的收发切换以及极化选择的控制模块(3)；

所述天线阵列(1)采用矩形布阵，所述天线阵列(1)中每2*2个天线单元(11)旋转组阵；

所述射频通道(21)包括左旋通道和右旋通道，左旋通道中设有左旋T/R组件，右旋通道中设有右旋T/R组件，所述左旋T/R组件连接所述双馈电点(114)中一个馈电点，所述右旋T/R组件与所述双馈电点(114)中另一个馈电点连接；采用双T/R组件实现天线左旋和右旋两个旋向独立的接收发射，可以在同时输入不同信号的情况下，同步发射左旋信号与右旋信号；

所述控制模块(3)包括控制单元、馈电网络以及收发切换开关，所述控制单元分别与所述馈电网络、收发切换开关和射频模块(2)连接，所述馈电网络与所述射频模块(2)连接；

所述左旋T/R组件和右旋T/R组件中均设有移相补偿单元，所述移相补偿单元与所述控制单元连接；

所述天线系统的相位补偿方法包括：

天线阵列(1)实现在离轴角±θ°的最大角度扫描，天线中心频点取f₀，工作频段覆盖f₁～f₂，其中f₁≤f₀≤f₂，计算得到单元间距为d，其中，天线单元(11)间距为d，组成m*n规模的天线阵面，其中m为x轴阵列单元数，n为y轴阵列单元数，f₁为工作频段最小值，f₂为工作频段最大值；

不同位置的单元天线的相位发生改变，而相位改变的量与频率、单元间距以及单元所在位置息息相关，天线阵相邻单元之间的相位差计算如下：

α为中心频点预期扫描角度，α≤θ；

实现x轴α角度扫描时，x轴第1个单元补偿相位＝各自旋转组阵补偿相位+a*1,依次类推，则x轴第m个单元补偿相位＝各自旋转组阵补偿相位+a*m；

实现y轴α扫描时，y轴第1个单元补偿相位＝各自旋转组阵补偿相位+a*1，依次类推，则y轴第n个单元补偿相位＝各自旋转组阵补偿相位+a*n，其中a为所述天线阵相邻单元之间的相位差；

改变单元天线辐射贴片尺寸，配合不同厚度和不同介电常数的基板，满足不同频段的需求；改变阵列数量，满足不同增益的需求；改变单元间距满足阵列天线的性能要求。

2.根据权利要求1所述的一种低剖面宽频带双圆极化相控阵天线系统，其特征在于，天线单元(11)采用多层混压微带结构。

3.根据权利要求1所述的一种低剖面宽频带双圆极化相控阵天线系统，其特征在于，所述双馈电点(114)为两个相位差为90°或-90°的馈电点。

4.根据权利要求1所述的一种低剖面宽频带双圆极化相控阵天线系统，其特征在于，所述90°电桥为支线电桥，所述支线电桥包括一个输入端、一个直通端、一个耦合端和一个隔离端，所述直通端、耦合端分别与所述双馈电点(114)连接，所述输入端、隔离端分别与所述射频通道(21)连接。

5.根据权利要求1所述的一种低剖面宽频带双圆极化相控阵天线系统，其特征在于，所述辐射层(111)与介质层(112)通过连接器(113)连接。

6.根据权利要求1所述的一种低剖面宽频带双圆极化相控阵天线系统，其特征在于，所述射频模块(2)通过毛纽扣或表贴式连接器与所述天线阵列(1)垂直连接。

7.根据权利要求1所述的一种低剖面宽频带双圆极化相控阵天线系统，其特征在于，所述移相补偿单元包括矢量调制器。