CN109524796A

CN109524796A - 一种宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线

Info

Publication number: CN109524796A
Application number: CN201811507687.2A
Authority: CN
Inventors: 张浩斌; 杨凝; 周治力
Original assignee: CETC 2 Research Institute; CETC Information Science Research Institute
Current assignee: CETC 2 Research Institute; Southwest China Research Institute Electronic Equipment; CETC Information Science Research Institute
Priority date: 2018-12-11
Filing date: 2018-12-11
Publication date: 2019-03-26
Anticipated expiration: 2038-12-11
Also published as: CN109524796B

Abstract

本发明涉及天线技术领域，公开了一种宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线，其包括天线罩，位于天线罩下方且依次设置的辐射贴片单元、天线介质层、支撑吸波层、金属底板以及贯穿辐射贴片单元、天线介质层与支撑吸波层的平衡馈电单元，金属底板的外侧电性连接有宽带馈电单元，辐射贴片单元通过平衡馈电单元与金属底板电性连接，宽带馈电单元通过平衡馈电单元为辐射贴片单元馈电，辐射贴片单元包括采用M*N的排布方式设置于天线介质层上的多个辐射贴片。上述天线通过采用多级渐变结构的辐射贴片、互补耦合频率选择贴片与平衡馈电结构，利用天线单元间缝隙耦合和天线‑底板耦合，实现了天线宽频带、低剖面、共形以及低雷达散射截面的效果。

Description

一种宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线。

背景技术

各类电子信息装备的天线是机器平台感知，获取外界信息，进行处理决策的基础。雷达，通信，电子对抗等各类装备的天线安装在平台外面，不仅对平台的隐身，机动能力影响很大，而且各类独立的天线系统也造成高成本，高功耗。随着机器平台信息化，智能化的不断发展，迫切要求使用宽带低剖面的天线孔径实现多功能综合，减少天线数量，降低对平台隐身和机动性能的影响。天线技术领域中宽频带、低剖面、低雷达散射截面的天线阵列可用于具有隐身，高机动、多功能需求的平台，作为通信、雷达以及电子对抗装备的天线孔径，实现对电磁波信号的发射和接收。

现有技术采用紧耦合的偶极子天线，通过偶极子臂上的电流产生副审，通过相邻单元之间的强耦合将低频电流扩展到相邻单元，实现宽带扩展，如图1 所述。然而,该方案的缺点是偶极子的平衡馈电结构受底板影响较大，需要较高的天线高度较高；同时，阵面上的辐射单元稀疏，雷达波容易穿透阵面，照射到金属底板形成的腔体结构上，产生强的雷达散射。因此，如何克服现有技术中低剖面阵列天线工作频雷达散射截面大、剖面高，难以实现平面化和共形是亟待解决的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线，通过采用多级渐变结构的辐射贴片、互补耦合频率选择贴片与平衡馈电结构，利用天线单元间缝隙耦合和天线-底板耦合，实现了天线宽频带、低剖面、共形以及低雷达散射截面的效果。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线，该天线包括天线罩，位于天线罩下方且依次设置的辐射贴片单元、天线介质层、支撑吸波层、金属底板以及贯穿辐射贴片单元、天线介质层与支撑吸波层的平衡馈电单元，金属底板的外侧电性连接有宽带馈电单元，辐射贴片单元通过平衡馈电单元与金属底板电性连接，宽带馈电单元通过平衡馈电单元为辐射贴片单元馈电，辐射贴片单元包括采用M*N的排布方式设置于天线介质层上的多个辐射贴片，M、N为大于0 的正整数，辐射贴片与金属底板的高度为H且其中λ_min为天线最高工作频率对应的波长。

优选的，每个辐射贴片为对称设置的多级渐变结构，多级渐变结构的每级边缘为直线或者弧线。

优选的，当多级渐变结构的每级边缘为直线时，多级渐变结构包括沿第一方向依次设置的第一矩形、第一梯形、第二矩形、第二梯形与第三矩形。

优选的，第一矩形的宽度等于第一梯形的短边宽度且小于第一梯形的长边宽度，第一梯形的长边宽度等于第二矩形的宽度，第二矩形的宽度等于第二梯形的长边宽度且大于第二梯形的短边宽度，第二梯形的短边宽度等于第三矩形的宽度。

优选的，沿着第一方向第一矩形、第一梯形、第二矩形、第二梯形与第三矩形的长度之和为L且其中λ_max为天线最低工作频率对应的波长。

优选的，沿着第一方向相邻两个辐射贴片的间距为d₁且中0<d₁≤0.8×λ_min。

优选的，辐射贴片单元还包括互补耦合频率选择贴片，互补耦合频率选择贴片位于相邻两个辐射贴片之间，互补耦合频率选择贴片与辐射贴片之间的缝隙宽度为W且W≤3mm。

优选的，平衡馈电单元包括沿着从天线罩到金属底板的方向依次设置的平衡馈电线、平衡馈电片与馈电介质板，平衡馈电片通过平衡馈电线与辐射贴片单元垂直相连，平衡馈电线贯穿天线介质层，平衡馈电片与馈电介质板贯穿支撑吸波层。

优选的，平衡馈电片包括对称设置于馈电介质板两侧的第一馈电片与第二馈电片，第一馈电片与第二馈电片为梯形多级渐变结构，梯形多级渐变结构包括第一梯形与第二梯形。

优选的，第一梯形的短边长度等于所第二梯形的短边长度且小于第二梯形的长边长度，第二梯形的长边长度小于第一梯形的长边长度。

相比于现有技术，本发明具有如下的技术效果：

本发明中的宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线包括天线罩，位于天线罩下方且依次设置的辐射贴片单元、天线介质层、支撑吸波层、金属底板以及贯穿辐射贴片单元、天线介质层与支撑吸波层的平衡馈电单元，金属底板的外侧电性连接有宽带馈电单元，辐射贴片单元通过平衡馈电单元与金属底板电性连接，宽带馈电单元通过平衡馈电单元为辐射贴片单元馈电，辐射贴片单元包括采用 M*N的排布方式设置于天线介质层上的多个辐射贴片，M、N为大于0的正整数，辐射贴片与金属底板的高度为H且其中λ_min为天线最高工作频率对应的波长。上述天线通过采用多级渐变结构的辐射贴片、互补耦合频率选择贴片与平衡馈电结构，利用天线单元间缝隙耦合和天线-底板耦合，实现了天线宽频带、低剖面、共形以及低雷达散射截面的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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些实施例，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是现有技术方案的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线的整体结构剖面图；

图3是本发明实施例提供的一种宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线中辐射贴片单元的俯视图；

图4是本发明实施例提供的一种宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线中辐射天平的阵列排布俯视图；

图5是本发明实施例提供的一种宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线中平衡馈电片的俯视图；

图6是本发明实施例提供的一种宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线的电压驻波比曲线图；

图7(a)是本发明实施例提供的一种宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线中贴片单元在2GHz时的远场辐射方向图；

图7(b)是本发明实施例提供的一种宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线中贴片单元在3GHz时的远场辐射方向图；

图7(c)是本发明实施例提供的一种宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线中贴片单元在5GHz时的远场辐射方向图；

图7(d)是本发明实施例提供的一种宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线中贴片单元在7GHz时的远场辐射方向图；

图7(e)是本发明实施例提供的一种宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线中贴片单元在9GHz时的远场辐射方向图；

图7(f)是本发明实施例提供的一种宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线中贴片单元在11GHz时的远场辐射方向图；

图8是本发明实施例提供的一种宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线的典型雷达散射截面曲线图。

其中：1、天线罩；2、辐射贴片单元；21、辐射贴片；211、第一矩形； 212、第一梯形；213、第二矩形；214、第二梯形；215、第三矩形；22、互补耦合频率选择贴片；3、天线介质层；4、支撑吸波层；5、平衡馈电单元；51、平衡馈电线；511、第一馈电线；512、第二馈电线；52、平衡馈电片；521、第一级梯形；522、第二级梯形；53、馈电介质板；6、金属底板；7、宽带馈电单元；8、天线防护层。

具体实施方式

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部分实施例，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。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A 和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

如图2-5所示，本发明实施例提供的一种宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线，该天线包括天线罩1，位于天线罩1下方且依次设置的辐射贴片单元2、天线介质层3、支撑吸波层4、金属底板6以及贯穿辐射贴片单元2、天线介质层3与支撑吸波层4的平衡馈电单元5，金属底板6的外侧电性连接有宽带馈电单元7，辐射贴片单元2通过平衡馈电单元5与金属底板6电性连接，宽带馈电单元7通过平衡馈电单元5为辐射贴片单元2馈电，辐射贴片单元2包括采用M*N的排布方式设置于天线介质层上的多个辐射贴片21，M、N为大于 0的正整数，辐射贴片21与金属底板5的高度为H且其中λ_min为天线最高工作频率对应的波长。

其中，天线罩1设置于天线的最外侧，起到防护作用，并能够屏蔽灰尘等固体颗粒以减小对天线性能及准确度的影响。

辐射贴片单元2包括多个辐射贴片21，其组成M*N阵列均匀印制在天线介质层3的上表面。天线介质层3为介电常数为2.2的Rogers RT介质板。

示例的，M、N为大于0的正整数，例如为4*4、4*5、5*5、6*6等，具体数值依情况而定。

优选的，每个辐射贴片21为对称设置的多级渐变结构，多级渐变结构的每级边缘为直线或者弧线。

示例的，多级包括3级、4级、5级、6级、7级等，具体级别选择依情况而定。

其中，第一方向为Y方向，第二方向为与Y方向垂直且处于同一平面的X 方向，第三方向为Z方向，即垂直于X方向与Y方向所在平面的方向。

优选的，如图3所示，当多级渐变结构的每级边缘为直线时，多级渐变结构包括沿第一方向依次设置的第一矩形211、第一梯形212、第二矩形213、第二梯形214与第三矩形215。

优选的，第一矩形211的宽度等于第一梯形212的短边宽度且小于第一梯形212的长边宽度，第一梯形212的长边宽度等于第二矩形213的宽度，第二矩形213的宽度等于第二梯形214的长边宽度且大于第二梯形214的短边宽度，第二梯形214的短边宽度等于第三矩形215的宽度。

优选的，沿着第一方向第一矩形211、第一梯形212、第二矩形213、第二梯形214与第三矩形215长度之和为L且其中λ_max为天线最低工作频率对应的波长，有效实现了天线的低剖面。

优选的，沿着第一方向相邻两个辐射贴片21的间距为d₁且中0<d₁≤0.8×λ_min。

优选的，辐射贴片单元2还包括互补耦合频率选择贴片22，互补耦合频率选择贴片22位于相邻两个辐射贴片21之间，一方面实现频带扩展，另一方面减少照射波进入天线辐射片之后，减少安装腔体的散射。

优选的，互补耦合频率选择贴片22与辐射贴片21之间的缝隙宽度为W 且W≤3mm。

优选的，天线防护层8设置于天线罩下方且位于辐射贴片单元2的上方，以实现对贴片单元的防护作用，防护层的具体材质在此不做限定，任何一种能够实现天线防护的材料均可。

优选的，如图4所示，在垂直于第三方向的平面上，辐射贴片的阵列排布方式为：采用M*N的阵列排布方式，在Y轴方向上的相邻两个天线单元共用相邻的辐射贴片21，在X轴方向上的辐射贴片21之间的距离为d1且0< d1≤0.8×λ_min，其中λ_min为天线最高工作频率对应的波长。

优选的，互补耦合频率选择贴片22由位于辐射贴片21之间的梯形结构组成。

优选的，采用共形的安装方式，通过将平板阵面外形曲面化实现低雷达散射截面。

优选的，如图5所示，平衡馈电单元5包括沿着从天线罩1到金属底板6 的方向依次设置的平衡馈电线51、平衡馈电片52与馈电介质板53，平衡馈电片52通过平衡馈电线51与辐射贴片单元2垂直相连，平衡馈电线51贯穿天线介质层3，平衡馈电片52与馈电介质板53贯穿支撑吸波层4。

优选的，平衡馈电线51由两根对称位于辐射单元两侧的金属线组成，分别为第一馈电线511与第二馈电线512，其中第一馈电线511分别与平衡馈电片52中第二级梯形522的短边和辐射贴片21相连。

优选的，平衡馈电片52包括对称设置于馈电介质板53两侧的两个馈电片，馈电片为梯形多级渐变结构，梯形多级渐变结构包括第一级梯形521与第二级梯形522。

优选的，第一级梯形521的短边长度等于第二级梯形522的短边长度且小于第二级梯形522的长边长度，第二级梯形522的长边长度小于第一级梯形521 的长边长度。

如下为本发明具体实施例中天线结构的详细说明：

天线介质层3采用介电常数为2.2的Rogers RT介质板，其长度为156mm，宽度为65.6mm，厚度为0.127mm；馈电介质板53采用介电常数为2.2的Rogers RT介质板，其长度为3.2mm，宽度为2.8mm，厚度为0.508mm；辐射贴片单元2中辐射贴片21采用4×4阵列均匀印制在天线介质板3的上表面，在X轴方向上的辐射单元间距为16.4mm；辐射贴片21中的第一矩形211的宽为4mm，长为0.5mm，第一梯形的短边为4mm，长边为16mm，第二矩形的宽为16mm，长为19mm，第二梯形的短边长为4mm，长边长为16mm，第三矩形的宽为4mm，长为0.5mm；相邻辐射贴片21之间的距离为0.2mm；互补耦合频率选择贴片 22中的梯形结构的短边长为1.2mm，长边长为5mm；平衡馈电片52中的第一级梯形521的短边长为0.3mm，长边长为1.76mm，第二级梯形的短边长为 0.3mm，长边长为3.2mm；辐射贴片21与金属底板6之间的高度为2.8mm。

为了进一步验证本发明提供的天线所能达到的效果，采用仿真软件对上述实施例中天线的电压驻波比、远场方向图和雷达散射截面进行了仿真计算，如下是相应仿真结果：

图6为对实施例1天线仿真得到的阵中单元的电压驻波比曲线图。从图6 可见，本发明天线在有源驻波比小于3的条件下，具有的工作频带，这说明本发明天线具有很好的宽带工作性能。

图7(a)为对实施例1中的阵中辐射单元天线在时仿真得到的XOZ面和 YOZ面的远场方向图。从图7(a)中可以看出，在时,阵中辐射单元具有良好的辐射性能，阵中辐射单元的最大增益为-12.7dB。

图7(b)为对实施例1中的阵中辐射单元天线在时仿真得到的XOZ面和 YOZ面的远场方向图。从图7(b)中可以看出，在时,阵中辐射单元具有良好的辐射性能，阵中辐射单元的最大增益为-8dB。

图7(c)为对实施例1中的阵中辐射单元天线在时仿真得到的XOZ面和 YOZ面的远场方向图。从图7(c)中可以看出，在时,阵中辐射单元具有良好的辐射性能，阵中辐射单元的最大增益为-2.5dB。

图7(d)为对实施例1中的阵中辐射单元天线在时仿真得到的XOZ面和 YOZ面的远场方向图。从图7(d)中可以看出，在时,阵中辐射单元具有良好的辐射性能，阵中辐射单元的最大增益为2.1dB。

图7(e)为对实施例1中的阵中辐射单元天线在时仿真得到的XOZ面和 YOZ面的远场方向图。从图7(e)中可以看出，在时,阵中辐射单元具有良好的辐射性能，阵中辐射单元的最大增益为3.7dB。

图7(f)为对实施例1中的阵中辐射单元天线在时仿真得到的XOZ面和 YOZ面的远场方向图。从图7(f)中可以看出，在时,阵中辐射单元具有良好的辐射性能，阵中辐射单元的最大增益为7.5dB。

图8为对实施例1中的天线阵的典型雷达散射截面曲线图。从图7中可以看出天线阵的雷达散射截面很低，在绝大部分入射角度内都小于-30dBsm (0.001m2)。

综上，以上仿真结果说明本发明天线具有优秀的辐射性能和低雷达散射截面，本发明天线在有源驻波比小于3的条件下，具有1.3GHz-13.3GHz的工作频带(图5)，实现了单一天线的宽带覆盖(图6)，剖面高度小于3毫米，减小了占用的空间体积，雷达散射截面小于-30dBsm(0.001m2)(图7-8)，克服了现有缝隙天线阵列带宽窄，剖面高，难以共形、雷达散射截面大的问题。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性、机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

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。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线，其特征在于，所述天线包括天线罩，位于所述天线罩下方且依次设置的辐射贴片单元、天线介质层、支撑吸波层、金属底板以及贯穿所述辐射贴片单元、所述天线介质层与所述支撑吸波层的平衡馈电单元，所述金属底板的外侧电性连接有宽带馈电单元，所述辐射贴片单元通过平衡馈电单元与所述金属底板电性连接，所述宽带馈电单元通过所述平衡馈电单元为所述辐射贴片单元馈电，所述辐射贴片单元包括采用M*N的排布方式设置于所述天线介质层上的多个辐射贴片，所述M、N为大于0的正整数，所述辐射贴片与所述金属底板的高度为H且所述其中所述λ_min为所述天线最高工作频率对应的波长。

2.如权利要求1所述的宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线，其特征在于，每个所述辐射贴片为对称设置的多级渐变结构，所述多级渐变结构的每级边缘为直线或者弧线。

3.如权利要求2所述的宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线，其特征在于，当所述多级渐变结构的每级边缘为直线时，所述多级渐变结构包括沿第一方向依次设置的第一矩形、第一梯形、第二矩形、第二梯形与第三矩形。

4.如权利要求3所述的宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线，其特征在于，所述第一矩形的宽度等于所述第一梯形的短边宽度且小于所述第一梯形的长边宽度，所述第一梯形的长边宽度等于所述第二矩形的宽度，所述第二矩形的宽度等于所述第二梯形的长边宽度且大于所述第二梯形的短边宽度，所述第二梯形的短边宽度等于所述第三矩形的宽度。

5.如权利要求3所述的宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线，其特征在于，沿着所述第一方向所述第一矩形、第一梯形、第二矩形、第二梯形与第三矩形的长度之和为L且所述其中所述λ_max为所述天线最低工作频率对应的波长。

6.如权利要求1所述的宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线，其特征在于，沿着所述第一方向相邻两个所述辐射贴片的间距为d₁且所述中0<d₁≤0.8×λ_min。

7.如权利要求1所述的宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线，其特征在于，所述辐射贴片单元还包括互补耦合频率选择贴片，所述互补耦合频率选择贴片位于相邻两个所述辐射贴片之间，所述互补耦合频率选择贴片与所述辐射贴片之间的缝隙宽度为W且所述W≤3mm。

8.如权利要求1所述的宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线，其特征在于，所述平衡馈电单元包括沿着从所述天线罩到所述金属底板的方向依次设置的平衡馈电线、平衡馈电片与馈电介质板，所述平衡馈电片通过所述平衡馈电线与所述辐射贴片单元垂直相连，所述平衡馈电线贯穿所述天线介质层，所述平衡馈电片与馈电介质板贯穿所述支撑吸波层。

9.如权利要求8所述的宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线，其特征在于，所述平衡馈电片包括对称设置于所述馈电介质板两侧的第一馈电片与第二馈电片，所述第一馈电片与所述第二馈电片为梯形多级渐变结构，所述梯形多级渐变结构包括第一梯形与第二梯形。

10.如权利要求1所述的宽频带低剖面低散射缝隙阵列天线，其特征在于，所述第一梯形的短边长度等于所第二梯形的短边长度且小于所述第二梯形的长边长度，所述第二梯形的长边长度小于所述第一梯形的长边长度。