CN117458139A - 一种低剖面宽带宽角阵列天线及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种低剖面宽带宽角阵列天线及其安装方法，天线包括天线罩、超表面层、阵列层和围框，阵列层为通过若干个阵列条阶梯拼接组成天线阵面，安装在围框内部；阵列条由辐射阵子、介质地板条、金属地板条、射频连接器和介质螺钉组成。通过围框内侧面布置若干相互平行且间距相同的第一卡槽，与辐射阵子配合，保证辐射阵子垂直性；通过将阵列条上的介质地板与金属地板设计为不等边宽且不对齐，错落叠放，在保证介质地板与金属地板连续的同时，在相邻两个阵列条中间形成空气腔；在介质地板层上设计矩形长孔，有效降低高阻抗部分的阻抗，而且给天线下层增加了透气性，并且缓解了介质地板与金属地板两层因不同材质不同膨胀系数而引起的变形等问题。

Description

一种低剖面宽带宽角阵列天线及其安装方法

技术领域

本发明属于相控阵天线技术领域，具体为一种低剖面宽带宽角阵列天线及其安装方法。

背景技术

随着无线电电磁环境的日益复杂，对于相控阵天线不仅需要具有超宽带特性，还需要具有宽角扫描、高增益、低副瓣等特性。而且考虑实际应用场景对天线结构体积和重量的严格要求，在保证高性能的前提下实现低剖面化也是阵列天线的重要发展方向。

传统相控阵天线已经无法满足现代多目标多任务雷达对天线的工作带宽、扫描能力以及自身的体积和重量的极高要求。常规宽带相控阵设计中使用到的带宽超过100％以上的宽带单元有Vivaldi天线、螺旋天线等。Vivaldi天线采用介质作为基板设计时，其高度约为最低工作频率的一个波长，很难实现低剖面，并且交叉极化会恶化，影响天线的正常极化辐射。螺旋天线通过采取非周期的同心环布阵方式能够实现宽带工作，但由于单元尺寸较大，扫描角有限且布阵复杂。

目前，针对低剖面宽带宽角阵列天线的研究大都是处于原理样机的阶段，阵面尺寸非常小，且整个天线内部采用多种不同介质板造成结构稳定性实现困难，因此设计一款成熟的低剖面宽带宽角阵列天线产品具有重要意义。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种低剖面宽带宽角阵列天线，该天线包含若干天线阵列条，每个阵列条采用多层介质组合形式，若干天线阵列条以阶梯拼接的形式组成天线阵面，整个天线阵面结构高效紧密，使天线在满足各项功能指标的同时，尽可能的薄、轻便，满足应用场景对天线体积和重量的严苛要求。

本发明的技术方案为：

所述一种低剖面宽带宽角阵列天线，包括天线罩、超表面层、阵列层和围框；

所述围框为空心矩形围框，在围框内侧面有若干相互平行且间距相同的第一卡槽，且所述第一卡槽垂直于围框底面，用于与阵列层中的辐射阵子配合；在围框内侧面底端还有向内的翻边，翻边上有安装孔，用于与阵列层中的金属地板条固定安装连接；在围框的上端面开有若干安装孔，用于安装超表面层和天线罩；

所述天线罩边缘开有若干安装孔，用于与围框上端面安装孔配合，将天线罩安装在围框上；

所述超表面层为金属微带结构介质板，放置在围框上端，整体覆盖在阵列层上方，中部靠阵列层支撑，超表面层边缘开有连接孔，用于与天线罩边缘安装孔以及围框上端面安装孔配合，将介质板固定在天线罩与围框之间；

所述阵列层为通过若干个阵列条阶梯拼接组成天线阵面，安装在围框内部；每个阵列条由辐射阵子、介质地板条、金属地板条、射频连接器和介质螺钉组成；

所述辐射阵子长度方向两端边缘设有卡耳，通过卡耳将辐射阵子卡入天线围框内侧面的第一卡槽中；

所述介质地板条为平板结构，在介质地板条中部沿长度方向开有矩形长孔，所述辐射阵子能够穿过矩形长孔后与金属地板条连接，且辐射阵子上的微带线穿过矩形长孔后在下端馈电；

所述金属地板条主体为长方体结构，在长方体结构两端底部设有用于与围框固定连接的耳片，在长方体结构一侧底部有向外凸出的平板，形成台阶结构，在台阶根部具有第二卡槽，能够将穿过介质地板条的辐射阵子底部卡入第二卡槽中；在台阶侧面有若干介质螺钉安装孔，用于当辐射阵子底部卡入第二卡槽中后，通过介质螺钉将辐射阵子固定在金属地板条上；在台阶根部第二卡槽处，沿金属地板条长度方向上还开有若干安装孔，用于安装射频连接器，并确保射频连接器与辐射阵子可靠馈电。

进一步的，所述围框外侧面具有加强筋。

进一步的，在介质地板条矩形长孔两侧，分别开有若干连接孔，其中一侧的连接孔用于与底部一根金属地板条连接，而另一侧的连接孔用于与底部另外一根相邻金属地板条连接；在金属地板条的主体上，开有两组连接孔，一组连接孔用于与上部一根介质地板条连接，另一组连接孔用于与上部另一个相邻介质地板条连接；实现介质地板条与金属地板条错落叠放，在保证上层介质地板与下层金属地板连续的同时，在相邻两个阵列条中间形成空气腔。

进一步的，所述天线罩由三层压合而成，第一层为0.2mm厚玻璃钢，第二层为3mm厚PVC，第三层为0.2mm厚玻璃钢。

进一步的，超表面层采用厚度为1.016mm、介电常数为3.48的罗杰斯4350B单面覆铜介质板制成。

进一步的，辐射阵子由厚0.762mm、介电常数为3.48的罗杰斯4350B双面覆铜板制成；介质地板条由厚2.5mm、介电常数为4.4的FR4单面覆铜板经过机械加工制成；金属地板条为硬铝机械加工而成。

进一步的，天线工作频带为1.4GHz-6GHz，±50°扫描角度，天线具备发射与接收能力并且可扩阵，剖面高度25mm。

上述天的安装方法，包括以下步骤：

步骤1：在介质地板条与金属地板条的接触面、辐射阵子与金属地板条的接触面分别均匀涂抹焊锡膏；辐射阵子垂直穿过介质地板条后，将辐射阵子插入金属地板条的第二卡槽处；介质地板条和金属地板条上侧贴紧，辐射阵子和金属地板条右侧贴紧，并通过介质螺钉紧固；在金属地板条底部安装射频连接器，在射频连接器的馈电点处点涂焊锡膏；

步骤2：将步骤1组装好的阵列条放入工业烤箱一体烘烤制成；

步骤3：将阵列条依次拼接：将第一阵列条的介质地板条伸出部分搭在第二阵列条的金属地板条上面，将第二阵列条的介质地板条伸出部分搭在第三阵列条的金属地板条上面，以次类推完成整个阵列层的搭建安装；

步骤4：将阵列层装入围框中，通过辐射阵子长度方向两端边缘卡耳将辐射阵子卡入天线围框内侧面的第一卡槽中，通过金属地板条两端底部耳片与围框固定连接；

步骤5：将超表面层盖在阵列层上方，再扣上天线罩并紧固，完成整个天线的安装。

有益效果

本发明提出的低剖面宽带宽角阵列天线采用模块式拼接结构，装配过程简易快捷，而且天线模块工艺流程固定，模块一致性好，能够根据不同需求可增减阵面大小，天线性能满足要求，超低剖面环境适应性强。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：低剖面宽带宽角阵列天线结构分层图；

图2：阵列条示意图；

图3：阵列条侧视图；

图4：阵列层拼接剖面图；

图5：金属地板条(含卡槽)示意图；

图6:辐射阵子(含卡尔)示意图；

图7:介质地板条(含矩形长孔)示意图；

图8:阵列条实物图；

图9:天线实物图。

图中，1、天线罩；2、超表面层；3、阵列层；4、围框结构件；5、辐射阵子；6、介质地板条；7、金属地板条；8、射频连接器(型号sma)；9、介质螺钉；10、空气腔；11、第二卡槽；12、卡耳；13、矩形长孔。

具体实施方式

在综合考虑宽带宽角阵列天线的外形、重量、功能以及环境适应性等因素情况下，本发明提出一种低剖面宽带宽角阵列天线结构，考虑到天线阵面的可扩性及维修性，该天线阵面由若干天线阵列条拼接而成，从而对整个天线的结构设计做了高效紧密的布局，使天线在满足各项功能指标的同时，尽可能的薄、轻便。

每个阵列条上都包含辐射阵子、馈电、介质地板、金属地板，阵列条与阵列条拼接后组成整个阵面，因此阵列条是整个天线设计的关键，主要难点在于：1保证拼接后各单元的间距一致性；2保证拼接后介质地板与金属地板的连续性；3保证天线拼接后，各层材质在温度、湿度等外界因素下，不会发生变形。

首先，为了保证拼接后每个单元的间距相同，辐射单元的垂直性一致，在结构设计中采用了两种措施：1在金属地板条上预留1mm宽1mm深的卡槽，确定了阵子的具体位置，附图5所示；2辐射阵子两端设计了卡耳，通过将卡耳卡入天线围框进一步保证了辐射阵子的垂直性，附图6所示。

其次，为了保证拼接后天线接地的连续性及空气耦合腔里馈电点的稳定性，将阵列条上的介质地板与金属地板设计为不等边宽且不对齐，错落叠放。这样不仅能保证单个阵列条上的介质地板与金属地板连接，还给下一个阵列条的连接留了位置，从而保证了整个天线阵面地板的连续性，且在保证上层介质地板与下层金属地板连续的同时，在相邻两个阵列条中间形成空气腔，并完成了天线的馈电。

为了实现输入阻抗匹配，在介质地板层上设计了矩形长孔，辐射阵子上的微带线穿过矩形长孔后在下端馈电，这种结构在阻抗超过100欧姆时仍然可以采用微带线馈电，可有效地降低高阻抗部分的阻抗。而且该矩形长孔在保证电气性能的同时，给天线下层增加了透气性，并且缓解了介质地板与金属地板两层因不同材质不同膨胀系数而引起的变形等问题。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本实施例提出低剖面宽带宽角阵列天线，天线工作频带为1.4GHz-6GHz，±50°扫描角度，天线具备发射与接收能力并且可扩阵。

如图1所示，整个天线从上而下分为天线罩、超表面层、阵列层和围框。

所述围框为翻边空心矩形围框，围框尺寸根据阵列层尺寸设计，在围框外侧面具有加强筋，在围框内侧面有若干相互平行且间距相同的第一卡槽，且所述第一卡槽垂直于围框底面，用于与阵列层中的辐射阵子配合，在围框内侧面底端还有向内的翻边，翻边上有安装孔，用于与阵列层中的金属地板条固定安装连接；在围框的上端面开有若干安装孔，用于安装超表面层和天线罩。

天线罩是用来最终保护天线表面的，具备重量轻、强度好、耐腐蚀等特点。本实施例中，天线罩由三层压合而成，第一层为0.2mm厚玻璃钢，第二层为3mm厚PVC，第三层为0.2mm厚玻璃钢。天线罩边缘开有若干安装孔，用于与围框上端面安装孔配合，将天线罩安装在围框上。

而为了让阵列天线展现出更宽的频带特性，给阵列层上方放置一块超表面层即阻抗匹配层。超表面层采用方环形金属微带结构介质板，整体覆盖在阵列层上方，抵消接地面电抗随频率的变化。本实施例中，超表面层采用厚度为1.016mm、介电常数为3.48的罗杰斯4350B单面覆铜介质板制成。而且，为了保证超表面层与地板层的平行，本实施例将整个介质板放置在翻边空心矩形围框上面，整个超表面层像盖子一样整体扣在阵列层上方，中部靠阵列层的阵列天线支撑，且介质板边缘开有连接孔，用于与天线罩边缘安装孔以及围框上端面安装孔配合，将介质板固定在天线罩与围框之间。

阵列层是通过若干个阵列条阶梯拼接组成天线阵面，安装在围框内部。单个阵列条的结构形式参照附图2。每个阵列条由辐射阵子5、介质地板条6、金属地板条7、射频连接器8和介质螺钉9组成。

本实施例中，每个阵列条由一个辐射阵子5、一个介质地板条6、一个金属地板条7、十八个射频连接器8和十七个介质螺钉9组成。

如图6所示，所述辐射阵子长度方向两端边缘设有卡耳，通过卡耳将辐射阵子卡入天线围框内侧面的第一卡槽中，由于卡槽垂直于围框底面，且相邻卡槽之间间距相同且平行，所以在辐射阵子两端保证了辐射阵子的垂直性和一致性。

如图7所示，所述介质地板条为平板结构，在介质地板条中部沿长度方向开有矩形长孔，所述辐射阵子能够穿过矩形长孔后与金属地板条连接，且辐射阵子上的微带线穿过矩形长孔后在下端馈电，从而在阻抗超过100欧姆时仍然可以采用微带线馈电，可有效地降低高阻抗部分的阻抗；此外，设置了矩形长孔后，在保证电气性能的同时，也增加了天线下层的透气性，缓解了介质地板与金属地板两层因不同材质不同膨胀系数而引起的变形等问题。在矩形长孔两侧，分别开有若干连接孔，其中一侧的连接孔用于与底部一根金属地板条连接，而另一侧的连接孔用于与底部另外一根相邻金属地板条连接。

如图5所示，所述金属地板条主体为长方体结构，在长方体结构两端底部设有用于与围框固定连接的耳片，在长方体结构一侧底部有向外凸出的平板，形成台阶结构，在台阶根部具有第二卡槽，能够将穿过介质地板条的辐射阵子底部卡入第二卡槽中，从而保证了辐射阵子整体不发生变形，从而确保了辐射阵子整体上的垂直性和一致性。在台阶侧面有若干介质螺钉安装孔，用于当辐射阵子底部卡入第二卡槽中后，通过介质螺钉将辐射阵子固定在金属地板条上，在台阶根部第二卡槽处，沿金属地板条长度方向上还开有若干安装孔，用于安装射频连接器，并确保射频连接器与辐射阵子可靠馈电。在金属地板条的主体上，开有两组连接孔，一组连接孔用于与上部一根介质地板条连接，另一组连接孔用于与上部另一个相邻介质地板条连接。

介质地板条与金属地板条的这种错落叠放的连接方式保证了整个天线阵面地板的连续性，并且在上层介质地板与下层金属地板连续的同时，在相邻两个阵列条中间形成空气腔，确保拼接后天线接地的连续性及空气耦合腔里馈电点的稳定性。

本实施例中，辐射阵子5由厚0.762mm、介电常数为3.48的罗杰斯4350B双面覆铜板制成。介质地板条6由厚2.5mm、介电常数为4.4的FR4单面覆铜板经过机械加工制成。金属地板条7为硬铝机械加工而成。

单个阵列条结构安装过程如下：在介质地板条6与金属地板条7的接触面、辐射阵子5与金属地板条7的接触面分别均匀涂抹焊锡膏，辐射阵子5垂直穿过介质地板条6后，将辐射阵子5插入金属地板条7的1mm卡槽处，辐射阵子5和金属地板条7右侧贴紧，介质地板条6和金属地板条7上侧贴紧，通过介质螺钉9紧固。最后装入18个射频连接器8，在射频连接器8的馈电点处点涂焊锡膏，附图3所示。之后放入工业烤箱一体烘烤制成。经测试阵列条一致性良好。将阵列条依次拼接，即阵列条一的介质地板条伸出的部分搭在阵列条二的金属地板条上面，阵列条二的介质地板条伸出的部分搭在阵列条三的金属地板条上面，以次类推完成整个阵列面的搭建安装，最终紧固在天线围框上形成阵列天线层，附图4所示。

将超表面层盖在阵列天线层上方之后，扣上天线罩，完成整个天线的安装，最终该宽带宽角阵列天线剖面高度在25mm。附图8是单个阵列条实物图，附图9是天线最终实物图。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种低剖面宽带宽角阵列天线，其特征在于：包括天线罩、超表面层、阵列层和围框；

所述围框为空心矩形围框，在围框内侧面有若干相互平行且间距相同的第一卡槽，且所述第一卡槽垂直于围框底面，用于与阵列层中的辐射阵子配合；在围框内侧面底端还有向内的翻边，翻边上有安装孔，用于与阵列层中的金属地板条固定安装连接；在围框的上端面开有若干安装孔，用于安装超表面层和天线罩；

所述天线罩边缘开有若干安装孔，用于与围框上端面安装孔配合，将天线罩安装在围框上；

所述超表面层为金属微带结构介质板，放置在围框上端，整体覆盖在阵列层上方，中部靠阵列层支撑，超表面层边缘开有连接孔，用于与天线罩边缘安装孔以及围框上端面安装孔配合，将介质板固定在天线罩与围框之间；

所述阵列层为通过若干个阵列条阶梯拼接组成天线阵面，安装在围框内部；每个阵列条由辐射阵子、介质地板条、金属地板条、射频连接器和介质螺钉组成；

所述辐射阵子长度方向两端边缘设有卡耳，通过卡耳将辐射阵子卡入天线围框内侧面的第一卡槽中；

所述介质地板条为平板结构，在介质地板条中部沿长度方向开有矩形长孔，所述辐射阵子能够穿过矩形长孔后与金属地板条连接，且辐射阵子上的微带线穿过矩形长孔后在下端馈电；

所述金属地板条主体为长方体结构，在长方体结构两端底部设有用于与围框固定连接的耳片，在长方体结构一侧底部有向外凸出的平板，形成台阶结构，在台阶根部具有第二卡槽，能够将穿过介质地板条的辐射阵子底部卡入第二卡槽中；在台阶侧面有若干介质螺钉安装孔，用于当辐射阵子底部卡入第二卡槽中后，通过介质螺钉将辐射阵子固定在金属地板条上；在台阶根部第二卡槽处，沿金属地板条长度方向上还开有若干安装孔，用于安装射频连接器，并确保射频连接器与辐射阵子可靠馈电。

2.根据权利要求1所述一种低剖面宽带宽角阵列天线，其特征在于：所述围框外侧面具有加强筋。

3.根据权利要求1所述一种低剖面宽带宽角阵列天线，其特征在于：在介质地板条矩形长孔两侧，分别开有若干连接孔，其中一侧的连接孔用于与底部一根金属地板条连接，而另一侧的连接孔用于与底部另外一根相邻金属地板条连接；在金属地板条的主体上，开有两组连接孔，一组连接孔用于与上部一根介质地板条连接，另一组连接孔用于与上部另一个相邻介质地板条连接；实现介质地板条与金属地板条错落叠放，在保证上层介质地板与下层金属地板连续的同时，在相邻两个阵列条中间形成空气腔。

4.根据权利要求1所述一种低剖面宽带宽角阵列天线，其特征在于：所述天线罩由三层压合而成，第一层为0.2mm厚玻璃钢，第二层为3mm厚PVC，第三层为0.2mm厚玻璃钢。

5.根据权利要求1所述一种低剖面宽带宽角阵列天线，其特征在于：超表面层采用厚度为1.016mm、介电常数为3.48的罗杰斯4350B单面覆铜介质板制成。

6.根据权利要求5所述一种低剖面宽带宽角阵列天线，其特征在于：辐射阵子由厚0.762mm、介电常数为3.48的罗杰斯4350B双面覆铜板制成；介质地板条由厚2.5mm、介电常数为4.4的FR4单面覆铜板经过机械加工制成；金属地板条为硬铝机械加工而成。

7.根据权利要求6所述一种低剖面宽带宽角阵列天线，其特征在于：天线工作频带为1.4GHz-6GHz，±50°扫描角度，天线具备发射与接收能力并且可扩阵，剖面高度25mm。

8.一种权利要求1～6任一所述低剖面宽带宽角阵列天线的安装方法，包括以下步骤：

步骤1：在介质地板条与金属地板条的接触面、辐射阵子与金属地板条的接触面分别均匀涂抹焊锡膏；辐射阵子垂直穿过介质地板条后，将辐射阵子插入金属地板条的第二卡槽处；介质地板条和金属地板条上侧贴紧，辐射阵子和金属地板条右侧贴紧，并通过介质螺钉紧固；在金属地板条底部安装射频连接器，在射频连接器的馈电点处点涂焊锡膏；

步骤2：将步骤1组装好的阵列条放入工业烤箱一体烘烤制成；

步骤3：将阵列条依次拼接：将第一阵列条的介质地板条伸出部分搭在第二阵列条的金属地板条上面，将第二阵列条的介质地板条伸出部分搭在第三阵列条的金属地板条上面，以次类推完成整个阵列层的搭建安装；

步骤4：将阵列层装入围框中，通过辐射阵子长度方向两端边缘卡耳将辐射阵子卡入天线围框内侧面的第一卡槽中，通过金属地板条两端底部耳片与围框固定连接；

步骤5：将超表面层盖在阵列层上方，再扣上天线罩并紧固，完成整个天线的安装。