CN109768389A - 基于电磁表面技术的空间馈电式的高增益端射阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁表面技术的空间馈电式的高增益端射阵列天线，包括：初级馈源，用于发射和/或接收电磁波；和厚度极薄的单层和/或多层的介质和金属组合表面，用于将初级馈源发出的电磁波转换为端射聚焦波束，或者将端射方向接收的空间波汇聚到的初级馈源内。本发明实施例的天线具有以下显著优点：(1)只需要极薄的电磁表面，具有重量轻，剖面极低，以及造价低等优点。(2)反射波束与透射波束二者集成，增加了天线利用率，节约天线占用空间，进一步降低天线重量。(3)天线增益会随着口面尺寸增加而增加。

Description

基于电磁表面技术的空间馈电式的高增益端射阵列天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种基于电磁表面技术的空间馈电式的高增益端射阵列天线。

背景技术

机载雷达系统承担着空中巡逻警戒任务，弥补地面雷达盲区，监视、探测、跟踪和识别来袭的空中目标，进行战场态势监控。为了更好地完成其预定任务，理想的机载雷达应具备两方面的条件：其一是波束覆盖空域广，雷达盲区小；其二是空阻小、质量轻，不威胁到载机的运载能力和机动性。实际应用中，这两个条件很难得到同时满足，因为边射相控阵的原理决定了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。若要保证扫描波束能实现360°的全向覆盖，则巨大的口径必然要牺牲载机的气动性；若要保证飞机的气动性，则首先要牺牲沿机身轴线前后方向的波束覆以减小轴线径向的阵列口径，这就给雷达探测制造了盲区。理论上，端射阵的辐射特性正好可以调和气动性与扫描波束覆盖两个课题间的矛盾，引起了研究者的重视。与此同时，随着通信系统的发展和通信需要的扩张，在卫星通信、移动通信、下一代移动数据服务，对端射阵需求也日益增加。

端射阵列天线是通过特定的手段使天线的各个阵元间产生以此依次滞后的步进相位，从而在端射方向形成聚焦波束。传统端射阵由于存在严重的单元互耦，使得阵列规模受限，天线增益难以提高。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于电磁表面技术的空间馈电式的高增益端射阵列天线，该天线可以显著提高端射天线增益，降低成本，简化结构，实现共形，简单易实现。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种基于电磁表面技术的空间馈电式的高增益端射阵列天线，包括：初级馈源，用于发射和/或接收电磁波；和厚度极薄的单层和/或多层的介质和金属组合表面，用于将所述初级馈源发出的电磁波转换为端射聚焦波束，或者将端射方向接收的空间波汇聚到所述的初级馈源内。

本发明实施例的基于电磁表面技术的空间馈电式的高增益端射阵列天线，基于电磁表面的灵活调控电磁波幅相的技术优点，采用空间馈电形式以避免单元互耦，单元阵列集成在薄层电磁表面上，具有重量轻，剖面极低，以及结构简单等优点，反射波束与透射波束同时在端射方向聚焦，反射和透射波束集成增加了天线利用率，天线增益随着天线口径尺寸的增加而增加，从而有效克服传统端射阵列天线的单元互耦限制，实现高增益端射波束，进而可以显著提高端射天线增益，降低成本，简化结构，实现共形，简单易实现。

另外，根据本发明上述实施例的基于电磁表面技术的空间馈电式的高增益端射阵列天线还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述初级馈源采用抛物面天线的馈源天线作为馈源或者采用阵列作为馈源。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述初级馈源为角锥喇叭，圆喇叭、波纹喇叭天线、波导缝隙阵或者微带阵列。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述厚度为工作波长的百分之一或千分之一。

进一步地，在本发明的一个实施例中，空间馈电式的高增益端射阵列天线在端射方向形成聚焦波束，天线增益随着口面尺寸增加而增加。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的基于电磁表面技术的空间馈电式的高增益端射阵列天线的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的空间波的两种形式示意图；

图3为根据本发明实施例的调相单元的两种示意图；

图4为根据本发明一个实施例的单元组成的阵列示意图；

图5为根据本发明另一个实施例的单元组成的阵列示意图；

图6为根据本发明实施例的两种单元形式构成的阵列局部放大图；

图7为根据本发明实施例的端射聚焦波束的仿真结果示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于电磁表面技术的空间馈电式的高增益端射阵列天线。

图1是本发明一个实施例的基于电磁表面技术的空间馈电式的高增益端射阵列天线的结构示意图。

如图1所示，该基于电磁表面技术的空间馈电式的高增益端射阵列天线包括：初级馈源1和厚度极薄的单层和/或多层的介质和金属组合表面。

其中，初级馈源1用于发射和/或接收电磁波；和厚度极薄的单层和/或多层的介质和金属组合表面，用于将初级馈源1发出的电磁波转换为端射聚焦波束，或者将端射方向接收的空间波汇聚到的初级馈源内。本发明实施例的天线可以有效克服传统端射阵列天线的单元互耦限制，实现高增益端射波束，进而可以显著提高端射天线增益，降低成本，简化结构，实现共形，简单易实现。

可以理解的是，如图1所示，本发明实施例的天线包括初级馈源1、单层薄金属2。其中，初级馈源1用于发射和接收电磁波。具体的，初级馈源1采用正面照射形式。单层金属片2具有薄的物理厚度，在全波仿真过程中，其厚度为0.02λ。

具体而言，厚度极薄的单层/多层的介质和金属组合表面，表面单元的相位随着结构参数变化而变化，形成了特定的口面相位分布，用于将馈源发出的电磁波转换为端射聚焦波束，或者将端射方向接受的空间波汇聚到的初级馈源1内。

进一步地，在本发明的一个实施例中，初级馈源1采用抛物面天线的馈源天线作为馈源或者采用阵列作为馈源，比如，初级馈源1可以采用传统的抛物面天线的馈源天线作为馈源，当然，还可以采用阵列作为馈源，本领域技术人员可以根据实际情况进行设置，在此不做具体限定。

具体而言，如图2，图2(a)为一种是远场空间波馈电，图2(b)为一种是近场空间波馈电。本发明的实施例中所使用的初级馈源1的两种形式，初级馈源1采用空间波作为馈源，这里空间波可以采用远场空间波馈电3和近场空间波馈电4，其极化形式为y极化。

进一步地，在本发明的一个实施例中，初级馈源1可以为角锥喇叭，圆喇叭、波纹喇叭天线、波导缝隙阵或者微带阵列。

可以理解的是，初级馈源1可以是理想的平面波，但不局限平面波，也可以是喇叭天线，也可以是其他形式的天线等。

进一步地，在本发明的一个实施例中，厚度根据工作波长得到，厚度为超薄，其电尺寸厚度为工作波长的百分之一甚至千分之一甚至可以更薄。

需要说明的是，本发明实施例的天线可以为超薄的金属片，其材料可以是铝片，铜片或者不锈钢片，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择材质，在此不做具体限定。具体地，厚度超薄的金属片，其电尺寸厚度为工作波长的百分之一甚至千分之一甚至可以更薄。

进一步地，在本发明的一个实施例中，空间馈电式的高增益端射阵列天线在端射方向形成聚焦波束，天线增益随着口面尺寸增加而增加。

进一步地，在本发明的一个实施例中，精心设计的电路图案，在全金属上刻蚀图案，电路图案可以为圆形槽结构或振子结构，也可以是方形槽结构，也可以是其他形式的结构。

具体而言，如图3所示，本发明的实施例中所使用的调相单元，第一种单元是由槽结构5构成，第二种单元是振子结构6构成。需要说明的是，天线工作在Ku波段，阵列包含了16×16个相控辐射单元，工作在12GHz，由于阵列规模拓展性强，该设计可以延展到其他口面尺寸和频段。

图4和图5为本发明的两个实施例，当利用图3所示的两种调相单元进行组阵时所生成的用于加工和仿真的AutoCAD示意图，其中图6是对图4和图5阵列的局部放大。通过图6可以看到，单元是准周期排布的，具有特定的相位分布。

图7是当y极化的空间波正面照射图4和图5所示的两个阵列时，所形成的端射聚焦波束的仿真结果。图7为本发明实施例中当馈源极化方向为y时，形成的反射x极化和透射x极化端射波束全波仿真结果，在图7中，(a)空间波正入射的槽阵列；(b)空间波正入射的振子阵列；(c)空间波斜入射的槽阵列；(d)空间波斜入射的振子阵列。

综上，对于本发明实施例的基于电磁表面技术的空间馈电式的高增益端射阵列天线，当初级馈源照射整个天线面，天线既工作在反射式状态又工作在透射式状态，调节单元的结构参数，从而使得单元的反射和透射电磁波在端射方向同相叠加，实现聚焦波束。本发明的实施例具有结构简单，轻薄易共形，成本低的优点，具有以下显著优点：(1)只需要极薄的电磁表面，具有重量轻，剖面极低，以及造价低等优点。(2)反射波束与透射波束二者集成，增加了天线利用率，节约天线占用空间，进一步降低天线重量。(3)天线增益会随着口面尺寸增加而增加。

根据本发明实施例提出的基于电磁表面技术的空间馈电式的高增益端射阵列天线，基于电磁表面的灵活调控电磁波幅相的技术优点，采用空间馈电形式以避免单元互耦，单元阵列集成在薄层电磁表面上，具有重量轻，剖面极低，以及结构简单等优点，反射波束与透射波束同时在端射方向聚焦，反射和透射波束集成增加了天线利用率，天线增益随着天线口径尺寸的增加而增加，从而有效克服传统端射阵列天线的单元互耦限制，实现高增益端射波束，进而可以显著提高端射天线增益，降低成本，简化结构，实现共形，简单易实现。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种基于电磁表面技术的空间馈电式的高增益端射阵列天线，其特征在于，包括：

初级馈源，用于发射和/或接收电磁波；和

厚度极薄的单层和/或多层的介质和金属组合表面，用于将所述初级馈源发出的电磁波转换为端射聚焦波束，或者将端射方向接收的空间波汇聚到所述的初级馈源内。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述初级馈源采用抛物面天线的馈源天线作为馈源或者采用阵列作为馈源。

3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述初级馈源为角锥喇叭，圆喇叭、波纹喇叭天线、波导缝隙阵或者微带阵列。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述厚度为工作波长的百分之一或千分之一。

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，空间馈电式的高增益端射阵列天线在端射方向形成聚焦波束，天线增益随着口面尺寸增加而增加。