一种具有高孔径复用率和高端口隔离的双频共孔径天线

本发明涉及微波器件，具体涉及一种具有高孔径复用率和高端口隔离的双频共孔径天线。

背景技术：

1、随着先进高速飞行平台向多功能化方向发展，平台上安装的天线数量越来越多，可用于天线部署的空间越来越有限。这一趋势导致了对共孔径天线使用的巨大需求，共孔径天线是一种紧凑的天线设计，其中多个天线元件，每个服务于不同的频段或极化，共享部分或整个孔径。它们可以支持多个频率或极化，从而增加带宽和通信灵活性。共孔径天线在卫星通信、雷达系统和基站中得到了广泛的应用。

2、目前，相关研究将原先分立的多个天线，放置于同一天线孔径中构成共孔径天线，但是天线间的耦合抑制提出了更高的要求。现有技术中，使用了诸如寄生贴片、缺陷地、中和线、去耦合网络等去耦合结构来抑制近距离放置的天线间的耦合，然而，大多数去耦合结构的性能受天线的相对位置和间距的影响很大，此外，解耦结构还需要额外的空间。

3、近年来，中国专利cn113809518a一种具有高隔离度的微波与毫米波大频比共口径天线，使用了同一个辐射结构来辐射毫米波和微波信号，提高孔径利用率，实现了共口径天线的小型化；中国专利cn107689490b双频共口径阵列天线，使用了ku频段基片集成波导加载dipole天线的基片集成波导传输部分既构成了ku频段的天线，又充当了ka频段矩形金属波导的壁，实现了口径复用，降低了天线间的互耦。但是目前的技术还不能实现低频天线与高频天线可比拟的尺寸，以及低频天线与高频天线间之间的隔离度问题。

4、因此，需要提出一种高孔径复用率、高隔离度的双频共孔径天线。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提供了一种具有高孔径复用率和高端口隔离的双频共孔径天线，通过在低频天线中开槽与加载集总参数电阻实现了具有与高频天线可比拟的尺寸；将低频天线与高频天线叠层放置，实现了极高的孔径复用效率；在低频天线馈电枝节中通过枝节加载谐振器与缺陷地技术结合极大的降低了在高频天线工作频段的带外发射；在高频天线馈电枝节上加载了一个t形谐振器，使低频天线工作频点产生零陷，极大的提高了低频天线与高频天线间的隔离度。

2、本发明提供了一种具有高孔径复用率和高端口隔离的双频共孔径天线，包括：

3、所述双频共孔径天线包括：介质层、金属支撑结构、非金属支撑结构和半钢电缆；所述介质层包括：第一层介质、第二层介质、第三层介质和第四层介质；所述半刚电缆的两端分别与所述第三、第四层介质连接；所述第一、二、三和四介层基于所述非金属支撑结构采用叠层的方式，由上到下分别放置，如图1所示。

4、优选的，所述第一、二、三和四介层的介电常数为1-20，损耗角正切为0.0001-0.02；所述介层的厚度为0.6-1.0mm。

5、进一步的，所述第一、二、三和四介层的介电常数均为4.5，损耗角正切为0.02的fr-4；所述介层的厚度为0.8mm。

6、所述第一层介质包括第一层介质基板和高频天线的寄生金属贴片；所述高频天线的寄生金属贴片设置在第一层介质基板的上方，为圆形结构，如图3所示；所述第一层介质为正方形结构，设置有多个贯穿的孔；所述多个贯穿的孔包括第一层介质第一孔和第一介质层第二孔，分别对齐设置在所述第一层介质的两侧；如图2所示；

7、其中，ht为第一层介质和第四层介质的距离；hp为第一层介质和第二层介质的间距；hh为第二层介质和第三层介质的间距；hl为第三层介质和第四层介质的间距；ls为第一层介质的正方形边长；rp为第一层介质上方设置的圆形寄生贴片的直径；

8、优选的，所述第一层介质和第四层介质的距离ht、第一层介质和第二层介质的间距hp、第二层介质和第三层介质的间距hh、第三层介质和第四层介质的间距hl的尺寸比例为：

9、进一步的，第一层介质和第四层介质的距离ht、第一层介质和第二层介质的间距hp、第二层介质和第三层介质的间距hh、第三层介质和第四层介质的间距hl的比例为ht:hp:hh:hl＝27:3:12:10；所述第一层介质的正方形边长ls、第一层介质上方设置的圆形寄生贴片的直径rp的尺寸比例为ls:rp＝30:7。

10、本发明技术方案在第一层介质上方设置高频天线的寄生圆形贴片结构，改善了高频天线增益。

11、所述第二层介质包括：第二层介质基板、高频天线第一、二金属辐射贴片、馈电贴片和t形谐振枝节；在所述第二层介质基板的上方设置所述高频天线第一、二金属辐射贴片和馈电贴片，所述馈电贴片连接所述t形谐振枝节，如图5所示；在所述第二层介质基板的下方设置所述高频天线第一、二金属辐射贴片和馈电贴片，所述馈电贴片连接所述t形谐振枝节，如图6所示；

12、所述馈电贴片的一端与第一高频天线金属辐射贴片的一端连接，如图5-6所示；所述第二层介质为八边形结构，设置有多个贯穿的孔；所述多个贯穿的孔包括第二层介质第一孔和第二介质层第二孔，对齐设置在所述第二层介质的两侧，如图4所示。

13、其中，lh为第二层介质的直边长度；wt1为t形谐振枝节上第一段贴片的宽度，wt2为t形谐振枝节上第二段贴片的宽度，wt3分别为t形谐振枝节上第三段贴片的宽度；lt1为t形谐振枝节上第一段贴片的长度，lt2t形谐振枝节上第二段贴片的长度，lt3为t形谐振枝节上第三段贴片的长度；l1为馈电贴片的第一段馈电、线长度；w1为馈电贴片第一段馈电线的宽度；l2为馈电贴片的第二段馈电线的长度；w2为第三段馈电线的宽度；

14、优选的，t形谐振枝节上第一段贴片的宽度wt1、t形谐振枝节上第二段贴片的宽度wt2和t形谐振枝节上第三段贴片的宽度wt3的比例为wt1：wt2：wt3＝0.1:0.2:5；

15、t形谐振枝节上第一段贴片的长度lt1、t形谐振枝节上第二段贴片的长度lt2和为t形谐振枝节上第三段贴片的长度lt3的比例为lt1：lt2：lt3＝1:1:1；

16、馈电贴片的第一段馈电线长度l1、馈电贴片的第二段馈电线的长度l2的比例为l1：l2＝18.9:12；馈电贴片第一段馈电线的宽度w1、第三段馈电线的宽度w2比例为w1：w2＝1.5：0.4。

17、优选的，所述高频天线第一、二金属辐射贴片的边缘采用三阶贝塞尔曲线拟合，以介质中心为原点，曲线方程表达式为：

18、p(t)＝a·(1-t)3+b·(1-t)2·t+c·(1-t)·t2+d·t3,t＝0…1

19、其中，a点为曲线的第一个控制点，坐标为：(x1，y1)，x、y为坐标点；b点为曲线的第二个控制点，坐标为：(x2，y2)；c点为曲线的第三个控制点，坐标为：(x3，y3)；d点为曲线的第四个控制点，坐标为：(x4，y4)；p为曲线的边缘所在位置；t为0-1范围内的变量，通过改变t的值，获得曲线。

20、本发明技术方案中在第二层介质上下表面分别设置高频天线的辐射贴片及加载了t形谐振枝节的馈电贴片，引入了带阻响应。

21、所述第三层介质包括第三层介质基板和低频天线辐射贴片，在所述第三层介质基板的下方设置低频天线辐射贴片，所述低频天线辐射贴片同时作为高频天线的反射器；所述低频天线辐射贴片设置多个槽口，所述槽口包括：第一槽口、第二槽口和第三槽口，所述第一槽口设置在低频天线辐射贴片的中部，所述第二槽口和第三槽口对称设置在所述低频天线辐射贴片的两侧；

22、所述第一槽口设置低频馈电部分，所述低频馈电部分为低频折叠偶极子天线的馈电部分；所述第二槽口和第三槽口分别设置电阻，所述电阻为集总参数电阻，个数为四个，如图7所示；所述低频天线为工作于uhf频段的折叠偶极子天线；所述第三层介质为正方形结构，设置有多个贯穿的孔；所述多个贯穿的孔包括第三层介质第一孔和第三介质层第二孔，对齐设置在所述第三层介质的两侧。

23、其中，g1为第三层介质基板下方设置的贴片结构中间部分开槽的宽度；g2为第三层介质基板下方设置的贴片结构两边开槽的宽度；d2为第三层介质基板下方设置的贴片结构中间部分开槽与两边开槽的间距；

24、进一步的，第三层介质基板下方设置的贴片结构中间部分开槽的宽度g1与所述贴片结构两边开槽的宽度g2的比例为g1：g2＝1:2。

25、本方技术方案中在第三介层上方的辐射贴片中间通过开槽设置低频折叠偶极子天线的馈电部分，左右两侧通过开槽实现了小型化设计，同时两侧开槽的边缘加载了四个集总参数电阻，可以设计更小的低频天线。

26、所述第四层介质包括：第四层介质基板、低频天线的金属地和低频天线的馈电结构；所述低频天线的金属地设置在所述第四层介质基板的上方，所述低频天线的馈电结构设置在所述第四层介质基板的下方；所述低频天线的馈电结构为低通滤波器馈电结构，所述馈电结构上加载了开路枝节线，如图11所示；所述低频天线的金属地为在低频天线的接地面设置金属片，所属金属片与馈电连接器的接地面连接；

27、所述低频天线的金属地设置一个工字型的槽口，为缺陷金属地结构，具有低通滤波器的功能，如图10所示；所述工字型的槽口为哑铃形状的槽口；所述低频天线为工作于uhf频段的折叠偶极子天线；所述第四层介质为正方形结构，设置有多个贯穿的孔，如图9所示；所述多个贯穿的孔包括位于第一孔、第二孔和第三孔，所述第一孔、第二孔和第三孔分别位于第四层介质的三侧，所述第一孔与第二孔对齐；

28、其中，l7和l8分别为第三层介质第三孔与两侧的距离；d1为第三介层第一孔圆心与与边缘的距离；rs为第三介层第一孔的直径；l5为工字形缺陷地结构的边长；g3为工字形缺陷地结构中间部分的宽度；

29、l3和l6分别为低频天线第一段和第二段馈电线的长度；w3为低频天线馈电线的宽度；l4为低频天线馈电线上开路枝节的长度，w4为低频天线馈电线上开路枝节的宽度。

30、进一步的，所述第三层介质第三孔与两侧的距离l7、l8的比例为l7：l8＝1:1；第三介层第一孔圆心与与边缘的距离d1与第三介层第一孔的直径rs的比例为d1：rs＝5.5:4；工字形缺陷地结构的边长l5与工字形缺陷地结构中间部分的宽度g3的比例为l5：g3＝9:0.5；所述低频天线第一段馈电线的长度l3、低频天线第二段馈电线的长度l6和低频天线馈电线上开路枝节的长度l4的比例为l3：l6：l4＝15:22.4:7；低频天线馈电线的宽度w3和低频天线馈电线上开路枝节的宽度w4的比例为w3：w4＝1.5:4。

31、所述半钢电缆包括：内芯和外皮；所述内芯的一端与所述第三层介质低频天线辐射贴片的第一槽口连接，所述外皮的一端连接所述第三层介质低频天线辐射贴片的第一槽口，所述内芯的另一端通过第四层介质的第三孔与所述第四层介质低频天线的馈电结构连接；所述外皮的另一端与所述第四介层所述工字型的槽口连接；所述半钢电缆为同轴电缆。

32、所述金属支撑结构与第三层介质和第四层介质连接，所述非金属固定结构与第一、第二、第三和第四介层连接，如图8所示；金属支撑结构的材质为铝或不锈钢等导电率高的金属；非金属固定结构的材质可选为pvc塑料。

33、所述第一、第三和第四介层的正方形结构与所述第二介层的八边形结构对角线相等，所述八边形结构的斜边是为了与所述第二层介质的馈电贴片sma连接器进行匹配。

34、本发明技术方案中在第三层介质和第四层介质间设置金属支撑结构实现了折叠偶极子天线侧壁的作用；在第四介层下方设置加载了开路枝节线的低频天线的馈电结构，同时在第四介层中间设置哑铃形状的缺陷地结构，加大了低通滤波器的功能。本发明技术方案中低频天线通过开槽与集总参数电阻加载实现了小型化设计，从而具有与高频天线可比拟的尺寸；低频天线与高频天线叠层放置，高频天线放置于低频天线的上方，实现了100％的孔径复用效率；低频天线馈电枝节通过枝节加载谐振器与缺陷地技术结合构成了低通滤波器，极大的降低了在高频天线工作频段的带外发射；高频天线馈电枝节上加载了一个t形谐振器，集成了带阻响应，从而使其增益对频率变化的曲线在低频天线工作频点产生零陷，通过该方法，极大的提高了低频天线与高频天线间的隔离度。

35、与现有技术相比，本发明至少具有现如下有益效果：

36、(1)本发明技术方案中合理设计了低频天线和高频天线的间隔，在低频天线的介层通过开槽与电阻加载，实现了小型化设计，与本发明的高频天线具有类似的尺寸；

37、(2)本发明技术方案中低频天线与高频天线叠层放置，低频天线的辐射结构同时作为高频天线的反射器，高频天线同时作为低频天线的引向器，避免了高频天线可能对低频天线造成的遮挡效应，实现了100％的孔径复用效率；

38、(3)本发明技术方案设计的共孔径天线，低频天线与高频天线分别集成了低通与带阻滤波响应，实现了孔径内不同天线的高隔离。