CN107317109B - 一种用于低剖面天线实现宽带宽角扫描的周期性地板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及相控阵雷达天线技术领域，特别涉及一种用于低剖面天线实现宽带宽角扫描的周期性地板。周期性地板包括至少一个地板单元，每个地板单元由四个第一结构单元构成；每个第一结构单元是一个第二结构单元沿中心轴线方向切分为四等份中的一份；其中每个第二结构单元包括从上至下的圆柱金属件、十字柱形金属件以及截面呈矩形的金属板；其中，四个相邻的第一结构单元按照矩形方式进行排布，四个相邻的第一结构单元中的金属板位在同一水平面内相互连接，且四个相邻的第一结构单元中的十字柱形金属件形成安装区域。本发明的用于低剖面天线实现宽带宽角扫描的周期性地板，结构简单，易于实现，有效地解决了低剖面天线的宽带宽角扫描设计难题。

Description

一种用于低剖面天线实现宽带宽角扫描的周期性地板
技术领域
本发明涉及相控阵雷达天线技术领域，特别涉及一种用于低剖面天线实现宽带宽角扫描的周期性地板。
背景技术
随着相控阵雷达技术的不断发展，不论是雷达还是电子对抗系统，为提高自身的作战能力和范围，除要求雷达天线宽带工作外，还要求大空域覆盖、宽角度扫描等。因此，在改善相控阵天线工作带宽的同时兼顾宽角扫描特性就成为亟待解决的关键问题。
传统的有源相控阵辐射单元多采用砖块式的端射天线形式，这种类型的天线能够获得较宽的工作带宽和较大的波束扫描角，但是也存在着固有的缺陷：大体积、大重量制约了天线在机载平台上的大面积应用；高剖面的特性使得其结构强度随着天线高度的升高而减弱；天线的安装是使用金属条状夹人为地与射频前端相关器件进行连接，制作过程复杂。
微带天线顺应了现代机载雷达系统小型化、轻量化、高可靠性和多功能性的发展趋势，具备剖面低、体积小、重量轻、易与载体表面共形、易与有源器件集成等诸多优点，可以作为新型相控阵雷达的天线形式。
目前，展宽这种低剖面天线带宽的技术主要包括增加微带介质的厚度，降低微带介质的介电常数，引入寄生贴片、加载缝隙等。然而微带天线在开放式的微带基板上易激励起表面波的传播，导致微带阵列的单元之间产生比普通阵列单元间更加复杂和强烈的互耦效应，导致阵列阻抗失配、辐射方向图失真等性能恶化。大角度扫描时，这种互耦效应更加强烈，使扫描盲点现象更加严重。因而，低剖面的天线在保证宽带工作时，难以实现宽角度扫描。
发明内容
本发明的目的是提供了一种用于低剖面天线实现宽带宽角扫描的周期性地板，以解决现有低剖面天线存在的至少一个问题。
本发明的技术方案是：
一种用于低剖面天线实现宽带宽角扫描的周期性地板，包括至少一个地板单元，每个所述地板单元上具有用于安装微带天线的安装区域，每个所述地板单元由四个第一结构单元构成；
每个所述第一结构单元是一个第二结构单元沿中心轴线方向切分为四等份中的一份；其中
每个所述第二结构单元包括从上至下的圆柱金属件、十字柱形金属件以及截面呈矩形的金属板，所述圆柱金属件、十字柱形金属件以及金属板的中心轴线位于同一直线上，所述十字柱形金属件在所述金属板上的投影呈两条交叉的线段，所述两条线段分别与所述金属板的相邻的两条边平行，且所述两条线段的长度分别小于与其相平行的边；
四个相邻的所述第一结构单元按照矩形方式进行排布，四个相邻的第一结构单元中的金属板在同一水平面内相互连接，以形成一个所述地板单元，且在所述地板单元中，四个相邻的第一结构单元中的十字柱形金属件是以能够形成最大面积的布置方式进行布置，所述最大面积为所述安装区域。
可选的，当所述地板单元的数量大于一个时，所有所述地板单元在同一水平面内沿任一所述地板单元的边长方向依次排布。
可选的，当所述地板单元的数量大于4个时，所有所述地板单元在同一水平面内呈网格状排布，且任意相邻的四个相邻的所述地板单元构成一个矩形。
可选的，在同一个所述地板单元中，任意相邻的所述第一结构单元为一体成型构件；
任意相邻的两个所述地板单元之间，相邻的所述第一结构单元为一体成型构件。
可选的，所述金属板的截面呈正方形，所述十字柱形金属件在所述金属板上的两条投影线段的长度相等。
可选的，所述十字柱形金属件的平行于中轴线的每一条棱边具有预定半径的倒角。
可选的，所述第二结构单元中所述圆柱金属件和十字柱形金属件的轴向高度之和小于所述微带天线的厚度。
可选的，在每个所述地板单元中，开设有至少一个馈电孔，用于所述微带天线的馈电；其中
所述馈电孔是位于所述安装区域内的金属板上。
发明效果：
本发明的用于低剖面天线实现宽带宽角扫描的周期性地板，有效地解决了低剖面天线的宽带宽角扫描设计难题，采用的周期性结构作为天线阵的地板，结构简单，易于实现，降低天线的加工难度，并且能显著提高天线的机械强度。
附图说明
图1是本发明一个实施例的用于低剖面天线实现宽带宽角扫描的周期性地板的结构示意图；
图2是本发明用于低剖面天线实现宽带宽角扫描的周期性地板中第二结构单元的主视图；
图3是本发明用于低剖面天线实现宽带宽角扫描的周期性地板中第二结构单元的俯视图；
图4是本发明用于低剖面天线实现宽带宽角扫描的周期性地板中地板单元的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
下面结合附图1至图4对本发明用于低剖面天线实现宽带宽角扫描的周期性地板做进一步详细说明。
本发明提供了一种用于低剖面天线实现宽带宽角扫描的周期性地板，包括至少一个地板单元1，且每个地板单元1上具有用于安装微带天线的安装区域11(即天线的基座)；其中，每个地板单元1又是由四个第一结构单元2构成。第一结构单元2的结构可以根据需要进行适合的设置，在本实施例中，特别如图1，每个第一结构单元2是一个第二结构单元3沿轴向方向切分为四等份中的一份。
具体地，如图2和图3所示，每个第二结构单元3包括从上至下一体成型的圆柱金属件31、十字柱形金属件32(横截面呈十字形的柱形件)以及截面呈矩形的金属板33；圆柱金属件31、十字柱形金属件32以及金属板33的中心轴线位于同一直线上；十字柱形金属件32在金属板33上的投影呈两条交叉的线段，两条线段分别与金属板33的相邻的两条边平行，且两条线段的长度分别小于与其相平行的边。也即是说，一个第一结构单元2分别由四分之一的圆柱金属件31、四分之一的十字柱形金属件32以及四分之一的金属板33构成。另外，优选四分之一的金属板33的截面(沿金属板33板面方向的截面)呈正方形，四分之一的十字柱形金属件32在该金属板33上的两条投影线段的长度相等。
进一步，在本发明的周期性地板中，任意四个相邻的第一结构单元2按照矩形方式进行排布；四个相邻的第一结构单元2中的四分之一的金属板33在同一水平面内相互连接，以形成一个地板单元1。并且，特别如图4所示，在一个地板单元1四个相邻的第一结构单元2中，四个四分之一的十字柱形金属件32是直角开口方向相对的布置方式进行布置(连接端并未完全封口，预留有间隙)，从而能够形成最大面积，即上述地板单元1中的安装区域11。需要说明的是，最大面积具有是根据与配合的微带天线形状来确定，例如当微带天线成矩形时，上述四个四分之一的十字柱形金属件32构成的最大面积形状即为相匹配的矩形；如果微带天线成圆形时，侧相应地最大面积形状为圆形。实施例中，优选为近似矩形的微带天线；还需要说明的是，矩形微带天线的四条边具有凸起，每个凸起的形状与上述四任意两个四分之一的十字柱形金属件32之间的间隙的形状相匹配；在后续安装过程中，任意相邻的两个微带天线之间是通过相对侧的凸起进行连接的。
进一步，本发明的用于低剖面天线实现宽带宽角扫描的周期性地板中，地板单元1的数量已经排布结构可以根据需要进行适合的选择。
在本发明的一个实施例中，当地板单元1的数量大于一个时，所有地板单元1在同一水平面内沿任一地板单元1的边长方向依此排布(参照图1中由左至右或者由上至下的方向)。
在本发明的另一个实施例中，参照图1所示，当地板单元1的数量大于4个时，所有地板单元1在同一水平面内呈网格状排布，且任意相邻的四个相邻的地板单元1构成一个矩形。
进一步，优选在同一个地板单元1中，任意相邻的第一结构单元2为一体成型构件；任意相邻的两个地板单元1之间，相邻的第一结构单元2为一体成型构件。
进一步，本发明的用于低剖面天线实现宽带宽角扫描的周期性地板中，十字柱形金属件32的平行于中轴线的每一条棱边(参照图2中所示的沿垂直方向的边)具有预定半径的倒角R。
进一步，本发明的用于低剖面天线实现宽带宽角扫描的周期性地板中，第二结构单元3中圆柱金属件31和十字柱形金属件32的轴向高度之和小于微带天线的厚度。
进一步，本发明的用于低剖面天线实现宽带宽角扫描的周期性地板中，在每个地板单元1中，开设有至少一个馈电孔，用于安置微带天线的同轴连接器，使得微带天线能够进行馈电；其中，馈电孔具体是位于安装区域内的金属板33上。
下面是本发明周期性地板的一个具体示例：
如图1所示，地板单元1取64个，将64个地板单元1按照周期(每个地板单元1的边长)P＝12.5mm进行排列，组成8*8的阵列，并在形成的64个矩形的安装区域11中分别嵌入同样大小的微带贴片天线，构成8*8的微带天线阵。进一步，形成的该微带天线单元采用双层贴片结构，上层贴片边长为7.1mm，下层贴片边长为7.72mm。
另外，每个第二结构单元3尺寸如下：金属板厚度H1＝1.8mm；十字柱形金属件厚度H2＝2.6mm，十字柱形金属件厚度H2＝2.6mm；十字柱形金属长度中四分之一边长L＝4.7mm、宽度W＝2.4mm；十字柱形金属长度中棱边的倒角半径R＝0.5mm；圆柱金属件的高度H3＝3.8mm。
通过对上述实例进行仿真可知，该天线在方位角、俯仰角扫描到±60°时，均能满足8～12GHz内电压驻波比VSWR<2，相对带宽达40％，从而有效地解决低剖面天线的宽带宽角扫描问题。
综上所述，本发用于低剖面天线实现宽带宽角扫描的周期性地板，通过阶梯状(即第二结构单元3的结构)的金属结构设计，显著地遏制了微带天线单元间的耦合，减少了表面波的传输，有效地解决了低剖面天线宽带宽角扫描的设计难题。并且，该周期性地板结构简单、易于实现；采用金属块进行一体化加工设计，能够大大降低天线的加工难度。进一步，微带低剖面的天线多采用多层介质材料黏合而成，为了增加带宽，常采用泡沫基板以减小介质材料的介电常数，而本发明是将微带天线置于地板结构的凹陷处(矩形的安装区域11中)，能显著提高天线的机械强度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用于低剖面天线实现宽带宽角扫描的周期性地板，其特征在于，包括至少一个地板单元(1)，每个所述地板单元(1)上具有用于安装微带天线的安装区域(11)，每个所述地板单元(1)由四个第一结构单元(2)构成；
每个所述第一结构单元(2)是一个第二结构单元(3)沿中心轴线方向切分为四等份中的一份；其中
每个所述第二结构单元(3)包括从上至下的圆柱金属件(31)、十字柱形金属件(32)以及截面呈矩形的金属板(33)，所述圆柱金属件(31)、十字柱形金属件(32)以及金属板(33)的中心轴线位于同一直线上，所述十字柱形金属件(32)在所述金属板(33)上的投影呈两条交叉的线段，所述两条线段分别与所述金属板(33)的相邻的两条边平行，且所述两条线段的长度分别小于与其相平行的边；
四个相邻的所述第一结构单元(2)按照矩形方式进行排布，四个相邻的第一结构单元(2)中的金属板(33)在同一水平面内相互连接，以形成一个所述地板单元(1)，且在所述地板单元(1)中，四个相邻的第一结构单元(2)中的十字柱形金属件(32)是以能够使所述安装区域(11)形成最大面积的布置方式进行布置。
2.根据权利要求1所述的用于低剖面天线实现宽带宽角扫描的周期性地板，其特征在于，当所述地板单元(1)的数量大于一个时，所有所述地板单元(1)在同一水平面内沿任一所述地板单元(1)的边长方向依次排布。
3.根据权利要求1所述的用于低剖面天线实现宽带宽角扫描的周期性地板，其特征在于，当所述地板单元(1)的数量大于4个时，所有所述地板单元(1)在同一水平面内呈网格状排布，且任意相邻的四个相邻的所述地板单元(1)构成一个矩形。
4.根据权利要求2或3所述的用于低剖面天线实现宽带宽角扫描的周期性地板，其特征在于，在同一个所述地板单元(1)中，任意相邻的所述第一结构单元(2)为一体成型构件；
任意相邻的两个所述地板单元(1)之间，相邻的所述第一结构单元(2)为一体成型构件。
5.根据权利要求4所述的用于低剖面天线实现宽带宽角扫描的周期性地板，其特征在于，所述金属板(33)的截面呈正方形，所述十字柱形金属件(32)在所述金属板(33)上的两条投影线段的长度相等。
6.根据权利要求1所述的用于低剖面天线实现宽带宽角扫描的周期性地板，其特征在于，所述十字柱形金属件(32)的平行于中轴线的每一条棱边具有预定半径的倒角。
7.根据权利要求1所述的用于低剖面天线实现宽带宽角扫描的周期性地板，其特征在于，所述第二结构单元(3)中所述圆柱金属件(31)和十字柱形金属件(32)的轴向高度之和小于所述微带天线的厚度。
8.根据权利要求1所述的用于低剖面天线实现宽带宽角扫描的周期性地板，其特征在于，在每个所述地板单元(1)中，开设有至少一个馈电孔，用于所述微带天线的馈电；其中
所述馈电孔是位于所述安装区域(11)内的金属板(33)上。
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