一种双频复合共口径单极化超宽带阵列天线的制作方法

1.本发明涉及天线阵列技术领域，具体为一种双频复合共口径单极化超宽带阵列天线。


背景技术：

2.随着现代无线通信技术的快速发展，天线在民用、军事中的应用越来越广泛，人们对天线性能和功能提出了越来越高的要求。
3.共口径天线是一种新型天线形式，它通过空间上的合理布局，减小不同工作频率天线之间的电磁耦合，从而使得多个不同功能的天线可以在同一口径面内相互独立地工作，此外，天线采用双频段，不仅可以缩小天线尺寸，减轻重量，而且对于提高天线的灵活性和降低雷达探测系统的造价都非常有利。因此，双频段共口径天线的研究具有重要的意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是提供一种双频复合共口径单极化超宽带阵列天线。
5.本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有平行均匀布阵的若干天线阵列单元，所述天线阵列单元均包括位于其中心且工作在ku波段的低频天线子单元，以及均匀分布在所述低频天线子单元周围且工作在ka波段的四个高频天线子单元，以及与低频天线子单元连接的带状线滤波器；
6.所述阵列天线采用多层电路板印刷制成，所述低频天线子单元和高频天线子单元均包括位于所述阵列天线上层的辐射层组件，所述低频天线子单元和高频天线子单元均包括有位于所述阵列天线下层的馈电层组件，所述馈电层组件均采用探针激励的方式激励上层的辐射层组件。
7.进一步，所述天线阵列单元的数量为8。
8.进一步，所述天线阵列单元包括从上至下层叠安装的第一介质基板、两个第二介质基板、第一金属地板、第三介质基板、第二金属地板、两个第四介质基板、第三金属地板。
9.进一步，所述低频单元的辐射层组件包括四个ku频段的长方形贴片，四个ku频段的长方形贴片均匀贴设在第一介质基板的上表面；
10.所述低频天线子单元的辐射层组件还包括贯穿第一介质基板和两个第二介质基板的四组第一金属通孔，四组第一金属通孔分别位于四个ku频段的长方形贴片正下方。
11.进一步，所述低频天线子单元的馈电层组件包括贴设在第一介质基板上的第一l形探头贴片，以及设置在下层第二介质基板上表面的第一微带线，以及贯穿所述第一介质基板、上层第二介质基板的第一金属馈电通孔，所述第一金属馈电通孔用于连接所述第一微带线与第一l形探头贴片；
12.所述低频天线子单元的馈电层组件还包括若干贯穿两个第四介质基板的第二金属通孔，若干第二金属通孔构成第一基片集成波导馈电腔体，所述带状线滤波器被设置在第一基片集成波导馈电层金属腔体内的下层第四介质基板的上表面；
13.所述低频天线子单元的馈电层组件还包括设置在所述第三金属地板下方的第一同轴馈电结构，以及贯穿所述下层第二介质基板、第三介质基板以及上层第四介质基板的第二金属馈电通孔，所述第一同轴馈电结构贯穿下层第四介质基板与所述带状线滤波器连接，所述第二金属馈电通孔用于连接所述带状线滤波器与第一微带线。
14.进一步，四个高频天线子单元均匀设置在第一介质基板两侧的第二介质基板上，所述高频天线子单元的辐射层组件均包括四个ka频段的长方形贴片，四个ka频段的长方形贴片均被贴设在上层第二介质基板的上表面；
15.所述高频天线子单元的辐射层组件均包括贯穿两个第二介质基板的四组第三金属通孔，四组第三金属通孔分别位于四个ka频段的长方形贴片正下方。
16.进一步，所述高频天线子单元的馈电层组件包括贴设在上层第二介质基板上表面的第二l形探头贴片，以及贯穿两个第二介质基板、第三介质基板以及上层第四介质基板的第三金属馈电通孔；
17.所述高频天线子单元的馈电层组件还包括若干贯穿所述两个第四介质基板和第三介质基板的第四金属通孔，若干第四金属通孔构成第二基片集成波导馈电腔体；
18.所述高频天线子单元的馈电层组件还包括设置在所述第三金属地板下方的第二同轴馈电结构，所述第二同轴馈电结构贯穿下层第四介质基板，并与位于所述第二基片集成波导馈电层金属腔体内的第二微带线连接，所述第二微带线通过第三金属馈电通孔与所述第二l形探头贴片连接；
19.所述第三金属馈电通孔位于所述第二基片集成波导馈电层金属腔体内并贯穿上层第四介质基板、第三介质基板和两个第二介质基板，所述第二微带线贴设在所述下层第四介质基板的上表面。
20.进一步，所述低频天线子单元和高频天线子单元的馈电端口均为固定位置，所述低频天线子单元的第一微带线能够根据所述馈电端口的位置进行水平拉伸，将带状线滤波器和第一金属馈电通孔连接起来，所述高频天线子单元的第二微带线能够根据所述馈电端口的位置进行水平拉伸，将第三金属馈电通孔与第二同轴馈电结构连接起来。
21.进一步，相邻天线阵列单元之间的间距为9.5mm，相邻高频天线子单元的间距为4.75mm，所述阵列天线的阵面总体尺寸为76mm
×
9.5mm
×
5mm。
22.由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
23.1、本发明的超宽带天线阵列能够同时在两个频段下工作，且具备超宽的工作带宽，ku波段带宽为40％，ka波段带宽为30.3％，两个端口间的隔离度很高，ka工作频段内的隔离度能达到60db以上。
24.2、本发明的超宽带天线阵列具有扫描特性，在120
°
大角度扫描的条件下，天线阵列增益具备一定的稳定性，扫描增益相对法向降低小于5db。
25.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
26.本发明的附图说明如下。
27.图1是本发明双频复合共口径单极化超宽带阵列天线的结构示意图。
28.图2是本发明天线阵列单元的结构示意图。
29.图3是本发明下层第四介质基板的俯视图。
30.图4是本发明低频天线子单元阻抗匹配和异频隔离曲线示意图。
31.图5是本发明高频天线子单元阻抗匹配和异频隔离曲线示意图。
32.图6是本发明阵列天线12ghz下的极化状态阵列扫描示意图。
33.图7是本发明阵列天线15ghz下的极化状态阵列扫描示意图。
34.图8是本发明阵列天线18ghz下的极化状态阵列扫描示意图。
35.图9是本发明阵列天线28ghz下的极化状态阵列扫描示意图。
36.图10是本发明阵列天线33ghz下的极化状态阵列扫描示意图。
37.图11是本发明阵列天线38ghz下的极化状态阵列扫描示意图。
38.图中：1-天线阵列单元；2-低频天线子单元；3-高频天线子单元；4-带状线滤波器；5-第一介质基板；6-第二介质基板；7-第一金属地板；8-第三介质基板；9-第二金属地板；10-第四介质基板；11-第三金属地板；12-ku频段的长方形贴片；13-第一金属通孔；14-第一l形探头贴片；15-第一微带线；16-第二金属通孔；17-第一基片集成波导馈电层金属腔体；18-第一同轴馈电结构；19-第一金属馈电通孔；20-ka频段的长方形贴片；21-第三金属通孔；22-第二l形探头贴片；23-第四金属通孔；24-第二基片集成波导馈电腔体；25-第二同轴馈电结构；26-第二微带线；27-第二金属馈电通孔；28-第三金属馈电通孔。
具体实施方式
39.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
40.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，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发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。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发明实施例中的具体含义。
41.如图1-3所示的一种双频复合共口径单极化超宽带阵列天线，包括平行均匀布阵的若干天线阵列单元1，所述天线阵列单元1均包括位于其中心且工作在ku波段的低频天线子单元2，以及均匀分布在所述低频天线子单元2周围且工作在ka波段的四个高频天线子单元3，以及与低频天线子单元1连接的带状线滤波器4；
42.所述阵列天线采用多层电路板印刷制成，所述低频天线子单元2和高频天线子单元3均包括位于所述阵列天线上层的辐射层组件，所述低频天线子单元2和高频天线子单元
3均包括有位于所述阵列天线下层的馈电层组件，所述馈电层组件均采用探针激励的方式激励上层的辐射层组件。
43.在本发明实施例中，天线阵列单元1的数量为8，8个低频天线子单元2采用1
×
8的线性均匀布阵方式布阵，高频天线子单元3的数量为32，采用2
×
16方形均匀布阵方式布阵，相邻天线阵列单元1之间的间距为9.5mm，相邻高频天线子单元2的间距为4.75mm，所述阵列天线的阵面总体尺寸为76mm
×
9.5mm
×
5mm，低频天线子单元2的尺寸为7mm
×
2.06mm
×
3.85mm，高频天线子单元3的尺寸为2.52mm
×
2.14mm
×
0.997mm。
44.作为本发明的一种实施例，所述天线阵列单元1包括从上至下层叠安装的第一介质基板5、两个第二介质基板6、第一金属地板7、第三介质基板8、第二金属地板9、两个第四介质基板10、第三金属地板11。
45.作为本发明的一种实施例，所述低频单元2的辐射层组件包括四个ku频段的长方形贴片12，四个ku频段的长方形贴片12均匀贴设在第一介质基板5的上表面；
46.所述低频天线子单元2的辐射层组件还包括贯穿第一介质基板5和两个第二介质基板6的四组第一金属通孔13，四组第一金属通孔13分别位于四个ku频段的长方形贴片12正下方。
47.作为本发明的一种实施例，所述低频天线子单元2的馈电层组件包括贴设在第一介质基板5上的第一l形探头贴片14，下层第二介质基板6上表面的第一微带线15，以及贯穿所述第一介质基板5、上层第二介质基板6的第一金属馈电通孔19，所述第一金属馈电通孔19用于连接所述第一微带线15与第一l形探头贴片14；
48.所述低频天线子单元2的馈电层组件还包括若干贯穿两个第四介质基板10的第二金属通孔16，若干第二金属通孔16构成第一基片集成波导馈电腔体17，所述带状线滤波器4被设置在第一基片集成波导馈电层金属腔体17内的下层第四介质基板10的上表面；
49.所述低频天线子单元2的馈电层组件还包括设置在所述第三金属地板11下方的第一同轴馈电结构18，以及贯穿所述下层第二介质基板6、第三介质基板8以及上层第四介质基板10的第二金属馈电通孔27，所述第一同轴馈电结构18贯穿下层第四介质基板10与所述带状线滤波器4连接，所述第二金属馈电通孔27用于连接所述带状线滤波器4与第一微带线15。
50.作为本发明的一种实施例，四个高频天线子单元3均匀设置在第一介质基板5两侧的第二介质基板6上，所述高频天线子单元3的辐射层组件均包括四个ka频段的长方形贴片20，四个ka频段的长方形贴片20均被贴设在上层第二介质基板6的上表面；
51.所述高频天线子单元3的辐射层组件均包括贯穿两个第二介质基板6的四组第三金属通孔21，四组第三金属通孔21分别位于四个ka频段的长方形贴片20正下方。
52.作为本发明的一种实施例，所述高频天线子单元3的馈电层组件包括贴设在上层第二介质基板6上表面的第二l形探头贴片22，以及贯穿两个第二介质基板6、第三介质基板8以及上层第四介质基板10的第三金属馈电通孔28；
53.所述高频天线子单元3的馈电层组件还包括若干贯穿所述两个第四介质基板10和第三介质基板8的第四金属通孔23，若干第四金属通孔23构成第二基片集成波导馈电腔体24；
54.所述高频天线子单元3的馈电层组件还包括设置在所述第三金属地板11下方的第
二同轴馈电结构25，所述第二同轴馈电结构25贯穿下层第四介质基板10，并与位于所述第二基片集成波导馈电层金属腔体24内的第二微带线26连接，所述第二微带线26通过第三金属馈电通孔28与所述第二l形探头贴片22连接；
55.所述第三金属馈电通孔28位于所述第二基片集成波导馈电层金属腔体24内并贯穿上层第四介质基板10、第三介质基板8和两个第二介质基板6，所述第二微带线26贴设在所述下层第四介质基板10的上表面。
56.作为本发明的一种实施例，所述低频天线子单元2和高频天线子单元3的馈电端口均为固定位置，所述低频天线子单元2的第一微带线15能够根据所述馈电端口的位置进行水平拉伸，将带状线滤波器4和第一金属馈电通孔19连接起来，所述高频天线子单元3的第二微带线26能够根据所述馈电端口的位置进行水平拉伸，将第三金属馈电通孔28与第二同轴馈电结构25连接起来。
57.根据上面介绍的设计方式，使用ansys electronics desktop 2020r1对所设计的双频复合共口径单极化超宽带阵列天线扫描情况进行仿真分析，其分析结果如下：
58.如图4、图5，该相控阵天线低频天线子单元在ku波段带宽为40％，异频隔离均在-25db以下；高频天线子单元在ka波段带宽为30.3％，异频隔离均在-40db以下，低频和高频天线子单元均具备超宽带、高隔离特性。
59.如图6、图7、图8所示，该相控阵天线通过对比
±
60
°
扫描下分别在12ghz、15ghz、18ghz的增益下降情况：在12ghz相对法向下降3.9db、在15ghz相对法向下降3.0db、在18ghz相对法向下降4.9db。
60.如图9、图10、图11所示，该相控阵天线通过对比
±
45
°
扫描下分别在28ghz、33ghz、38ghz的增益下降情况：在28ghz相对法向下降3.4db、在33ghz相对法向下降1.2db、在38ghz相对法向下降2.21db。
61.综上所述，本发明具有超宽带、增益高、波束扫描性能稳定等优点。
62.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。