宽频带双极化高效率平板阵列天线及性能调试方法

本发明属于天线，具体涉及一种宽频带双极化高效率平板阵列天线及性能调试方法，用于多种平台搭载的雷达、通信系统。

背景技术：

1、平板阵列天线目前越来越广泛的被应用于机载、车载、舰载和星载等平台的雷达和通信系统。而相比于常见的应用于雷达和通信系统中的反射面天线，平板阵列天线辐射效率更高，在实际应用中具有轮廓小、重量轻、剖面低、结构紧凑等优势，同时平板阵列机械结构强度高，更易于与射频前端进行连接。但平板阵列也同样存在问题：受天线带宽和网络尺寸的限制，平板阵列的工作频带不够宽。

2、目前国内外对于平板阵列已有广泛的研究，yang you等人在2021年设计了18.8％带宽的单极化平板阵列，中心频率为29.25ghz，该平板阵列通过波导激励背腔，每个背腔包含2×2个缝隙天线，最终阵列的辐射效率在71.7％。juqing ran等人在2022年设计了5％带宽的双极化平板阵列，中心频率为28ghz，该平板阵列的馈电网络为双层间隙波导，同样是通过间隙波导激励背腔，再通过背腔激励2×2个缝隙天线。qingchun you等人在2023年设计了30.8％带宽的双极化平板阵列，中心频率为13ghz，该平板阵列的馈电网络为全金属的准同轴结构，网络尺寸较小，但到了与天线连接的位置仍需转为脊波导形式，单元间距并未明显减小，最终阵列的辐射效率大于80％。

3、目前已有的平板阵列天线具有一个常见问题就是工作频带不够宽(难以达到40％相对带宽)，该问题是馈电网络尺寸大和天线的工作带宽不够共同导致的。由于平板阵列多采用纯金属结构，馈电网络采用波导形式，波导的截止频率使得工作频带难以向低频扩展。并且波导的尺寸较大，为避免天线单元间距过大出现栅瓣，现有的平板阵列多采用波导网络直接给2×2子阵馈电，但子阵的天线单元多采用缝隙形式，而缝隙天线的工作带宽有限，并且缝隙天线组阵后为了方向图不出现栅瓣，阵列难以在更高频率工作。

4、综上所述，馈电网络和天线共同导致了目前的平板阵列带宽不够宽的问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种宽频带双极化高效率平板阵列天线及性能调试方法，用以解决现有平板阵列带宽不够宽的问题。

3、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

4、一种宽频带双极化高效率平板阵列天线，其特征在于，包括：

5、天线阵列，包括m×m个天线单元，所述的天线单元为双极化天线，两个极化的第一辐射臂和第二辐射臂分别沿φ＝0°和φ＝90°面正交排布；

6、馈电网络，包括上层空气悬置带线网络和下层空气悬置带线网络，分别给天线单元的两个极化端口馈电；

7、背腔，用于固定天线单元的辐射臂和调节阻抗匹配。

8、本发明进一步的技术方案：所述天线单元还包括介质基板，所述介质基板包括第一介质板、第二介质板，两块介质板之间采用fr-27半固化片粘合；

9、第一介质板的正面设有两个金属环，金属环中心和环内设有金属化过孔；

10、第一介质板的背面设有与中心金属化过孔连接的金属贴片，用于给第一辐射臂耦合馈电；

11、第二介质板的正面设有给第二辐射臂耦合馈电的金属贴片；

12、第二介质板的背面为地板。

13、本发明进一步的技术方案：所述第一辐射臂和第二辐射臂与背腔为一体化加工生成，第一辐射臂和第二辐射臂分别与背腔的四个侧壁连接，顶部高于背腔；第一辐射臂、第二辐射臂和背腔整体的底端固定在介质基板上。

14、本发明进一步的技术方案：所述第一辐射臂和第二辐射臂与介质基板上的金属环中心的金属化过孔相接触的地方开槽防止两者接触。

15、本发明进一步的技术方案：所述的所述第一辐射臂和第二辐射臂为阶梯状。

16、本发明进一步的技术方案：所述上层空气悬置带线网络依次包括上金属盖板、上层馈电网络介质板、中间层金属板；所述上层馈电网络介质板上设有功分网络，功分网络的输出端口与一个金属环中心的金属化过孔连接；上金属盖板、中间层金属板与上层馈电网络介质板对应的部分挖槽避让。

17、本发明进一步的技术方案：所述下层空气悬置带线网络依次包括中间层金属板、下层馈电网络介质板、下金属盖板；所述下层馈电网络介质板上设有功分网络，功分网络的输出端口与另一个金属环中心的金属化过孔连接；中间层金属板、下金属盖板与下层馈电网络介质板对应的部分挖槽避让。

18、本发明进一步的技术方案：所述的功分网络周围使用金属化过孔封闭。

19、一种宽频带双极化高效率平板阵列天线的性能调试方法，其特征在于，包括

20、调节第一辐射臂、第二辐射臂的高度来减小背腔的长宽，从而减小单元间距；使得天线阵列能工作在高频不出现栅瓣；

21、分别调节第一辐射臂、第二辐射臂之间的缝隙来调节阻抗匹配。

22、本发明的有益效果在于：

23、本发明提供的一种宽频带双极化高效率平板阵列天线及性能调试方法，相比于现有技术其优点如下：

24、1、本发明天线金属背腔内部垂直插入阶梯辐射臂的结构，阶梯型辐射臂和背腔结合使天线阵列结构很稳定。

25、2、本发明通过提高辐射臂的高度可以减小了天线单元的尺寸，在不影响辐射性能的前提下可通过增加辐射臂的高度来减小背腔的长宽，从而减小单元间距。使得天线阵列能工作在高频不出现栅瓣。

26、3、本发明天线采用金属和介质板结合的耦合馈电形式，在辐射臂的底部加载介质基板后，通过介质基板内的金属贴片进行非接触式的耦合馈电。相比于常见的直接连接式馈电，非接触式馈电更容易实现，尤其是在阵列规模较大时，避免了部分连接处可能会接触不良的问题，增加了平板阵列的鲁棒性。

27、4、本发明天线阵列和空气悬置带线馈电网络进行一体化设计，既保持了平板阵列的紧凑特性，又拓宽了平板阵列的工作带宽。

28、通过上述技术特征的设计和结合，本发明天线工作带宽达到57.1％。

技术特征：

1.一种宽频带双极化高效率平板阵列天线，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种宽频带双极化高效率平板阵列天线，其特征在于，所述天线单元还包括介质基板，所述介质基板包括第一介质板、第二介质板，两块介质板之间采用fr-27半固化片粘合；

3.根据权利要求2所述的一种宽频带双极化高效率平板阵列天线，其特征在于，所述第一辐射臂和第二辐射臂与背腔为一体化加工生成，第一辐射臂和第二辐射臂分别与背腔的四个侧壁连接，顶部高于背腔；第一辐射臂、第二辐射臂和背腔整体的底端固定在介质基板上。

4.根据权利要求3所述的一种宽频带双极化高效率平板阵列天线，其特征在于，所述第一辐射臂和第二辐射臂与介质基板上的金属环中心的金属化过孔相接触的地方开槽防止两者接触。

5.根据权利要求1所述的一种宽频带双极化高效率平板阵列天线，其特征在于，所述的所述第一辐射臂和第二辐射臂为阶梯状。

6.根据权利要求2所述的一种宽频带双极化高效率平板阵列天线，其特征在于，所述上层空气悬置带线网络依次包括上金属盖板、上层馈电网络介质板、中间层金属板；所述上层馈电网络介质板上设有功分网络，功分网络的输出端口与一个金属环中心的金属化过孔连接；上金属盖板、中间层金属板与上层馈电网络介质板对应的部分挖槽避让。

7.根据权利要求2所述的一种宽频带双极化高效率平板阵列天线，其特征在于，所述下层空气悬置带线网络依次包括中间层金属板、下层馈电网络介质板、下金属盖板；所述下层馈电网络介质板上设有功分网络，功分网络的输出端口与另一个金属环中心的金属化过孔连接；中间层金属板、下金属盖板与下层馈电网络介质板对应的部分挖槽避让。

8.根据权利要求7或8所述的一种宽频带双极化高效率平板阵列天线，其特征在于，所述的功分网络周围使用金属化过孔封闭。

9.一种宽频带双极化高效率平板阵列天线的性能调试方法，其特征在于，包括

技术总结
本发明涉及一种宽频带双极化高效率平板阵列天线及性能调试方法，属于天线技术领域。所述宽频带双极化高效率平板阵列天线包括天线阵列，包括M×M个天线单元，其中天线单元为双极化天线，包括两个极化的分别沿φ＝0°和φ＝90°面正交排布的辐射臂、介质基板；馈电网络，包括上层空气悬置带线网络和下层空气悬置带线网络，分别给天线单元的两个极化端口馈电；背腔，用于固定天线单元的辐射臂和调节阻抗匹配。通过调节辐射臂的高度和缝隙来调节方向图和阻抗匹配。本发明采用的天线阵列和空气悬置带线馈电网络进行一体化设计，既保持了平板阵列的紧凑特性，又拓宽了平板阵列的工作带宽，工作带宽达到57％。

技术研发人员：周世钢,张凌凯,杨宇航,徐超博,李建瀛
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1