CN115084844A - 一种低剖面宽带圆极化天线子阵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低剖面宽带圆极化天线子阵，该天线子阵采用多层结构的一体化设计方案，包括按从上到下依次设置的天线罩、上层介质板、中间介质板、正交馈电臂、底层介质板、反射板和射频连接器，其中上层介质板上蚀刻辐射贴片，底层介质板上蚀刻微带绕线，正交馈电臂位于中间，一方面起支撑作用，另一方面电连接辐射贴片和微带绕线。本发明公开的低剖面宽带圆极化天线子阵采用层次结构一体化设计，系统体积较小，结构紧凑，且采用扩展式设计，容易实现天线层级的子阵化，以适应不同尺寸、不同形状的相控阵天线的应用；该天线子阵在保持低剖面的同时，实现了S频段200MHz的带宽，并且兼顾了天线电性能、重量和强度之间的平衡。
Description
技术领域
本发明属于无线通信领域，尤其涉及一种低剖面宽带圆极化天线子阵。
背景技术
随着无线通信、雷达系统的不断发展，常规天线已经不能完全满足现代通讯和雷达系统的要求，且由于相控阵天线技术的广泛应用，对天线的带宽、低剖面、小型化和轻量化设计也提出了更加苛刻的要求，同时为了提高天线系统的研发效率，需要考虑对辐射天线的系列化和可扩展性设计。
为了实现天线低剖面，目前主要采用微带贴片天线，然而该天线在天线带宽、天线剖面厚度、子阵化和系列化方面的设计还有很多不足，主要表现在：(1)现有的微带贴片天线，采用独立馈线和辐射单元设计，造成天线系统体积比较庞大，无法在天线层级实现子阵化，因此其可扩展性很差；(2)现有的微带贴片天线的主要通过增加介质板的厚度等方法实现宽带化，因此其很难实现天线低剖面；(3)现有微带天线大都使用整体天线罩，这样更难实现子阵化，即使使用独立的单元天线罩，也需要额外复杂的结构设计，来完成天线罩的支撑和固定；(4)目前的微带贴片天线主要针对特定的需求进行天线的定制化设计，其应用范围也严重受限，受限于不同应用场景的需求，现有很难在现有天线的设计方面实现电性能、厚度、重量、强度等方面的均衡。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术中天线子阵低剖面与带宽不能兼备，可扩展性差以及通用性差的问题，本发明提供一种低剖面宽带圆极化天线子阵。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种低剖面宽带圆极化天线子阵，所述天线子阵包括：天线罩、上层介质板、中间介质板、正交馈电臂、底层介质板、反射板和射频连接器；
所述天线罩为天线子阵的保护外壳，罩在天线外侧；
所述上层介质板上蚀刻呈方形阵列的n×n个辐射贴片，上层介质板位于天线罩内的最上层；
所述中间介质板位于上层介质板与正交馈电臂之间；
所述底层介质板蚀刻微带绕线，底层介质板位于正交馈电臂下方，正交馈电臂将每个辐射贴片和微带绕线中与辐射贴片对应设置的绕线组电连接在一起；
所述反射板位于底层介质板下面；
所述射频连接器有多个，且呈矩阵排列后嵌入反射板上。
优选的，所述天线罩采用玻璃布制成，采用卡槽式设计；天线罩与上层介质板之间通过环氧胶粘结。
优选的，所述正交馈电臂由n个横向馈电臂和n个纵向馈电臂交错套接而成；每个横向馈电臂和纵向馈电臂上均设置了n个独立等长的蛇形绕线，正交馈电臂的横向馈电臂和纵向馈电臂套接时，保证由横向馈电臂和纵向馈电臂围成的栅格的四个边上均有蛇形绕线；所述蛇形绕线的端口与辐射贴片连接。
优选的，所述中间介质板为泡沫介质板，且泡沫介质板上设置缝隙，使泡沫介质板能够嵌入并填充到正交馈电臂的正交栅格中。
优选的，所述微带绕线包括n×n组各不相同的蛇形绕线；每组蛇形绕线包括第一端口和第二端口，以及与后端滤波器连接的第三端口，第一端口和第二端口通过不同的蛇形微带线连接第三端口，且第一端口到第三端口的微带长度与第二端口到第三端口的微带长度相同；所述第一端口和第二端口与正交馈电臂的蛇形微带绕线电连接；且所述微带绕线的每组蛇形绕线内部形成180°相位差。
优选的，所述每个辐射贴片与其相邻的辐射贴片之间的中心间距分别为dx1和dy1，所述底层介质板刻蚀的微带绕线的每组蛇形绕线的第三端口与其相邻组蛇形绕线的第三端口之间的距离为dx2和dy2，且dx2≤dx1，dy2≤dy1。
优选的，所述底层介质板与反射板之间通过导电胶连接。
优选的，所述底层介质板和上层介质板上均开设定位槽。
优选的，所述天线子阵整体呈方形，且4个角呈45°倒角设计。
本发明的有益效果是：本发明公开的低剖面宽带圆极化天线子阵采用层次结构一体化设计，辐射贴片采用一体化耦合馈线进行馈电，降低了馈电电路的阻抗，提高了馈电阻抗带宽，而且采用层次叠加的设计结构，增加了上层介质板和反射板之间的距离，降低了辐射贴片的Q值，进一步提高了阻抗带宽；该子阵天线系统体积较小，结构紧凑，且整体结构采用易扩展式模块设计，为实现天线层级的子阵化做好准备；同时该子阵天线采用导电胶进行部分器件之间的连接，采用填充式泡沫介质板，在无需增加天线厚度，保持了天线低剖面和轻量化设计；本发明的子阵天线通过微带绕线的180°相位差以及X和Y方向两个正交馈电臂进行正交馈电，提高了天线方向图轴比带宽，并且使得轴比性能对加工误差不敏感，其可实现S频段200MHz的带宽。
综上本发明的天线子阵易实现天线层级的子阵化，且均衡了天线电性能、重量和强度之间的优化设计。
附图说明
图1为本发明实施例中低剖面宽带圆极化天线子阵爆炸图；
图2为本发明实施例中辐射贴片的排布示意图；
图3为本发明实施例中微带绕线上不同蛇形绕线的示意图；
图4为本发明实施例中横向馈电臂的结构示意图；
图5为本发明实施例中纵向馈电臂的结构示意图；
图6为本发明实施例中低剖面宽带圆极化天线子阵装配图；
图中：100.天线子阵 1.天线罩 2.上层介质板 3.中间介质板 4.正交馈电臂 5.底层介质板 6.反射板 7.射频连接器 2-1.辐射贴片 2-2.定位槽 2-3.定位槽 4-1.横向馈电臂 4-2.纵向馈电臂 5-1.微带绕线 5-11.第一端口 5-12.第二端口 5-13.第三端口5-2.定位槽 5-3.定位槽。
具体实施方式
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种如图1和图6所示的低剖面宽带圆极化天线子阵100，其中图1为天线子阵100的内部结构爆炸图，图6为天线子阵100装配后的示意图。如图1所示，该天线子阵100包括：天线罩1、上层介质板2、中间介质板3、正交馈电臂4、底层介质板5、反射板6和射频连接器7。
其中，天线罩1为天线子阵的保护外壳，罩在天线外侧，作为实施例，该天线罩1采用厚度为1mm左右的玻璃布制成，并采用环氧胶与天线整体集成封装，这样不仅加强了天线的整体强度，实现了天线的封装，而且同时简化了天线罩1的繁琐安装，并实现天线的低剖面。作为实施例如图1所示，天线罩1采用卡槽式设计，这样的设计可方便在天线层面的阵列化拓展。
上层介质板2位于天线罩1内的最上层，其表面蚀刻了呈方形阵列排布的n×n个辐射贴片2-1，如图2所示，辐射贴片2-1用于接收或者发射信号。同时上层介质板2上还设置定位槽2-2和2-3，定位槽的设置保证正交馈电臂4与辐射贴片2-1之间的相对位置，使正交馈电臂4正好与图2中的虚线位置相对应。
中间介质板3位于上层介质板2与正交馈电臂4之间，作为实施例，中间介质板3采用泡沫介质板，且泡沫介质板上设置缝隙，使泡沫介质板嵌入并填充到正交馈电臂4的正交栅格中，这样不仅增加天线子阵的强度，实现天线的轻量化设计，而且也不需要在微带绕线5与辐射贴片2-1之间使用介质板进行层压，有利于实现子阵天线的低剖面。
正交馈电臂4为n个横向馈电臂4-1和n个纵向馈电臂4-2交错套接而成；如图4和图5所示，每个横向馈电臂4-1和纵向馈电臂4-2上均设置了n个独立等长的蛇形绕线，在横向馈电臂4-1和纵向馈电臂4-2套接时，需保证两个电臂上的蛇形绕线正好位于正交馈电臂4每一个正交栅格的四个边上，蛇形绕线的端口与辐射贴片2-1连接，用于将微带绕线上5-1的电流耦合至辐射贴片2-1上。
底层介质板5上蚀刻微带绕线5-1，底层介质板5位于正交馈电臂4的下方，正交馈电臂4将每个辐射贴片2-1和微带绕线5-1中对应的绕线组电连接在一起；如图3所示，微带绕线5-1包括n×n组各不相同的蛇形绕线；每组蛇形绕线包括通过正交馈电臂4与辐射贴片2-1连接的第一端口5-11和第二端口5-12，以及与后端滤波器连接的第三端口5-13，由于微带绕线5-1输入端口的dx2×dy2排列与辐射贴片dx1×dy1排列不同，因此，第一端口5-11和第二端口5-12通过不同的蛇形微带线连接第三端口5-13，这样可以使得第一端口5-11到第三端口5-13的微带长度与第二端口5-12到第三端口5-13的微带长度相同，进而实现天线子阵电性能的要求和方便其安装，第一端口5-11和第二端口5-12与正交馈电臂4电连接，将微带绕线上5-1的电流耦合至辐射贴片2-1上。微带绕线5-1的每组蛇形绕线内部形成180°相位差。在本发明中微带绕线5-1的第三端口5-13，为了适应后端滤波器的端口的排布和安装要求，则在电桥层进行了合理的微带绕线，实现天线子阵的16阵元之间的相位一致和子阵的等间距扩展。
上述的每个辐射贴片2-1与其相邻的辐射贴片2-1之间的中心间距分别为dx1和dy1，微带绕线5-1的每组蛇形绕线的第三端口5-13与其相邻组蛇形绕线的第三端口5-13之间的距离为分别为dx2和dy2，上述距离之间满足dx2≤dx1，dy2≤dy1。
同样底层介质板5上也设置了定位槽5-2和5-3，用于实现微带绕线5-1与正交馈电臂4之间的定位，如图3所示，正交馈电臂4与正好对应图3中的虚线位置，这样可以保证微带绕线5-1的蛇形绕线的第一端口5-11和第二端口5-12正好与正交馈电臂4上的两组蛇形绕线相对应。
反射板6位于底层介质板5下面，且反射板6与底层介质板5之间通过导电胶连接，这样既方便安装，还能减少螺钉的使用，避免了螺钉对电性能的影响，射频连接器7有多个，且呈矩阵排列后嵌入反射板6上。
如图6所示，天线子阵100整体呈方形，4个角呈45°倒角设计，天线罩1呈卡槽式设计，这样可以方便天线子阵的等间距扩展设计，并且天线子阵安装时不会干涉。
Claims (9)
1.一种低剖面宽带圆极化天线子阵，其特征在于，所述天线子阵包括：天线罩、上层介质板、中间介质板、正交馈电臂、底层介质板、反射板和射频连接器；
所述天线罩为天线子阵的保护外壳，罩在天线外侧；
所述上层介质板上蚀刻呈方形阵列的n×n个辐射贴片，上层介质板位于天线罩内的最上层；所述中间介质板位于上层介质板与正交馈电臂之间；
所述底层介质板蚀刻微带绕线，底层介质板位于正交馈电臂下方，正交馈电臂将每个辐射贴片和微带绕线中与辐射贴片对应设置的绕线组电连接在一起；
所述反射板位于底层介质板下面；
所述射频连接器有多个，且呈矩阵排列后嵌入反射板上。
2.根据权利要求1所述的低剖面宽带圆极化天线子阵，其特征在于，所述天线罩采用玻璃布制成，采用卡槽式设计；天线罩与上层介质板之间通过环氧胶粘结。
3.根据权利要求1所述的低剖面宽带圆极化天线子阵，其特征在于，所述正交馈电臂由n个横向馈电臂和n个纵向馈电臂交错套接而成；每个横向馈电臂和纵向馈电臂上均设置了n个独立等长的蛇形绕线，正交馈电臂的横向馈电臂和纵向馈电臂套接时，保证由横向馈电臂和纵向馈电臂围成的栅格的四个边上均有蛇形绕线；所述蛇形绕线的端口与辐射贴片连接。
4.根据权利要求1所述的低剖面宽带圆极化天线子阵，其特征在于，所述中间介质板为泡沫介质板，且泡沫介质板上设置缝隙，使泡沫介质板能够嵌入并填充到正交馈电臂的正交栅格中。
5.根据权利要求1所述的低剖面宽带圆极化天线子阵，其特征在于，所述微带绕线包括n×n组各不相同的蛇形绕线；每组蛇形绕线包括第一端口和第二端口，以及与后端滤波器连接的第三端口，第一端口和第二端口通过不同的蛇形微带线连接第三端口，且第一端口到第三端口的微带长度与第二端口到第三端口的微带长度相同；所述第一端口和第二端口与正交馈电臂上的蛇形微带绕线电连接；且所述微带绕线的每组蛇形绕线内部形成180°相位差。
6.根据权利要求5所述的低剖面宽带圆极化天线子阵，其特征在于，所述每个辐射贴片与其相邻的辐射贴片之间的中心间距分别为dx1和dy1，所述底层介质板刻蚀的微带绕线的每组蛇形绕线的第三端口与其相邻组蛇形绕线的第三端口之间的距离为dx2和dy2，且dx2≤dx1，dy2≤dy1。
7.根据权利要求1所述的低剖面宽带圆极化天线子阵，其特征在于，所述底层介质板与反射板之间通过导电胶连接。
8.根据权利要求1所述的低剖面宽带圆极化天线子阵，其特征在于，所述底层介质板和上层介质板上均开设定位槽。
9.根据权利要求1所述的低剖面宽带圆极化天线子阵，其特征在于，所述天线子阵整体呈方形，且4个角呈45°倒角设计。
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