CN115296047B - 紧耦合圆极化共口径天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种紧耦合圆极化共口径天线，所述天线包含低频圆极化紧耦合天线单元、高频介质谐振器天线单元，所述高频介质谐振器天线单元位于低频圆极化紧耦合天线单元的井字形栅格中部；低频圆极化紧耦合单元的剖面高度小于高频介质谐振器天线高度的1.2倍。该天线实现了低频圆极化紧耦合天线阵列与高频天线阵列间的共口径设计，解决了低频圆极化紧耦合天线阵列对于空间尺寸占用而无法进行高频阵列排布的问题，同时具有阵列结构简单、实用性强的特点。

Description

紧耦合圆极化共口径天线

技术领域

本发明属于无线电通信技术领域，具体涉及紧耦合圆极化共口径天线。

背景技术

伴随着国防军事技术及移动通信技术的飞速更新，对天线系统的集成度、体积、重量提出了越来约严格的要求，共口径天线由于其能够在同一口径中集成不同频段或不同极化的天线，起到节省空间、降低成本、提高设备集成度的效果，代表着未来天线发展的趋势。圆极化具有抗雨衰和抗电离层散射的特点，在移动通信和雷达探测领域均有广泛应用。

在对相控阵功率孔径积有着严格要求的应用场景中，天线往往被设计为紧耦合类型，单元间距远小于波长，这样便可以在同样的口径下布置更多的发射通道，增加系统的辐射功率。传统的紧耦合共口径天线通常为不同频段的两种线极化天线，彼此平行或垂直放置；圆极化紧耦合天线会将天线口面分割为细小的网格，有限的空间会带来严重的互耦问题，对其余频段的集成具有相当大的挑战。综上所述，设计紧耦合圆极化共口径天线具有很强的工程应用价值，但实现在紧耦合圆极化阵列中集成其它频段的天线具有相当大的挑战，目前仍缺乏能实行的解决方案。

发明内容

针对上述技术现状，本发明提供了一种紧耦合圆极化共口径天线，该天线实现了低频圆极化紧耦合天线阵列与高频天线阵列间的共口径设计，解决了低频圆极化紧耦合天线阵列对于空间尺寸占用而无法进行高频阵列排布的问题，同时具有阵列结构简单、实用性强的特点。

本发明提出了一种紧耦合圆极化共口径天线，所述天线包含低频圆极化紧耦合天线单元、高频介质谐振器天线单元，所述高频介质谐振器天线单元位于低频圆极化紧耦合天线单元的井字形栅格中部；低频圆极化紧耦合天线单元的剖面高度小于高频介质谐振器天线单元高度的1.2倍。

进一步的，所述低频圆极化紧耦合天线单元两两相连构成紧耦合圆极化天线阵列，其置于天线反射板上，所述低频圆极化紧耦合天线单元包括第一印制板、第二印制板和第一射频连接器，两块印制板正交放置，相邻两个低频圆极化紧耦合天线单元的印制板边缘相接，每四个两两相连的低频圆极化紧耦合天线单元的印制板形成井字栅格。

进一步的，所述共口径天线包含电桥，所述电桥的两个输出口与紧耦合圆极化天线单元两个线极化射频输出口对应相连。

进一步的，两个低频圆极化紧耦合天线单元的间距在高频波长的0.5倍以上。

进一步的，所述高频介质谐振器天线单元包含介质谐振器天线单元，其置于天线反射板上，所述介质谐振器天线单元包括高介电常数的矩形介质块和第二射频连接器，所述第二射频连接器通过天线反射板上的开孔，内导体贴合在介质谐振器天线单元表面。

进一步的，所述矩形介质块的方位和俯仰的尺寸小于高度尺寸。

进一步的，当高频介质谐振器天线阵列需要扫描时，高频介质谐振器天线单元的最大单元间距为d<λ/1+sinθ，θ为扫描角度。

进一步的，所述介质谐振器天线单元通过天线反射板上的楔形限位结构安装于所述天线反射板上。

进一步的，低频圆极化紧耦合天线单元为P波段圆极化紧耦合天线单元，高频介质谐振器天线单元为L波段水平极化天线单元。

作为本申请的一种优选实施方案，所述共口径天线包含8*16的低频圆极化紧耦合天线阵列，以及4*8的高频介质谐振器天线单元构成的高频介质谐振器天线阵列。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）低频圆极化紧耦合阵列和其它高频阵列实现了共口径，在保证低频圆极化阵列可以获得比普通排布更多的单元通道数的情况下，高频阵列可以与其共用天线口径，大大提升了天线系统的集成度。

（2）低频圆极化紧耦合天线单元由两个垂直正交放置的印制板组成，减小了平面空间的占用，为高频阵列共口径留出结构空间。

（3）选择介质谐振器单元来组成高频阵列，其小型化的特点非常利于共口径排布；利用低频紧耦合圆极化天线单元的金属壁提升介质谐振器单元间的隔离度，改善阵列的扫描性能。

（4）介质谐振器单元通过天线反射板上的楔形限位结构可以精准定位安装位置，再通过胶粘的方法固定在底板上，简单高效非常具有工程实现意义。

附图说明

图1是本发明的紧耦合圆极化共口径天线的整体结构图；

图2是本发明的紧耦合圆极化共口径天线的俯视图；

图3是本发明的紧耦合圆极化共口径天线的侧视图；

图4 是实施例中提供的P波段圆极化紧耦合天线单元结构示意图；

图5是实施例中提供的L波段水平极化天线单元结构示意图；

图6是天线反射板结构示意图；

图7 是P波段圆极化紧耦合天线单元的法向驻波比示意图；

图8是P波段圆极化紧耦合天线单元法向轴向比方向图；

图9是P波段圆极化紧耦合天线单元扫描45°驻波比曲线图；

图10是L波段水平极化天线单元法向驻波比曲线图；

图11是L波段水平极化天线单元法向方向图；

图12是L波段水平极化天线单元扫描30°驻波比曲线图；

图中，1-低频圆极化紧耦合天线单元，2-高频介质谐振器天线单元，3-天线反射板，4-电桥；

11-第一印制板，12-第二印制板，13-第一馈线，14-第二馈线；

21-介质块，22-第二射频连接器。

具体实施方式

为了进一步详细阐述本发明的优点及技术路径，下面给出具体的实施例和附图。

本实施例为一种紧耦合圆极化共口径天线，所述天线包含低频圆极化紧耦合天线单元1、高频介质谐振器天线单元2，所述高频介质谐振器天线单元2位于低频圆极化紧耦合天线单元1的井字形栅格中部；低频圆极化紧耦合天线单元1的剖面高度小于高频介质谐振器天线单元2高度的1.2倍。

本实施例中，所述低频圆极化紧耦合天线单元1为P波段紧耦合圆极化天线单元，其两两相连构成P波段紧耦合圆极化阵列天线，其置于天线反射板3上，所述低频圆极化紧耦合天线单元1包括第一印制板11、第二印制板12和第一射频连接器，两块印制板正交放置，相邻两个低频圆极化紧耦合天线单元1的印制板边缘相接，每四个两两相连的低频圆极化紧耦合天线单元1的印制板形成井字栅格。

所述高频介质谐振器天线单元2包含介质谐振器天线单元，本实施例中的高频介质谐振器天线单元2为L波段水平极化天线单元，其置于天线反射板3上，所述介质谐振器天线单元包括高介电常数的矩形介质块21和第二射频连接器22，所述第二射频连接器22通过天线反射板3上的开孔，内导体贴合在介质谐振器天线单元表面。

实施例整体结构见图1至图4，本实施例提供的紧耦合圆极化共口径天线，包括工作在420~450MHz的P波段圆极化紧耦合阵列1，工作在1200~1400MHz的L波段水平极化阵列2以及天线反射板3；共口径天线还包含电桥4，其中，P波段圆极化紧耦合天线单元包含一个90°电桥4，90°电桥4与P波段紧耦合圆极化单元一一对应，之间通过射频电缆连接。

如图4所示，P波段圆极化紧耦合单元由两个正交放置的线极化Vivaldi天线组成，单个线极化的Vivaldi天线包括一块介质基板和第一射频连接器。为了避免开放线型导致的单元间隔离差的问题，同时也是为介质谐振器天线单元提供四周一致的电壁环境，Vivaldi天线采用带状线形式。单个线极化Vivaldi天线高度为120mm，两个线极化Vivaldi天线的介质板上分别切割出不同方向的安装缝隙，使得两个介质基板能够嵌在一起，形成十字结构，保证两个线极化天线的相位中心接近重合。对于介质基板上的安装缝隙，在拼接完成后，需要通过焊接的方式将缝隙造成的两侧贴片间的隔断重新联通，保证良好的电连接。这种拼装方式会带来两个Vivaldi天线在垂直维存在一定的空间错位，造成相位的不一致性，影响合成圆极化的轴比。可以通过调整两个Vivaldi天线的馈线长度来控制相位中心的偏差，即第一馈线13和第二馈线14，实现最优的圆极化合成轴比。

结合图2和图5，介质谐振器天线单元DRA由介质块21、第二射频连接器22以及天线反射板3组成。介质块21为高介电常数和低损耗角正切的陶瓷材料；本案例中采用的是相对介电常数9.8的Al2O3陶瓷。单个介质谐振器单元位于四个Vivaldi圆极化单元所形成的“井”字格中央。DRA单元方位和俯仰尺寸均为45mm，高度106mm。DRA采用金属探针的形式馈电，利用第二射频连接器22的内导体作为DRA的馈电探针，激励天线单元辐射。如图5所示，在DRA四角对应位置的底板上分布有楔形限位结构，通过该结构再利用胶粘的方式可以使DRA单元准确固定在底板相位位置上，保证了阵元的安装精度。

低频圆极化紧耦合天线单元1两维的单元间距可以不一致，但需要在高频波长的0.5倍以上。若高频介质谐振器天线阵列需要扫描，则最大单元间距d<λ/1+sinθ，θ为扫描角度，λ为波长。

根据

，介质波长和材料的相对介电常数成反比。因此采用高介电常数（8以 上）的陶瓷材料设计介质谐振器天线单元，再利用介质谐振器天线的

模进行辐射可以 使介质块21的形状为瘦高型，其方位和俯仰的尺寸小于高度尺寸，即方位和俯仰的尺寸较 小，高度较高，实现了方位和俯仰尺寸的小型化，方便于共口径阵列的排布。为了避免高频 介质谐振器天线单元2的辐射被遮挡造成性能下降，低频圆极化紧耦合天线单元1的剖面高 度不能高于高频介质谐振器天线单元2高度的1.2倍，实际的高度通过电磁计算仿真软件优 化得到。由于介质谐振器天线为空间开放的辐射结构，低频圆极化紧耦合天线单元1的金属 壁不仅不会影响到高频介质谐振器天线单元2的性能，反而会提升高频介质谐振器天线单 元2之间的隔离度，改善阵列的扫描性能。

以下为采用本申请提供技术方案的一种较好的实施方案：

如图2和图3所示，该一种紧耦合圆极化共口径天线的整体尺寸为2720mm×1152mm。其中，P波段圆极化紧耦合单元沿X轴方向共16个单元，单元间距为170mm；沿y轴方向共8个单元，单元间距为144mm，两维最大单元间距约为最高工作频率450MHz波长的1/4。

L波段阵列规模为4行8列，其中沿X轴方向共8个单元，沿y轴方向共4个单元，为保证单元周围电磁环境的相似性，L波段阵列置于P波段的中央，L波段单元位于P波段紧耦合圆极化阵列所形成的“井”字型栅格中央，L波段阵列单元之间的间距与P波段阵列保持一致。

图7为本发明所述一种紧耦合圆极化共口径天线在本实施案例中P波段圆极化天线单元不扫描时两端口的驻波比，该天线在工作频段内，其驻波比小于1.5。

图8为本发明所述一种紧耦合圆极化共口径天线在本实施案例中P波段圆极化天线单元的轴比方向图，整体均在1.05以下，轴比性能较好。

图9为本发明所述一种紧耦合圆极化共口径天线在本实施案例中P波段圆极化天线单元扫描45°时两端口的驻波比，该天线在工作频段内，其驻波比小于2。

图10为本发明所述一种紧耦合圆极化共口径天线在本实施案例中L波段线极化天线单元不扫描时两端口的驻波比，该天线在工作频段内，其驻波比小于1.8。

图11为本发明所述一种紧耦合圆极化共口径天线在本实施案例中L波段线极化天线阵中单元方向图，具有高增益和低交叉极化的特性，表明P波段共口径阵列对L波段阵列辐射性能没有影响。

图12为本发明所述一种紧耦合圆极化共口径天线在本实施案例中L波段线极化天线单元扫描30°时两端口的驻波比，该天线在工作频段内，其驻波比小于1.6。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.紧耦合圆极化共口径天线，其特征在于，所述天线包含低频圆极化紧耦合天线单元、高频介质谐振器天线单元，所述高频介质谐振器天线单元位于低频圆极化紧耦合天线单元的井字形栅格中部；

低频圆极化紧耦合天线单元的剖面高度小于高频介质谐振器天线单元高度的1.2倍；

所述低频圆极化紧耦合天线单元两两相连构成紧耦合圆极化天线阵列，其置于天线反射板上，所述低频圆极化紧耦合天线单元包括第一印制板、第二印制板和第一射频连接器，两块印制板正交放置，相邻两个低频圆极化紧耦合天线单元的印制板边缘相接，每四个两两相连的低频圆极化紧耦合天线单元的印制板形成井字栅格；

所述高频介质谐振器天线单元包含介质谐振器天线单元，其置于天线反射板上，所述介质谐振器天线单元包括高介电常数的矩形介质块和第二射频连接器，所述第二射频连接器通过天线反射板上的开孔，内导体贴合在介质谐振器天线单元表面。

2.根据权利要求1所述的紧耦合圆极化共口径天线，其特征在于：所述共口径天线包含电桥，所述电桥的两个输出口与低频紧耦合圆极化天线单元两个线极化射频输出口对应相连。

3.根据权利要求2所述的紧耦合圆极化共口径天线，其特征在于：两个低频圆极化紧耦合天线单元的间距在高频波长的0.5倍以上。

4.根据权利要求1所述的紧耦合圆极化共口径天线，其特征在于：所述矩形介质块的方位和俯仰的尺寸小于高度尺寸。

5.根据权利要求3所述的紧耦合圆极化共口径天线，其特征在于：当高频介质谐振器天线阵列需要扫描时，高频介质谐振器天线单元的最大单元间距为d<λ/1+sinθ，θ为扫描角度，λ为波长。

6.根据权利要求1所述的紧耦合圆极化共口径天线，其特征在于：所述介质谐振器天线单元通过天线反射板上的楔形限位结构安装于所述天线反射板上。

7.根据权利要求1所述的紧耦合圆极化共口径天线，其特征在于：低频圆极化紧耦合天线单元为P波段圆极化紧耦合天线单元，高频介质谐振器天线单元为L波段水平极化天线单元。

8.根据权利要求1所述的紧耦合圆极化共口径天线，其特征在于：所述共口径天线包含8*16的低频圆极化紧耦合天线阵列，以及4*8的高频介质谐振器天线单元构成的高频介质谐振器天线阵列。

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