CN117175196A - 一种共口径天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种共口径天线阵列，包括若干个共口径天线子阵以及PCB层；每个共口径天线子阵由接收天线和位于其周围的若干个发射天线组成；PCB层由导电层和若干个介质层组成；在共口径天线子阵中，若干个发射天线采用顺序旋转的方式布阵；接收天线至少包括接收辐射贴片、正交馈电过孔以及馈电圆盘，每个馈电圆盘与一个正交馈电过孔呈同心圆设置；接收辐射贴片与馈电圆盘之间耦合馈电；发射天线至少包括发射辐射贴片以及馈电点。接收天线的馈电圆盘与辐射贴片采用耦合馈电，抵消了天线辐射面与PCB层中导电层的强烈电感效应，发射天线采用顺序旋转的子阵形式，能够降低天线的轴比。收发天线集成于同一个PCB层中，实现了共口径天线阵列的紧凑和低剖面应用。

Description

一种共口径天线阵列

技术领域

本发明涉及微波天线技术领域，更具体地，涉及一种共口径天线阵列。

背景技术

现如今的星载相控阵系统均迫切追求缩小系统体积以达到低成本的目的，在尺寸及重量受到限制的相控阵天线系统中，为了尽可能地减小天线的口径，通常将收发不同频段的天线集成在统一口径中，采用共口径天线是解决这一问题的方式之一。共口径天线是一种允许不同频段不同极化的多副天线能够在同一个口径面内同时工作的一种天线形式。它通过空间上的合理布局，充分利用载体空间，减小不同工作频率天线之间的电磁耦合，从而使得功能不同的多副天线可以相互独立互不影响的工作。共口径天线与多副天线单独放置相比，大大节省了天线所占的空间，多副天线是指多个不同结构形式的天线，而不是传统天线阵列中结构形式相同的天线单元。为了满足控阵天线二维大角度扫描的栅瓣条件，阵列天线单元之间的间距通常小于二分之一波长，如果将收发天线继承在同一口径中，一般要求收发天线之间的频率比要大于2以上，而采用叠层、立体阵子单元时，尽管能缩小天线的间距，但却增加了剖面高度，对于低剖面应用极为不利。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种共口径天线阵列，用于解决现有的共口径天线为了满足收发天线的栅瓣条件而增加了剖面高度的问题，。

本发明采用的技术方案包括：

本发明提供一种共口径天线阵列，包括若干个共口径天线子阵以及PCB层；每个共口径天线子阵由接收天线和位于其周围的若干个发射天线组成；接收天线和发射天线均设于PCB层中；PCB层由导电层和若干个介质层组成；在共口径天线子阵中，若干个发射天线采用顺序旋转的方式布阵；接收天线至少包括接收辐射贴片、若干个正交馈电过孔以及若干个馈电圆盘，每个馈电圆盘与一个正交馈电过孔呈同心圆设置；在PCB层中，接收辐射贴片与馈电圆盘设于同一层，正交馈电过孔从馈电圆盘所在层延伸至导电层；接收辐射贴片与馈电圆盘之间耦合馈电；发射天线至少包括若干个发射辐射贴片以及馈电点；在PCB层中，馈电点与至少一个发射辐射贴片设于同一层，并延伸至导电层。

本发明提供的共口径天线阵列中，每个共口径天线子阵由接收天线和设于其周围的发射天线组成，实现了收发天线放置在同一口径。其中，接收天线的馈电圆盘与辐射贴片之间不直接接触，采用耦合馈电的形式进行馈电，抵消了天线辐射面与PCB层中导电层的强烈电感效应，其次，发射天线采用顺序旋转的子阵形式，能够降低天线的轴比。整体来看，收发天线集成于同一个PCB层中，实现了共口径天线阵列的紧凑和低剖面应用。

进一步，接收天线还包括若干个微扰金属盘枝节；在每个正交馈电过孔处均设有位于PCB层中不同层的若干个微扰金属盘枝节，由正交馈电过孔穿过若干个微扰金属盘枝节的中心。

微扰金属盘枝节用于增加接收天线的容性分量，能够抵消接收辐射贴片与导电层之间由于距离近而产生的强烈感性分量，进而优化了天线的回波损耗，拓展了天线带宽。

进一步，发射辐射贴片包括上层辐射贴片和下层辐射贴片；馈电点与下层辐射贴片设于同一层；下层辐射贴片的两端分别伸展出至少一个辐射枝节。

在发射天线中，发射辐射贴片包括上下层辐射贴片，采用了叠层的辐射贴片形式，能够进一步拓展发射天线的工作带宽。其次，下层辐射贴片伸展出的辐射枝节有利于优化发射天线的轴比。

进一步，上层辐射贴片呈矩形，下层辐射贴片呈圆形。

进一步，下层辐射贴片的两端分别伸展出的至少一个辐射枝节用于使同一下层辐射贴片的边沿电流相位延迟90°。

下层辐射贴片两端分别伸展出的辐射枝节使辐射贴片中的边沿电流相位延迟90°，便于形成圆极化电磁波，用于优化发射天线的轴比。

进一步，上层辐射贴片与接收辐射贴片位于PCB层的同一层。

进一步，每个正交馈电过孔处设有的至少一个微扰金属盘枝节与下层辐射贴片位于PCB层的同一层。

进一步，接收辐射贴片呈十字交叉状；在共口径天线子阵中，若干个发射天线位于接收辐射贴片的十字交叉空位。

由于接收辐射贴片呈十字交叉状，形成了至少4个十字交叉空位，发射天线可设于十字交叉空位中，该贴片形状能够很好地腾出空间给发射天线放置，避免发射天线之间间距过大而产生栅瓣。

进一步，每个共口径天线子阵由1个接收天线和位于其周围的4个发射天线组成；每个发射天线位于接收辐射贴片的1个十字交叉空位。

进一步，在共口径天线子阵中，每个发射天线由逆时针方向上前一发射天线围绕其自身中心逆时针方向旋转90°得到。

发射天线以顺序旋转的方式进行布阵，有利于降低天线的轴比。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种紧凑型、低剖面的共口径天线阵列，每个共口径天线子阵由接收天线和设于其周围的发射天线组成，收发天线集成于同一个PCB层中，实现了收发天线放置在同一口径，位置紧凑。接收天线的馈电圆盘与辐射贴片之间采用耦合馈电的形式进行馈电，抵消了天线辐射面与PCB层中导电层的强烈电感效应，进而优化了天线的回波损耗，拓展天线的带宽。发射天线采用顺序旋转的子阵形式，有效降低天线的轴比。

附图说明

图1为本实施例中共口径天线阵列的排布示意图。

图2为本实施例中共口径天线子阵A的组成示意图。

图3为本实施例中PCB层与收发天线的结构示意图。

图4为本实施例中接收天线1的侧视结构示意图。

图5为本实施例中接收天线1的俯视结构示意图。

图6为本实施例中发射天线2的上层辐射贴片21的结构示意图。

图7为本实施例中发射天线2的下层辐射贴片23的结构示意图。

图8为本实施例中4个共口径天线子阵A在接收频段的增益仿真结果。

图9为本实施例中4个共口径天线子阵A在接收频段的轴比仿真结果。

图10为本实施例中接收天线1在周期边界下接收天线的有源回波损耗仿真结果。

图11为本实施例中4个共口径天线子阵A在发射频段的增益仿真结果。

图12为本实施例中4个共口径天线子阵A在发射频段的轴比仿真结果。

图13为本实施例中发射天线2在周期边界下发射天线的有源回波损耗仿真结果。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

本实施例提供一种共口径天线阵列，能够实现接收天线与发射天线的共口径集成，且收发天线集成在同一个PCB层中，实现了天线阵列的紧凑和低剖面应用。

如图1所示，共口径天线阵列包括若干个共口径天线子阵A。

每个共口径天线子阵A由接收天线和位于其周围的若干个发射天线组成。在本实施例中，接收天线的工作频段为1.92GHz-1.98GHz(L波段)，发射天线的工作频段为3.44GHz-3.66GHz(S波段)。

如图2所示，在具体的实施方式中，每个共口径天线子阵A中包括有一个接收天线1和四个发射天线，四个发射天线位于接收天线的四周，分别为发射天线2、发射天线3、发射天线4和发射天线5。

在共口径天线子阵中，发射天线采用顺序旋转的方式布阵，以降低天线的轴比。具体地，如图2所示，发射天线3由发射天线2围绕其自身中心逆时针旋转90°得到，发射天线4由发射天线3围绕其自身中心逆时针旋转90°得到，发射天线5由发射天线4围绕其自身中心逆时针旋转90°得到。

在共口径天线阵列中，接收天线和发射天线均设于PCB层中。PCB层由导电层和若干个介质层组成。在具体的实施方式中，如图3所示，PCB层由顺序排列的五个介质层以及一个导电层组成，分别为介质层31、介质层32、介质层33、介质层34、介质层35和导电层36。在本实施例中，介质层31～35均为介电常数为3.48的介质板，导电层36为金属地。

在共口径天线阵列中，接收天线至少包括接收辐射贴片、若干个正交馈电过孔以及若干个馈电圆盘，每个馈电圆盘与一个正交馈电过孔呈同心圆设置。如图4和5所示，接收天线1至少包括接收辐射贴片17，两个正交馈电过孔分别为正交馈电过孔11和正交馈电过孔12，两个馈电圆盘分别为馈电圆盘111和馈电圆盘112，馈电圆盘111与正交馈电过孔11呈同心圆设置，馈电圆盘112与正交馈电过孔12呈同心圆设置。

在优选的实施方式中，如图2、4和5所示，接收辐射贴片17呈十字交叉状，有4个十字交叉空位，而发射天线2、发射天线3、发射天线4和发射天线5可分别设于一个十字交叉空位中。相比于传统的矩形贴片，本实施例提供的接收辐射贴片17能够很好地腾出空间给发射天线2～5放置，避免发射天线间距过大而产生栅瓣。在本实施例中，发射天线之间的间距为42mm，接收天线之间的间距为84mm。

如图3所示，在PCB层中，接收辐射贴片17与馈电圆盘111和馈电圆盘112设于同一层，正交馈电过孔11和正交馈电过孔12从馈电圆盘111和馈电圆盘112所在层延伸至导电层36。接收辐射贴片17与馈电圆盘111和馈电圆盘112之间不直接接触，通过耦合馈电的方式进行馈电，目的是抵消了天线辐射面与PCB层中导电层的强烈电感效应，进一步增加天线的容性分量，优化天线的回波损耗等电性能。

在优选的实施方式中，接收天线1还包括若干个微扰金属盘枝节。在每个正交馈电过孔处均设有位于PCB层中不同层的若干个微扰金属盘枝节，如图2～4所示，正交馈电过孔11处设有四个微扰金属盘枝节，分别为微扰金属盘枝节13、微扰金属盘枝节14、微扰金属盘枝节15和微扰金属盘枝节16，四个微扰金属盘枝节位于PCB层中的不同层，由正交馈电过孔11穿过微扰金属盘枝节13～16的中心。同样地，在正交馈电过孔12处设有相同数量的微扰金属盘枝节，且由正交馈电过孔12穿过四个微扰金属盘枝节的中心。微扰金属盘枝节用于增加接收天线的容性分量，能够抵消接收辐射贴片17与导电层36之间由于距离近而产生的强烈感性分量，进而优化了天线的回波损耗，拓展了天线带宽。

在共口径天线阵列中，发射天线至少包括若干个发射辐射贴片以及馈电点。如图2、3、6和7所示，以发射天线2为例，发射天线2包括上层辐射贴片21、下层辐射贴片23以及馈电点24。在具体的实施方式中，上层辐射贴片21呈矩形，下层辐射贴片23呈圆形。

如图7所示，下层辐射贴片23的两端分别伸展出一个辐射枝节，为辐射枝节26和辐射枝节27。在具体的实施方式中，辐射枝节26和辐射枝节27为矩形金属枝节，用于使下层辐射贴片23的边沿电流相位延迟90°，便于形成圆极化电磁波，用于优化发射天线的轴比。

如图3所示，在PCB层中，馈电点24与下层辐射贴片23设于同一层，并延伸至导电层36。上层辐射贴片21与接收辐射贴片17位于同一层。正交馈电过孔11处设有的微扰金属盘枝节14与下层辐射贴片23位于同一层，同样地，正交馈电过孔12处同样设有一个与下层辐射贴片23位于同一层的微扰金属盘枝节。

其余的发射天线3～5的结构与发射天线2相同。

如图8所示，为本实施例中共口径天线子阵A在接收频段的增益仿真结果，在接收频段天线的效率达到85％以上，具备良好的电性能。

如图9所示，为本实施例中共口径天线子阵A在接收频段的轴比仿真结果，在接收频段天线的轴比远小于3dB，具备良好的圆极化波性能。

如图10所示，为本实施例中接收天线1在周期边界下的有源回波损耗，在工作频段下有源回波损耗小于-9.5dB，具备良好的电性能。

如图11所示，为本实施例中共口径天线子阵A在发射频段的增益仿真结果，在发射频段天线的效率达到70％以上，略低于接收，但满足工程应用要求。

如图12所示，为本实施例中共口径天线子阵A在发射频段的轴比仿真结果，在发射频段天线的轴比远小于3dB，具备良好的圆极化波性能。

如图13所示，为本实施例中发射天线2在周期边界下的有源回波损耗，在工作频段下有源回波损耗小于-9.5dB，具备良好的电性能。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种共口径天线阵列，包括若干个共口径天线子阵以及PCB层；

每个共口径天线子阵由接收天线和位于其周围的若干个发射天线组成；

接收天线和发射天线均设于PCB层中；PCB层由导电层和若干个介质层组成；

其特征在于，

在共口径天线子阵中，若干个发射天线采用顺序旋转的方式布阵；

接收天线至少包括接收辐射贴片、若干个正交馈电过孔以及若干个馈电圆盘，每个馈电圆盘与一个正交馈电过孔呈同心圆设置；

在PCB层中，接收辐射贴片与馈电圆盘设于同一层，正交馈电过孔从馈电圆盘所在层延伸至导电层；接收辐射贴片与馈电圆盘之间耦合馈电；

发射天线至少包括若干个发射辐射贴片以及馈电点；

在PCB层中，馈电点与至少一个发射辐射贴片设于同一层，并延伸至导电层。

2.根据权利要求1所述的共口径天线阵列，其特征在于，接收天线还包括若干个微扰金属盘枝节；

在每个正交馈电过孔处均设有位于PCB层中不同层的若干个微扰金属盘枝节，由正交馈电过孔穿过若干个微扰金属盘枝节的中心。

3.根据权利要求2所述的共口径天线阵列，其特征在于，发射辐射贴片包括上层辐射贴片和下层辐射贴片；馈电点与下层辐射贴片设于同一层；

下层辐射贴片的两端分别伸展出至少一个辐射枝节。

4.根据权利要求3所述的共口径天线阵列，其特征在于，上层辐射贴片呈矩形，下层辐射贴片呈圆形。

5.根据权利要求3所述的共口径天线阵列，其特征在于，下层辐射贴片的两端分别伸展出的至少一个辐射枝节用于使同一下层辐射贴片的边沿电流相位延迟90°。

6.根据权利要求3所述的共口径天线阵列，其特征在于，上层辐射贴片与接收辐射贴片位于PCB层的同一层。

7.根据权利要求2～6任一项所述的共口径天线阵列，其特征在于，每个正交馈电过孔处设有的至少一个微扰金属盘枝节与下层辐射贴片位于PCB层的同一层。

8.根据权利要求1～6任一项所述的共口径天线阵列，其特征在于，接收辐射贴片呈十字交叉状；在共口径天线子阵中，若干个发射天线位于接收辐射贴片的十字交叉空位。

9.根据权利要求8所述的共口径天线阵列，其特征在于，每个共口径天线子阵由1个接收天线和位于其周围的4个发射天线组成；每个发射天线位于接收辐射贴片的1个十字交叉空位。

10.根据权利要求1～6或9任一项所述的共口径天线阵列，其特征在于，在共口径天线子阵中，每个发射天线由逆时针方向上前一发射天线围绕其自身中心逆时针方向旋转90°得到。