CN111753434B - 一种超窄带导航干扰天线设计方法、天线及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超窄带导航干扰天线设计方法，属于干扰天线技术领域，包括步骤：1)根据介质基板的材料参数，估算微带贴片的尺寸；2)采用串馈形式或并馈形式将多个微带贴片组合形成阵列天线；3)采用微带贴片宽度渐变法控制各微带贴片的激励电流，使得阵列天线上各微带贴片上电流服从切比雪夫分布；4)对连接各微带贴片的馈线长度进行优化，保证各微带贴片同相以实现边射特性；5)对阵列天线进行仿真优化。本发明具有定向能力强、能量密度大、环境影响小等优点。

Description

一种超窄带导航干扰天线设计方法、天线及其应用

技术领域

本发明主要涉及干扰天线技术领域，具体涉及一种超窄带导航干扰天线设计方法、天线及其应用。

背景技术

伴随无人机机载通信系统的迅速迭代，具有自制通信非协作惯导系无人机将成为未来电子工具战主要威胁，它们的目标正在向非常规频段、非常规通信工作模式、大带宽捷变瞬发的方向发展，传统的“无人机”干扰设备实现电磁压制无人机上行链路将会出现大面积“致盲”的情况，同时传统民用导航接收设备抗干扰能力弱，传统大功率导航干扰设备无法实现精准打击，引发环境及设备端次生伤害，对非无人机惯导系设备影响严重。故现有的导航干扰天线具有的不足有以下几点：

1、现有的导航干扰天线通常采用单天线设计方案，从天线理论上可以知道，单天线的辐射波束宽度较宽，增益较低，从而辐射能量密度较差，导致干扰器定向干扰性能差，天线辐射旁瓣容易干扰当地通信基站授时系统，导致通信网络瘫痪；

2、采用多单元阵列干扰，增益会相应的提升，但前后比并没有明显改善，阵列后端的馈电网络也会变得更为复杂，从而使系统的复杂度增加，同时阵列的成本也相应的变高，不利于产品的研发与生产；

3、在低频导航频段，频段划分复杂，导航干扰天线频域带宽较宽，容易造成受控区域内干扰不同频段导航系统，例如北斗BD2的L1频段与GPS的L1频段间距小于13MHz。

因此，具有定向性能强、能量密度大、环境影响小的新型超窄带导航干扰天线设计研制迫在眉睫。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种设计合理的、具有高增益、低旁瓣、窄波束特性的超窄带导航干扰天线的设计方法，并同时提供一种具有高增益、低旁瓣、窄波束特性的超窄带导航干扰天线及应用。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种超窄带导航干扰天线设计方法，包括步骤：

1)根据介质基板的材料参数，估算微带贴片的尺寸；

2)采用串馈形式或并馈形式将多个微带贴片组合形成阵列天线；

3)采用微带贴片宽度渐变法控制各微带贴片的激励电流，使得阵列天线上各微带贴片上电流服从切比雪夫分布；

4)对连接各微带贴片的馈线长度进行优化，保证各微带贴片同相以实现边射特性；

5)对阵列天线进行仿真优化。

本实施例中，在步骤3)中，首先近似认为微带贴片的宽度正比于电流振幅比，进行仿真初值设置；先确定介质基板上中间的微带贴片宽度，将其阵元宽度归一化，然后根据电流振幅比确定其他微带贴片宽度。

本实施例中，在步骤3)中，切比雪夫分布方向分析为：

对于切比雪夫阵列天线长度

时，方向性系数可用下式计算

式中20lgR为副瓣电平，f为波瓣展宽因子；

当切比雪夫边射阵与等幅边射阵的微带贴片单元个数和间距相同时，两阵主瓣宽度之比称为波瓣展宽因子，即

式中2θ_0.5为切比雪夫边射阵主瓣宽度，

为等幅边射阵宽度。

本实施例中，在步骤3)中，阵列天线上各微带贴片上电流服从切比雪夫阵列分布的设计过程为：

3.1)根据微带贴片个数N的奇偶性，选择阵因子

奇数阵列，N＝2M+1，或

偶数阵列，N＝2M；

3.2)展开阵因子中的每一项，使其只含有的cos(u)形式；

3.3)由dB表示的主副瓣比R_0dB换算成数值R₀，并令T_N-1(x₀)＝R₀；其中x₀已知，T_N-1(x₀)为N-1阶切比雪夫多项式，其阶数始终比微带贴片数少1；

3.4)用变量代换cos(u)＝x/x₀，代入步骤3.2)展开的阵因子中；

3.5)进行变量代换之后，使因子多项式等于一个N-1阶的切比雪夫多项式S(u)＝T_N-1(x)，从而确定阵列多项式系数I_n；

3.6)把步骤3.5)得到的I_n代入阵因子S_odd(u)或S_even(u)中得到阵因子表达式；

3.7)各个微带贴片的宽度按照切比雪夫的阵因子的分布形式排布。

本实施例中，在步骤1)中，介质基板的材料参数包括介质基板介电常数ε_r、厚度h和中心频率f₀，对应的尺寸估算过程为：

微带贴片的宽度W由下式计算：

式中c为光速；

微带贴片的长度L为

式中ε_e为微带贴片的有效介电常数，ΔL是等效辐射缝隙的长度。

本实施例中，在步骤4)中，采用端点馈电的方式，各微带贴片间的馈线长度为0.5λ_g，微带贴片的长度也为0.5λ_g，相邻微带贴片中心之间的间距约为λ_g，从而使得各个阵元同相，实现边射特性；其中λ_g为介质基板内的波导波长。

本实施例中，在步骤5)之前，在介质基板的两侧加载金属板，以提高阵列天线的前后比。

本实施例中，所述天线的辐射增益≥18dBi，S11≤-15dB时带宽为2MHz，带外抑制比≥20dB；天线前后比>30dB，E面的波束宽度<10°，H面波束宽度<120°。

本发明还公开一种超窄带导航干扰天线，所述超窄带导航干扰天线通过如上所述的超窄带导航干扰天线设计方法制备而成。

本发明进一步公开了一种超窄带导航干扰天线的应用，配合导航干扰系统，采用如下的架设方式：

水平架设天线的位置，该天线为水平极化辐射，则天线辐射方向图在方位面为超窄波束，并通过转台控制方位与俯仰对空域进行旋转覆盖干扰；

垂直架设天线的位置，该天线为垂直极化辐射，通过底端馈电口给天线馈电，则天线辐射方向图在俯仰面为超窄波束，最后通过转台控制方位与俯仰对空域进行旋转覆盖干扰。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明采用微带贴片天线形式，具有低剖面，体积小，重量轻，易共形，可集成化等特点；同时利用串馈方式或并馈线方式形成微带天线线阵，并采用切比雪夫形式的幅度分布，通过调整贴片天线宽度，实现阵列天线的高增益、低旁瓣、窄波束特性；同时为了提高天线的前后比，该天线在介质基板两侧加载金属边框，实现高前后比特性；最后该超窄带天线的带宽为1.573～1.577GHz，带外抑制比≥20dB，E面的波束宽度小于10°，天线的前后比大于30dB，天线的定向能力强，主辐射方向的能量密度大，能够实现精确目标打击，同时环境影响小，不会引发环境及设备端次生灾害；另外整个方法设计合理，步骤简单。

本发明采用由微带贴片组成的微带阵列天线设计，其馈电结构采用串联馈电，形成微带串馈阵列天线，其中串联馈电的形式由于馈线比较短，可以有效减小馈线的损耗，增大天线辐射效率；同时采用单馈口形式，结构简单，没有复杂的馈电网络，加工成本低。

本发明的天线采用E面波束低于10°的窄波束，-20dB的低旁瓣设计，能够避免对受控区边上的导航设备进行干扰；由于具有窄的工作带宽，主要工作于GPS的L1频段，带外抑制比高，对于北斗等导航频段的影响小，同时也不会影响基站等通信设备的正常工作；由于GPS导航信号采用的是扩频通信技术，容易被干扰无法通信，该发明的天线的低旁瓣，高前后抑制比特性能够较好的避免除主波束方向外的其他方向进行干扰，实现精确定性干扰。

附图说明

图1为本发明的设计方法在实施例的方法流程图。

图2为本发明中的微带贴片在实施例的结构示意图。

图3为本发明中下副瓣电平与波束展宽因子关系图。

图4为本发明的天线在实施例的侧视结构示意图。

图5为本发明的天线在实施例的俯视结构示意图。

图6为本发明中S11参数曲线图。

图7为本发明中阵型E面方向图。

图8为本发明中阵列H面方向图。

图中标号表示：1、介质基板；2、微带贴片；3、馈线；4、金属边框。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本实施例公开了一种超窄带导航干扰天线设计方法，包括步骤：

1)根据介质基板1的材料参数，估算微带贴片2的尺寸；

2)采用串馈形式或并馈形式将多个微带贴片2组合形成阵列天线；

3)采用微带贴片2宽度渐变法控制各微带贴片2的激励电流，使得阵列天线上各微带贴片2上电流服从切比雪夫分布；

4)对连接各微带贴片2的馈线3长度进行优化，保证各微带贴片2同相以实现边射特性；

5)对阵列天线进行仿真优化。

本实施例中，在步骤5)之前，在介质基板1的两侧加载金属板，以提高阵列天线的前后比。

本发明采用微带贴片2天线形式，具有低剖面，体积小，重量轻，易共形，可集成化等特点；同时利用串馈方式或并馈线3方式形成微带天线线阵，并采用切比雪夫形式的幅度分布，通过调整贴片天线宽度，实现阵列天线的高增益、低旁瓣、窄波束特性；同时为了提高天线的前后比，该天线在介质基板1两侧加载金属边框4，实现高前后比特性；最后该超窄带天线的带宽为1.573～1.577GHz，带外抑制比≥20dB，E面的波束宽度小于10°，天线的前后比大于30dB，天线的定向能力强，主辐射方向的能量密度大，能够实现精确目标打击，同时环境影响小，不会引发环境及设备端次生灾害。

本实施例中，在步骤1)中，采用毫米波微带贴片2(结构如图2所示)，此微带贴片2天线与普通天线相比，具有低剖面，体积小，重量轻，易共形，可集成化等特点，同时在低频段的导航干扰是全新的应用领域，具有较好的应用前景。其对应尺寸的估算过程如下：

首先确定介质基板1的材料参数，其中材料参数包括介电常数ε_r、厚度h和中心频率f₀中的一种或多种，然后估算矩形微带贴片2(或称辐射贴片)的尺寸，其宽度W由下式计算：

式中c为光速，矩形微带贴片2的长度L一般取为λ_g/2；其中λ_g是介质基板1内的波导波长，即为

式中ε_e为微带天线的有效介电常数；

考虑到辐射贴片的边缘缩短效应，实际的辐射贴片长度L应为：

式中的ΔL是等效辐射缝隙的长度，可以分别用下式计算

本实施例中，由于一般微带贴片单元(即单个微带贴片2)方向性不强，增益不高，增益大约在6～8dB，波束宽度宽，通常E面波束宽度在90°～110°之间，微带贴片单元无法满足导航干扰对天线性能的要求，为获得更大增益，提升方向性，在步骤2)中，采用由多个微带贴片2(或称微带贴片单元)组成的微带阵列天线设计，其馈电结构采用串联馈电，形成微带串馈阵列天线(馈电结构也可以采用并联馈电)，其中串联馈电的形式由于馈线3比较短，可以有效减小馈线3的损耗，增大天线辐射效率；同时采用单馈口形式，结构简单，没有复杂的馈电网络，加工成本低。

本实施例中，在步骤3)中，微带串馈阵列天线采用微带贴片2宽度渐变法控制单元激励电流，使得阵列天线上微带贴片2上电流服从切比雪夫分布，实现高增益、低旁瓣、超窄波束特性，具体地，在设计初期，可以近似认为微带贴片2的宽度正比于电流振幅比，进行仿真初值设置；再先确定中间的微带贴片2宽度，将其阵元宽度归一化，然后根据电流振幅比确定其他微带贴片2宽度。

此外，随着微带贴片2宽度的改变，在步骤4)中需要对连接微带贴片2的馈线3长度进行优化，保证阵元同相，实现边射特性；最后在步骤5)中，在电磁场全波仿真软件CST中进行调参优化，确定最佳参数。

本实施例中，在步骤3)中，道尔夫-切比雪夫分布方向性分析如下：

对于切比雪夫天线阵长度

时，方向性系数可用下式计算

式中20lgR为副瓣电平，f为波瓣展宽因子；

当切比雪夫边射阵与等幅边射阵的微带贴片2单元个数和间距相同时，两阵主瓣宽度之比称为波瓣展宽因子，即

式中2θ_0.5为切比雪夫边射阵主瓣宽度，

为等幅边射阵宽度。

其中波瓣展宽因子与副瓣电平的关系如图3所示。

本实施例中，在步骤3)中，切比雪夫阵列设计基本步骤为：

3.1)根据微带贴片2个数N的奇偶性，选择阵因子

(奇数阵列，N＝2M+1)或

(偶数阵列，N＝2M)；

3.2)展开阵因子中的每一项，使其只含有的cos(u)形式；

3.3)由dB表示的主副瓣比R_0dB换算成数值R₀，并令T_N-1(x₀)＝R₀

已确定x₀的值；T_N-1(x₀)为N-1阶切比雪夫多项式，其阶数始终比阵列单元数少1；

3.4)用变量代换(道尔夫采用的关系)

cos(u)＝x/x₀，代入步骤3.2)展开的阵因子中；

3.5)进行变量代换之后，使因子多项式等于一个N-1阶的切比雪夫多项式

S(u)＝T_N-1(x)

从而确定阵列多项式系数I_n；

3.6)把步骤3.5)得到的I_n代入阵因子S_odd(u)或S_even(u)中得到阵因子表达式；

3.7)各个微带贴片2的宽度按照切比雪夫的阵因子的分布形式排布。

本实施例中，在步骤4)中，采用端点馈电的方式，阵元间的馈线3长度约为0.5λ_g，微带贴片2的长度也约为0.5λ_g，相邻矩形微带贴片2中心之间的间距约为λ_g，从而使得各个阵元同相，实现边射特性，其中λ_g表示波导波长。

本实施例中，通过上述各步骤得到的天线几何如图4和图5所示，天线的整体尺寸为L×W,采用F4B的板材，介电常数为2.55，介质基板1的厚度为0.8mm；采用串馈形式将各个微带贴片2串联成阵列天线；其中微带贴片2的长度为L0，各微带贴片2之间的间距为d，各个微带贴片2的宽度按照切比雪夫的比例因子的分布形式排布；另外在介质基板1的两侧加载了金属板，用以提高阵列天线的前后比。

本实施例中，图6～8给出了天线的主要参数曲线，其中图6给出了阵列天线的S11参数曲线，从图6中可以看出该阵列天线具有4MHz的频段带宽，从1573～1577MHz低于-10dB，主要对GPS导航的L1频段实现干扰；且该阵列天线的带外抑制能力较强，同时对于北斗L1频段内的S11在-1dB左右，较好的避免了对于北斗的干扰。

图7给出了阵列天线在中心频点1.575GHz的E面方向图，从图7中可以看出阵列天线的增益为18.7dBi，阵列天线E面的波束宽度为9.6°，带外抑制比电平为-20.5dB。

图8为中心频点的H面方向图，H面的3dB波束宽度为48°，10dB的波束宽度为95°。阵列天线的前后比为31dB，阵列天线具有高的前后比。

本发明还公开了一种通过如上设计方法制备而成的超窄带导航干扰天线，其所具有特性为：天线的辐射增益≥18dBi，S11≤-15dB时带宽为2MHz，带外抑制比≥20dB；天线前后比>30dB，E面的波束宽度<10°，H面波束宽度<120°；上述天线定向辐射能力强，易于实现目标精确打击；频域的超窄带，天线的频段带宽窄，防止其他导航频域的干扰。

本发明的天线采用E面波束低于10°的窄波束，-20dB的低旁瓣设计，能够避免对受控区边上的导航设备进行干扰；由于具有窄的工作带宽，主要工作于GPS的L1频段，带外抑制比高，对于北斗等导航频段的影响小，同时也不会影响基站等通信设备的正常工作；由于GPS导航信号采用的是扩频通信技术，容易被干扰无法通信，该发明的天线的低旁瓣，高前后抑制比特性能够较好的避免除主波束方向外的其他方向进行干扰，实现精确定性干扰。

本发明还公开了上述超窄带导航干扰天线配合导航干扰系统而采用的架设方式，分别为：

(1)水平架设天线的位置，该天线为水平极化辐射，则天线辐射方向图在方位面为超窄波束，并通过转台控制方位与俯仰对空域进行旋转覆盖干扰；

(2)垂直架设天线的位置，该天线为垂直极化辐射，通过底端馈电口给天线馈电，则天线辐射方向图在俯仰面为超窄波束，最后通过转台控制方位与俯仰对空域进行旋转覆盖干扰。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种超窄带导航干扰天线的应用方法，其特征在于，所述超窄带导航干扰天线通过超窄带导航干扰天线设计方法制备而成，所述超窄带导航干扰天线设计方法包括步骤：

1)根据介质基板(1)的材料参数，估算微带贴片(2)的尺寸；

2)采用串馈形式或并馈形式将多个微带贴片(2)组合形成阵列天线；

3)采用微带贴片(2)宽度渐变法控制各微带贴片(2)的激励电流，使得阵列天线上各微带贴片(2)上电流服从切比雪夫分布；

4)对连接各微带贴片(2)的馈线(3)长度进行优化，保证各微带贴片(2)同相以实现边射特性；

5)对阵列天线进行仿真优化；

所述超窄带导航干扰天线配合导航干扰系统，采用如下的架设方式：

水平架设天线的位置，该天线为水平极化辐射，则天线辐射方向图在方位面为超窄波束，并通过转台控制方位与俯仰对空域进行旋转覆盖干扰；

垂直架设天线的位置，该天线为垂直极化辐射，通过底端馈电口给天线馈电，则天线辐射方向图在俯仰面为超窄波束，最后通过转台控制方位与俯仰对空域进行旋转覆盖干扰；

在步骤3)中，切比雪夫分布方向分析为：

对于切比雪夫阵列天线长度

时，方向性系数可用下式计算

式中f为波瓣展宽因子；

当切比雪夫边射阵与等幅边射阵的微带贴片(2)单元个数和间距相同时，两阵主瓣宽度之比称为波瓣展宽因子，即

式中2θ_0.5为切比雪夫边射阵主瓣宽度，

为等幅边射阵宽度；

在步骤5)之前，在介质基板(1)的两侧加载金属板，以提高阵列天线的前后比；

所述天线的辐射增益≥18dBi，S11≤-15dB时带宽为2MHz，带外抑制比≥20dB；天线前后比>30dB，E面的波束宽度<10°，H面波束宽度<120°。

2.根据权利要求1所述的超窄带导航干扰天线的应用方法，其特征在于，在步骤3)中，首先近似认为微带贴片(2)的宽度正比于电流振幅比，进行仿真初值设置；先确定介质基板(1)上中间的微带贴片(2)宽度，将其阵元宽度归一化，然后根据电流振幅比确定其他微带贴片(2)宽度。

3.根据权利要求1所述的超窄带导航干扰天线的应用方法，其特征在于，在步骤3)中，阵列天线上各微带贴片(2)上电流服从切比雪夫阵列分布的设计过程为：

3.1)根据微带贴片(2)个数N的奇偶性，选择阵因子

奇数阵列，N＝2M+1，或

偶数阵列，N＝2M；

3.2)展开阵因子中的每一项，使其只含有的cos(u)形式；

3.3)由dB表示的主副瓣比R_0dB换算成数值R₀，并令T_N-1(x₀)＝R₀；其中x₀已知，T_N-1(x₀)为N-1阶切比雪夫多项式，其阶数始终比微带贴片(2)数少1；

3.4)用变量代换cos(u)＝x/x₀，代入步骤3.2)展开的阵因子中；

3.5)进行变量代换之后，使因子多项式等于一个N-1阶的切比雪夫多项式S(u)＝T_N-1(x)，从而确定阵列多项式系数I_n；

3.6)把步骤3.5)得到的I_n代入阵因子S_odd(u)或S_even(u)中得到阵因子表达式；

3.7)各个微带贴片(2)的宽度按照切比雪夫的阵因子的分布形式排布。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的超窄带导航干扰天线的应用方法，其特征在于，在步骤1)中，介质基板(1)的材料参数包括介电常数ε_r、厚度h和中心频率f₀，对应的尺寸估算过程为：

微带贴片(2)的宽度W由下式计算：

式中c为光速；

微带贴片(2)的长度L为

式中ε_e为微带贴片(2)的有效介电常数，ΔL是等效辐射缝隙的长度。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述的超窄带导航干扰天线的应用方法，其特征在于，在步骤4)中，采用端点馈电的方式，各微带贴片(2)间的馈线(3)长度为0.5λ_g，微带贴片(2)的长度也为0.5λ_g，相邻微带贴片(2)中心之间的间距为λ_g，从而使得各个阵元同相，实现边射特性；其中λ_g为介质基板(1)内的波导波长。

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