一种宽带宽角扫描的双频段共口径相控阵天线的制作方法

1.本发明属于相控阵天线设计技术领域，具体为一种宽带宽角扫描的双频段共口径相控阵天线。


背景技术：

2.多功能相控阵雷达是一种高性能相控阵雷达，一部雷达可以实现传统多部雷达才能实现的功能。多功能相控阵雷达通过频段和系统功能的综合集成，完成搜索、跟踪、识别于一体的双频段多功能任务，克服传统单频段雷达系统架构和工作模式单一的缺陷。以双频段共口径同时工作为显著特征的新型多功能相控阵雷达，要求天线是双频段共口径的形式，具备宽带宽角扫描的能力。
3.根据现有技术，常见的双频段共口径天线的结构组合形式通常有三种：
4.一、堆叠结构，即低频段贴片和高频贴片放置于不同的高度上，总剖面高度为两个频段剖面高度之和，其辐射单元形式一般为贴片型。中国专利申请号201910317276.5公开的《一种低剖面双频二维宽角扫描共口径相控阵天线》中，上层方形微带贴片作为高频天线，下层方形微带贴片作为低频天线。两个频段的有源驻波相对带宽较窄，约为8.8％。
5.文献c.x mao,steven gao,et al.“a shared-aperture dual-band dual-polarized filtering-antenna-array with improved frequency response,ieee trans.antennas propag.,vol.65,no.4,pp.1836
–
1844,2017.”中，上层开窗式的方形贴片作为c频段天线单元，下层方形贴片作为x频段天线单元。其无源驻波相对带宽窄(c频段：3.8％，x频段：6％)，且未提及有源驻波带宽和扫描能力。
6.二、平面交织结构，即在同一平面上，高频段单元采用周期性排列，并将细长的低频段辐射单元交织嵌入到高频单元的间隙中，实现口径共用。辐射单元的形式一般为“贴片型”和“缝隙型”两种。文献z.sun,s.s.zhong,l.b.kong,c.gao,et al.“dual-band dual-polarised microstrip array with fractional frequency ratio,electronic letters,2012,vol.48,no.12”中x频段单元采用方形贴片形式，以矩形栅格排列，s频段单元采用窄边贴片的形式交织于x频段单元之间的空隙中。该天线扫描角度小于30
°
，无源驻波相对带宽窄(x频段：13.1％，s频段：11％)，且未提及有源驻波带宽。
7.文献c.ying,r g.vaughan,“dual-polarized l-band and single-polarized x-band shared-aperture sar array,ieee trans.antennas propag.,vol.64,no.1,pp.109
–
116,2016.”中x频段单元采用脊波导缝隙天线形式，l频段单元采用背腔式十字交叉缝隙天线，嵌入到4
×
6个x频段缝隙组成的阵列之间。该共口径天线扫描角度均在
±
10
°
以内，相对带宽窄(l频段：8％，x频段：4％)。
8.三、立式排列结构，即高频段单元和低频段单元均垂直立于金属反射板上。根据高频段单元和低频段单元的空间位置关系，可分为立式平行排列和立式垂直排列结构。中国专利申请号201911295916.3公开的共口径复合天线单元采用立式平行排列结构，两个频段均采用印刷振子结构实现双频段共口径；优点是结构紧凑，小尺寸，低剖面；缺点是两个印
刷振子平行排列，因此两个频段的天线极化一致，发生极化耦合，造成隔离度差；两个频段的天线剖面等高，剖面高度未按照各自频段的四分之一波长设计，造成两个频段的驻波带宽窄(6％)，无法满足宽带扫描要求；必须采用稀疏布阵的非规则布局方式，才能保证天线在高频段不出现栅瓣，因此阵列不具有可扩展性和工程实现性。
9.文献g kwon,j.y.park,et al.“optimization of a shared-aperture dual-band transmitting/receiving array antenna for radar applications,ieee trans.antennas propag.,vol.65,no.12,pp.7038
–
7051,2017.”中s频段单元采用立式微带振子天线形式，x频段单元采用vivaldi天线形式，两频段天线单元相互垂直，布阵形式采用稀疏布阵。该天线扫描角度小于
±
40
°
，无源驻波相对带宽窄(x频段：13％，s频段：11％)，且未提及有源驻波带宽；采用稀疏布阵的形式，不利于阵面的扩充和可重构设计。现有技术存在双频段共口径天线相对带宽窄，无法满足宽带扫描要求，布阵稀疏且非规则，可扩展性、可重构性和工程实现性较差等技术问题。


技术实现要素：

10.本发明所要解决的技术问题在于如何解决双频段共口径天线相对带宽窄，无法满足宽带扫描要求，布阵稀疏且非规则，可扩展性、可重构性和工程实现性较差等技术问题。
11.本发明是采用以下技术方案解决上述技术问题的：一种宽带宽角扫描的双频段共口径相控阵天线包括：低频段天线单元(1)、不少于2个的高频段天线单元(2)和金属反射板(3)；
12.所述低频段天线单元(1)和高频段天线单元(2)垂直交叉排列设置于所述金属反射板(3)上，其中，所述低频段天线单元(1)和所述高频段天线单元(2)均采用立式微带振子天线并采用剖面不等高设计；
13.所述低频段天线单元(1)包括辐射微带(11)、寄生贴片(12)及金属隔离棒(16)，所述寄生贴片(12)加载于所述辐射微带(11)上，所述金属隔离棒(16)设于相邻的所述低频段天线单元(1)之间；
14.所述高频段天线单元(2)包括辐射微带(21)及寄生贴片(22)，所述寄生贴片(22)加载于所述辐射微带(21)上，所述金属隔离棒(26)设于相邻的所述高频段天线单元(2)之间。
15.本发明的高低频段天线单元均采用立式微带振子天线，并且相互垂直交叉排列，天线单元方面，针对传统微带天线相对带宽窄的缺陷，低频段和高频段天线都选择带宽更宽的微带振子天线形式。微带振子天线结构简单，便于共口径结构的融合。本发明可以实现双频段共口径相控阵天线的宽带宽角扫描特性。对低频段天线单元的辐射微带和寄生贴片进行开窗设计，降低剖面尺寸较大的低频段天线单元对剖面尺寸较小的高频段单元辐射的遮挡，改善高频段天线宽角扫描时的有源驻波和增益下降。
16.在更具体的技术方案中，所述低频段天线单元(1)还包括：介质基板(13)、馈电微带(14)、金属化通孔(15)和同轴馈电端口(17)；
17.所述辐射微带(11)，其为微带振子天线的辐射臂，所述辐射臂的长度为四分之一低频段的中频波长，所述辐射微带(11)距离所述金属反射板(3)的高度为四分之一低频段的中频波长；
18.在所述辐射微带(11)的上方增加所述寄生贴片(12)，以利用加载技术提高天线单元的宽带的宽带宽角扫描性能；
19.所述馈电微带(14)采用两级阻抗变换器，用以优化有源驻波性能，拓展带宽；
20.所述介质基板(13)的正反两面通过所述金属化通孔(15)实现电连接，所述金属化通孔(15)用以补偿馈电分布电容，以展宽带宽；
21.以同轴连接器搭接在所述馈电微带(14)的所述同轴馈电端口(17)上。
22.本发明的介质基板两面通过金属化通孔实现电连接，金属化通孔可以补偿馈电分布电容，有效展宽带宽。在传统微带振子天线的基础上增加寄生贴片，利用加载技术提高天线单元的宽带宽角扫描性能。在各相邻天线单元之间引入金属隔离柱，利用加载技术展宽天线单元的波瓣以保证二维宽角扫描性能。
23.在更具体的技术方案中，所述同轴馈电端口(17)通过所述金属化通孔(15)与所述辐射微带(11)在垂直方向上连接，用以对所述低频段天线单元(1)馈电。
24.在更具体的技术方案中，对所述低频段天线单元(1)的所述辐射微带(11)和所述寄生贴片(12)进行开窗设计。
25.在更具体的技术方案中，所述高频段天线单元(2)还包括：介质基板(23)、馈电微带(24)、金属化通孔(25)和同轴馈电端口(27)、电连接金属片(28)；
26.所述辐射微带(21)为微带振子天线的辐射臂，辐射臂的长度为四分之一高频段的中频波长，所述辐射微带(21)距离所述金属反射板(3)的高度为四分之一高频段的中频波长；
27.在所述辐射微带(21)的上方增加所述寄生贴片(22)，以利用加载技术提高天线单元的宽带宽角扫描性能；
28.所述馈电微带(24)采用两级阻抗变换器优化有源驻波性能，以有效拓展带宽；
29.所述介质基板(23)的正反两面通过所述金属化通孔(25)实现电连接，所述金属化通孔(25)用以补偿馈电分布电容，有效展宽带宽；
30.以同轴连接器搭接在所述馈电微带(24)的所述同轴馈电端口(27)上，通过所述金属化通孔(25)与所述辐射微带(21)在垂直方向上连接，用以对所述高频段天线单元(2)馈电；
31.将3个所述高频段天线单元(1)在同一块所述介质基板(23)上进行一体化加工。
32.在更具体的技术方案中，以所述介质基板(23)上的所述电连接金属片(28)实现3个所述高频段天线单元(2)之间的电连接。
33.在更具体的技术方案中，所述低频段天线单元(1)和所述高频段天线单元(2)采用立式垂直交叉结构排列，以矩形栅格形式布阵。
34.在更具体的技术方案中，所述低频段天线单元(1)的栅格间距与高频段天线单元(2)的栅格间距满足高低频段的频率比关系。
35.在更具体的技术方案中，所述1个低频段天线单元(1)和不少于2个的高频段天线单元(2)通过组成基本周期单元，以进行周期性延拓组阵，据以实现天线阵列的可扩展性。
36.本发明根据高低频段的频率比关系，1个低频段天线单元对应多个高频段天线单元的比例关系组成的基本周期单元，可以进行周期性延拓组阵，实现天线阵列的可扩展性。高低频段天线单元垂直交叉结构可以实现极化正交，实现双频天线之间的高隔离。
37.本发明高低频段的立式微带振子天线单元剖面不等高设计，辐射微带距离金属反射板的高度分别为各自频段的四分之一中心波长，以保证宽带性能。通过调节辐射微带上加载的寄生贴片的高度和尺寸，可以改善天线的宽带阻抗匹配能力。
38.本发明相比现有技术具有以下优点：低频段和高频段天线单元以矩形栅格的形式，采用垂直交叉结构排列，可实现双频段天线之间的高隔离、结构上的融合和阵列的可扩展性，低频段和高频段天线单元均选择立式微带振子天线形式，克服了微带贴片天线带宽窄的缺陷，提升了有源驻波性能，低频段和高频段天线单元的辐射微带上方加载了寄生贴片，相邻天线单元之间引入金属隔离棒，提高了天线二维宽带宽角扫描的能力。高低频段的立式微带振子天线单元剖面不等高设计，辐射微带距离金属反射板的高度分别为各自频段的四分之一中心波长，以保证宽带性能。对低频段天线单元的辐射微带和寄生贴片进行开窗设计，有效减小低频段单元对高频段单元辐射的遮挡，改善了高频段天线宽角扫描时的有源驻波和增益下降。本发明解决了现有技术中存在的双频段共口径天线相对带宽窄，无法满足宽带扫描要求，布阵稀疏且非规则，可扩展性、可重构性和工程实现性较差等技术问题。
附图说明
39.图1为本发明所述宽带宽角扫描的双频段共口径天线单元的整体结构视图；
40.图2为本发明的s频段天线单元的正面示意图；
41.图3为本发明的s频段天线单元的反面示意图；
42.图4为本发明的x频段天线单元的正面示意图；
43.图5为本发明的x频段天线单元的反面示意图；
44.图6为本发明的3个x频段天线单元一体化加工正面示意图；
45.图7为本发明实施例的双频段共口径相控阵天线阵列的整体结构示意图；
46.图8为本发明实施例在s频段下不同扫描角度的有源驻波性能图；
47.图9为本发明实施例在x频段下不同扫描角度的有源驻波性能图；
48.图10为本发明实施例在s频段下的中频法向测试方向图；
49.图11为本发明实施例在s频段下扫描60度时的中频测试方向图；
50.图12为本发明实施例在x频段下的中频法向测试方向图；
51.图13为本发明实施例在x频段下扫描60度时的中频测试方向图。
具体实施方式
52.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
53.实施例1：
54.一种宽带宽角扫描的双频段共口径相控阵天线单元，该相控阵天线单元由低频段天线单元、高频段天线单元和金属反射板组成。低频段天线单元和高频段天线单元采用立式微带振子天线的形式。
55.低频段天线单元由辐射微带、寄生贴片、馈电微带、介质基板、金属隔离棒、金属化通孔和同轴馈电端口组成；低频段天线单元由双面覆铜介质基板印制而成，介质基板的正面为辐射微带和寄生贴片，辐射微带和寄生贴片进行了开窗设计。介质基板的反面为馈电微带，同轴连接器通过馈电微带上的同轴馈电点对天线单元进行馈电。低频段天线单元的介质基板的正反两面通过金属化通孔实现电连接。
56.高频段天线单元由辐射微带、寄生贴片、馈电微带、介质基板、金属隔离棒、金属化通孔和同轴馈电端口、电连接金属片组成；高频段天线单元由双面覆铜介质基板印制而成，介质基板的正面为辐射微带和寄生贴片，介质基板的反面为馈电微带，同轴连接器通过馈电微带上的同轴馈电点对天线单元进行馈电。介质基板的正反两面通过金属化通孔实现电连接。将多个高频段天线单元进行一体化加工，利用介质基板上的电连接金属片实现同一介质基板上的高频段天线单元之间的电连接。
57.本发明相控阵天线单元的组阵方式是：低频段和高频段天线单元采用立式垂直交叉结构排列，以矩形栅格形式布阵。低频段天线单元的栅格间距与高频段天线单元的栅格间距满足高低频段的频率比关系。1个低频段天线单元和多个高频段天线单元组成基本周期单元，可以进行周期性延拓组阵，实现天线阵列的可展性。
58.如图1所示，共口径相控阵天线单元由1个s频段天线单元1、9个x频段天线单元2和金属反射板3组成。s频段天线单元1和x频段天线单元2均采用立式微带振子天线的形式。s频段单元1和x频段单元2垂直交叉排列，利用极化正交提高双频天线单元间的隔离度。
59.如图1-图3所示，s频段天线单元1包括：辐射微带11、寄生贴片12、介质基板13、馈电微带14、金属化通孔15、金属隔离棒16和同轴馈电端口17。辐射微带11为微带振子天线的辐射臂，辐射臂的长度约为四分之一s频段的中频波长。辐射微带11距离金属反射板3的高度约为四分之一s频段的中频波长。在辐射微带11的上方，增加寄生贴片12，利用加载技术提高天线单元的宽带宽角扫描性能。馈电微带14采用两级阻抗变换器优化有源驻波性能，有效拓展带宽。介质基板13的正反两面通过金属化通孔15实现电连接，金属化通孔15可以补偿馈电分布电容，有效展宽带宽。同轴连接器搭接在馈电微带11的同轴馈电端口17上，通过金属化通孔15与辐射微带11在垂直方向上连接，完成对s频段天线单元1的馈电。采用金属隔离棒16，利用加载技术展宽天线单元的波瓣以保证二宽角扫描性能，同时也实现了组阵后相邻单元的电连接。对s频段天线单元1的辐射微带11和寄生贴片12进行开窗设计，降低剖面尺寸较大的s频段天线单元1对剖面尺寸较小的x频段天线单元2辐射的遮挡，改善x频段天线单元宽角扫描时的有源驻波和增益下降。
60.如图1、图4-图6所示，x频段天线单元2包括：辐射微带21、寄生贴片22、介质基板23、馈电微带24、金属化通孔25、金属隔离棒26和同轴馈电端口27、电连接金属片28。辐射微带21为微带振子天线的辐射臂，辐射臂的长度约为四分之一x频段的中频波长。辐射微带21距离金属反射板3的高度约为四分之一x频段的中频波长。在辐射微带21的上方，增加寄生贴片22，利用加载技术提高天线单元的宽带宽角扫描性能。馈电微带24采用两级阻抗变换器优化有源驻波性能，有效拓展带宽。介质基板23的正反两面通过金属化通孔25实现电连接，金属化通孔25可以补偿馈电分布电容，有效展宽带宽。同轴连接器搭接在馈电微带21的同轴馈电端口27上，通过金属化通孔25与辐射微带21在垂直方向上连接，完成对x频段天线单元2的馈电。采用金属隔离棒26，利用加载技术展宽天线单元的波瓣以保证二宽角扫描性
能。为了方便工艺制作，将3个x频段天线单元1在同一块介质基板23上进行一体化加工，利用介质基板上的电连接金属片28实现3个x频段天线单元之间的电连接。
61.实施例2：
62.如图7所示，本实施例设计了一种宽带宽角扫描的双频段共口径相控阵天线阵列，该相控阵天线阵列工作在s频段和x频段。
63.该阵列由共口径相控阵天线单元周期性延拓组成。该实施例包含：s频段天线单元8(方位向)
×
8(俯仰向)的64个单元，x频段天线单元24(方位向)
×
24(俯仰向)的576个单元。s频段天线单元1和x频段天线单元2采用的介质基板为rogers 4350b，相对介电常数为3.66，s频段天线单元1的介质基板厚度为1.524mm，x频段天线单元2的介质基板厚度为0.508mm。
64.图8给出了该实施例相控阵天线阵列在s频段的不同扫描角的有源驻波曲线，其中f
l0
表示s工作频段的中心频率。结果表明该天线阵列在相对带宽约为26％的工作频带内，
±
60
°
扫描角范围内，有源驻波优于2.5。
65.图9给出了该实施例相控阵天线阵列在s频段的不同扫描角的有源驻波曲线，其中f
h0
表示x工作频段的中心频率。结果表明该天线阵列在相对带宽约为35％的工作频带内，
±
60
°
扫描角范围内，有源驻波优于2.5。
66.图10和图11给出了该实施例相控阵天线阵列在s频段中心频点处不同扫描角下的归一化测试方向图，结果显示在s频段中心频点处天线在
±
60
°
范围内可以扫描且不出现栅瓣。
67.图12和图13给出了该实施例相控阵天线阵列在x频段中心频点处不同扫描角下的归一化测试方向图，结果显示在x频段中心频点处天线在
±
60
°
范围内可以扫描且不出现栅瓣。
68.综上，低频段和高频段天线单元以矩形栅格的形式，采用垂直交叉结构排列，可实现双频段天线之间的高隔离、结构上的融合和阵列的可扩展性，低频段和高频段天线单元均选择立式微带振子天线形式，克服了微带贴片天线带宽窄的缺陷，提升了有源驻波性能，低频段和高频段天线单元的辐射微带上方加载了寄生贴片，相邻天线单元之间引入金属隔离棒，提高了天线二维宽带宽角扫描的能力。高低频段的立式微带振子天线单元剖面不等高设计，辐射微带距离金属反射板的高度分别为各自频段的四分之一中心波长，以保证宽带性能。对低频段天线单元的辐射微带和寄生贴片进行开窗设计，有效降低频段单元对高频段单元辐射的遮挡，改善了高频段天线宽角扫描时的有源驻波和增益下降。本发明解决了现有技术中存在的双频段共口径天线相对带宽窄，无法满足宽带扫描要求，布阵稀疏且非规则，可扩展性、可重构性和工程实现性较差等技术问题。
69.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。