CN101267063A - 一种毫米波段4×4圆锥共形双频微带天线及其设计方法 - Google Patents
一种毫米波段4×4圆锥共形双频微带天线及其设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种毫米波段4×4圆锥共形双频微带天线及其设计方法，它涉及一种微带天线及其设计方法。本发明的目的是为解决目前锥面共形双频率微带天线的设计极为困难的问题。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形成一个阵列，每个馈线的一端分别与一个贴片单元一对一的相互连接在一起。方法是利用对象功能减出不同厚度的锥面层，分别将平面天线的地板层、介质层和贴片层拉伸到锥面层上，利用相交功能取出两者的交集并将平面阵列共形到锥面上。本发明天线的两个谐振频率均在毫米波段，分别为30.6和35.5GHz，共形阵列在两个谐振点处的带宽分别为315MHz和485MHz。本发明的设计方法建模简单、条理清晰、逻辑严密，仿真结果相对理想，而且加工工艺简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种微带天线及其该天线的设计方法。
背景技术
现代军事装备中高新技术应用不断增多，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、多波段、多极化的方向快速发展。在性能方面，迫切需要能够在多个频率下工作、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、易于实现共形、容易在双频及多频下工作等结构优点，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双频率天线。
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，再加上双频率天线能使通信及制导等系统满足多个工作频率的要求，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。但是共形双频率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的谐振频率等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双频率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共形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。
锥面共形双频率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，并且能在两个频率下稳定工作，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，再加上在毫米波段这样高的频率下，要实现锥面共形双频率微带天线的设计是极为困难的。
发明内容
本发明的目的是为解决目前由于锥面几何形状相对较复杂，再加上在毫米波段这样高的频率下，要实现锥面共形双频率微带天线的设计是极为困难的问题，提供一种毫米波段4×4圆锥共形双频微带天线及其设计方法。本发明的毫米波段4×4圆锥共形双频微带天线由十六个贴片单元1、十六个馈线2、连接线4、介质层5、锥面层6和地板层7组成，十六个贴片单元1分成四组，每组四个贴片单元1呈矩形设置，四组贴片单元1整体呈矩形设置在介质层5的表面上形成一个阵列，介质层5的背面与地板层7的表面固定连接，地板层7的背面与锥面层6的表面固定连接，每个馈线2的一端分别与一个贴片单元1一对一的相互连接在一起，每个馈线2的另一端均与连接线4相互连接。
本发明的设计方法是：利用凹槽加载的中间馈电贴片单元，设计一个锥面共形双频率4×4微带天线(阵列)，首先在CST设计一个平面4×4微带天线，画出不同大小、不同材质的锥体，利用对象(substrate)功能减出不同厚度的锥面层，分别将平面天线的地板层、介质层和贴片层拉伸到锥面层上，利用相交(intersect)功能取出两者的交集并将平面阵列共形到锥面上。
本发明的有益效果：本发明的馈电单元正好工作在35GHz上，增益达到6.92dB，带宽(VSWR＝2)达到了1.39GHz，利用该单元设计的锥面共形4×4阵列具有两个谐振频率，且两个谐振频率均在毫米波段，分别为30.6和35.5GHz，共形阵列在两个谐振点处的带宽(VSWR＝2)分别为315MHz和485MHz，双频比为1∶1.54；在两个谐振频率处的辐射效率分别达到了91.08％和98.01％，增益分别达到了18.34dB和19.13dB。相对于以往的共形阵列，本发明的设计方法建模简单、条理清晰、逻辑严密，仿真结果相对理想，而且加工工艺简单，成本低廉，在性能方面，本发能在毫米波段的两个频率下稳定工作，适合安装在具有复杂表面的各种航空、航天飞行器、舰船及地面车辆等锥形载体上。
附图说明
图1是本发明凹槽加载中间馈电贴片单元的结构示意图，图2是锥面共形双频率4×4微带天线阵列示意图(正面)，图3是锥面共形双频率4×4微带天线阵列示意图(侧面)，图4是图2的A-A剖视图，图5是凹槽加载中间馈电贴片单元的反射系数S11图，图6是电压驻波比VSWR图，图7是天线单元的二维远场E面波瓣图，图8是天线单元的二维远场H面波瓣图，图9是由天线单元构成的共形阵列的反射系数S11图，图10是共形阵列在第一个谐振频率处(f＝30.6GHz时)二维远场波瓣图，图11是共形阵列在第二个谐振频率处(f＝35.5GHz时)二维远场波瓣图。
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4×4圆锥共形双频微带天线由十六个贴片单元1、十六个馈线2、连接线4、介质层5、锥面层6和地板层7组成，十六个贴片单元1分成四组，每组四个贴片单元1呈矩形设置，四组贴片单元1整体呈矩形设置在介质层5的表面上形成一个阵列，介质层5的背面与地板层7的表面固定连接，地板层7的背面与锥面层6的表面固定连接，每个馈线2的一端分别与一个贴片单元1一对一的相互连接在一起，每个馈线2的另一端均与连接线4相互连接。地板层7的材料为理想导体(PEC)。
具体实施方式二：(参见图1)本实施方式贴片单元1的下侧中间位置设有凹槽3，馈线2的顶端与贴片单元1下侧凹槽3的底端相连接。本实施方式采用凹槽加载的中间馈电方式对微带贴片单元进行馈电，其原理可用图1所示的贴片单元来说明。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。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：(参见图1)本实施方式贴片单元1的长(L)宽(W)比为1∶1.1～1.4。其它与具体实施方式一相同。由于采用的是凹槽加载的中馈方式，馈线的位置固定在贴片辐射边中间，天线的谐振频率只与贴片的长和宽(L，W)有关，因此只需调整L和W使天线性能达到最优。
具体实施方式四：(参见图1)本实施方式的贴片单元1的长(L)宽(W)比为1∶1.25。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：(参见图1)本实施方式馈线2的宽度(V)与馈线2两侧凹槽3的宽度(S)之比为1∶1.45～1.75。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，而50Ω的馈线宽度与贴片尺寸相比太宽，因此其对天线的辐射影响较大，再加上天线工作在毫米波段，阵元的间距很小，馈线太宽将不利于天线阵馈电网络的设计，所以设计中采用100Ω的馈线与贴片单元进行匹配。凹槽的大小也会对天线性能略有影响，本实施方式馈线与凹槽的尺寸使天线性能达到最佳效果。其它与具体实施方式二相同。
具体实施方式六：(参见图1)本实施方式馈线2的宽度(V)与馈线2两侧凹槽3的宽度(S)之比为1∶1.6。其它与具体实施方式二相同。
具体实施方式七：(参见图1～图3)本实施方式贴片单元1的厚度(H)与贴片单元1的长(L)之比为1∶9～11。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：(参见图1～图3)本实施方式贴片单元1的厚度(H)与贴片单元1的长(L)之比为1∶10。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式介质层5的介电常数εγ为2.2。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式的设计方法是：利用凹槽加载的中间馈电贴片单元，设计一个锥面共形双频率4×4微带天线(阵列)，首先在CST设计一个平面4×4微带天线，画出不同大小、不同材质的锥体，利用对象(substrate)功能减出不同厚度的锥面层，分别将平面天线的地板层、介质层和贴片层拉伸到锥面层上，利用相交(intersect)功能取出两者的交集并将平面阵列共形到锥面上。
Claims (10)
1、一种毫米波段4×4圆锥共形双频微带天线，毫米波段4×4圆锥共形双频微带天线由十六个贴片单元(1)、十六个馈线(2)、连接线(4)、介质层(5)、锥面层(6)和地板层(7)组成，其特征在于十六个贴片单元(1)分成四组，每组四个贴片单元(1)呈矩形设置，四组贴片单元(1)整体呈矩形设置在介质层(5)的表面上形成一个阵列，介质层(5)的背面与地板层(7)的表面固定连接，地板层(7)的背面与锥面层(6)的表面固定连接，每个馈线(2)的一端分别与一个贴片单元(1)一对一的相互连接在一起，每个馈线(2)的另一端均与连接线(4)相互连接。
2、根据权利要求1所述的一种毫米波段4×4圆锥共形双频微带天线，其特征在于贴片单元(1)的下侧中间位置设有凹槽(3)，馈线(2)的顶端与贴片单元(1)下侧凹槽(3)的底端相连接。
3、根据权利要求1所述的一种毫米波段4×4圆锥共形双频微带天线，其特征在于贴片单元(1)的长(L)宽(W)比为1∶1.1～1.4。
4、根据权利要求1所述的一种毫米波段4×4圆锥共形双频微带天线，其特征在于贴片单元(1)的长(L)宽(W)比为1∶1.25。
5、根据权利要求2所述的一种毫米波段4×4圆锥共形双频微带天线，其特征在于馈线(2)的宽度(V)与馈线(2)两侧凹槽(3)的宽度(S)之比为1∶1.45～1.75。
6、根据权利要求2所述的一种毫米波段4×4圆锥共形双频微带天线，其特征在于馈线(2)的宽度(V)与馈线(2)两侧凹槽3的宽度(S)之比为1∶1.6。
7、根据权利要求1所述的一种毫米波段4×4圆锥共形双频微带天线，其特征在于贴片单元(1)的厚度(H)与贴片单元(1)的长(L)之比为1∶9～11。
8、根据权利要求1所述的一种毫米波段4×4圆锥共形双频微带天线，其特征在于贴片单元(1)的厚度(H)与贴片单元(1)的长(L)之比为1∶10。
9、根据权利要求1所述的一种毫米波段4×4圆锥共形双频微带天线，其特征在于介质层(5)的介电常数εγ为2.2。
10、一种毫米波段4×4圆锥共形双频微带天线的设计方法，其特征在于毫米波段4×4圆锥共形双频微带天线的设计方法是：利用凹槽加载的中间馈电贴片单元，设计一个锥面共形双频率4×4微带天线，首先在CST设计一个平面4×4微带天线，画出不同大小、不同材质的锥体，利用对象功能减出不同厚度的锥面层，分别将平面天线的地板层、介质层和贴片层拉伸到锥面层上，利用相交功能取出两者的交集并将平面阵列共形到锥面上。
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