CN115642397A - 一种馈电位置可变的两维相控阵天线单元 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种馈电位置可变的两维相控阵天线单元，天线单元在垂直方向上从上到下由耦合层介质板、激励介质板和馈线层介质板组成，在耦合介质板与激励介质板之间采用泡沫材料支撑；在耦合层介质板的下层蚀刻出矩形耦合贴片，在激励层介质板的上层蚀刻出矩形激励贴片，激励贴片的一侧连接激励探针，在馈线层介质板的中间层蚀刻出哑铃形馈电传输线并与激励探针连接，馈电传输线的两端设计有馈电隔离过孔，天线底部的馈电同轴连接器与馈电传输线连接。本发明天线单元通过底部的馈电同轴连接器与雷达的收发模块连接，易于模块化射频前端的集成，达到了阵列天线相对带宽20％的工作性能，为实现方位维±60°、俯仰维±55°电控扫描、宽带工作。
Description
技术领域
本发明涉及雷达天线领域，特别涉及一种馈电位置可变的两维相控阵天线单元,主要应用于二维有源相扫防空情报雷达、战场侦察雷达等。
背景技术
双层耦合微带贴片天线是平面微带贴片天线的一种变形设计形式，在常规的微带贴片天线上方适当位置处放置一层金属贴片，形成电磁场耦合结构，将下层贴片激励其的电磁场耦合到上下两层贴片之间的空间处，在上层贴片表面形成感应电流，感应电流形成空间辐射场，电磁能量由上层贴片向空间辐射。这种天线形式具有三个优点：(1)宽频带工作，由于耦合场的作用，在工作频段内形成多个谐振点，展宽天线端口的阻抗带宽；(2)结构剖面低，由于感应电流位于贴片的表面，辐射效果由贴片的平面尺寸决定，不占用纵向结构空间，相比较传统的微带对称阵子天线，双层耦合微带贴片天线的高度剖面要降低一倍的高度尺寸。(3)易于集成化设计，双层耦合微带贴片天线底部为平面结构，与收发模块连接安装方便，也可以一体化集成设计，实现瓦片式集成前端的设计。
随着雷达功能的不断提升，要求天线射频前端集成化、小型化、轻量化设计，天线单元作为阵列天线的最小组成部分，其馈电端口位置相对于单元中心也是固定的，然而集成化的收发模块在综合考虑散热与内部器件的设计时，在一个子阵内收发模块不同通道输出端口相对于单元中心的位置可能出现不规则的偏移。导致天线与收发模块之间无法直接连接，通常使用电缆进行连接，此法既增加了链路的损耗，也增加了系统的复杂度，影响了雷达的整体性能。两维相控阵雷达具有波束扫描范围广，波束形状切换灵活，同时，电控扫描不需要专用的机械伺服结构，对于各类平台，雷达整体重量可以大幅降低。在阵列天线口径相同的条件下，相比较于常规一维相控阵列的单列收发模块方式，每个天线单元均与一路收发模块通道连接，天线系统具有更高的等效辐射功率，大大提高整个雷达的作用距离。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种馈电位置可变的两维相控阵天线单元。通过馈电传输线将激励探针与馈电同轴连接器连接，实现了激励探针位置不变的情况下，馈电位置可变的相控阵天线单元形式。
技术方案
一种馈电位置可变的两维相控阵天线单元，其特征在于包括耦合层介质板、耦合贴片、激励贴片、激励层介质板、馈线层介质板、激励探针、馈电传输线、馈电同轴连接器、激励隔离过孔、馈电隔离过孔；在耦合介质板与激励介质板之间采用泡沫材料支撑；在耦合层介质板的下层蚀刻出矩形耦合贴片，在激励层介质板的上层蚀刻出矩形激励贴片，激励贴片的一侧连接激励探针；天线单元通过馈电传输线将激励探针与馈电同轴连接器连接，实现了激励探针位置不变的情况下，馈电位置可变的相控阵天线单元形式；所述馈线层介质板中设计了两组隔离过孔，分别为激励隔离过孔和馈电隔离过孔，通过隔离过孔可以实现馈电传输线与激励探针及馈电同轴连接器的阻抗匹配。
本发明进一步的技术方案：所述激励层介质板中，在馈电同轴连接器的上方位置处设计了馈电隔离孔，方便实现馈电同轴连接器与馈电传输线的焊接连接。
本发明进一步的技术方案：所述的馈电传输线两端为哑铃圆盘，实现了天线与收发模块之间雷达信号的传输与辐射。
本发明进一步的技术方案：所述的激励隔离过孔由四个相互夹角为60°的金属化过孔组成，四个过孔形成半圆环形状，围绕在激励探针与同轴连接器内导体周围，半圆环开口方向与馈电传输线的轴线平行，通过调节隔离过孔的直径与位置可以实现馈电传输线与激励探针的阻抗匹配。
本发明进一步的技术方案：所述的馈电隔离过孔由四个相互夹角为60°的金属化过孔组成，四个过孔形成半圆环形状，围绕在激励探针与同轴连接器内导体周围，半圆环开口方向与馈电传输线的轴线平行，通过调节隔离过孔的直径与位置可以实现馈电传输线与馈电同轴连接器的阻抗匹配。
有益效果
本发明提供的一种馈电位置可变的两维相控阵天线单元，采用双层耦合微带贴片天线与多层印制板相结合的结构设计天线单元，实现方位面±60°、俯仰面±55°两维相控扫描；采用多层印制板结构，在天线贴片的激励位置引一条哑铃形馈电传输线，馈电传输线另一端根据收发模块通道位置连接馈电同轴连接器，实现天线单元与收发模块的射频信号传输，满足天线阵列与收发模块的集成化设计要求。相比较于常规一维相控阵列的单列收发模块方式，每个天线单元均与一路收发模块通道连接，天线系统具有更高的等效辐射功率；同时在工作频段具有20％的相对工作带宽，满足雷达多功能工作时对带宽的要求；提高了雷达有源天线系统的综合性能，能在工程实践中被大量推广应用。
与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明的天线单元采用双层耦合微带贴片天线与多层印制板相结合的结构设计天线单元，天线具有较宽的工作带宽、通过同轴连接器端口与收发模块集成连接；
2、采用多层印制板结构，在天线贴片的激励位置引一条哑铃形馈电传输线，馈电传输线另一端根据收发模块通道的几何位置连接馈电同轴连接器，实现天线单元与收发模块不同馈电位置的的射频信号传输。
3、天线单元采用双层耦合贴片形式，优化设计天线辐射贴片，实现天线单元的宽波束方向图，方位面-60°～+60°与俯仰面-55°～+55°相控扫描。
4、天线单元在工作频带具有20％的相对工作带宽，满足多功能多任务雷达工作时对带宽的要求。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1表示本发明馈电位置可变的两维相控阵天线单元结构图；
图2表示本发明馈电位置可变的两维相控阵天线单元结构侧视图；
图3表示本发明实施例的实测天线单元端口电压驻波比曲线图；
图4表示本发明实施例的实测俯仰面(H面)雷达中心频率阵中单元方向图；
图5表示本发明实施例的实测方位面(E面)雷达中心频率阵中单元方向图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的一种馈电位置可变的两维相控阵天线单元包括：耦合层介质板1、耦合贴片2、激励贴片3、激励层介质板4、馈线层介质板5、激励探针6、馈电传输线7、馈电同轴连接器8、激励隔离过孔9、馈电隔离过孔10和馈电隔离孔11。在耦合介质板1与激励介质板4之间采用泡沫材料支撑；在耦合层介质板1的下层蚀刻出矩形耦合贴片2，在激励层介质板4的上层蚀刻出矩形激励贴片3，激励贴片3的一侧连接激励探针6。天线单元通过馈电传输线7将激励探针6与馈电同轴连接器8连接，实现了激励探针位置不变的情况下，馈电位置可变的相控阵天线单元形式；所述馈线层介质板5中设计了两组隔离过孔，分别为激励隔离过孔9和馈电隔离过孔10，通过隔离过孔可以实现馈电传输线7与激励探针6及馈电同轴连接器8的阻抗匹配。
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
参见图1，本发明一种馈电位置可变的两维相控阵天线单元工作在S波段，其结构包括耦合层介质板1、耦合贴片2、激励贴片3、激励层介质板4、馈线层介质板5、激励探针6、馈电传输线7、馈电同轴连接器8、激励隔离过孔9、馈电隔离过孔10和馈电隔离孔11。在耦合介质板1与激励介质板4之间采用泡沫材料支撑；在耦合层介质板1的下层蚀刻出矩形耦合贴片2，在激励层介质板4的上层蚀刻出矩形激励贴片3，激励贴片3的一侧连接激励探针6。天线单元通过馈电传输线7将激励探针6与馈电同轴连接器8连接，实现了激励探针位置不变的情况下，馈电位置可变的相控阵天线单元形式。激励层介质板4下方设计了两层馈线层介质板5，两层馈线层介质板5之间设计了哑铃形馈电传输线7，馈电传输线7两端分别连接了激励层介质板4中的激励探针6与馈电同轴连接器8的内导体，馈电传输线7的宽度为0.6mm，馈电传输线7两端的哑铃形圆盘直径为2mm，实现了天线与收发模块之间雷达信号的传输与辐射。馈线层介质板5中设计了两组隔离过孔，分别为激励隔离过孔9和馈电隔离过孔10，每组隔离过孔由四个相互夹角为60°的金属化过孔组成，四个过孔形成半圆环形状，围绕在激励探针与同轴连接器内导体周围，半圆环开口方向与馈电传输线的轴线平行，隔离过孔直径约为1mm，与激励探针6(同轴连接器内导体8)距离为3.5mm，隔离过孔高度为馈线层印制板5的厚度，厚度为1.4mm。通过调节隔离过孔的直径与位置可以实现馈电传输线7与激励探针6及馈电同轴连接器8的阻抗匹配。
参见图2，本发明的天线单元的侧面，包括耦合层介质板1、耦合贴片2、激励贴片3、激励层介质板4、馈线层介质板5、激励探针6、馈电传输线7、馈电同轴连接器8、激励隔离过孔9、馈电隔离过孔10和馈电隔离孔11。激励层介质板4中，在馈电同轴连接器8的上方位置处设计了馈电隔离孔11，直径为3mm，方便实现馈电同轴连接器8与馈电传输线7的焊接连接。
参见图3，实测天线单元端口电压驻波比曲线图，在S波段电压驻波比小于2的条件下，具有20％的相对带宽。
本发明天线单元放置在雷达阵列中的实测天线方向图如图4、5所示。
见图4，实测雷达中心频点上，在俯仰面(E面)雷达中心频率阵中单元方向图，在-3dB处的波束宽度为115°。
见图5，实测雷达中心频点上，在俯仰面(E面)雷达中心频率阵中单元方向图，在-3dB处的波束宽度为125°。
由天线阵列端口电压驻波比曲线图得到，天线在S波段具有20％的相对工作带宽。从实测方向图中可以看出，雷达天线在中心频率的单元方向图具有很宽的波束宽度，满足阵列天线方位维±60°、俯仰维±55°的扫描范围，可以实现天线阵列方位维扫描至60度时，俯仰维扫描至55度时，雷达增益较零指向下降不到3dB，能够满足二维有源相控扫描雷达的正常使用需求。满足多功能防空情报雷达与战场侦察雷达的工程使用指标，从而证明了该天线单元通过使用双层耦合微带贴片天线与多层印制板相结合的结构设计实现两维有源相控阵雷达宽带工作与相控扫描的有效性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种馈电位置可变的两维相控阵天线单元，其特征在于包括耦合层介质板(1)、耦合贴片(2)、激励贴片(3)、激励层介质板(4)、馈线层介质板(5)、激励探针(6)、馈电传输线(7)、馈电同轴连接器(8)、激励隔离过孔(9)、馈电隔离过孔(10)；在耦合介质板(1)与激励介质板(4)之间采用泡沫材料支撑；在耦合层介质板(1)的下层蚀刻出矩形耦合贴片(2)，在激励层介质板(4)的上层蚀刻出矩形激励贴片(3)，激励贴片(3)的一侧连接激励探针(6)；天线单元通过馈电传输线(7)将激励探针(6)与馈电同轴连接器(8)连接，实现了激励探针位置不变的情况下，馈电位置可变的相控阵天线单元形式；所述馈线层介质板(5)中设计了两组隔离过孔，分别为激励隔离过孔(9)和馈电隔离过孔(10)，通过隔离过孔可以实现馈电传输线(7)与激励探针(6)及馈电同轴连接器(8)的阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的一种馈电位置可变的两维相控阵天线单元，其特征在于所述激励层介质板(4)中，在馈电同轴连接器(8)的上方位置处设计了馈电隔离孔(11)，方便实现馈电同轴连接器(8)与馈电传输线(7)的焊接连接。
3.根据权利要求1所述的一种馈电位置可变的两维相控阵天线单元，其特征在于所述的馈电传输线(7)两端为哑铃圆盘，实现了天线与收发模块之间雷达信号的传输与辐射。
4.根据权利要求1所述的一种馈电位置可变的两维相控阵天线单元，其特征在于所述的激励隔离过孔(9)由四个相互夹角为60°的金属化过孔组成，四个过孔形成半圆环形状，围绕在激励探针与同轴连接器内导体周围，半圆环开口方向与馈电传输线的轴线平行，通过调节隔离过孔的直径与位置可以实现馈电传输线(7)与激励探针(6)的阻抗匹配。
5.根据权利要求1所述的一种馈电位置可变的两维相控阵天线单元，其特征在于所述的馈电隔离过孔(10)由四个相互夹角为60°的金属化过孔组成，四个过孔形成半圆环形状，围绕在激励探针与同轴连接器内导体周围，半圆环开口方向与馈电传输线的轴线平行，通过调节隔离过孔的直径与位置可以实现馈电传输线(7)与馈电同轴连接器(8)的阻抗匹配。
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