一种馈电网络单元及应用该馈电网络单元的天线阵的制作方法

本发明涉及雷达天线通信领域，具体是一种馈电网络单元及应用该馈电网络单元的天线阵。

背景技术：

随着电子信息技术的发展，利用不同波段、不同极化电磁波对目标或者地物散射特性的差别，进行多波段、多极化雷达探测，可以获得目标或地物更加完整的信息，提升目标探测和分类识别能力，如星高分辨sar系统和气象双偏振雷达系统。

与常规单极化天线相比，多极化天线除了带宽、增益、波束宽度、波束形状、副瓣、效率和端口电压驻波比等性能参数以外，更需要重点关注交叉极化和隔离度等参数，特别是不同极化辐射方向图各参数的一致性。

目前双极化一维相扫天线常用的形式有双极化波导裂缝天线、微带双极化天线以及交叉阵子天线。驻波双极化波导裂缝天线的带宽和网络复杂度相关，在大尺寸高增益一维相扫天线中，驻波双极化波导裂缝天线的馈电网络通常比较复杂，同时垂直和水平极化通常采用的缝隙形式不同，因加工误差的存在，会造成的双极化天线波束指向和波束宽度的不一致，而在不扫描维度上的波束指向和波束宽度不一致，系统无法修正。

双极化微带天线和交叉阵子天线，通常采用基板或空气板线作为功分合成网络，在低频段如c波段，馈线造成的雷达系统损耗还可以接受，但在x波段以上频段，现有的加工技术无法满足大尺寸空气板线的加工精度要求，即使采用了一些改进方式，在大尺寸时馈线带来的损耗也通常比较大。

申请人为改善上述技术问题，提出了一种馈电网络单元及应用该馈电网络单元的天线阵。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种馈电网络单元及应用该馈电网络单元的天线阵，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种馈电网络单元，包括馈电单元与波导同轴转换器，所述馈电单元包括馈电波导，所述馈电波导后侧设有弯折缝隙状的功率耦合结构，并通过所述功率耦合结构耦合有移相单元，所述移相单元的后侧设有耦合输出端，，并通过所述耦合输出端与波导同轴转换器耦合连接。

作为上述技术方案的改进方案，为了进一步地补偿馈电波导内因不同尺寸的功率耦合结构带来的插入相位的差异，所述移相单元的左右侧部均连通设有第一相位补偿部，所述第一相位补偿部为台阶结构或介质插入结构。

作为上述技术方案的改进方案，为了进一步地补偿馈电波导内因不同尺寸的功率耦合结构带来的插入相位的差异，所述馈电波导的前侧设有第二相位补偿部，第二相位补偿部与馈电波导的内部连通，所述第二相位补偿部为台阶结构或介质插入结构。

作为上述技术方案的改进方案，为了使相位调节性能与尺寸相适宜，当所述第一相位补偿部与第二相位补偿部为台阶结构时，其台阶节数为2个。

一种应用馈电网络单元的天线阵，包括阵列设置的相控阵单元，所述相控阵单元包括天线单元与两个平行布置的馈电网络单元，两个馈电网络单元中的波导同轴转换器共同连接所述天线单元；所述天线单元包括金属壳体，所述金属壳体内侧壁上连接有与其内底面平行的至少三层介质层，且所述介质层将所述金属壳体分隔为至少三个腔体，其中最内侧的介质层上设有贴片天线微带馈线，外侧的至少两层介质层上设有辐射贴片。

作为上述技术方案的改进方案，为了抑制最内侧腔体中不对称高次谐振电磁场，进一步提高天线端口隔离和交叉极化电平，金属壳体的内底面上对称分布有金属柱。

作为上述技术方案的改进方案，为了最大程度地使双极化天线单元性能、波束等化，所述介质层设有三层，从外到内依次为第一介质层、第二介质层与第三介质层，所述第一介质层、第二介质层及第三介质层均包括介质基板；所述第三介质层的介质基板外侧平行设有金属层，所述第三介质层的介质基板对应所述金属柱设有通孔。

作为上述技术方案的改进方案，为了减小馈电结构带来的损耗，所述金属层上刻蚀有h型馈电耦合缝隙，所述贴片天线微带馈线为t型。

作为上述技术方案的改进方案，为了便于实现宽带内的180°倒相补偿，所述波导同轴转换器的同轴输出端口位于馈电波导后侧正中位置，且波导同轴转换器内部设有台阶型阻抗，同一个相控阵单元中的两个波导同轴转换器的台阶型阻抗同向，相邻的两个相控阵单元中，波导同轴转换器的台阶型阻抗反向。

有益效果：本发明提出了一种馈电网络单元与天线阵，其中馈电网络单元通过第一相位补偿部、第二相位补偿部提高天线的性能，天线阵中对天线单元进行了改进，采用金属壳体的至少三腔结构降低天线的品质因数，并展宽天线带宽，此外，金属壳体中还可以设置金属柱，用于抑制最内侧腔体中的不对称高次谐振电磁场，改善了天线的带宽、交叉极化、端口隔离指标。

本发明通过对于相控阵单元中各个组成部分的改进，实现了不同的极化采用相同的馈电结构，设计了一款高波束一致性、低交叉极化、高隔离度相控阵单元，保证了不同极化天线增益、波束指向和波束宽度、副瓣电平的一致，进一步提升了天线增益、波束宽度、副瓣电平的一致性，并降低了馈电线路带来的损耗。

附图说明

图1为本发明馈电单元的一种实施方式的示意图；

图2为本发明馈电单元的另一种实施方式的示意图；

图3为本发明天线阵的示意图；

图4为图3的局部放大示意图；

图5为本发明天线单元的断剖面示意图；

图6为本发明天线单元不包括金属壳体时的某一角度示意图；

图7为本发明天线单元不包括金属壳体时的另一角度示意图；

图8为本发明波导同轴转换器的结构示意图；

图9为本发明天线单元辐射方向图；

图10为本发明天线单元的s参数曲线图。

图中：1-馈电单元；101-馈电波导；102-第一相位补偿部；103-第二相位补偿部；104-移相单元；105-耦合输出端；106-功率耦合结构；2-天线单元；201-金属壳体；202-第一介质层；203-第二介质层；204-第三介质层；205-金属柱；206-金属层；207-通孔；208-辐射贴片；209-馈电耦合缝隙；210-贴片天线微带馈线；3-波导同轴转换器；301-台阶型阻抗；302-同轴输出端口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

实施例1，参见图1，一种馈电网络单元，包括馈电单元1与波导同轴转换器3，馈电单元1包括馈电波导101，馈电波导101后侧设有弯折缝隙状的功率耦合结构106，并通过功率耦合结构106耦合有移相单元104，移相单元104的后侧设有耦合输出端105，并通过耦合输出端105与波导同轴转换器3耦合连接。。

功率耦合结构106通常为圆孔、矩形缝隙耦合，本实施方式中，功率耦合结构106采用弯折的形式，如s、z、n、h等弯折形状，弯折缝隙状的功率耦合结构用于增大其功分比范围，提高其耦合性能的频率宽度，通过控制弯折缝隙的总长度可以调节功率耦合结构106的耦合度。

优选地，本实施方式中，功率耦合结构106的缝隙宽度为1mm。

由于功率耦合结构106采用了弯折缝隙形状，为非谐振结构，因此移相单元104的左右侧部均连通设有第一相位补偿部102，第一相位补偿部102为台阶结构或介质插入结构，设在移相单元104的宽边侧，通过第一相位补偿部102补偿功率耦合结构带来的额外插入相移。

可选地，本实施方式中，馈电波导101为馈电单元1的导行波，可以是带状线、脊波导或其他形式。

优选地，本实施方式中，为增加相控阵天线的扫描角度，馈电单元1采用低剖面波导形式，馈电波导101为非标半高波导形式，其宽边满足单模传输要求，窄边采用非标准波导结构，窄边厚度为标准波导的0.5倍以下。

优选地，本实施方式中，馈电波导101的宽边长度为22.86mm，窄边长度为5mm。

可选地，耦合输出端105在低频段为其他形式的导行结构，在x波段及以上采用波导结构，用以降低馈线损耗。本实施方式中，耦合输出端105设在移相单元104的窄边中部。

可选地，如图8所示，波导同轴转换器3的同轴输出端口302位于馈电波导101后侧正中位置，且波导同轴转换器3内部设有台阶型阻抗301。台阶型阻抗301为导行波形式转换结构，实现波导到同轴的变换，也可为波动到微带、带状线、共面波导等其他转换形式，为保证输出端口在同一结构位置，同轴输出端口302设计在波导窄边的中心位置。

实施例2，在实施例1的基础上，馈电波导101的前侧设有第二相位补偿部103，第二相位补偿部103与馈电波导101的内部连通。第二相位补偿部103用于调节馈电波导101内因功率耦合结构106不同尺寸的弯折缝隙带来的插入相位的差异，同时还起到馈电波导101阻抗匹配的作用。

本实施方式中，第二相位补偿部103为台阶结构或介质插入结构，可用于实现移相功能，通过改变电磁波在传导结构中的传输特性的方式实现电磁波传输相位的调整。而通过调节馈电波导101左右之间的宽度尺寸，间接对第一相位补偿部102与第二相位补偿部103进行调节，可以保证天线各相关指标与设计的一致性。

实施例3，图1所示为馈电单元的一种实施结构。本实施方式中，功率耦合结构106采用z型弯折缝隙，可选地，第一相位补偿部102与第二相位补偿部103均为台阶结构。

其中，第一相位补偿部102通过两组对称且相对递降的台阶呈现图1所示，或者，通过两组对称且相对递增的台阶呈现，补偿了因副瓣幅度加权使用的功率耦合结构106带来的主波导内的额外的相位偏差。

可选地，两组台阶的台阶节数均至少为一个，台阶节数越多，相位补偿的性能越好，其尺寸越大。

优选地，第一相位补偿部102的两组台阶的台阶节数均为2个。

其中，第二相位补偿部103呈现从中部对称向馈电波导101左右侧递减或递增的阶梯状。但采用递增的形式会导致第二相位补偿部103的尺寸变大，增加了加工难度。

可选地，第二相位补偿部103的两侧的台阶节数至少为一个，台阶节数越多，相位补偿的性能越好，其尺寸越大。

优选地，第二相位补偿部103的两侧的台阶节数为2个，其性能佳，尺寸小，相对最优。

实施例4，图2所示为馈电单元的另一种实施结构。本实施方式中，功率耦合结构106采用h型弯折缝隙，相较z型弯折缝隙，耦合度在不同频率上的平坦度不同。可选地，第一相位补偿部102与第二相位补偿部103均为台阶结构。

其中，第一相位补偿部102呈现一组朝向馈电波导101方向递降的台阶状。

可选地，该组台阶的台阶节数均至少为一个，台阶节数越多，相位补偿的性能越好，其尺寸越大。

优选地，该组台阶节数为2个，其性能佳，尺寸小，相对最优。

其中，第二相位补偿部103呈现从中部对称向馈电波导101左右两侧递增的阶梯状。

当第一相位补偿部102与第二相位补偿部103为台阶结构时，其台阶节数为2个。

可选地，第二相位补偿部103的两侧的台阶节数至少为一个，台阶节数越多，相位补偿的性能越好，其尺寸越大。

优选地，第二相位补偿部103的两侧的台阶节数为2个，其性能佳，尺寸小，相对最优。

参见图3-4，一种天线阵，包括阵列设置的相控阵单元，相控阵单元包括天线单元2与两个平行布置的馈电网络单元，两个馈电网络单元中的波导同轴转换器3共同连接天线单元2；天线单元2包括金属壳体201，金属壳体201内侧壁上连接有与其内底面平行的至少三层介质层，且介质层将金属壳体201分隔为至少三个腔体，其中最内侧的介质层上设有贴片天线微带馈线210，外侧的至少两层介质层上设有辐射贴片208。

如图4所示，相控阵单元中，一组天线单元对应两个馈电网络单元与一个天线单元，同一个相控阵单元中，两个馈电网络单元的波导同轴转换器3的台阶型阻抗301同向，相邻的两个相控阵单元中，波导同轴转换器3的台阶型阻抗301反向。波导同轴转换器3的台阶型阻抗301随着相控阵单元中天线单元的奇偶阵列顺序交替同向，奇数相控阵单元的端口与偶数相控阵单元的端口通过旋转180度的形式来实现馈电波导101带来的相位不一致，串馈结构中半波长的宽频带180°相位补偿，补偿馈电网络单元带来的额外不需要的相位误差，同时天线整体结构得到简化，进一步降低天线的交叉极化电平。

不同极化馈电网络单元采用对称设计，馈电网络单元采用相同的导行波结构，相控阵单元的馈电单元1中的馈电波导101阵列构成馈电导行波系统。

不同极化天线单元2的馈电网络单元采用相同的结构工艺加工工艺，尽量减小加工误差，如存在误差也能保证双极化天线馈电结构加工误差相同，对双极化电性能造成的影响一致。

此外，通常天线单元内部的腔体为两个，很难保证天线单元波束的一致性。本实施方式中，腔体至少设有三个，最内侧的腔体通过最内侧的介质层与金属壳体201内侧壁、内底面围合构成，称为反射腔，其余腔体称为辐射腔。当腔体为三个及以上时，能够降低天线的品质因数，拓宽天线带宽。

实施例5，参见图5，金属壳体201的内底面上对称分布有金属柱205，金属柱205位于反射腔内，能够抑制反射腔中的不对称高次谐振电磁场，进一步提高天线端口隔离和交叉极化电平。

优选地，参见图6-7，本实施方式中，介质层设有三层，从外到内依次为第一介质层202、第二介质层203与第三介质层204，第一介质层202、第二介质层203及第三介质层204均包括介质基板；第三介质层204的介质基板外侧平行设有金属层206，第三介质层204的介质基板对应金属柱205设有通孔207。

当介质层设为三层时，第三介质层204与金属壳体201内侧壁、内底面围合构成反射腔体，第三介质层204与第二介质层203、金属壳体201内侧壁构成第一个辐射腔体，第二介质层203与第一介质层202、金属壳体201内侧壁够狠才能第二个辐射腔体，当存在三个腔体时，天线单元能最大程度的降低天线的品质因数，拓宽天线带宽，提高性能。

本实施方式中，通孔207用于实现金属柱205与金属层206的连接。

可选地，辐射贴片208以介质基板为载体，选择性设置在第一介质层202、第二介质层203的介质基板的第一侧面或第二侧面上。

优选地，金属层206上刻蚀有h型的馈电耦合缝隙209，用于减小馈电结构，贴片天线微带馈线210为t型。

图9-10分别为本发明天线单元的辐射方向图与s参数曲线图，从图中可见本发明可以保证不同极化天线增益、波束指向和波束宽度、副瓣电平的一致，进一步提升天线增益、波束宽度、副瓣电平的一致性，并降低馈电线路带来的损耗。

此外，还可以通过优化算法如粒子群、遗传算法等对相控阵单元幅相加权进行优化，最大限度地保证相控阵天线不同极化天线辐射方向图的各参数的一致性，并通过对双极化天线系统进行外标定，通过天线近场测试数据对系统参数进行修正，进一步提升双极化雷达不同极化天线的增益、波束宽度、波束指向和副瓣电平的一致性。

虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

在本发明的描述中，需要说明的是，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本发明的描述中，还需要说明的是，术语“上”、“下”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，或一体地连接；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，可以是两个元件内部的连通。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中的具体含义。

故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。