CN108631069A - 一种可整体埋腔的超宽带垂直极化端射式相控阵 - Google Patents

一种可整体埋腔的超宽带垂直极化端射式相控阵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可整体埋腔的超宽带垂直极化端射式相控阵。该阵列由4个低剖面对数周期单极子天线构成，阵列可整体埋入腔体，实现波束指向为端射方向的方位面±45°扫描。阵列的相对带宽大于100％，剖面高度约为0.051λL(λL为工作频带内的低频波长)。阵列单元的馈电部分由SMA接头、微带线‑槽线结构和共面金属带线构成；阵列单元的辐射部分由13个单极子天线构成，单极子天线设计为铜棒，并在其顶部加载厚度为0.51mm的覆铜介质基板结构；阵列的馈电部分由1片厚度为3.18mm的覆铜F4BM介质基板和4片厚度为0.635mm的覆铜RF‑10介质基板经蚀刻、压合而成；共面金属带线末端具有2个51欧姆0805封装尺寸的贴片电阻。

Description

一种可整体埋腔的超宽带垂直极化端射式相控阵
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，涉及到一种可整体埋腔的超宽带垂直极化端射式相控阵，具体来说是一种由对数周期单极子天线构成的，可整体埋入金属腔体的，可用于雷达探测和无线通信领域的，可以实现波束指向为端射方向的方位面±45°扫描的垂直极化天线阵列。
背景技术
随着现代军事技术的不断发展，空中打击甚至是太空打击力量逐步成为现代军事战争中的主导力量。垂直极化的低剖面、超宽带相控扫描阵列是一直是阵列天线设计的难点。对于应用于机载平台的阵列天线，第一，要求波束覆盖范围广和天线扫描盲区小；第二，要求阵列天线不影响飞机的机动性和运载能力，即风阻小、剖面低、质量轻。传统意义上，这两点要求存在一定的矛盾。另一方面，侧射阵列广泛应用于传统的雷达和通信系统，其辐射方向为阵列排布的法向，要使高增益的波束覆盖到某一空域，对应的机载相控阵天线在该方向上就要有相应足够大的口径。若要在前后空域实现较高增益和较宽波束覆盖，则要求阵列面向辐射方向具有较大的等效口径，这会极大地影响飞机的机动性。近年来，端射阵列逐步应用于机载系统，其主要原因是端射阵列的辐射方向为沿单元排布的轴向，在最大辐射方向的方向系数不再与等效口径尺寸成正比。因此，端射阵列在实现天线与金属平台共形的同时，能够弥补侧射阵列的扫描盲区。
目前在金属平台上的超宽带、低剖面端射天线技术主要有以下几种实现形式。一是基于介质集成波导(SIW)的H面喇叭天线。在文献“Wideband and Low-Profile H-PlaneRidged SIW Horn Antenna Mounted on a Large Conducting Plane”中，作者提出了一种相对带宽大于100％的H面喇叭天线，具有0.13λL(λL为工作频带内的低频波长)的较低剖面；二是表面波天线，其原理是通过高介电常数的介质吸附能量在其表面流动，文献“WidebandFlush-Mounted Surface Wave Antenna of Very Low Profile”提出了一种相对带宽约100％，剖面高度约0.12λL的表面波天线；三是基于耦合微带线的谐振天线，文献“CompactWideband and Low-Profile Antenna Mountable on Large Metallic Surfaces”提出了这种相对带宽大于100％，剖面高度约0.045λL的天线；四是对数周期单极子天线，文献“Low-Profile Log-Periodic Monopole Array”中，提出一种相对带宽为127％，剖面高度为0.047λL的对数周期单极子天线。
然而，对于相位扫描阵列的应用，已发表文献提出的上述四种天线具有两大缺陷：一是阵列不具有扫描特性。尽管上述四类天线均能实现超宽带特性，但是这些天线的横向尺寸都大于0.5λH(λH为工作频带内的高频波长)。利用这些天线作为阵列单元时，阵列难以在整个工作频段内满足具有扫描特性的栅瓣抑制条件。二是低频时的阵列具有较大物理尺寸。尽管上述四类天线均具有低剖面特性，但是，当所述阵列设计在较低频段工作时，如L波段(1GHz-2GHz)、S波段(2GHz-4GHz)，这些阵列的单元物理高度仍有数厘米。此时，若将阵列直接安装在对机动性要求较高的移动平台，则必然增加风阻，影响力学性能。因此，对端射阵列天线的研究和改进，尤其是对具有扫描特性的、工作频段较低的、具有低剖面和超宽带特性的垂直极化端射阵列天线的研究和改进，仍然有很大的空间。
发明内容
本发明基于上述技术背景，提出了可整体埋腔的超宽带垂直极化端射式相控阵。阵列在波束指向为端射方向的方位面±45°扫描，驻波比小于2.0的相对带宽大于100％。阵列单元由对数周期单极子天线组成，其极化方式为垂直极化。阵列单元由13个谐振频率按对数周期规律变化的单极子天线构成。单极子天线通过容性加载技术，实现了0.051λL的较低剖面高度。阵列单元的横向尺寸为0.16λL，使之在整个工作频段内满足具有±45°扫描特性的栅瓣抑制条件。此外，本发明基于阵列天线结构，提出了一种埋腔技术。该技术能够将该阵列天线整体埋入金属腔体，进一步降低剖面高度，从而实现阵列完全不凸出金属平台的齐平安装方式。
该阵列适用于要求埋腔安装的低剖面、端射并在波束指向为端射方向的方位面实现±45°扫描的应用，请参考图1和图2，阵列的基本结构包括：1、SMA KFD馈电接头2、馈电部分共面金属带线的介质基板3、馈电部分微带线的介质基板4、单极子天线加载部分的介质基板5、馈电部分的共面金属带线结构6、馈电部分的微带线结构7、微带线-槽线馈电结构8、单极子天线加载部分的金属贴片9、单极子天线的铜棒10、固定单极子天线铜棒9和加载部分8的介质通孔11、微带线-槽线馈电结构7与共面金属带线结构5的地板的金属化通孔12、共面金属带线5末端的焊盘13、51欧姆0805封装尺寸的贴片电阻14、固定介质基板的介质通孔15、固定介质基板的尼龙螺钉16、金属腔体。
本发明的创新主要有以下三点：1)为了同时实现阵列的低剖面特性和垂直极化工作方式，对数周期结构内的单极子天线设计为铜棒，并在其顶部进行容性加载。2)为了实现阵列在相对带宽大于100％的超宽频带内，波束指向为端射方向时的方位面±45°无栅瓣扫描，优化了阵列单元容性加载结构的尺寸，将阵列单元的横向尺寸缩减为0.16λL。3)为了进一步降低阵列的剖面高度，提出了基于本发明的端射阵列埋腔技术。这种技术可在不影响阵列辐射性能的前提下，将阵列整体安装于金属腔体内，使之完全不凸出金属平台。
本发明的特点是利用容性加载技术和阵列天线埋腔技术，实现阵列低剖面特性和垂直极化工作方式，并对阵列进行整体埋腔，实现在波束指向端射方向的方位面具有稳定增益的±45°无栅瓣扫描。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种实施方式提供的一种可整体埋腔的超宽带垂直极化端射式相控阵立体结构图。该图所示为有限大的1×4阵列的示意图，该阵列的工作频段为1.0-3.0GHz，阵列单元间距约为0.17λL，即50mm；阵列天线的整体尺寸为420mm×215mm×18.38mm；金属腔体的整体尺寸为670mm×370mm×21.38mm；其中，用于安装阵列的腔体凹陷部分的尺寸为600mm×325mm×18.38mm。
图2是图1所示的阵列单个单元的立体结构图；
图3是图2所示阵列单元在HFSS仿真的输入端口的驻波结果示意图；
图4是图1所示的1×4阵列中间3号单元端射时及±45°扫描时的驻波示意图；
图5(a)是图1所示的1×4阵列未扫描时1.0GHz，1.5GHz，2.5GHz和3.0GHz的俯仰面增益方向图；
图5(b)是图1所示的1×4阵列未扫描时1.0GHz，1.5GHz，2.5GHz和3.0GHz的方位面增益方向图；
图6(a)是图1所示的1×4阵列在方位面由波束指向为端射方向的方位面扫描至时1.0GHz的方位面增益方向图；
图6(b)是图1所示的1×4阵列在方位面由波束指向为端射方向的方位面扫描至时1.5GHz的方位面增益方向图；
图6(c)是图1所示的1×4阵列在方位面由波束指向为端射方向的方位面扫描至时2.5GHz的方位面增益方向图；
图6(d)是图1所示的1×4阵列在方位面由波束指向为端射方向的方位面扫描至时3.0GHz的方位面增益方向图；
图7是图1所示的1×4阵列未扫描时在1.0GHz，1.5GHz，2.5GHz和3.0GHz的方位面的主极化和交叉极化增益方向图；
图8是图1所示的1×4阵列在工作频带内的最大可实现增益。
具体实施方案
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一个实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
请参考图1与图2。图1是本发明一种实施方式提供的一种可整体埋腔的超宽带垂直极化端射式相控阵立体结构图。该图所示天线阵列为有限大的1×4阵列，该阵列工作频段为1.0-3.0GHz，阵列单元间距为0.17λL，即50mm；阵列天线的整体尺寸为420mm×215mm×18.38mm；金属腔体的整体尺寸为670mm×370mm×21.38mm；其中，用于安装阵列的腔体凹陷部分的尺寸为600mm×325mm×18.38mm。通过改变各单元馈电相位，可以实现波束指向端射方向的方位面±45°扫描。
图2是本发明实施方式中的单个对数周期天线单元的具体结构。基本结构包括：1、SMAKFD馈电接头2、馈电部分共面金属带线的介质基板3、馈电部分微带线的介质基板4、单极子天线加载部分的介质基板5、馈电部分的共面金属带线结构6、馈电部分的微带线结构7、微带线-槽线馈电结构8、单极子天线加载部分的金属贴片9、单极子天线的铜棒10、固定单极子天线铜棒9和加载部分8的介质通孔11、微带线-槽线馈电结构7与共面金属带线结构5的地板的金属化通孔12、共面金属带线5末端的焊盘13、51欧姆0805封装尺寸的贴片电阻14、固定介质基板的介质通孔15、固定介质基板的尼龙螺钉16、金属平台。
对数周期天线单元的馈电部分为四层介质板，由旺灵公司生产的3.18mm F4BM介质基板和Taconic公司生产的0.635mm RF-10压合而成，四层板的四周打12个Φ2mm的介质通孔并通过尼龙螺钉固定到铝板上。F4BM介质基板正面为共面金属带线，反面为金属地；RF-10介质基板正面为馈电微带线，反面结合F4BM的金属带线，构成一个微带线-槽线馈电结构，实现对辐射部分的宽频带馈电。共面金属带线末端各接一个51欧姆的0805封装尺寸的贴片电阻。对数周期天线单元的辐射部分为13个采用容性加载技术的单极子天线，其容性加载部分采用Rogers公司的0.51mm的RO5880介质板的顶层覆铜贴片实现，而RO5880介质板的贴片中心处为介质通孔，用以高度为15.2mm(0.051λL)的铜棒，铜棒的另一端焊接到共面金属带线上，从而获得辐射方向为端射的方向图。RO5880的四个角各打1个Φ2mm的介质通孔并通过尼龙螺钉贯穿F4BM(打介质通孔)固定到铝板上。
图1所示的1×4阵列的馈线印刷在尺寸为420mm×215mm的F4BM与RF-10压合的四层板上。四个单元各具有一个SMA KFD接头，从而实现阵列馈电。阵列的整体高度为18.38mm，其中天线辐射部分高度为15.2mm(0.051λL)。阵列单元间距为50mm(0.17λL)。金属腔体凹陷的天线安装部分打通孔，通孔的位置与四层板上的介质孔和金属化孔的尺寸、位置一致，目的是固定天线。阵列的金属地直接用腔体凹陷部分代替，其尺寸有两个选定原则：一是对阵列扫描±45°的有源驻波的影响要小；二是对阵列扫描±45°的远场增益方向图的影响要小。因此，通过HFSS对结构和阵列结构的联合仿真，能够优化出腔体的具体结构。此时，容性加载部分的RO5880介质板与腔体的金属上表面应该齐平，从而实现阵列的整体埋腔。
图3是图2所示阵列单元在HFSS仿真时输入端口的驻波结果示意图；在0.9GHz-3.4GHz的范围内，单元的驻波小于2，相对带宽大于100％。
图4是图1所示1×4阵列中间3号单元端射时及±45°扫描时的驻波示意图。由于有限大阵列的边缘效应及金属腔体的影响，阵列的驻波比单个对数周期天线单元略有恶化。仿真结果显示，端射时(扫描角度0°)阵列的有源驻波小于2.0的频段为1.0GHz-3.0GHz，有源驻波小于2.5的频段为1.0GHz-3.4GHz；当阵列在波束指向为端射方向的方位面扫描到±45°，阵列的有源驻波有所起伏，但在工作频段1.0GHz-3.0GHz的有源驻波绝大部分小于2.5，整体小于3.0。可见，方位面扫描角度在-45°-+45°时，阵列的相对带宽大于100％。
图5(a)是图1所示的1×4阵列未扫描时1.0GHz，1.5GHz，2.5GHz和3.0GHz的俯仰面增益方向图；图5(b)是图1所示的1×4阵列未扫描时1.0GHz，1.5GHz，2.5GHz和3.0GHz的方位面增益方向图；在方位面实现波束指向为端射的辐射效果。在俯仰面，由于电磁波在有限大金属平台的绕射效应，波束指向上翘约30°。
图6(a)是图1所示的1×4阵列在方位面由波束指向为端射方向的方位面扫描至时1.0GHz的方位面增益方向图；图6(b)是图1所示的1×4阵列在方位面由波束指向为端射方向的方位面扫描至时1.5GHz的方位面增益方向图；图6(c)是图1所示的1×4阵列在方位面由波束指向为端射方向的方位面扫描至时2.5GHz的方位面增益方向图；图6(d)是图1所示的1×4阵列在方位面由波束指向为端射方向的方位面扫描至时3.0GHz的方位面增益方向图。由于阵列具有高度对称性，且波束指向为端射方向方位面的方位角扫描特性仅讨论-45°扫描的增益方向图，即由扫描至的增益方向图。可以看出，阵列在方位面由扫描至波束主瓣在1.0GHz的可实现增益最大相差小于1.0dB，在1.5GHz的可实现增益最大相差小于1.3dB，在2.5GHz的可实现增益最大相差小于0.5dB，在3.0GHz的可实现增益最大相差小于0.2dB，可以实现波束指向为端射方向的，具有稳定增益的方位面45°扫描。
图7是图1所示的1×4阵列未扫描时在1.0GHz，1.5GHz，2.5GHz和3.0GHz的方位面的主极化和交叉极化增益方向图。可以看出考察频点1.0GHz，1.5GHz，2.5GHz和3.0GHz在波束指向为端射方向的方位面，即方位角的主极化增益大于交叉极化增益25dB以上，在方位角的范围内，主极化增益大于交叉极化增益10dB以上。可见，阵列在工作频带内的交叉极化较好，能够实现垂直极化的工作特性。图8是图1所示的有限大1×4阵列在工作频带内的最大可实现增益，可看出该阵列能够达到的最大可实现增益的范围为7.5-14.4dBi。
以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，自然也可以据以上所述对实施方案做一系列的变更。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (5)

1.一种可整体埋腔的超宽带垂直极化端射式相控阵，其特征在于：阵列的基本结构包括：1、SMA KFD馈电接头2、馈电部分共面金属带线的介质基板3、馈电部分微带线的介质基板4、单极子天线加载部分的介质基板5、馈电部分的共面金属带线结构6、馈电部分的微带线结构7、微带线-槽线馈电结构8、单极子天线加载部分的金属贴片9、单极子天线的铜棒10、固定单极子天线铜棒9和加载部分8的介质通孔11、微带线-槽线馈电结构7与共面金属带线结构5的地板的金属化通孔12、共面金属带线5末端的焊盘13、51欧姆0805封装尺寸的贴片电阻14、固定介质基板的介质通孔15、固定介质基板的尼龙螺钉16、金属腔体。
2.根据权利要求1所述的可整体埋腔的超宽带垂直极化端射式相控阵，其特征在于：阵列内单极子天线设计为铜棒并加载矩形金属贴片的结构，使阵列单元辐射部分具有0.051λL的剖面高度和0.16λL的横向尺寸，以保证低剖面要求下的天线垂直极化工作方式和工作频带内的水平面无栅瓣扫描。
3.根据权利要求1所述的可整体埋腔的超宽带垂直极化端射式相控阵，其特征在于：所述的阵列能够在相对带宽大于100％的工作频段内，实现具有波束指向为端射的远场方向图。
4.根据权利要求1所述的可整体埋腔的超宽带垂直极化端射式相控阵，其特征在于：所述的阵列能够在相对带宽大于100％的工作频段内，实现波束指向为端射方向的方位面±45°扫描。
5.根据权利要求1所述的可整体埋腔的超宽带垂直极化端射式相控阵，其特征在于：所述阵列的安装采用了整体埋腔技术，而非直接安装在金属平台上。所述阵列将腔体结构与阵列结构联合仿真，在不影响阵列有源驻波及远场增益的原则下，得到适用于该阵列的腔体尺寸，实现阵列在金属平台凹陷处安装且不凸出金属平台的整体埋腔。
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