CN113571902A

CN113571902A - 基于双频漏波结构的相控阵天线

Info

Publication number: CN113571902A
Application number: CN202111125185.5A
Authority: CN
Inventors: 江科; 钟佩岑
Original assignee: Sichuan Andi Technology Industrial Co Ltd
Current assignee: Sichuan Andi Technology Industrial Co Ltd
Priority date: 2021-09-26
Filing date: 2021-09-26
Publication date: 2021-10-29
Anticipated expiration: 2041-09-26
Also published as: CN113571902B

Abstract

本发明公开了一种基于双频漏波结构的相控阵天线，包括：天线点阵，包括多个双频漏波辐射单元，用于接收和发射电磁信号；放大器层，包括多个放大器，所述放大器与所述双频漏波辐射单元连接，用于对所述电磁信号进行放大；移相器层，包括多个移相器，所述移相器与所述双频漏波辐射单元连接，用于控制相控阵天线口径面的相位分布；过渡层，用于实现所述双频漏波辐射单元和放大器之间的电气连接；多路功分网络层，与所述移相器连接，用于对所述双频漏波辐射单元进行幅度分配。本发明在紧凑的尺寸上实现了相控阵天线的双频段/双极化共口径设计，天线系统尺寸大幅降低。

Description

基于双频漏波结构的相控阵天线

技术领域

本发明涉及相控阵天线，特别是涉及一种基于双频漏波结构的相控阵天线。

背景技术

电子扫描相控阵天线（ESA）是天线技术的一个巨大飞跃，它包含大量独立天线单元，通过调整每一个独立天线单元射频信号的相位，可快速调整波束指向，实现波束扫描、方向图赋形、多波束跟踪等功能。相控阵天线特别适用于微波和毫米波频段，相比其他的天线概念，具有波束扫描速度快、跟踪精度高、结构紧凑、低轮廓、可靠性高以及功能丰富等优势。

常规的相控阵天线通常是单频段，或者收/发分离的，其应用往往受到诸多限制。例如，在现代雷达应用中，为了提高发现距离和跟踪精度，增强系统的抗电磁干扰能力，通常要求雷达具备双频段能力。例如，在低轨卫星通信领域，为了降低天线的尺寸和制造成本，提高系统集成度，也需要相控阵天线具备收/发共口径能力。

有许多方法可以实现相控阵的双频段工作功能，例如基于微带阵列的双频段相控阵，基于超宽带理论的宽带相控阵等。不过，上述天线架构虽然可以实现双频段功能，但其性能受到诸多限制。

例如，基于微带阵列的双频带相控阵通常有两种实现方式。第一种是采用宽带阵列单元，覆盖收/发频段，如Ku频段，实现双频带功能，这种设计的缺陷是扫描能力受到最高工作频率的限制，且不能跨波段应用。另一种是将高频阵列单元嵌入至低频阵列单元间的空隙，利用稀布阵列实现双频带功能，这种方法的优点是可以实现跨波段应用，如S/X，Ku/Ka等，缺点是高频段不能满阵排布，口径效率非常低，且高频段阵列的布局对低频段阵列的性能也会造成影响。

例如，基于超宽带理论的宽带相控阵，比如Vivaldi阵列，扫描能力受到最高工作频率的限制，工作频带内的口径效率普遍不高。

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，提供一种基于双频漏波结构的相控阵天线。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于双频漏波结构的相控阵天线，包括：

天线点阵，包括多个双频漏波辐射单元，用于接收和发射电磁信号；

放大器层，包括多个放大器，所述放大器与所述双频漏波辐射单元连接，用于对所述电磁信号进行放大；

移相器层，包括多个移相器，所述移相器与所述双频漏波辐射单元连接，用于控制相控阵天线口径面的相位分布；

过渡层，所述过渡层用于实现所述双频漏波辐射单元和放大器之间的电气连接；

多路功分网络层，与所述移相器连接，用于对所述双频漏波辐射单元进行幅度分配。

优选的，所述双频漏波辐射单元包括彼此独立的两个电磁辐射通道，所述两个电磁辐射通道正交设置。

优选的，所述两个电磁辐射通道的尺寸不相同。

优选的，所述双频漏波辐射单元包括两个正交隔离的辐射缝隙，所述辐射缝隙由金属材料或表面电镀的非金属材料围成。

优选的，所述双频漏波辐射单元为一级台阶结构或多级台阶结构。

优选的，所述过渡层设置在天线点阵和放大器层之间。

优选的，所述过渡层包括多个波导结构，或者，所述过渡层包括多个SIW结构。

优选的，所述过渡层通过同轴探针或垂直金属过孔与放大器层连接。

优选的，所述移相器层位于所述过渡层和多路功分网络层之间，或者，所述多路功分网络层位于所述过渡层和移相器层之间

优选的，所述移相器层中移相器的数量小于所述天线点阵中双频漏波辐射单元的数量。

本发明的有益效果是：

（1）本发明在紧凑的尺寸上实现了相控阵天线的双频段/双极化共口径设计，天线系统尺寸大幅降低；

（2）本发明采用高隔离度的馈电设计和极化隔离，各个频段可以独立设计，互不干扰，可实现跨频段应用；

（3）本发明在不考虑旁瓣抑制的条件下，双频漏波结构可实现超过90%的口径效率，大大减小实现所需性能指标的相控阵天线的通道数量和硬件成本；

（4）本发明采用多层平面结构设计，轮廓低，加工/装配简单，易于与其他射频电路集成；

（5）不同于缝隙天线和贴片天线，双频漏波辐射单元是非谐振天线，工作带宽宽，特别适合于宽带应用；

（6）本发明的基于双频漏波结构的相控阵天线可用于单频段圆极化应用，也可以用于双频段/双极化应用，可实现一维扫描应用，也适合于二维扫描应用，适合宽带应用，也适合跨频段设计，功能扩展性强。

附图说明

图1为基于双频漏波结构的相控阵的电气结构示意图；

图2为基于双频漏波结构的相控阵天线的不同布局示意图；

图3为双频漏波辐射单元的一种实施例的示意图；

图4为图3中双频漏波辐射单元的剖面视图；

图5为图3中双频漏波辐射单元的一个极化方向的S11系数示意图；

图6为图3中双频漏波辐射单元相关的一个相控阵天线结构示意图；

图7为图6中基于双频漏波辐射单元的相控阵天线的辐射方向图；

图8为双频漏波辐射单元的又一种实施例的示意图；

图9为图6中双频漏波辐射单元的剖面视图；

图10为基于双频漏波结构的相控阵天线的一种3D辐射方向图；

图11为基于双频漏波结构的相控阵天线的典型多层结构布局示意图；

图12为含馈电接口的双频漏波辐射单元阵列的一种局部示意图；

图13为含馈电接口的双频漏波辐射单元阵列的又一种局部示意图；

图中，110—天线点阵，110i—双频漏波辐射单元，110i-a—第一独立结构，110i-b—第二独立结构，110i-c—第三独立结构，110i-d—第四独立结构，120—过渡层，130—放大器层，130i—放大器，140—移相器层，140i—移相器，150—多路功分网络层，160—变频及信号处理单元，311—第一层PCB板，312—第二层PCB板，313—第一接地面，314—垂直过孔，315—第二接地面，316—第三接地面，421—第一馈电端口，422—第二馈电端口，423—第三馈电端口，424—第四馈电端口，520a—第一波导端口组，520b—第二波导端口组。

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13，本实施例提供了一种基于双频漏波结构的相控阵天线：

如图1所示，基于双频漏波结构的相控阵天线，包括天线点阵110、过渡层120、放大器层130、移相器层140和多路功分网络层150。

所述相控阵天线用于向一个特定的指向发射或接收一个特定形状的波束，这个波束可能指向法向，也可能在偏离法向

的方向。所述相控阵天线的波束形状和指向由双频漏波辐射单元110i阵列的幅度分布以及移相器140i控制。所述相控阵天线可以是一个多波束系统，每个波束可以工作在不同的频率、极化或者波束指向。

所述天线点阵110包括多个双频漏波辐射单元110i，用于接收和发射电磁信号。

一般的，所述天线点阵110中双频漏波辐射单元110i的排布结构为方形、十字形、圆形、椭圆形或多边形等，即，所述天线点阵110中双频漏波辐射单元110i的排布结构可以为任意结构。所述天线点阵110中双频漏波辐射单元110i的排布方式为均匀排布、非均匀排布、周期排布或渐变排布等，即，所述天线点阵110中双频漏波辐射单元110i的排布方式可以为任意排布方式。

如图2所示，在一些实施例中，所述天线点阵110定义的口径为等距的矩形或十字形结构，或者，所述天线点阵110定义的口径为不等距的矩形或十字形结构，这些结构由正交十字形的双频漏波辐射单元110i构成。天线点阵110的排布包括但不限于图2中所显示的例子，可以是任何能够达到预期性能的形状。

在一些实施例中，所述双频漏波辐射单元110i包括彼此独立的两个电磁辐射通道，所述两个电磁辐射通道正交设置。所述两个电磁辐射通道既可以工作在相同的频段，也可以工作在不同的频段。

一般的，所述两个电磁辐射通道的尺寸不相同，所述电磁辐射通道的尺寸取决于相控阵天线的工作频率和扫描范围等。

在一些实施例中，所述双频漏波辐射单元110i包括两个正交隔离的辐射缝隙，所述辐射缝隙由金属材料或表面电镀的非金属材料围成。此外，所述双频漏波辐射单元110i也可以采用PCB工艺实现，通过垂直过孔和接地面来限制电磁能量的流动和辐射，所述垂直过孔的直径和周期与相控阵天线的工作频率有关。

一般的，所述两个正交隔离的辐射缝隙的尺寸不相同，所述辐射缝隙的尺寸取决于相控阵天线的工作频率和扫描范围等。

在一些实施例中，所述双频漏波辐射单元110i为一级台阶结构或多级台阶结构，台阶结构的数量取决于所需的工作带宽。

如图3所示，在一些实施例中，所述双频漏波辐射单元110i是包含四个独立结构（即，第一独立结构110i-a、第二独立结构110i-b、第三独立结构110i-c和第四独立结构110i-d；第一独立结构110i-a、第二独立结构110i-b、第三独立结构110i-c和第四独立结构110i-d均为金属结构）以及它们围成的空腔，如图3中阴影部分所示，其中金属结构起到界定电磁信号的作用。电磁信号从过渡层120耦合到空腔中，从而形成对外辐射（或接收）。所述双频漏波辐射单元110i是一个双通道结构，电磁信号分别工作于两个不同的正交极化方向P1和P2，两个电磁信号的工作频率可能相同，也可能不同。四个独立金属结构也可能是由表面电镀的非金属材料构成，以降低成本和重量。

图4是图3的剖面视图，如图4所示，构成双频漏波辐射单元110i的金属结构是一个阶梯台阶结构，用于实现从过渡层120到自由空间的无反射宽带匹配。虽然图4中没有显示，但是金属结构既可能是一级，也可以是超过两级的台阶结构，取决于相控阵天线系统所需的工作带宽和驻波性能。双频漏波辐射单元110i堆叠在过渡层120上，通过但不限于采用螺钉或者粘接的方式进行固定。

参见图4，双频漏波辐射单元110i的一个工作频段的周期A为16.6mm，第一级台阶的高度B为5.6mm，第二级台阶的高度C为3.6mm，过渡段宽度E为6.04mm，辐射口宽度F为9.66mm。双频漏波单元的周期A与工作频率有关。图5显示的是图3中双频漏波辐射单元110i的一个示例的其中一个极化方向的S参数，从图5中可以看出，该周期方向可在9.56-14.02GHz的范围内保持S11＜-20dB，工作带宽超过37.8%，是一种超宽带天线单元。

图6描述了一个与图3相关的基于双频漏波结构的相控阵天线的一个示例的局部，该相控阵天线工作于Ku频段（Rx：10.7-12.75GHz，Tx：13.75-14.5GHz）。该相控阵天线的两个通道分别工作于Ku接收频段和Ku发射频段，天线尺寸为L×W（270mm×225mm），天线点阵110由多个相同的双频漏波辐射单元110i周期排布而成，并布置在过渡层120上方。

图7描述了图6所示的基于双频漏波结构的相控阵天线的法向辐射方向图（中心频点），特别的，该法向辐射方向图包含了增益和交叉极化隔离度特征。从图7中可以看出，接收频段中心频点（11.725GHz）的增益高达29.92dBi，口径效率为84%，交叉极化隔离度达到58.45dB；发射频段中心频段（14.125Ghz）的增益高达31.52dBi，口径效率为83.8%交叉极化隔离度高达79.88dB。这表明，基于双频漏波辐射单元110i的相控阵天线不仅能够实现双频段共口径设计，而且分别在两个不同频段实现了高辐射效率和高交叉极化隔离度设计，性能远远超过微带相控阵，缝隙阵列和喇叭阵列等常规相控阵天线。同时，相比传统的相控阵天线，基于双频漏波单元的相控阵天线可实现跨频段设计。

如图8所示，在一些实施例中，所述双频漏波辐射单元110i采用SIW技术实现，该结构由多层PCB板构成。所述双频漏波辐射单元110i包括四个独立结构（即，第一独立结构110i-a、第二独立结构110i-b、第三独立结构110i-c和第四独立结构110i-d）以及它们之间的缝隙构成的正交辐射缝隙，如图8中阴影部分所示。电磁信号由金属表面和垂直过孔约束。该结构产生两个正交的极化通道：P3和P4。这两个正交通道可以工作在相同频率，也可工作在不同的频率。两个正交极化通道之间的电磁信号正交隔离，互不干扰。

图9是图8的剖面视图，如图9所示，双频漏波辐射单元110i在两层PCB板（即，第一层PCB板311和第二层PCB板312）上形成，两层PCB板之间通过垂直过孔314和接地面（包括第一接地面313、第二接地面315和第三接地面316）形成电磁信号通道，将电磁信号从过渡层120引导到自由空间，图7中TX表示发射信号，RX表示接收信号，由过渡层120指向第二层PCB板312的箭头表示射频信号的传输方向。垂直过孔314的直径和周期与工作频率相关。所述双频漏波辐射单元110i除了采用两层PCB板构成外，也可以采用多层PCB板混压或者粘接成型。

所述放大器层130包括多个放大器130i，所述放大器130i与所述双频漏波辐射单元110i连接，用于对所述电磁信号进行放大。一般的，所述放大器130i为在相控阵天线发射信号时对电磁信号进行功率放大的功率放大器130i，或者，所述放大器130i为在相控阵天线接收信号时对电磁信号进行低噪声放大的低噪声放大器130i，或者，所述放大器130i为同时用于发射和接收的T/R组件。

所述过渡层120用于实现所述天线点阵110和放大器层130之间的电气连接或耦合。具体的，所述过渡层120包括多个波导结构，或者，所述过渡层120包括多个SIW结构，用于实现过渡层120到双频漏波辐射单元110i的高效过渡。所述过渡层120通过同轴探针或垂直金属过孔与放大器层130连接。

所述移相器层140包括多个移相器140i，所述移相器140i与所述双频漏波辐射单元110i连接，用于控制相控阵天线口径面的相位分布。具体的，通过控制每个移相器140i的相位，可以在天线辐射口形成具有一定规律相位分布的射频信号，从而达到控制双频漏波天线波束指向和方向图形状的目的。

一般地，由于一个移相器140i可以控制多个双频漏波辐射单元110i的相位，因此，所述移相器140i的数量可以小于双频漏波辐射单元110i的数量。

一般地，所述移相器层140还可增加延时线，以降低天线口径带来的口径渡越问题。

所述多路功分网络层150，与所述移相器连接，用于对所述双频漏波辐射单元进行幅度分配。所述多路功分网络层150一般采用微带结构。所述多路功分网络层150还与相控阵天线的变频及信号处理单元160连接。

图10为本实施例的相控阵天线的一种辐射方向示意图，射频信号从天线点阵110定义的平面向外辐射，相比传统的相控阵天线，基于双频漏波辐射单元110i的相控阵天线的辐射波束呈十字星形状，仅在两个正交的平面有旁瓣，其他平面的方向图非常干净，非常有利于减小干扰和提高信噪比。图10中u和v是坐标系的两个维度，u相当于x轴，v相当于y轴。

如图11所示，在一些实施例中，所述相控阵天线为多层堆叠结构，由多个PCB层和/或金属层堆叠构成，具体包括一个天线点阵110、一个过渡层120、一个放大器层130、一个移相器层140和一个多层的多路功分网络层150。其中，所述放大器层130位于所述过渡层120和多路功分网络层150之间，移相器层140位于所述过渡层120和多路功分网络层150之间；或者，所述多路功分网络层150位于所述过渡层120和放大器层130之间；或者，所述多路功分网络层150位于所述过渡层120和移相器层140之间，其堆叠结构的设置与内部的电气设计有关。

尽管图11中没有显示，所述相控阵天线中，除了一个天线点阵110、一个过渡层120、一个放大器层130、一个移相器层140和一个多层的多路功分网络层150以外，还有多个附加层。所述相控阵天线中，每一层均可能由一层或多个子层构成，包含导电路径，控制电路，电气耦合结构，接地面等，层与层之间通过导电过孔或者波导接口连接。

图11中，所述天线层包括多个双频漏波辐射单元110i，所述双频漏波辐射单元110i包含两个独立的辐射通道，分别发射或接收不同极化的射频信号。两个辐射通道可以工作在相同工作频率，也可以工作在不同频率。所述双频漏波辐射单元110i可以是金属结构，也可以是PCB结构，取决于系统对于波束扫描范围、集成度、成本以及装配工艺的要求。所述过渡层120包含两套正交的耦合结构，耦合结构的布局与工作频率、端口隔离相关。所述过渡层120的过渡结构一般排布在超过一层的PCB或金属结构上，以避免两个正交极化的过渡结构发生物理干涉，过渡结构之间一般通过垂直金属过孔实现电磁隔离。所述放大器层130包括但不限于用于发射的PA放大器或用于接收的LNA放大器。所述多路功分网络层150包括但不限于多路功分网络层150、合路器以及相关电气耦合结构，一般由多层结构构成，层与层之间通过垂直金属过孔实现电气耦合。所述移相器层140包括但不限于多个移相器140i、相关电气耦合结构和控制电路等。一般移相器140i的数量要少于双频漏波辐射单元110i的数量，一个移相器140i可以控制多个双频漏波辐射单元110i。

一般地，双频漏波辐射单元110i是平行板金属结构（或SIW构成的平行板金属结构），需要采用波导接口或类似的结构进行馈电，这些波导接口或者类似结构的布局与双频漏波单元工作频率、相控阵扫描范围有关。

图12是一种含波导接口或类似结构的双频漏波辐射单元110i阵列的局部。所述双频漏波辐射单元110i由四个不同的馈电端口（即第一馈电端口421、第二馈电端口422、第三馈电端口423和第四馈电端口424）馈电，其中第一馈电端口421和第二馈电端口422工作于两个频率中的低频段，第三馈电端口423和第四馈电端口424工作于两个频率的高频段。一般地，采用这种馈电接口结构布局的两个工作频段相差不大，单个工作频段波导接口数量与双频漏波单元数量相等，例如Ku频段（Rx：10.7-12.75GHz，Tx：13.75-14.5GHz）。

图13是另一种含波导结构或类似结构的双频漏波辐射单元110i阵列的局部。双频漏波辐射单元110i由分别工作于频率

周期为

的第一波导端口组520a和第二波导端口组520b组成。明显地，周期

且第一波导端口组520a的数量远远小于第二波导端口组520b的数量，其中，第一波导端口组520a的数量与频率

相关，第二波导端口组520b的数量与频率

相关。一般地，采用这种波导接口结构布局的两个工作频段相差比较大，例如支持Ku和Ka频段的双波段相控阵天线。

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

1.基于双频漏波结构的相控阵天线，其特征在于，包括：

过渡层，用于实现所述双频漏波辐射单元和放大器之间的电气连接；

2.根据权利要求1所述的基于双频漏波结构的相控阵天线，其特征在于，所述双频漏波辐射单元包括彼此独立的两个电磁辐射通道，所述两个电磁辐射通道正交设置。

3.根据权利要求2所述的基于双频漏波结构的相控阵天线，其特征在于，所述两个电磁辐射通道的尺寸不相同。

4.根据权利要求1所述的基于双频漏波结构的相控阵天线，其特征在于，所述双频漏波辐射单元包括两个正交隔离的辐射缝隙，所述辐射缝隙由金属材料或表面电镀的非金属材料围成。

5.根据权利要求1所述的基于双频漏波结构的相控阵天线，其特征在于，所述双频漏波辐射单元为一级台阶结构或多级台阶结构。

6.根据权利要求1所述的基于双频漏波结构的相控阵天线，其特征在于，所述过渡层设置在天线点阵和放大器层之间。

7.根据权利要求1所述的基于双频漏波结构的相控阵天线，其特征在于，所述过渡层包括多个波导结构，或者，所述过渡层包括多个SIW结构。

8.根据权利要求1所述的基于双频漏波结构的相控阵天线，其特征在于，所述过渡层通过同轴探针或垂直金属过孔与放大器层连接。

9.根据权利要求1所述的基于双频漏波结构的相控阵天线，其特征在于，所述移相器层位于所述过渡层和多路功分网络层之间，或者，所述多路功分网络层位于所述过渡层和移相器层之间。

10.根据权利要求1所述的基于双频漏波结构的相控阵天线，其特征在于，所述移相器层中移相器的数量小于所述天线点阵中双频漏波辐射单元的数量。