CN110021818A - 小型化圆柱共形微带阵列天线 - Google Patents

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刘遨云
李紫婷
张帆
常梦璐
李文东
秦港
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Abstract

本发明公开一种小型化圆柱共形微带阵列天线，包括金属圆柱共形体(1)、矩形介质基板(2)和满贴于所述介质基板(2)下表面的金属反射接地层(3)，所述介质基板(2)长度方向弯曲共形于所述金属圆柱共形体(1)外表面；在所述介质基板(2)上表面沿所述金属圆柱共形体(1)周向均匀分布偶数多个E形金属匹配单元(41、42、...、438)，还包括由馈电端口(8)、微带匹配线(5、7)和微带连接线(6)共同构成的馈电网络。本发明的小型化圆柱共形微带阵列天线，体积小、结构简单紧凑、增益高。

Description

小型化圆柱共形微带阵列天线
技术领域
本发明属于毫米波共形微带天线技术领域，特别是一种结构紧凑、体积小、增益高的小型化圆柱共形微带阵列天线。
背景技术
微带天线体积小，剖面低，易于与载体共形。
传统的经典天线与载体吻合时，其天线性能会发生较大变化。可见，对共形天线设计的要求更高，不仅要求天线满足电性能指标，同时还要求天线在特殊的应用环境中能够与载体吻合。共形阵列天线是指将阵列天线附着在载体的表面上并与载体贴合，形成一个非平面的共形阵列天线。微带共形阵列天线已经成为当前的研究热点之一，在雷达、通信和导弹上得到了越来越广泛的应用。
微带天线阵列是通过馈电网络完成对阵元激励的振幅及相位要求，进而形成所需辐射特性的一种天线排布方式。一般需满足阻抗匹配、损耗小、频带宽和结构简单等要求，在阵列天线中，正确设计馈电网络直接影响着整个天线阵的天线性能，它的设计要求是尽量减小损耗和无失真的进行能量的传输，能满足各天线单元所需激励幅度和相位。由于弹体空间有限，所以微带天线的尺寸应尽量小。但是传统的一分二功分器来并馈38个微带贴片天线，阶数较多，体积较大，增益降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小型化圆柱共形微带阵列天线的馈网，结构紧凑、体积小、增益高。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种小型化圆柱共形微带阵列天线，包括金属圆柱共形体1、矩形介质基板2和满贴于所述介质基板2下表面的金属反射接地层3，所述介质基板2长度方向弯曲共形于所述金属圆柱共形体1外表面；
在所述介质基板2上表面沿所述金属圆柱共形体1周向均匀分布偶数多个金属匹配单元41、42、...、438，
每个金属匹配单元41与所述金属圆柱共形体1轴向垂直的一端的中点跟一与所述金属圆柱共形体1轴向平行的轴向微带匹配线51的一端相连，所述轴向微带匹配线51的另一端跟一与所述金属圆柱共形体1轴向垂直的微带连接线61的一端相连，所述微带连接线61的另一端跟一与所述金属圆柱共形体1轴向垂直的周向微带匹配线71的一端相连；
所述周向微带匹配线71的另一端与下一个金属匹配单元42的轴向微带匹配线51与微带连接线62的交点相连；
所述偶数多个金属匹配单元41、42、...、438以其中一个金属匹配单元41的周向微带匹配线71的中点为中心对称布置，在该周向微带匹配线71的中点设有一馈电端口8。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、结构紧凑、体积小：本发明在天线单元设计为E形辐射单元，馈网放弃了传统的一分二等分功分器叠加的方法，设计小型化馈电网络。
2、天线辐射影响小：本发明采用同轴馈电，契合实物测试需求，减小对天线辐射影响。
3、结构简单：本发明采用串联馈电方式，结构简单，小型化明显，关于馈电网络中心轴对称。
4、易于共形：本发明采用型号为Rogers5880的介质基板，厚度为0.254mm，介电常数为2.2，板材薄，柔韧性好，易于与载体共形。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明小型化圆柱共形微带阵列天线的结构示意图。
图2为图1中展开的矩形介质基板。
图3为本发明小型化圆柱共形微带阵列天线局部平面结构示意图。
图4为实施例的回波损耗仿真结果。
图5为实施例的E面方向图仿真结果。
图中，金属圆柱共形体1，矩形介质基板2，金属反射接地层3，金属匹配单元41、42、...、438，轴向微带匹配线51、52、...、538，微带连接线61、62、...、638，周向微带匹配线71、72、...、738。
具体实施方式
如图1、2所示，一种小型化圆柱共形微带阵列天线，包括金属圆柱共形体1、矩形介质基板2和满贴于所述介质基板2下表面的金属反射接地层3，所述介质基板2长度方向弯曲共形于所述金属圆柱共形体1外表面；
在所述介质基板2上表面沿所述金属圆柱共形体1周向均匀分布偶数多个金属匹配单元41、42、...、438。
如图3所示，每个金属匹配单元41与所述金属圆柱共形体1轴向垂直的一端的中点跟一与所述金属圆柱共形体1轴向平行的轴向微带匹配线51的一端相连，所述轴向微带匹配线51的另一端跟一与所述金属圆柱共形体1轴向垂直的微带连接线62的一端相连，所述微带连接线62的另一端跟一与所述金属圆柱共形体1轴向垂直的周向微带匹配线72的一端相连；
所述周向微带匹配线72的另一端与下一个金属匹配单元42的轴向微带匹配线52与微带连接线63的交点相连；
所述微带连接线61和638的交点为中心对称布置，且在该交点处设有一馈电端口8。
馈电端口8和微带匹配线57和微带连接线6共同构成馈电网络。
优选地，如图2所示，所述金属匹配单元41......438为大小、形状完全相同E形匹配贴片单元。E形贴片数目根据圆柱周长决定。圆柱半径为35mm，介质基板厚度为0.254mm，所以加上厚度后圆柱外半径为35.254mm，外周长为221.51mm。Rogers5880的介质基板，介电常数为2.2介质中的波长为5.95mm，根据电磁波经过一个波长的馈线长度，相位不变的原理，选择贴片数目在38个的情况下贴片间隔5.83mm最接近一个波长的距离，实现馈电网络自身的相位匹配。
优选地，所述轴向微带匹配线51的阻抗值为100Ω。周向微带匹配线71的阻抗值为70.7Ω。微带连接线61的阻抗值为100Ω。馈电端口8的阻抗值为50Ω。
优选地，所述介质基板2为Rogers5880，厚度为0.254mm，介电常数为2.2。
这验证本发明的的技术效果，下面以具体实施例加以说明。
实施例中各单元具体尺寸如下：
金属圆柱体半径35mm，高度8.36mm；
介质基板厚度是0.254mm，长度是221.51mm；
金属匹配单元4：长度：2.74mm，宽度：3.24mm；切角长度：0.6mm，宽度：1mm；
第一微带连接线61、第三十八微带连接线638长度：1.06mm，宽度：0.22mm；
第一轴向微带匹配线51、第二轴向微带匹配线52......第十九轴向微带匹配线519：长度左：1.78mm，长度右：1.9mm，宽度：0.22mm；
第二十轴向微带匹配线520、第二十一轴向微带匹配线521......第三十八轴向微带匹配线538：长度右：1.78mm，长度左：1.9mm，宽度：0.22mm；
第二微带连接线62、第三微带连接线63......第十八微带连接线618，第二十一微带连接线621、第二十二微带连接线622......第三十七微带连接线637：长度上：4.25mm，长度下：4.35mm，宽度：0.22mm；
第十九微带连接线619长度上：5.59mm，长度下：5.69mm，宽度：0.22mm；
第二十微带连接线620长度上：5.69mm，长度下：5.59mm，宽度：0.22mm；
第一周向微带匹配线71、第二周向微带匹配线72......第三十八周向微带匹配线长度上：1.34mm，长度下：1.44mm，宽度：0.45mm；
馈电端口8长度为：1.45mm，宽度：0.79mm；
仿真结果如图4、图5所示。图4为回波损耗仿真结果图。从图4可看出天线在中心频率35GHz处回波损耗为-25.57dB，在31.02GHz～36.09GHz范围内，天线S11参数小于-10dB，天线工作带宽为5.07GHz；图5为天线H面方向图，最大增益为5.63dB；
综上所述，本发明一种小型化圆柱共形微带阵列天线的馈电网络，巧用贴片间距等于一个波长的距离实现相位匹配；减小设计难度的同时，大大减小了天线整体尺寸。最终设计出一个体积小，结构简单紧凑、增益高的共形天线，对现代无线通信系统有重要的实际应用意义。

Claims (8)

1.一种小型化圆柱共形微带阵列天线，其特征在于：
包括金属圆柱共形体(1)、矩形介质基板(2)和满贴于所述介质基板(2)下表面的金属反射接地层(3)，所述介质基板(2)长度方向弯曲共形于所述金属圆柱共形体(1)外表面；
在所述介质基板(2)上表面沿所述金属圆柱共形体(1)周向均匀分布偶数多个金属匹配单元(41、42、...、438)；
每个金属匹配单元(41)与所述金属圆柱共形体(1)轴向垂直的一端的中点跟一与所述金属圆柱共形体(1)轴向平行的轴向微带匹配线(51)的一端相连，所述轴向微带匹配线(51)的另一端跟一与所述金属圆柱共形体(1)轴向垂直的微带连接线(62)的一端相连，所述微带连接线(62)的另一端跟一与所述金属圆柱共形体(1)轴向垂直的周向微带匹配线(72)的一端相连；
所述周向微带匹配线(72)的另一端与下一个金属匹配单元(42)的轴向微带匹配线(52)与微带连接线(63)的交点相连；
所述微带连接线(61)和(638)的交点为中心对称布置，且在该交点处设有一馈电端口(8)。
2.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于：
所述多个金属匹配单元(41、42、...、438)为大小、形状完全相同的E形贴片。
3.根据权利要求1或2所述的圆柱共形微带阵列天线，其特征在于：
所述金属匹配单元(41、42、...、438)的个数为38个。
4.根据权利要求1或2所述的阵列天线，其特征在于：
所述轴向微带匹配线(51)的阻抗值为100Ω。
5.根据权利要求1或2所述的阵列天线，其特征在于：
所述周向微带匹配线(71)的阻抗值为70.7Ω。
6.根据权利要求1或2所述的阵列天线，其特征在于：
所述微带连接线(61)的阻抗值为100Ω。
7.根据权利要求1或2所述的阵列天线，其特征在于：
所述馈电端口(8)的阻抗值为50Ω。
8.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于：
所述介质基板(2)为可以与弹体共形柔性Rogers5880材料，厚度为0.254mm，介电常数为2.2。
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