CN108879079B - 一种基于电磁吸波体的高隔离度阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁吸波体的高隔离度阵列天线，包括金属底板，金属底板上垂直设置有四个单元天线，四个单元天线相对于金属底板的中心呈对称分布，并依次旋转90°；金属底板上互相垂直的两条轴线上设置由电磁吸波墙组成的电磁吸波体单元；电磁吸波墙为双面结构，包括两层背靠背贴合的电磁吸波板，电磁吸波板的正面设置有等间距的多个微带结构，微带结构包括十字形微带贴片及其外侧设置的方环形微带线。该天线用于北斗卫星导航系统，通过电磁吸波体单元，吸收单元天线近厂区的空间电磁波，降低单元天线之间的空间波耦合，提高单元天线之间的隔离度。

Description

一种基于电磁吸波体的高隔离度阵列天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，还涉及电磁超导体技术领域；具体涉及一种基于电磁吸波体的高隔离度阵列天线。

背景技术

卫星导航系统是现代军事武器装备和作战指挥领域的重要信息源，可以为全球陆、海、空、天各类军事载体提供精确的三维位置与速度信息和高精度的时间基准。但是，地面接收到的卫星导航信号功率相当微弱，卫星导航接收机极易受到无意或者人为的射频信号的干扰，致使导航精度降低，严重时甚至无法捕获卫星导航信号。卫星导航自适应抗干扰天线基于阵列信号处理技术，能够自适应调整阵列天线的方向图，滤除干扰信号的同时保留卫星导航信号，可以极大地提高卫星导航接收机在复杂电磁环境中的抗干扰能力，已经广泛应用于战机、战车、舰船、无人机、雷达、精确制导导弹、单兵手持机等军事领域。

然而，现代军事武器装备的体积越来越紧凑，卫星导航自适应抗干扰天线必须尽可能减小尺寸以满足适装性需求。但是，阵列孔径缩减将导致单元天线之间的电磁耦合加剧，使卫星导航自适应抗干扰天线的性能遭到严重恶化。单元互耦不仅会影响单元天线自身的阻抗匹配、辐射方向图和极化特性，而且会导致阵列的零陷深度变浅、角度偏离干扰信号的波达方向。因此，采取必要的措施降低阵列单元天线之间的电磁耦合，提高阵列单元天线之间的隔离度，对增强卫星导航自适应抗干扰天线的性能至关重要。

电磁吸波体是电磁超材料技术的一个重要分支。电磁吸波体能够吸收特定频带的电磁波，通过将入射的电磁波能量转化为热能的形式消耗掉。与传统的吸波材料相比，电磁吸波体具有吸波率高、厚度薄、频带灵活可调、制作成本低廉的优势，目前在消除电磁干扰和雷达电磁隐身方面得到大量的应用。但是，电磁吸波体应用于提高阵列天线隔离度，尤其是圆极化阵列天线隔离度方面的研究报道，还比较少见。

北斗卫星导航系统是我国拥有自主知识产权的全球卫星导航系统。随着北斗卫星导航系统在我国军事领域当中的深入推广和广泛应用，高性能的北斗卫星导航自适应抗干扰天线已成为北斗卫星导航接收机在复杂电磁环境中正常工作的关键保障。而面对当前日趋紧凑的载体空间尺寸，实现高隔离度的北斗卫星导航阵列天线，则成为保证北斗卫星导航自适应抗干扰天线性能的必要前提。综上所述，有必要基于电磁吸波体，研究设计具有圆极化辐射特性好、单元天线隔离度高、结构尺寸紧凑、制作简单方便、加工成本低廉的新型北斗卫星导航阵列天线。

发明内容

本发明提供了一种基于电磁吸波体的高隔离度阵列天线；该天线用于北斗卫星导航系统，通过电磁吸波体单元，吸收单元天线近厂区的空间电磁波，降低单元天线之间的空间波耦合，提高单元天线之间的隔离度。

本发明的技术方案是：一种基于电磁吸波体的高隔离度阵列天线，包括金属底板，金属底板上垂直设置有四个单元天线，四个单元天线相对于金属底板的中心呈对称分布，并依次旋转90°；金属底板上互相垂直的两条轴线上设置由电磁吸波墙组成的电磁吸波体单元；电磁吸波墙为双面结构，包括两层背靠背贴合的电磁吸波板，电磁吸波板的正面设置有等间距的多个微带结构，微带结构包括十字形微带贴片及其外侧设置的方环形微带线。

更进一步的，本发明的特点还在于：

其中电磁吸波板包括第二介质基板，第二介质基板的背面印制有金属地，第二介质基板的正面印制有微带结构。

其中第二介质基板为环氧树脂玻璃材质。

其中单元天线为右旋圆极化微带单元天线。

其中单元天线包括第一介质基板，第一介质基板的正面中心处印制有方形微带贴片，方形微带贴片的四个角处印制有圆形微带贴片，圆形微带贴片外侧印制有与其同心的弧形微带线；第一介质基板的背面与金属底板之间连接有竖直设置的金属短路柱，且金属短路柱与弧形微带线电性连接。

其中第一介质基板为有机陶瓷层压板材料。

其中方形微带贴片的一个边上印制有圆形的耦合微带贴片，耦合微带贴片通过同轴探针与金属底板连接。

其中四个圆形微带贴片的半径不同。

其中圆形微带贴片与弧形微带线之间具有间隙。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该阵列天线的单元天线之间加载有由电磁吸波墙组成的电磁吸波体单元，利用电磁吸波墙对电磁波的吸收作用，能够将对单元互耦起主要作用的空间电磁波能量转化为热能形式耗散掉，极大地提高了单元天线之间的隔离度，有利于增强北斗卫星导航自适应抗干扰天线的干扰抑制性能；其中十字形微带贴片等效为电容，其外侧的方环形微带线等效为电感，两者构成微带谐振电路，能够吸收入射的电磁波能量，减少单元天线之间的空间波耦合，进而提高单元天线之间的隔离度。

更进一步的，单元天线的四个顶点加载不同半径的圆形微带贴片，用于激励两个幅度相等、相位相差90°的正交模式，从而实现圆极化辐射；金属短路柱连接弧形微带线的等效耦合电容能够降低单元天线的品质因数，进而拓展其工作频带。

更进一步的，单元天线结合金属短路柱加载、弧形耦合微带线加载和缝隙耦合馈电技术(即圆形微带贴片与弧形微带线之间具有间隙)，能够同时减小单元天线的物理尺寸和拓展单元天线的工作频带。

附图说明

图1为本发明阵列天线的结构示意图；

图2为本发明中单元天线的结构示意图；

图3为本发明中电磁吸波体单元的结构示意图；

图4为本发明电磁吸波体单元吸波率和反射率的仿真结果；

图5为本发明阵列天线回波损耗的仿真结果示意图；

图6为本发明阵列天线法向轴比的仿真结果示意图；

图7为没有电磁吸波体单元的阵列天线隔离度的仿真结果示意图；

图8为本发明阵列天线隔离度的仿真结果示意图；

图9为本发明阵列天线远场辐射方向图的仿真结果示意图。

图中：A1-A4为单元天线；5为电磁吸波墙；6为金属底板；11为方形微带贴片；12为圆形微带贴片；13为耦合微带贴片；14为弧形微带线；15为同轴探针；16为金属短路柱；17为第一介质基板；51为第二介质基板；52为金属地；53为方环形微带线；54为十字形微带贴片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步说明。

本发明提供了一种基于电磁吸波体的高隔离度阵列天线，通过在阵列天线的单元天线之间加载由电磁吸波体单元构成的电磁吸波墙5，利用电磁吸波体对电磁波的吸收作用，将对单元天线互耦发挥主要作用的空间电磁波能量转化为热能形式，并且耗散掉，从而能够极大的降低单元天线之间的电磁耦合，提高单元天线之间的隔离度，能够进一步增强阵列天线的自适应干扰抑制性能。

本发明的基于电磁吸波体的高隔离度阵列天线，如图1所示，包括四个小型化的单元天线A1、A2、A3和A4，单元天线为右旋圆极化微带单元天线，还包括垂直放置的具有两面的电磁吸波墙5，电磁吸波墙5和四个单元天线垂直设置在金属底板6上。且四个单元天线A1、A2、A3和A4相对金属底板6的中心呈对称分布，且四个单元天线依次旋转90°，如图1所示，A2相对于A1顺时针旋转90°，A3相对于A2顺时针旋转90°，A4相对于A3顺时针旋转90°，A1相对于A4顺时针旋转90°。两个双面的电磁吸波墙5互相垂直设置，且设置在金属底板6的两条垂直中轴线上。本实施例中，金属底板6为边长L1＝192mm的正方形铝板。

如图2所示，单元天线包括第一介质基板17，第一介质基板17上表面印刷有方形微带贴片11，方形微带贴片11的四个顶点印刷有半径不同的圆形微带贴片12，第一介质基板17上还印刷有90°的弧形微带线14，四个弧形微带线14分别与四个圆形微带贴片12同心，且弧形微带线14与其相对设置的圆形微带贴片12之间具有缝隙，弧形微带线14通过金属短路柱16与金属底板6连接，金属短路柱为半径为0.5mm的铜线截取得到，其高度H1＝20.3mm。其中第一介质基板17为采用印刷电路板工艺制作的边长L3＝30mm的正方形有机陶瓷层压板材料(Taconic RF-60)，其介电常数为6.15，损耗角正切为0.0028，厚度为d1＝3.18mm；方形微带贴片11为边长为L2＝18mm的正方形，且四个圆形微带贴片12的半径分别为：r1＝3.2mm，r2＝2.7mm，r3＝r4＝3mm；90°的弧形微带线14的宽度为1mm，且弧形微带线14与圆形微带贴片12之间的缝隙宽度为0.2mm。方形微带贴片11的一条边上设置有用于馈电的半圆形耦合微带贴片13，其半径r5＝2.8mm。

如图3所示，双面电磁吸波墙5包括第二介质基板51，印刷在第二介质基板51下表面的金属地52，金属地52优选为铜，第二介质基板51上表面印刷有顺序排列的多个微带结构，其中两个第二介质基板51的下表面的金属地52相对设置，使具有微带结构的两个面露出。且微带结构相对于电磁吸波墙5的中心呈90°旋转对称。微带结构包括方环形微带线53，方环形微带线53内部设置有十字形微带贴片54；采用印刷电路板工艺制作边长L4＝45mm的正方形环氧树脂玻璃(FR4)，得到第二介质基板51，其介电常数为4.9，损耗角正切为0.025，厚度为d2＝3.7mm。十字形微带贴片54为边长为L6＝26mm的正方形，且其四个顶点切取边长为L7＝5mm的正方形切角而成，方环形微带线53为边长L5＝24mm的正方形，且方环形微带线53和十字形微带贴片54的中间微带线宽度为1mm，且正方形切角处的中间微带线宽度为2mm，且长度L8＝4mm。

本发明的基于电磁吸波体的高隔离度阵列天线是基于电磁吸波体的高隔离度北斗卫星导航阵列天线，其单元天线和电磁吸波体是采用印刷电路板工艺制作，金属底板采用机械加工制作。

本发明阵列天线的工作原理如下：单元天线的主体是方形微带贴片11，其四个顶点加载半径不同的圆形微带贴片12，形成微扰结构，激励起两个幅度相等、相位相差90度的正交模式，进而实现圆极化辐射。电磁吸波墙的吸波原理是电磁吸波体单元内侧的十字形微带贴片54与金属地52等效电容，外侧的方环形微带线53等效为电感，两者构成微带谐振电路，能够吸收入射的电磁波能量，减少单元天线之间的空间波耦合，进而提高单元天线之间的隔离度。

图4为本发明实施例电磁吸波墙的吸收率和反射率仿真结果图，在北斗卫星导航系统的B3频段，即1268.52±10.23MHz范围内电磁吸波强的吸波率在0.5以上，因此其在目标频段上有较好的吸波特性。图5是本发明实施例四副单元天线回波损耗的仿真结果，在北斗卫星导航系统的B3频段，回波损耗小于-10dB，满足天线回波损耗的指标要求。图6是本发明实施例四副单元天线法向轴比的仿真结果，在北斗卫星导航系统的B3频段，单元天线A1、A2、A3和A4的法向轴比均在3dB以内，有较好的圆极化特性。

图7和图8分别是本发明实施例在无电磁吸波墙和加载电磁吸波墙的情况下，单元天线间隔离度的仿真结果。加载电磁吸波体后，单元天线间的隔离度S13和S24均有15dB的改善，S12、S14、S23和S34也均有5dB以上的改善。图9是本发明实施例四副单元天线的归一化右旋圆极化(RHCP)远场辐射方向图的仿真结果，四副单元天线在北斗卫星导航系统的B3频段，均具有较好的右旋圆极化特性。

Claims (8)

1.一种基于电磁吸波体的高隔离度阵列天线，其特征在于，包括金属底板（6），金属底板（6）上垂直设置有四个单元天线，四个单元天线相对于金属底板（6）的中心呈对称分布，并依次旋转90°；金属底板（6）上互相垂直的两条轴线上设置由电磁吸波墙（5）组成的电磁吸波体单元；

所述电磁吸波墙为双面结构，包括两层背靠背贴合的电磁吸波板，电磁吸波板的正面设置有等间距的多个微带结构，微带结构包括十字形微带贴片（54）及其外侧设置的方环形微带线（53）；所述单元天线包括第一介质基板（17），第一介质基板（17）的正面中心处印制有方形微带贴片（11），方形微带贴片（11）的四个角处印制有圆形微带贴片（12），圆形微带贴片（12）外侧印制有与其同心的弧形微带线（14）；第一介质基板（17）的背面与金属底板（6）之间连接有竖直设置的金属短路柱（16），且金属短路柱（16）与弧形微带线（14）电性连接。

2.根据权利要求1所述的基于电磁吸波体的高隔离度阵列天线，其特征在于，所述电磁吸波板包括第二介质基板（51），第二介质基板（51）的背面印制有金属地（52），第二介质基板（51）的正面印制有微带结构。

3.根据权利要求2所述的基于电磁吸波体的高隔离度阵列天线，其特征在于，所述第二介质基板（51）为环氧树脂玻璃材质。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于电磁吸波体的高隔离度阵列天线，其特征在于，所述单元天线为右旋圆极化微带单元天线。

5.根据权利要求1所述的基于电磁吸波体的高隔离度阵列天线，其特征在于，所述第一介质基板（17）为有机陶瓷层压板材料。

6.根据权利要求1所述的基于电磁吸波体的高隔离度阵列天线，其特征在于，所述方形微带贴片（11）的一个边上印制有半圆形的耦合微带贴片（13），耦合微带贴片（13）通过同轴探针（15）与金属底板（6）连接。

7.根据权利要求1所述的基于电磁吸波体的高隔离度阵列天线，其特征在于，所述四个圆形微带贴片（12）的半径不同。

8.根据权利要求1所述的基于电磁吸波体的高隔离度阵列天线，其特征在于，所述圆形微带贴片（12）与弧形微带线（14）之间具有间隙。