宽带双频共口径天线阵列论文和设计-张霄鹏

全文摘要

本实用新型提出一种宽带双频共口径天线阵列，包括：反射地板和设置在该反射地板上的多个低频段天线单元和多个高频段天线单元，该多个低频段天线单元和该多个高频段天线单元竖直地固定在该反射地板上，该多个低频段天线单元用于传输中心频点较低信号，该多个高频段天线单元用于传输中心频点较高信号；其中，每个该低频段天线单元的两侧各布置有一个高频段天线单元，该低频段天线单元的高度小于该高频段天线单元的高度，该低频段天线单元的信号传输和该高频段天线单元的信号传输不会相互影响。能够很好地满足移动通讯系统对新一代相控阵天线的要求。

主设计要求

1.一种宽带双频共口径天线阵列，其特征在于，包括：反射地板和设置在该反射地板上的多个低频段天线单元和多个高频段天线单元，该多个低频段天线单元和该多个高频段天线单元竖直地固定在该反射地板上，该多个低频段天线单元用于传输中心频点较低信号，该多个高频段天线单元用于传输中心频点较高信号；其中，每个该低频段天线单元的两侧各布置有一个高频段天线单元，该低频段天线单元的高度小于该高频段天线单元的高度，该低频段天线单元的信号传输和该高频段天线单元的信号传输不会相互影响。

设计方案

2.根据权利要求1所述的宽带双频共口径天线阵列，其特征在于：该多个低频段天线单元的阵间距恒定；该多个高频段天线单元的阵间距恒定。

3.根据权利要求1所述的宽带双频共口径天线阵列，其特征在于：该低频段天线单元是由第一介质基板和设置在该第一介质基板上的第一电路构成，该第一介质基板竖直地固定在该反射地板上；该高频段天线单元是由第二介质基板和设置在该第二介质基板上的第二电路构成，该第二介质基板竖直地固定在该反射地板上；该第一介质基板的高度小于该第二介质基板的高度。

4.根据权利要求3所述的宽带双频共口径天线阵列，其特征在于：该第一介质基板呈长条形的矩形状，该第一电路在位于该第一介质基板的两个表层和一个中间夹层的三个导电金属层上形成；该第二介质基板呈长条形的T形状，该第二电路在位于该第二介质基板的两个表层和一个中间夹层的三个导电金属层上形成。

5.根据权利要求4所述的宽带双频共口径天线阵列，其特征在于：该第一电路由印刷辐射片、耦合片、平衡器和传输线构成；该第二电路由印刷地板、辐射片、平衡器和传输线构成。

6.根据权利要求5所述的宽带双频共口径天线阵列，其特征在于：该印刷辐射片在位于该第一介质基板的第一侧表面的覆铜上形成；直线排列的两个印刷辐射片之间具有第一缝隙；每个印刷辐射片的两个分支之间具有第二缝隙；该耦合片在位于该第一介质基板的中间夹层的覆铜上形成，该耦合片对应于该第一缝隙，形成耦合，该耦合片的宽度大于该第一缝隙的宽度；该平衡器在位于该第一介质基板的中间夹层和第二侧表面的两部分覆铜上形成，该平衡器对应于该第二缝隙，形成耦合；该传输线在位于该第一介质基板的中间夹层和第二侧表面的两部分覆铜上形成，该传输线由位于该第一介质基板的中间夹层的介质中带状线和位于该第一介质基板的第二侧表面的微带线构成。

7.根据权利要求6所述的宽带双频共口径天线阵列，其特征在于：该低频段天线单元对应的反射地板由两个金属条构成, 该两个金属条的中间开设有缝隙，以供该微带线走线。

8.根据权利要求5所述的宽带双频共口径天线阵列，其特征在于：该印刷地板在位于该第二介质基板的第一侧表面和第二侧表面的覆铜上形成，该印刷地板呈矩形状，并在顶部具有缝隙；该辐射片在位于该第二介质基板的中间夹层的覆铜上形成，该辐射片由相互间隔的两个分支2构成，其中一个分支与该传输线相连、另一分支与该印刷地板相连；该平衡器在位于该介质基板的中间夹层和第二侧表面的两部分覆铜上形成，该平衡器由位于该第二介质基板的第一侧表面的印刷地板上的缝隙和位于该第二介质基板的第二侧表面的印刷地板上的缝隙构成。

9.根据权利要求8所述的宽带双频共口径天线阵列，其特征在于：该低频段天线单元对应的反射地板由两个金属条构成, 该两个金属条的中间开设有缝隙，以供该微带线走线。

10.根据权利要求5至9任一项所述的宽带双频共口径天线阵列，其特征在于：对应于每个该印刷辐射片，该第一介质基板上设置有一个开口；在两个该印刷地板之间，该第二介质基板上对应设置有一个开口。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及电子通信技术领域，特别是与共口径天线构成的天线阵列有关。

背景技术

在车载、机载、舰载等卫星通讯系统中，由于机动化小型化得需求，往往需要天线具有极化特性好、增益高、方向性强、体积小和重量轻的特点。反射面天线具有高增益和很强的方向性但成本高、体积大，特别是在可移动通信中不方便。

在信息化时代，人类并不满足与在固定的地方获取信息，而是能在运动中汽车、轮船和飞机中获取信息。相控阵天线是在阵列天线的基础上发展起来的，其优势在于扫描速度快，波束控制灵活，可在移动的载体上搜索并跟踪卫星信号。

随着卫星通信技术的飞速发展，相控阵天线成本的降低，结构的简化便于安装耐用成为卫星通信技术一个重要课题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提出一种宽带双频共口径天线阵列，能够很好地满足移动通讯系统对新一代相控阵天线的要求。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案包括：提供一种宽带双频共口径天线阵列，包括：反射地板和设置在该反射地板上的多个低频段天线单元和多个高频段天线单元，该多个低频段天线单元和该多个高频段天线单元竖直地固定在该反射地板上，该多个低频段天线单元用于传输中心频点较低信号，该多个高频段天线单元用于传输中心频点较高信号；其中，每个该低频段天线单元的两侧各布置有一个高频段天线单元，该低频段天线单元的高度小于该高频段天线单元的高度，该低频段天线单元的信号传输和该高频段天线单元的信号传输不会相互影响。

与现有技术相比，本实用新型的宽带双频共口径天线阵列，通过降低低频段天线单元的高度，升高高频段天线单元的高度，使得两种频段的天线单元在有限的空间中能够实现共口径安装，两者都能正常工作，能够很好地满足移动通讯系统对新一代相控阵天线的要求。

附图说明

图1是本实用新型宽带双频共口径天线阵列实施例一的立体结构示意。

图2是本实用新型宽带双频共口径天线阵列实施例一的侧视结构示意。

图3是本实用新型宽带双频共口径天线阵列阵列实施例一中低频段天线单元的增益曲线。

图4是本实用新型宽带双频共口径天线阵列阵列实施例一中高频段天线单元的增益曲线。

图5是本实用新型宽带双频共口径天线阵列实施例二的立体结构示意。

图6是图5中局部的立体结构示意。

图7、图8和图9是本实用新型宽带双频共口径天线阵列阵列实施例二中低频段天线单元的三个导电金属层的结构示意。

图10、图11和图12是本实用新型宽带双频共口径天线阵列阵列实施例二中高频段天线单元的三个导电金属层的结构示意。

图13是本实用新型宽带双频共口径天线阵列阵列实施例二中低频段天线单元的驻波比曲线。

图14是本实用新型宽带双频共口径天线阵列阵列实施例二中高频段天线单元的驻波比曲线。

图15是本实用新型宽带双频共口径天线阵列实施例三的立体结构示意。

其中，附图标记说明如下：10、10a、10b 宽带双频共口径天线阵列阵列1 低频段天线单元 2 高频段天线单元 3 反射地板 a 低频段天线单元a1 印刷辐射片a12 第一缝隙a13 第二缝隙 a2 耦合片a3 平衡器 a4 传输线 a41 介质中带状线 a42 微带线 a5 反射地板 a51 第一反射条 a52 第二反射条 a53 第一凹槽a54 第二凹槽 a6 开口 b 高频段天线单元 b1 印刷地板 b11 缝隙 b12 缝隙 b2 辐射片 b21 第一臂 b22 第二臂 b3 平衡器 b4 传输线 b5 反射地板 b6 开口 c 反射地板。

具体实施方式

为了详细说明本实用新型的构造及特点所在，兹举以下较佳实施例并配合附图说明如下。

参见图1和图2，图1是本实用新型宽带双频共口径天线阵列实施例一的立体结构示意。图2是本实用新型宽带双频共口径天线阵列实施例一的侧视结构示意。本实用新型提出一种宽带双频共口径天线阵列10，包括：反射地板3,以及设置在同一块反射地板3上的四个低频段天线单元1和八个高频段天线单元2。

可以理解的是，四个低频段天线单元1对应的频段与八个高频段天线单元2对应的频段相区隔。在一些实施例中，四个低频段天线单元1对应的频段是相同的；八个高频段天线单元2对应的频段是相同的。也即：四个低频段天线单元1是同样的，对应于同一个低频段，八个高频段天线单元2是同样的，对应于同一个高频段。

在另一些实施例中，四个低频段天线单元1对应的频段可以是不相同的，也即：四个低频段天线单元1不必是同样的，能够对应于多个低频段（最多四个）；同样，八个高频段天线单元2对应的频段可以是不相同的，也即：八个高频段天线单元2不必是同样的，能够对应于多个高频段（最多八个）。相应于这样的情形，本实用新型的宽带双频共口径天线阵列10可以理解为宽带多频共口径天线阵列，这些多频共口径天线区分为两组，频段较低的一组由四个低频段天线单元1处理，频段较高的一组由八个高频段天线单元2处理。

可以理解的是，低频段天线单元1由介质板和设置在介质板上的电路构成。高频段天线单元2由介质板和设置在介质板上的电路构成。反射地板3由整块的金属大板构成，或者，反射地板3由拼接在一起的若干金属小板构成。

四个低频段天线单元1与八个高频段天线单元2穿插放置，同时保证各自的阵间距恒定，也即：四个低频段天线单元1的间距恒定，八个高频段天线单元2的间距恒定。具体而言，八个高频段天线单元2的阵间距是四个低频段天线单元1的阵间距的一半。每隔两个高频段天线单元2放置一个低频段天线单元1。

高频段天线单元2的高度高于低频段天线单元1的高度，使得高频段天线单元2的电磁波得以通过低频段天线单元1，高频段天线单元2不受频段单元1的影响。可以理解的是，高频段天线单元2的高度高于低频段天线单元1的高度需要适中，举例而言，高频段天线单元2的高度高出低频段天线单元1的高度的范围在高频的1\/4波长左右。

低频段天线单元1的电磁波的波长够长，使得低频段天线单元1电磁波得以通过高频段天线单元2，低频段天线单元1不受高频段天线单元2的影响。从而能够很好地在紧凑的空间实现多频辐射。

参见图3，图3是本实用新型宽带双频共口径天线阵列阵列实施例一中低频段天线单元的增益曲线。可见，本实用新型的宽带双频共口径天线阵列10对于低频段的天线增益为20.3dB。

参见图4，图4是本实用新型宽带双频共口径天线阵列阵列实施例一中高频段天线单元的增益曲线。可见，本实用新型的宽带双频共口径天线阵列10对于高频段的天线增益为26.5dB。

结合图3和图4，本实用新型的宽带双频共口径天线阵列10所对应的两种频段的辐射性能都很正常，可以实现在共口径下低频段和高频段两种天线都能正常工作，且天线性能指标不受影响。

与现有技术相比，本实用新型的宽带双频共口径天线阵列10通过巧妙地使低频段天线单元1的高度低于高频段天线单元2的高度，使得高频段天线单元2能够穿插在低频段天线单元1的阵列中，让高频段天线单元2的电磁波得以通过，高频段天线单元2不受低频段天线单元1的影响；同时，使得低频段天线单元1的电磁波波长够长，低频段天线单元1的电磁波得以通过，低频段天线单元1不受高频段天线单元2的影响，从而能够很好地在紧凑的空间实现双频辐射。

参见图5和图6，图5是本实用新型宽带双频共口径天线阵列实施例二的立体结构示意。图6是图5中局部的立体结构示意。本实用新型提出一种宽带双频共口径天线阵列10a，包括：反射地板c,以及设置在同一块反射地板c上的四个低频段天线单元a和八个高频段天线单元b。

结合参见图7、图8和图9，图7示意出了设置在介质基板上的一个导电金属层（第一侧表层），图9示意出了设置在介质基板上的另一个导电金属层（第二侧表层），图8示意出了设置在介质基板上的又一个导电金属层（中间夹层）。低频段天线单元a包括：长条形的介质基板，设置在介质基板上的印刷辐射片a1、耦合片a2、平衡器（巴伦）a3和传输线a4，以及与介质基板垂直固定在一起的反射地板a5。介质基板呈矩形状。

印刷辐射片a1在介质基板的第一侧表面的覆铜上形成。对应于每个印刷辐射片a1，介质基板上设置有一个开口a6。

值得一提的是，多个印刷辐射片a1可印刷在介质基板上，组成N 元线阵，N 为正整数，也即N个印刷辐射片a1直线排列成阵。另外，多个印刷辐射片a1可印刷在介质基板上，组成N×M的面阵，N和M 为正整数。

具体而言，直线排列的两个印刷辐射片a1之间具有第一缝隙a12；每个印刷辐射片a1的两个分支之间具有第二缝隙a13。

耦合片a2在位于介质基板的中间夹层的覆铜上形成。耦合片a2对应于两个印刷辐射片a1之间的第一缝隙a12，形成耦合。耦合片a2的宽度大于第一缝隙a12的宽度。

平衡器a3在位于介质基板的中间夹层和第二侧表面的两部分覆铜上形成。平衡器a3位于开口a6的上方，对应于印刷辐射片a1的两个分支之间的第二缝隙a13，形成耦合。

传输线a4在位于介质基板的中间夹层和第二侧表面的两部分覆铜上形成。具体地，传输线a4由位于介质基板的中间夹层的介质中带状线a41和位于介质基板的第二侧表面的微带线a42构成。

反射地板a5由两个金属条a51、a52构成, 两个金属条a51、a52对称。金属条a51的中间开设有缝隙a54，金属条a52的中间开设有缝隙a53，两缝隙a54、a53对称。微带线a42在两缝隙a54、a53之间走线。

结合参见图10、图11和图12，图10示意出了设置在介质基板上的一个导电金属层（第一侧表层），图12示意出了设置在介质基板上的另一个导电金属层（第二侧表层），图11示意出了设置在介质基板上的又一个导电金属层（中间夹层）。高频段天线单元b包括：长条形的介质基板，设置在介质基板上的印刷地板b1、辐射片b2、平衡器（巴伦）b3以及和传输线b4，以及与介质基板垂直固定在一起的反射地板b5。介质基板呈T形状。

印刷地板b1在位于介质基板的第一侧表面和第二侧表面的覆铜上形成。具体而言，位于介质基板的第一侧表面的印刷地板b1呈矩形状，顶部具有缝隙b11，位于介质基板的第二侧表面的印刷地板b1呈矩形状，顶部具有缝隙b12。

值得一提的是，多个印刷地板b1可印刷在介质基板上，组成N 元线阵，N 为正整数，也即N个印刷地板b1直线排列成阵。另外，多个印刷地板b1可印刷在介质基板上，组成N×M的面阵，N和M 为正整数。在两个印刷地板b1之间，介质基板上对应设置有一个开口b6。

辐射片b2在位于介质基板的中间夹层的覆铜上形成。具体而言，辐射片b2由相互间隔的两个分支b21、b22构成。其中，分支b21与传输线b4相连，分支b22与印刷地板b1相连。可以理解的是，分支b21和分支b22可以相互交替，也即：分支b22与传输线b4相连，分支b21与印刷地板b1相连。

平衡器b3由介质基板的第一侧表面的印刷地板b1上的缝隙b11和介质基板的第二侧表面的印刷地板b1上的缝隙b12构成。

传输线b4在位于介质基板的中间夹层的覆铜上形成。传输线b4通过处理，与介质基板的第一侧表面和第二侧表面的印刷地板b1两面相连，形成一个介质的硬传输线。

反射地板b5由两个金属条b51、b52构成。反射地板b5与反射地板a5相夹固定。

参见图5，在一个具体实施中，本实用新型的宽带双频共口径天线阵列10a是低频波段4×4 阵列天线和高频天线8×8 阵列天线组成的共口径阵列。其中，低频波段中心频率f1=13Ghz，下边频f0=8Ghz，上边频f2=18Ghz；高频波段中心频率f1=35Ghz，下边频f13=30Ghz，上边频f5=40Ghz。本实用新型的宽带双频共口径天线阵列10a中低频段天线单元a的增益曲线见图3，高频段天线单元b的增益曲线见图4。

具体而言，在低频段天线单元a中，反射地板a5尺寸36.8×36.8mm，介质基板选用FR4350B 材料，相对介电常数3.66，厚度0.8mm，介质基板长宽为36.8×9.2mm。辐射片a1由介质基板的上表面（第一侧面）覆铜组成，馈电面的传输线a4宽为1.46mm。辐射面由辐射片a1、耦合片a2和平衡器a3组成，辐射片a1长为4.4mm，宽为2mm，耦合片a2长为1mm，宽为2mm。两个低频段天线单元a之间的间距为9.2mm。

在高频段天线单元b中，反射地板b5尺寸36.8×36.8mm，介质基板选用FR4350B 材料，相对介电常数3.66，厚度0.8mm，介质基板长宽为36.8×9.2mm。辐射地板b1由介质基板的上表面和下表面（第一侧面和第二侧面）覆铜组成，馈电面的传输线b4宽为0.36mm。辐射面由辐射片b2和平衡器b3组成，辐射片b2长为1.5mm，宽为0.3mm。

参见图13，图13是本实用新型宽带双频共口径天线阵列，阵列实施例二中低频段天线单元的驻波比曲线。可见，低频段天线单元a的天线阻抗带宽大于75%，带宽内增益也能满足实际应用的需要。

参见图14，图14是本实用新型宽带双频共口径天线阵列，阵列实施例二中高频段天线单元的驻波比曲线。可见，高频段天线单元b的天线阻抗带宽大于25%，带宽内增益也能满足实际应用的需要。

与现有技术相比，本实用新型的宽带双频共口径天线阵列10a组阵结构简单紧凑，通用性强，易于实现，同时极大降低了成本，适合大型相控阵天线。

参见图15，图15是本实用新型宽带双频共口径天线阵列实施例三的立体结构示意。本实用新型的宽带双频共口径天线阵列10b由前述的两个宽带双频共口径天线阵列10a构成。可以理解的是，取决于实际应用的需要，可以将若干个宽带双频共口径天线阵列10a扩展成更大的阵列天线。

以上，仅为本实用新型之较佳实施例，意在进一步说明本实用新型，而非对其进行限定。凡根据上述之文字和附图所公开的内容进行的简单的替换，都在本专利的权利保护范围之列。

设计图

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