CN113659335A - 一种宽带串馈稀布阵列天线单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带串馈稀布阵列天线单元，包括天线馈电部分和天线辐射部分，天线馈电部分包括SMP结构，带状线的匹配调节和相位调节部分以及带状线周围的金属化隔离柱。天线辐射部分包括天线的介质层，天线的辐射贴片、寄生贴片和金属化隔离柱。射频信号由SMP结构馈入到天线馈电层结构中的带状线，带状线做一分二等功率分配，幅度相等，相位相差180°，射频信号通过带状线上层地的“一”字型缝隙经空气腔耦合到天线辐射层结构中的天线贴片，实现射频能量的辐射。本发明中的多个天线单元的平均距离大于天线在工作频率下的半个波长，天线贴片的布局采用天线方向图的综合算法，能够避免天线出现删瓣同时提高天线的增益，降低天线的副瓣。

Description

一种宽带串馈稀布阵列天线单元

技术领域

本发明涉及相控阵天线技术领域，尤其是一种宽带串馈稀布阵列天线单元。

背景技术

相控阵天线因其具备快速的波束扫描、灵活的波束赋形、较高的可靠性等优点，被广泛应用于雷达和无线通信领域。一维相扫阵列天线由于其具有相控阵天线的优点，另一维度采用机械扫描的方式，能够大量减少收发模块的通道数，阵列天线的成本得到控制，其被广泛用于各种雷达和通信产品中。一维相扫阵列天线单元常用形式有波导裂缝、微带贴片、基片集成缝隙等，但是常受到天线的带宽、增益和重量等因素的限制，无法满足系统的需求。因此，具有增益高，低副瓣，低剖面和易于集成的天线单元亟待开发出来。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种宽带串馈稀布阵列天线单元，以提供一种适用于一维相控阵的高增益、易集成的阵列天线。

本发明采用的技术方案如下：

一种宽带串馈稀布阵列天线单元，包括天线辐射层、天线馈电层和SMP结构；所述SMP结构连接所述天线馈电层，所述天线馈电层与所述天线辐射层耦合；所述天线馈电层与所述天线辐射层共同形成多个天线单元，各天线单元间串联馈电，各天线单元间的平均距离大于天线在工作频率下的半个波长。

上述的天线单元之间，采用了稀布的设计理念，而多个天线单元的布局采用天线方向图的综合算法，能够避免天线出现删瓣现象，降低天线的副瓣。

进一步的，所述天线馈电层上设置有与所述SMP结构连接的功率分配器，所述天线馈电层上设置至少两条射频链路，各射频链路分别连接所述功率分配器；对于每一路射频链路，构成天线单元的部分成串联关系。

进一步的，所述功率分配器为一分二功率分配器，两路射频链路在所述天线馈电层长度方向上沿相反的方向设置。即两路射频链路相位相差180度。

进一步的，两路射频链路的结构关于所述功率分配器对称。

进一步的，所述天线馈电层包括馈电层介质材料和密布的第一金属化隔离柱，所述馈电层介质材料靠所述SMP结构的一侧设置带状线导带，所述带状线导带与所述功率分配器连接；所述馈电层介质材料靠所述天线辐射层的一侧设置上层地，所述上层地上开设多个“一”字缝隙；所述带状线导带上构成天线单元的部分与所述“一”字缝隙一一对位以构成天线单元；所述第一金属化隔离柱包围所述带状线导带和所述“一”字缝隙，所述第一金属化隔离柱贯穿所述天线馈电层。

进一步的，所述带状线导带包括SMP匹配部分、多个天线单元贴片匹配调节块，以及多个天线单元贴片相位调节块；各所述天线单元贴片匹配调节块的平均距离大于天线在工作频率下的半个波长；多个天线单元贴片匹配调节块通过多个天线单元贴片相位调节块串联为至少两条链路，各条链路分别连接所述SMP匹配部分，所述天线单元贴片匹配调节块与所述“一”字缝隙一一对位。

进一步的，所述天线单元贴片相位调节块为折弯的带状线，部分或全部天线单元贴片相位调节块的折角上设计有带状线切角过渡结构。

进一步的，所述天线辐射层包括介质层，所述介质层上开设有多个空气腔，包围各空气腔密布有第二金属化隔离柱，所述第二金属化隔离柱贯穿所述介质层；各所述空气腔与所述天线馈电层上构成天线单元的部分一一对位；各空气腔上远离天线馈电层的一面设置有天线贴片。

进一步的，所述第二金属化隔离柱包括两部分，一部分沿天线辐射层宽度方向排列，位于非边缘位置，横截面为圆形；另一部分沿天线辐射层长度方向排列；位于边缘位置，横截面为半圆形。

进一步的，所述空气腔为矩形或圆形。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明的阵列天线单元采用串联馈电的方式进行射频链路的设计，不受天线贴片数量、耦合形式、介质层叠数量的限制。同时，采用稀疏布阵的方式进行天线单元的设计，使得天线具有高带宽、高增益的性能，可广泛应用于一维相控阵扫描天线或无源低副瓣天线中。

2、本发明的阵列天线单元，结合串馈稀布的设计思想，采用天线方向图综合算法布局天线贴片，能够避免天线出现删瓣的现象，同时降低天线的副瓣，即保证阵列方向图在没有删瓣的条件下具有低副瓣和高增益特性。

3、本发明的阵列天线单元，在天线辐射层中挖去一部分形成空气腔，降低天线介质的等效介电常数，使得天线的单贴片具有宽带，高增益的性能。

4、本发的阵列天线单元，采用多层介质层叠设计方式组合而成，便于集成。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明天线结构示意图；

图2是本发明天线结构爆炸图；

图3是本发明SMP连接器结构示意图；

图4和图5是本发明天线馈电部分的结构示意图；

图6是本发明天线辐射部分结构示意图；

图7是本发明天线单元的宽带特性示意图；

图8是本发明天线方向图的高增益低副瓣特性示意图。

图中标记：1-天线辐射层， 2-天线馈电层，3-SMP结构，11-空气腔，12-寄生贴片，13-辐射贴片，14-介质层，15-第二金属化隔离柱，21-“一”字缝隙，22-带状线导带，23-第一金属化隔离柱，24-馈电层介质材料，25-上层地，221-SMP匹配部分，222-天线单元贴片匹配调节块，223-天线单元贴片相位调节块，224-切角过渡结构，31-金属壳体，32-同轴拨针，33-同轴介质。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例一

如图1、图2所示，宽带串馈稀布阵列天线单元包括天线辐射层1、天线馈电层2和SMP结构3，SMP结构3是一种射频连接结构，属于波导到带状线过渡结构的一种，SMP结构3可以替换为其他的波导到带状线过渡结构。SMP结构3连接于天线馈电层2上，天线馈电层2与天线辐射层1成耦合关系。射频信号经由SMP结构3馈入到天线馈电层2的带状线导带22，再经过一分二功率分配器均分为两路，分别给天线辐射层1上的各天线贴片馈电。带状线导带22上的信号由天线馈电层2的上层地25上的“一”字缝隙21耦合到天线辐射层1的天线贴片上，通过天线贴片实现射频信号的辐射。

SMP结构3作为同轴到带状线过渡结构，如图3所示，在一些实施例中，包括金属壳体31、同轴拨针32和同轴介质33，金属壳体31与同轴介质33同轴连接，同轴拨针32沿金属介质33的轴向穿过金属介质33。

如图4所示，天线馈电层2包括“一”字缝隙21、带状线导带22、第一金属化隔离柱23、馈电层介质材料24和上层地25。“一”字缝隙21、带状线导带22、第一金属化隔离柱23和上层地25均设置在馈电层介质材料24上，其中，带状线导带22设置在馈电层介质材料24靠SMP结构3一侧，其沿馈电层介质材料24的长度方向摆放设置，从中部分为两条幅度相等、相位相差180度的链路；上层地25设置于馈电层介质材料24上与带状线导带22相对的一侧；在上层地25上设置有多个“一”字缝隙21，多个“一”字缝隙21沿馈电层介质材料24长度方向布置，各“一”字缝隙21均垂直于馈电层介质材料24的长度方向；第一金属化隔离柱23包围带状线导带22和“一”字缝隙21，且第一金属化隔离柱23贯穿馈电层介质材料24和上层地25。

如图5所示，带状线导带22包括SMP匹配部分221、多个天线单元贴片匹配调节块222、多个天线单元贴片相位调节块223，以及多个带状线切角过渡结构224。天线单元贴片匹配调节块222为稀布设计，即平均间距比常规阵列的间距大，这是因为天线的增益与天线阵面的面积密切相关，本发明中天线单元间距采用了稀布的思想，天线的增益相比同等贴片数量常规布阵的阵列天线增益高。在馈电层介质材料24的另一侧上，与各天线单元贴片匹配调节块222一一对应（一一对位）设置有“一”字缝隙21，即天线采用缝隙耦合馈电方式，“一”字缝隙耦合馈电的方式能够提升天线的带宽。SMP结构3的同轴拨针32通过馈电层介质材料24上的非金属化孔与SMP匹配部分221实现电连接，实现射频信号的传输，SMP匹配部分221处设置功率分配器。射频信号接入SMP匹配部分221后，经功率分配器一分为二，每一链路上有多个天线单元贴片匹配调节块222，相邻天线单元贴片匹配调节块222之间连接有一天线单元贴片相位调节块223，靠近SMP匹配部分221的末端的天线单元贴片匹配调节块222连接到SMP匹配部分221，SMP匹配部分221接入的信号分别传递到各个天线单元贴片匹配调节块222，天线单元贴片匹配调节块222为带状线导带22上构成天线单元的部分，而天线单元贴片匹配调节块222和与之匹配的“一”字缝隙21属于射频链路上构成天线单元的部分。各天线单元贴片匹配调节块222通过背部的“一”字缝隙21将信号耦合到天线辐射层的天线贴片上。

天线单元贴片相位调节块223是为了各调节天线贴片的相位，当单个天线贴片的相位满足一定关系，各天线贴片的方向图实现合成，形成阵列天线的和方向图。天线单元贴片相位调节块223在一些实施例中，由折弯的带状线实现，部分或全部折弯的带状线的折角处设计带状线切角过渡结构224，切角过渡结构224是为了让带状线反射的能量尽量少，使馈入的射频信号能量尽可能多的辐射出去。

每个天线单元贴片匹配调节块222起到调节单个天线贴片的驻波特性的作用，使得单个天线贴片辐射尽量多的射频信号能量。天线单元贴片匹配调节块222在一些实施例中，通过对带状线的宽度进行特殊设计来实现，例如由宽度渐变设计/阶梯状设计的带状线实现。

如图6所示，天线辐射层1包括介质层14，在介质层14上开设有多个（横截面为）矩形的空气腔11，空气腔11与天线单元贴片匹配调节块222一一对应，包围各空气腔11密布有第二金属化隔离柱15，该第二金属化隔离柱15贯穿所述介质层14。在一些实施例中，第二金属化隔离柱15包括两部分，一部分沿天线辐射层1宽度方向排列，另一部分沿天线辐射层1长度方向排列，沿天线辐射层1宽度方向排列的第二金属化隔离柱15位于非边缘位置，横截面为圆形，而沿天线辐射层1长度方向排列的第二金属化隔离柱15位于边缘位置，横截面为半圆形，属于半孔金属化柱。在空气腔11上远离天线馈电层2的一面设置天线贴片，天线贴片由寄生贴片12和辐射贴片13叠层设计而成，两贴片间形成双调谐回路，通过调节辐射贴片和寄生贴片的尺寸，形成双调谐特性，使得天线的带宽得到提升；并且，在介质层14中挖去一部分形成空气腔11，降低了介质层14的等效介电常数，降低天线谐振腔中存储的电磁能量，从而降低了Q值，也有利于提升天线的带宽。天线馈电层2的带状线22将信号通过“一”字缝隙21耦合到天线贴片，最后天线贴片将能量向空间辐射出去。

实施例二

本实施例公开了另一种宽带串馈稀布阵列天线单元，其与实施例一的设计大致相同，唯一不同之处在于，空气腔11（的横截面）为圆形。

实施例三

本实施例公开了另一种宽带串馈稀布阵列天线单元，其与上述实施例的设计大致相同，唯一不同之处在于，在本实施例中，SMP匹配部分221处所设计的功率分配器非一分二的功率分配器，而是一分三或一分四的均分功率分配器。

实施例四

本实施例公开了另一种宽带串馈稀布阵列天线单元，其可沿用上述任一实施例的设计，与上述实施例的唯一不同之处在于，功率分配器非均分功率分配器，即馈入SMP匹配结构221的信号的功率不是均分到各路。

实施例五

本实施例在实施例一基础上，公开了一种宽带串馈稀布阵列天线单元，其为对称结构，对称中心位于SMP匹配部分221处。下面就功分后的一路带状线的结构进行说明。

带状线包括3个天线单元贴片匹配调节块222，靠功率分配器的两个天线单元贴片匹配调节块222均由宽度呈阶梯状过渡的带状线形成，只是具体宽度有所区别，另一个天线单元贴片匹配调节块222由宽度一致的带状线形成，通过调整各天线单元贴片匹配调节块222带状线各处的宽度，以调节对应天线贴片的驻波特性。6个天线贴片（即6个单元）的平均距离大于天线在工作频率下的半个波长。相邻两个天线单元贴片匹配调节块222之间，连接有一个天线单元贴片相位调节块223，该天线单元贴片相位调节块223由矩形折弯的带状线形成，在天线单元贴片相位调节块223的4个折角处，均设计带状线切角过渡结构224，通过调整各天线单元贴片相位调节块223的带状线的宽度、矩形的长度、宽度或者折角处带状线切角过渡结构224的尺寸，完成对信号相位的调节。天线贴片的布局采用天线方向图的综合算法，能够避免天线出现删瓣同时提高天线的增益，降低天线的副瓣。

本实施例还对所设计的宽带串馈稀布阵列天线单元进行了仿真测试以验证其性能。本实施例中，天线工作在Ku频段，如图7、图8所示，天线阻抗带宽23%，为宽带天线，天线副瓣优于16.94dB。等间距（工作频率对应半波长）布阵天线单元理论副瓣为13.5dB，本发明天线单元副瓣改善3.44dB。

本发明天线采用稀疏布阵的思路，随阵元数逐渐增加，相比等间距满阵天线，在同样的天线口径下，采用本发明的天线可以减少串馈天线的单元数量，天线增益不受影响。随阵元数逐渐增加，通过对天线方向图的综合设计，副瓣可以做得更好，以20个天线阵元串馈天线为例，起副瓣优于25dB。相比等间距（工作频率对应半波长）布阵天线副瓣改善11.5dB。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种宽带串馈稀布阵列天线单元，包括天线辐射层（1）、天线馈电层（2）和SMP结构（3）；其特征在于，所述SMP结构（3）连接所述天线馈电层（2），所述天线馈电层（2）与所述天线辐射层（1）耦合；所述天线馈电层（2）与所述天线辐射层（1）共同形成多个天线单元，各天线单元间串联馈电，各天线单元间的平均距离大于天线在工作频率下的半个波长。

2.如权利要求1所述的宽带串馈稀布阵列天线单元，其特征在于，所述天线馈电层（2）上设置有与所述SMP结构（3）连接的功率分配器，所述天线馈电层（2）上设置至少两条射频链路，各射频链路分别连接所述功率分配器；对于每一路射频链路，构成天线单元的部分成串联关系。

3.如权利要求2所述的宽带串馈稀布阵列天线单元，其特征在于，所述功率分配器为一分二功率分配器，两路射频链路在所述天线馈电层（2）长度方向上沿相反的方向设置。

4.如权利要求3所述的宽带串馈稀布阵列天线单元，其特征在于，两路射频链路的结构关于所述功率分配器对称。

5.如权利要求2所述的宽带串馈稀布阵列天线单元，其特征在于，所述天线馈电层（2）包括馈电层介质材料（24）和密布的第一金属化隔离柱（23），所述馈电层介质材料（24）靠所述SMP结构（3）的一侧设置带状线导带（22），所述带状线导带（22）与所述功率分配器连接；所述馈电层介质材料（24）靠所述天线辐射层（1）的一侧设置上层地（25），所述上层地（25）上开设多个“一”字缝隙（21）；所述带状线导带（22）上构成天线单元的部分与所述“一”字缝隙（21）一一对位以构成天线单元；所述第一金属化隔离柱（23）包围所述带状线导带（22）和所述“一”字缝隙（21），所述第一金属化隔离柱（23）贯穿所述天线馈电层（2）。

6.如权利要求5所述的宽带串馈稀布阵列天线单元，其特征在于，所述带状线导带（22）包括SMP匹配部分（221）、多个天线单元贴片匹配调节块（222），以及多个天线单元贴片相位调节块（223）；各所述天线单元贴片匹配调节块（222）的平均距离大于天线在工作频率下的半个波长；多个天线单元贴片匹配调节块（222）通过多个天线单元贴片相位调节块（223）串联为至少两条链路，各条链路分别连接所述SMP匹配部分（221），所述天线单元贴片匹配调节块（222）与所述“一”字缝隙（21）一一对位。

7.如权利要求6所述的宽带串馈稀布阵列天线单元，其特征在于，所述天线单元贴片相位调节块（223）为折弯的带状线，部分或全部天线单元贴片相位调节块（223）的折角上设计有带状线切角过渡结构（224）。

8.如权利要求1所述的宽带串馈稀布阵列天线单元，其特征在于，所述天线辐射层（1）包括介质层（14），所述介质层（14）上开设有多个空气腔（11），包围各空气腔（11）密布有第二金属化隔离柱（15），所述第二金属化隔离柱（15）贯穿所述介质层（14）；各所述空气腔（11）与所述天线馈电层（2）上构成天线单元的部分一一对位；各空气腔（11）上远离天线馈电层（2）的一面设置有天线贴片。

9.如权利要求8所述的宽带串馈稀布阵列天线单元，其特征在于，所述第二金属化隔离柱（15）包括两部分，一部分沿天线辐射层（1）宽度方向排列，位于非边缘位置，横截面为圆形；另一部分沿天线辐射层（1）长度方向排列；位于边缘位置，横截面为半圆形。

10.如权利要求8所述的宽带串馈稀布阵列天线单元，其特征在于，所述空气腔（11）为矩形或圆形。

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