本發(fā)明涉及一種小型化收發(fā)共用寬波束覆蓋天線，屬于天線技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著軍事和民用通信技術(shù)的發(fā)展，通信系統(tǒng)的復(fù)雜度及系統(tǒng)性能在不斷提升，用戶在不斷追求系統(tǒng)載荷性能的最大化，這所帶來(lái)的一個(gè)問(wèn)題，就是如何在有限的應(yīng)用平臺(tái)能力下，極大地提升平臺(tái)的利用效率，采用較少或較小的設(shè)備實(shí)現(xiàn)更高，更優(yōu)的系統(tǒng)性能。也即應(yīng)用平臺(tái)對(duì)載荷設(shè)備，尤其是天線的小型化提出了更為苛刻的要求。

另一方面，寬覆蓋和高增益性能一直以來(lái)都是天線研究領(lǐng)域的熱門話題。對(duì)單一的天線而言，寬覆蓋和高增益是對(duì)立的兩個(gè)方面，寬覆蓋即意味著低增益性能。然而，為了實(shí)現(xiàn)寬覆蓋和高增益的兼容，很多新的天線形式被廣泛應(yīng)用，典型的有相控陣天線和多波束波束天線，可在很寬的覆蓋范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的增益性能，但一定程度上增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

對(duì)于機(jī)載無(wú)線通信或測(cè)控系統(tǒng)、室內(nèi)短距離無(wú)線通信系統(tǒng)而言，通常要求在天線俯仰面大角度范圍內(nèi)、方位面全向的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高增益。為了實(shí)現(xiàn)天線俯仰面大角度范圍內(nèi)波束覆蓋，有一種天線設(shè)計(jì)形式通?？梢员豢紤]，就是采用天線波束指向在俯仰面進(jìn)行傾斜，同時(shí)棱臺(tái)頂部的天線覆蓋天線軸向的覆蓋區(qū)域，實(shí)現(xiàn)俯仰面范圍內(nèi)波束覆蓋，覆蓋區(qū)范圍和增益均比較小。還有一種天線雖然覆蓋區(qū)內(nèi)增益較高，但系統(tǒng)復(fù)雜，尺寸大，重量重。所以，針對(duì)小型化、收發(fā)共用、寬覆蓋和高增益的性能需求，以上天線設(shè)計(jì)形式均有其自身限制而不能完全實(shí)現(xiàn)。綜上所述，現(xiàn)有的傳統(tǒng)技術(shù)已不能滿足小型化、寬覆蓋波束(俯仰±70°，方位全向)和高增益(大于5dBi)的天線應(yīng)用需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，采用收發(fā)共用交叉陣列技術(shù)、寬覆蓋波束設(shè)計(jì)技術(shù)和小型化綜合設(shè)計(jì)技術(shù)，提出了一種新型的小型化收發(fā)共用寬波束覆蓋天線，使得在天線尺寸受限情況下，實(shí)現(xiàn)天線的俯仰面寬角度(±70°)與方位面全向范圍內(nèi)的寬波束覆蓋和高增益(大于5dBi)性能。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：一種小型化收發(fā)共用寬波束覆蓋天線，包括：天線輻射體、八棱臺(tái)和八棱柱結(jié)構(gòu)、內(nèi)置收發(fā)組件、底板、射頻連接器、低頻連接器和八棱臺(tái)上蓋板；八棱臺(tái)和八棱柱結(jié)構(gòu)，包括：八棱臺(tái)結(jié)構(gòu)和八棱柱結(jié)構(gòu)，八棱臺(tái)結(jié)構(gòu)位于八棱柱結(jié)構(gòu)上，八棱臺(tái)結(jié)構(gòu)的每個(gè)梯形側(cè)面均開(kāi)有槽體；天線輻射體包括8組收發(fā)天線單元，每組收發(fā)天線單元包括1個(gè)接收天線單元和1個(gè)發(fā)射天線單元；8組收發(fā)天線單元放置在八棱臺(tái)結(jié)構(gòu)側(cè)面的槽體中，并通過(guò)螺釘固定連接在八棱臺(tái)結(jié)構(gòu)的側(cè)面，每組收發(fā)天線單元分布在八棱臺(tái)的一個(gè)梯形側(cè)面上，且八棱臺(tái)結(jié)構(gòu)的相鄰側(cè)面上的收發(fā)天線單元中的接收天線單元和發(fā)射天線單元上下交叉分布，具體如下：八棱臺(tái)結(jié)構(gòu)的相鄰側(cè)面記為側(cè)面1和側(cè)面2，側(cè)面1和側(cè)面2均為梯形，側(cè)面1上的發(fā)射天線單元布置在側(cè)面1靠近梯形短邊的一端，側(cè)面1上的接收單元布置在側(cè)面1靠近梯形長(zhǎng)邊的一端；側(cè)面2上的發(fā)射天線單元布置在側(cè)面2靠近梯形長(zhǎng)邊的一端，側(cè)面2上的接收單元布置在側(cè)面2靠近梯形短邊的一端。八棱臺(tái)上蓋板扣在八棱臺(tái)和八棱柱結(jié)構(gòu)的八棱臺(tái)結(jié)構(gòu)上，八棱臺(tái)上蓋板通過(guò)螺釘連接于八棱臺(tái)和八棱柱結(jié)構(gòu)的八棱臺(tái)結(jié)構(gòu)上；內(nèi)置收發(fā)組件包括接收組件和發(fā)射組件，并通過(guò)螺釘連接固定于底板上；底板和固定于其上的收發(fā)組件整體與八棱臺(tái)和八棱柱結(jié)構(gòu)通過(guò)螺釘連接在一起；射頻連接器和低頻連接器與八棱臺(tái)和八棱柱結(jié)構(gòu)的八棱柱結(jié)構(gòu)通過(guò)螺釘連接；內(nèi)置收發(fā)組件中的發(fā)射組件，接收外部發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)，對(duì)該信號(hào)依次進(jìn)行功分、相移、功率放大后，送至8組收發(fā)天線單元的發(fā)射天線單元，發(fā)射天線單元將信號(hào)輻射到空間；8組收發(fā)天線單元的接收天線單元分別從空間接收信號(hào)，將從空間接收的信號(hào)送至內(nèi)置收發(fā)組件中的接收組件，對(duì)該信號(hào)依次進(jìn)行低噪聲放大、相移、功率合成后，送至外部接收機(jī)。

射頻連接器連接收發(fā)組件和外部接收機(jī)和發(fā)射機(jī)，低頻連接器連接外部控制單元。

所述八棱臺(tái)結(jié)構(gòu)和八棱柱結(jié)構(gòu)為一次成型，八棱柱結(jié)構(gòu)的每個(gè)側(cè)面為矩形，將每個(gè)側(cè)面等分為三部分，每個(gè)部分中間位置設(shè)置一個(gè)通孔；八棱臺(tái)結(jié)構(gòu)包括八個(gè)側(cè)面，每個(gè)側(cè)面為梯形。

八棱臺(tái)結(jié)構(gòu)側(cè)面上的接收天線單元和發(fā)射天線單元，若發(fā)射天線單元為左旋圓極化，則接收天線單元為右旋圓極化，若發(fā)射天線單元為右旋圓極化，則接收天線單元為左旋圓極化，發(fā)射天線單元和接收天線單元均為正方形，邊長(zhǎng)在0.25λ～0.30λ之間；八棱臺(tái)結(jié)構(gòu)每個(gè)梯形側(cè)面上發(fā)射天線單元和接收天線單元的中心之間間距相同，在0.35λ～0.40λ之間；靠近梯形上底的接收天線單元或發(fā)射天線單元中心距離梯形上底在0.25λ～0.28λ之間，λ為接收天線工作頻率對(duì)應(yīng)的自由空間波長(zhǎng)。

八棱臺(tái)結(jié)構(gòu)上相鄰側(cè)面的發(fā)射天線單元或相鄰側(cè)面的接收天線單元組成二元天線陣列，在電性能上形成類橢圓子波束，類橢圓子波束的長(zhǎng)軸方向與八棱臺(tái)結(jié)構(gòu)的梯形側(cè)面的梯形高所在的直線一致，八棱臺(tái)結(jié)構(gòu)的八個(gè)側(cè)面每相鄰兩個(gè)側(cè)面上的發(fā)射天線單元或接收天線單元組成的二元天線陣列形成一個(gè)類橢圓子波束，共形成8個(gè)類橢圓波束，通過(guò)內(nèi)置收發(fā)組件對(duì)四個(gè)接收天線單元或發(fā)射天線單元的固定離散移相，八棱臺(tái)結(jié)構(gòu)的八個(gè)側(cè)面每相鄰兩個(gè)側(cè)面上的發(fā)射天線單元或接收天線單元組成的二元天線陣列形成新的一個(gè)類橢圓子波束，共形成另外新的8個(gè)類橢圓子波束，共16個(gè)類橢圓子波束。這16個(gè)類橢圓子波束覆蓋俯仰±70°覆蓋區(qū)。具體方案為：將俯仰±70°的波束覆蓋區(qū)分割為16個(gè)子覆蓋區(qū)，每個(gè)子覆蓋區(qū)分別對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)的16個(gè)類橢圓子波束。這16個(gè)子覆蓋區(qū)的定義用(u、v)坐標(biāo)表示，分別由6條直線和2個(gè)橢圓分割構(gòu)成，六條直線方程為u＝±v，u＝±0.29和v＝±0.29，兩個(gè)橢圓方程為u²+4v²＝0.883和4u²+v²＝0.883，±70°覆蓋區(qū)邊界圓的方程為u²+v²＝0.883。同時(shí)采用收發(fā)共用交叉陣列設(shè)計(jì)，收發(fā)天線為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，收發(fā)天線結(jié)構(gòu)軸向旋轉(zhuǎn)相差45°。所以通過(guò)簡(jiǎn)單的坐標(biāo)變換，收發(fā)天線具有相同的16波束覆蓋區(qū)設(shè)計(jì)圖。即對(duì)于接收天線：對(duì)于發(fā)射天線：如此，接收天線和發(fā)射天線的16波束覆蓋區(qū)設(shè)計(jì)圖相同。

八棱臺(tái)和八棱柱結(jié)構(gòu)由八棱臺(tái)結(jié)構(gòu)和八棱柱結(jié)構(gòu)組成，八棱柱結(jié)構(gòu)便于將內(nèi)置收發(fā)組件置于八棱臺(tái)和八棱柱結(jié)構(gòu)內(nèi)，八棱臺(tái)和八棱柱的八棱柱結(jié)構(gòu)的外切圓的直徑范圍為φ2.6λ～2.7λ，八棱臺(tái)和八棱柱結(jié)構(gòu)的高度在0.68λ～0.7λ；八棱臺(tái)和八棱柱結(jié)構(gòu)的八棱臺(tái)結(jié)構(gòu)的頂面八邊形的外切圓直徑在φ0.8λ～φ1.0λ之間；八棱臺(tái)結(jié)構(gòu)的高度在0.36λ～0.40λ之間。八棱臺(tái)上蓋板的形狀為八棱臺(tái)的側(cè)面，沒(méi)有上表面和下表面，八棱臺(tái)上蓋板的每個(gè)側(cè)面開(kāi)有兩個(gè)正方形槽孔，所有側(cè)面共開(kāi)有16個(gè)正方形槽孔，當(dāng)八棱臺(tái)上蓋板蓋在八棱臺(tái)和八棱柱結(jié)構(gòu)上，每組收發(fā)天線單元能夠從每個(gè)側(cè)面開(kāi)有兩個(gè)正方形槽孔中全部露出。

所述內(nèi)置收發(fā)組件的接收組件，包括：?jiǎn)蔚端臄S開(kāi)關(guān)1、單刀四擲開(kāi)關(guān)2、低噪聲放大器LNA1、低噪聲放大器LNA2、5bit相移器1、2合1功率合成網(wǎng)絡(luò)；外部控制單元能夠控制單刀四擲開(kāi)關(guān)1在4個(gè)動(dòng)端1、動(dòng)端3、動(dòng)端5、動(dòng)端7之間切換，動(dòng)端1連接接收天線單元1，動(dòng)端3連接接收天線單元3，動(dòng)端5連接接收天線單元5，動(dòng)端7連接接收天線單元7，當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)1的不動(dòng)端與動(dòng)端1形成導(dǎo)通，空間信號(hào)從接收天線單元1接收的信號(hào)進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)1；當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)1的不動(dòng)端與動(dòng)端3形成導(dǎo)通，空間信號(hào)從接收天線單元3接收的信號(hào)進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)1；當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)1的不動(dòng)端與動(dòng)端5形成導(dǎo)通，空間信號(hào)從接收天線單元5接收的信號(hào)進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)1；當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)1的不動(dòng)端與動(dòng)端7形成導(dǎo)通，空間信號(hào)從接收天線單元7接收的信號(hào)進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)1；單刀四擲開(kāi)關(guān)1的不動(dòng)端連接LNA1的輸入，單刀四擲開(kāi)關(guān)1的不動(dòng)端的信號(hào)送至LNA1，LNA1對(duì)該信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大后送至2合1功率合成網(wǎng)絡(luò)；

外部控制單元能夠控制單刀四擲開(kāi)關(guān)2在4個(gè)動(dòng)端2、動(dòng)端4、動(dòng)端6、動(dòng)端8之間切換，動(dòng)端2連接接收天線單元2，動(dòng)端4連接接收天線單元4，動(dòng)端6連接接收天線單元6，動(dòng)端8連接接收天線單元8，當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)2的不動(dòng)端與動(dòng)端2形成導(dǎo)通，空間信號(hào)從接收天線單元2接收的信號(hào)進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)2；當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)2的不動(dòng)端與動(dòng)端4形成導(dǎo)通，空間信號(hào)從接收天線單元4接收的信號(hào)進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)2；當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)2的不動(dòng)端與動(dòng)端6形成導(dǎo)通，空間信號(hào)從接收天線單元6接收的信號(hào)進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)2；當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)2的不動(dòng)端與動(dòng)端8形成導(dǎo)通，空間信號(hào)從接收天線單元2接收的信號(hào)進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)2；

單刀四擲開(kāi)關(guān)2的不動(dòng)端連接LNA2的輸入，單刀四擲開(kāi)關(guān)2的不動(dòng)端的信號(hào)送至LNA2，LNA2對(duì)該信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大后送至相移器1進(jìn)行相移，外部控制單元能夠控制5bit相移器1將LNA2送來(lái)信號(hào)的相位相移到相位1、相位2、相位3、相位4這四種情況后，將相移后的信號(hào)送至2合1功率合成網(wǎng)絡(luò)；2合1功率合成網(wǎng)絡(luò)，將LNA1和5bit相移器1送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行功率合成送至外部接收機(jī)。

所述內(nèi)置收發(fā)組件的發(fā)射組件，包括：?jiǎn)蔚端臄S開(kāi)關(guān)3、單刀四擲開(kāi)關(guān)4、功率放大器SSPA1、功率放大器SSPA2、5bit相移器2、1分2功分網(wǎng)絡(luò)；外部發(fā)射機(jī)送來(lái)的信號(hào)送至1分2功分網(wǎng)絡(luò)，1分2功分網(wǎng)絡(luò)將接收的信號(hào)功分為兩路信號(hào)，第一路信號(hào)送至功率放大器SSPA1，功率放大器SSPA1對(duì)該第一路信號(hào)進(jìn)行功率放大后送至單刀四擲開(kāi)關(guān)3的不動(dòng)端，外部控制單元能夠控制單刀四擲開(kāi)關(guān)3在4個(gè)動(dòng)端1、動(dòng)端3、動(dòng)端5、動(dòng)端7之間切換，動(dòng)端1連接發(fā)射天線單元1，動(dòng)端3連接發(fā)射天線單元3，動(dòng)端5連接發(fā)射天線單元5，動(dòng)端7連接發(fā)射天線單元7，當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)3的不動(dòng)端與動(dòng)端1形成導(dǎo)通，進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)3的信號(hào)從發(fā)射天線單元1發(fā)出；當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)3的不動(dòng)端與動(dòng)端3形成導(dǎo)通，進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)3的信號(hào)從發(fā)射天線單元3發(fā)出；當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)3的不動(dòng)端與動(dòng)端5形成導(dǎo)通，進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)3的信號(hào)從發(fā)射天線單元5發(fā)出；當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)3的不動(dòng)端與動(dòng)端7形成導(dǎo)通，進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)3的信號(hào)從發(fā)射天線單元7發(fā)出；

第二路信號(hào)送至5bit相移器2，外部控制單元能夠控制5bit相移器2將第二路信號(hào)的相位相移到相位1、相位2、相位3、相位4這四種情況后，將相移后的信號(hào)送至功率放大器SSPA2，功率放大器SSPA2對(duì)該第二路信號(hào)進(jìn)行功率放大后送至單刀四擲開(kāi)關(guān)4的不動(dòng)端，外部控制單元能夠控制單刀四擲開(kāi)關(guān)4在4個(gè)動(dòng)端2、動(dòng)端4、動(dòng)端6、動(dòng)端8之間切換，動(dòng)端2連接發(fā)射天線單元2，動(dòng)端4連接發(fā)射天線單元4，動(dòng)端6連接發(fā)射天線單元6，動(dòng)端8連接發(fā)射天線單元8，當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)4的不動(dòng)端與動(dòng)端2形成導(dǎo)通，進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)4的信號(hào)從發(fā)射天線單元2發(fā)出；當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)4的不動(dòng)端與動(dòng)端4形成導(dǎo)通，進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)4的信號(hào)從發(fā)射天線單元4發(fā)出；當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)4的不動(dòng)端與動(dòng)端6形成導(dǎo)通，進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)4的信號(hào)從發(fā)射天線單元6發(fā)出；當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)4的不動(dòng)端與動(dòng)端8形成導(dǎo)通，進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)4的信號(hào)從發(fā)射天線單元8發(fā)出。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果是：

(1)本發(fā)明小型化收發(fā)共用寬波束覆蓋天線能夠在包絡(luò)尺寸為φ2.64λ×0.695λ的小尺寸下，實(shí)現(xiàn)收發(fā)共用、俯仰面±70°與方位面全向的寬覆蓋范圍內(nèi)大于5dBi的增益性能，且收發(fā)波束設(shè)計(jì)相同，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可滿足機(jī)載無(wú)線通信、測(cè)控和室內(nèi)無(wú)線通信系統(tǒng)小型化、寬覆蓋和高增益的應(yīng)用需求。

(2)采用八棱臺(tái)收發(fā)共用交叉陣列設(shè)計(jì)，在天線尺寸受限條件下，采用二元交叉陣列形成的類橢圓波束，實(shí)現(xiàn)寬波束覆蓋所需的單波束性能及在俯仰±70°覆蓋區(qū)內(nèi)5dBi的高增益覆蓋性能，同時(shí)收發(fā)共用交叉陣列設(shè)計(jì)使得收發(fā)天線結(jié)構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，且八棱臺(tái)頂部不需要額外收發(fā)單元，極大減小了收發(fā)波束設(shè)計(jì)的復(fù)雜度；

(3)采用了一種16個(gè)類橢圓波束的寬覆蓋波束設(shè)計(jì)技術(shù)，將俯仰±70°的覆蓋區(qū)進(jìn)行分割優(yōu)化設(shè)計(jì)，分為16個(gè)子覆蓋區(qū)，分別對(duì)應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的16個(gè)類橢圓波束，通過(guò)開(kāi)關(guān)切換和對(duì)四個(gè)特定的收(發(fā))單元的簡(jiǎn)單固定離散移相，實(shí)現(xiàn)要求的俯仰±70°覆蓋區(qū)5dBi的高增益覆蓋，且收發(fā)系統(tǒng)波束設(shè)計(jì)相同，簡(jiǎn)化了收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度，可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)。

(4)采用了小型化綜合設(shè)計(jì)技術(shù)，巧妙地綜合微帶天線單元小型化、交叉陣列布局小型化和八棱臺(tái)內(nèi)置收發(fā)組件小型化等。微帶單元的小型化為收發(fā)共用交叉陣列布局小型化的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，收發(fā)共用交叉陣列布局設(shè)計(jì)是天線小型化實(shí)現(xiàn)的核心與關(guān)鍵，二者相輔相成，不可或缺，最終天線整個(gè)尺寸為Φ2.64λ×0.695λ。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明天線結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2的(a)為八棱臺(tái)上蓋板示意圖，(b)為八棱臺(tái)和八棱柱結(jié)構(gòu)示意圖，(c)為底板示意圖。

圖3為收發(fā)微帶天線單元結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為傳統(tǒng)棱臺(tái)天線±70°范圍5dBi增益覆蓋示意圖；

圖5為棱臺(tái)側(cè)面橫向二元陣5dBi增益覆蓋示意圖；

圖6的(a)為本發(fā)明期望的第一種±70°范圍5dBi增益覆蓋示意圖,(b)為期望的第二種±70°范圍5dBi增益覆蓋示意圖；

圖7為收發(fā)天線單元分布及編號(hào)，正方形為接收天線單元，三角形為發(fā)射天線單元；

圖8(a)為接收組件原理框圖，(b)為發(fā)射組件原理框圖；

圖9為天線寬覆蓋16波束設(shè)計(jì)示意圖；

圖10(a)為接收天線8波束5dBi增益覆蓋圖，(b)為發(fā)射天線8波束5dBi增益覆蓋圖；

圖11(a)為接收天線波束偏移覆蓋設(shè)計(jì)示意圖，(b)為發(fā)射天線波束偏移覆蓋設(shè)計(jì)示意圖；

圖12(a)為接收天線16波束5dBi增益覆蓋圖；(b)為接收天線16波束4dBi增益覆蓋圖；

圖13為發(fā)射天線16波束5dBi增益覆蓋圖；(b)為發(fā)射天線16波束4dBi增益覆蓋圖；

具體實(shí)施方式

本發(fā)明小型化收發(fā)共用寬波束覆蓋天線，如圖1所示，能夠在包絡(luò)尺寸為φ2.64λ×0.695λ的小尺寸下，實(shí)現(xiàn)收發(fā)共用、俯仰±70°寬覆蓋范圍內(nèi)5dBi的增益性能，且收發(fā)波束設(shè)計(jì)相同，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可滿足機(jī)載無(wú)線通信、測(cè)控和室內(nèi)無(wú)線通信系統(tǒng)小型化、寬覆蓋和高增益的應(yīng)用需求。

本發(fā)明的一種小型化收發(fā)共用寬波束覆蓋天線，包括天線輻射體1、八棱臺(tái)和八棱柱結(jié)構(gòu)2、內(nèi)置收發(fā)組件3、底板4、射頻連接器5、低頻連接器6和八棱臺(tái)上蓋板7組成。其中，天線輻射體1包括八個(gè)接收天線單元和八個(gè)發(fā)射天線單元，且每個(gè)棱臺(tái)的側(cè)面有一組收發(fā)單元；八棱臺(tái)和八棱柱結(jié)構(gòu)2為上八棱臺(tái)上和下八棱柱一體結(jié)構(gòu)；內(nèi)置收發(fā)組件3包括接收組件和發(fā)射組件；底板4用于固定內(nèi)置收發(fā)組件3；射頻連接器5包括發(fā)射和接收兩個(gè)，見(jiàn)圖1和圖2(a)、(b)、(c)。

根據(jù)天線設(shè)計(jì)要求，用一個(gè)波束覆蓋俯仰±70°、方位全向范圍內(nèi)且滿足增益大于5dBi的要求是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。用相控陣掃描的方式可以實(shí)現(xiàn)，但系統(tǒng)復(fù)雜，成本過(guò)高。因此，考慮采用空間分組的設(shè)計(jì)方案，其系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本低，即選取合適的輻射單元、排列方式，和適宜的饋電方式，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)空間波束切換，實(shí)現(xiàn)在要求小尺寸下，在俯仰±70°覆蓋范圍內(nèi)滿足增益大于5dBi的要求。

考慮到覆蓋區(qū)域內(nèi)增益要求相同，而邊緣增益實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)困難，因此，將輻射單元排布在棱臺(tái)結(jié)構(gòu)的側(cè)面，以借助棱臺(tái)傾角使天線邊緣增益滿足要求，且按指標(biāo)要求棱臺(tái)底面的對(duì)角線不能超過(guò)2.64λ。

傳統(tǒng)的棱臺(tái)結(jié)構(gòu)形式天線，對(duì)于收發(fā)共用而言，一般輻射單元采用收發(fā)共用輻射單元，可選形式有：厚度較厚的空氣微帶天線、螺旋天線等，其增益約為7～8dBi，3dB寬度在20°～30°左右，但其尺寸較大。由于該天線小型化的設(shè)計(jì)要求，收發(fā)共用輻射單元的應(yīng)用受到限制。

考慮如果采用收發(fā)分開(kāi)的輻射單元，該類單元形式多樣，為了實(shí)現(xiàn)天線小型化，選用高介電常數(shù)的微帶天線和通過(guò)小型化設(shè)計(jì)，可大大減小單元體積，使得單元數(shù)目選取更靈活。

設(shè)計(jì)中優(yōu)選小型化收發(fā)分開(kāi)的高介電常數(shù)微帶天線，能夠解決天線尺寸設(shè)計(jì)受限的問(wèn)題，微帶天線的介質(zhì)基板采用Rogers TMM 10i，介電常數(shù)為9.8，單點(diǎn)饋電，采用四邊刻槽方式實(shí)現(xiàn)圓極化性能，同時(shí)，通過(guò)刻槽可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)天線單元的小型化，見(jiàn)圖3所示。

要求在俯仰±70°的覆蓋區(qū)內(nèi)增益大于5dBi，對(duì)于單個(gè)微帶天線，增益約為6～7dBi，5dBi的波束寬度約在±20°左右，要實(shí)現(xiàn)邊沿的高增益，采用傳統(tǒng)的每個(gè)棱臺(tái)單個(gè)微帶單元實(shí)現(xiàn)特定覆蓋區(qū)5dBi的增益覆蓋，顯然是不可實(shí)現(xiàn)的。圖4所示為采用傳統(tǒng)的每個(gè)棱臺(tái)單個(gè)單元實(shí)現(xiàn)俯仰面±70°，方位面全向范圍內(nèi)5dBi增益覆蓋區(qū)的示意圖。可以看出，這種情況下，必然要求在棱臺(tái)的頂部平面上增加一個(gè)收發(fā)天線單元來(lái)覆蓋天線軸向部分區(qū)域，且9個(gè)波束難以完全實(shí)現(xiàn)±70°范圍5dBi的增益覆蓋。

根據(jù)±70°覆蓋區(qū)內(nèi)增益大于5dBi的要求，提出了采用單波束為類橢圓波束的設(shè)計(jì)思路，類橢圓波束的長(zhǎng)軸沿俯仰方向設(shè)計(jì)。可通過(guò)簡(jiǎn)單的二元陣列實(shí)現(xiàn)，陣列方向波束變窄，而非陣列方向波束變寬，且陣列天線與單個(gè)單元天線相比，增益增加了約3dB。根據(jù)仿真驗(yàn)算，這種類橢圓波束5dBi的波束寬度在兩個(gè)正交方向分別為50°和100°左右，波束寬度100°的方向能有效的解決天線俯仰面±70°的波束覆蓋問(wèn)題。

根據(jù)類橢圓波束覆蓋的設(shè)計(jì)思路，二元天線陣采用沿單個(gè)棱臺(tái)側(cè)面上下排陣方式，使類橢圓波束的長(zhǎng)軸在方位面方向上，能夠覆蓋±70°的覆蓋區(qū)，如圖5所示，這與類橢圓波束的設(shè)計(jì)初衷相悖。

本發(fā)明提出的理想類橢圓波束覆蓋示意圖如圖6(a)和6(b)所示，通過(guò)相鄰棱臺(tái)側(cè)面上的單元組成二元陣列天線實(shí)現(xiàn)所需的單個(gè)類橢圓波束性能，具體實(shí)現(xiàn)為圖6中的(a)或(b)則取決于具體的天線設(shè)計(jì)。通過(guò)合理的二元微帶天線陣優(yōu)化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)微帶天線陣兩個(gè)正交方向波束寬度分別為50°和100°左右，所以采用八棱臺(tái)形成的8波束可基本覆蓋所要求的俯仰±70°的大部分覆蓋范圍，其他未覆蓋部分，由于采用陣列天線設(shè)計(jì)，可以靈活地通過(guò)二元陣部分天線單元離散固定移相實(shí)現(xiàn)波束偏移，進(jìn)行整個(gè)俯仰面±70°、方位面全向范圍內(nèi)區(qū)域的全覆蓋。

采用收發(fā)分開(kāi)的微帶單元實(shí)現(xiàn)該天線收發(fā)共用，需要八棱臺(tái)的每個(gè)側(cè)面都有一組收發(fā)單元。一般的設(shè)計(jì)思路是將尺寸較大的接收天線單元放置在每個(gè)棱臺(tái)梯形側(cè)面空間較大的梯形長(zhǎng)邊一端，而發(fā)射單元放置在每個(gè)棱臺(tái)梯形側(cè)面空間較小的梯形短邊一端。這種設(shè)計(jì)看似合理，但前提是八棱臺(tái)尺寸足夠大，使得二元微帶陣列之間的陣元間距足夠，可滿足設(shè)計(jì)要求天線陣列增益及波束寬度要求。由于本發(fā)明天線尺寸限制，靠近八棱臺(tái)梯形側(cè)面長(zhǎng)邊一端的二元陣陣列增益和波束寬度可滿足設(shè)計(jì)要求，但靠近棱臺(tái)梯形側(cè)面短邊一端的二元陣列，由于陣元間距太小，導(dǎo)致陣列增益不夠，且5dBi的波束寬度不滿足設(shè)計(jì)要求。

本發(fā)明中，在不增加棱臺(tái)尺寸的情況下，巧妙地提出了一種收發(fā)單元交叉陣列設(shè)計(jì)技術(shù)，將接收、發(fā)射天線單元分別交叉布置在八棱臺(tái)每個(gè)梯形側(cè)面上。在相鄰棱臺(tái)梯形側(cè)面上，上下交叉位置處為相同的發(fā)射或接收單元，即相鄰梯形側(cè)面上相同天線單元(發(fā)射天線單元或接收天線單元)分別在梯形側(cè)面的靠近梯形短邊一端和長(zhǎng)邊的一端。例如：八棱臺(tái)結(jié)構(gòu)的相鄰側(cè)面記為側(cè)面1和側(cè)面2，側(cè)面1和側(cè)面2均為梯形，側(cè)面1上的發(fā)射天線單元布置在側(cè)面1靠近梯形短邊的一端，側(cè)面1上的接收單元布置在側(cè)面1靠近梯形長(zhǎng)邊的一端；側(cè)面2上的發(fā)射天線單元布置在側(cè)面2靠近梯形長(zhǎng)邊的一端，側(cè)面2上的接收單元布置在側(cè)面2靠近梯形短邊的一端，如圖7所示。如此，無(wú)論發(fā)射單元之間或接收單元之間的間距均相等，且該間距可滿足所要求的陣列增益和波束寬度，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了天線整體小型化。

另外，本發(fā)明采用的這種收發(fā)單元交叉陣列設(shè)計(jì)技術(shù)，收發(fā)天線結(jié)構(gòu)一致，且具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，發(fā)射天線或接收天線繞Z軸旋轉(zhuǎn)45°，可得到一致結(jié)構(gòu)的接收天線或發(fā)射天線。因此，收發(fā)天線具有相似的輻射覆蓋特性，發(fā)射或接收天線輻射的波束只要繞Z軸旋轉(zhuǎn)45°，可得到相似于接收或發(fā)射天線的輻射波束特性。這對(duì)于后面的系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有很大的優(yōu)勢(shì)，大大減小了收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和波束設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，即通過(guò)坐標(biāo)變換，可實(shí)現(xiàn)收發(fā)天線的波束設(shè)計(jì)相同。

采用收發(fā)共用交叉陣列設(shè)計(jì)，不需要在棱臺(tái)頂部平面上的放置天線單元，交叉二元陣列形成的類橢圓波束可覆蓋天線軸向區(qū)域。同時(shí)，沒(méi)有頂部天線單元，所有側(cè)面單元均呈現(xiàn)完全的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，所有后端的收發(fā)組件設(shè)計(jì)可采用相同的設(shè)計(jì)方式，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單。

提出的采用類橢圓波束覆蓋設(shè)計(jì)思路很好地解決了普通棱臺(tái)結(jié)構(gòu)天線寬波束覆蓋范圍增益受限問(wèn)題。類橢圓波束兩個(gè)正交方向5dBi波束寬度分別為50°和100°左右。類橢圓波束橢圓長(zhǎng)軸(波束寬度100°方向)覆蓋俯仰方向±70°范圍。由于方位面單波束寬度為50°左右，所以采用八棱臺(tái)形成的8波束可基本覆蓋所要求的俯仰±70°的大部分覆蓋范圍，如圖6(a)、(b)所示。

為了實(shí)現(xiàn)±70°范圍內(nèi)5dBi的覆蓋，需要通過(guò)電子開(kāi)關(guān)選擇不同的單元工作，從而實(shí)現(xiàn)波束切換，實(shí)現(xiàn)所要的高增益覆蓋性能。

通過(guò)對(duì)微帶天線單元和兩兩相鄰的交叉二元陣列天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括在棱臺(tái)包絡(luò)限制條件下對(duì)棱臺(tái)傾角的設(shè)計(jì)(關(guān)系到波束覆蓋性能)、單元在棱臺(tái)側(cè)面的布局位置及二元陣單元間距的設(shè)計(jì)、二元陣饋電相位的優(yōu)化設(shè)計(jì)等，最終收發(fā)各8單元相鄰兩兩單元的二元交叉陣列設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)如圖6(b)的收發(fā)各8個(gè)類橢圓波束覆蓋特性。

8波束覆蓋圖顯示，8個(gè)類橢圓波束基本覆蓋了±70°大部分區(qū)域，而邊緣部分區(qū)域不能完全覆蓋。為了解決這些邊緣區(qū)域的覆蓋，本發(fā)明采用了改變陣列饋電相位可實(shí)現(xiàn)波束偏移的設(shè)計(jì)思路，即通過(guò)部分單元(與移相器連接的收發(fā)各4個(gè)單元)的簡(jiǎn)單離散移相使對(duì)應(yīng)的8個(gè)波束分別向所需的方向偏移，進(jìn)而對(duì)8個(gè)類橢圓波束未覆蓋的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充覆蓋，共形成16個(gè)類橢圓子波束。

根據(jù)以上內(nèi)容，設(shè)計(jì)的天線收、發(fā)系統(tǒng)最終原理框圖如圖8(a)、8(b)所示。發(fā)射信號(hào)通過(guò)一個(gè)1分為2功分網(wǎng)絡(luò)后，其中一路信號(hào)經(jīng)過(guò)移相器再通過(guò)SSPA放大，另一路直接通過(guò)SSPA放大后，這兩路信號(hào)通過(guò)波束選擇開(kāi)關(guān)(單刀四擲開(kāi)關(guān))輸入到需要的輻射單元輻射出去。接收信號(hào)通過(guò)LNA放大后，通過(guò)調(diào)整移相器的輸出相位，將需要接收信號(hào)的天線接收單元收到的電磁波信號(hào)通過(guò)功率合成器合成后送入接收機(jī)。

具體對(duì)于內(nèi)置收發(fā)組件中的接收組件，包括：?jiǎn)蔚端臄S開(kāi)關(guān)1、單刀四擲開(kāi)關(guān)2、低噪聲放大器LNA1、低噪聲放大器LNA2、5bit相移器1、2合1功率合成網(wǎng)絡(luò)；外部控制單元能夠控制單刀四擲開(kāi)關(guān)1在4個(gè)動(dòng)端1、動(dòng)端3、動(dòng)端5、動(dòng)端7之間切換，動(dòng)端1連接接收天線單元1，動(dòng)端3連接接收天線單元3，動(dòng)端5連接接收天線單元5，動(dòng)端7連接接收天線單元7，當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)1的不動(dòng)端與動(dòng)端1形成導(dǎo)通，空間信號(hào)從接收天線單元1接收的信號(hào)進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)1；當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)1的不動(dòng)端與動(dòng)端3形成導(dǎo)通，空間信號(hào)從接收天線單元3接收的信號(hào)進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)1；當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)1的不動(dòng)端與動(dòng)端5形成導(dǎo)通，空間信號(hào)從接收天線單元5接收的信號(hào)進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)1；當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)1的不動(dòng)端與動(dòng)端7形成導(dǎo)通，空間信號(hào)從接收天線單元7接收的信號(hào)進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)1；單刀四擲開(kāi)關(guān)1的不動(dòng)端連接LNA1的輸入，單刀四擲開(kāi)關(guān)1的不動(dòng)端的信號(hào)送至LNA1，LNA1對(duì)該信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大后送至2合1功率合成網(wǎng)絡(luò)。

外部控制單元能夠控制單刀四擲開(kāi)關(guān)2在4個(gè)動(dòng)端2、動(dòng)端4、動(dòng)端6、動(dòng)端8之間切換，動(dòng)端2連接接收天線單元2，動(dòng)端4連接接收天線單元4，動(dòng)端6連接接收天線單元6，動(dòng)端8連接接收天線單元8，當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)2的不動(dòng)端與動(dòng)端2形成導(dǎo)通，空間信號(hào)從接收天線單元2接收的信號(hào)進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)2；當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)2的不動(dòng)端與動(dòng)端4形成導(dǎo)通，空間信號(hào)從接收天線單元4接收的信號(hào)進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)2；當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)2的不動(dòng)端與動(dòng)端6形成導(dǎo)通，空間信號(hào)從接收天線單元6接收的信號(hào)進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)2；當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)2的不動(dòng)端與動(dòng)端8形成導(dǎo)通，空間信號(hào)從接收天線單元2接收的信號(hào)進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)2。

單刀四擲開(kāi)關(guān)2的不動(dòng)端連接LNA2的輸入，單刀四擲開(kāi)關(guān)2的不動(dòng)端的信號(hào)送至LNA2，LNA2對(duì)該信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大后送至相移器1進(jìn)行相移，外部控制單元能夠控制5bit相移器1將LNA2送來(lái)信號(hào)的相位相移到相位1、相位2、相位3、相位4這四種情況后，將相移后的信號(hào)送至2合1功率合成網(wǎng)絡(luò)；2合1功率合成網(wǎng)絡(luò)，將LNA1和5bit相移器1送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行功率合成送至外部接收機(jī)。

對(duì)于內(nèi)置收發(fā)組件中的發(fā)射組件，包括：?jiǎn)蔚端臄S開(kāi)關(guān)3、單刀四擲開(kāi)關(guān)4、功率放大器SSPA1、功率放大器SSPA2、5bit相移器2、1分2功分網(wǎng)絡(luò)；外部發(fā)射機(jī)送來(lái)的信號(hào)送至1分2功分網(wǎng)絡(luò)，1分2功分網(wǎng)絡(luò)將接收的信號(hào)功分為兩路信號(hào)，第一路信號(hào)送至功率放大器SSPA1，功率放大器SSPA1對(duì)該第一路信號(hào)進(jìn)行功率放大后送至單刀四擲開(kāi)關(guān)3的不動(dòng)端，外部控制單元能夠控制單刀四擲開(kāi)關(guān)3在4個(gè)動(dòng)端1、動(dòng)端3、動(dòng)端5、動(dòng)端7之間切換，動(dòng)端1連接發(fā)射天線單元1，動(dòng)端3連接發(fā)射天線單元3，動(dòng)端5連接發(fā)射天線單元5，動(dòng)端7連接發(fā)射天線單元7，當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)3的不動(dòng)端與動(dòng)端1形成導(dǎo)通，進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)3的信號(hào)從發(fā)射天線單元1發(fā)出；當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)3的不動(dòng)端與動(dòng)端3形成導(dǎo)通，進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)3的信號(hào)從發(fā)射天線單元3發(fā)出；當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)3的不動(dòng)端與動(dòng)端5形成導(dǎo)通，進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)3的信號(hào)從發(fā)射天線單元5發(fā)出；當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)3的不動(dòng)端與動(dòng)端7形成導(dǎo)通，進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)3的信號(hào)從發(fā)射天線單元7發(fā)出；

第二路信號(hào)送至5bit相移器2，外部控制單元能夠控制5bit相移器2將第二路信號(hào)的相位相移到相位1、相位2、相位3、相位4這四種情況后，將相移后的信號(hào)送至功率放大器SSPA2，功率放大器SSPA2對(duì)該第二路信號(hào)進(jìn)行功率放大后送至單刀四擲開(kāi)關(guān)4的不動(dòng)端，外部控制單元能夠控制單刀四擲開(kāi)關(guān)4在4個(gè)動(dòng)端2、動(dòng)端4、動(dòng)端6、動(dòng)端8之間切換，動(dòng)端2連接發(fā)射天線單元2，動(dòng)端4連接發(fā)射天線單元4，動(dòng)端6連接發(fā)射天線單元6，動(dòng)端8連接發(fā)射天線單元8，當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)4的不動(dòng)端與動(dòng)端2形成導(dǎo)通，進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)4的信號(hào)從發(fā)射天線單元2發(fā)出；當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)4的不動(dòng)端與動(dòng)端4形成導(dǎo)通，進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)4的信號(hào)從發(fā)射天線單元4發(fā)出；當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)4的不動(dòng)端與動(dòng)端6形成導(dǎo)通，進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)4的信號(hào)從發(fā)射天線單元6發(fā)出；當(dāng)單刀四擲開(kāi)關(guān)4的不動(dòng)端與動(dòng)端8形成導(dǎo)通，進(jìn)入單刀四擲開(kāi)關(guān)4的信號(hào)從發(fā)射天線單元8發(fā)出。

不管是發(fā)射還是接收，同時(shí)都有兩個(gè)單元工作，波束切換時(shí)，只改變其中一個(gè)單刀四擲開(kāi)關(guān)的通斷狀態(tài)，如表1所示，共用8個(gè)工作狀態(tài)，每一個(gè)狀態(tài)均有兩個(gè)發(fā)射或接收單元同時(shí)工作。

表1單刀四擲開(kāi)關(guān)通斷狀態(tài)表

結(jié)合對(duì)微帶天線單元和交叉二元陣列天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在俯仰±70°的覆蓋區(qū)內(nèi)進(jìn)行波束覆蓋策略設(shè)計(jì)，綜合交叉陣列設(shè)計(jì)結(jié)果和收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將俯仰±70°的波束覆蓋范圍分割為16個(gè)子覆蓋區(qū)，每個(gè)子覆蓋區(qū)分別對(duì)應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的16個(gè)類橢圓波束。這16個(gè)子覆蓋區(qū)的定義用(u、v)坐標(biāo)表示，分別由6條直線和2個(gè)橢圓分割構(gòu)成，六條直線方程為u＝±v，u＝±0.29和v＝±0.29，兩個(gè)橢圓方程為u²+4v²＝0.883和4u²+v²＝0.883，±70°覆蓋區(qū)邊界圓的方程為u²+v²＝0.883，見(jiàn)圖9和表2。由于采用收發(fā)共用交叉陣列設(shè)計(jì)，收發(fā)天線為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，收發(fā)天線結(jié)構(gòu)軸向旋轉(zhuǎn)相差45°。所以通過(guò)簡(jiǎn)單的坐標(biāo)變換，收發(fā)天線具有相同的16波束設(shè)計(jì)圖。根據(jù)圖7的天線布局，對(duì)于接收天線：則對(duì)于發(fā)射天線：收發(fā)天線16波束設(shè)計(jì)圖相同，即圖9所示。

每個(gè)波束通過(guò)單刀四擲開(kāi)關(guān)和移相器唯一定義。每個(gè)波束對(duì)應(yīng)的單刀四擲開(kāi)關(guān)切換狀態(tài)見(jiàn)表3和表4。波束1～波束16在切換過(guò)程中，需要改變移相器的輸出相位，且僅需對(duì)與單刀四擲開(kāi)關(guān)連接的偶數(shù)編號(hào)單元進(jìn)行簡(jiǎn)單離散移相，移相相位由設(shè)計(jì)的二元交叉陣列的類橢圓波束覆蓋情況具體確定。例如：對(duì)于接收天線，如表3所示，波束1工作時(shí)，單刀四擲開(kāi)關(guān)1和2通過(guò)外部控制單元分別選擇接收天線單元1和2，以接收天線單元1的相位為參考零相位，通過(guò)移相器1進(jìn)行移相，實(shí)現(xiàn)接收天線單元2的相位值為相位1。其他情況以此類推。

根據(jù)波束設(shè)計(jì)估算，移相器精度要求為22.5°，即需要5bit移相器。

表2波束設(shè)計(jì)表

表3波束與開(kāi)關(guān)切換狀態(tài)及移相器狀態(tài)對(duì)應(yīng)表(接收天線)

表4波束與開(kāi)關(guān)切換狀態(tài)及移相器狀態(tài)對(duì)應(yīng)表(發(fā)射天線)

根據(jù)以上16波束設(shè)計(jì)，包括16波束的定義及波束切換設(shè)計(jì)，通過(guò)天線整體性能優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的16個(gè)類子橢圓波束分別覆蓋圖9所示的±70°覆蓋區(qū)內(nèi)所優(yōu)化設(shè)計(jì)的16個(gè)子覆蓋區(qū)，類橢圓子波束1覆蓋子覆蓋區(qū)1，類橢圓子波束2覆蓋子覆蓋區(qū)2，以此類推，即可實(shí)現(xiàn)小型化寬波束覆蓋(俯仰面±70°)高增益(大于5dBi)天線。

本發(fā)明的設(shè)計(jì)核心在于小尺寸下的寬波束覆蓋高增益設(shè)計(jì)，其關(guān)鍵設(shè)計(jì)特征為：小型化、寬波束覆蓋和高增益，這也是該設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。小型化綜合設(shè)計(jì)為該發(fā)明的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，包括微帶天線單元的小型化、交叉布局設(shè)計(jì)的小型化、八棱臺(tái)可內(nèi)置收發(fā)組件的小型化。

收發(fā)微帶天線單元的小型化設(shè)計(jì)，采用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板和在輻射體上刻槽實(shí)現(xiàn)了微帶天線單元的小型化，同時(shí)，刻槽的另一個(gè)主要作用是實(shí)現(xiàn)天線的圓極化性能。單元的小型化設(shè)計(jì)使得微帶單元布陣時(shí)不會(huì)造成單元之間結(jié)構(gòu)上的干涉，且同時(shí)能夠滿足8棱臺(tái)的側(cè)面尺寸要求，使得收發(fā)共用交叉陣列技術(shù)的提出和使用成為可能。

收發(fā)共用交叉陣列技術(shù)是本天線設(shè)計(jì)的核心技術(shù)之一，是天線小型化實(shí)現(xiàn)的核心與關(guān)鍵，它使得小空間內(nèi)的大距離實(shí)現(xiàn)成為可能。使得在滿足天線性能的前提下，大大地縮小了整個(gè)天線的包絡(luò)尺寸；同時(shí)收發(fā)共用交叉陣列設(shè)計(jì)使收發(fā)天線具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的相似結(jié)構(gòu)，且棱臺(tái)頂部不需要額外收發(fā)單元，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

另外，八棱臺(tái)和八棱柱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，不僅實(shí)現(xiàn)了16個(gè)類橢圓波束高增益寬覆蓋的性能，且能有效集成天線后端的收發(fā)組件，使整個(gè)天線成為一個(gè)模塊化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了天線系統(tǒng)整體的小型化。

實(shí)施例：

如圖1和圖2(a)、(b)、(c)所示，小型化收發(fā)共用寬波束覆蓋天線由天線輻射體1、八棱臺(tái)和八棱柱結(jié)構(gòu)2、內(nèi)置收發(fā)組件3、底板4、射頻連接器5、低頻連接器6和八棱臺(tái)上蓋板7組成。為了實(shí)現(xiàn)小型化，收發(fā)微帶天線單元采用高介電常數(shù)介質(zhì)基板，采用Rogers TMM 10i板材，介電常數(shù)為9.8，厚度為0.035λ，單點(diǎn)饋電；采用四邊刻槽方式實(shí)現(xiàn)圓極化性能的同時(shí)，刻槽進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)天線單元的小型化。通過(guò)商用軟件HFSS v15對(duì)天線單元進(jìn)行優(yōu)化仿真，完成收發(fā)天線單元的設(shè)計(jì)(單元增益約為6～7dBi，5dBi的波束寬度約為±20°左右，軸向軸比小于1.5dB，駐波比小于1.3)。接收天線單元和發(fā)射天線單元分別為左旋和右旋圓極化，單元尺寸約為0.3λ，λ為接收天線工作頻率對(duì)應(yīng)的自由空間波長(zhǎng)。

采用收發(fā)單元交叉陣列設(shè)計(jì)，將接收、發(fā)射天線單元分別交叉布置在八棱臺(tái)和八棱柱結(jié)構(gòu)2的每個(gè)梯形側(cè)面上。在相鄰棱臺(tái)梯形側(cè)面上，上下交叉位置處為相同的發(fā)射或接收單元(如圖7)，且每個(gè)梯形側(cè)面上收發(fā)單元中心之間間距相同。由于整個(gè)天線具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，為了提高設(shè)計(jì)效率，可建模部分天線結(jié)構(gòu)(比如八棱臺(tái)兩個(gè)梯形側(cè)面結(jié)構(gòu)、兩個(gè)發(fā)射天線或兩個(gè)接收天線)進(jìn)行棱臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在要求的包絡(luò)尺寸下，調(diào)整棱臺(tái)傾角、天線單元在棱臺(tái)梯形側(cè)面的位置及間距和陣列單元的饋電相位，使得二元交叉陣列所形成的類橢圓波束兩個(gè)正交方向波束寬度分別為50°和100°左右，且滿足圖6(b)所示的類橢圓波束覆蓋情況。通過(guò)HFSS v15優(yōu)化，每個(gè)梯形側(cè)面上收發(fā)單元中心之間間距為0.375λ，靠近梯形上底的天線單元距離梯形上底均為0.264λ，八棱臺(tái)和八棱柱結(jié)構(gòu)2的頂面八邊形的外切圓直徑為φ0.90λ，底面八邊形的外切圓直徑為φ2.64λ；八棱臺(tái)高度為0.382λ，根據(jù)設(shè)計(jì)總高度的要求，八棱柱高度為0.313λ。接收天線單元的相位1和相位2分別為0°和-45°，見(jiàn)表3所示，發(fā)射天線單元的相位1和相位2分別為-45°和45°，見(jiàn)表4所示。接收和發(fā)射發(fā)天線的8波束覆蓋性能如圖10(a)和(b)所示，覆蓋了優(yōu)化設(shè)計(jì)的16個(gè)子覆蓋區(qū)(表2和圖9)中的1～8波束，且接收天線和發(fā)射天線16波束子覆蓋區(qū)設(shè)計(jì)相同。

然后，通過(guò)HFSS v15優(yōu)化與移相器連接的偶數(shù)單元(見(jiàn)圖8(a)、(b)為所示為收發(fā)系統(tǒng)原理框圖和表1)的饋電相位，使對(duì)應(yīng)的8個(gè)波束分別向所需的方向偏移(如圖11(a)和(b)所示)，實(shí)現(xiàn)對(duì)原8個(gè)類橢圓波束未覆蓋的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充覆蓋，最終形成16個(gè)類橢圓波束對(duì)應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的16個(gè)子覆蓋區(qū)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)俯仰±70°區(qū)域的全覆蓋。偏移的8個(gè)類橢圓波束的相位即表3和表4中的相位3和相位4，優(yōu)化得到表3中接收天線單元的相位3和相位4分別為-90°和-135°，表4中發(fā)射天線單元的相位3和相位4分別為-135°和-90°。接收天線和發(fā)射天線通過(guò)移相器改變陣列饋電相位后實(shí)現(xiàn)波束偏移示意圖見(jiàn)圖11(a)和(b)所示。接收和發(fā)射天線16個(gè)類橢圓子波束的5dBi增益覆蓋圖和4dBi增益圖(考慮到系統(tǒng)損耗0.6dB，覆蓋圖給出了5.6dB和4.6dB的設(shè)計(jì)結(jié)果)如圖12(a)和(b)、圖13(a)和(b)所示?？梢钥闯觯?5％以上覆蓋區(qū)大于5dBi和98％以上覆蓋區(qū)大于4dBi(考慮到系統(tǒng)損耗0.6dB，覆蓋圖給出了5.6dB和4.6dB的設(shè)計(jì)結(jié)果)。

圖1中射頻連接器6優(yōu)選采用國(guó)營(yíng)853廠產(chǎn)品，型號(hào)為SMA-KFK-6；每個(gè)收發(fā)微帶單元后連接的射頻連接器型號(hào)為SMA-KFD424；低頻接頭型號(hào)為J559；天線輻射體1、內(nèi)置收發(fā)組件3和射頻連接器6之間的射頻連接通過(guò)射頻電纜連接。

本發(fā)明的小型化收發(fā)共用寬波束覆蓋天線能夠在小尺寸下，實(shí)現(xiàn)收發(fā)共用、俯仰面±70°、方位面全向的寬覆蓋范圍內(nèi)5dBi的增益性能，且收發(fā)波束設(shè)計(jì)相同，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可滿足機(jī)載無(wú)線通信、測(cè)控和室內(nèi)無(wú)線通信系統(tǒng)小型化、寬覆蓋和高增益的應(yīng)用需求。

本發(fā)明小型化收發(fā)共用寬波束覆蓋天線可以應(yīng)用到多種寬覆蓋通信系統(tǒng)中，特別是推動(dòng)和開(kāi)拓了相關(guān)應(yīng)用，對(duì)于應(yīng)用相近、指標(biāo)類似的其它天線的設(shè)計(jì)，具有借鑒意義。

本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中其他未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。