CN113745818B - 一种四频段极化可重构共口径相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种四频段极化可重构共口径相控阵天线，包括工作在S\C波段的若干低频双频天线单元以及工作在X\Ku波段的若干高频双频天线单元；低频双频天线单元采用均匀三角布阵方式布阵，高频双频天线单元采用稀疏布阵方式布阵；所述高、低频的双频天线单元均在天线馈电结构处加载PIN管实现两种线极化可重构；本发明仅用一套本方案的相控阵天线阵面设备，可以实现四个频段极化可重构功能，可以实现往往多套相控阵设备具备的功能，减少了所需要的TR通道数量，极大地降低了相控阵系统的成本。

Description

一种四频段极化可重构共口径相控阵天线
技术领域
本发明涉及天线阵列技术领域，具体为一种四频段极化可重构相控阵天线。
背景技术
针对无线通信测控系统的发展与多任务应用实际需求，传统多任务测控系统采用多个天线简单组合导致设备数量大、空间资源占用大、效率低、多任务高效处理的能力欠缺、测控资源争用等问题。
利用同一天线口径达到多种雷达、通信功能是无线信息领域的最新研究趋势。宽带/多频段相控阵可以确保在同一天线口径下具备在不同频率情形下完成不同工作任务的能力。较宽带相控阵来说，多频段相控阵因具有强电磁抗干扰能力以及更好的工作频带独立工作特点，能够更好地满足系统需求。高密度集成的相控阵的可以极大提升天线共面口径，有效降低系统设计成本，对于实现多频段、多功能、高性能、高密度、低成本的测控系统，具有重要的科学意义。
发明内容
本发明的目的就是提供一种四频段极化可重构相控阵天线，用以解决传统多任务测控系统采用多种不同频率、单一极化天线的简单组合导致的设备数量大、空间资源占用大、效率低、多任务高效处理的能力欠缺、测控资源争用等问题。
本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有工作在S\C波段的若干低频双频天线单元以及工作在X\Ku波段的若干高频双频天线单元；
所述低频双频天线单元采用均匀三角布阵方式布阵，所述高频双频天线单元采用稀疏布阵方式布阵；
所述共口径天线为多层电路板印刷制成，所述低频双频天线单元和高频双频天线单元均包括位于共口径相控阵天线上层的辐射层组件，所述辐射层组件均包括有用于实现双频工作的两层辐射贴片；
所述低频双频天线单元和高频双频天线单元均包括有位于共口径相控阵天线下层的馈电层组件，所述馈电层组件均采用缝隙馈电的方式激励上层的两层辐射贴片，所述缝隙内均加载有通过控制通断实现天线阵列四个频段的极化可重构功能的PIN管。
进一步，所述低频双频天线单元的数量为25，采用5×5的三角均匀布阵方式布阵，相邻低频双频天线单元的间距为45×36mm；
所述高频双频天线单元的数量为35，采用5×7稀疏布阵方式布阵，阵面总体尺寸为298×228×5.3mm。
进一步，所述低频双频天线单元辐射层组件包括层叠设置的两个第一介质基板，所述低频双频天线单元的两层辐射贴片分别为S频段的方环形贴片、C频段的方环形贴片，所述S频段的方环形贴片、C频段的方环形贴片分别贴设在两个第一介质基板上；
所述高频双频天线单元辐射层组件还包括由若干贯穿两个第一介质基板的第一金属通孔构成的第一基片集成波导辐射金属腔体，所述S频段的方环形贴片、C频段的方环形贴片均位于第一基片集成波导辐射金属腔体内。
进一步，所述低频双频天线单元馈电层组件包括层叠设置的三个第二介质基板，以及安装在最下层第二介质基板上的第一带状线和第一类同轴馈电结构；
所述最上层第二介质基板上安装有第一金属地板，所述第一金属地板上设置有第一可重构十字形交叉槽缝；
所述低频双频天线单元馈电层组件还包括由若干贯穿三个第二介质基板的第二金属通孔构成的第一基片集成波导馈电金属腔体，所述第一可重构十字形交叉槽缝位于所述第一基片集成波导馈电金属腔体内。
进一步，所述高频双频天线单元辐射层组件包括层叠设置的两个第三介质基板，所述高频双频天线单元辐射层组件的两层辐射贴片分别为X频段的方形贴片、Ku频段的十字型贴片，所述X频段的方形贴片、Ku频段的十字型贴片分别贴设在两个第三介质基板上；
所述低频双频天线单元辐射层组件还包括由若干贯穿两个第三介质基板的第三金属通孔构成的第二基片集成波导辐射层金属腔体，所述X频段的方形贴片、Ku频段的十字型贴片均位于第二基片集成波导辐射层金属腔体内。
进一步，所述高频双频天线单元馈电层组件包括层叠设置的三个第四介质基板，以及安装在最下层第四介质基板上的第二带状线和第二类同轴馈电结构；
最上层的所述第四介质基板上安装有第二金属地板，所述第二金属地板上设置有第二可重构十字形交叉槽缝；
所述高频双频天线单元馈电层组件还包括由若干贯穿三个第四介质基板的第四金属通孔构成的第三基片集成波导辐射层金属腔体，所述第二可重构十字形交叉槽缝位于所述第三基片集成波导辐射金属腔体内。
进一步，所述第一可重构十字形交叉槽缝和第二可重构十字形交叉槽缝均包括十字正交放置的﹢45°极化耦合缝隙和-45°极化耦合缝隙，以及顶点分别与﹢45°极化耦合缝隙和-45°极化耦合缝隙的四个端点连接的矩形环状缝隙；
所述第一可重构十字形交叉槽缝和第二可重构十字形交叉槽缝中均安装有若干用于保持射频信号完整性的电容，所述﹢45°极化耦合缝隙和-45°极化耦合缝隙中还分别加载有两个用于通断控制不同的耦合缝隙工作进而实现天线极化可重构的PIN管。
进一步，所述高频双频天线单元还包括扇形枝节直流偏置结构，高频偏置线和低频偏置线分别连接所有的高低频双频天线单元，并统一引出直流偏置线头。
进一步，所述高频双频天线单元的馈电端口均为固定位置，所述高频双频天线单元的第二带状线根据所述馈电端口的位置进行不规则的拉伸。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
1、本发明仅用一套本方案的相控阵天线阵面设备，可以实现四个频段极化可重构功能，可以实现往往多套相控阵设备具备的功能，减少了所需要的TR通道数量，极大地降低了相控阵系统的成本。
2、本发明的四频段极化可重构相控阵天线，不需要改变天线结构方式，只需要控制PIN管的通断，就能实现天线在两种正交线极化中切换，进行正常工作。本发明相控阵天线使用方便，极化切换时间短。
3、本发明的四频段极化可重构相控阵天线，采用两种双频天线进行混合布阵，低频两个频段的阵列单元采用均匀布阵的方法，低频两个频段的阵列单元采用稀布阵的方法。这样的排布方法可以满足各个频段的扫描需求。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
本发明的附图说明如下。
图1是本发明四频段极化可重构相控阵天线阵面示意图。
图2是本发明低频双频天线单元布局结构示意图。
图3是本发明高频双频天线单元布局结构示意图。
图4是本发明极化可重构状态示意图。
图5是本发明S频段+45°极化状态阵列扫描示意图。
图6是本发明S频段-45°极化状态阵列扫描示意图。
图7是本发明C频段+45°极化状态阵列扫描示意图。
图8是本发明C频段-45°极化状态阵列扫描示意图。
图9是本发明X频段+45°极化状态阵列扫描示意图。
图10是本发明X频段-45°极化状态阵列扫描示意图。
图11是本发明Ku频段+45°极化状态阵列扫描示意图。
图12是本发明Ku频段-45°极化状态阵列扫描示意图。
图中：1-低频双频天线单元；2-高频双频天线单元；3-S频段的方环形贴片；4-C频段的方环形贴片；5-第一介质基板；6-第一基片集成波导辐射金属腔体；7-第二介质基板；8-第一带状线；9-第一类同轴馈电结构；10-第一金属地板；11-第一可重构十字形交叉槽缝；12-第一基片集成波导馈电金属腔体；13-第三介质基板；14-X频段的方形贴片；15-Ku频段的十字型贴片；16-第二基片集成波导辐射层金属腔体；17-第四介质基板；18-第二带状线；19-第二类同轴馈电结构；20-第二金属地板；21-第二可重构十字形交叉槽缝；22-第三基片集成波导辐射层金属腔体；23-PIN管；24-电容；25-高频偏置线；26-低频偏置线；27-扇形枝节直流偏置结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“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为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。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实施例中的具体含义。
如图1-图3所示的一种四频段极化可重构共口径相控阵天线，其特征在于，包括工作在S\C波段的若干低频双频天线单元1以及工作在X\Ku波段的若干高频双频天线单元2；
所述低频双频天线单元1采用均匀三角布阵方式布阵，所述高频双频天线单元2采用稀疏布阵方式布阵；
所述共口径天线为多层电路板印刷制成，所述低频双频天线单元1和高频双频天线单元2均包括位于共口径相控阵天线上层的辐射层组件，所述辐射层组件均包括有用于实现双频工作的两层辐射贴片；
所述低频双频天线单元1和高频双频天线单元2均包括有位于共口径相控阵天线下层的馈电层组件，所述馈电层组件均采用缝隙馈电的方式激励上层的两层辐射贴片，所述缝隙内均加载有通过控制通断实现天线阵列四个频段的极化可重构功能的PIN管23。
作为本发明的一种实施例，所述低频双频天线单元1的数量为25，采用5×5的三角均匀布阵方式布阵，相邻低频双频天线单元1的间距为45×36mm；
所述低频双频天线单元1的数量为35，采用5×7稀疏布阵方式布阵，阵面总体尺寸为298×228×5.3mm。
在本发明实例中，低频双频天线单元1的尺寸为23.4×23.4×5.3mm，高频双频天线单元2的尺寸为9.4×9.4×5.3mm。
作为本发明的一种实施例，所述低频双频天线单元1辐射层组件包括层叠设置的两个第一介质基板5，所述低频双频天线单元1的两层辐射贴片分别为S频段的方环形贴片3、C频段的方环形贴片4，所述S频段的方环形贴片3、C频段的方环形贴片4分别贴设在两个第一介质基板5上；
所述低频双频天线单元1辐射层组件还包括由若干贯穿两个第一介质基板5的第一金属通孔构成的第一基片集成波导辐射金属腔体6，所述S频段的方环形贴片3、C频段的方环形贴片4均位于第一基片集成波导辐射金属腔体6内。
作为本发明的一种实施例，所述低频双频天线单元1馈电层组件包括层叠设置的三个第二介质基板7，以及安装在最下层第二介质基板7上的第一带状线8和第一类同轴馈电结构9；
所述最上层第二介质基板7上安装有第一金属地板10，所述第一金属地板10上设置有第一可重构十字形交叉槽缝11；
所述低频双频天线单元1馈电层组件还包括由若干贯穿三个第二介质基板7的第二金属通孔构成的第一基片集成波导馈电金属腔体12，所述第一可重构十字形交叉槽缝11位于所述第一基片集成波导馈电金属腔体12内。
作为本发明的一种实施例，所述高频双频天线单元2辐射层组件包括层叠设置的两个第三介质基板13，所述高频双频天线单元2辐射层组件的两层辐射贴片分别为X频段的方形贴片14、Ku频段的十字型贴片15，所述X频段的方形贴片14、Ku频段的十字型贴片15分别贴设在两个第三介质基板13上；
所述高频双频天线单元2辐射层组件还包括由若干贯穿两个第三介质基板13的第三金属通孔构成的第二基片集成波导辐射层金属腔体16，所述X频段的方形贴片14、Ku频段的十字型贴片15均位于第二基片集成波导辐射层金属腔体16内。
作为本发明的一种实施例，所述高频双频天线单元2馈电层组件包括层叠设置的三个第四介质基板17，以及安装在最下层第四介质基板17上的第二带状线18和第二类同轴馈电结构19；
最上层的所述第四介质基板17上安装有第二金属地板20，所述第二金属地板20上设置有第二可重构十字形交叉槽缝21；
所述高频双频天线单元2馈电层组件还包括由若干贯穿三个第四介质基板17的第四金属通孔构成的第三基片集成波导辐射层金属腔体22，所述第二可重构十字形交叉槽缝21位于所述第三基片集成波导辐射层金属腔体22内。
作为本发明的一种实施例，所述第一可重构十字形交叉槽缝11和第二可重构十字形交叉槽缝21均包括十字正交放置的﹢45°极化耦合缝隙和-45°极化耦合缝隙，以及顶点分别与﹢45°极化耦合缝隙和-45°极化耦合缝隙的四个端点连接的矩形环状缝隙；
所述矩形环槽缝隙将所述上层金属地板分割为内部金属地板和外部金属地板，所述﹢45°极化耦合缝隙和-45°极化耦合缝隙将内部金属地板分割为四块相同的三角形金属地板；
所述第一可重构十字形交叉槽缝11和第二可重构十字形交叉槽缝21中均安装有若干用于保持射频信号完整性的电容24，所述﹢45°极化耦合缝隙和-45°极化耦合缝隙中还分别加载有两个用于通断控制不同的耦合缝隙工作进而实现天线极化可重构的PIN管23。
在本发明实施例中，通过矩形环槽缝隙将第一金属地板或第二金属地板分割为内、外部，通过﹢45°极化耦合缝隙和-45°极化耦合缝隙将内部金属地板分割为四块相同的三角形金属地板，对角的三角形金属地板为一组。
作为本发明的一种实施例，所述高频双频天线单元2还包括扇形枝节直流偏置结构27，高频偏置线25和低频偏置线26分别连接所有的高低频双频天线单元，并统一引出直流偏置线头。
在本发明实施例中，所述扇形枝节直流偏置结构27的四个直流偏置金属柱的上端分别与四个三角形金属地板连接，四个直流偏置金属柱的下端分别与设置在中间第四介质基板上的四个扇形枝节结构连接，对角设置的两个直流偏置金属柱为一组，其中一组直流偏置金属柱通过两根引流柱引至中间介质基板的下表面，从而在两个不同的平面形成直流偏置线路，防止线路出现交叉。
作为本发明的一种实施例，所述高频双频天线单元2的馈电端口均为固定位置，所述高频双频天线单元2的第二带状线18根据所述馈电端口的位置进行不规则的拉伸。
如图4所示为天线实现极化可重构的原理和示意图，当加载不同的正负直流电压在四个PIN管上，可以实现+45°/-45°两种极化状态。
根据上面介绍的设计方式，使用HFSS18.0对所设计的四频段极化可重构相控阵天线扫描情况进行仿真分析，其分析结果如下：
如图5、图6所示，该相控阵天线S频段的±45°两种极化状态的E面在±45°波束扫描范围内无栅瓣出现，且在波束扫描范围内，两种极化状态的阵列合成增益均高于14.9dBi，副瓣电平优于-10.58dB。
如图7、图8所示，该相控阵天线C频段的±45°两种极化状态的E面在±30°波束扫描范围内无栅瓣出现，且在波束扫描范围内，两种极化状态的阵列合成增益均高于16.35dBi，副瓣电平优于-14.05dB。
如图9、图10所示，该相控阵天线X频段的±45°两种极化状态的E面在±10°波束扫描范围内无栅瓣出现，且在波束扫描范围内，两种极化状态的阵列合成增益均高于21.96dBi，副瓣电平优于-8.87dB。
如图11、图12所示，该相控阵天线Ku频段的±45°两种极化状态的E面在±10°波束扫描范围内无栅瓣出现，且在波束扫描范围内，两种极化状态的阵列合成增益均高于14.55dBi，副瓣电平优于-9.52dB。
综上所述，本发明仅用一套本方案的相控阵天线阵面设备，可以实现四个频段极化可重构功能，可以实现往往多套相控阵设备具备的功能，减少了所需要的TR通道数量，极大地降低了相控阵系统的成本。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种四频段极化可重构共口径相控阵天线，其特征在于，包括工作在S\C波段的若干低频双频天线单元(1)以及工作在X\Ku波段的若干高频双频天线单元(2)；
所述低频双频天线单元(1)采用均匀三角布阵方式布阵，所述高频双频天线单元(2)采用稀疏布阵方式布阵；
所述共口径相控阵天线为多层电路板印刷制成，所述低频双频天线单元(1)和高频双频天线单元(2)均包括位于共口径相控阵天线上层的辐射层组件，所述辐射层组件均包括有用于实现双频工作的两层辐射贴片；
所述低频双频天线单元(1)和高频双频天线单元(2)均包括有位于共口径相控阵天线下层的馈电层组件，所述馈电层组件均采用缝隙馈电的方式激励上层的两层辐射贴片，所述缝隙内均加载有通过控制通断实现天线阵列四个频段的极化可重构功能的PIN管(23)；
所述低频双频天线单元(1)辐射层组件包括层叠设置的两个第一介质基板(5)，所述低频双频天线单元(1)的两层辐射贴片分别为S频段的方环形贴片(3)、C频段的方环形贴片(4)，所述S频段的方环形贴片(3)、C频段的方环形贴片(4)分别贴设在两个第一介质基板(5)上；
所述低频双频天线单元(1)辐射层组件还包括由若干贯穿两个第一介质基板(5)的第一金属通孔构成的第一基片集成波导辐射金属腔体(6)，所述S频段的方环形贴片(3)、C频段的方环形贴片(4)均位于第一基片集成波导辐射金属腔体(6)内；
所述低频双频天线单元(1)馈电层组件包括层叠设置的三个第二介质基板(7)，以及安装在最下层第二介质基板(7)上的第一带状线(8)和第一类同轴馈电结构(9)；
最上层的所述第二介质基板(7)上安装有第一金属地板(10)，所述第一金属地板(10)上设置有第一可重构十字形交叉槽缝(11)；
所述低频双频天线单元(1)馈电层组件还包括由若干贯穿三个第二介质基板(7)的第二金属通孔构成的第一基片集成波导馈电金属腔体(12)，所述第一可重构十字形交叉槽缝(11)位于所述第一基片集成波导馈电金属腔体(12)内；
所述高频双频天线单元(2)辐射层组件包括层叠设置的两个第三介质基板(13)，所述高频双频天线单元(2)辐射层组件的两层辐射贴片分别为X频段的方形贴片(14)、Ku频段的十字型贴片(15)，所述X频段的方形贴片(14)、Ku频段的十字型贴片(15)分别贴设在两个第三介质基板(13)上；
所述高频双频天线单元(2)辐射层组件还包括由若干贯穿两个第三介质基板(13)的第三金属通孔构成的第二基片集成波导辐射层金属腔体(16)，所述X频段的方形贴片(14)、Ku频段的十字型贴片(15)均位于第二基片集成波导辐射层金属腔体(16)内；
所述高频双频天线单元(2)馈电层组件包括层叠设置的三个第四介质基板(17)，以及安装在最下层第四介质基板(17)上的第二带状线(18)和第二类同轴馈电结构(19)；
最上层的所述第四介质基板(17)上安装有第二金属地板(20)，所述第二金属地板(20)上设置有第二可重构十字形交叉槽缝(21)；
所述高频双频天线单元(2)馈电层组件还包括由若干贯穿三个第四介质基板(17)的第四金属通孔构成的第三基片集成波导辐射层金属腔体(22)，所述第二可重构十字形交叉槽缝(21)位于所述第三基片集成波导辐射层金属腔体(22)内；
所述第一可重构十字形交叉槽缝(11)和第二可重构十字形交叉槽缝(21)均包括十字正交放置的﹢45°极化耦合缝隙和-45°极化耦合缝隙，以及顶点分别与﹢45°极化耦合缝隙和-45°极化耦合缝隙的四个端点连接的矩形环状缝隙；
所述第一可重构十字形交叉槽缝(11)和第二可重构十字形交叉槽缝(21)中均安装有若干用于保持射频信号完整性的电容(24)，所述﹢45°极化耦合缝隙和-45°极化耦合缝隙中还分别加载有两个用于通断控制不同的耦合缝隙工作进而实现天线极化可重构的PIN管(23)。
2.如权利要求1所述的一种四频段极化可重构共口径相控阵天线，其特征在于，所述低频双频天线单元(1)的数量为25，采用5×5的三角均匀布阵方式布阵，相邻低频双频天线单元(1)的间距为45×36mm；
所述高频双频天线单元(2)的数量为35，采用5×7稀疏布阵方式布阵，阵面总体尺寸为298×228×5.3mm。
3.根据权利要求1所述的一种四频段极化可重构共口径相控阵天线，其特征在于,所述高频双频天线单元(2)还包括扇形枝节直流偏置结构(27)，高频偏置线(25)和低频偏置线(26)分别连接所有的高低频双频天线单元，并统一引出直流偏置线头。
4.根据权利要求1所述的一种四频段极化可重构共口径相控阵天线，其特征在于,所述高频双频天线单元(2)的馈电端口均为固定位置，所述高频双频天线单元(2)的第二带状线(18)根据所述馈电端口的位置进行不规则的拉伸。
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