CN110212310B - 加载qcto透镜的共形相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加载QCTO透镜的共形相控阵天线，应用简单的直线阵线性馈电相位分布对其进行馈电，可以实现共形阵天线与直线阵天线辐射方向图的等效，从而省去了对共形阵列天线的馈电幅度与相位的优化问题。该天线包括QCTO介质透镜，辐射体单元，金属支撑地板和馈电体；QCTO介质透镜紧密覆盖在由辐射体单元组成的八元共形阵列上，辐射体单元固定于金属支撑地板上，馈电体穿过金属支撑地板(3)中的槽直接与辐射体单元相连接。本发明天线的中心频率为8GHz，在15％的相对带宽内的辐射效果可以与直线阵进行等效，避免了共形阵列天线复杂的优化过程，为共形阵列天线的设计提供了新的便捷方法。

Description

加载QCTO透镜的共形相控阵天线

技术领域

本发明属于天线技术领域和光学领域，特别涉及阵列相控阵天线和基于光学变换原理的全介质透镜，用于将直线阵列中的阵列综合应用于共形阵中，使共形阵列实现与直线阵列相同的辐射效果。

背景技术

相控阵天线(PAA)现已广泛的应用于雷达、广播和通信等方面。相控阵天线大多数都是直线阵或平面阵，然而有许多系统需要将天线排列在它们的表面，像导弹、车辆、航空器等。当天线排列表面的曲率半径远大于自由空间波长时，表面的弯曲程度较为平缓，对天线阵列的辐射方向图影响不明显；当天线排列表面的曲率较小，接近或小于自由空间波长时，表面的弯曲程度较大，此时天线阵列的辐射方向图会发生明显改变，这是由于曲面上不同位置的单元辐射的电磁波有不同的传播路径，从而导致不同电磁波相位相差较大。同时，相控阵天线的副瓣电平和最大辐射方向在阵列天线设计中也是必不可少的问题。

现在，平面阵已经存在有效的低副瓣综合方法，如切比雪夫和泰勒综合，对称的幅度和线性的相位激励导致了具有简单而有效的阵列综合结果。但是这些技术都是基于平面阵，并不能适用于曲面共形相控阵。在曲面共形阵中，不同单元具有不同的辐射方向，虽然存在各种各样的方向图优化理论，但这些通常都是非对称的随机过程，现阶段并不能像直线阵综合一样做到准确完备。

变换光学(TO)是基于空间变换的思想，通过改变空间中的材料特性对天线辐射的电磁波的传播路径进行有效的控制。光学变换这一技术在实际应用中已经被证实是具有挑战的，因为变换光学中涉及到的一些材料是非均匀各项异性的，在产生电性能的时候会伴随有磁性能的产生，此时这些材料只能通过谐振式的电磁超材料(Metamaterial)来实现。由于谐振特性的影响，电磁超材料的使用会很大程度上限制天线的带宽，同时产生较高的损耗。

准保角变换光学(quasi-conformal transformation optics-QCTO)这一理论的提出，使得TO中涉及的非均匀各向异性的谐振式电磁超材料被均匀的各向同性的纯介质超材料来代替。这一技术的使用使材料的小型化、宽带化、低损耗得以实现，也使得全介质透镜的制造成为可能。

S参数反演给予了准确获得纯介质超材料电性能参数的方法，结合3D打印技术我们可以轻易的制造全介质透镜。这为制作较宽带宽和低损耗的近似各向同性的梯度折射指数材料，提供了一个控制波束的便捷方法。

发明内容

要解决的技术问题

为了克服现有共形相控阵天线在阵列综合设计过程中，不可避免地产生复杂的馈电幅度与相位优化的问题，本发明提供一种加载QCTO全介质透镜的共形相控阵天线，可将直线阵列中的阵列综合应用于共形阵列中，式共形阵实现与直线阵相同的良好辐射性能。

技术方案

一种加载QCTO透镜的共形相控阵天线，其特征在于包括QCTO介质透镜、辐射体单元、金属支撑地板和馈电体；辐射体单元排列在金属支撑地板上，QCTO介质透镜覆盖在由八个辐射体单元组成的共形阵列上，整个共形阵列固定在金属支撑结构上，馈电体穿过金属支撑地板与辐射体单元相连；所述的QCTO介质透镜为介电常数为2.6的介质板，采用在介质板上打不同尺寸的方形孔，以及在孔中填充介电常数为4.4的不同截面尺寸的长方体介质块来实现整个QCTO介质透镜的等效介电常数不均匀分布的特性，QCTO介质透镜的下表面剖面是两段不同曲率半径的弧形构成的，左半部分曲线为圆心在原点，曲率半径为R1的圆弧；右半部分曲线为圆心在z轴上，z＝-R1，半径是R2＝2*R1的圆弧；所述的辐射体单元为缝隙耦合式微带天线，从上至下依次包括第一层介质板、第二层介质板、第三层介质板、第四层介质板，其中第一层介质板的正面中心设有矩形金属片，第三层介质板的正面覆盖金属，中心位置蚀刻H型缝隙，反面的中间为一条金属带状线；所述的金属支撑地板为与QCTO介质透镜配合的圆弧状结构；所述的馈电体为一分八威尔金森功分相移网络，8个输出端口连接8个辐射体单元的输入。

所述的第一层介质板和第三层介质板的介电常数为2.65，第二层介质板和第四层介质板的介电常数为2.2。

所述的馈电体的介质板的介电常数为2.65，厚度为1mm，双层覆铜，上表面为功分网络，其中包含有7个100欧姆的隔离电阻；下表面全部覆铜为接地板。

所述的金属支撑地板的材料为铝。

有益效果

本发明提出的一种加载QCTO透镜的共形相控阵天线，应用简单的直线阵线性馈电相位分布对其进行馈电，可以实现共形阵天线与直线阵天线辐射方向图的等效，从而省去了对共形阵列天线的馈电幅度与相位的优化问题。本发明天线的中心频率为8GHz，在15％的相对带宽内的辐射效果可以与直线阵进行等效，避免了共形阵列天线复杂的优化过程，为共形阵列天线的设计提供了新的便捷方法。有益效果如下：

1、本发明由于采用缝隙耦合式微带天线作为单元，可使天线具有较宽的宽带特性，如图7所示，电压驻波比小于1.5的范围可以覆盖7.40GHz～8.60GHz，相对带宽大于15％。

2、本发明天线基于QCTO理论设计的透镜可以有效的控制共形相控阵的方向图，使其在不同扫描角下方向图和直线相控阵相比拟，采用全介质实现，避免超材料的使用产生的高损耗，窄带宽等缺陷。

3、本发明所设计的加载透镜的共形相控阵天线与直线相控阵天线相比，有极为相似的方向性，并能够获得更高的增益，在一定扫描范围内都能实现较低的副瓣电平，可以有效的克服直线阵在高扫描角状态下出现栅瓣的问题。此外在馈电体上，通过简便的线性相位有效的实现波束扫描，对比于其他共形阵天线，省去了繁琐的方向图优化过程，可以推广到其他阵列天线辐射方向图的控制中。

附图说明

图1天线整体模型：(a)整体视图、(b)主视图、(c)局部放大图1、(d)局部放大图2；

图2透镜单元模型及尺寸：(a)模块1、(b)模块2、(c)模块3；

图3透镜模型及尺寸：(a)主视图、(b)俯视图；

图4支撑结构模型及尺寸：(a)俯视图、(b)主视图；

图5辐射单元结构及尺寸：(a)整体视图、(b)俯视图、(c)主视图；

5-第一层介质板、6-第二层介质板、7-第三层介质板、8-第四层介质板；

图6馈电网络结构及尺寸：(a)扫描角θ＝0°、(b)扫描角θ＝20°、(c)扫描角θ＝40°、(d)扫描角θ＝-20°、(e)扫描角θ＝-40°；

图7驻波比图

图8直线阵天线和透镜共性阵天线的归一化方向图：(a)扫描角θ＝0°、(b)扫描角θ＝20°、(c)扫描角θ＝40°、(d)扫描角θ＝-20°、(e)扫描角θ＝-40°；

图9不同频段的的归一化方向图：(a)扫描角θ＝0°、(b)扫描角θ＝20°、(c)扫描角θ＝40°、(d)扫描角θ＝-20°、(e)扫描角θ＝-40°。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明的技术原理：

QCTO理论在继承了TO理论可以有效控制电磁波传播路径的基础上，有效地规避了应用TO理论设计变换空间时可能因为使用谐振式电磁超材料而产生高损耗、窄带宽和空间材料各向异性等缺陷，使得设计全介质、低损耗、宽频带的设备实现成为可能。在空间中传播TE极化波的前提下，三维的变换空间可以被简化成二维形式。根据QCTO理论设计的变换后空间中的坐标等值线网格近似正交，由于空间中只有相对介电常数为渐变的，相对磁导率为常数1，这时可以使用纯介质材料对变换后空间进行实际构建。本发明基于以上理论，对变换后的空间进行设计，在该空间中直线阵与共形阵之间辐射性能可以实现等效。

为了更加简便的对透镜进行制作，对变换后空间进行区域离散化。考虑实际变换后空间中介电常数的分布范围，以及空间离散化的精确度需求，采用在边长为6mm和3mm的正方体介质块中打孔以及在孔中填充其他高介电常数的介质材料来设计组建透镜的单元结构，通过控制孔的截面尺寸大小来定量地控制单元结构的相对介电常数大小。根据空间离散化的结果，用这些设计好的单元结构对整个空间进行构建，设计出一块介质透镜来近似模拟变换后的空间。

考虑到天线单元需要共形于载体表面以及天线的极化方式，同时为了保证加载透镜的共形阵天线的带宽需求，天线单元采用缝隙耦合式微带天线。将天线单元排列在共形表面上且位于介质透镜的下方，透镜下边缘制作成与共形表面相同的弧形以便于与天线阵组合。天线单元的馈电幅度采用理想的-25dB直线阵泰勒综合，不同扫描角时不同单元相位采用直线阵所对应的线性分布。

综合采用上述技术措施，可以使加载透镜的共形相控阵天线实现直线相控阵天线的辐射性能，并且二者在一定扫描范围内归一化辐射方向图的一致性良好，同时相比于直线相控阵天线，加载透镜的共形相控阵天线的方向系数有所提高。

参照图1，本发明天线由QCTO介质透镜1，辐射体单元2，金属支撑结构3和馈电体4构成，QCTO介质透镜1和辐射体单元2直接接触，辐射体单元2位于QCTO介质透镜1下方，辐射体单元2排列在金属支撑地板3上，QCTO介质透镜1完全覆盖在由八个辐射体单元2组成的共形阵列上，整个共形阵列固定在金属支撑结构3上，并且QCTO介质透镜1和辐射单元2排列于支撑结构3上，通过介质螺钉固定。馈电体4穿过金属支撑地板3与辐射体单元2相连。

所述的QCTO介质透镜1由介电常数2.6的结构单元组成，通过在正方体结构单元上打单孔、在正方体三个相邻的表面同时打孔以及在孔中填充介电常数4.4材料的方式，实现整个透镜不同区域的等效介电常数不均匀分布。透镜的下表面剖面是两段不同曲率半径的弧形构成的，左半部分曲线为圆心在原点，曲率半径为R₁的圆弧；右半部分曲线为圆心在z轴上，z＝-R₁，半径是R₂＝2*R₁的圆弧。相比于传统的左右对称的圆柱共形表面结构，该种两侧不对称形状弧形的结构可以看作对前者进行一般情况的深入探究，由于一些天线阵的排布表面并不是规则的，所以联系到实际情况，选择该种非对称结构作为共形表面进行研究具有实际意义。

参照图2，本发明天线的QCTO介质透镜1由不同尺寸的结构单元组成，其中结构单元的形式有三种：(a)在边长为6mm的正方体介质块上的相邻三个表面上同时进行打孔设计；(b)在边长为3mm的正方体介质块上的相邻三个表面上同时进行打孔设计；(c)在边长为3mm的正方体介质块上的单个表面上进行打孔设计。通过改变孔的界面边长r来控制整个结构单元等效介电常数的变化。QCTO介质透镜1为非对称阶梯状的介质块堆砌，下表面为与辐射体单元2组成的阵列配合的非对称圆弧状，透镜中包含许多等效介电常数不同的结构单元，将透镜分为多个区域以形成等效介电常数为1.3～3.2的非均匀分布。

参照图3，本发明天线的QCTO介质透镜1为纯介质块组合而成，对整个介质透镜进行分区域设计，不同的区域的等效介电常数是不相等的。区域I所应用的结构单元为(a)和(b)，等效介电常数为1.3，孔截面尺寸r分别为4.10mm和2.08mm；区域II所应用的结构单元为(a)和(b)，等效介电常数为1.4，孔截面尺寸r分别为3.74mm和1.92mm；区域III所应用的结构单元为(a)和(b)，等效介电常数为1.5，孔截面尺寸r分别为3.46mm和1.78mm；区域IV～VIII所应用的结构单元为(c)，等效介电常数为1.6～2.0，间隔为0.1，孔截面尺寸r分别为2.38mm、2.26mm、2.14mm、2.00mm、1.86mm；区域IX～XII所应用的结构单元为(c)，等效介电常数分别为2.15～2.60，间隔为0.15，孔截面尺寸r分别为1.60mm、1.32mm、0.98mm、0mm；区域XIII和XIV所应用的结构单元为(c)，并且在孔中填充介电常数4.4的介质，整个结构单元的等效介电常数分别为2.9和3.2，孔截面尺寸r分别为1.18mm、1.70mm；整个QCTO介质透镜1下缘设计成左右两端不对称的弧形，透镜下缘的两边有突出的未开孔的实体介质块部分与支撑结构3进行相连。

参照图4，本发明天线的金属支撑地板3采用与QCTO介质透镜1下缘相似的弧形结构，两侧垂直延长段为安装装置，弧状部分上有许多M2孔，为辐射单元2的安装孔。所述的金属支撑地板3铝制，中间的弧形部分与透镜下表面形状相同，其上有32个圆孔，辐射体部分的层4为平面结构，与支撑结构相切连接，用介质螺钉将支撑结构与辐射体单元相切固定在一起。两边部分水平结构为安装平台，将透镜固定在支撑结构上。

参照图5，本发明天线的辐射体单元2为缝隙耦合式微带天线，分为四层结构，层2和层4为介电常数2.2的介质块，较薄的层1和层3为介电常数2.65的介质板，四层结构依次穿插放置，最上层(层1)为薄介质板单面覆铜，上表面附着尺寸小于介质板的矩形金属片；中层(层2)和下层(层4)放置介质块，两层介质块中间放置馈线介质板(层3)，双面覆铜，整个上表面覆盖金属，中心位置蚀刻H型缝隙，下表面中间为一条金属带为馈线；四层结构都开有四个M2通孔，为贴片单元和支撑结构连接。层2和层4为纯介质板，放置在在层1和层3之间、层4与下方支撑结构之间，起支撑的作用。辐射体通过介质螺钉固定在下方的支撑结构上。

参考图6，馈电体4采用不等分的一分八威尔金森功分相移网络的形式，不同的功分网络对应着阵列天线不同的波束指向，以此来模拟相控阵的扫描状态。功分网络的采用在厚度为1mm，介质常数为2.65的介质板材上的一侧全部覆铜为接地板，另一侧进行蚀刻来加工功分网络实现。

根据上述结构本发明给出以下天线实例：

QCTO介质透镜由介电常数2.65的材料制成，总体尺寸150×132×24mm³，单元块尺寸为6×6×6mm³和3×3×3mm³。

微带天线单元由介电常数2.2的介质块和介电常数2.65的介质板构成以及覆铜面构成，两块起支撑作用的介质块的尺寸都为28×11×3mm³，两块介质板尺寸均为28×11×0.5mm³，在各层板子四周都有半径为1mm的通孔。

支撑结构由铝制成，支撑结构厚度为3mm，整体尺寸为155×32mm²，整体分为三个部分。中间部分为弧形结构，与透镜下缘的形状相似，其上有32个M2的孔，方向垂直于弧形结构的切面，通过介质螺钉固定微带天线单元。支撑结构两侧水平部分长度都是30mm，每一侧各有三个M2的孔，用来固定透镜的位置。

本发明的优点可通过以下仿真进一步说明：

1、仿真内容

利用仿真软件对上述实施例天线的电压驻波比、方向图进行了仿真。

2、仿真结果

图7是对实例天线仿真得到的电压驻波比随工作频率变化的曲线。从图6可以看出，本发明天线在电压驻波比小于1.5的条件下，工作频率可以覆盖7.4～8.6GHz，相对带宽超过15％，带宽满足使用要求。

图8是本发明天线在中心频率8GHz上，H面不同扫描角下的归一化方向图与对应直线阵归一化方向图的仿真结果对比。可以看出，在不同扫描角下，加载QCTO介质透镜的共形阵天线的辐射效果，可以与对应的相同激励下的直线阵天线的辐射效果很好的吻合。

图9是本发明天线在中心频点以及15％相对带宽的两个边频点上，H面不同扫描角下归一化方向图的测试结果。可以看出，在整个发明天线的实现的过程中，由于加工制作以及人工组装等因素产生的误差，在不同频率下的辐射方向图的副瓣电平相比于仿真结果有一些增加，但最大辐射方向以及主瓣与仿真结果还是具有较高的一致性。

Claims (4)

1.一种加载QCTO透镜的共形相控阵天线，其特征在于包括QCTO介质透镜(1)、辐射体单元(2)、金属支撑地板(3)和馈电体(4)；辐射体单元(2)排列在金属支撑地板(3)上，QCTO介质透镜(1)覆盖在由八个辐射体单元(2)组成的共形阵列上，整个共形阵列固定在金属支撑地板(3)上，馈电体(4)穿过金属支撑地板(3)与辐射体单元(2)相连；所述的QCTO介质透镜(1)为介电常数为2.6的介质板，采用在介质板上打不同尺寸的方形孔，以及在孔中填充介电常数为4.4的不同截面尺寸的长方体介质块来实现整个QCTO介质透镜的等效介电常数不均匀分布的特性，QCTO介质透镜(1)为非对称阶梯状的介质块堆砌，下表面为与辐射体单元(2)组成的阵列配合的非对称圆弧状，透镜中包含许多等效介电常数不同的结构单元，将透镜分为多个区域以形成等效介电常数为1.3～3.2的非均匀分布；QCTO介质透镜(1)的下表面剖面是两段不同曲率半径的弧形构成的，左半部分曲线为圆心在原点，曲率半径为R1的圆弧；右半部分曲线为圆心在z轴上的坐标为z＝-R1，半径是R2＝2*R1的圆弧；所述的辐射体单元(2)为缝隙耦合式微带天线，从上至下依次包括第一层介质板(5)、第二层介质板(6)、第三层介质板(7)、第四层介质板(8)，其中第一层介质板(5)的正面中心设有矩形金属片，第三层介质板(7)的正面覆盖金属，中心位置蚀刻H型缝隙，反面的中间为一条金属带状线；所述的金属支撑地板(3)为与QCTO介质透镜(1)配合的圆弧状结构；所述的馈电体(4)为一分八威尔金森功分相移网络，8个输出端口连接8个辐射体单元(2)的输入。

2.根据权利要求1所述的一种加载QCTO透镜的共形相控阵天线，其特征在于所述的第一层介质板(5)和第三层介质板(7)的介电常数为2.65，第二层介质板(6)和第四层介质板(8)的介电常数为2.2。

3.根据权利要求1所述的一种加载QCTO透镜的共形相控阵天线，其特征在于所述的馈电体(4)的介质板的介电常数为2.65，厚度为1mm，双层覆铜，上表面为功分网络，其中包含有7个100欧姆的隔离电阻；下表面全部覆铜为接地板。

4.根据权利要求1所述的一种加载QCTO透镜的共形相控阵天线，其特征在于所述的金属支撑地板(3)的材料为铝。

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