一体化双频复合相控阵天线及相控阵雷达的制作方法

1.本发明涉及射频通信技术领域，尤其是涉及一种一体化双频复合相控阵天线及相控阵雷达。


背景技术：

2.有源相控阵雷达已经成为机载、弹载、舰载等应用领域的尖端技术。随着武器装备的不断迭代，通信需求的不断上涨，传统单一频率的天线越来越无法满足日益增长的需求，双频复合(或者多频复合)的相控阵天线应运而生，而双频以及多频共口径相控阵天线阵列不仅可以提高阵面利用率，其在减小天线体积、重量达到节约成本的同时也可实现天线多功能一体化、多极化等，且对于双频以及多频天线单元而言，如何实现小型化、多频段复合天线单元是亟需解决的关键问题。
3.因此，目前提出一种能保证各频段天线正常工作的小型化复合天线技术方案。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明目的在于提供一种结构紧凑的一体化双频复合天线技术方案，使用不同频段贴片进行频段复用，通过多组不同频段贴天线相互复用，实现小型化多频段口径复合相控阵天线，用于解决上述技术问题。
5.为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供的技术方案如下。
6.一种一体化双频复合相控阵天线，包括多个在第一平面内呈阵列设置的双频相控阵天线单元，所述双频相控阵天线单元包括一个ku频段天线子单元与四个ka频段天线子单元；在所述双频相控阵天线单元中，四个所述ka频段天线子单元环绕所述ku频段天线子单元设置，且四个所述ka频段天线子单元的辐射贴片作为所述ku频段天线子单元的复用辐射贴片。
7.可选地，所述双频复合相控阵天线包括沿着所述第一平面的垂直方向上依次层叠设置的馈电层及辐射层，所述辐射层包括沿着所述第一平面的垂直方向上依次层叠设置的第一辐射层、第二辐射层及第三辐射层，所述第一辐射层中设置有所述ku频段天线子单元的一次辐射贴片，所述第二辐射层中设置有所述ku频段天线子单元的二次辐射贴片，所述第三辐射层中设置有所述ka频段天线子单元的辐射贴片；在所述双频相控阵天线单元中，四个相邻的所述ka频段天线子单元的辐射贴片作为所述ku频段天线子单元的三次辐射贴片。
8.可选地，所述ku频段天线子单元的一次辐射贴片包括双缝加载矩形贴片天线，所述ku频段天线子单元的二次辐射贴片包括四个角向内凹陷的矩形贴片天线，所述ka频段天线子单元的辐射贴片包括双缝加载矩形贴片天线。
9.可选地，在所述双频相控阵天线单元中，在沿着所述第一平面的垂直方向上，四个所述ka频段天线子单元的辐射贴片与所述ku频段天线子单元的二次辐射贴片在空间上相互错开，所述ku频段天线子单元的二次辐射贴片与所述ku频段天线子单元的一次辐射贴片
在空间上相互重叠。
10.可选地，在所述双频相控阵天线单元中，在所述第一平面内，四个所述ka频段天线子单元的辐射贴片沿第一方向设置，所述ku频段天线子单元的一次辐射贴片沿第二方向设置，所述第一方向垂直所述第二方向。
11.可选地，所述馈电层包括沿着所述第一平面的垂直方向上依次层叠设置的第一馈电层、第二馈电层、第三馈电层及第四馈电层，所述第一馈电层中设置有所述ku频段天线子单元的馈电端口，所述第二馈电层中设置有所述ku频段天线子单元的馈电线，所述第三馈电层中设置有所述ku频段天线子单元的馈电缝隙，所述第四馈电层中设置有所述ku频段天线子单元的金属加载空气腔，所述第一馈电层及所述第二馈电层中还设置有所述ku频段天线子单元的同轴馈电结构，所述ku频段天线子单元的同轴馈电结构的一端接所述带状线馈电线，所述ku频段天线子单元的同轴馈电结构的另一端接所述ku频段天线子单元的馈电端口；所述ku频段天线子单元的一次辐射贴片依次通过所述金属加载空气腔及所述馈电缝隙与所述ku频段天线子单元的馈电线之间实现耦合馈电，再通过所述ku频段天线子单元的同轴馈电结构与所述ku频段天线子单元的馈电端口之间实现同轴馈电。
12.可选地，在沿着所述第一平面的垂直方向上，所述金属加载空气腔与所述馈电缝隙在空间上相互重叠，且所述馈电缝隙包括“哑铃”型缝隙。
13.可选地，所述第一馈电层中设置有所述ka频段天线子单元的馈电端口，所述第一馈电层、所述第二馈电层、所述第三馈电层、所述第四馈电层、所述第一辐射层、所述第二辐射层及所述第三辐射层中设置有所述ka频段天线子单元的同轴馈电结构，所述ka频段天线子单元的同轴馈电结构的一端接所述ka频段天线子单元的辐射贴片，所述ka频段天线子单元的同轴馈电结构的另一端接所述ka频段天线子单元的馈电端口，所述ka频段天线子单元的辐射贴片通过所述ka频段天线子单元的同轴馈电结构与所述ka频段天线子单元的馈电端口之间实现同轴馈电。
14.可选地，所述第一馈电层中设置有所述ka频段天线子单元的馈电端口，所述第一馈电层、所述第二馈电层、所述第三馈电层、所述第四馈电层、所述第一辐射层、所述第二辐射层及所述第三辐射层中设置有所述ka频段天线子单元的微带耦合结构，所述ka频段天线子单元的微带耦合结构的一端接所述ka频段天线子单元的辐射贴片，所述ka频段天线子单元的微带耦合结构的另一端接所述ka频段天线子单元的馈电端口，所述ka频段天线子单元的辐射贴片通过所述ka频段天线子单元的微带耦合结构与所述ka频段天线子单元的馈电端口之间实现耦合馈电。
15.一种相控阵雷达，包括上述任一项所述的一体化双频复合相控阵天线、射频收发组件及信号处理器，所述一体化双频复合相控阵天线与所述射频收发组件连接，所述射频收发组件与所述信号处理器连接，通过所述信号处理器对所述射频收发组件的接收信号与发射信号进行调节，并通过所述处理器对所述射频收发组件的接收信号进行模数转换。
16.如上所述，本发明提供的一体化双频复合相控阵天线及相控阵雷达，至少具有以下有益效果：
17.一体化双频复合相控阵天线包括多个呈阵列设置的双频相控阵天线单元，在每个双频相控阵天线单元中，四个ka频段天线子单元环绕ku频段天线子单元设置，在实现ka频段、ku频段双频特性的同时，ka频段天线子单元与ku频段天线子单元呈阵列在空间上交错
设置，整体结构比较紧凑，利于小型化设计；且四个ka频段天线子单元的辐射贴片作为ku频段天线子单元的复用辐射贴片，结合其结构上的紧凑性，使得ku频段天线子单元的辐射贴片被激励时，其附近的ka频段天线子单元的辐射贴片作为寄生贴片同样被激励，基于两个天线子单元之间辐射贴片的耦合复用，有效增加了ku频段天线子单元的带宽，提高了双频复合相控阵天线的实用性。
附图说明
18.图1为本发明一可选实施例中双频复合相控阵天线的结构示意图。
19.图2-图3为本发明一可选实施例中双频复合相控阵天线的结构示意图。
20.图4-图7为本发明一可选实施例中双频复合相控阵天线的结构示意图。
21.图8为本发明一可选实施例中对双频复合相控阵天线中ku频段天线子单元的端口进行激励时得到的天线电场分布示意图。
22.图9为本发明一可选实施例中双频复合相控阵天线的ku频段天线子单元的驻波比分布示意图。
23.图10为本发明一可选实施例中双频复合相控阵天线的ka频段天线子单元的驻波比分布示意图。
24.图11为本发明一可选实施例中双频复合相控阵天线的ku频段天线子单元的增益分布示意图。
25.图12为本发明一可选实施例中双频复合相控阵天线的ka频段天线子单元的增益分布示意图。
26.图13-图15为本发明一可选实施例中双频复合相控阵天线的ku频段天线子单元在不同频率下的方向图示意图。
27.图16-图18为本发明一可选实施例中双频复合相控阵天线的ka频段天线子单元在不同频率下的方向图示意图。
28.图19-图20为本发明一可选实施例中双频复合相控阵天线在俯仰面上的扫描方向图示意图。
29.图21-图22为本发明一可选实施例中双频复合相控阵天线在水平面上的扫描方向图示意图。
具体实施方式
30.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
31.请参阅图1至图22。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本说明书所附图示所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实
施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，仍均应落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
32.如前述在背景技术中所述的，在研究双频复合相控阵天线时，发明人发现：采用交错结构实现多频段天线的复合时，在平面上通过交错排布，将不同结构的天线在横向上合理的排布，相对于同结构的天线来说，构成了一种稀疏阵列，其在设计上的难点问题在于口径的高利用率和单个天线的正常工作之间的矛盾，保证天线的正常工作，常常需要保证一定的天线单元间距，这样的形式往往会造成口径变大，利用率降低，且不利于结构小型化、高密度集成化设计。
33.基于此，本发明提供一种一体化双频复合相控阵天线技术方案：不同频段天线子单元呈阵列交错设置的紧凑化设计，且不同频段天线子单元的辐射贴片基于结构的紧凑化设计实现相互耦合复用，在实现结构小型化的基础上提高各个不同频段天线子单元的性能。
34.首先，如图1所示，本发明提供一种一体化双频复合相控阵天线，其包括多个在第一平面(即xy平面)内呈阵列设置的双频相控阵天线单元01，双频相控阵天线单元01包括一个ku频段天线子单元011与四个ka频段天线子单元012；在双频相控阵天线单元01中，四个ka频段天线子单元012环绕ku频段天线子单元011设置，且四个ka频段天线子单元012的辐射贴片作为ku频段天线子单元011的复用辐射贴片。
35.其中，如图1所示，多个双频相控阵天线单元01在第一平面内呈阵列设置，不仅限于图1所示的5
×
5阵列，其还可以是任意m
×
n阵列，m、n为大于等于1的整数。
36.详细地，在本发明的一可选实施例中，如图2-图3所示，双频复合相控阵天线包括沿着第一平面的垂直方向(即z轴正方向)上依次层叠设置的馈电层及辐射层，辐射层包括沿着第一平面的垂直方向上依次层叠设置的第一辐射层21、第二辐射层22及第三辐射层23，第一辐射层21中设置有ku频段天线子单元011的一次辐射贴片011a，第二辐射层22中设置有ku频段天线子单元011的二次辐射贴片011b，第三辐射层23中设置有ka频段天线子单元012的辐射贴片012a；在双频相控阵天线单元01中，四个相邻的ka频段天线子单元012的辐射贴片作为ku频段天线子单元011的三次辐射贴片。
37.其中，第三辐射层23的相对介电常数ε
r1
＝3.5，第三辐射层23的损耗角正切tanδ＝0.0018；第二辐射层22的相对介电常数ε
r2
＝2.2，第二辐射层22的损耗角正切tanδ＝0.0009；第一辐射层21与第二辐射层22一样，不再赘述。
38.更详细地，如图2-图3所示，ku频段天线子单元011的一次辐射贴片011a包括双缝加载的贴片天线，ku频段天线子单元011的二次辐射贴片011b包括四个角向内凹陷的矩形贴片天线，ka频段天线子单元012的辐射贴片012a包括双缝加载的贴片天线。
39.可以理解的是，贴片天线的形状不仅限于双缝加载的形式，还可以是u型缝隙形式等其他形状，在此不作限定。
40.更详细地，如图2-图3所示，在双频相控阵天线单元01中，在沿着第一平面的垂直方向上，四个ka频段天线子单元012的辐射贴片012a与ku频段天线子单元011的二次辐射贴片011b在空间上相互错开，ku频段天线子单元011的二次辐射贴片011b与ku频段天线子单元011的一次辐射贴片011a在空间上相互重叠。
41.更详细地，如图2-图3所示，在双频相控阵天线单元01中，在第一平面内，四个ka频段天线子单元012的辐射贴片012a沿第一方向(即x轴正方向)设置，ku频段天线子单元011的一次辐射贴片011a沿第二方向(即y轴正方向)设置，第一方向垂直第二方向。
42.详细地，如图2-图3所示，馈电层包括沿着第一平面的垂直方向上依次层叠设置的第一馈电层11、第二馈电层12、第三馈电层13及第四馈电层14，第一馈电层11中设置有ku频段天线子单元011的馈电端口011c，第二馈电层12中设置有ku频段天线子单元011的馈电线011d，第三馈电层13中设置有ku频段天线子单元011的馈电缝隙011e，第四馈电层14中设置有ku频段天线子单元011的金属加载空气腔011f，第一馈电层11及第二馈电层12中还设置有ku频段天线子单元011的同轴馈电结构011g，ku频段天线子单元011的同轴馈电结构011g的一端接馈电线011d，ku频段天线子单元011的同轴馈电结构011g的另一端接ku频段天线子单元011的馈电端口011c；ku频段天线子单元011的一次辐射贴片011a依次通过空气腔011f及馈电缝隙011e与ku频段天线子单元011的馈电线011d之间实现耦合馈电，再通过ku频段天线子单元011的同轴馈电结构011g与ku频段天线子单元011的馈电端口011c之间实现同轴馈电。
43.更详细地，如图2所示，在沿着第一平面的垂直方向上，金属加载空气腔011f与馈电缝隙011e在空间上相互重叠，且馈电缝隙011e包括哑铃型缝隙。
44.更详细地，如3所示，第一馈电层11中设置有ka频段天线子单元012的馈电端口012b，第一馈电层11、第二馈电层12、第三馈电层13、第四馈电层14、第一辐射层21、第二辐射层22及第三辐射层23中设置有ka频段天线子单元012的同轴馈电结构012c，ka频段天线子单元012的同轴馈电结构012c的一端接ka频段天线子单元012的辐射贴片012a，ka频段天线子单元012的同轴馈电结构012c的另一端接ka频段天线子单元012的馈电端口012b，ka频段天线子单元012的辐射贴片012a通过ka频段天线子单元012的同轴馈电结构012c与ka频段天线子单元012的馈电端口012b之间实现同轴馈电。
45.更详细地，如图1-图3所示，在每个双频相控阵天线单元01中，相邻的四个ka频段天线子单元012的辐射贴片012a作为ku频段天线子单元的三次辐射贴片，用于产生新的谐振频段，扩展ku频段天线子单元的辐射带宽，结合了同轴馈电方式及耦合馈电方式进行馈电，采用了哑铃型的馈电缝隙011e、金属加载空气腔011f、基于一次辐射贴片011a和二次辐射贴片011b的多层辐射贴片方式，进一步增大了ku频段天线子单元的辐射带宽。其中，哑铃型的馈电缝隙011e既可以增加耦合量，还可以降低天线背瓣，一次辐射贴片011a为一个双缝加载的微带贴片结构，通过调整双缝的长宽以及间距来调节ku频段天线子单元的工作谐振点。
46.更详细地，如图1-图3所示，在每个双频相控阵天线单元01中，因ku频段天线子单元的金属结构加载的空气腔011f占据了阵面的中心位置，留给ka频段天线子单元的位置有限，为了能在这有限空间内更好实现ka频段天线子单元的辐射特性，采用直接同轴馈电方式进行馈电，该天线形式具有结构简单，易获得输入匹配等优点，而且此处采用中间层走微带馈电的形式，满足ku/ka双频复合口径有源相控阵的阵面设计。在这里能很好满足带宽要求。ka频段天线子单元的辐射贴片012a采用双缝加载矩形微带贴片，通过调整双缝的长宽以及间距来调节ka频段天线子单元的工作谐振点。
47.详细地，在本发明的另一可选实施例中，如图4-图5所示，为了简化结构，利于结构
小型化、紧凑化设计，ka频段天线子单元采用电磁耦合馈电方式进行馈电，通过微带线的电磁耦合对上方的辐射贴片进行馈电，这样的结构相对简单、易于加载于ku频段天线子单元的四周。为了实现较大的带宽，辐射贴片012a采用了u字型缝隙或者双缝加载的矩形微带结构，该结构通过增加辐射电流路径，实现了贴片的小型化并提高了ka频段天线子单元的工作带宽，并为ku天线提供谐振电流，完成ku天线的宽带辐射特性。
48.更详细地，如图4-图5所示，第一馈电层11中设置有ka频段天线子单元012的馈电端口012b，第一馈电层11、第二馈电层12、第三馈电层13、第四馈电层14、第一辐射层21、第二辐射层22及第三辐射层23中设置有ka频段天线子单元012的微带耦合结构012d，ka频段天线子单元012的微带耦合结构012d的一端接ka频段天线子单元012的辐射贴片012a，ka频段天线子单元012的微带耦合结构012d的另一端接ka频段天线子单元012的馈电端口012b，ka频段天线子单元012的辐射贴片012a通过ka频段天线子单元012的微带耦合结构012d与ka频段天线子单元012的馈电端口012b之间实现耦合馈电。
49.其中，图6为图4-图5所示的一体化双频复合相控阵天线的俯视图，图7为图4-图5所示的一体化双频复合相控阵天线的侧视图，011c0为ku频段天线子单元的馈电点，012b0为ka频段天线子单元的馈电点，详细结构可参见具体附图，在此不再赘述。
50.在本发明的一可选实施例中，为了对如图4-图5所示的一体化双频复合相控阵天线的技术效果进行验证，对ku频段天线子单元的端口进行激励，得到其天线电场分布如图8所示。由图8可知，除了位于中心的ku频段天线子单元的辐射贴片(一次辐射贴片011a及二次辐射贴片011b)上产生了电场，位于四周的ka频段天线子单元的辐射贴片012a上也产生了电场，这是由于结构的紧凑性，导致在ku频段天线子单元的辐射贴片被激励时，ka频段天线子单元的辐射贴片012a被作为寄生贴片同样激励了电场，利用该特性，有效增加了ku频段天线子单元的带宽。
51.在本发明的一可选实施例中，为了对如图4-图5所示的一体化双频复合相控阵天线的技术效果进行验证，对其辐射特性进行测量，得到其ku频段天线子单元的驻波比(vswr)分布如图9所示，得到其ka频段天线子单元的驻波比(vswr)分布如图10所示，得到其ku频段天线子单元的增益(realizedgain)分布如图11所示，得到其ka频段天线子单元的增益(realizedgain)分布如图12所示，得到其ku频段天线子单元在f
l1
ghz、f
01
ghz、f
h1
ghzf频率下的方向图分别如图13、图14及图15所示，得到其ka频段天线子单元在f
l2
ghz、f
02
ghz、f
h2
ghzf频率下的方向图分别如图16、图17及图18所示。
52.详细地，如图9所示，ku频段天线子单元的驻波比小于2的频率范围为f
l1
ghz～f
h1
ghz，f
01
为介于f
l1
与f
h1
之间的频率值，如图10所示，ka频段天线子单元的驻波比小于2的频率范围为f
l2
ghz～f
h2
ghz，f
02
为介于f
l2
与f
h2
之间的频率值。由图13-图18可知，该双频复合相控阵天线在工作频段内的方向图具有较大的半功率波瓣宽度，可将其应用于宽扫描角相控阵天线，具有很强的工程实用价值。
53.在本发明的一可选实施例中，按照相控阵理论，给出ku/ka双频复合共口径相控阵天线布阵设计，基于如图4-图5所示的双频相控阵天线单元01组成如图1所示的呈5
×
5阵列设置的一体化双频复合相控阵天线，得到其ku频段天线子单元在俯仰面上的扫描方向图如图19所示，得到其ka频段天线子单元在俯仰面上的扫描方向图如图20所示，得到其ku频段天线子单元在水平面上的扫描方向图如图21所示，得到其ka频段天线子单元在水平面上的
扫描方向图如图22所示。如图19-图22所示，给出了phi＝0
°
和phi＝90
°
两个面分别在ku频段和ka频段的扫描方向图，由图可知，天线阵列在ku频段和ka频段都具有大扫描角的特性。
54.其次，本发明还提供一种相控阵雷达，其包括上述任一项所述的一体化双频复合相控阵天线、射频收发组件及信号处理器，一体化双频复合相控阵天线与射频收发组件连接，射频收发组件与信号处理器连接，通过信号处理器对射频收发组件的接收信号与发射信号进行调节，并通过处理器对射频收发组件的接收信号进行模数转换，其它结构可参见现有技术，在此不再赘述。
55.综上所述，在本发明提供的一体化双频复合相控阵天线及相控阵雷达中，一体化双频复合相控阵天线包括多个呈阵列设置的双频相控阵天线单元，在每个双频相控阵天线单元中，四个ka频段天线子单元环绕ku频段天线子单元设置，在实现ka频段、ku频段双频特性的同时，ka频段天线子单元与ku频段天线子单元呈阵列在空间上交错设置，整体结构比较紧凑，利于小型化设计；且四个ka频段天线子单元的辐射贴片作为ku频段天线子单元的复用辐射贴片，结合其结构上的紧凑性，使得ku频段天线子单元的辐射贴片被激励时，其附近的ka频段天线子单元的辐射贴片作为寄生贴片同样被激励，基于两个天线子单元之间辐射贴片的耦合复用，有效增加了ku频段天线子单元的带宽，提高了双频复合相控阵天线的实用性。
56.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。