CN115693127A - 一种宽带圆极化高增益低副瓣定向天线及其天线单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带圆极化高增益低副瓣定向天线及其天线单元，属于雷达和通讯技术领域。带圆极化高增益低副瓣定向天线由天线单元、馈电网络、金属屏蔽腔体、金属螺钉组成。天线单元采用双馈点双层贴片的宽带圆极化微带天线。m×n个天线单元按照指定的单元间距规则进行排布，由一分m×n路T型功分器馈电网络实现低副瓣定向天线的低副瓣激励和波束定向。本发明具有集成化程度高、结构简单、电气性能优良、易于量产等优点。

Description

一种宽带圆极化高增益低副瓣定向天线及其天线单元

技术领域

本发明涉及雷达和通讯技术领域，特别是指一种宽带圆极化高增益低副瓣定向天线及其天线单元。

背景技术

为打赢现代信息战争，各类武器平台需要安装大量电子信息功能系统，以实现电子侦察对抗、通信导航、敌我识别、态势感知、遥控遥测等多种功能。众多的无线电子设备，使得平台内部以及空间中的电磁环境变得愈加复杂。平台自身电磁兼容处理不好，易导致电子设备无法正常工作或性能下降，如雷达灵敏度降低、通信抗干扰能力变差、电子制导控制减弱等。辐射到外部空间的电磁信号处理不好，易被敌方跟踪探测到。低副瓣定向天线具有波束窄、副瓣低、增益高等优点，其不仅能够提高电子系统的抗电磁干扰能力、反侦察能力和接收灵敏度，还能够减小平台在危险方向的电磁辐射以提高生存能力。圆极化电磁波可以被任意线极化天线接收，也可以接收任意线极化来波，还可以提高系统的抗多径、抗雨雾能力。

微带天线具有低剖面、轻重量、易集成的特点，在电子侦察对抗、通信导航、敌我识别、态势感知、遥控遥测等领域得到了广泛地应用。同时，由于微带天线易于组阵、馈电形式灵活，其也常被用作低副瓣阵列天线的组成单元。阵列天线的工作带宽、增益、波束宽度以及副瓣电平等指标在很大程度上决定了整个系统的技战术性能，而这些指标又是相互关联的，在工程设计时需要折衷考虑。基于此，本发明提出了一种宽带低副瓣微带阵列天线的设计方法。然而，普通微带天线的工作频带较窄。

另外，低副瓣天线设计是目前阵列天线设计的热点和难点，是实现高性能通信亟需解决的关键技术之一。

宽带圆极化低副瓣定向天线的设计难点在于：

1)天线单元设计。定向天线的某些性能取决于组阵天线单元的性能，组阵天线单元需满足定向天线组阵尺寸要求、阻抗带宽要求、轴比带宽要求、互耦要求等。此外，选取的天线单元的馈电方式要易于与馈电网络连接或集成。

2)馈电网络设计。馈电网络形式的取决于阵列天线的排布形式、可实现较大的功率分配比。目前多数定向天线均采用由威尔金森功分器组成的馈电网络，其具有端口匹配好，端口间隔离度高的优点。但其可实现的功率分配比较低，难以满足较低副瓣定向天线的大功分比要求。

3)集成化加工设计。通常定向天线采用天线单元与馈电网络的分离式设计、加工与装配等。这样导致后期馈电网络人工调试工作量大，各端口一致性难以保证。同时，在馈电网络与天线单元装配过程中的人工焊接的差异性，也会导致各端口输出幅度的不确定性，难以实现较低副瓣电平的要求。

发明内容

本发明的目的提供一种宽带圆极化高增益低副瓣定向天线及其天线单元，其采用天线辐射介质层与带状线馈电网络介质层的一体化设计与多层印制板工艺加工技术，避免了普通微带线馈电网络的人工调试，减少了人工装配工序，极大地提高了定向天线的生产效率、低副瓣性能、及成品率。有利于低副瓣定向天线的批量化生产和工程应用。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种宽带圆极化天线单元，包括从上至下依次层叠的寄生贴片层、金属腔体、辐射贴片层、馈电网络上层、馈电网络下层和金属屏蔽腔体；

所述寄生贴片介质层包括第一介质基板，在第一介质基板的下表面设有寄生贴片；

所述金属腔体用于为寄生贴片层和辐射贴片层提供支撑和定位；

所述辐射贴片层包括第二介质基板，在第二介质基板的上表面设有辐射贴片；

所述馈电网络上层包括第三介质基板，第三介质基板的上表面设有金属地板，上金属地板上开有圆形孔；第三介质基板的下表面设有威尔金森功分器馈电网络；威尔金森功分器馈电网络与第二介质基板上表面的辐射贴片通过贯穿第二介质基板和第三介质基板的短路柱相连接，且短路柱穿过上金属地板的圆形孔；

所述馈电网络下层包括第四介质基板，第四介质基板的下表面设有下金属地板。

进一步的，所述寄生贴片为六边形结构，其为切去一组对角的方形贴片。

进一步的，所述短路柱为短路金属柱或金属化通孔。

进一步的，所述辐射贴片为方形结构，辐射贴片的中心与寄生贴片的中心正对。

进一步的，所述寄生贴片和辐射贴片均为金属贴片。

进一步的，所述第一介质基板的边缘设有沿边缘线线性阵列的半金属通孔；所述半金属通孔贯穿第一介质基板且半金属通孔的一条直径和边缘线重合。

一种宽带圆极化高增益低副瓣定向天线，包括T型馈电网络，包括如上述的一种宽带圆极化天线单元；所述下金属地板的底部还设有金属屏蔽腔体，金属屏蔽腔体扣在下金属地板上；表贴射频连接器的端部通过金属屏蔽腔体上对应位置的小孔暴露在金属屏蔽腔体的外部；

相邻的宽带圆极化天线单元的半金属通孔正对，构成完整的金属通孔；每个宽带圆极化天线单元的威尔金森功分器馈电网络均T型馈电网络连接，形成完整的定向天线馈电网络；定向天线馈电网络的输入输出端口与表贴射频连接器相连接，通过阻抗匹配节调节端口阻抗匹配。

进一步的，包括m×n个宽带圆极化天线单元，其中m≥4，n≥4。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的宽带圆极化天线单元剖面低，电性能优良，易于二维扩展组阵，便于与馈电网络一体化设计，集成度高。

2、本发明的天线辐射层与带状线馈电网络介质层的一体化设计与多层印制板工艺加工，避免了普通微带线馈电网络的人工调试，极大地提高了产品的生产效率。

3、进一步的，本发明的一体化设计与多层印制板加工，避免了馈电网络的人工调试，减少了低副瓣定向天线生产过程中的人工装配工序，即保证了定向天线的低副瓣性能，又提高了生产效率和成品率。

4、进一步的，本发明的还具有结构简单、剖面低、易于量产的优点。

附图说明

图1是本发明实施例中天线单元的三维结构示意图。

图2是本发明实施例中天线单元的剖面结构示意图。

图3是本发明实施例中天线单元中辐射贴片、寄生贴片和威尔金森功分器馈电网络的位置对应示意图。

图4是本发明实施例中低副瓣定向天线的剖面结构示意图。

图5是本发明实施例中低副瓣定向天线的馈电网络布局示意图。

图6是本发明实施例中低副瓣定向天线的1/4馈电网络示意图及馈电功率分配拓扑结构图。

图7是本发明实施例在工作带宽范围内的电压驻波比。

图8是本发明实施例在工作带宽范围内的法向轴比。

图9是本发明实施例在工作带宽范围内的法向增益。

图10是本发明实施例在低工作频段低频点E面与H面归一化增益方向图。

图11是本发明实施例在低工作频段中频点E面与H面归一化增益方向图。

图12是本发明实施例在低工作频段高频点E面与H面归一化增益方向图。

图13是本发明实施例在高工作频段低频点E面与H面归一化增益方向图。

图14是本发明实施例在高工作频段中频点E面与H面归一化增益方向图。

图15是本发明实施例在高工作频段高频点E面与H面归一化增益方向图。

图中：1、寄生贴片层；2、寄生贴片；3、辐射贴片；4、辐射贴片层；5、金属腔体；6、上金属地板；7、馈电网络上层；8、馈电网络下层；9、14、威尔金森功分器馈电网络；10、下金属地板；11、金属屏蔽腔体；12、射频连接器；13、阻抗匹配节；15、半金属通孔；16、金属螺钉；17、双馈电点。

具体实施方式

下面结合附图和实例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本文所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1和图2，一种宽带圆极化天线单元，从上到下依次包括寄生贴片层、金属腔体、辐射贴片层、馈电网络上层、馈电网络下层；

所述寄生贴片层包括第一介质基板，在第一介质基板上表面无金属层，下表面设有寄生贴片；

所述金属腔体为天线单元辐射层与寄生层提供支撑与定位；

所述辐射贴片层包括第二介质基板，在第二介质基板的上表面设有辐射贴片，下表面裸露基板，无覆铜；

馈电网络上层包括第三介质基板；第三介质基板的上表面设有上金属地板，上金属地板上开有圆形孔；所述上金属地板位于第二介质基板和第三介质基板之间；在第三介质基板的下表面设有威尔金森功分器馈电网络，威尔金森功分器馈电网络与第二介质基板上表面辐射贴片通过贯穿第二介质基板和第三介质基板的短路柱相连接，短路柱穿过上金属地板的圆形孔；宽带圆极化天线单元采用辐射贴片双馈点馈电。

馈电网络下层包括第四介质基板，第四介质基板在威尔金森功分器馈电网络的下方，第四介质基板的上表面裸露基板，无覆铜，下表面设有金属地板。

进一步的，所述第一介质基板边缘设有贯穿的半金属通孔。

进一步的，所述寄生贴片和辐射贴片均为金属贴片。

进一步的，所述寄生贴片为方形，某一对角切角。

进一步的，所述辐射贴片为方形。

进一步的，所述的短路柱为短路金属柱或金属化通孔。

一种宽带圆极化高增益低副瓣定向天线，包括上述的一种宽带圆极化天线单元，每个天线单元阵列排布；每个天线单元的威尔金森功分器馈电网络与定向天线低副瓣T型馈电网络连接，形成完整的低副瓣定向天线馈电网络；馈电网络输入输出端口与表贴射频连接器相连接，通过阻抗匹配节调节端口阻抗匹配；馈电网络下层下金属地板底部还设有金属屏蔽腔体，金属屏蔽腔体扣在馈电网络底部下金属地板上；所述表贴射频连接器的端部通过金属屏蔽腔体上对应位置的小孔暴露在金属屏蔽腔体的外部。

进一步的，定向天线的大小为阵列规模m×n，其中m≥4，n≥4。

参照图3，本实施例中的寄生贴片层只有一层介质基板，介质基板的上表面裸露基板，无覆铜；下表面设置有m×n个寄生贴片2，所述寄生贴片为方形，某一对角切角，用于拓展天线的阻抗带宽和轴比带宽。

参照图4，本实施例中的辐射贴片层、带状线的馈电网络上层、带状线的馈电网络下层，整体结构采用多层印制板工艺加工而成。辐射贴片层基板上表面设置有m×n个辐射贴片3，下表面裸露基板，无覆铜；带状线的馈电网络上层基板上表面设置有上金属地板6，该上金属地板即使带状线馈电网络的上层金属地板，又是天线单元的金属地板，且金属地板上有2×m×n个圆形过孔，下表面设置有带状线的威尔金森功分器馈电网络9；带状线的馈电网络下层基板上表面裸露基板，无覆铜，下表面设置有下金属地板10，且下金属地板上有射频输入输出端口的开孔；带状线的馈电网络上层的介质基板上表面的金属地板与下层介质基板下表面的金属地板沿馈电网络走线的边缘设置有抑制模式谐振的垂直的半金属通孔，相邻的宽带圆极化天线单元的半金属通孔正对，构成完整的金属通孔。

所述低副瓣定向天线的寄生贴片层由一层介质基板组成，基板材质、厚度均可根据天线的工作频段设计，本实施例中的寄生贴片介质层基板选用睿龙RA300A，厚度为1.016mm。

所述低副瓣定向天线的辐射贴片层由一层介质基板组成，基板材质、厚度均可根据天线的工作频段设计，本实施例中的辐射贴片介质层基板选用睿龙RA300A，厚度为2.286mm。

所述低副瓣定向天线的带状线的馈电网络上层由一层介质基板组成，基板材质、厚度均可根据天线的工作频段设计，本实施例中的带状线馈电网络上层介质层基板选用TLY-5Z，厚度为0.762mm。

所述低副瓣定向天线的带状线的馈电网络下层由一层介质基板组成，基板材质、厚度均可根据天线的工作频段设计，本实施例中的带状线馈电网络上层介质层基板选用TLY-5Z，厚度为0.762mm。

定向天线由宽带圆极化天线单元按照指定的单元间距规则进行排布，阵列规模为m×n(m≥4，n≥4,；此处以4×8为例)。

此外低副瓣定向天线还包括射频连接器12、金属腔体5、金属屏蔽腔体11、金属螺钉16。

图1是上述实施例的定向天线的三维结构示意图。低副瓣定向天线由宽带圆极化天线单元按照一定间距规则进行排布。

图3是上述实施例的定向天线的天线单元主要模块结构示意图。宽带圆极化天线单元的辐射贴片采用正交的双馈电点，两个馈电点幅度相等、相位相差90°的方式来实现圆极化电磁波的辐射，通过威尔金森功分器馈电网络来实现。增加寄生贴片，用于拓展天线单元的阻抗带宽。寄生贴片采用的切角方式用于拓展天线单元的轴比带宽。

图4是上述实施例的定向天线的剖面结构示意图。低副瓣定向天线，从上到下依次包括宽带圆极化天线单元的寄生贴片介质层、寄生贴片、金属腔体、辐射贴片、辐射贴片介质层、天线单元的金属地板、低副瓣定向天线带状线馈电网络的上层介质层、带状线馈电网络、带状线馈电网络的下层介质层、金属地板、金属屏蔽腔体。

图5是上述实施例的定向天线的馈电网络布局示意图。采用宽带圆极化天线单元的双馈点功分网络与低副瓣馈电网络的一体化设计方式。

图6是上述实施例的定向天线的1/4馈电网络示意图及馈电功率分配拓扑图。由于低副瓣定向天线中各个宽带圆极化天线单元的激励幅相具有轴对称性，此处只给出了1/4网络的馈电功率分配拓扑。本发明中采用由并联方式的T型功分器组成的馈电网络，来实现各个宽带圆极化天线单元馈电端口的等相不等福激励。T型功分器具有结构简单、插损较小、可实现大功分比。

图7是上述实施例在工作带宽范围内的电压驻波比。图8是上述实施例在工作带宽范围内的法向轴比。图9是上述实施例在工作带宽范围内的法向增益。图10是上述实施例在低工作频段的低频点E面与H面的归一化增益方向图。图11是上述实施例在低工作频段的中频点E面与H面的归一化增益方向图。图12是上述实施例在低工作频段的高频点E面与H面的归一化增益方向图。图13是上述实施例在高工作频段的低频点E面与H面的归一化增益方向图。图14是上述实施例在高工作频段的中频点E面与H面的归一化增益方向图。图15是上述实施例在高工作频段的高频点E面与H面的归一化增益方向图。

从图7～图8可以看出，上述实施例在整个工作频段范围内，电压驻波比小于2，法向轴比小于3。图9为上述实施例在整个工作频段范围内的法向增益，法向增益与定向天线尺寸大小相关，此处法向增益为16dBi～18dBi。从图10～图15可以看出，上述实施例在低、高工作频段内，低、中、高频点处E面与H面的副瓣电平小于-27.3dB。上述实施例的电性能优良，具有良好的工程应用前景。

Claims (8)

1.一种宽带圆极化天线单元，其特征在于，包括从上至下依次层叠的寄生贴片层、金属腔体、辐射贴片层、馈电网络上层、馈电网络下层和金属屏蔽腔体；

所述寄生贴片介质层包括第一介质基板，在第一介质基板的下表面设有寄生贴片；

所述金属腔体用于为寄生贴片层和辐射贴片层提供支撑和定位；

所述辐射贴片层包括第二介质基板，在第二介质基板的上表面设有辐射贴片；

所述馈电网络上层包括第三介质基板，第三介质基板的上表面设有金属地板，上金属地板上开有圆形孔；第三介质基板的下表面设有威尔金森功分器馈电网络；威尔金森功分器馈电网络与第二介质基板上表面的辐射贴片通过贯穿第二介质基板和第三介质基板的短路柱相连接，且短路柱穿过上金属地板的圆形孔；

所述馈电网络下层包括第四介质基板，第四介质基板的下表面设有下金属地板。

2.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化天线单元，其特征在于，所述寄生贴片为六边形结构，其为切去一组对角的方形贴片。

3.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化天线单元，其特征在于，所述短路柱为短路金属柱或金属化通孔。

4.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化天线单元，其特征在于，所述辐射贴片为方形结构，辐射贴片的中心与寄生贴片的中心正对。

5.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化天线单元，其特征在于，所述寄生贴片和辐射贴片均为金属贴片。

6.根据权利要求1所述的一种宽带圆极化天线单元，其特征在于，所述第一介质基板的边缘设有沿边缘线线性阵列的半金属通孔；所述半金属通孔贯穿第一介质基板且半金属通孔的一条直径和边缘线重合。

7.一种宽带圆极化高增益低副瓣定向天线，包括T型馈电网络，其特征在于，还包括如权利要求1至6任意一项所述的一种宽带圆极化天线单元；所述下金属地板的底部还设有金属屏蔽腔体，金属屏蔽腔体扣在下金属地板上；表贴射频连接器的端部通过金属屏蔽腔体上对应位置的小孔暴露在金属屏蔽腔体的外部；

相邻的宽带圆极化天线单元的半金属通孔正对，构成完整的金属通孔；每个宽带圆极化天线单元的威尔金森功分器馈电网络均T型馈电网络连接，形成完整的定向天线馈电网络；定向天线馈电网络的输入输出端口与表贴射频连接器相连接，通过阻抗匹配节调节端口阻抗匹配。

8.根据权利要求7所述的一种宽带圆极化高增益低副瓣定向天线，其特征在于，包括m×n个宽带圆极化天线单元，其中m≥4，n≥4。

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