CN110994197B - 一种基于fss结构的宽角共形线性相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于FSS结构的宽角共形线性相控阵天线，属于无线通信领域和雷达技术领域。该天线单元包括金属地板，共地线，短路探针，Marchand巴伦，偶极子天线，共形的频率选择表面(FSS)，引向器。所述天线附着在结构表面，通过巴伦对偶极子天线进行馈电，短路探针放置在两个偶极子单元之间，FSS结构放置在偶极子天线前端，引向器放置在结构上端。使得天线既能共形在结构表面，极大地减少了天线所占的空间体积，又能够保证良好的辐射特性，并且有很高的方向性。本发明结构紧凑，安装简单，具有很高的共形特点，可以被应用于实际。

Description

一种基于FSS结构的宽角共形线性相控阵天线
技术领域
本发明属于无线通信技术和雷达技术领域，具体涉及通过同轴电缆对天线进行馈电，实现共形宽角扫描的线性相控阵。
背景技术
相控阵的理论最早诞生于20世纪30年代，由于当时微波器件的发展不成熟，导致其发展得十分缓慢。直到后来计算机技术，铁氧体和半导体材料的发展，以及在军事中的检测，跟踪需求才使得相控阵雷达得以迅速发展。比如林肯实验室就曾经对相控阵雷达进行全面深入研究；中期研制成功舰载相控阵雷达，安装在企业号航空母舰上；末期研制成功FPS-46相控阵雷达，60年代研制成功FPS-85相控阵雷达，开启了相控阵雷达新时代。
但大多数相控阵要实现宽带宽角扫描，就会使得阵列体积大，质量重，对于移动通信设备来说无疑是一个巨大的考验。为减少其所占空间，在极大程度上降低对天线性能影响又能使天线共形在结构表面，成为近年来的一大热门，本发明设计了一种天线能都在极小影响天线性能的情况下让天线共形在结构表面实现高增益宽角扫描，极大地减少了天线的所占空间。
发明内容
本发明的目的在于：结合实际应用的场景，对传统相控阵天线进行改进,将天线附着在结构表面，通过巴伦对偶极子天线进行馈电，短路探针放置在两个偶极子单元之间，FSS结构放置在偶极子天线前端，引向器放置在结构上端。使得天线既能共形在结构表面，极大地减少了天线所占的空间体积，又能够保证良好的辐射特性，并且有很高的方向性。本发明结构紧凑，安装简单，具有很高的共形特点，可以被应用于实际。
为了实现上述功能，本发明技术方案为一种基于FSS结构的宽角共形线性相控阵天线，该相控阵天线包括：支撑本体和多个单元天线，所述各单元天线包括：金属地板、介质板、共地线、Marchand巴伦、偶极子天线、短路探针、频率选择表面、引向器，各单元天线共用同一金属地板；所述支撑本体为长条形结构，其一侧为平面设置金属地板，另一侧的外形轮廓与飞机机翼的前翼外形轮廓相同，各单元天线排列为一排设置一支撑本体上；其中单元天线中的介质板设置于支撑本体的下表面，频率选择表面多个矩形贴片，紧贴与支撑本体表面，各矩形贴片一部分位于支撑本体的下表面前部，另一部分沿支撑本体前表面向上弯折；所述介质板下表面靠近金属地板的一端为后端，在后端设置共地线，靠近频率选择表面的一端为前端，在前端中部设置偶极子天线，偶极子天线包括平列设置的左、右两个贴片；介质板的两侧各设置一个短路探针，所述短路探针的头部与偶极子天线齐平，尾部连接共地线，头部宽度大于尾部宽度；所述Marchand巴伦包括正面馈线和背面地板，Marchand巴伦的正面馈线为“J”形的微带线，“J”形微带线的顶部为馈电点且位于介质板后端边缘，钩部位于介质板上表面中部；Marchand巴伦的背面地板为顶部中间开口的“口”字形结构，Marchand巴伦的背面地板底部与共地线连接，顶部开口处的两端分别采用微带线对应连接偶极子天线的左、右两个贴片；所述引向器为发矩形微带线，位于支撑本体上表面的前部；金属地板不与截止基板接触，所有单元天线共用同一共地线，相邻单元天线共用短路探针。
进一步的，所述频率选择表面为4片矩形贴片，各矩形特贴片的尺寸为0.262λ×0.083λ，其中λ为中心频率f0的一个周期波长。
进一步的，所述引向器包括两片矩形贴片，其中一片尺寸为0.367λ×0.018λ，与金属地板的距离为0.431λ，另一个尺寸为0.275λ×0.018λ，与金属地板的距离为0.339λ，其中λ为中心频率f0的一个周期波长。
进一步的，所述频率选择表面附着于聚酰亚胺薄膜上，在将聚酰亚胺薄膜附着于支撑本体上。
本发明有益效果是：通过巴伦实现同轴到偶极子天线的阻抗匹配，在外加结构短路探针和FSS结构实现在扫描情况下降低驻波，提升扫描性能，在两根引向器作用下实现高增益和高方向性。天线能都贴在轮廓表面，极大地降低了所占空间体积。并且有加工简单，成本低，易实现等特点。
附图说明
图1为本发明一种基于FSS结构的宽角共形线性相控阵天线1×12阵列示意图。
图2为本发明一种基于FSS结构的宽角共形线性相控阵天线除支撑本体的立体图。
图3为本发明一种基于FSS结构的宽角共形线性相控阵天线截面剖视图。
图4为本发明一种基于FSS结构的宽角共形线性相控阵天线中介质板的透视图。
图5为本发明一种基于FSS结构的宽角共形线性相控阵天线中介质板的下表面结构示意图。
图6为本发明一种基于FSS结构的宽角共形线性相控阵天线中介质板的上表面结构示意图。
图7为无限阵列环境下周期性单元仿真的驻波比随频率变化曲线。
图8为1×12阵列中心单元有源驻波比随频率变化曲线。
图9为1×12阵列在中心频率为f0的H面的仿真增益方向图。
图10为1×12阵列在中心频率为f0的水平面扫描从0°到60°的仿真增益方向图。
图中：101.频率选择表面，102.第一引向器，103.第二引向器，104.介质板，105.金属地板，106.Marchand巴伦，107.支撑本体表面，108.偶极子天线，109.共地线，110.短路探针，111.支撑本体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施实例。
图2为本发明实施例天线单元的整体三视图，介质板104上印刷了天线，介质板104为厚度为0.25mm，介电常数为2.2的F4BM材料，后方为金属地板105，挡板高度为0.244λ，介质板前方有频率选择表面结构，其作用能增加扫描角度，其贴片附着在厚度为0.05mm，介电常数为2.8的聚酰亚胺薄膜表面，能够使得FSS很好地共形，为了让天线具有较窄的波束及好的波束指向，并且使得波束指向向上，在轮廓上端加入两根引向器102和103。所述频率选择表面为4片矩形贴片贴片共形在支撑本体表面107，各矩形特贴片的尺寸为0.262λ×0.083λ。介质板上方为两个引向器102和103，其中靠近频率选择表面的一片尺寸为0.367λ×0.018λ，与金属地板的距离为0.431λ与垂直下表面轮廓距离为0.110λ，另一个尺寸为0.275λ×0.018λ，与金属地板的距离为0.339λ,与垂直下表面轮廓距离为0.174λ。
图3是单元的截面剖视图，支撑本体表面107为需要共形的轮廓。金属地板105位于轮廓的左端，两者是天线需要共形的轮廓，可以看出天线共形在轮廓表面。
图4与图5为介质基板的俯视透视图和仰视图，从图4中可以看出介质板104上印刷有共地线109，Marchand巴伦106，偶极子天线108和短路探针110。共地线的宽度为0.018λ，巴伦整体大小为0.165λ×0.110λ，巴伦距离天线0.037λ,由2根宽度为0.009λ的金属片连接而成，偶极子的整体长度为0.396λ×0.037λ，两个偶极子贴片中间间距为0.011λ，在偶极子天线两边均有短路探针，短路探针上端贴片尺寸为0.029λ×0.037λ，下端与共地线通过0.002λ宽度的金属片相连。从图4中可以看出上述的共地线109，Marchand巴伦106共地部分，偶极子天线108，短路探针110均印在介质板下表面。
图7为无线周期单元下的驻波比,在中心频率f0处扫描到60°驻波小于1.7，在保证30％带宽的情况下，0°到60°扫描驻波比小于2.5。
图8为1×12阵列中心单元的有源驻波比，在中心频率f0扫描到60°时驻波小于1.9，在保证30％带宽情况下，0°到60°扫描有源驻波比小于2.73。
图9为1×12阵列在不扫描时的H面方向图，其波束中心指向为theta＝72°，增益最大值为14.1dBi，其下降3dBi波束宽度为97.5°。
图10为1×12阵列水平面扫描方向图，不扫描是其最大增益值为13.66dBi，扫描到60°时其最大增益值为12.56dBi，增益下降1.1dBi。

Claims (4)

1.一种基于FSS结构的宽角共形线性相控阵天线，该相控阵天线包括：支撑本体和多个单元天线，所述各单元天线包括：金属地板、介质板、共地线、Marchand巴伦、偶极子天线、短路探针、频率选择表面、引向器，各单元天线共用同一金属地板；所述支撑本体为长条形结构，其一侧为平面设置金属地板，且金属地板与支撑本体表面共形，另一侧的外形轮廓与飞机机翼的前翼外形轮廓相同，各单元天线排列为一排设置一支撑本体上；其中单元天线中的介质板设置于支撑本体的下表面，频率选择表面多个矩形贴片，紧贴于支撑本体表面，各矩形贴片一部分位于支撑本体的下表面前部，另一部分沿支撑本体前表面向上弯折；所述介质板下表面靠近金属地板的一端为后端，在后端设置共地线，靠近频率选择表面的一端为前端，在前端中部设置偶极子天线，偶极子天线包括平列设置的左、右两个贴片；介质板的两侧各设置一个短路探针，所述短路探针的头部与偶极子天线齐平，尾部连接共地线，头部宽度大于尾部宽度；所述Marchand巴伦包括正面馈线和背面地板，Marchand巴伦的正面馈线为“J”形的微带线，“J”形微带线的顶部为馈电点且位于介质板后端边缘，钩部位于介质板上表面中部；Marchand巴伦的背面地板为顶部中间开口的“口”字形结构，Marchand巴伦的背面地板底部与共地线连接，顶部开口处的两端分别采用微带线对应连接偶极子天线的左、右两个贴片；所述引向器为矩形微带线，位于支撑本体上表面的前部；金属地板不与介质基板接触，所有单元天线共用同一共地线，相邻单元天线共用短路探针。
2.如权利要求1所述的一种基于FSS结构的宽角共形线性相控阵天线，其特征在于所述频率选择表面为4片矩形贴片，各矩形贴片的尺寸为0.262λ×0.083λ，其中λ为中心频率f0的一个周期波长。
3.如权利要求1所述的一种基于FSS结构的宽角共形线性相控阵天线，其特征在于所述引向器包括两片矩形贴片，其中一片尺寸为0.367λ×0.018λ，与金属地板的距离为0.431λ，另一个尺寸为0.275λ×0.018λ，与金属地板的距离为0.339λ，其中λ为中心频率f0的一个周期波长。
4.如权利要求1所述的一种基于FSS结构的宽角共形线性相控阵天线，其特征在于所述频率选择表面附着于聚酰亚胺薄膜上，再将聚酰亚胺薄膜附着于支撑本体上。
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