CN113594670A - 一种内嵌校准网络和扇出结构的圆极化相控阵天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种内嵌校准网络和扇出结构的圆极化相控阵天线，包括：自上而下依次布设的天线辐射层、连接层以及天线馈线层，其中天线辐射层贯穿设有天线辐射结构，天线辐射层底部设有正对天线辐射结构设置的第一辐射缝隙，和正对天线馈线层的馈线网络设置的第二辐射缝隙；其中天线馈线层设有带线导体区，第一金属屏蔽区以及第二金属屏蔽区，第一金属屏蔽区贯穿天线馈线层形成SIW传输线以及SIW耦合器结构，第二金属屏蔽区贯穿天线馈线层形成SIW传输线，天线馈线层底部对应第一金属屏蔽区设有第一馈线缝隙，对应第二金属屏蔽区设有第一馈线缝隙，使得天线馈线扇出且内嵌校准网络，使得该圆极化相控阵天线可适用于高频天线需求。
Description
技术领域
本发明涉及相控阵天线领域，特别涉及一种内嵌校准网络和扇出结构的圆极化相控阵天线。
背景技术
相控阵天线指的是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变天线方向图形状的天线，具体的，通过控制辐射单元的馈电相位来改变天线方向图最大值的指向，进而达到波束扫描的目的，当然也可以通过控制副瓣电平、最小值位置和整个方向图的形状进行各类自适应控制。相较于传统的需要用机械方式进行旋转调控的天线而言，相控阵天线具有快速电扫描、数字波束形成和空间功率合成等优点，在雷达、电子战、制导武器和通信等领域都得到了广泛应用。相控阵天线又可分为有源相控阵天线和无源相控阵天线，有源相控阵天线的每个或数个天线辐射单元后均接有一个固态T/R组件，每一固态T/R组件均能自产生以及接收电磁波。
然而目前的有源相控阵天线在适配高工作频率的天线需求时表现不佳。具体的，随着所需天线的工作频率的增大，天线辐射单元的尺寸就会变小，而芯片尺寸有一定限制，进而导致在高频需求时，芯片尺寸将大于天线辐射单元的尺寸，使得天线辐射单元无法直接与芯片垂直连接。此时若需要芯片与天线辐射单元垂直连接，则需将天线辐射单元之间的单元间距增加到大于芯片尺寸的程度，那么又会带来另一个问题：过大的单元间距将会导致扫描时出现栅瓣，恶化扫面描性能的问题，也就是说目前的有源相控阵天线在高频工作时无法兼顾芯片与天线辐射单元垂直连接和扫描质量。
另外，对于有源相控阵天线而言，天线阵列中每个天线辐射单元的幅度与相位值直接决定了相控阵的辐射特性。然而，由于相控阵系统在生产和使用过程中存在各种误差的影响，造成了各T/R组件通道间的幅相差异，进而导致天线辐射单元的实际馈电幅相与理论值会产生偏差，导致辐射特性的降低。因而，相控阵天线在调试过程中，必须对阵面各通道的幅相特性进行测量，并通过对通道中可调元件的参数补偿，实现对系统误差的校准，目前针对有源相控阵天线的校准需要在暗室环境下进行且校准步骤较为繁琐。
总计而言，传统毫米波有源相控阵天线，具有自身的缺陷：1)毫米波T/R组件尺寸过大，导致毫米波的T/R组件无法与辐射单元直接互联；2)毫米波相控天线集成度较高，不利于集成相控阵自校准网络。
发明内容
本发明的目的在于提供一种内嵌校准网络和扇出结构的圆极化相控阵天线，该圆极化相控阵天线内置扇出结构使得天线馈线扇出且内嵌校准网络，使得该圆极化相控阵天线可适用于高频天线需求，且简便了校准的处理步骤。
为实现以上目的，本技术方案提供一种内嵌校准网络和扇出结构的圆极化相控阵天线，包括：自上而下依次布设的天线辐射层、连接层以及天线馈线层，其中天线辐射层贯穿设有天线辐射结构，天线辐射层底部设有第一辐射缝隙以及第二辐射缝隙，第一辐射缝隙正对天线辐射结构设置，第二辐射缝隙正对天线馈线层的馈线网络设置；其中天线馈线层设有带线导体区，环绕带线导体区设置的第一金属屏蔽区以及置于带线导体区边侧的第二金属屏蔽区，第一金属屏蔽区贯穿天线馈线层形成SIW传输线以及SIW耦合器结构，第二金属屏蔽区贯穿天线馈线层形成SIW传输线，天线馈线层底部对应第一金属屏蔽区设有第一馈线缝隙，对应第二金属屏蔽区设有第一馈线缝隙。
在一些实施例中，天线辐射层包括围绕天线辐射结构设置的信号屏蔽区以及外置于信号屏蔽区的校准接口区。带线导体区对应天线辐射结构所在位置设置，第一金属屏蔽区和信号屏蔽区对应，第二金属屏蔽区和校准接口区对应，信号屏蔽区和第一金属屏蔽区设有用于安装T/R组件的T/R组件接口，校准接口区和第二金属区设有用于安装校准网络的校准接口。以使得T/R组件可安置在信号屏蔽区，且配合天线馈线层的结构设置增大了天线单元和T/R组件之间的间距。
在一些实施例，天线辐射结构由圆极化天线和辐射通孔组成，其中辐射通孔围绕圆极化天线设置且贯穿天线辐射层，以此方式形成天线辐射单元，且本方案的天线辐射单元可使得天线的发散更为均匀。
在一些实施例中，信号屏蔽区由环绕天线辐射结构的信号屏蔽分区组成，每个信号屏蔽分区内的屏蔽孔呈阵列排布设置，以实现稳定均匀的信号控制。
在一些实施例中，每个信号屏蔽分区的边侧设有第一T/R组件安装孔，使得该天线的集成度提高。
在一些实施例中，带线导体区包括置于第一馈线基层中心位置的第一带线导体区，和置于第一金属屏蔽区外侧的第二带线导体区。第二带线导体区两两连接同一方位的第一金属屏蔽区，并连接相邻的两方位的第一金属屏蔽区，以实现带线-SIW-波导结构的互通，以此方式增加辐射单元和T/R组件之间的间距。
在一些实施例中，SIW耦合器结构置于第一金属屏蔽区内的平行单元之间。
在一些实施例中，本方案提供的相控阵天线适用于50GHz-70GHz的天线需求。
相较现有技术，本技术方案具有以下特点和有益效果：
1.该圆极化相控阵天线设置馈线扇出的特殊扇出结构，使得天线馈线通过带状线-SIW-波导的结构扇出，增大天线辐射单元与T/R组件的接口空间，可以在保证天线辐射单元的单元间距不变的情况下，将每个天线辐射单元与芯片连接，使得该圆极化相控阵天线可在高频天线需求时依旧能保证良好的扫描质量，可适用于60GHz的天线需求。
2.本方案利用特殊扇出结构设计一种SIW缝隙耦合器将内校准网络嵌入其中，即本方案提供的圆极化相控阵天线内嵌校准网络，内校准网络与辐射单元耦合或者与馈线耦合，进而使得该圆极化相控阵天线的校准步骤不需要借助额外探头与暗室环境，具有测量方便且快速的优势。
3.本方案将天线辐射单元的T/R组件通过波导接口与天线辐射单元相连接，与天线分开，将有方便T/R组件发生故障更换，降低维修成本。
附图说明
图1是本方案提供的一种内嵌校准网络和扇出结构的圆极化相控阵天线的总体架构示意图。
图2是本方案提供的圆极化相控阵天线的第一电路板的结构示意图。
图3是本方案提供的圆极化相控阵天线的第一电路板的上表面的结构示意图。
图4是本方案提供的圆极化相控阵天线的第一金属敷铜层的图形示意图。
图5是本方案提供的圆极化相控阵天线的第一电路板的下表面的结构示意图。
图6是图2是本方案提供的圆极化相控阵天线的第二电路板的结构示意图。
图7是本方案提供的圆极化相控阵天线的第二电路板的上表面的结构示意图。
图8是本方案提供的圆极化相控阵天线的第二电路板的下表面的结构示意图。
图中：1-天线辐射层，11-第一辐射基层，111-圆极化天线，12-辐射介质层，13-第二辐射基层，131-第一辐射缝隙，132-第二辐射缝隙，141-辐射通孔，142-屏蔽孔，143-第一T/R组件安装孔，144-第一校准接口，15-天线辐射结构，16-信号屏蔽区，161-信号屏蔽分区，17-校准接口区，2-连接层，3-天线馈线层，31-第一馈线基层，313-带线-SIW过渡段，32-馈线介质层，33-第二馈线基层，331-第一馈线缝隙，332-第二馈线缝隙，343-第二T/R组件安装孔，344-第二校准接口，345-SIW耦合器结构，35-带线导体区，351-第一带线导体区，352-第二带线导体区，36-第一金属屏蔽区，37-第二金属屏蔽区。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
本方案提供一种内嵌校准网络和扇出结构的圆极化相控阵天线，该圆极化相控阵天线改进现有技术中的毫米波有源相控阵天线在适配高频天线时存在的问题，本方案引入和天线辐射单元连接的扇出结构，使得天线馈线扇出，增大天线单元的间距；同时本方案巧妙地利用扇出结构的结构特点引入了自校准网络，使得整个圆极化相控阵天线的集成度高，且自校准网络与T/R组件分离，便于T/R组件的调试，以及T/R组件的故障更换，降低维修成本。经测试，本方案提供的圆极化相控阵天线可适用于50GHz-70GHz的天线需求，优选可以是60GHz，在实际生活中有着广泛的应用。
具体的，该圆极化相控阵天线包括自上而下依次布设的天线辐射层1、连接层2以及天线馈线层3，其中天线辐射层1贯穿设有天线辐射结构15，天线辐射层1底部设有第一辐射缝隙131以及第二辐射缝隙132，第一辐射缝隙131正对天线辐射结构15设置，第二辐射缝隙132正对天线馈线层3的馈线网络设置；其中天线馈线层3设有带线导体区35，环绕带线导体区35设置的第一金属屏蔽区36以及置于带线导体区35边侧的第二金属屏蔽区37，第一金属屏蔽区36贯穿天线馈线层3形成SIW传输线以及SIW耦合器结构，第二金属屏蔽区37贯穿天线馈线层3形成SIW传输线，天线馈线层3底部对应第一金属屏蔽区36设有第一馈线缝隙331，对应第二金属屏蔽区37设有第一馈线缝隙332。
天线辐射层1另外包括围绕天线辐射结构15设置的信号屏蔽区16以及外置于信号屏蔽区16的校准接口区17，带线导体区35对应天线辐射结构15所在位置设置；第一金属屏蔽区36和信号屏蔽区16对应，且可安装T/R组件波导接口；第二金属屏蔽区37和校准接口区17对应，且可安装校准波导接口。值得说明的是，本方案的圆极化相控阵天线在加工时，天线辐射层1和天线馈线层3是压合在一起一并加工的，故可使得第一金属屏蔽区36和信号屏蔽区16对应设置，一并形成可安装T/R组件波导接口的通孔；第二金属屏蔽区37和校准接口区17对应设置，一并形成对应可安装校准波导接口的通孔。
具体的，天线馈线层3的上表面设有馈线网络，第二辐射缝隙132对应馈线网络设置以起到调节阻抗匹配的作用，天线馈线层3上的馈线网络为带线导体区35和第二金属屏蔽区37之间形成的带线-SIW过渡段313。另，天线馈线层3上的带线导体区35、SIW传输线、SIW耦合器结构、波导接口形成带线-SIW-波导结构。如图2所示，天线辐射层1包括自上而下布设的第一辐射基层11、辐射介质层12以及第二辐射基层13。如图4所示，其中第一辐射基层11包括间隔布设的圆极化天线111，辐射通孔141围绕圆极化天线111并贯穿第一辐射基层11、辐射介质层12以及第二辐射基层13，以共同形成天线辐射结构15。
也就是说，天线辐射结构15由圆极化天线111和辐射通孔141组成，其中辐射通孔141围绕圆极化天线111设置且贯穿天线辐射层1。
在本方案的实施例中，圆极化天线111以阵列式间隔排布，辐射通孔141包围每个单独的圆极化天线111设置，且整体形成矩阵状的天线辐射结构15，也就是说，该天线辐射结构15的天线阵面为矩形。
值得说明是，辐射通孔141均匀布置在每个圆极化天线111周围，使得包围每个圆极化天线111的辐射通孔141的数量和位置设置都是相同的，这样可以保证信号的稳定辐射。
在本方案的一实施例中，圆极化天线111为圆极化贴片天线111，当然具体天线的类型不受限制。
如图3所示，本方案的信号屏蔽区16由设置在第一辐射基层11、辐射介质层12以及第二辐射基层13上的铜线布设得到，且布设的铜线围绕天线辐射结构15所在的位置设置，另布设的铜线的尖端指向天线辐射结构15；校准接口区17置于信号屏蔽区16的外围，且优选的，天线辐射结构15的两侧对称设有校准接口区17，且左右两侧的校准接口区17和天线辐射结构15的中心位置位于同一轴线。
第一辐射基层11、辐射介质层12以及第二辐射基层13上的信号屏蔽区16以及校准接口区17都是对应设置的，即，上下层形成的信号屏蔽区16以及校准接口区17均相对重叠。
辐射介质层12以及第二辐射基层13上对应信号屏蔽区16设有屏蔽孔142。在本方案中，信号屏蔽区16由环绕天线辐射结构15的信号屏蔽分区161组成，在本方案的具体实施例中，四个信号屏蔽分区161分置于四个方位设置，每个信号屏蔽分区161包括并排设置的多个单元，每个单元上的屏蔽孔142间隔设置，不同单元的屏蔽孔142也相对位于同一平行轴线上。
在本方案的实施例中，屏蔽孔142均匀间隔布设。且每个信号屏蔽分区161内的屏蔽孔142呈阵列排布设置，即位于每个信号屏蔽分区161内的屏蔽孔142形成一个矩阵阵列，且矩阵阵列中的每个屏蔽孔142均匀间隔设置，每一行和每一列的屏蔽孔142均对应设置。
另，值得说明的是，位于每个信号屏蔽分区161的两边侧设有第一T/R组件安装孔143，第一T/R组件安装孔143用于固定T/R组件波导接口。
在本方案的实施例中，第一T/R组件安装孔134平行该信号屏蔽分区161的屏蔽孔142所在的轴线设置，即，第一T/R组件安装孔134与间隔的屏蔽孔142也位于同一轴线上。
辐射介质层12以及第二辐射基层13上对应校准接口区17设有第一校准接口144，至少两第一校准接口144环绕设置，用于固定校准波导接口。
另外，值得一提的是，辐射通孔141、屏蔽孔142、第一T/R组件安装孔143以及第一校准接口144均是金属化通孔。第一辐射基层11为第一金属敷铜层，第二辐射基层13为第二金属敷铜层。
如图5所示，第一辐射缝隙131和第二辐射缝隙132贯穿所述及第二辐射基层13，且第一辐射缝隙131正对天线辐射结构15设置，以将第二辐射缝隙132的馈线网络的能量耦合到圆极化天线111上。第二辐射缝隙132正对校准接口区17设置，以正对天线馈线层3的馈线网络设置，用于调节馈线网络的匹配。
如图6所示，天线馈线层3自上而下依次设有第一馈线基层31、馈线介质层32以及第二馈线基层33。如图7所示，带线导体区35、第一金属屏蔽区36以及第二金属屏蔽区37形成在第一馈线基层31上。具体的，带线导体区35包括置于第一馈线基层31中心位置的第一带线导体区351，当天线辐射层1盖置在天线馈线层3上方时，第一带线导体区351和天线辐射结构15所在位置相对应，其中第一带线导体区351由对称的布线设置得到的，且第一带线导体区351的布线和第一金属屏蔽区36连接。
第一金属屏蔽区36环绕第一带线导体区351设置，且第一金属屏蔽区36上设置对应信号屏蔽区16的信号屏蔽分区161，第一金属屏蔽区36的布设设置和位置均和信号屏蔽区16相同。如前所述，天线馈线层3和天线辐射层1是一并加工得到的，故第一金属屏蔽区36的形状结构均同于信号屏蔽区16的形状结构。
带线导体区35另包括置于第一金属屏蔽区36外侧的第二带线导体区352，且第二带线导体区352布线连接不同方位的第一金属屏蔽区36，在本方案的实施例中，第二带线导体区352连接相邻方位的第一金属屏蔽区36。
具体的，在本方案的一实施例中，该天线采用4*8贴片单元组成，此时，第一金属屏蔽区36分置于第一带线导体区351的四周侧，且每个第一带线导体区351包括8个平行的单元，第二带线导体区352两两连接同一方位的第一金属屏蔽区36，并连接相邻的两方位的第一金属屏蔽区36。
第二金属屏蔽区37位于第二带线导体区352的边侧，在本方案的实施例中，第二金属屏蔽区37和第二带线导体区352相连，且第二金属屏蔽区37的位置对应校准接口区17所在的位置设置。
另外，第一馈线基层31、馈线介质层32以及第二馈线基层33上对应第二金属屏蔽区37所在位置贯穿有SIW传输线；第一馈线基层31、馈线介质层32以及第二馈线基层33上对应第一金属屏蔽区36所在的位置也贯穿有SIW传输线。
第一馈线基层31、馈线介质层32以及第二馈线基层33上对应第一金属屏蔽区36所在位置贯穿有SIW耦合器结构345。且值得一提的是，SIW耦合器结构置于第一金属屏蔽区36内的平行单元之间，用于将相控阵天线的通道信号耦合到SIW结构中，最后传递到校准波导接口。也就是说，本方案的天线馈线层3形成扇形的带线-SIW-波导的结构，使得天线馈线的扇性导出，进而增大天线单元与T/R组件的接口空间，解决T/R组件无法与辐射单元直接互联的问题，解决了相控阵天线的扫描性能和结构实现之间的矛盾。
第一馈线基层31、馈线介质层32以及第二馈线基层33上对应第一金属屏蔽区36所在位置贯穿第二T/R组件安装孔343，其中第二T/R组件安装孔343和第一T/R组件安装孔143的位置相对应，用于固定安装T/R组件波导接口。
馈线介质层32以及第二馈线基层33上对应第二屏蔽区37所在位置贯穿第二校准接口344，其中第二校准接口344对应第一校准接口144的位置设置，以用于固定校准波导接口。
具体的，在本方案中，SIW耦合器结构345将通道信号耦合到SIW结构中，SIW结构即为不同位置的SIW传输线，最后传递到置于第二金属屏蔽区37的校准波导接口上。第一金属屏蔽区36的两个金属化通孔之间的间距控制着耦合器的耦合量，进而决定着通道信号的耦合功率，因为校准波导接口的信号最后并没有参与相控阵天线的有效工作，所以在保证能校准工作正常进行时，通过该SIW耦合器结构345将校准信号功率尽量最低。
第一馈线缝隙331用于将校准信号耦合到校准波导接口，第二馈线缝隙332用于将相控阵天线的通道信号耦合到T/R组件波导接口，从天线单元到第二馈线缝隙332完成带线-SIW-波导的结构扇出，解决T/R组件与天线单元的直接互联。从SIW耦合器结构到第一馈线缝隙331，完成SIW-带线-SIW-波导的过渡结构，实现了相控阵天线的自校准特性。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种内嵌校准网络和扇出结构的圆极化相控阵天线，其特征在于，包括：
自上而下依次布设的天线辐射层(1)、连接层(2)以及天线馈线层(3)，其中天线辐射层(1)贯穿设有天线辐射结构(15)，天线辐射层(1)底部设有第一辐射缝隙(131)以及第二辐射缝隙(132)，第一辐射缝隙(131)正对天线辐射结构(15)设置，第二辐射缝隙(132)正对天线馈线层(3)的馈线网络设置；其中天线馈线层(3)设有带线导体区(35)，环绕带线导体区(35)设置的第一金属屏蔽区(36)以及置于带线导体区(35)边侧的第二金属屏蔽区(37)，第一金属屏蔽区(36)贯穿天线馈线层(3)形成SIW传输线以及SIW耦合器结构(345)，第二金属屏蔽区(37)贯穿天线馈线层(3)形成SIW传输线，天线馈线层(3)底部对应第一金属屏蔽区(36)设有第一馈线缝隙(331)，对应第二金属屏蔽区(37)设有第一馈线缝隙(332)。
2.根据权利要求1所述的内嵌校准网络和扇出结构的圆极化相控阵天线，其特征在于，天线辐射层(1)包括围绕天线辐射结构(15)设置的信号屏蔽区(16)以及外置于信号屏蔽区(16)的校准接口区(17)。
3.根据权利要求2所述的内嵌校准网络和扇出结构的圆极化相控阵天线，其特征在于，带线导体区(35)对应天线辐射结构(15)所在位置设置，第一金属屏蔽区(36)和信号屏蔽区(16)对应，第二金属屏蔽区(37)和校准接口区(17)对应，信号屏蔽区(16)和第一金属屏蔽区(36)设有用于安装T/R组件的T/R组件波导接口，校准接口区(36)和第二金属区(37)设有用于安装校准网络的校准波导接口。
4.根据权利要求1所述的内嵌校准网络和扇出结构的圆极化相控阵天线，其特征在于，天线辐射结构(15)由圆极化天线(111)和辐射通孔(141)组成，其中辐射通孔(141)围绕圆极化天线(111)设置且贯穿天线辐射层(1)。
5.根据权利要求2所述的内嵌校准网络和扇出结构的圆极化相控阵天线，其特征在于，信号屏蔽区(16)由环绕天线辐射结构(15)的信号屏蔽分区(161)组成，每个信号屏蔽分区(161)内的屏蔽孔(142)呈阵列排布设置。
6.根据权利要求5所述的内嵌校准网络和扇出结构的圆极化相控阵天线，其特征在于，每个信号屏蔽分区(161)的边侧设有第一T/R组件安装孔(143)。
7.根据权利要求1所述的内嵌校准网络和扇出结构的圆极化相控阵天线，其特征在于，带线导体区(35)包括置于第一馈线基层(31)中心位置的第一带线导体区(351)，和置于第一金属屏蔽区(36)外侧的第二带线导体区(352)。
8.根据权利要求7所述的内嵌校准网络和扇出结构的圆极化相控阵天线，其特征在于，第二带线导体区(352)两两连接同一方位的第一金属屏蔽区(36)，并连接相邻的两方位的第一金属屏蔽区(36)。
9.根据权利要求1所述的内嵌校准网络和扇出结构的圆极化相控阵天线，其特征在于，SIW耦合器结构置于第一金属屏蔽区(36)内的平行单元之间。
10.根据权利要求1所述的内嵌校准网络和扇出结构的圆极化相控阵天线，其特征在于，适用于50GHz-70GHz的天线需求。
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