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，這所帶來的一個問題，就是如何在有限的應用平臺能力下，極大地提升平臺的利用效率，采用較少或較小的設(shè)備實現(xiàn)更高，更優(yōu)的系統(tǒng)性能。也即應用平臺對載荷設(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都是天線研究領(lǐng)域的熱門話題。對單一的天線而言，寬覆蓋和高增益是對立的兩個方面，寬覆蓋即意味著低增益性能。然而，為了實現(xiàn)寬覆蓋和高增益的兼容，很多新的天線形式被廣泛應用，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)實現(xiàn)較高的增益性能，但一定程度上增加了系統(tǒng)的復雜度。

對于機載無線通信或測控系統(tǒng)、室內(nèi)短距離無線通信系統(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)實現(xiàn)較高增益。為了實現(xiàn)天線俯仰面大角度范圍內(nèi)波束覆蓋，有一種天線設(shè)計形式通?？梢员豢紤]，就是采用天線波束指向在俯仰面進行傾斜，同時棱臺頂部的天線覆蓋天線軸向的覆蓋區(qū)域，實現(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)復雜，尺寸大，重量重。所以，針對小型化、收發(fā)共用、寬覆蓋和高增益的性能需求，以上天線設(shè)計形式均有其自身限制而不能完全實現(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)的天線應用需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題：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)計技術(shù)和小型化綜合設(shè)計技術(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上蓋板；八棱臺和八棱柱結(jié)構(gòu)，包括：八棱臺結(jié)構(gòu)和八棱柱結(jié)構(gòu)，八棱臺結(jié)構(gòu)位于八棱柱結(jié)構(gòu)上，八棱臺結(jié)構(gòu)的每個梯形側(cè)面均開有槽體；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個接收天線單元和1個發(fā)射天線單元；8組收發(fā)天線單元放置在八棱臺結(jié)構(gòu)側(cè)面的槽體中，并通過螺釘固定連接在八棱臺結(jié)構(gòu)的側(cè)面，每組收發(fā)天線單元分布在八棱臺的一個梯形側(cè)面上，且八棱臺結(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。八棱臺上蓋板扣在八棱臺和八棱柱結(jié)構(gòu)的八棱臺結(jié)構(gòu)上，八棱臺上蓋板通過螺釘連接于八棱臺和八棱柱結(jié)構(gòu)的八棱臺結(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)組件整體與八棱臺和八棱柱結(jié)構(gòu)通過螺釘連接在一起；射頻連接器和低頻連接器與八棱臺和八棱柱結(jié)構(gòu)的八棱柱結(jié)構(gòu)通過螺釘連接；內(nèi)置收發(fā)組件中的發(fā)射組件，接收外部發(fā)射機發(fā)射的信號，對該信號依次進行功分、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，將從空間接收的信號送至內(nèi)置收發(fā)組件中的接收組件，對該信號依次進行低噪聲放大、相移、功率合成后，送至外部接收機。

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

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

八棱臺結(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，邊長在0.25λ～0.30λ之間；八棱臺結(jié)構(gòu)每個梯形側(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應的自由空間波長。

八棱臺結(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，類橢圓子波束的長軸方向與八棱臺結(jié)構(gòu)的梯形側(cè)面的梯形高所在的直線一致，八棱臺結(jié)構(gòu)的八個側(cè)面每相鄰兩個側(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類橢圓子波束，共形成8個類橢圓波束，通過內(nèi)置收發(fā)組件對四個接收天線單元或發(fā)射天線單元的固定離散移相，八棱臺結(jié)構(gòu)的八個側(cè)面每相鄰兩個側(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類橢圓子波束，共形成另外新的8個類橢圓子波束，共16個類橢圓子波束。這16個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個子覆蓋區(qū)，每個子覆蓋區(qū)分別對應設(shè)計的16個類橢圓子波束。這16個子覆蓋區(qū)的定義用(u、v)坐標表示，分別由6條直線和2個橢圓分割構(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。同時采用收發(fā)共用交叉陣列設(shè)計，收發(fā)天線為旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，收發(fā)天線結(jié)構(gòu)軸向旋轉(zhuǎn)相差45°。所以通過簡單的坐標變換，收發(fā)天線具有相同的16波束覆蓋區(qū)設(shè)計圖。即對于接收天線：對于發(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)計圖相同。

八棱臺和八棱柱結(jié)構(gòu)由八棱臺結(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)組件置于八棱臺和八棱柱結(jié)構(gòu)內(nèi)，八棱臺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，八棱臺和八棱柱結(jié)構(gòu)的高度在0.68λ～0.7λ；八棱臺和八棱柱結(jié)構(gòu)的八棱臺結(jié)構(gòu)的頂面八邊形的外切圓直徑在φ0.8λ～φ1.0λ之間；八棱臺結(jié)構(gòu)的高度在0.36λ～0.40λ之間。八棱臺上蓋板的形狀為八棱臺的側(cè)面，沒有上表面和下表面，八棱臺上蓋板的每個側(cè)面開有兩個正方形槽孔，所有側(cè)面共開有16個正方形槽孔，當八棱臺上蓋板蓋在八棱臺和八棱柱結(jié)構(gòu)上，每組收發(fā)天線單元能夠從每個側(cè)面開有兩個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：單刀四擲開關(guān)1、單刀四擲開關(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；外部控制單元能夠控制單刀四擲開關(guān)1在4個動端1、動端3、動端5、動端7之間切換，動端1連接接收天線單元1，動端3連接接收天線單元3，動端5連接接收天線單元5，動端7連接接收天線單元7，當單刀四擲開關(guān)1的不動端與動端1形成導通，空間信號從接收天線單元1接收的信號進入單刀四擲開關(guān)1；當單刀四擲開關(guān)1的不動端與動端3形成導通，空間信號從接收天線單元3接收的信號進入單刀四擲開關(guān)1；當單刀四擲開關(guān)1的不動端與動端5形成導通，空間信號從接收天線單元5接收的信號進入單刀四擲開關(guān)1；當單刀四擲開關(guān)1的不動端與動端7形成導通，空間信號從接收天線單元7接收的信號進入單刀四擲開關(guān)1；單刀四擲開關(guān)1的不動端連接LNA1的輸入，單刀四擲開關(guān)1的不動端的信號送至LNA1，LNA1對該信號進行低噪聲放大后送至2合1功率合成網(wǎng)絡；

外部控制單元能夠控制單刀四擲開關(guān)2在4個動端2、動端4、動端6、動端8之間切換，動端2連接接收天線單元2，動端4連接接收天線單元4，動端6連接接收天線單元6，動端8連接接收天線單元8，當單刀四擲開關(guān)2的不動端與動端2形成導通，空間信號從接收天線單元2接收的信號進入單刀四擲開關(guān)2；當單刀四擲開關(guān)2的不動端與動端4形成導通，空間信號從接收天線單元4接收的信號進入單刀四擲開關(guān)2；當單刀四擲開關(guān)2的不動端與動端6形成導通，空間信號從接收天線單元6接收的信號進入單刀四擲開關(guān)2；當單刀四擲開關(guān)2的不動端與動端8形成導通，空間信號從接收天線單元2接收的信號進入單刀四擲開關(guān)2；

單刀四擲開關(guān)2的不動端連接LNA2的輸入，單刀四擲開關(guān)2的不動端的信號送至LNA2，LNA2對該信號進行低噪聲放大后送至相移器1進行相移，外部控制單元能夠控制5bit相移器1將LNA2送來信號的相位相移到相位1、相位2、相位3、相位4這四種情況后，將相移后的信號送至2合1功率合成網(wǎng)絡；2合1功率合成網(wǎng)絡，將LNA1和5bit相移器1送來的信號進行功率合成送至外部接收機。

所述內(nèi)置收發(fā)組件的發(fā)射組件，包括：單刀四擲開關(guān)3、單刀四擲開關(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；外部發(fā)射機送來的信號送至1分2功分網(wǎng)絡，1分2功分網(wǎng)絡將接收的信號功分為兩路信號，第一路信號送至功率放大器SSPA1，功率放大器SSPA1對該第一路信號進行功率放大后送至單刀四擲開關(guān)3的不動端，外部控制單元能夠控制單刀四擲開關(guān)3在4個動端1、動端3、動端5、動端7之間切換，動端1連接發(fā)射天線單元1，動端3連接發(fā)射天線單元3，動端5連接發(fā)射天線單元5，動端7連接發(fā)射天線單元7，當單刀四擲開關(guān)3的不動端與動端1形成導通，進入單刀四擲開關(guān)3的信號從發(fā)射天線單元1發(fā)出；當單刀四擲開關(guān)3的不動端與動端3形成導通，進入單刀四擲開關(guān)3的信號從發(fā)射天線單元3發(fā)出；當單刀四擲開關(guān)3的不動端與動端5形成導通，進入單刀四擲開關(guān)3的信號從發(fā)射天線單元5發(fā)出；當單刀四擲開關(guān)3的不動端與動端7形成導通，進入單刀四擲開關(guān)3的信號從發(fā)射天線單元7發(fā)出；

第二路信號送至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，將相移后的信號送至功率放大器SSPA2，功率放大器SSPA2對該第二路信號進行功率放大后送至單刀四擲開關(guān)4的不動端，外部控制單元能夠控制單刀四擲開關(guān)4在4個動端2、動端4、動端6、動端8之間切換，動端2連接發(fā)射天線單元2，動端4連接發(fā)射天線單元4，動端6連接發(fā)射天線單元6，動端8連接發(fā)射天線單元8，當單刀四擲開關(guān)4的不動端與動端2形成導通，進入單刀四擲開關(guān)4的信號從發(fā)射天線單元2發(fā)出；當單刀四擲開關(guān)4的不動端與動端4形成導通，進入單刀四擲開關(guān)4的信號從發(fā)射天線單元4發(fā)出；當單刀四擲開關(guān)4的不動端與動端6形成導通，進入單刀四擲開關(guān)4的信號從發(fā)射天線單元6發(fā)出；當單刀四擲開關(guān)4的不動端與動端8形成導通，進入單刀四擲開關(guān)4的信號從發(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尺寸為φ2.64λ×0.695λ的小尺寸下，實現(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)計相同，系統(tǒng)簡單，可滿足機載無線通信、測控和室內(nèi)無線通信系統(tǒng)小型化、寬覆蓋和高增益的應用需求。

(2)采用八棱臺收發(fā)共用交叉陣列設(shè)計，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，同時收發(fā)共用交叉陣列設(shè)計使得收發(fā)天線結(jié)構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)對稱性，且八棱臺頂部不需要額外收發(fā)單元，極大減小了收發(fā)波束設(shè)計的復雜度；

(3)采用了一種16個類橢圓波束的寬覆蓋波束設(shè)計技術(shù)，將俯仰±70°的覆蓋區(qū)進行分割優(yōu)化設(shè)計，分為16個子覆蓋區(qū)，分別對應優(yōu)化設(shè)計的16個類橢圓波束，通過開關(guān)切換和對四個特定的收(發(fā))單元的簡單固定離散移相，實現(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)計相同，簡化了收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計復雜度，可實現(xiàn)性強。

(4)采用了小型化綜合設(shè)計技術(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用奠定了基礎(chǔ)，收發(fā)共用交叉陣列布局設(shè)計是天線小型化實現(xiàn)的核心與關(guān)鍵，二者相輔相成，不可或缺，最終天線整個尺寸為Φ2.64λ×0.695λ。

附圖說明

圖1為本發(fā)明天線結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2的(a)為八棱臺上蓋板示意圖，(b)為八棱臺和八棱柱結(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)棱臺天線±70°范圍5dBi增益覆蓋示意圖；

圖5為棱臺側(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，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)計示意圖，(b)為發(fā)射天線波束偏移覆蓋設(shè)計示意圖；

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，能夠在包絡尺寸為φ2.64λ×0.695λ的小尺寸下，實現(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)計相同，系統(tǒng)簡單，可滿足機載無線通信、測控和室內(nèi)無線通信系統(tǒng)小型化、寬覆蓋和高增益的應用需求。

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和八棱臺上蓋板7組成。其中，天線輻射體1包括八個接收天線單元和八個發(fā)射天線單元，且每個棱臺的側(cè)面有一組收發(fā)單元；八棱臺和八棱柱結(jié)構(gòu)2為上八棱臺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，見圖1和圖2(a)、(b)、(c)。

根據(jù)天線設(shè)計要求，用一個波束覆蓋俯仰±70°、方位全向范圍內(nèi)且滿足增益大于5dBi的要求是無法實現(xiàn)的。用相控陣掃描的方式可以實現(xiàn)，但系統(tǒng)復雜，成本過高。因此，考慮采用空間分組的設(shè)計方案，其系統(tǒng)簡單，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，通過電子開關(guān)實現(xiàn)空間波束切換，實現(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，而邊緣增益實現(xiàn)起來相對困難，因此，將輻射單元排布在棱臺結(jié)構(gòu)的側(cè)面，以借助棱臺傾角使天線邊緣增益滿足要求，且按指標要求棱臺底面的對角線不能超過2.64λ。

傳統(tǒng)的棱臺結(jié)構(gòu)形式天線，對于收發(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)計要求，收發(fā)共用輻射單元的應用受到限制。

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

設(shè)計中優(yōu)選小型化收發(fā)分開的高介電常數(shù)微帶天線，能夠解決天線尺寸設(shè)計受限的問題，微帶天線的介質(zhì)基板采用Rogers TMM 10i，介電常數(shù)為9.8，單點饋電，采用四邊刻槽方式實現(xiàn)圓極化性能，同時，通過刻槽可進一步實現(xiàn)天線單元的小型化，見圖3所示。

要求在俯仰±70°的覆蓋區(qū)內(nèi)增益大于5dBi，對于單個微帶天線，增益約為6～7dBi，5dBi的波束寬度約在±20°左右，要實現(xiàn)邊沿的高增益，采用傳統(tǒng)的每個棱臺單個微帶單元實現(xiàn)特定覆蓋區(qū)5dBi的增益覆蓋，顯然是不可實現(xiàn)的。圖4所示為采用傳統(tǒng)的每個棱臺單個單元實現(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?？梢钥闯?，這種情況下，必然要求在棱臺的頂部平面上增加一個收發(fā)天線單元來覆蓋天線軸向部分區(qū)域，且9個波束難以完全實現(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)計思路，類橢圓波束的長軸沿俯仰方向設(shè)計?？赏ㄟ^簡單的二元陣列實現(xiàn)，陣列方向波束變窄，而非陣列方向波束變寬，且陣列天線與單個單元天線相比，增益增加了約3dB。根據(jù)仿真驗算，這種類橢圓波束5dBi的波束寬度在兩個正交方向分別為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°的波束覆蓋問題。

根據(jù)類橢圓波束覆蓋的設(shè)計思路，二元天線陣采用沿單個棱臺側(cè)面上下排陣方式，使類橢圓波束的長軸在方位面方向上，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，通過相鄰棱臺側(cè)面上的單元組成二元陣列天線實現(xiàn)所需的單個類橢圓波束性能，具體實現(xiàn)為圖6中的(a)或(b)則取決于具體的天線設(shè)計。通過合理的二元微帶天線陣優(yōu)化設(shè)計，可實現(xiàn)微帶天線陣兩個正交方向波束寬度分別為50°和100°左右，所以采用八棱臺形成的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，可以靈活地通過二元陣部分天線單元離散固定移相實現(xiàn)波束偏移，進行整個俯仰面±70°、方位面全向范圍內(nèi)區(qū)域的全覆蓋。

采用收發(fā)分開的微帶單元實現(xiàn)該天線收發(fā)共用，需要八棱臺的每個側(cè)面都有一組收發(fā)單元。一般的設(shè)計思路是將尺寸較大的接收天線單元放置在每個棱臺梯形側(cè)面空間較大的梯形長邊一端，而發(fā)射單元放置在每個棱臺梯形側(cè)面空間較小的梯形短邊一端。這種設(shè)計看似合理，但前提是八棱臺尺寸足夠大，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，靠近八棱臺梯形側(cè)面長邊一端的二元陣陣列增益和波束寬度可滿足設(shè)計要求，但靠近棱臺梯形側(cè)面短邊一端的二元陣列，由于陣元間距太小，導致陣列增益不夠，且5dBi的波束寬度不滿足設(shè)計要求。

本發(fā)明中，在不增加棱臺尺寸的情況下，巧妙地提出了一種收發(fā)單元交叉陣列設(shè)計技術(shù)，將接收、發(fā)射天線單元分別交叉布置在八棱臺每個梯形側(cè)面上。在相鄰棱臺梯形側(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邊的一端。例如：八棱臺結(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，同時也實現(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)計技術(shù)，收發(fā)天線結(jié)構(gòu)一致，且具有旋轉(zhuǎn)對稱性，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。這對于后面的系統(tǒng)設(shè)計具有很大的優(yōu)勢，大大減小了收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計和波束設(shè)計的復雜度，即通過坐標變換，可實現(xiàn)收發(fā)天線的波束設(shè)計相同。

采用收發(fā)共用交叉陣列設(shè)計，不需要在棱臺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，沒有頂部天線單元，所有側(cè)面單元均呈現(xiàn)完全的旋轉(zhuǎn)對稱性，所有后端的收發(fā)組件設(shè)計可采用相同的設(shè)計方式，系統(tǒng)實現(xiàn)方式簡單。

提出的采用類橢圓波束覆蓋設(shè)計思路很好地解決了普通棱臺結(jié)構(gòu)天線寬波束覆蓋范圍增益受限問題。類橢圓波束兩個正交方向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。

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

通過對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，包括在棱臺包絡限制條件下對棱臺傾角的設(shè)計(關(guān)系到波束覆蓋性能)、單元在棱臺側(cè)面的布局位置及二元陣單元間距的設(shè)計、二元陣饋電相位的優(yōu)化設(shè)計等，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，可實現(xiàn)如圖6(b)的收發(fā)各8個類橢圓波束覆蓋特性。

8波束覆蓋圖顯示，8個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現(xiàn)波束偏移的設(shè)計思路，即通過部分單元(與移相器連接的收發(fā)各4個單元)的簡單離散移相使對應的8個波束分別向所需的方向偏移，進而對8個類橢圓波束未覆蓋的區(qū)域進行補充覆蓋，共形成16個類橢圓子波束。

根據(jù)以上內(nèi)容，設(shè)計的天線收、發(fā)系統(tǒng)最終原理框圖如圖8(a)、8(b)所示。發(fā)射信號通過一個1分為2功分網(wǎng)絡后，其中一路信號經(jīng)過移相器再通過SSPA放大，另一路直接通過SSPA放大后，這兩路信號通過波束選擇開關(guān)(單刀四擲開關(guān))輸入到需要的輻射單元輻射出去。接收信號通過LNA放大后，通過調(diào)整移相器的輸出相位，將需要接收信號的天線接收單元收到的電磁波信號通過功率合成器合成后送入接收機。

具體對于內(nèi)置收發(fā)組件中的接收組件，包括：單刀四擲開關(guān)1、單刀四擲開關(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；外部控制單元能夠控制單刀四擲開關(guān)1在4個動端1、動端3、動端5、動端7之間切換，動端1連接接收天線單元1，動端3連接接收天線單元3，動端5連接接收天線單元5，動端7連接接收天線單元7，當單刀四擲開關(guān)1的不動端與動端1形成導通，空間信號從接收天線單元1接收的信號進入單刀四擲開關(guān)1；當單刀四擲開關(guān)1的不動端與動端3形成導通，空間信號從接收天線單元3接收的信號進入單刀四擲開關(guān)1；當單刀四擲開關(guān)1的不動端與動端5形成導通，空間信號從接收天線單元5接收的信號進入單刀四擲開關(guān)1；當單刀四擲開關(guān)1的不動端與動端7形成導通，空間信號從接收天線單元7接收的信號進入單刀四擲開關(guān)1；單刀四擲開關(guān)1的不動端連接LNA1的輸入，單刀四擲開關(guān)1的不動端的信號送至LNA1，LNA1對該信號進行低噪聲放大后送至2合1功率合成網(wǎng)絡。

外部控制單元能夠控制單刀四擲開關(guān)2在4個動端2、動端4、動端6、動端8之間切換，動端2連接接收天線單元2，動端4連接接收天線單元4，動端6連接接收天線單元6，動端8連接接收天線單元8，當單刀四擲開關(guān)2的不動端與動端2形成導通，空間信號從接收天線單元2接收的信號進入單刀四擲開關(guān)2；當單刀四擲開關(guān)2的不動端與動端4形成導通，空間信號從接收天線單元4接收的信號進入單刀四擲開關(guān)2；當單刀四擲開關(guān)2的不動端與動端6形成導通，空間信號從接收天線單元6接收的信號進入單刀四擲開關(guān)2；當單刀四擲開關(guān)2的不動端與動端8形成導通，空間信號從接收天線單元2接收的信號進入單刀四擲開關(guān)2。

單刀四擲開關(guān)2的不動端連接LNA2的輸入，單刀四擲開關(guān)2的不動端的信號送至LNA2，LNA2對該信號進行低噪聲放大后送至相移器1進行相移，外部控制單元能夠控制5bit相移器1將LNA2送來信號的相位相移到相位1、相位2、相位3、相位4這四種情況后，將相移后的信號送至2合1功率合成網(wǎng)絡；2合1功率合成網(wǎng)絡，將LNA1和5bit相移器1送來的信號進行功率合成送至外部接收機。

對于內(nèi)置收發(fā)組件中的發(fā)射組件，包括：單刀四擲開關(guān)3、單刀四擲開關(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；外部發(fā)射機送來的信號送至1分2功分網(wǎng)絡，1分2功分網(wǎng)絡將接收的信號功分為兩路信號，第一路信號送至功率放大器SSPA1，功率放大器SSPA1對該第一路信號進行功率放大后送至單刀四擲開關(guān)3的不動端，外部控制單元能夠控制單刀四擲開關(guān)3在4個動端1、動端3、動端5、動端7之間切換，動端1連接發(fā)射天線單元1，動端3連接發(fā)射天線單元3，動端5連接發(fā)射天線單元5，動端7連接發(fā)射天線單元7，當單刀四擲開關(guān)3的不動端與動端1形成導通，進入單刀四擲開關(guān)3的信號從發(fā)射天線單元1發(fā)出；當單刀四擲開關(guān)3的不動端與動端3形成導通，進入單刀四擲開關(guān)3的信號從發(fā)射天線單元3發(fā)出；當單刀四擲開關(guān)3的不動端與動端5形成導通，進入單刀四擲開關(guān)3的信號從發(fā)射天線單元5發(fā)出；當單刀四擲開關(guān)3的不動端與動端7形成導通，進入單刀四擲開關(guān)3的信號從發(fā)射天線單元7發(fā)出；

第二路信號送至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，將相移后的信號送至功率放大器SSPA2，功率放大器SSPA2對該第二路信號進行功率放大后送至單刀四擲開關(guān)4的不動端，外部控制單元能夠控制單刀四擲開關(guān)4在4個動端2、動端4、動端6、動端8之間切換，動端2連接發(fā)射天線單元2，動端4連接發(fā)射天線單元4，動端6連接發(fā)射天線單元6，動端8連接發(fā)射天線單元8，當單刀四擲開關(guān)4的不動端與動端2形成導通，進入單刀四擲開關(guān)4的信號從發(fā)射天線單元2發(fā)出；當單刀四擲開關(guān)4的不動端與動端4形成導通，進入單刀四擲開關(guān)4的信號從發(fā)射天線單元4發(fā)出；當單刀四擲開關(guān)4的不動端與動端6形成導通，進入單刀四擲開關(guān)4的信號從發(fā)射天線單元6發(fā)出；當單刀四擲開關(guān)4的不動端與動端8形成導通，進入單刀四擲開關(guān)4的信號從發(fā)射天線單元8發(fā)出。

不管是發(fā)射還是接收，同時都有兩個單元工作，波束切換時，只改變其中一個單刀四擲開關(guān)的通斷狀態(tài)，如表1所示，共用8個工作狀態(tài)，每一個狀態(tài)均有兩個發(fā)射或接收單元同時工作。

表1單刀四擲開關(guān)通斷狀態(tài)表

結(jié)合對微帶天線單元和交叉二元陣列天線的優(yōu)化設(shè)計，在俯仰±70°的覆蓋區(qū)內(nèi)進行波束覆蓋策略設(shè)計，綜合交叉陣列設(shè)計結(jié)果和收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計，將俯仰±70°的波束覆蓋范圍分割為16個子覆蓋區(qū)，每個子覆蓋區(qū)分別對應優(yōu)化設(shè)計的16個類橢圓波束。這16個子覆蓋區(qū)的定義用(u、v)坐標表示，分別由6條直線和2個橢圓分割構(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，見圖9和表2。由于采用收發(fā)共用交叉陣列設(shè)計，收發(fā)天線為旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，收發(fā)天線結(jié)構(gòu)軸向旋轉(zhuǎn)相差45°。所以通過簡單的坐標變換，收發(fā)天線具有相同的16波束設(shè)計圖。根據(jù)圖7的天線布局，對于接收天線：則對于發(fā)射天線：收發(fā)天線16波束設(shè)計圖相同，即圖9所示。

每個波束通過單刀四擲開關(guān)和移相器唯一定義。每個波束對應的單刀四擲開關(guān)切換狀態(tài)見表3和表4。波束1～波束16在切換過程中，需要改變移相器的輸出相位，且僅需對與單刀四擲開關(guān)連接的偶數(shù)編號單元進行簡單離散移相，移相相位由設(shè)計的二元交叉陣列的類橢圓波束覆蓋情況具體確定。例如：對于接收天線，如表3所示，波束1工作時，單刀四擲開關(guān)1和2通過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，通過移相器1進行移相，實現(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)計表

表3波束與開關(guān)切換狀態(tài)及移相器狀態(tài)對應表(接收天線)

表4波束與開關(guān)切換狀態(tài)及移相器狀態(tài)對應表(發(fā)射天線)

根據(jù)以上16波束設(shè)計，包括16波束的定義及波束切換設(shè)計，通過天線整體性能優(yōu)化，可實現(xiàn)設(shè)計的16個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)計的16個子覆蓋區(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)計核心在于小尺寸下的寬波束覆蓋高增益設(shè)計，其關(guān)鍵設(shè)計特征為：小型化、寬波束覆蓋和高增益，這也是該設(shè)計的難點。小型化綜合設(shè)計為該發(fā)明的實現(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)計的小型化、八棱臺可內(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，采用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板和在輻射體上刻槽實現(xiàn)了微帶天線單元的小型化，同時，刻槽的另一個主要作用是實現(xiàn)天線的圓極化性能。單元的小型化設(shè)計使得微帶單元布陣時不會造成單元之間結(jié)構(gòu)上的干涉，且同時能夠滿足8棱臺的側(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)計的核心技術(shù)之一，是天線小型化實現(xiàn)的核心與關(guān)鍵，它使得小空間內(nèi)的大距離實現(xiàn)成為可能。使得在滿足天線性能的前提下，大大地縮小了整個天線的包絡尺寸；同時收發(fā)共用交叉陣列設(shè)計使收發(fā)天線具有旋轉(zhuǎn)對稱的相似結(jié)構(gòu)，且棱臺頂部不需要額外收發(fā)單元，大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計的復雜度。

另外，八棱臺和八棱柱結(jié)構(gòu)的應用，不僅實現(xiàn)了16個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，使整個天線成為一個模塊化系統(tǒng)，實現(xiàn)了天線系統(tǒng)整體的小型化。

實施例：

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和八棱臺上蓋板7組成。為了實現(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，單點饋電；采用四邊刻槽方式實現(xiàn)圓極化性能的同時，刻槽進一步實現(xiàn)天線單元的小型化。通過商用軟件HFSS v15對天線單元進行優(yōu)化仿真，完成收發(fā)天線單元的設(shè)計(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應的自由空間波長。

采用收發(fā)單元交叉陣列設(shè)計，將接收、發(fā)射天線單元分別交叉布置在八棱臺和八棱柱結(jié)構(gòu)2的每個梯形側(cè)面上。在相鄰棱臺梯形側(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)，且每個梯形側(cè)面上收發(fā)單元中心之間間距相同。由于整個天線具有旋轉(zhuǎn)對稱性，為了提高設(shè)計效率，可建模部分天線結(jié)構(gòu)(比如八棱臺兩個梯形側(cè)面結(jié)構(gòu)、兩個發(fā)射天線或兩個接收天線)進行棱臺優(yōu)化設(shè)計，在要求的包絡尺寸下，調(diào)整棱臺傾角、天線單元在棱臺梯形側(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HFSS v15優(yōu)化，每個梯形側(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；八棱臺高度為0.382λ，根據(jù)設(shè)計總高度的要求，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)計的16個子覆蓋區(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)計相同。

然后，通過HFSS v15優(yōu)化與移相器連接的偶數(shù)單元(見圖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，使對應的8個波束分別向所需的方向偏移(如圖11(a)和(b)所示)，實現(xiàn)對原8個類橢圓波束未覆蓋的區(qū)域進行補充覆蓋，最終形成16個類橢圓波束對應優(yōu)化設(shè)計的16個子覆蓋區(qū)，進而實現(xiàn)俯仰±70°區(qū)域的全覆蓋。偏移的8個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)射天線通過移相器改變陣列饋電相位后實現(xiàn)波束偏移示意圖見圖11(a)和(b)所示。接收和發(fā)射天線16個類橢圓子波束的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)計結(jié)果)如圖12(a)和(b)、圖13(a)和(b)所示?？梢钥闯?，95％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)計結(jié)果)。

圖1中射頻連接器6優(yōu)選采用國營853廠產(chǎn)品，型號為SMA-KFK-6；每個收發(fā)微帶單元后連接的射頻連接器型號為SMA-KFD424；低頻接頭型號為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)計相同，系統(tǒng)簡單，可滿足機載無線通信、測控和室內(nèi)無線通信系統(tǒng)小型化、寬覆蓋和高增益的應用需求。

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

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