CN108682944B - 一种小型化低剖面超宽带对数周期单极阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型化低剖面超宽带对数周期单极阵列天线，特点是利用22个工作在不同频率的单极子来实现超宽带特性，辐射方向图指向为阵列的端射方向，部分单极子通过顶端加载平板电容的方式引入电容来降低整体单元的剖面，采用较高介电常数的基板来实现馈线和整体结构的小型化。本发明能够在10.7：1的带宽范围内满足驻波比VSWR<2.5，剖面高度为0.053λl，宽度为0.061λl，其中λl为最低频点在自由空间对应的波长，该发明优点是能够在超宽带范围内稳定地实现垂直极化端射方向图，具有剖面低、结构紧凑、易共形、设计简单的特点。其设计方法和成果能为机载平台天线单元及阵列设计提供理论指导和性能评估方法，为解决金属机体平台共形天线提供新的思路。

Description

一种小型化低剖面超宽带对数周期单极阵列天线
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，涉及的是一种小型化低剖面超宽带对数周期单极阵列天线，具体来说是一种利用多个不同形式加载的单极子组成的阵列，实现超宽带垂直极化端射性能的天线，具有低剖面和小型化的特点。其可用于雷达探测和无线通信领域的，易安装在金属平台表面实现共形，可灵活用于有不同形式信号覆盖要求的无线通信系统。
背景技术
随着信息技术和现代军事技术的不断发展，端射天线作为雷达和通信系统的重要组成部分，也被越来越多的运用到不同的场合中，这类天线对于远程预警、远程侦查并掌握制空权有着非常重要的作用和意义。
对于应用于特殊场合的阵列天线，如机载、弹载雷达中的阵列天线要求剖面低、空气阻小、质量轻，不威胁载机的运载能力和机动性。传统的雷达和通信系统一般采用水平极化的形式天线，而水平极化的天线在接收和发射具有一定的局限性，另外一方面，传统的垂直极化的天线或者天线阵列，都具有较高的物理剖面，这样对载体本身结构造成破坏，影响其气动性能。因此，采用和飞行器平台载体共形的小型化低剖面天线或者天线阵列就成为了工程中的首选。低剖面共形天线为飞行器载体平台带来了至少三个好处：
1.低剖面特性，有效降低载体平台天线的突出或者外露部分，提升飞行器载体平台气动性能，降低飞行器载体整体的雷达散射特性；
2.增加天线的孔径，有效提高天线的功率孔径积；
3.实现大角度波束范围。
此外，由于高空飞行器平台所承载的天线系统常常需要实现远程预警、大范围目标监测、高分辨率成像、通信、对抗等诸多功能，因此往往需要安装多副工作在不同频段的阵列天线，所以，能够覆盖更宽的频段的天线就愈发重要。作为雷达、通信、侦查、遥感等诸多电子系统的关键部件，天线的辐射特性直接影响整机的工作性能。机载平台上复杂的电磁环境以及机体本身的物理结构都会对机载天线的辐射性能产生影响，辐射性能良好的孤立天线在机载平台上往往会有不同程度的恶化。因而天线的重量、尺寸大小、外形特征、安装位置、以及结构强度也会反过来影响飞行器的飞行性能。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术的缺陷，提出一种小型化低剖面超宽带对数周期单极阵列天线，特点是利用22个工作在不同频率的单极子来实现超宽带特性，辐射方向图指向为阵列的端射方向，部分单极子通过顶端加载平板电容的方式引入电容来降低整体单元的剖面，采用较高介电常数的基板来实现馈线和整体结构的小型化。本发明能够在10.7：1的带宽范围内满足驻波比VSWR<2.5，剖面高度为0.053λl，平板电容结构和顶层金属贴片的最大宽度为0.061λl，其中λl为最低频点在自由空间对应的波长，该发明优点是能够在超宽带范围内稳定地实现垂直极化端射方向图，具有剖面低、结构紧凑、易共形、设计简单的特点。其设计方法和成果能为机载平台天线单元及阵列设计提供理论指导和性能评估方法，为解决金属机体平台共形天线提供新的思路。
该天线的基本结构请参考图1包括：底层介质板(1)；顶层介质基板(2)；底部金属面(3)；同轴馈电结构(4)；金属圆柱形振子结构(5)；底部馈线(6)；过孔(7)；连接顶层介质板上下层金属贴片的金属化边缘，形成平板电容结构(8)；金属短路探针(9)；顶层金属贴片(10)。
本发明的创新主要有以下两点：1)为了增加天线的带宽，采用了22个工作在不同频点的单极子组成，采用串联馈电的方式，形成了10.7:1的有效带宽。2)为了降低天线单元剖面，单极子采用了两种顶层加载形式，其中一种为顶层金属贴片加载，目的其一是为了延长电流路径，其二是为了与地面形成加载电容，从而降低剖面；另外一种加载方式为顶部平板电容形式加载，其目的也是延长电流路径的同时，增加加载电容，其电容主要由平板间的物理特性产生。3)为了缩小馈线的尺寸，做到单元结构的小型化，采用了较高的介电常数的介质衬底，本设计中采用了介电常数为10，厚度为1.27mm的衬底。4)为了改善天线的阻抗匹配，增大天线带宽，除改变馈线的宽度外，在天线中部分引入短路探针，用来增加输入阻抗，从而达到天线的良好匹配。5)顶层加载的金属贴片和平板电容，位于同一个高度，使用介质衬底稳定，本设计中采用了节点常数为4.4，厚度为0.508mm的衬底，易于实现加工和结构稳固。
附图说明
图1为本发明一种小型化低剖面超宽带对数周期单极阵列天线的立体结构图。该图所示天线工作在1-10.7GHz，剖面高度为0.053λl，即是16mm,平板电容结构和顶层金属贴片的最大宽度为0.061λl，即是18.4mm。天线的长度为520mm，剖面高度为16mm，平板电容结构和顶层金属贴片的最大宽度为18.4mm。
图2为图1所示天线结构的正视图(a)、侧视图(b)和馈线的正视图(c)。
图3为图1所示天线在1-11GHz带内的驻波比分布曲线和可实现最大增益曲线。
图4为图1所示天线在低频段频率(2GHz)的水平面主极化辐射方向图。
图5为图1所示天线在低频段频率(2GHz)的俯仰面主极化辐射方向图。
图6为图1所示天线在中间段频率(5GHz)的水平面主极化辐射方向图。。
图7为图1所示天线在中频段频率(5GHz)的俯仰面主极化辐射方向图。
图8为图1所示天线在高频段频率(9GHz)的水平面主极化辐射方向图。
图9为图1所示天线在高频段频率(9GHz)的俯仰面主极化辐射方向图。
图10为图1所示天线在高频段频率(8GHz)的三维辐射方向图(侧视角)。
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。
首先确定天线的工作频带，根据对数周期单极子的理论选择合适的频段划分，如图1所示，该图是本发明一种实施方式提供的一种小型化低剖面超宽带对数周期单极阵列天线的立体结构图，该天线工作在1-10.7GHz，天线的长度为520mm，剖面高度为16mm，平板电容结构和顶层金属贴片的最大宽度为18.4mm。在天线的端射方向加入同轴馈电，该天线的波束指向为端射方向。参考图1可以看出，其主要结构包括了底层介质板(1)；顶层介质基板(2)；底部金属面(3)；同轴馈电结构(4)；金属圆柱形振子结构(5)；底部馈线(6)；过孔(7)；连接顶层介质板上下层金属贴片的金属化边缘，形成平板电容结构(8)；金属短路探针(9)；顶层金属贴片(10)。
图2则显示了该发明实施方案的俯视图(a)和侧视图(b)及馈线部分的俯视图(c)。该实施方案中的顶层介质板采用了Rogers5880，厚度为0.508mm，底层介质板使用Taconic公司生产的CER-10介质基板，其厚度为1.27mm。单极子部分采用了两种顶层加载形式，其中一种为顶层金属贴片加载，目的其一是为了延长电流路径，其二是为了与地面形成加载电容，从而降低剖面；另外一种加载方式为顶部平板电容形式加载，其目的也是延长电流路径的同时，增加加载电容，其电容主要由平板间的物理特性产生。在底层介质基板的上表面为金属面，其表面腐蚀有环孔，方便金属柱子连接到底面的馈线上。馈线如图2(c)所示，其宽度在不同的位置不同，根据单极子的输入阻抗发生变化，由细变宽。
图3是图1所示结构在HFSS仿真下的输入端口驻波比分布和能够实现的最大增益曲线分布示意图。在HFSS仿真下，该结构的驻波整体小于2.5，覆盖了10:1的带宽。可实现增益能够在全频段达到5.1dBi以上。
图4和图5是该结构在2GHz时候的主极化辐射方向图，其中图4为水平面(XOY面)的二维辐射方向图，在水平面最大能够实现增益约为3.2dBi，图5为俯仰面(YOZ面)的二维辐射方向图。可以看出，该结构的最大辐射方向沿着端射方向(-Y轴)，在俯仰面有接近30度的上翘。
图6和图7是该结构在5GHz时候的主极化辐射方向图，其中图6为水平面(XOY面)的二维辐射方向图，在水平面最大能够实现增益约为3.5dBi，图7为俯仰面(YOZ面)的二维辐射方向图。在端射方向俯仰面有接近30度的上翘。
图8和图9是该结构在9GHz时候的主极化辐射方向图，其中图8为水平面(XOY面)的二维辐射方向图，在水平面最大能够实现增益约为1.8dBi，图9为俯仰面(YOZ面)的二维辐射方向图。在端射方向俯仰面也有接近30度的波束上翘。
图10是该设计工作在8GHz时候，产生的三维辐射方向图(侧视角)，可以清晰直观地看出，最大辐射方向为端射方向(-Y轴)，同时，波束指向为俯仰面(YOZ面)上翘30度左右。
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 (1)

1.一种小型化低剖面超宽带对数周期单极阵列天线，其特征在于其结构包含底层介质板(1)；顶层介质基板(2)；底部金属面(3)；同轴馈电结构(4)；金属圆柱形振子结构(5)；底部馈线(6)；过孔(7)；通过连接顶层介质基板(2)下层金属贴片的金属化边缘形成的平板电容结构(8)；多个金属短路探针(9)；设置于顶层介质基板(2)上表面的顶层金属贴片(10)；
所述小型化低剖面超宽带对数周期单极阵列天线，包含三种不同结构的单极子，总计22个；第一种单极子为仅含金属圆柱形振子结构(5)的单极子，第二种单极子为顶层金属贴片(10)下部连接金属圆柱形振子结构(5)和多个金属短路探针(9)组成的单极子，第三种单极子为平板电容结构(8)下部连接金属圆柱形振子结构(5)和多个金属短路探针(9)组成的单极子；底部馈线(6)位于底层介质板(1)的下表面，底部金属面(3)位于底层介质板(1)的上表面，同轴馈电结构(4)位于底层介质板(1)的侧面并与底部馈线(6)连接；第一种单极子为7个，第二种单极子为7个，第三种单极子为8个，三种单极子由靠近同轴馈电结构(4)处开始向远离同轴馈电结构(4)方向依次排列；三种单极子各自的金属圆柱形振子结构(5)经底部金属面(3)上的过孔(7)与底部馈线(6)连接；
所述小型化低剖面超宽带对数周期单极阵列天线中，平板电容结构(8)和顶层金属贴片(10)的最大宽度为0.061λ1，其中，λl为最低频点在自由空间对应的波长；
所述小型化低剖面超宽带对数周期单极阵列天线中，底部馈线(6)的介质衬底的介电常数为10，厚度为1.27mm。
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