CN117060097B - 一种基于反射阵和漏波天线阵的共口径天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于反射阵和漏波天线阵的共口径天线，具体涉及无线通信技术领域，适用于微波、毫米波等通信系统中。该天线包括：反射阵天线、漏波天线、金属底板、反射阵馈源，反射阵馈源给反射阵天线馈电，反射阵天线通过调节矩形贴片单元尺寸补偿电磁波相位使高频段的不同频率电磁波实现不同角度的波束指向；而低频段的电磁波通过漏波天线阵的缝隙辐射，实现不同频率指向不同角度。本发明具有结构简单，成本低，高增益，两个频段均能波束扫描的特点，可用于对增益和波束覆盖范围有要求的无线通信系统中。

Description

一种基于反射阵和漏波天线阵的共口径天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于反射阵和漏波天线阵的共口径天线，适用于微波、毫米波等通信系统中。
背景技术
共口径天线是一种典型的多频化天线，是通信基站的重要组成部分。共口径天线将不同频带的天线组合成一个整体架构，并允许所有频带的天线通过同一孔径进行辐射。因此，共口径天线具有双/多频带辐射能力、空间复用效率高、和体积小等优点，已成为基站通信的研究热点。对于部分区域都需要高增益的天线覆盖的应用需求，共口径相控阵天线是较好的选择。但是共口径相控阵天线具有高成本的特点，使得其很难满足商业通信低成本的需求。因此急需具有高增益，低成本，波束可扫描的共口径天线来满足特定场景的应用需求。
反射阵和漏波天线是常见的传统的高增益天线。反射阵和漏波天线的结构较为简单，使得加工成本低廉。并且漏波天线具有波束随着频率扫描的特点；反射阵的单线单元由于具有色散特性，可以对反射阵进行优化设计，使反射阵也具有波束指向随着频率扫描的特点。因此利用反射阵和漏波天线设计的共口径天线将具有高增益、低成本和波束可扫描的特点，使得其满足商业通信系统的需求。
综上所述，本发明正是针对高增益、低成本和波束可扫描的共口径天线而提出的设计。
发明内容
本发明的目的在于：设计一种高增益、低成本和波束可扫描的共口径天线，所设计的共口径天线在两个频段都具备扫描的能力。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于反射阵和漏波天线阵的共口径天线，该天线包括：反射阵天线、漏波天线、金属底板、反射阵馈源，所述反射阵天线包括：反射阵基板、反射阵阵面，所述漏波天线包括：漏波基板、漏波阵列，所述共口径天线由下至上依次层叠金属底板、漏波基板、漏波阵列、反射阵基板、反射阵阵面；反射阵馈源从反射阵阵面斜上方照射反射阵阵面；所述漏波阵列为在漏波基板的上表面设置覆铜层，在覆铜层上刻蚀出的缝隙阵列；所述缝隙阵列中的缝隙为矩形缝隙，所有矩形缝隙按同一方向排布，矩形缝隙的长轴方向为纵向，短轴方向为横向；采用屏蔽孔包围缝隙阵列，相邻横行矩形缝隙之间并采用一行屏蔽孔隔离，横向的相邻矩形缝隙之间设置两个短路柱，两个短路柱的排布方向与矩形缝隙的长轴方向相同；屏蔽孔、短路柱均为贯穿漏波基板的连接覆铜层与金属底板的金属化通孔，并通过紧固件将漏波基板与金属底板压紧；所述反射阵阵面为金属贴片阵列，每个金属贴片的大小根据实际情况调整，各金属贴片的投影不与矩形缝隙、屏蔽孔、短路柱重叠。
进一步的，反射阵馈源为喇叭天线。
进一步的，所述漏波阵列中的缝隙阵列为8x8的矩形缝隙阵列，反射阵阵面的金属贴片阵列为16x16的矩形金属贴片阵列，横向相邻的两条矩形缝隙之间以2x2的方式阵列设置4片矩形金属贴片，短路柱位于两列金属贴片之间。
进一步的，所述漏波基板采用厚度为2mm，介电常数为2.33的F4BM介质基片；矩形缝隙间距p1＝10.34mm，矩形缝隙的长宽为p3＝5.39mm，p2＝0.54mm，相邻行屏蔽孔的宽度p4＝10.34mm，相邻短路柱的间距p5＝6.64mm；反射阵基板采用厚度为0.635mm，介电常数为2.55的F4BM介质基片。
本发明的有益效果是：通过采用漏波天线做共口径天线的低频天线，并且设计波束指向随频率改变的反射阵天线做共口径天线的高频天线，通过将高频反射阵放置于低频的漏波天线阵上方，实现了高低频天线的共口径工作，并且实现了在两个频段的波束扫描性能。所提出的共口径天线具有高增益、低成本和波束可扫描的特点。
附图说明
图1为所述一种基于反射阵和漏波天线阵的共口径天线的整体结构示意图。
图2为所述一种基于反射阵和漏波天线阵的共口径天线的低频段漏波天线示意图。
图3为所述一种基于反射阵和漏波天线阵的共口径天线的低频段漏波天线局部放大示意图。
图4为所述一种基于反射阵和漏波天线的共口径天线的高频段反射阵天线的阵面示意图。
图5为所述一种基于反射阵和漏波天线的共口径天线的介质板局部放大俯视示意图。
图6为所述一种基于反射阵和漏波天线的共口径天线的高频段随频率扫描方向图。
图7为所述一种基于反射阵和漏波天线的共口径天线的低频段随频率扫描方向图。
图中，反射阵馈源-1，反射阵天线-2，漏波天线-3，反射阵阵面-201，矩形缝隙-301，短路柱-302，屏蔽孔-303。
具体实施方式
如图1所示本发明一种基于反射阵和漏波天线阵的共口径天线的整体结构包括：反射阵天线2、漏波天线3、金属底板、反射阵馈源，反射阵馈源为喇叭天线1；所述反射阵天线包括：反射阵基板、反射阵阵面，所述漏波天线包括：漏波基板、漏波阵列，所述共口径天线由下至上依次层叠金属底板、漏波基板、漏波阵列、反射阵基板、反射阵阵面；反射阵馈源为喇叭天线，在反射阵阵面斜上方照射反射阵阵面。
所述的漏波天线阵共口径天线的低频天线，反射阵天线为共口径的高频天线。
如图2所示为一种基于反射阵和漏波天线阵的共口径天线的低频段漏波天线示意图，漏波天线采用的为矩形缝隙做辐射结构，每一条漏波天线的矩形缝隙间的间隙为周期形排列，并且每条漏波天线含有8条缝隙结构；
如图3所示，一种基于反射阵和漏波天线阵的共口径天线的低频段漏波天线局部放大示意图；漏波天线矩形缝隙周期距离为p1，缝隙的尺寸为p2*p3，每一条漏波天线的宽度为p4，漏波天线的矩形缝隙之间有短路过孔，其间距为p5，共口径天线中低频的漏波天线阵为1*8的阵列排布。
如图4所示为一种基于反射阵和漏波天线的共口径天线的高频段反射阵天线的阵面示意图；所述的反射阵天线采用矩形金属贴片做反射阵的反射单元并且反射阵被印刷在上层介质的上表面，反射阵的阵列大小为16*16，其中反射阵馈源偏离反射阵阵面的法向以减小对反射阵辐射的遮挡。通过优化在不同频率下的反射阵波束指向而得到了反射阵阵面的排布。
如图5所示为本发明基于反射阵和漏波天线的共口径天线的介质板局部放大俯视示意图。所有矩形缝隙按同一方向排布，矩形缝隙的长轴方向为纵向，短轴方向为横向；采用屏蔽孔包围缝隙阵列，相邻横行矩形缝隙之间并采用一行屏蔽孔隔离，横向的相邻矩形缝隙之间设置两个短路柱，两个短路柱的排布方向与矩形缝隙的长轴方向相同；所述反射阵阵面为金属贴片阵列，每个金属贴片的大小根据实际情况调整，各金属贴片的投影不与矩形缝隙、屏蔽孔、短路柱重叠。
具体的低频段漏波天线阵的结构示意图如图3所示，漏波基板采用厚度为2mm，介电常数为2.33的F4BM介质基片，漏波基板中设计有短路柱302和屏蔽孔303，蚀刻的矩形缝隙为低频段漏波天线阵的辐射结构，低频段漏波天线8x8的矩形缝隙组成；设计的短路柱302结构通过改变低频的电磁波在两个矩形缝隙之间的相位差，有利于增大漏波天线阵的扫描角度，提高漏波天线的辐射效率；屏蔽孔303等效为金属壁以在下层漏波天线阵介质板3形成基片集成波导结构。低频段漏波天线局部放大示意图如图3所示，每一列漏波天线的缝隙间距为p1＝10.34mm，缝隙的尺寸为p2＝0.54mm，p3＝5.39mm，每一列漏波天线的宽度为p4＝10.34mm，漏波天线的缝隙的短路过孔间距为p5＝6.64mm。
具体的高频段反射阵天线的阵面示意图如图4所示，反射阵基板采用厚度为0.635mm，介电常数为2.55的F4BM介质基片，反射阵阵面201的矩形贴片印刷在上层反射阵介质板的上表面；漏波阵列为大面积的覆铜，因此漏波阵列可以做高频段反射阵的金属底板。通过喇叭天线1斜照射高频段反射阵的阵面实现高频段反射阵的馈电，其中喇叭天线1斜放置可以减小对于高频段反射阵辐射的遮挡影响。反射阵阵面201的矩形贴片通过优化高频段不同频率的波束指向而得到，以此实现高频段的波束扫描；反射阵天线2、漏波天线3、金属底板通过紧固件固定在安装平台上，且喇叭天线也通过支架固定在安装平台上。
其中，为了减少高频段的反射阵和低频段的漏波天线阵的互相影响，漏波天线的矩形缝隙301设置在反射阵天线的矩形贴片的金属间隙之间，使得漏波天线的矩形缝隙301正上方没有反射阵的矩形贴片的遮挡并且反射阵的矩形贴片的正下方没有漏波天线的矩形缝隙301。
共口径天线在高频段内随频率扫描方向图如图6所示，在26.5GHz的波束指向为-1°，在28.7GHz的波束指向为-5°，在32.0GHz的波束指向为-11°，并且在高频段内最大增益25dBi，实现了高频段内的高增益波束扫描。
共口径天线在低频段内随频率扫描方向图如图7所示，在14.75GHz的波束指向为-56°，在15.75GHz的波束指向为-41°，在16.75GHz的波束指向为-15°，并且在高频段内最大增益20dBi，实现了低频段内的高增益波束扫描。

Claims (4)

1.一种基于反射阵和漏波天线阵的共口径天线，该天线包括：反射阵天线、漏波天线、金属底板、反射阵馈源，其特征在于，所述反射阵天线包括：反射阵基板、反射阵阵面，所述漏波天线包括：漏波基板、漏波阵列，所述共口径天线由下至上依次层叠金属底板、漏波基板、漏波阵列、反射阵基板、反射阵阵面；反射阵馈源从反射阵阵面斜上方照射反射阵阵面；所述漏波阵列为在漏波基板的上表面设置覆铜层，在覆铜层上刻蚀出的缝隙阵列；所述缝隙阵列中的缝隙为矩形缝隙，所有矩形缝隙按横向周期排布，矩形缝隙的长轴方向为纵向，短轴方向为横向；采用屏蔽孔包围缝隙阵列，相邻横向矩形缝隙之间并采用一行屏蔽孔隔离，横向的相邻矩形缝隙之间设置两个短路柱，两个短路柱的排布方向与矩形缝隙的长轴方向相同；屏蔽孔、短路柱均为贯穿漏波基板的连接覆铜层与金属底板的金属化通孔，并通过紧固件将漏波基板与金属底板压紧；所述反射阵阵面为金属贴片阵列，每个金属贴片的大小根据实际情况调整，各金属贴片的投影不与矩形缝隙、屏蔽孔、短路柱重叠。
2.如权利要求1所述的一种基于反射阵和漏波天线阵的共口径天线，其特征在于，反射阵馈源为喇叭天线。
3.如权利要求1所述的一种基于反射阵和漏波天线阵的共口径天线，其特征在于，所述漏波阵列中的缝隙阵列为8x8的矩形缝隙阵列，反射阵阵面的金属贴片阵列为16x16的矩形金属贴片阵列，横向相邻的两条矩形缝隙之间以2x2的方式阵列设置4片矩形金属贴片，短路柱位于两列金属贴片之间。
4.如权利要求1所述的一种基于反射阵和漏波天线阵的共口径天线，其特征在于，所述漏波基板采用厚度为2mm，介电常数为2.33的F4BM介质基片；矩形缝隙间距p1＝10.34mm，矩形缝隙的长宽为p3＝5.39mm，p2＝0.54mm，相邻行屏蔽孔的宽度p4＝10.34mm，相邻短路柱的间距p5＝6.64mm；反射阵基板采用厚度为0.635mm，介电常数为2.55的F4BM介质基片。
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