CN109546355A - 一种圆柱共形印刷天线阵列装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微波与天线技术领域，具体的说是一种可用于飞行器遥控遥测、军用移动通信、雷达探测等无线电系统中的圆柱共形印刷天线阵列装置，其特征在于设有金属圆柱载体，在金属圆柱载体的表面设有分别与金属圆柱载体共形的水平印刷振子辐射器的介质基板以及馈电网络的介质基板，其中水平印刷振子辐射器的介质基板与馈电网络的介质基板分别设有水平印刷振子辐射器以及馈电网络，水平印刷振子辐射器的介质基板与馈电网络的介质基板之间经径向金属导电圆柱互连且两个介质基板之间设有空气间隙；本发明设计的圆柱表面共形印刷倒L天线阵列结构适合应用于飞行器遥控遥测、无线通信和雷达等电子系统中，重要较为重要的工程应用价值。

Description

一种圆柱共形印刷天线阵列装置
技术领域：
本发明涉及微波与天线技术领域，具体的说是一种可用于飞行器遥控遥测、军用移动通信、雷达探测等无线电系统中的圆柱共形印刷天线阵列装置。
背景技术：
共形天线是一类能与特定载体表面形状相吻合的天线，其设计目的是为了使天线能够方便地集成于载体表面而不至于成为载体的拖累。共形天线指与某一表面共形的天线或阵列，其形状不仅要考虑电磁特性，还要考虑空气动力学等因素。共形天线可以与载体表面共形，通常安装在飞机、导弹、舰船、卫星等运动平台的表面，进行通信、制导、雷达成像和电子干扰等。共形天线的研究开始于20世纪70年代。近年来，对共形天线及阵列的研究主要集中在球面、圆柱面、圆锥面、椭圆柱面、多面体以及复杂曲面上。共形天线的主要特征体现在:与载体表面共形，可获得良好的空气动力学性能；在满足天线性能指标要求的前提下，采用共形天线可以使得安装更容易，特别是一些复杂表面，常规天线很难实现安装，共形天线却可以很轻易地满足要求；可获得更小的雷达散射截面积(RCS)，从而可改善雷达平台的隐身设计；共形天线安装在载体表面上，结构紧凑，对载体没有附加影响，从而可增加雷达天线的安装面积，并且能为其它设备提供安装空间；克服平面阵列天线扫描角小的缺点，实现大角度范围波束扫描；在天线扫描过程中能维持天线波束的形状和天线增益，并且可以大体保持相同的互耦。在雷达领域，球面阵列不仅可以实现大角度范围波束扫描，而且很容易实现半球面圆极化扫描。
共形天线阵要求高增益、低旁瓣、赋形波束及扫描时应用，它的结构和形式是多种多样的。既可组成直线阵，又可组成平面阵，还可以制成立体阵，阵中的各个单元可以同相馈点，也可不同相馈点，各单元的间距可以是相等的也可以是不等的。它与相控阵是目前广泛应用的一类天线形式。在一般曲面阵中由于天线元所在的位置不同，其方向图不同。加之考虑元间的互耦影响也会时阵中各元的单位元方向图不同。即使各元中单位方向图的形状完全相同，但由于在共形阵中各单位元的轴向方向不一致，这就破坏了方向性乘积原理成立的条件。因此，共形阵的方向图必须由数值计算方法确定。
在共形天线设计中，微带天线是一种常用的形式。共形微带天线与与一般的平面微带天线不同。后者是平面结构，且在微带贴片后面的接地面也是平面。在分析平面微带天线时一般总是假设接地平面为无限大。共形微带天线不仅微带贴片是曲面，而且贴片后的接地面也是曲率半径为有限值的曲面。因此，在分析这种天线时必须要考虑到曲率对天线性能的影响，这就增加了分析的复杂性。从天线性能上讲，一般平面微带天线由于其后接地平面的影响，其有效辐射范围往往只能限于半空间。而共形微带天线则有可能形成更宽的波束，甚至在一个平面内全向覆盖或整个空间的全向覆盖波束。圆柱状的全向共形微带贴片阵的全向性能比较好，但是实现起来比较困难。把平面的微带贴片贴到圆柱上，可能会造成微带线的断裂，增加了天线设计的不稳定因素。此外，柔性介质基片较少，成本较高。
现代通信的发展对天线的小型化、低轮廓提出了越来越高的要求。天线小型化的一种方法是添加接地板,利用金属导体的镜像效应,
可使天线的尺寸减小一半。采用倒L或倒F结构是天线小型化和低剖面设计的另一种行之有效的方法,由于在天线的上部作了弯折,使天线垂直元高度大大减小。倒L天线具有低剖面、小尺寸的几何特性,辐射场又具有垂直和水平两种极化,因此在工程中应用十分广泛。王琪和何庆强构建了一种紧凑结构的分形倒L天线(ILA),用矩量法对天线的阻抗特性、辐射方向图特性和天线电流分布作分析研究,并进行实验验证。
发明内容：
本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种可用于飞行器遥控遥测、军用移动通信、雷达探测等无线电系统中的圆柱共形印刷天线阵列装置。
本发明可以通过以下措施达到：
一种圆柱共形印刷天线阵列装置，其特征在于设有金属圆柱载体，在金属圆柱载体的表面设有分别与金属圆柱载体共形的水平印刷振子辐射器的介质基板以及馈电网络的介质基板，其中水平印刷振子辐射器的介质基板与馈电网络的介质基板分别设有水平印刷振子辐射器以及馈电网络，水平印刷振子辐射器的介质基板与馈电网络的介质基板之间经径向金属导电圆柱互连且两个介质基板之间设有空气间隙；所述馈电网络设有用于输入信号的微带线，微带线的输出端连接串行馈电电路，串行馈电电路绕金属圆柱载体呈环形设置，串行馈电电路的输出端分别与两个以上的沿金属圆柱载体中轴线方向设置的列方向串行馈电支路相连接，列方向串行馈电支路上设有两个以上的馈电输出端口，其中串行馈电电路输出的信号由功率分配器等功率同相送给两路以上的列方向串行馈电支路的输入端，列方向串行馈电支路接收信号并由功率分配器等功率同相送给两个以上的馈电输出端口。
本发明所述串行馈电电路上设有馈电补偿段，馈电补偿段串联在串行馈电电路上且位于相邻的两个列方向串行馈电支路输入节点之间，馈电补偿段可以采用半圆环型馈电补偿电路或采用城墙式(方波型)的馈电补偿电路。
本发明所述列方向串行馈电支路中相邻的两个馈电输出端口之间设有用于完成信号同相补偿的馈电补偿段，馈电补偿段串联在列方向串行馈电电路上，可以采用半圆环形馈电补偿电路或采用城墙式的馈电补偿电路。
本发明所述水平印刷振子辐射器采用与金属圆柱表面共形的印刷倒L天线阵列。
本发明采用串联网络的圆柱表面共形印刷倒L天线阵列结构，在共形天线阵列的行和列的方向上，均采用串联馈电的方式，馈电传输线为圆柱表面的共形微带线，相对于常用的并联馈电网络，该天线阵列有效减少了馈电电路的尺寸，结构更为紧凑；本发明的倒L形天线单元采用圆柱共形印刷振子作为其水平部分结构，利用柔性电路技术一体化加工实现，有利于工程应用；为了实现天线各辐射单元的等幅度和同相位激励，在圆柱圆周方向上引入城墙形相位调节段，在圆柱表面轴线上设置半圆环形传输线移相段，调节这两种移相调节段的长度，来实现各个辐射单元的同相位激励。在辐射器阵列和馈电网络之间加载空气间隙，调节阻抗带宽和辐射方向图特性。本发明设计的圆柱表面共形印刷倒L天线阵列结构适合应用于飞行器遥控遥测、无线通信和雷达等电子系统中，重要较为重要的工程应用价值。
附图说明：
附图1是本发明的结构示意图。
附图2是串联馈电网络的结构示意图，其中图2(a)为级联形式的串联馈电网络示意图，图2(b)为是每个微带贴片单元通过微带馈线与主馈线相连接的形式。
附图3是本发明中馈电网络的结构示意图。
附图4是ILA的基本结构。
附图5是本发明实施例中采用与金属圆柱表面共形的的印刷倒L天线阵列的回波损耗仿真结果。
附图6是本发明实施例中与金属圆柱表面共形的的印刷倒L天线在f1时的辐射特性仿真结果，其中6(a)是三维增益方向图，6(b)是三维轴比方向图，6(c)是xoz面的增益方向图，6(d)是xoz面的轴比方向图，6(e)是yoz面的增益方向图，6(f)是yoz面的轴比方向图。
附图7是本发明实施例中采用混合馈电网络的印刷倒L天线在f0时的辐射特性仿真结果，其中7(a)是三维增益方向图，7(b)是三维轴比方向图，7(c)是xoz面的增益方向图，7(d)是xoz面的轴比方向图，7(e)是yoz面的增益方向图，7(f)是yoz面的轴比方向图。
附图8是本发明实施例中与金属圆柱表面共形的的印刷倒L天线在f2时的辐射特性仿真结果，其中8(a)是三维增益方向图8(b)是三维轴比方向图，8(c)是xoz面的增益方向图，8(e)是yoz面的增益方向图，8(f)是yoz面的轴比方向图。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
本发明提出了一种采用串联馈电网络的圆柱共形印刷倒L天线阵列系统装置，该天线阵列由与圆柱表面共形的串联馈电网络、径向垂直连接导电柱、圆柱共形印刷振子辐射器阵列组成。共形串联馈电网络和共形印刷振子辐射器阵列分别采用单层柔性微波印刷电路基板制成，两层微波印刷电路基板之间采用径向垂直连接导电柱互联，每一个垂直连接导电柱和对应的共形微带印刷振子构成一个倒L形振子单元辐射器。整个天线系统装在在一个金属圆柱形载体表面。本发明设计的圆柱共形印刷倒L天线阵列系统模型如图1所示。在图1中，1为水平印刷振子辐射器，2为水平印刷振子辐射器的介质基板；3为混合馈电网络的介质基板，4为金属圆柱载体表面。
馈电网络的设计是本发明中天线设计的关键，在圆柱表面，馈电的微带线变为曲面形状，微带线的特性阻抗和传播常数相对于平面微带线都发生了变化；为了更为节省天线的安装空间，整个馈电网络都采用串联馈电结构，利用单层微波印刷电路板制成，馈电端口位于电路板的边缘，属于侧馈方式。对于辐射器单元而言，馈电网络为每一个与圆柱表面共形的倒L形振子提供信号激励，因此，本发明设计的圆柱共形串联馈电网络是一个单入多出的多端口网络，输入端的为微带传输线特性阻抗为50欧姆，天线阻抗经过各级的阻抗变换最终也变为50欧姆，实现天线阵列输入端的阻抗匹配；同时，为了获得较大的增益，要求馈电网络的输出端的相位一致，由于各个共形天线单元的位置不同，极化各向异性，导致额外的空间路径差，因此，本发明引入两种相位调节结构，一种是在圆周向的城墙式相位调整段，它通过城墙的高度来调整传输线的长度，进而调整相位；另一个是在圆柱轴线上的半圆环状相位调整段，它是通过调整半圆环的半径来实现相位调整的。串联馈电网络主要有两种形式，如图2所示；图2(a)中的馈电网络近似于级联形式，图2(b)中的馈电网络则是每个微带贴片单元通过微带馈线与主馈线相连接的形式。在图2(a)中串联馈电结构中，馈线的宽度要选取适当，不可过大，否则会恶化天线性能。对于图2(b)中的串联馈电方式，由于辐射单元位于每个分馈线的末端，阻抗匹配的设计较为简单。在本发明中，为了获得较好的天线性能和减小天线阵列的尺寸，采用串联的方式进行馈电，设计的串联形式的共形馈电网络如图3所示。在图3中，在图3中，5为天线阵列输入端的微带线；6为行方向的串联馈电部分的电路；7为列方向的串联馈电部分的电路；4为城墙式相位调整段，8为馈电网络的输出端口，9为半圆环状相位调整段。
对于单极子天线，采用倒L或倒F结构是天线小型化和低剖面设计的一种有效的方法,由于在天线的上部作了弯折,使天线垂直元高度大大减小。低轮廓的倒L形天线的一个重要特点在于其产生的场具有垂直和水平两种极化。然而倒L形天线的水平长度并不短。ILA是由一短单极子作为垂直元和一接在单极子末端的水平元构成,如图5所示。一般而言,垂直元的高度远小于波长,是电小的。典型的倒L天线高度只有0.01波长,而其水平部分长度则比较长,通常在1/4波长。ILA天线实质上是低轮廓天线,可看作是一短单极子天线用长顶线进行加载。由于顶的存在，使天线的输入电抗减小，改善了天线的匹配性能。本发明采用径向金属导电圆柱作为振子的垂直部分，水平部分采用与圆柱表面共形的印刷电振子实现，整个阵列的印刷电振子加工在同一块柔性微波介质基板上，馈电网络和辐射器振子所在的电路板平行放置，二者之间采用径向金属导电圆柱互联，整个天线采用螺钉固定。采用全波电磁仿真技术对共形柔性印刷倒L形天线阵列进行仿真和优化，根据阻抗和方向图指标最终确定天线的尺寸参数。
综上所述，本发明提出了一种与金属圆柱表面共形的印刷倒L天线阵列系统装置；
与圆柱表面共形印刷的串联馈电网络，利用柔性印刷电路实现；设计了城墙形和半圆环传输线结构实现输出端口的同相位要求，该馈电网络结构紧凑，方便调节相位；采用与圆柱表面共形的印刷振子作为天线的辐射器，整个辐射器阵列采用同一块柔性印刷电路制成，结构简单，易于加工装配；水平振子所在的印刷电路和馈电网络所在的印刷电路板之间采用径向金属导电圆柱互联，带有空气间隙，可改善天线阵列的阻抗带宽。
本发明中提出的与金属圆柱表面共形的印刷倒L天线阵列具有设计简单、馈电方便、成本低廉、带宽较宽和空间覆盖范围大的优点，天线适应性强，适合于工程应用。本发明适用于飞行器遥控遥测、军用移动通信、雷达探测等无线电系统中。
实施例：
本发明设计了一个具体的与金属圆柱表面共形的的印刷倒L天线阵列装置，采用全波电磁仿真软件对该天线阵列进行了性能仿真，仿真实验结果验证了本发明所提出的与金属圆柱表面共形的的印刷倒L天线阵列装置的可行性和有效性。
本发明设计的与金属圆柱表面共形的的印刷倒L天线阵列的回波损耗特性如图5所示，由图可见，该天线的回波损耗在中心工作频点f0上满足预期要求，回波损耗约为-10dB。
为了表征该天线的辐射特性，图6、图7和图8分别给出在f1、f0和f2时的天线的辐射增益方向图和轴比方向图的仿真结果，其中，f1和f2为边频分量。在工作频点上，设计的与金属圆柱表面共形的的印刷倒L天线阵列的辐射增益约为12dB主辐射方向轴比大于20dB，具有近似线极化特性。

Claims (4)

1.一种圆柱共形印刷天线阵列装置，其特征在于设有金属圆柱载体，在金属圆柱载体的表面设有分别与金属圆柱载体共形的水平印刷振子辐射器的介质基板以及馈电网络的介质基板，其中水平印刷振子辐射器的介质基板与馈电网络的介质基板分别设有水平印刷振子辐射器以及馈电网络，水平印刷振子辐射器的介质基板与馈电网络的介质基板之间经径向金属导电圆柱互连且两个介质基板之间设有空气间隙；所述馈电网络设有用于输入信号的微带线，微带线的输出端连接串行馈电电路，串行馈电电路绕金属圆柱载体呈环形设置，串行馈电电路的输出端分别与两个以上的沿金属圆柱载体中轴线方向设置的列方向串行馈电支路相连接，列方向串行馈电支路上设有两个以上的馈电输出端口，其中串行馈电电路输出的信号由功率分配器等功率同相送给两路以上的列方向串行馈电支路的输入端，列方向串行馈电支路接收信号并由功率分配器等功率同相送给两个以上的馈电输出端口。
2.根据权利要求1所述的一种圆柱共形印刷天线阵列装置，其特征在于所述串行馈电电路上设有馈电补偿段，馈电补偿段串联在串行馈电电路上且位于相邻的两个列方向串行馈电支路输入节点之间，馈电补偿段采用半圆环型馈电补偿电路或采用城墙式的馈电补偿电路。
3.根据权利要求1所述的一种圆柱共形印刷天线阵列装置，其特征在于所述列方向串行馈电支路中相邻的两个馈电输出端口之间设有用于完成信号同相补偿的馈电补偿段，馈电补偿段串联在列方向串行馈电电路上，采用半圆环形馈电补偿电路或采用城墙式的馈电补偿电路。
4.根据权利要求1所述的一种圆柱共形印刷天线阵列装置，其特征在于所述水平印刷振子辐射器采用与金属圆柱表面共形的印刷倒L天线阵列。
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