CN105846043A - 用于无人机平台的平面馈源介质透镜天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于无人机平台的平面馈源介质透镜天线，其包括柱状介质透镜、固定装夹柱状介质透镜的透镜固定架和安装在透镜固定架自由端、用于固定介质基板的馈源固定架；介质基板上印制有阵列天线馈源，阵列天线馈源位于柱状介质透镜的正下方，且阵列天线馈源的顶端与柱状介质透镜下表面之间存在一间隙；阵列天线馈源包括至少一个渐进槽天线单元、与渐进槽天线单元的基片集成波导功分馈网和与基片集成波导功分馈网连接的微带线；渐进槽天线单元的排布方向与柱状介质透镜的轴向一致。

Description

用于无人机平台的平面馈源介质透镜天线
技术领域
本发明涉及无人机中的通信设备，具体涉及用于无人机平台的平面馈源介质透镜天线。
背景技术
目前，微波系统已经朝着更高频率发展，尤其在毫米波领域，天线的设计至关重要。在高空飞行器平台上，要求天线体积小，重量轻，与平台共形。特别在用于无人机防撞雷达系统中，要求雷达天线安装在机翼上，辐射超前向即飞行方向辐射，防撞雷达要求天线增益高，波束满足水平俯仰面笔状波束，加上机翼的低剖面的特点，端射天线满足这样的要求，其中采用基片集成波导馈电的平面渐近槽天线作为一种端射天线，具有低剖面增益高的特点，且易于与前端集成，平面渐近槽天线容易实现一维阵列，但是二维阵列难以实现。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的用于无人机平台的平面馈源介质透镜天线具有较低的剖面和端射笔状波束，且具有较宽工作频带，在该工作频带内增益高。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种用于无人机平台的平面馈源介质透镜天线，其包括柱状介质透镜、固定装夹柱状介质透镜的透镜固定架和安装在透镜固定架自由端、用于固定介质基板的馈源固定架；介质基板上印制有阵列天线馈源，阵列天线馈源位于柱状介质透镜的正下方，且阵列天线馈源的顶端与柱状介质透镜下表面之间存在一间隙；
阵列天线馈源包括至少一个渐进槽天线单元、与渐进槽天线单元的基片集成波导功分馈网和与基片集成波导功分馈网连接的微带线；渐进槽天线单元的排布方向与柱状介质透镜的轴向一致。
本发明的有益效果为：阵列天线馈源水平放置与柱状介质透镜的中心位于一个平面上，渐进槽天线单元的排布方向与柱状介质透镜的轴向一致，且阵列天线馈源与柱状介质透镜之间存在一间距，从而满足阵列天线馈源的相位中心位于柱状介质透镜的焦点上，使得阵列天线馈源垂直面的入射波能够通过柱状介质透镜的圆柱面进行折射，进而使出射波接近平面波，从而压缩该面的波束宽度，提高增益。
再者，本发明采用平面渐近槽阵列天线馈源作为馈源，具有低剖面和重量轻的特点，该馈源的工作频带较宽，具有良好的定向辐射特性，天线在工作频带内增益较高，可以克服毫米波高频传输的大气衰减。馈源末端采用微带线馈电，可以直接与前端连接，也便于焊接射频同轴连接器时与外部电缆相连，柱状介质透镜采用柱状结构，便于加工，尤其在毫米波对误差的要求比较高。
附图说明
图1为用于无人机平台的平面馈源介质透镜天线的立体图。
图2为在介质基板上印制有阵列天线馈源的平面示意图。
图3为渐进槽天线单元的放大图。
图4为设计在X波段的平面馈源介质透镜天线的s参数图。
图5为在34.5GHz平面馈源介质透镜天线垂直面（XOZ面）方向图。
图6为在34.5GHz平面馈源介质透镜天线水平面（YOZ面）方向图。
其中，1、柱状介质透镜；2、透镜固定架；3、馈源固定架；4、介质基板；5、阵列天线馈源；51、渐进槽天线单元；511、边缘锯齿结构；512、天线单元上表面金属；513、天线单元下表面金属；52、金属化通孔；53、基片集成波导功分馈网；54、基片集成波导功分馈网上表面金属地；55、微带线。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
参考图1和图2，图1示出了用于无人机平台的平面馈源柱状介质透镜1天线的立体图；图2示出了在介质基板4上印制有阵列天线馈源5的平面示意图。
如图1所示，该用于无人机平台的平面馈源柱状介质透镜1天线包括柱状介质透镜1、固定装夹柱状介质透镜1的透镜固定架2和安装在透镜固定架2自由端、用于固定介质基板4的馈源固定架3；介质基板4上印制有阵列天线馈源5，阵列天线馈源5位于柱状介质透镜1的正下方，且阵列天线馈源5的顶端与柱状介质透镜1下表面之间存在一间隙。
本方案结合阵列天线馈源5和柱状介质透镜1的特点，利用柱状介质透镜1弥补平面阵列天线馈源5难以实现二维阵列的不足，可以有效地压缩阵列天线馈源5垂直面即H面波束宽度，而对另外一个面不产生影响，从而实现笔状波束实现高增益的端射天线，并且这样的结构易于实现低剖面。
其中，介质基板4可以采用介电常数为2.2的TLY-5高分子介质基板4，介质基板4的厚度为0.508mm。馈源固定架3可以采用金属制成，也可以不采用金属而使用其他满足强度刚性的塑料或者其他材料。
如图2所示，阵列天线馈源5包括至少一个渐进槽天线单元51、与渐进槽天线单元51的基片集成波导功分馈网53和与基片集成波导功分馈网53连接的微带线55；渐进槽天线单元51的排布方向与柱状介质透镜1的轴向一致。
由于阵列天线馈源5水平放置与柱状介质透镜1的中心位于一个平面上，渐进槽天线单元51的排布方向与柱状介质透镜1的轴向一致，且阵列天线馈源5与柱状介质透镜1之间存在一间距，从而满足阵列天线馈源5的相位中心位于柱状介质透镜1的焦点上，使得阵列天线馈源5垂直面的入射波能够通过柱状介质透镜1的圆柱面进行折射，进而使出射波接近平面波，从而压缩该面的波束宽度，提高增益。
本发明采用平面渐近槽阵列天线馈源5作为馈源，具有低剖面和重量轻的特点，该馈源的工作频带较宽，具有良好的定向辐射特性，天线在工作频带内增益较高，可以克服毫米波高频传输的大气衰减。
馈源末端采用微带线55馈电，可以直接与前端连接，也便于焊接射频同轴连接器时与外部电缆相连，柱状介质透镜1采用柱状结构，便于加工，尤其在毫米波对误差的要求比较高。
在本发明的一个实施例中，优选阵列天线馈源5的顶端与柱状介质透镜1下表面之间存在的间隙的宽度为4.5mm。这样能够确保阵列天线馈源5的相位中心完全与柱状介质透镜1的焦点重合，使天线的增益的提高达到最大化。
如图3所示，渐进槽天线单元51包括设置在介质基板4上表面的天线单元上表面金属512、介质基板4下表面的天线单元下表面金属513及分别设置在天线单元上表面金属512和天线单元下表面金属513边缘的边缘锯齿结构511；天线单元上表面金属512和天线单元下表面金属513形成一个渐变的V型槽。
V型槽的形成，可以使在渐进槽天线单元51产生的电磁场通过V型槽向外辐射，从而实现端射特性。其中，渐进槽天线单元51的上下表面金属采用的边缘锯齿结构511属于慢波结构，使得行波的路径变长，可以提高阻抗带宽。
其中，基片集成波导功分馈网53包括基片集成波导功分馈网上表面金属地54和波导功分馈网53下表面金属地；基片集成波导功分馈网上表面金属地54的边缘排布有若干金属化过孔52。
阵列天线馈源5包括八个依次排布的渐进槽天线单元51，基片集成波导功分馈网上表面金属地54采用三级等幅同相的并联功分结构。两个相邻的渐进槽天线单元51之间的间距为0.9λ0，其中λ0为自由空间中的波长。
这儿的三级等幅同相的并联功分结构是指波导功分馈网上金属化通孔52和上下表面金属地形成的波导结构从微带线55侧首先平均分成两个支路，每个支路在平均分成两个分子路，而每个分子路在平均分配成2个旁支路，从而形成三级等幅同相的并联功分。
由于平面馈源柱状介质透镜1天线的低剖面线主要取决于柱状介质透镜1的直径，本方案优选柱状介质透镜1采用介电常数为2.1的特氟龙材料，柱状介质透镜1的直径为60mm，长度为120mm。采用这种尺寸的柱状介质透镜1能够更好的满足无人机机翼安装的防撞雷达系统对天线的要求。
如图4-6所示，下面结合仿真实验对本方案的平面馈源柱状介质透镜1天线的性能进行说明：
如图4所示，其为本设计在X波段的平面馈源介质透镜天线的s参数图，通过图4的结果显示，该实施例中的天线的-10dB阻抗带宽从33.6GHz到36.5GHz，共2.9GHz带宽，完全能够满足防撞雷达的带宽需求。
其中，图5为在34.5GHz平面馈源介质透镜天线垂直面（XOZ面）方向图；图6为在34.5GHz平面馈源介质透镜天线水平面（YOZ面）方向图。phi=0的面为xoz面，phi=90面为yoz面，结果显示本设计具有笔状波束的辐射方向图，并且有较高的增益，且增益接近26dBi。
综上所述，该平面馈源柱状介质透镜1天线具有体积小，剖面较低，增益高，重量轻的特点。

Claims (7)

1.用于无人机平台的平面馈源介质透镜天线，其特征在于：包括柱状介质透镜、固定装夹所述柱状介质透镜的透镜固定架和安装在所述透镜固定架自由端、用于固定介质基板的馈源固定架；所述介质基板上印制有阵列天线馈源，所述阵列天线馈源位于所述柱状介质透镜的正下方，且所述阵列天线馈源的顶端与所述柱状介质透镜下表面之间存在一间隙；
所述阵列天线馈源包括至少一个渐进槽天线单元、与所述渐进槽天线单元的基片集成波导功分馈网和与所述基片集成波导功分馈网连接的微带线；所述渐进槽天线单元的排布方向与所述柱状介质透镜的轴向一致。
2.根据权利要求1所述的用于无人机平台的平面馈源介质透镜天线，其特征在于：所述阵列天线馈源的顶端与所述柱状介质透镜下表面之间存在的间隙的宽度为4.5mm。
3.根据权利要求1或2所述的用于无人机平台的平面馈源介质透镜天线，其特征在于：所述渐进槽天线单元包括设置在介质基板上表面的天线单元上表面金属、介质基板下表面的天线单元下表面金属及分别设置在天线单元上表面金属和天线单元下表面金属边缘的边缘锯齿结构；所述天线单元上表面金属和天线单元下表面金属形成一个渐变的V型槽。
4.根据权利要求1或2所述的用于无人机平台的平面馈源介质透镜天线，其特征在于：所述基片集成波导功分馈网包括基片集成波导功分馈网上表面金属地和基片集成波导功分馈网下表面金属地；所述基片集成波导功分馈网上表面金属地的边缘排布有若干金属化过孔。
5.根据权利要求4所述的用于无人机平台的平面馈源介质透镜天线，其特征在于：所述阵列天线馈源包括八个依次排布的渐进槽天线单元，所述基片集成波导功分馈网采用三级等幅同相的并联功分结构。
6.根据权利要求1、2或5所述的用于无人机平台的平面馈源介质透镜天线，其特征在于：所述柱状介质透镜采用介电常数为2.1的特氟龙材料，柱状介质透镜的直径为60mm，长度为120mm。
7.根据权利要求1、2或5所述的用于无人机平台的平面馈源介质透镜天线，其特征在于：所述介质基板为介电常数为2.2的TLY-5高分子介质基板，所述介质基板的厚度为0.508mm。
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