背馈结构的毫米波斜极化宽带宽角扫描圆柱共形阵列天线的制作方法

1.本发明属于天线与馈线技术领域，涉及一种背馈结构的实现毫米波宽频带、一维宽扫描域的圆柱共形阵列天线。


背景技术：

2.有源相控阵系统因其快速波束扫描、同时多功能、可模块化等特点已广泛应用于通信、雷达等领域。相控阵是指在阵列天线的基础上对其馈源的幅相进行定量的控制，从而达到快速扫描、波束赋形、低副瓣等功能。若再给每个单元配备一个t/r组件，就可称之为有源相控阵，相比只有一个中央收发模块的无源相控阵而言，有源相控阵具有高效率、高可靠性、同时多功能以及可模块化生产等优势。而阵列天线作为相控阵系统的核心，起着至关重要的作用。
3.本发明涉及了一种应用于有限空间的毫米波宽带阵列天线，狭小且不平整的柱体空间对天线的剖面和形式提出了更高的要求。和常规的平板天线阵相比，共形阵列虽然效率相对较低，但却拥有更高的空间利用率，较为符合有限空间的应用环境。同时，为了提高对不同方向、不同极化来波的应对能力，要求阵列天线具有一维宽角扫描和45
°
斜极化的工作特性。本发明阐述了一种新型背馈结构的一维宽域扫描的毫米波宽带圆柱共形阵列天线。
4.微带贴片天线是近年来的研究热点，它具有低剖面、易于集成、重量轻、结构简单、极化多变等优点。但应用于毫米波段阵列天线时，也存在带宽窄、结构参数敏感、馈电难等问题。同时，平面天线的共形设计也带来很多问题，如相位补偿、馈电结构的实现等。本发明针对这些问题，进行了深入研究和实践。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提出一种背馈结构的毫米波斜极化宽带宽角扫描圆柱共形阵列天线，以解决有限空间内的宽频带、宽扫描域的毫米波圆柱共形阵列天线的设计。
6.实现本发明目的的技术解决方案为：一种背馈结构的毫米波斜极化宽带宽角扫描圆柱共形阵列天线，包括依次排布的天线保护罩、圆柱共形的宽带微带贴片天线阵列、金属结构件以及输出端圆柱共形的功分器；
7.宽带微带贴片阵列包括辐射介质层、耦合介质层、馈电介质层，三层介质层通过半固化片压接成一体，辐射介质层下表面印制天线的辐射贴片；耦合介质层为单层基板；馈电介质层由两层基板组成，通过半固化片压接成一体，上层基板上表面印制馈电缝隙，下表面印制馈电带线，下层基板下表面印制结构地板；馈电介质层加工有金属化隔离过孔和金属化馈电过孔；输出端圆柱共形的功分器包含数个输出端毛纽扣连接器、输入端ssmp连接器和反射地板；
8.天线保护罩、天线阵列和功分器均通过螺钉紧固在金属结构件上，天线保护罩在保护下方宽带微带贴片天线阵列的同时，给宽带微带贴片天线阵列施加力，使其与毛纽扣
连接器充分接触，功分器通过金属结构件中间的镂空部分直接给阵列天线中的金属化馈电过孔馈电。
9.进一步的，所述天线保护罩为泡沫起泡件。
10.进一步的，所述辐射介质层、耦合介质层以及馈电介质层使用同种介质基板，以避免不同介电常数带来的压接问题。
11.进一步的，所述辐射介质层、耦合介质层以及馈电介质层与压接用半固化片的介电常数相同。
12.进一步的，金属结构件上设有安装台阶，用于与天线阵列紧固。
13.进一步的，所述输出端圆柱共形的功分器的输入端口采用错位设计。
14.进一步的，线极化微带贴片天线选择圆形辐射贴片，馈电缝隙沿其中心点轴向旋转45
°
即可实现天线的45
°
斜极化，相应地，给馈电缝隙馈电的馈电带线也沿馈电缝隙中心轴向旋转45
°
。最终，馈电缝隙和馈电带线由原本的平行于矩形天线单元长边的状态变为与长边呈45
°
夹角。
15.本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)天线阵列采用圆柱共形结构，大幅提高了空间利用率；2)背馈转换结构解决了缝隙耦合微带天线的复杂馈电问题；3)将功分器同样共形设计且与馈电的毛纽扣连接器和反射地板一体化设计，提高了结构的可靠性和可维修性；4)将馈电的多个功分器输入端口错位设计，以增大后方t/r组件端口间距。
16.下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
17.图1为背馈结构的毫米波斜极化宽带宽角扫描圆柱共形阵列天线的示意图。
18.图2为共形结构示意图，其中(a)为共形阵列结构图，(b)为天线阵列装配示意图，(c)为整体结构图。
19.图3为阵列天线单元的结构示意图，(a)为整体结构图，(b)为辐射层示意图，(c)为耦合层示意图，(d)为馈电层示意图。
20.图4为输出端圆柱共形功分器结构示意图。
21.图5为本发明共形天线阵列波束扫描方向图，(a)～(c)分别对应f
l
、f0和fh示意图。
具体实施方式
22.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
23.如图1～4所示，一种新型背馈结构的毫米波斜极化宽带宽角扫描圆柱共形阵列天线，包括依次排布的天线保护罩1、圆柱共形的宽带微带贴片天线阵列2、金属结构件3以及输出端圆柱共形的功分器4。天线保护罩1、天线阵列2和功分器4均通过螺钉紧固在金属结构件3上。
24.所述天线保护罩1为泡沫起泡件，用螺钉与下方金属结构件3紧固，保护天线结构，以及给下方宽带微带贴片天线阵列2施加力使其与馈电的毛纽扣连接器5充分接触。
25.所述圆柱共形的宽带微带贴片阵列2的天线单元结构包括：辐射介质层7、耦合介
质层8、馈电介质层9，三层介质层通过半固化片压接成一体。进一步的，天线的辐射贴片11印制于辐射介质层7下表面。耦合介质层8为单层基板。馈电介质层9由两层基片组成，通过半固化片压接成一体，其中上层基板上表面印制馈电缝隙12，下表面印制馈电带线14，下层基板下表面印制结构地板13。天线单元通过馈电缝隙12给天线辐射贴片11馈电，馈电缝隙12则通过馈电带线14馈电，实际工程应用时需要将馈电带线14转换为同轴接头从而与其他组件对接。此外，馈电介质层9加工有金属化隔离过孔16和金属化馈电过孔15，金属化隔离过孔16，限制能量的传输，避免组阵后介质板变大而出现谐振。
26.所述金属结构件3上设有安装台阶6，用以与天线阵列2紧固，一体加工成型。
27.所述输出端圆柱共形的功分器4包含数个输出端毛纽扣连接器5、输入端ssmp连接器16以及反射地板10，两种连接器通过螺纹与功分器4紧固。功分器4的毛纽扣连接器5通过金属结构件3中间的镂空部分与金属化馈电过孔15接触，实现馈电。
28.线极化微带贴片天线可通过将天线绕轴向旋转固定的角度以实现相应角度的斜极化状态，简化地，选择圆形贴片并仅仅将馈电缝隙12沿其中心点轴向旋转45
°
即可实现天线的45
°
斜极化，相应地，给馈电缝隙馈电的馈电带线14也沿缝隙中心轴向旋转45
°
。
29.综上所述，本发明有如下创新点：
30.(1)微带天线阵列剖面较低，且将天线阵列表面沿着圆柱体共形设计，极大地提高了柱体的空间利用率。
31.(2)采用馈电缝隙12通过空间耦合给辐射贴片馈电11，增加了天线阵列的工作带宽，减少加工误差所导致的频段偏移带来的影响。不同于常规微带贴片天线，于天线辐射贴片11上方加载一层辐射介质层7，有效地缩小了微带贴片天线的尺寸，便于大扫描角阵列的设计。
32.(3)将天线的馈电缝隙12和馈电带线14绕天线中心轴旋转45
°
，即可较为简单地实现斜极化工作特性。
33.(4)为了解决馈电微带线转化为同轴结构较为困难的问题，将微带馈线转化为带状线馈线然后再与同轴线进行转换，形成馈电介质层9的馈电结构。
34.(5)将给天线馈电的毛纽扣连接器、反射地板和馈电功分器一体化集成设计，避免了毛纽扣连接器共形分布时，k-k连接器连接的传统方式带来的浮动量过大而无法与功分器的连接器完全对接问题。
35.(6)将给阵列馈电的多个功分器的输入端口16错位设计，分为两种输入结构，以增大后方t/r组件端口间距，减小组件设计难度。
36.(7)阵列天线共形设计时单元之间存在波程差，方位面波束合成时会出现阵列方向图主瓣凹陷的现象，通过馈电功分器对每个单元进行相位补偿，补偿通过延长功分器每个输出口的传输线实现。
37.实施例
38.为了验证本发明方案的有效性，进行如下实验。
39.如图1-4所示，本实施例中，将八个微带贴片天线线阵通过螺钉紧固于结构件的圆柱体表面实现共形设计，提高了柱体内部的空间利用率。天线阵列径向采用功分器进行波束合成，轴向实现
±
45
°
扫描。因天线单元的共形分布，馈电毛纽扣连接器、反射地板、功率分配一体化功分器4的输出端同样采用圆柱共形分布。同时考虑到t/r组件的排布，相邻功
分器的输入端口采用交叉错位设计，分为两种输入结构而输出端不变。为了解决馈电微带线转化为同轴结构较为困难的问题，将微带馈线转化为带状线馈线然后再与同轴线进行转换，转换过程涉及带线的渐变设计和传输通道隔离设计，形成馈电介质层9的馈电结构。
40.本实施例的
±
45
°
范围内的轴向波束扫描方向如图5所示，在毫米波段30％的相对带宽内方向图无栅瓣，扫描至
±
45
°
时的扫描损耗在高端小于5db、低端小于3db。
41.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
42.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术的保护范围应以所附权利要求为准。