CN101202374A - 一种毫米波段圆锥共形4×4微带天线及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种毫米波段圆锥共形4×4微带天线及其设计方法，它涉及一种天线及其设计方法。本发明的目的是针对锥面几何形状相对较复杂，以及能够方便的安装在具有复杂表面的各种航空、航天、舰船及地面车辆上，并且能在35GHz这样高的频率下稳定工作的问题。本发明的天线四组贴片单元整体呈矩形设置在介质层的表面上，每组的上下两个贴片单元之间固定连接有一个馈线；方法是将平面天线的介质层和贴片单元拉伸到锥面层上，利用intersect功能取出两者的交集将平面阵列共形到锥面上。本发明的天线正好工作在35GHz，增益分别达到7.3dB和20.19dB，适合安装在具有复杂表面的各种航空、航天飞行器、舰船及地面车辆等载体上。设计方法具有建模简单、条理清晰、逻辑严密的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种天线及其设计方法。
背景技术
现代军事装备中高新技术的应用不断增多，机载、星载及各类武器系统所需要的电子组件、部件向着短、小、轻、薄、高可靠性、高速度的方向快速发展。在性能方面迫切需要电磁兼容性好、不易受电子干扰、雷达散射截面(RCS)小、具有隐身/反隐身特性的高性能阵列天线。尤其作为毫米波制导技术的一个重要发展方向，能够与载体共形的天线系统即共形天线的研究近年来日益得到重视，共形天线是将原来平面结构的相控阵变为曲面结构，并且进行了薄型设计、降低了自身质量的天线。它不仅可以提供原来所需要的天线性能，而且不影响载体本身的机动特性。微带天线单元具有剖面薄、重量轻、共形性好、成本低等优点，可以制成与弹体表面共形的结构，充分地利用弹体表面空间，安装时不影响弹体的结构强度，便于实现设备的小型化。由于微带天线有其独特的优点，特别适合用来做共形天线。
天线共形化具有如下优点：可安装在具有复杂表面的各种航空、航天、舰船及地面车辆上，不影响载体的空气动力性能，并可充分利用其表面积，增加天线有效孔径面积，通过方位面波束的开关切换，可以实现该空间区域的连续扫描；并且在满足增益要求的前提下，共形阵通过展宽波束，减少了空间的波束数目，因此共形阵天线在军事系统中具有良好的特性，由于共形微带天线具有不额外占用空间和对飞行姿态影响小等优点，其在航空、制导等领域具有很大的吸引力，因此对共形微带天线阵的研究具有重要的工程价值和国防意义。但是共形微带天线的设计与分析还存在诸多困难：载体(尤其是金属载体)的曲率会影响天线的性能，大部分的计算方法处理共形天线时显得繁琐且耗时长，尤其在毫米波频段天线阵元的间距非常小，阵元布局不合理或者尺寸的稍微偏差等问题将会对天线性能造成极大的影响，为了保证设计结果的精度，在设计过程中必须精心考虑阵元的各个参数。因此在毫米波段下设计共形天线阵是具有挑战性的课题。
毫米波引信系统是无线电引信的重要发展方向之一，而与弹体共形的毫米波相控阵天线是毫米波制导系统的关键技术，开展该项目的研究具有重要的工程价值和国防意义。根据国内外的研究现状，毫米波段的共形相控阵技术在军事上的应用逐渐引人注目。随着毫米波固态器件、超大规模集成电路和超高速集成电路的发展，将使毫米波导引头和弹载信号处理机体积更小，灵活性和实用性更强。这必然导致各种“灵巧”导弹、“末敏”炮弹大量出现在现代战场上。而对付这种“近身”威胁的办法就是发展装有毫米波共形相控阵天线、具有快速反应能力的电子对抗设备。另外，毫米波电子战(EW)技术发展的状况是毫米波对抗落后于毫米波雷达技术，具体表现在毫米波雷达和毫米波制导技术经过数十年的发展已趋于成熟，世界性的毫米波雷达市场已初具规模，而毫米波对抗技术刚刚起步。毫米波雷达器件的体积小、波束窄、旁瓣低，这给EW造成截获和干扰的困难，而对付这种威胁的最有效途径就是相控阵干扰技术。因此，开发毫米波共形相控阵天线是当务之急。
锥面共形阵列具有扫面波束宽、雷达散射截面(RCS)低等良好空气动力学性能，其在飞机、火箭和导弹导引头等各种飞行器载体上具有广泛的应用价值，而由于锥面几何形状相对较复杂，不但要求其能够方便的安装在具有复杂表面的各种航空、航天、舰船及地面车辆上，还要求其不仅可以提供原来所需要的天线性能，而且不影响载体本身的机动特性，更重要的是要求其能在35GHz这样高的频率下稳定工作。
发明内容
本发明的目的是针对锥面几何形状相对较复杂，不但要求其能够方便的安装在具有复杂表面的各种航空、航天、舰船及地面车辆上，还要求其不仅可以提供原来所需要的天线性能，而且不影响载体本身的机动特性，更重要的是要求其能在35GHz这样高的频率下稳定工作的问题，提供一种毫米波段圆锥共形4×4微带天线及其设计方法。本发明的毫米波段圆锥共形4×4微带天线由介质层1、十六个贴片单元2、八个馈线3、连接线4和锥面层5组成，十六个贴片单元2分成四组，每组四个贴片单元2呈矩形设置，四组贴片单元2整体呈矩形设置在介质层1的表面上，介质层1的背面与锥面层5的表面固定连接，每组的上下两个贴片单元2之间固定连接有一个馈线3，八个馈线3由连接线4相互连接。本发明的毫米波段圆锥共形4×4微带天线的设计方法是：首先利用底边馈电方式在CST设计一个平面4×4微带天线阵列，利用抛物线方程画出抛物线，然后利用抛物线旋转形成抛物锥面，利用“objects”中的“transform-scale”功能画出抛物面锥体，利用“substrate”功能减出不同厚度的锥面层，分别将平面天线的介质层和贴片单元拉伸到锥面层上，利用“intersect”功能取出两者的交集将平面阵列共形到锥面上。
本发明的底边馈电单元和锥面共形阵列均正好工作在35GHz，增益分别达到7.3dB和20.19dB，具有加工工艺简单，成本低廉的优点，适合安装在具有复杂表面的各种航空、航天飞行器、舰船及地面车辆等载体上。相对于以往的微带馈电和共形阵列，本发明的毫米波段圆锥共形4×4微带天线的设计方法具有建模简单、条理清晰、逻辑严密、仿真结果相对理想的优点。
附图说明
图1是底边馈电单元示意图，图2是锥面共形4×4微带天线阵列模型示意图(正面)，图3是锥面共形4×4微带天线阵列模型示意图(侧面)，图4是底边馈电单元的S11图，图5是底边馈电单元的VSWR图，图6是底边馈电单元的二维远场方向图，图7是4×4阵列的S11图，图8是4×4阵列的VSWR图，图9是4×4阵列的二维远场方向图，图10是锥面4×4阵列的三维远场方向图。图4中图左侧的数字是反射系数(S11)，单位：分贝(dB)，图下侧的数字表示的是频率，单位：GHz；图5中图左侧的数字是电压驻波比(VSWR)，图下侧的数字表示的是频率，单位：GHz；图7中图左侧的数字是反射系数(S11)、单位：分贝(dB)，图下侧的数字表示的是频率，单位：GHz；图8中图左侧的数字是电压驻波比(VSWR)，图下侧的数字表示的是频率，单位：GHz；图10表示的是增益(Gain)为20.28dB，频率为35GHz。
具体实施方式
具体实施方式一：(参见图1～图3)本实施方式的毫米波段圆锥共形4×4微带天线由介质层1、十六个贴片单元2、八个馈线3、连接线4和锥面层5组成，十六个贴片单元2分成四组，每组四个贴片单元2呈矩形设置，四组贴片单元2整体呈矩形设置在介质层1的表面上，介质层1的背面与锥面层5的表面固定连接，每组的上下两个贴片单元2之间固定连接有一个馈线3，八个馈线3由连接线4相互连接。贴片单元2的长(L2)宽(W2)比为1∶1～1.5；贴片单元2的长度(L2)与馈线3的宽度(W3)的比例为10∶0.8～1.2。本实施方式的介质层只要求其介电常数为2.2，具体是什么介质没什么特别要求。贴片单元和锥面层的材质均为理想导体(PEC)。
具体实施方式二：(参见图1)本实施方式贴片单元2的长(L2)宽(W2)比为1∶1.29；贴片单元2的长度(L2)与馈线3的宽度(W3)的比例为10∶0.98。
具体实施方式三(参见图1～图6)本实施方式采用底边馈电方式(HFM)对微带贴片单元进行馈电。HFM的原理可用图1所示的微带贴片单元来说明。由于在谐振边馈电阻断了贴片部分的辐射，馈线和贴片的接触导致了辐射的降低，这一点在毫米波段上表现的尤为突出，所以采用了非谐振边馈电方式。再加上天线工作在35GHz，50Ω的馈线宽度与贴片尺寸相比太宽，对天线的辐射影响较大，且不利于天线阵馈电网络的设计，所以将贴片单元与100Ω的馈线进行匹配。由于馈线的位置被固定在非谐振边的最底端，因此天线的谐振频率只与贴片的长和宽密切相关，设计中需要反复调整贴片的长和宽使天线性能达到最优。最后得到天线性能较好的结构模型如图1所示，具体参数如表1所示，表中εγ为介质板的介电常数，H、L1、W1分别为其厚度、长度和宽度，而L2、W2分别为贴片单元的长度和宽度，W3为100Ω馈线的宽度。
表1.平面贴片单元结构参数
| εγ | H(mm) | L1(mm) | W1(mm) | L2(mm) | W2(mm) | W3(mm) |
| 2.2 | 0.3 | 5.56 | 6.3 | 2.56 | 3.3 | 0.274 |
从仿真结果可以看出，天线的谐振频率正好在35GHz，天线的带宽(VSWR＝2)达到了2.03GHz，天线的增益达到了7.3dB。
具体实施方式四：(参见图1～图3、图7～图10)本实施方式的毫米波段圆锥共形4×4微带天线的设计方法是：首先利用底边馈电方式在CST设计一个平面4×4微带天线阵列，利用抛物线方程画出抛物线，然后利用抛物线旋转形成抛物锥面，利用“objects(对象)”中的“transform-scale(转化比列)”功能画出抛物面锥体，利用“substrate(相减)”功能减出不同厚度的锥面层，分别将平面天线的介质层和贴片单元拉伸到锥面层上，利用“intersect(相交)”功能取出两者的交集将平面阵列共形到锥面上。从仿真结果可以看出，天线的谐振频率正好在35GHz，天线的带宽(VSWR＝2)达到了2.03GHz，天线的增益达到了7.3dB。该锥面共形4×4阵列的仿真结果如图7～图10所示。从仿真结果可以看出，天线的谐振频率正好在35GHz，天线的带宽(VSWR＝2)约为1.27GHz，天线的增益达到了20.19dB，副瓣电平为-12.5dB。
Claims (4)
1.一种毫米波段圆锥共形4×4微带天线，它由介质层(1)、十六个贴片单元(2)、八个馈线(3)、连接线(4)和锥面层(5)组成，其特征在于十六个贴片单元(2)分成四组，每组四个贴片单元(2)呈矩形设置，四组贴片单元(2)整体呈矩形设置在介质层(1)的表面上，介质层(1)的背面与锥面层(5)的表面固定连接，每组的上下两个贴片单元(2)之间固定连接有一个馈线(3)，八个馈线(3)由连接线(4)相互连接。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波段圆锥共形4×4微带天线，其特征在于贴片单元(2)的长宽比为1∶1～1.5；贴片单元(2)的长度与馈线(3)的宽度的比例为10∶0.8～1.2。
3.根据权利要求2所述的一种毫米波段圆锥共形4×4微带天线，其特征在于贴片单元(2)的长宽比为1∶1.29；贴片单元(2)的长度与馈线(3)的宽度的比例为10∶0.98。
4.一种权利要求1毫米波段圆锥共形4×4微带天线的设计方法，其特征是：首先利用底边馈电方式在CST设计一个平面4×4微带天线阵列，用抛物线方程画出抛物线，然后利用抛物线旋转形成抛物锥面，利用objects中的transform-scale功能画出抛物面锥体，利用substrate功能减出不同厚度的锥面层，分别将平面天线的介质层和贴片单元拉伸到锥面层上，利用intersect功能取出两者的交集将平面阵列共形到锥面上。
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