CN114784523B - 一种多频共口径端射圆极化相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多频共口径端射圆极化相控阵天线，属于天线技术领域。包括沿x方向周期排布的若干个线性阵列组，每个线性阵列组由沿x方向等间距排列的N种频率不同的圆极化端射天线线性阵列组成，且N种频率不同的圆极化端射天线线性阵列融入同一天线口径面中；圆极化端射天线线性阵列包括若干个沿y方向周期设置的圆极化端射天线单元，辐射方向为z方向；相邻圆极化端射天线线性阵列之间设置有矩形金属块作为频间去耦合结构。本发明通过将多种频率不同的圆极化端射天线线性阵列平行排列，融入同一天线口径面中，利用线性阵列在纵向长度上的分布换取平面布局密度下降，具有小型化、易实现、易接驳后端电路的优势。

Description

一种多频共口径端射圆极化相控阵天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种多频共口径端射圆极化相控阵天线。
背景技术
近年来，个人通讯设备快速更新换代、基站通信设备装机量逐年增加、低轨卫星星座建设如火如荼、先进探测装备大规模普及，这些发展进程都期望其设备能够实现更小的体积、更轻的重量以及更多的功能，但传统采用分立天线形式的设备要求每一种功能都配备一到两副天线，因此多功能系统常以庞大、笨重的形态示人。若能将多重功能集成在一副天线或将多个天线融入同一口径面内，将大大缩减系统的体积与重量。在需求驱动下，共口径天线成为业界热点，该研究方向兼具学术性与工程性，大批响应此概念的学术文章、新型产品涌现。可以预见，多天线共用口径将成为未来天线部件呈现在用户面前的主要形态，为通信、探测设备的小型化、轻量化和集成化发展注入新的动力，降低多功能通信、探测设备的使用门槛，推动新型通信探测设备向更广大用户群体普及。
然而共口径天线仍然面临诸多技术瓶颈，以多频圆极化共口径天线为例，申请号为CN201910094604.X的发明专利中公开了一种平面式多频共口径圆极化相控阵，但是其高布局密度使得后级电路难以在平面上排布。申请号为CN201710557550.7的发明专利公开了一种端射式圆极化天线单元，但其尺寸及功能仍难以直接应用于多频共口径圆极化天线阵中。
发明内容
本发明的目的是针对平面式圆极化共口径天线阵各部件布局密度过高、难以实现的问题，提出了一种多频共口径端射圆极化相控阵天线。通过将多种频率不同的圆极化端射天线线性阵列平行排列，融入同一天线口径面中，利用线性阵列在纵向长度上的分布换取平面布局密度下降，具有小型化、易实现、易接驳后端电路的优势。
本发明采用的技术方案如下：
一种多频共口径端射圆极化相控阵天线，其特征在于，包括结构相同、沿x方向周期排布的若干个线性阵列组，每个线性阵列组由沿x方向等间距排列的N种频率不同的圆极化端射天线线性阵列组成，且N种频率不同的圆极化端射天线线性阵列融入同一天线口径面中；
所述圆极化端射天线线性阵列，包括若干个沿y方向周期设置的圆极化端射天线单元，所述圆极化端射天线单元的辐射方向为z方向；
相邻圆极化端射天线线性阵列之间设置有矩形金属块作为频间去耦合结构，所述矩形金属块的两侧面与圆极化端射天线线性阵列贴合，用于实现水平极化去耦合。
进一步地，所述圆极化端射天线单元关于z方向中轴线中心对称，包括矩形介质基板、覆盖矩形介质基板两面的正面金属层和背面金属层、两排金属通孔阵列；其中，所述矩形介质基板在辐射方向一端设置有宽度与矩形介质基板宽度相同的基板延伸区域，所述基板延伸区域不覆盖金属层；两排金属通孔阵列设置于圆极化端射天线单元的两侧、且平行于辐射方向，使得正面金属层和背面金属层保持电气连接；所述正面金属层和所述背面金属层在辐射方向一端均设置有矩形槽，且矩形槽在垂直方向上的投影至少部分错开。
进一步地，所述矩形槽在垂直方向上的投影部分错开时，在矩形槽的投影区域中心位置设置有一金属销钉，且所述金属销钉与正面金属层、背面金属层不接触。
进一步地，所述矩形金属块沿y方向的长度不小于圆极化端射天线线性阵列的长度。
进一步地，所述频间去耦合结构还包括金属板或金属栅条，所述金属板或金属栅条的一端朝向辐射方向，另一端与矩形金属块连接，用于进一步提高水平极化去耦合效果。
进一步地，所述多频共口径端射圆极化相控阵天线的辐射方向一端设置有介质天线罩，所述介质天线罩包括中层介质板、设置于中层介质板上表面的若干上层凸起、设置于中层介质板下表面的若干下层凸起，且上层凸起和下层凸起周期交错排布；通过设置周期交错排布的上层凸起和下层凸起改善天线罩的通透性，使得近区加载也能实现良好通透，有效降低多频共口径端射圆极化相控阵天线的剖面高度。
本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种多频共口径圆极化相控阵天线，还提供了圆极化端射天线单元的具体结构，通过改变相控阵天线的布局方式，实现了平面天线阵向立体天线阵的转变，有效降低了天线平面布局密度，使得多频共口径圆极化相控阵天线更具实现性。
附图说明
图1为一种三频共口径端射圆极化相控阵天线的拓扑结构示意图。
图2为一种双频共口径端射圆极化相控阵天线的示意图。
图3为六种端射圆极化天线单元的结构示意图。
图4为频间去耦合结构的示意图及去耦合原理，其中图4（a）为水平极化分量去耦合原理，图4（b）为三种频间去耦合结构的示意图，图4（c）为垂直极化分量去耦合原理。
图5为介质天线罩的结构示意图，其中图5（a）为介质天线罩的三维结构示意图，图5（b）为介质天线罩的位置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
图1为一种三频共口径端射圆极化相控阵天线的拓扑结构示意图，包括结构相同、沿x方向周期排布的若干个线性阵列组，线性阵列组由沿x方向等间距排列的三种频率不同的圆极化端射天线线性阵列（101、102、103）组成，且具有扩展性；三种频率不同的圆极化端射天线线性阵列融入同一天线口径面中。
圆极化端射天线线性阵列，包括若干个沿y方向周期设置的圆极化端射天线单元，圆极化端射天线单元的辐射方向为z方向。
相邻圆极化端射天线线性阵列之间设置有矩形金属块作为频间去耦合结构，所述矩形金属块的两侧面与圆极化端射天线线性阵列贴合，用于实现水平极化去耦合。
实施例2：
图2为双频共口径端射圆极化相控阵天线的示意图，实际阵列中，包括8个工作频率较低的第一圆极化端射天线线性阵列（201）和8个工作频率较高的第二圆极化端射天线线性阵列（202），且第一圆极化端射天线线性阵列（201）和第二圆极化端射天线线性阵列（202）沿x方向等间距交错排列，中心距d=2.5mm；同频的圆极化端射天线线性阵列的周期D=5mm；第一圆极化端射天线线性阵列（201）和第二圆极化端射天线线性阵列（202）的厚度均为t=1.5mm；相邻圆极化端射天线线性阵列之间设置有矩形金属块作为频间去耦合结构，所述矩形金属块沿y方向的长为40mm、沿x方向的宽为1mm、沿z方向的高为2mm，其两侧面与圆极化端射天线线性阵列贴合，用于实现水平极化去耦合。
两种频率不同的圆极化端射天线线性阵列融入同一天线口径面中，且不同频率的圆极化端射天线线性阵列的馈电独立、工作状态独立，能够同时执行不同任务。其中，第一圆极化端射天线线性阵列，包括8个沿y方向周期设置的第一圆极化端射天线单元，如图3（b）所示，该第一圆极化端射天线单元关于z方向中轴线中心对称，包括矩形介质基板、覆盖矩形介质基板两面的正面金属层和背面金属层、两排金属通孔阵列（304）；其中，所述矩形介质基板长hm=12mm、宽Wk=7.5mm，在辐射方向一端设置有宽度与矩形介质基板宽度相同、长hk=1.1mm的基板延伸区域（303），所述基板延伸区域不覆盖金属层；两排金属通孔阵列（304）设置于圆极化端射天线单元的两侧，使得正面金属层和背面金属层保持电气连接；所述矩形介质基板、正面金属层、背面金属层、两排金属通孔阵列共同构成基片集成波导；所述正面金属层和所述背面金属层在辐射方向一端均设置有矩形槽（302），矩形槽宽Gk=3.4mm，深度为3.2mm；设置于正面金属层的矩形槽和设置于背面金属层的矩形槽在垂直方向上的投影重合部分宽为1.5mm，矩形槽的投影区域中心位置设置有直径Dhole=1mm的通孔，用于放置一半径为0.4mm的金属销钉（301）。
在本实施例的圆极化端射天线单元中，由设置矩形槽后残余的金属臂形成类偶极子结构辐射产生水平极化分量，而垂直极化分量则由基片集成波导辐射产生，两分量幅度相等，相位相差90度便可生成圆极化辐射波；但是，在基片集成波导厚度较薄的情况下，垂直极化分量一般无法实现与水平极化分量的幅度相等，难以实现圆极化辐射波，因此通过加载金属销钉加强垂直极化分量辐射，使得圆极化端射天线单元在较薄的情况下也能生成足够的垂直极化分量用于生成圆极化辐射波，进一步地降低天线的平面布局密度。
第二圆极化端射天线线性阵列，包括12个沿y方向周期设置的第二圆极化端射天线单元，如图3（a）所示，该第二圆极化端射天线单元与第一端射圆极化天线单元不同之处在于：矩形介质基板宽Wka=5mm，基板延伸区域长hka=1mm，矩形槽宽Gka=2mm，设置于正面金属层的矩形槽和设置于背面金属层的矩形槽在垂直方向上的投影重合部分宽为0.5mm。
实施例3：
本实施例提供了另外四种端射圆极化天线单元：
图3（c）所示为第三圆极化端射天线单元，与第二端射圆极化天线单元的不同之处在于：基板延伸区域内还设置有长为0.8mm、宽为0.2mm的纵向矩形条带加载结构（305），纵向矩形条带加载结构（305）的长边平行于辐射方向，且纵向矩形条带加载结构（305）的一宽边与金属层连接。
图3（d）所示为第四圆极化端射天线单元，与第二端射圆极化天线单元的不同之处在于：基板延伸区域内还设置有长为1.8mm、宽为0.2mm的横向矩形条带加载结构（306），横向矩形条带加载结构（306）的长边垂直于辐射方向，且横向矩形条带加载结构（306）与金属层的间距为0.2mm。
第三端射圆极化天线单元和第四端射圆极化天线单元，通过加载矩形条带，能够有效改善方向图波束宽度，补偿阵列大角度扫描时的极化畸变。
图3（e）所示为第五圆极化端射天线单元，与第二端射圆极化天线单元的不同之处在于：基板延伸区域内还设置有一排L型超材料阵列（307），L型超材料阵列（307）与金属层的间距为0.4mm，用以减小端射圆极化天线线性阵列中天线单元间的互耦合，缓解扫描时增益下降和有源驻波比恶化。
图3（f）所示为第六圆极化端射天线单元，与第二端射圆极化天线单元的不同之处在于：矩形槽的宽Gs=1mm，设置于正面金属层的矩形槽和设置于背面金属层的矩形槽在垂直方向上的投影完全错开、间距为0.2mm，且未设置金属销钉。该结构采用水平极化分量对消方法，通过减小矩形槽的宽边尺寸，使矩形槽的两侧均残余金属臂，形成两个类偶极子结构，根据基片集成波导壁上电流的对称性，两个类偶极子辐射出的水平极化分量相互抵消，减小水平极化分量的幅度，以匹配较薄基片集成波导所辐射较弱的垂直极化分量，进而形成圆极化辐射。
实施例4：
本实施例在实施例2的基础上，进一步地改进了频间去耦合结构。
图4为频间去耦合结构的示意图及去耦合原理，其中图4（a）为水平极化分量去耦合原理，本实施例中，水平极化分量的耦合路径由不同频率的端射圆极化天线单元的矩形槽下边沿建立，依据紧贴理想导体的电流不辐射原理，采用地板束缚方法，通过设置矩形金属块（401）实现对矩形槽下侧电流的束缚，从而实现水平极化分量去耦合。图4（b）为三种频间去耦合结构的示意图，其中第一种频间去耦合结构为矩形金属块（401）；第二种频间去耦合结构为在矩形金属块（401）上方添加金属板（402）；第三种频间去耦合结构为在矩形金属块（401）上方添加金属栅条（403）；通过加载金属板或金属栅条实现对水平极化分量耦合路径的进一步隔断，增进去耦合效果。图4（c）为垂直极化分量去耦合原理，利用基片集成波导中模式间的正交性，通过调节圆极化端射天线单元的宽边尺寸，其中W1=3.6mm，W2=5.6mm，W3=6.8mm，使得不同频率的圆极化端射天线单元的基片集成波导内部工作模式不同，无法互相激励，从而实现垂直极化分量的去耦合。
实施例5：
图5所示为介质天线罩的结构示意图，所述介质天线罩包括中层介质板（501）、设置于中层介质板上表面的若干上层凸起（502）、设置于中层介质板下表面的若干下层凸起（503），且上层凸起和下层凸起周期交错排布，其中中层介质板（501）的厚度为2mm，上层凸起（502）和下层凸起（503）的宽为1.5mm，高为1.5mm，中心距为5mm。本实施例在实施例2的基础上，通过在双频共口径端射圆极化相控阵天线的辐射方向上方设置介质天线罩，通过设置周期交错排布的上下凸起改善天线罩的通透性，使得近区加载也能实现良好通透，有效降低双频共口径端射圆极化相控阵天线的剖面高度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，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；所公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (6)

1.一种多频共口径端射圆极化相控阵天线，其特征在于，包括结构相同、沿x方向周期排布的若干个线性阵列组，每个线性阵列组由沿x方向等间距排列的N种频率不同的圆极化端射天线线性阵列组成，且N种频率不同的圆极化端射天线线性阵列融入同一天线口径面中；
所述圆极化端射天线线性阵列，包括若干个沿y方向周期设置的圆极化端射天线单元，所述圆极化端射天线单元的辐射方向为z方向；
相邻圆极化端射天线线性阵列之间设置有矩形金属块作为频间去耦合结构，所述矩形金属块的两侧面与圆极化端射天线线性阵列贴合。
2.如权利要求1所述的一种多频共口径端射圆极化相控阵天线，其特征在于，所述圆极化端射天线单元关于z方向中轴线中心对称，包括矩形介质基板、覆盖矩形介质基板两面的正面金属层和背面金属层、两排金属通孔阵列；其中，所述矩形介质基板在辐射方向一端设置有宽度与矩形介质基板宽度相同的基板延伸区域，所述基板延伸区域不覆盖金属层；两排金属通孔阵列设置于圆极化端射天线单元的两侧、且平行于辐射方向，使得正面金属层和背面金属层保持电气连接；所述正面金属层和所述背面金属层在辐射方向一端均设置有矩形槽，且矩形槽在垂直方向上的投影至少部分错开。
3.如权利要求2所述的一种多频共口径端射圆极化相控阵天线，其特征在于，所述矩形槽在垂直方向上的投影部分错开时，在矩形槽的投影区域中心位置设置有一金属销钉，且所述金属销钉与正面金属层、背面金属层不接触。
4.如权利要求2或3所述的一种多频共口径端射圆极化相控阵天线，其特征在于，所述矩形金属块沿y方向的长度不小于圆极化端射天线线性阵列的长度。
5.如权利要求4所述的一种多频共口径端射圆极化相控阵天线，其特征在于，所述频间去耦合结构还包括金属板或金属栅条，所述金属板或金属栅条的一端朝向辐射方向，另一端与矩形金属块连接。
6.如权利要求4所述的一种多频共口径端射圆极化相控阵天线，其特征在于，所述多频共口径端射圆极化相控阵天线的辐射方向一端设置有介质天线罩，所述介质天线罩包括中层介质板、设置于中层介质板上表面的若干上层凸起、设置于中层介质板下表面的若干下层凸起，且上层凸起和下层凸起周期交错排布。
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