CN110323559A

CN110323559A - 一种新型高性能共形阵天线

Info

Publication number: CN110323559A
Application number: CN201910185081.XA
Authority: CN
Inventors: 蒋迪; 陈志宁; 王振; 李潇雨
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2019-03-12
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2019-10-11

Abstract

本发明涉及一种新型高性能共形阵天线，解决的是的增益低、带宽窄、抗干扰能力差的技术问题，通过采用包括阵列设置的共形阵天线单元；共形阵天线单元使用两端口馈电的行波天线馈电结构，通过分形技术来减小尺寸，从而减少曲面对天线单元的辐射影响；采用缝隙耦合馈电结构来提高天线单元带宽、减小天线单元表面波损耗以及使辐射元与馈电网络具有更好的隔离。通过采用液晶调谐电路将液晶材料应用于天线单元之中，通过电调谐改变液晶等效介电常数使天线单元的谐振频率发生改变，从而控制共形阵天线单元在所需频段内的辐射特性，实现控制不同天线单元对于主波束的贡献，增强抗干扰能力的技术方案，较好的解决了该问题，可用于天线中。

Description

一种新型高性能共形阵天线

技术领域

本发明涉及通信天线领域，具体涉及一种新型高性能共形阵天线。

背景技术

共形阵天线是一种附着于载体表面且与载体贴合的阵列天线，即需要将阵列天线共形安装在一个固定形状的表面上，从而形成非平面的共形天线阵。但由于传统共形天线体积较大、带宽较窄、增益较低，因此很难用于工程实用中。随着印制电路技术的发展，微带天线具有重量轻，体积小，低剖面，低成本，极化易控制，易与载体共形等优点，非常适合用于共形天线的设计。微带共形天线，将共形天线与微带天线两个概念相融合，不仅在飞行器表面有重大意义，在民用通信设备汽车、人体及医学领域也有着广阔应用前景。

分形技术就是指在简单的空间里一些复杂的点的集合，这些集合拥有以下的几何性质。分形结构具有空间填充性，从整体上来看是不规则的，并且分形具有精细的结构，从数学的角度上对分形结构下定义，那就是分形维数大于拓扑维数的几何结构。分形结构具有自相似的特性，或者说是某种程度上整体与部分具有一定的相似比例。由于分形结构自身的空间填充性与自相似的特点，分形技术与天线的结合，使得分形天线在小型化与宽带化上有着天然的优势；因此，天线结构采用分形技术实现天线单元小型化且结构比较对称方向图不容易畸变。利用Minkowski分形结构的二阶分形来进一步减小天线尺寸。

探新材料在天线中的应用，拓展天线的多功能是目前发展的新趋势。近年来，液晶材料的发展迅速，在微波频段具有较大折射率。在一定条件下，液晶材料在外加偏压过程中液晶分子会发生偏转，从而导致其介电常数的逐步变化，因此利用液晶材料介电常数电可调的性质，将其应用于共形阵天线设计，通过对每个液晶单元进行液晶调谐电路的单独设计来对每个天线单元的谐振点进行单独控制，从而控制天线单元的在所需频段内的辐射特性，从而改善曲面对共形阵天线的影响。

目前的共形阵天线，其共形的特性决定了其必须与载体表面吻合。由于载体曲率的影响，阵元具有不同的方向图指向，即使所有阵元选用相同的天线单元，各单元的辐射方向图向量也不相同，此外，由于共形在载体表面的辐射阵元的指向不一样，即使所有的阵元均是线极化，由表面曲率带来的交叉极化也很有可能很高，因此在共形天线阵列的研究中，需要考虑交叉极化因素。当共形阵列的波束扫描到一定方向时，由于天线辐射受到载体遮挡的影响，并不是所有的阵列天线单元都对主波束有贡献，所以可以认为那些对主波束没有贡献的单元“不工作”，以免增加阵列的副瓣电平，降低辐射效率。因此现有的共形天线普遍存在增益低、带宽窄、抗干扰能力差的技术问题。

本发明提供一种新的新型高性能共形阵天线，以解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的增益低、带宽窄、抗干扰能力差的技术问题。提供一种新的新型高性能共形阵天线，该新型高性能共形阵天线具有增益高、带宽宽、抗干扰能力强的特点。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种新型高性能共形阵天线，所述新型高性能共形阵天线包括阵列设置的共形阵天线单元；

所述共形阵天线单元采用两端口馈电的行波天线H形缝隙耦合馈电结构，共形阵天线单元包括从上到下重叠设置的第四层介质基板、第三层介质基板、第二层介质基板以及第一层介质基板；第四层介质基板上方阵列设置有寄生贴片，第四层介质基板下方设置有与寄生贴片位置对应的二阶Minkowski分形结构的小型化辐射贴片；第三层介质基板中部设置有用于填充液晶材料构成液晶材料层的液晶槽，所述小型化辐射贴片浸泡在液晶材料中；第二层介质基板上表面设置有共面波导到带状线垂直过渡结构，下表面设置有带有H形缝隙的金属地；第一层介质基板上表面设置有下层开孔金属地；

所述第四层介质上在寄生贴片的中心设置有通孔，所述共形阵天线单元还包括通过通孔与小型化辐射贴片相连的直流偏置电压电路。

本发明的工作原理：本发明主要提供了一种小型化的共形阵天线单元，该共形阵天线单元使用两端口馈电的行波天线馈电结构，通过采用分形技术来减小天线单元尺寸，从而减少曲面对天线单元的辐射影响。并采用缝隙耦合馈电结构来提高天线单元带宽、减小天线单元表面波损耗以及使辐射元与馈电网络具有更好的隔离。此外，对每个单元设计液晶电调谐电路将液晶材料应用于天线单元之中，通过电调谐改变液晶等效介电常数使天线单元的谐振频率发生改变，从而控制共形阵天线单元在所需频段内的辐射特性，来控制不同天线单元对于主波束的贡献，来增强共形阵天线的抗干扰能力。从而解决共形阵天线窄频带、增益低、抗干扰能力差等无问题。

上述方案中，为优化，进一步地，所述寄生贴片为一阶Minkowski 分形结构的寄生贴片。

进一步地，所述第三层介质基板、第二层介质基板以及第一层介质基板的厚度相同，为H；所述第四层介质基板的厚度为H/2。

进一步地，所述二阶Minkowski分形结构的小型化辐射贴片的尺寸为0.14λ×0.14λ，其中λ为所述新型共成型形相控阵天线的天线谐振点波长。

进一步地，所述第四层介质基板上设置有液晶注入孔，液晶注入孔用于注射液晶材料。

本发明首先设计了共形阵天线单元。为了尽可能减小曲面对与贴片单元的辐射影响，首先对辐射贴片进行小型化设计。本发明在天线单元辐射贴片小型化的设计中考虑天线液晶电路的位置，缝隙耦合馈电结构，其中辐射贴片采用对称结构来避免了方向产生畸变。由于分形结构自身的空间填充性与自相似的特点。一方面,分形几何的自填充等特性使得天线单元可以比较容易的实现小型化；另一方面，由十分形几何所具有的自相似特性，天线可以获得多频带的特性。因此，本发明采用基于分形技术的天线辐射单元来实现天线小型化，具有随着分形阶数和缺口深度的增加，天线的谐振频率随之下降的特点。

本发明在辐射贴片上层添加寄生贴片，寄生贴片产生的电场部分抵消原来由于耦合产生的电场，能够降低天线耦合，提高天线增益。寄生贴片可采用一阶Minkowski分形结构。

对天线单元的馈电结构，本发明充分考虑周边电磁环境对天线单元电路结构特性的影响，采用缝隙耦合馈电结构以及采用H形缝隙来提高天线单元带宽、减小天线单元表面波损耗以及使辐射元与馈电网络具有更好的隔离。采用H形缝隙后，增加了矩形两端的耦合面积，其耦合量也随之增大，从而有效缓解了耦合量由中心向两端衰减的程度，天线输入阻抗的变化也随之变缓，天线的阻抗带宽得到增加。并采用两端口馈电的行波天线结构，使天线单元便于组成串馈阵。

对于液晶材料在天线单元中的馈电电路结构。本发明将辐射贴片与利用液晶材料的地之间的介质层挖空来填充液晶材料来，并在辐射贴片上层设计出调谐液晶层的直流电路结构。该结构能够通过对天线单元的辐射贴片施加正向电压，来对液晶实现电调谐，且该结构不会对天线的辐射特性产生影响。通过外加偏置电压改变液晶材料的介电常数进而改变天线单元的谐振频率来实现天线的频率可重构，增强天线单元的抗干扰能力。相比于其他调谐技术，液晶调谐具有调谐电压低、调谐速度快、调谐范围宽且调谐范围内持续调谐的特性。本发明的共面波导到带状线的垂直过渡结构，通过底层的圆形开孔来实现共面波导带状线部分良好的阻抗匹配，在所需频段内具备了良好的传输特性。相比于传统微带线馈电方式，该结构能够减少损耗，且其带状线在两层介质基板之间，稳定性较好，不易受环境损坏。

本发明的有益效果：本发明使用分形技术来实现辐射贴片单元的小型化，从而减小天线单元尺寸。通过使用液晶电调谐技术和两端口的行波天线缝隙耦合馈电结构来实现对天线阵列单元的单独控制从而增强阵列天线增益、带宽和抗干扰能力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1，基于液晶材料的共成型相控阵天线单元的分层结构示意图。

图2，第四层介质基板上表面结构图。

图3，第四层介质基板下表面结构图。

图4，第三层介质基板上表面结构图。

图5，第三层介质基板下表面结构图。

图6，第二层介质基板上表面结构图，

图7，第二层介质基板下表面结构图。

图8，第一层介质基板上表面结构图。

图9，第一层介质基板下表面结构图。

图10，天线单元S参数示意图。

图11，天线单元的S21示意图。

图12，S参数随液晶介电常数变化示意图。

图13，新型高性能共形阵天线示意图。

图中：1-下层金属地，2-第一层介质基板，3-共面波导到带状线的垂直过渡结构，4-第二层介质基板，5-带有H型缝隙的金属地，6- 带有液晶槽的介质基板，7-液晶槽，8-二阶Minkowski分形结构的小型化辐射贴片，9-第四层介质基板，10-一阶Minkowski分形结构寄生贴片，11-直流偏置电压电路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种新型高性能共形阵天线，所述新型高性能共形阵天线包括阵列设置的共形阵天线单元；如图1，所述共形阵天线单元采用两端口馈电的行波天线H形缝隙耦合馈电结构，如图2-图9 及图13共形阵天线单元包括从上到下重叠设置的第四层介质基板、第三层介质基板、第二层介质基板以及第一层介质基板；第四层介质基板上方阵列设置有寄生贴片，第四层介质基板下方设置有与寄生贴片位置对应的二阶Minkowski分形结构的小型化辐射贴片；第三层介质基板中部设置有用于填充液晶材料构成液晶材料层的液晶槽，所述小型化辐射贴片浸泡在液晶材料中；第二层介质基板上表面设置有共面波导到带状线垂直过渡结构，下表面设置有带有H形缝隙的金属地；第一层介质基板上表面设置有下层开孔金属地；所述第四层介质上在寄生贴片的中心设置有通孔，所述共形阵天线单元还包括通过通孔与小型化辐射贴片相连的直流偏置电压电路。

其中的下层开孔金属地、第一层介质基板、共面波导到带状线垂直过渡结构、第二层介质基板、以及带有H形缝隙的金属地组成天线单元共面波导到带状线馈电的垂直过渡结构。

本实施例的天线设计步骤如下：

第一，开展共形阵列天线设计

将本实施例的天线单元组成串馈阵列进行分析研究。对于本实施例的共形阵天线的设计，首先考虑共形阵元间的互耦效应，因为实际应用中，阵元间会产生互耦，导致阵列扫描角度不准，副瓣抬高，甚至出现扫描盲点。需要采取针对性技术手段降低阵元之间的互耦。

本实施例考虑了曲面对与共形阵天线的辐射影响，微带天线之间的互耦主要包括三个耦合途径，即近场(Near-field)耦合，表面波 (Surface-wave)耦合和远场(Far-field)耦合。当微带天线离得很近，处于各自近场区域时，天线之间会相互造成干扰，此时近场耦合占主导作用，并且近场耦合会随着介质厚度的变厚或者介电常数的降低而加强。近场耦合随天线之间距离的增大衰减迅速，当天线之间间距增大一倍时，近场耦合一般会下降12dB-18dB。微带天线会在介质中激励起表面波并在介质中传播，从而造成天线之间相互干扰。通过对微带天线阵的互耦机理进行分析，并与电磁仿真软件进行仿真验证相结合来去确定天线单元间距。

本实施例用波束成形算法对方向图加权处理，形成期望的波束，实现对指定区域的波束覆盖。首先选取优化参数，把阵元的幅值和相位作为圆柱共形天线波束成的优化参数，再将参与波束成形的阵元有源方向图数据进行加权，根据叠加原理得到了共形天线的总场方向图，最终设定并评价目标函数，获得全局最优解。

首先，需要确定3dB波束宽度和主波束指向确定这两个参数基本就确定了主波束区域的波束成形要求。其次确定干扰区域，干扰区域需要旁瓣、主波束区域内的交叉极化来确定。根据以上的约束条件，本实施例构造了两个目标函数。令F_d为期望得到的目标方向图，F₀为实际得到的方向图，F为相对目标方向图F_d的浮动。

其中，主波束区域内的目标函数为：

对应的适应度函数为：

其中，c为采样点数。

对于干扰区域，本实施例只需要定义上限值，其目标函数表示为：

对应的适应度函数为：

其中，k为采样点数。

F＝a*f_MF+(1-a)*f_SF；

其中，a为所占的权值系数。

最终，本实施例将对基于液晶的频率可调小型化成型相控阵天线单元进行组阵，并考虑共成型相控阵天线的阵因子和天线单元间的互耦影响，进而应用波束成形算法主要作用是对方向图加权处理，形成期望的阵列天线模型如图9所示。

根据仿真结果，本实施例第四层介质基板的厚度为前三层介质基板厚度的一半，为127μm；第一、二、三层介质基板厚度相同为254 μm。

本实施例中上述结构的加工步骤为：第一步，分别对第一层254 μm的RO5880基片、第二层254μm的RO5880基片利用多层PCB 板技术进行馈电结构和缝隙耦合结构加工，对254μm的带有空槽的 Rogers 5880基片进行挖空来制作液晶槽，对第四层带有辐射贴片、寄生贴片和直流偏置电路的基板进行单独加工，其中在不影响电路结构传输性能的四周进行打孔，以便在后续的整体装配过程中进行螺钉固定。

第二步，为了获得准确的液晶电控介电常数变化范围，需对液晶进行取向预处理，即在谐振金属原片单元和金属地载板上涂敷取向层 (聚酰亚胺)，具体操作过程为：通过旋涂方法将聚酰亚胺酸溶液均匀涂敷在上述基片和金属地载板的表面，然后经高温加热固化处理，再在裹有绒布的滚筒上按固定方向进行高速旋转摩擦，使得在无外加电场作用下取向层对液晶分子产生有序地取向作用。

第三步，采用导电胶将垫片粘合在金属地载板上而形成液晶槽，然后将上层基片垂直重叠在垫片之上并通过螺钉固定，再进行测试接头的焊接。

第四步，利用微型注入器并通过预留的液晶注入孔将液晶引入到封闭的液晶槽中，然后对液晶注入孔进行密封，形成待测器件。

本实施例将如图2的Minkowski分形曲线的二阶分形应用于天线单元的辐射贴片，得到如图1中所示的小型化辐射贴片。辐射贴片在天线谐振点的尺寸仅为尺寸仅为0.14λ×0.14λ，实现了天线单元的小型化。同时，在辐射贴片上层添加一阶Minkowski分形结构作为寄生贴片，寄生贴片产生的电场部分抵消原来由于耦合产生的电场，能够降低天线耦合，提高天线增益。

对于液晶层的调控，为了能够对共形阵单元进行单独调控，本实施例中提供一种如图3的调谐液晶层的直流电路结构。该结构能够通过对天线单元的辐射贴片施加正向电压，来对液晶实现电调谐，且该结构不会对天线的辐射特性产生影响。

通过液晶材料来对辐射贴片的谐振频率进行单独控制，进而能够控制天线单元的辐射，将液晶直流偏置电路与天线单元的缝隙耦合结构一起来实现对天线单元辐射的控制。通过对共形阵单元下的液晶层施加不同的控制电压，来使得天线辐射单元下的液晶材料具有不同的介电常数，从而控制馈线对缝隙的馈入量，来实现对单元辐射的控制。

将其应用于共形天线时，由于天线辐射受到载体遮挡的影响，并不是所有的阵列天线单元都对主波束有贡献，所以可以认为那些对主波束没有贡献的单元“不工作”，以免增加阵列的副瓣电平，降低辐射效率。而液晶共形天线能够控制天线单元的辐射，来使得主波束没有贡献的单元不辐射，来消除阵列的副瓣电平。此外，将液晶单元的偏置控制电路设置为同一电压时便能使共形阵天线实现频率可重构，增加其抗干扰能力。

对于每个液晶单元层可以视为一个子阵，可通过现有的 MATLAB算法进行控制，从而高效方便的对阵列进行控制。

如图10所示，本实施例的天线的回波损耗在随液晶介电常数变化时，其值小于-20dB，天线的阻抗匹配非常好。如图11所示天线的带宽大于0.5G，且天线的谐振电在21GHz，实现了小型化。如图12 所示，插入损耗在谐振点的值大于-1dB，天线的谐振频率随液晶介电常数的变化而变化。当液晶的介电常数从3.2变到3.6时，天线的谐振频率从18.8GHz变到了21GHz，频率移动了1.2GHz.天线实现了频率可重构。

因此，本实施例解决了共形阵天线窄频带、增益低、抗干扰能力差等无问题，使用分形技术来实现辐射贴片单元的小型化，从而减小天线单元尺寸。通过使用液晶电调谐技术和两端口的行波天线缝隙耦合馈电结构来实现对天线阵列单元的单独控制从而增强阵列天线增益、带宽和抗干扰能力。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种新型高性能共形阵天线，其特征在于：所述新型高性能共形阵天线包括阵列设置的共形阵天线单元；

2.根据权利要求1所述的新型高性能共形阵天线，其特征在于：所述寄生贴片为一阶Minkowski分形结构的寄生贴片。

3.根据权利要求2所述的新型高性能共形阵天线，其特征在于：所述第三层介质基板、第二层介质基板以及第一层介质基板的厚度相同，为H；所述第四层介质基板的厚度为H/2。

4.根据权利要求3所述的新型高性能共形阵天线，其特征在于：所述二阶Minkowski分形结构的小型化辐射贴片的尺寸为0.14λ×0.14λ，其中λ为所述新型共成型形相控阵天线的天线谐振点波长。

5.根据权利要求1-4任一所述的新型高性能共形阵天线，其特征在于：所述第四层介质基板上设置有液晶注入孔，液晶注入孔用于注射液晶材料。