CN211320349U - 一种双频双圆极化阵列天线单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双频双圆极化阵列天线单元，属于天线技术领域，所述天线单元包括一个工作在频段f₁的发射天线和一个工作在频段f₂的接收天线，所述发射天线与所述接收天线在共用无栅瓣间距决定的口径面积内呈同轴心叠层分布，且发射天线与接收天线之间以不同旋向的圆极化方式工作，使得工作在不同频率、不同圆极化方式的发射天线与接收天线集成为一个天线子单元，实现了天线单元中接收天线、发射天线共口径，大幅度减小了天线安装在平台载体的占用面积，具备优良的平台环境适应性和批量化、产业化优势；且以不同圆极化方式工作的发射天线与接收天线以共用无栅瓣间距呈同轴正交分布，隔离度高，进一步保证了通信质量。

Description

一种双频双圆极化阵列天线单元

技术领域

本实用新型涉及天线技术领域，尤其涉及一种双频双圆极化阵列天线单元。

背景技术

在毫米波卫星通信等应用领域中均采用收发频分全双工的工作模式以满足通信业务的需求，传统的终端设备普遍采用固定波束天线(如反射面天线)结合机械扫描的体制，针对不同的收发工作频率，可共用同一个反射面，仅需根据收发频率的不同分别使用不同的馈源与射频前端，在不同的收发频率同时实现信号的发射与接收，同时，通过频分的基础上，进一步采用收发不同旋转方向圆极化的极化隔离形式实现收发隔离，最终使用的反射面天线为双频双圆极化天线。

随着毫米波相控阵天线技术的发展，在通信及数据传输等终端设备中的应用逐渐普及，其灵活捷变的电子波束扫描体制替代了传统的固定波束天线结合机械扫描的体制，满足高速率、高精度、高可靠的应用需求。但因毫米波频段波长小，为适应应用需求，通道之间的间距受到限制，在现有技术方案中，结合圆极化旋向要求，如图1所示，只能采用发射频段与接收频段各自分别设计一个发射天线阵面和一个接收天线阵面，即发射天线阵列中使用单发射频率单左旋圆极化的阵列天线单元，接收天线阵列中使用单接收频率单右旋圆极化的阵列天线单元，同时进行信号发射与接收工作，并再将两个独立的阵面在一个结构平面上一体化集成的方式。

综上所述，同等性能条件下，传统固定波束天线的机械扫描结构体积大、重量重、波束灵活性差，但采用双频双圆极化天线使收发可共用口径，占用面积小；相控阵天线中发射天线阵列、接收天线阵列各自需要一个单频单圆极化阵面，因此天线的总口径较大，对于平台载体而言，需提供较大的安装面积。因此，随着各类平台载体对于卫星通信及其应用场景与环境的综合化、复杂化、多元化演变，传统固定波束天线与收发分置的相控阵天线均无法适应终端设备在满足功能、性能条件下的平台适应性要求，如低剖面、小型化、轻量化、收发天线隔离度高等。如公开号为CN109904599A、专利名称为K/Ka双频段共口径天线阵的发明专利，其在满足无栅瓣条件下将Ka频段贴片与K频段贴片设于同一层，虽然实现了收发天线共口径这一技术效果，但是由于贴片天线的圆极化性能仅限于贴片的法线方向半功率波束宽度范围内，因此该技术方案中将Ka频段贴片与K频段贴片设于同一层会使得两个天线在平面方向的极化都变成近似线极化，从而不存在不同旋向的极化隔离，而仅有两个贴片之间的近场互耦，由于物理距离相互贴近，导致收发天线之间隔离度差，最终发射通道信号经收发天线之间泄漏进入接收通道而抬高接收噪声，使系统性能恶化。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术天线阵列剖面高、体积大、收发天线隔离度低的问题，提供一种双频双圆极化阵列天线单元，所述天线单元包括若干天线子单元，若干天线子单元水平同轴连接组成天线阵列。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：所述天线单元包括若干天线子单元，所述天线子单元包括一个工作在频段f₁的发射天线和一个工作在频段f₂的接收天线，所述发射天线与所述接收天线在共用无栅瓣间距决定的口径面积内呈同轴心叠层分布，且所述发射天线与所述接收天线之间以不同旋向的圆极化方式工作。

具体地，所述天线单元具体包括一个顶层微波板、一个底层微波板、一个金属地板、一个发射馈电同轴连接器和一个接收馈电同轴连接器；所述顶层微波板上设有一个以左旋圆极化工作的发射天线；所述底层微波板上设有一个以右旋圆极化工作的接收天线；所述发射馈电同轴连接器的发射金属馈针穿过所述金属地板、所述底层微波板、所述顶层微波板与所述顶层微波板上的发射天线连接，且所述发射金属馈针与所述金属地板、所述底层微波板上的接收天线之间隔离，不导通；所述接收馈电同轴连接器的接收金属馈针穿过所述金属地板、所述底层微波板与所述底层微波板上的接收天线连接，且所述接收金属馈针与金属地板之间隔离，不导通。

具体地，所述顶层微波板包括若干不同厚度、不同介电常数的微波板介质，所述底层微波板包括若干若干不同厚度、不同介电常数的微波板介质；

具体地，所述发射天线具体为发射贴片天线，所述接收天线具体为接收贴片天线。

具体地，所述顶层微波板、底层微波板的面积尺寸小于等于共用无栅瓣间距决定的口径。

具体地，所述发射金属馈针偏离所述发射贴片天线的几何中心设置；所述接收金属馈针偏离所述接收贴片天线的几何中心位置。

具体地，所述发射贴片天线为在以发射馈针偏离位置为左上角及右下角直线倒角的正方形天线；所述接收贴片天线为在以接收馈针偏离位置为右上角及左下角直线倒角的正方形天线。

具体地，所述天线单元还包括若干半固化片，所述半固化片将不同叠层位置的微波板贴合固化形成一个整体的多层复合微波板。

具体地，所述频段f₁具体为29GHz～31GHz，所述频段f₂具体为19GHz～21GHz，实现了毫米波频段的通信，以使该阵列天线应用于卫星通信等领域。

具体地，所述若干天线子单元水平同轴连接且间距为共用无栅瓣间距组成天线单元，所述天线单元可按照共用无栅瓣间距组成天线阵列，其中相邻天线单元旋转组阵。

与现有技术相比，本实用新型有益效果是：

(1)本实用新型阵列天线单元包括一个工作在频段f₁的发射天线和一个工作在频段f₂的接收天线，发射天线与接收天线在共用无栅瓣间距决定的口径面积内呈同轴心叠层分布，且发射天线与接收天线之间以不同旋向的圆极化方式工作，使得工作在不同频率、不同圆极化方式的发射天线与接收天线集成为一个天线单元，实现了阵列天线中接收天线、发射天线共口径，大幅度减小了天线安装在平台载体的占用面积，具备优良的平台环境适应性和批量化、产业化优势；且以不同圆极化方式工作的发射天线与接收天线，收发隔离度高，进一步保证了通信质量。

(2)本实用新型发射天线包括一个发射馈电同轴连接器，接收天线包括一个接收馈电同轴连接器。发射馈电同轴连接器的发射金属馈针穿过金属地板、底层微波板、顶层微波板与顶层微波板上的发射天线连接，且发射金属馈针与金属地板、底层微波板上的接收天线之间隔离，不导通；接收馈电同轴连接器的接收金属馈针穿过金属地板、底层微波板与底层微波板上的接收天线连接，且接收金属馈针与金属地板之间隔离，不导通，使收发的接口独立、分离，实现了全双工通信。

(3)本实用新型顶层微波板、底层微波板均包括若干不同厚度、不同介电常数的微波板介质，叠层设计灵活，通过选用不同厚度、不同介电常数的微波板介质，拓展发射贴片天线或接收贴片天线的带宽和辐射效率，同时利于批量化加工制造。

(4)本实用新型发射天线、接收天线均采用贴片天线，以满足低剖面的设计要求，适用范围广。

(5)本实用新型顶层微波板、底层微波板尺寸满足共用无栅瓣间距决定的口径面积，能够进一步保证收发天线均满足波束扫描范围内无栅瓣的要求，保证通信质量。

(6)本实用新型的发射贴片天线为以在发射金属馈针偏离位置为左上角及右下角直线倒角的正方形天线，接收贴片天线为以在接收金属馈针偏离位置为右上角及左下角直线倒角的正方形天线；通过切角的形式分别实现了发射天线的左旋圆极化工作方式，接收天线的右旋圆极化工作方式，利于收发之间的极化隔离，使阵列天线收发共口径小型化后的性能得以保障。

(7)本实用新型的发射金属馈针偏离所述发射贴片天线的几何中心设置；所述接收金属馈针偏离所述接收贴片天线的几何中心位置，能够收发馈电同轴结构上互不干涉，实现收发天线在共用无栅瓣间距决定的口径面积内集成。

(8)本实用新型发射天线的工作频段为29GHz～31GHz，接收天线的工作频段为19GHz～21GHz，实现了毫米波频段的通信，以使该阵列天线应用于卫星通信等领域。

(9)本实用新型天线单元可按照共用无栅瓣间距组成符合系统需求的任意规模的天线阵列，其中相邻天线单元旋转组阵，可获得优良的阵列圆极化特性。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本实用新型现有技术传统收发分离天线示意图；

图2为本实用新型的天线单元结构示意图；

图3为本实用新型多个天线单元组成阵列布局示意图；

图4为本实用新型阵列天线发射馈电接口与接收馈电接口隔离度仿真图；

图5为本实用新型组成的阵列天线发射仿真波束扫描方向图；

图6为本实用新型组成的阵列天线接收仿真波束扫描方向图；

图7为本实用新型的天线单元示意图；

图8为本实用新型的发射仿真波束方向图；

图9为本实用新型的接收仿真波束方向图；

图10为本实用新型的发射馈电接口回波损耗仿真示意图；

图11为本实用新型的接收馈电接口回波损耗仿真示意图。

图中：发射天线阵面1、接收天线阵面2、发射贴片天线1-1、接收贴片天线2-1、顶层微波板3、底层微波板4、金属地板5、半固化片6、发射馈电同轴连接器7-1、接收馈电同轴连接器7-2、发射馈电点8-1、接收馈电点8-2、发射金属馈针9-1、接收金属馈针9-2

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图2所示，在本实施例中，一种双频双圆极化阵列天线单元，天线单元包括若干天线子单元，本实施例以256个天线子单元为例，天线子单元包括一个工作在频段f₁的发射天线和一个工作在频段f₂的接收天线，发射天线与接收天线在共用无栅瓣间距决定的口径面积内呈同轴心叠层分布，且发射天线与接收天线之间以不同旋向的圆极化方式工作。更为具体地，无栅瓣间距即发射天线与接收天线的无栅瓣波束波束扫描最大间距的理论值，计算公式如下：

其中，D为天线之间的间距，λ为射频信号的波长，θ为离轴角。本实用新型发射天线的工作频段为29GHz～31GHz，接收天线的工作频段为19GHz～21GHz，能够实现毫米波频段的通信，以使本实用新型阵列天线应用于卫星通信等领域。在本实施例中，使发射天线的工作频率为30GHz，接收天线的工作频率为20GHz，根据阵列天线的性能要求，天线波束扫描范围为离轴角60°，旋转角360°，带入上述无栅瓣间距的计算公式可知，发射天线的的无栅瓣间距为5.36mm，接收天线的无栅瓣间距为8.04mm，为消除发射天线与接收天线之间的干扰，共用无栅瓣间距值小于等于收发天线较小的无栅瓣间距值，在本实施例中，取收发天线共用无栅瓣间距为5mm，则天线单元包括一个工作频率为30GHz的发射天线和一个工作频率为20GHz的接收天线，并且发射天线与接收天线在以5mm的间距决定的口径面积内呈同轴心叠层分布，且发射天线与接收天线之间以不同旋向的圆极化方式工作，在该天线子单元中，发射天线以左旋圆极化方式工作，接收天线以右旋圆极化方式工作，使得工作在不同频率、不同圆极化方式的发射天线与接收天线集成为一个天线单元，256天线子单元组成的阵列天线实现了接收天线、发射天线共口径，大幅度减小了天线安装在平台载体的占用面积，具备优良的平台环境适应性和批量化、产业化优势；且以不同圆极化方式工作的发射天线与接收天线，收发隔离度高，进一步保证了通信质量。

进一步地，如图3所示，多个本实用新型天线子单元同轴水平连接可组成天线单元，本实施例中以256个天线子单元为例，相邻天线单元旋转组阵，可获得优良的阵列圆极化特性。256个天线子单元中位于同一水平面上的天线同时为发射天线或者接收天线。参见图4本实用新型的发射馈电同轴连接器7-1与接收馈电同轴连接器7-2之间的隔离度示意图可知，本实用新型收发隔离度高。更为具体地，参见图5所示，256个本实用新型的天线子单元组成的阵列天线中发射波束扫描方向图可知，波束扫描范围达到离轴角60°，波束扫描范围内无栅瓣；参见图6所示256个本实用新型天线子单元组成的阵列天线的接收波束扫描方向图可知，波束扫描范围达到离轴角60°，波束扫描范围内无栅瓣。

作为一优选实施例，本实用新型包括一个发射馈电同轴连接器7-1、一个接收馈电同轴连接器7-2、一个发射金属馈针9-1、一个接收金属馈针9-2、两层介质组成的顶层微波板3、两层介质组成的底层微波板4和四层介质之间的半固化片6。

进一步地，如图7所示，半固化片6与微波板介质底面贴合形成多层微波板，本实施例共有四层介质，多层微波板的面积满足共用无栅瓣间距决定的口径尺寸，本实施例中多层微波板的面积为5mm*5mm。该顶层微波板表面设有发射贴片天线1-1形成发射天线，底层微波板表面设有接收贴片天线2-1形成接收天线。

作为一选项，顶层微波板上的天线可以具体为接收天线，底层微波板上的天线可以具体为发射天线。

进一步地，如图7所示，本优选实施例中顶层微波板自上而下依次为发射贴片天线1-1、顶层微波板介质、半固化片6、顶层微波板介质、半固化片6。更为具体地，发射贴片天线1-1以左旋圆极化方式工作，发射贴片天线1-1的发射方向图如图8所示，有效抑制右旋圆极化分量；表层微波板上还包括贯穿底层微波板、顶层微波板直至发射贴片天线1-1上发射馈电点8-1的发射金属馈针9-1。

进一步地，如图7所示，发射馈电点8-1向上偏离发射贴片天线1-1的几何中心设置。作为一选项，发射馈电点8-1还能以向下、向右、向左偏离发射贴片天线1-1的几何中心设置。

进一步地，如图7所示，本优选实施例中底层微波板自上而下依次为接收贴片天线2-1、底层微波板介质、半固化片6、底层微波板介质、半固化片6。更为具体地，接收贴片天线2-1以右旋圆极化方式工作，接收贴片天线2-1的接收方向图如图9所示，有效抑制左旋圆极化分量；底层微波板上还包括贯穿底层微波板，直至接收贴片天线2-1上接收馈电点8-1的接收金属馈针9-2。

进一步地，如图7所示，接收馈电点8-2向右偏离接收贴片天线2-1的几何中心设置。作为一选项，接收馈电点8-2还能以向上、向下、向左偏离接收贴片天线2-1的几何中心设置。

进一步地，发射馈电同轴连接器7-1的发射金属馈针9-1穿过金属地板5、底层微波板4、顶层微波板3与顶层微波板3上的发射天线1连接，且发射金属馈针9-1与金属地板5、底层微波板4上的接收天线2之间隔离，不导通；接收同轴馈电连接器7-2的接收金属馈针9-2穿过金属地板5、底层微波板4与底层微波板4上的接收天线2连接，且接收金属馈针9-2与金属地板5之间隔离，不导通。使收发的接口独立、分离，实现了全双工通信。

进一步地，本实施例中顶层微波板的两层介质均为相对介电常数为3.0，单层板厚为0.127mm的材料，底层微波板的两层介质均为相对介电常数为2.2，单层板厚为0.127mm的材料，半固化片均为相对介电常数为2.7，厚度为0.1mm的材料，整个天线单元剖面低。

进一步地，多层微波板的面积尺寸小于以共用无栅瓣间距决定的口径，即多层微波板的长、宽小于5mm，作为一优选，本实施例中多层微波板尺寸为5mm*5mm。

进一步地，发射贴片天线1-1为在以发射馈针偏离位置为左上角及右下角直线倒角的正方形天线，即以发射馈电点8-1偏向发射贴片天线1-1的边作为切角参考边(以发射馈电点8-1偏向的边作为发射贴片天线1-1的上边作为参照面)，若要实现发射贴片天线1-1的左旋圆极化工作方式，对发射馈电点8-1偏向的发射贴片天线1-1的边的左上角及其对角进行切角，若要实现发射贴片天线1-1的右旋圆极化工作方式，对发射馈电点8-1偏向的发射贴片天线1-1的边的右上角及其对角进行切角，接收贴片天线2-1的切角方式与圆极化旋向原理与发射贴片天线1-1相同，在此不再赘述。参见本实用新型图7可知，本实施例中发射贴片天线1-1以左旋圆极化方式工作；接收贴片天线2-1为在以接收馈针偏离位置为右上角及左下角直线倒角的正方形天线，实现了以右旋圆极化方式工作。通过切角的形式实现了收发天线的左旋圆极化或右旋圆极化方式，利于收发之间极化隔离，使阵列天线收发共口径小型化后的性能得以保障。

进一步地，参见图10本实用新型阵列天线的发射馈电同轴连接器7-1的回波损耗示意图，参见图11本实用新型阵列天线的接收馈电同轴连接器7-2的回波损耗示意图可知，本实用新型阵列天线在不同的接口可分别工作于相应的工作频段，且回波损耗小，实现全双工。

进一步地，本实用新型天线子单元的工作原理如下：需要被发射的信号由发射馈电接口输入，穿过金属地、接收贴片天线的底层微波板、接收贴片天线、发射贴片天线的顶层微波板、发射天线馈电点馈入发射贴片天线，工作于发射工作频率，并经切角实现左旋圆极化，向空间辐射发射信号；来自空间的信号，经发射贴片天线及发射贴片天线的顶层微波板透射后，由工作于接收工作频率的接收贴片天线进行接收，并经切角实现右旋圆极化，通过接收贴片天线的接收馈电点，穿过接收贴片天线的底层微波板、金属地，由接收馈电接口输出。

本实用新型阵列天线单元包括一个工作在频段f₁的发射天线和一个工作在频段f₂的接收天线，发射天线与接收天线在共用无栅瓣间距决定的口径面积内呈同轴心叠层分布，且发射天线与接收天线之间以不同旋向的圆极化方式工作，使得工作在不同频率、不同圆极化方式的发射天线与接收天线集成为一个天线单元，实现了阵列天线中接收天线、发射天线共口径，大幅度减小了天线安装在平台载体的占用面积，具备优良的平台环境适应性和批量化、产业化优势；且以不同圆极化方式工作的发射天线与接收天线，收发隔离度高，进一步保证了通信质量。

以上具体实施方式是对本实用新型的详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式只局限于这些说明，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种双频双圆极化阵列天线单元，其特征在于：所述天线单元包括若干天线子单元，所述天线子单元包括一个工作在频段f₁的发射天线和一个工作在频段f₂的接收天线，所述发射天线与所述接收天线在共用无栅瓣间距决定的口径面积内呈同轴心叠层分布，且所述发射天线与所述接收天线之间以不同旋向的圆极化方式工作。

2.根据权利要求1所述的一种双频双圆极化阵列天线单元，其特征在于：所述天线子单元具体包括一个顶层微波板（3）、一个底层微波板（4）和一个金属地板（5）、一个发射馈电同轴连接器（7-1）和一个接收馈电同轴连接器（7-2）；

所述顶层微波板（3）上设有一个以左旋圆极化工作的发射天线；所述底层微波板（4）上设有一个以右旋圆极化工作的接收天线；

所述发射馈电同轴连接器（7-1）的发射金属馈针（9-1）穿过所述金属地板（5）、所述底层微波板（4）、所述顶层微波板（3）与所述顶层微波板（3）上的发射天线连接，且所述发射金属馈针（9-1）与所述金属地板（5）、所述底层微波板（4）上的接收天线之间隔离；所述接收馈电同轴连接器（7-2）的接收金属馈针（9-2）穿过所述金属地板（5）、所述底层微波板（4）与所述底层微波板（4）上的接收天线连接，且所述接收金属馈针（9-2）与金属地板（5）之间隔离。

3.根据权利要求2所述的一种双频双圆极化阵列天线单元，其特征在于：所述顶层微波板包括若干不同厚度、不同介电常数的微波板介质，所述底层微波板包括若干不同厚度、不同介电常数的微波板介质。

4.根据权利要求2所述的一种双频双圆极化阵列天线单元，其特征在于：所述发射天线具体为发射贴片天线（1-1），所述接收天线具体为接收贴片天线（2-1）。

5.根据权利要求2所述的一种双频双圆极化阵列天线单元，其特征在于：所述顶层微波板（3）、底层微波板（4）的面积尺寸小于等于共用无栅瓣间距决定的口径。

6.根据权利要求4所述的一种双频双圆极化阵列天线单元，其特征在于：所述发射金属馈针偏离所述发射贴片天线（1-1）的几何中心设置；所述接收金属馈针偏离所述接收贴片天线（2-1）的几何中心位置。

7.根据权利要求4所述的一种双频双圆极化阵列天线单元，其特征在于：所述发射贴片天线（1-1）为相对发射金属馈针偏离位置为左上角及右下角直线倒角的正方形天线；所述接收贴片天线（2-1）为相对接收金属馈针偏离位置为右上角及左下角直线倒角的正方形天线。

8.根据权利要求4所述的一种双频双圆极化阵列天线单元，其特征在于：所述天线单元还包括若干半固化片（6），所述半固化片（6）与微波板贴合固化形成一个整体的多层复合微波板。

9.根据权利要求1所述的一种双频双圆极化阵列天线单元，其特征在于：所述频段f₁具体为29GHz~31GHz，所述频段f₂具体为19GHz~21GHz。

10.根据权利要求1所述的一种双频双圆极化阵列天线单元，其特征在于：所述天线单元可按照共用无栅瓣间距组成天线阵列，其中相邻天线单元旋转组阵。

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