CN117712696A - 一种多频段共孔径相控阵天线单元及其阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多频段共孔径相控阵天线单元及其阵列；所述上辐射层包括作为主体的上辐射板，所述上辐射板设有以矩形阵列方式排布的方形镂空；所述方位镂空中设置有第一方形贴片；所述上辐射板的中心设置有十字镂空，且十字镂空中设置有第一十字贴片；所述第一十字贴片和第一方形贴片均与上辐射板无接触；本发明能够在单一的口径内实现多频段、多极化、多功能，能够减小天线体积，拓展应用场景。

Description

一种多频段共孔径相控阵天线单元及其阵列
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种多频段共孔径相控阵天线。
背景技术
相控阵天线具备波束指向灵活、波束切换速度快、可靠性高、体积小等特点，在各类无线通信系统中应用广泛。目前，随着通信技术的飞速发展，无线通信系统正朝着小型化、集成化、轻量化、高性能的方向发展，同时对相控阵天线也提出了更高的要求。共孔径相控阵天线由多副相控阵天线构成并共用同一口径，与多副相控阵天线分置布局相比，共孔径相控阵天线能够在单一的口径内实现多频段、多极化、多功能，更符合无线通信系统的发展趋势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低剖面、多频段、多极化可实现大角度扫描的宽带共孔径相控阵天线，以解决现有技术中多频段相控阵天线占用体积大、使用场景受限的问题。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案需要以下先验条件：
一种多频段共孔径相控阵天线单元，包括从上至下依次层叠上辐射层、第一介质层、第二介质层、耦合馈电层、第三介质层和馈电网络层；
所述上辐射层包括作为主体的上辐射板，所述上辐射板设有以矩形阵列方式排布的方形镂空；所述方位镂空中设置有第一方形贴片；
所述上辐射板的中心设置有十字镂空，且十字镂空中设置有第一十字贴片；所述第一十字贴片和第一方形贴片均与上辐射板无接触；
所述馈电网络层通过金属化过孔与对应的BGA焊球连接。
进一步的，第一介质层和第二介质层之间还设置有下辐射层；
所述下辐射层包括第二方形贴片和第二十字贴片；所述第二方形贴片以矩形阵列方式排布，每一第二方形贴片均位于对应的第一方形贴片的正下方；所述第二十字贴片位于对应第一十字贴片的正下方。
进一步的，所述十字镂空与其周围的方形镂空接触，且其内部的十字贴片与第一方形贴片无接触。
进一步的，所述第二方形贴片和第二十字贴片无接触。
进一步的，具有方形镂空和十字镂空的上辐射板作为低频辐射贴片；第一方形贴片和第二方形贴片均作为高频辐射贴片；所述第一十字贴片和第二十字贴片均作为中频辐射贴片。
进一步的，所述方形镂空为4×4排布，每一方形镂空中均设置有所述第一方形贴片；第一方形贴片和第二方形贴片一一对应。
进一步的，所述第一方形贴片和第二方形贴片可替换为圆形。
进一步的，第一方形贴片和第二方形贴片之间的间距d3，满足:
d3<λ3(1+∣cos(θ3)∣)
其中，λ3表示高频天线工作频率在真空中的波长，θ3表示高频天线最大扫描角度。
进一步的，于，第一十字贴片和第二十字贴片之间的间距d2，满足:
d2<λ2(1+∣cos(θ2)∣)
其中，λ2表示中频天线工作频率在真空中的波长，θ2表示中频天线最大扫描角度。
一种多频段共孔径相控阵天线阵列，天线单元以矩形阵列的方式排布。
本发明的有益效果在于：
与目前多副相控阵天线分置布局相比，共孔径相控阵天线能够在单一的口径内实现多频段、多极化、多功能，能够减小天线体积，拓展应用场景。
据此，本发明提供了一种低剖面、多频段、多极化可实现大角度扫描的宽带共孔径相控阵天线，将高频天线、中频天线、低频天线布置于同一孔径内，减小了多频天线占用体积。
附图说明
图1是本发明实施例天线的俯视图。
图2是本发明实施例天线的截面图。
图3是本发明实施例天线单元的俯视图。
图4是本发明实施例天线的下辐射层的结构示意图。
图5是本发明实施例天线的耦合缝隙结构示意图。
图6是本发明实施例天线的馈电结构示意图。
图中：1、第一方形贴片，2、方形镂空，3、第一十字贴片，4、第一十字镂空，5、上辐射板，6、天线单元之间的缝隙，7、天线单元，8、上辐射层，9、第一介质层，10、下辐射层，11、第二介质层，12、耦合馈电层，13、馈电网络层，15、第一馈电网络，16、第二馈电网络，17、第三馈电网络18、金属通孔，19、BGA焊球，23、第二方形贴片，24、第二十字贴片，25、第一耦合缝隙，26、第二耦合缝隙，27、第三耦合缝隙。
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。
下面对本发明提供的多频段共孔径相控阵天线结构进行实例性说明：
参阅图1-图4。在以下描述的优选实施例中，所述低频天线单元包括一层辐射贴片(主反射板5),一层接地板(耦合馈电层)12和一层馈电网络15，所述中频天线阵列包括第一辐射贴片(第一十字贴片)3和第二辐射贴片(第二十字贴片)24，一层接地板(耦合馈电层)12和一层馈电网络16，所述高频天线阵列包括第一辐射贴片(第一方形贴片)1和第二辐射贴片(第二方形贴片)23，一层接地板(耦合馈电层)12和一层馈电网络17；
所述高频天线阵列的第一辐射贴片1轮廓呈方形、圆形或其他具有轴对称性的图形，所述高频天线阵列的第二辐射贴片23与第一辐射贴片1具有相似的形状，使用两层贴片拓展高频天线阵列的工作带宽，所述高频天线阵列由16×16个高频天线单元构成，所述高频天线单元间距为d3，满足公式:
d3<λ3(1+∣cos(θ3)∣)
其中，λ3表示高频天线工作频率在真空中的波长，θ3表示高频天线最大扫描角度；
所述高频天线阵列的接地板12上蚀刻有两个高频耦合缝隙，两个高频耦合缝隙呈L型分布，为辐射贴片提供圆极化馈电，所述高频天线阵列的馈电网络15同时为所述L型分布的高频耦合缝隙馈电。
所述中频天线阵列的第一辐射贴片3轮廓呈十字形，所述中频天线阵列第二辐射贴片24与第一辐射贴片3具有相似的形状，使用两层贴片拓展中频天线阵列的工作带宽，所述中频天线阵列由4×4个中频天线单元构成，所述中频天线单元间距为d2，满足公式:
d2<λ2(1+∣cos(θ2)∣)
其中，λ2表示中频天线工作频率在真空中的波长，θ2表示中频天线最大扫描角度；
所述中频天线阵列与所述高频天线共用接地板12，所述接地板12上蚀刻有耦合缝隙，两个中频耦合缝隙呈十字型分布，为辐射贴片提供双极化馈电，所述中频天线阵列的馈电网络16同时为所述十字型分布的中频耦合缝隙馈电。
所述低频天线单元的辐射贴片1轮廓呈方形，所述低频天线单元的辐射贴片由4×4个子贴片构成，所述子贴片的间距为d1；所述子贴片针对所述中频天线第一辐射贴片3和低频天线第一辐射贴片5开孔，形成所述高频天线子贴片1对中频天线第一辐射贴片3和低频天线第一辐射贴片5的环绕，便于中频天线和高频天线向外辐射电磁波，所述高频天线的4×4个子贴片构成超表面20，配合低频天线的馈电结构形成宽带辐射；
所述低频天线单元与所述高频天线共用接地板12，所述接地板12上蚀刻有两个低频天线耦合缝隙，两个低频耦合缝隙呈十字型分布，为辐射贴片提供双极化馈电，所述低频天线阵列的馈电网络17同时为所述十字型分布的低频耦合缝隙馈电；
所述多频段共孔径相控阵天线自上而下由第一金属层(上辐射层)8、第一介质层9、第二金属层(下辐射层)10、第二介质层11、第三金属层(耦合馈电层)12、第三介质层13、第四金属层(馈电网络)14、若干金属化过孔18和若干BGA焊球19构成；
所述第一金属层8蚀刻在第一介质层9上表面，所述第一金属层8由以下三部分构成：16×16个高频第一辐射贴片1构成的高频天线辐射贴片阵列18、4×4个中频第一辐射贴片3构成的中频天线辐射贴片阵列19、4×4个低频子贴片5构成的低频天线辐射贴片20；
所述第二金属层10蚀刻在第二介质层11上表面，所述第二金属层由以下两部分构成：16×16个高频第二辐射贴片23构成的高频天线辐射贴片阵列21、4×4个中频第二辐射贴片24构成的中频天线辐射贴片阵列22；
参照图5，所述第三金属层12蚀刻在第三介质层13上表面，所述第三金属层12由以下四部分构成：高频/中频/低频天线共用接地板、天线16×16组高频天线耦合缝隙、4×4组中频天线耦合缝隙、1组低频天线耦合缝隙；
参照图6，所述第四金属层14蚀刻在第三介质层13下表面，所述第四金属层14由以下四部分构成：16×16组高频天线馈电网络15、4×4组中频天线馈电网络16、1组低频天线馈电网络17。

Claims (10)

1.一种多频段共孔径相控阵天线单元，其特征在于，包括从上至下依次层叠上辐射层、第一介质层、第二介质层、耦合馈电层、第三介质层和馈电网络层；
所述上辐射层包括作为主体的上辐射板，所述上辐射板设有以矩形阵列方式排布的方形镂空；所述方位镂空中设置有第一方形贴片；所述上辐射板的中心设置有十字镂空，且十字镂空中设置有第一十字贴片；所述第一十字贴片和第一方形贴片均与上辐射板无接触；
所述馈电网络层通过金属化过孔与对应的BGA焊球连接。
2.根据权利要求1所述的一种多频段共孔径相控阵天线单元，其特征在于，第一介质层和第二介质层之间还设置有下辐射层；所述下辐射层包括第二方形贴片和第二十字贴片；所述第二方形贴片以矩形阵列方式排布，每一第二方形贴片均位于对应的第一方形贴片的正下方；所述第二十字贴片位于对应第一十字贴片的正下方。
3.根据权利要求1所述的一种多频段共孔径相控阵天线单元，其特征在于，所述十字镂空与其周围的方形镂空接触，且其内部的十字贴片与第一方形贴片无接触。
4.根据权利要求2所述的一种多频段共孔径相控阵天线单元，其特征在于，所述第二方形贴片和第二十字贴片无接触。
5.根据权利要求2所述的一种多频段共孔径相控阵天线，其特征在于，具有方形镂空和十字镂空的上辐射板作为低频辐射贴片；第一方形贴片和第二方形贴片均作为高频辐射贴片；所述第一十字贴片和第二十字贴片均作为中频辐射贴片。
6.根据权利要求2所述的一种多频段共孔径相控阵天线单元，其特征在于，所述方形镂空为4×4排布，每一方形镂空中均设置有所述第一方形贴片；第一方形贴片和第二方形贴片一一对应。
7.根据权利要求2所述的一种多频段共孔径相控阵天线单元，其特征在于，所述第一方形贴片和第二方形贴片可替换为圆形。
8.根据权利要求2所述的一种多频段共孔径相控阵天线单元，其特征在于，第一方形贴片和第二方形贴片之间的间距d3，满足:
d3<λ3(1+∣cos(θ3)∣)
其中，λ3表示高频天线工作频率在真空中的波长，θ3表示高频天线最大扫描角度。
9.根据权利要求2所述的一种多频段共孔径相控阵天线单元，其特征在于，第一十字贴片和第二十字贴片之间的间距d2，满足:
d2<λ2(1+∣cos(θ2)∣)
其中，λ2表示中频天线工作频率在真空中的波长，θ2表示中频天线最大扫描角度。
10.一种多频段共孔径相控阵天线阵列，其特征在于，包括多个如权利要求1至权利要求9任意一项所述的一种多频段共孔径相控阵天线单元；天线单元以矩形阵列的方式排布。
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