CN111786118B - 一种基于液晶可调材料的装备共型缝隙耦合天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于液晶可调材料的装备共型缝隙耦合天线，该天线采用闵可夫斯基分形微带结构，增大辐射贴片的电长度，减小天线单元尺寸，减少曲面曲率变化对天线辐射的的影响，并采用带状线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；通过在地板层设计矩形槽隙，可抑制天线之间表面波传播，有效降低共型阵列天线单元之间的耦合；通过设计液晶调谐电路将液晶应用于天线单元之中，进行电调谐改变液晶等效介电常数，实现频率可重构，提高装备共型天线抗干扰能力，从而提高现有天线的带宽，增益，降低辐射影响。

Description

一种基于液晶可调材料的装备共型缝隙耦合天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种基于液晶可调材料的装备共型缝隙耦合天线。
背景技术
电子技术的飞速发展，电磁研究的不断深入，天线作为信号接收和发射不可或缺的关键部件，其发展和应用已经渗透到雷达、电子对抗、导航和通信等诸多领域。军队对战场实时通信和传递重要信息能力的要求推动了先进天线技术的研究。高性能新型天线的设计与研制已成为一种迫切的需要。
装备共型天线广泛应用于航空飞行器、导弹等武器装备，在飞行器、导弹上装备共型天线可有效解决武器表面天线突出的问题，实现天线与载体一体化设计，极大限度保持了战机的隐身特性和机动能力，进而提升了战力水平。以智能蒙皮为代表的共型天线是装备共型天线最重要的部分，共型天线直接把天线阵面贴于载体表面，与飞行器、导弹等武器结构融为一体，可有效降低武器平台雷达反射面积，对载体外形结构和空气动力学等影响较小。
但是现有的平面天线扫描范围有限，增益随扫描角增大逐渐降低，波瓣随扫描角增大逐渐变宽，当应用于战斗机、导弹等高速飞行器时，不仅对其空气动力特性造成严重影响，还会增加雷达散射截面等一系列问题。而微带共型阵列天线单元间互耦抑制严重，剖面高，宽带窄，增益低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于液晶可调材料的装备共型缝隙耦合天线，旨在提高现有天线的带宽，增益，降低辐射影响。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于液晶可调材料的装备共型缝隙耦合天线，包括多个天线单元，多个所述天线单元呈线性排列，所述天线单元包括由上而下依次设置的金属分形贴片、第一介质基板、金属开缝地板、第二介质基板、第三介质基板和金属地板，所述第一介质基板中间镂空，填充有液晶，所述金属分形贴片具有第一矩形槽，所述第一矩形槽的数量为四个，四个所述第一矩形槽位于所述金属分形贴片的四周。
其中，所述金属开缝地板具有第二矩形槽，所述第二矩形槽的数量为四个，每一所述第二矩形槽与每一所述第一矩形槽相对设置。
其中，所述金属分形贴片的长度和宽度均为3.4mm。
其中，所述第一矩形槽的长度为1.1mm，宽度为0.2mm。
其中，多个所述天线单元呈直线排列。
其中，多个所述天线单元呈半波长曲线排列。
其中，多个所述天线单元呈柱面曲线排列。
其中，多个所述天线单元呈球面曲线排列。
本发明的一种基于液晶可调材料的装备共型缝隙耦合天线，通过采用闵可夫斯基分形微带结构，增大辐射贴片的电长度，减小天线单元尺寸，减少曲面曲率变化对天线辐射的的影响，并采用带状线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；通过在地板层设计矩形槽隙，可抑制天线之间表面波传播，有效降低共型阵列天线单元之间的耦合；通过设计液晶调谐电路将液晶应用于天线单元之中，进行电调谐改变液晶等效介电常数，实现频率可重构，提高装备共型天线抗干扰能力，从而提高现有天线的带宽，增益，降低辐射影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明天线单元的结构示意图；
图2是本发明天线单元的侧视图；
图3是本发明r为50mm的柱面共型辐射方向图；
图4是本发明r为70mm的柱面共型辐射方向图；
图5是本发明r为90mm的柱面共型辐射方向图；
图6是本发明r为50mm的球面共型阵辐射方向图；
图7是本发明r为70mm的球面共型阵辐射方向图；
图8是本发明r为90mm的球面共型阵辐射方向图；
图中：1-天线单元、11-金属分形贴片、12-第一介质基板、13-金属开缝地板、14-第二介质基板、15-第三介质基板、16-金属地板、111-第一矩形槽、131-第二矩形槽、20-带状线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1，本发明提供一种基于液晶可调材料的装备共型缝隙耦合天线，包括多个天线单元1，多个所述天线单元1呈线性排列，所述天线单元1包括由上而下依次设置的金属分形贴片11、第一介质基板12、金属开缝地板13、第二介质基板14、第三介质基板15和金属地板16。所述金属分形贴片11具有第一矩形槽111，所述第一矩形槽111的数量为四个，四个所述第一矩形槽111位于所述金属分形贴片11的四周。所述金属分形贴片11的长度和宽度均为3.4mm，即所述金属分形贴片11的大小为3.4mm*3.4mm。采用闵可夫斯基分形，在所述金属分形贴片11四周对称截去1.1mm*0.2mm的矩形，即截去所述第一矩形槽111，所述第一矩形槽111的长度为1.1mm，宽度为0.2mm，从而增大辐射贴片的电长度，减小天线单元1尺寸，减少曲面曲率变化对天线辐射的的影响，并采用带状线20缝隙耦合馈电结构来提高天线单元1带宽、减小天线单元1表面波损耗以及使辐射元与馈电网络具有更好的隔离。
所述第一介质基板12、所述第二介质基板14和所述第三介质基板15均为罗杰斯5880介质基板。所述第一介质基板12中间镂空，填充有液晶，相对于传统方法，运用液晶材料设计的装备共型天线具有以下优势：首先，液晶材料具有流动性，可灌注到任何形状的结构中，同时其密度小、质量轻使得调谐天线单元1体积较小、重量较轻以及较强的多样性。其次，液晶是一种无源材料，改变外置偏压只影响一定偏振方向电磁波的有效介电常数，相比于PIN二极管和铁氧体等材料，在一定功率范围内，不会出现互调失真现象，且调谐线性度好；通过设计液晶谐电路将液晶应用于天线单元1之中，进行电调谐改变液晶等效介电常数，实现频率可重构，提高装备共型天线抗干扰能力。
所述金属开缝地板13具有第二矩形槽131，所述第二矩形槽131的数量为四个，每一所述第二矩形槽131与每一所述第一矩形槽111相对设置。对于微带共型阵列天线，阵元间的互耦会造成天线匹配变差，效率降低，阵列扫描方向图副瓣抬高，甚至出现扫描盲点。因此，通过在所述第一介质基板12和所述第二介质基板14之间的所述金属开缝地板13设计辐射效率最高的矩形槽隙即所述第二矩形槽131，可抑制天线之间表面波传播，通过抑制或者阻断表面波传播从而可提高天线之间的隔离度，减小阵元间的耦合；且通过闵可夫斯基分形技术，可减小天线面积以扩大单元间距进一步提高隔离度。通过设计液晶谐电路将液晶应用于天线单元1之中，进行电调谐改变液晶等效介电常数，实现频率可重构，提高装备共型天线抗干扰能力。
在一实施方式中，多个所述天线单元1呈直线排列。
在一实施方式中，多个所述天线单元1呈半波长曲线排列。将多个所述天线单元1按半波长均匀组阵后，可通过改变液晶有效介电常数，控制天线单元1辐射，实现一维相扫。
在一实施方式中，多个所述天线单元1呈柱面曲线排列。图3、图4、图5给出了三种曲率半径的圆柱共型阵列天线在15GHz的辐射方向图。从图3、图4、图5中可看出不同圆柱半径的共型阵列天线增益约为5.78dBi，随着圆柱半径的增大，天线的主瓣增益变大，天线主瓣宽度变小，但是总体变化不大。
在一实施方式中，多个所述天线单元1呈球面曲线排列。图6、图7、图8分析了不同曲率(球半径)对共型天线阵列辐射的影响，半径r分别为50mm、70mm、90mm。随着球半径的增大，天线的有效辐射面积增大，但天线的辐射方向图受球半径变化影响较小。
与现有的天线相比，传统微带天线最突出的一个缺点是其阻抗带宽窄，可通过降低天线Q值，或引入额外的谐振以增加阻抗带宽。其中第一类方法的实现途径包括：使用低介电常数介质，或人为降低介质的有效介电常数；使用厚度较厚的介质加载电阻；加载超材料表面；采用磁性材料等，第二类方法实现途径包括：在微带天线上开缝，其中最典型的例子就是U形和E形微带贴片；在微带天线介质同层或者异层引入额外的谐振贴片等。尽管这些方法可以有效的展宽微带天线带宽，但是与此同时往往会引起微带天线其它性能的降低。例如，电阻加载的方法牺牲了天线效率来换取带宽的展宽；加载超材料表面或者叠层贴片会增加天线加工难度；开缝会恶化天线交叉极化性能。更为重要的是，对于共型天线设计来说，其中很多方法是违背了低剖面的设计原则。
阵列天线是设计高增益共型天线时常采用的形式，其阵元可以是微带贴片天线、缝隙天线或者螺旋天线等，其馈电网络的设计可以是基于微带线形式、带状线形式、波导形式或混合形式。对于阵列天线，馈电网络与天线整体的辐射效率直接相关。基于微带线或者带状线的馈电网络，其导体损耗和介质损耗会带来较明显的插损，降低阵列天线效率，这点在毫米波频段尤甚；波导馈电网络虽然插损较小，但体积过于笨重，加工成本高。但出于馈电复杂程度，在ku频段装备共型天线上采取带状线的馈电网络。
而本发明提出一种基于液晶可调材料的装备共型缝隙耦合天线，该天线采用闵可夫斯基分形微带结构，增大辐射贴片的电长度，减小天线单元1尺寸，减少曲面曲率变化对天线辐射的的影响，并采用带状线20缝隙耦合馈电结构来提高天线单元1带宽、减小天线单元1表面波损耗以及使辐射元与馈电网络具有更好的隔离；通过在所述金属开缝地板13设计矩形槽隙即所述第二矩形槽131，可抑制天线之间表面波传播，有效降低共型阵列天线单元1之间的耦合；通过设计液晶调谐电路将液晶应用于天线单元1之中，进行电调谐改变液晶等效介电常数，实现频率可重构，提高装备共型天线抗干扰能力。其具有重量轻，体积小，低剖面，低成本，极化易控制，馈电简单，增益高等优点，非常适合用于导弹、飞机、运载火箭等装备共型天线的设计。同时可轻易实现方位面360范围全向覆盖或波束扫描；增益及方向图波瓣宽度随扫描角增大变化小，通过有效利用载体表面可增大天线辐射口径；对载体的空气动力特性影响小；雷达散射截面小。能够与天线所在平台相贴合，打破了平面天线的一些局限性，在军事领域有很大的应用前景。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种基于液晶可调材料的装备共型缝隙耦合天线，其特征在于，
包括多个天线单元，多个所述天线单元呈线性排列，所述天线单元包括由上而下依次设置的金属分形贴片、第一介质基板、金属开缝地板、第二介质基板、第三介质基板和金属地板，所述第一介质基板中间镂空，填充有液晶，所述金属分形贴片具有第一矩形槽，所述第一矩形槽的数量为四个，四个所述第一矩形槽位于所述金属分形贴片的四周；所述金属开缝地板具有第二矩形槽，所述第二矩形槽的数量为四个，每一所述第二矩形槽与每一所述第一矩形槽相对设置；所述金属分形贴片采用闵可夫斯基分形。
2.如权利要求1所述的基于液晶可调材料的装备共型缝隙耦合天线，其特征在于，
所述金属分形贴片的长度和宽度均为3.4mm。
3.如权利要求1所述的基于液晶可调材料的装备共型缝隙耦合天线，其特征在于，
所述第一矩形槽的长度为1.1mm，宽度为0.2mm。
4.如权利要求1所述的基于液晶可调材料的装备共型缝隙耦合天线，其特征在于，
多个所述天线单元呈直线排列。
5.如权利要求1所述的基于液晶可调材料的装备共型缝隙耦合天线，其特征在于，
多个所述天线单元呈半波长曲线排列。
6.如权利要求1所述的基于液晶可调材料的装备共型缝隙耦合天线，其特征在于，
多个所述天线单元呈柱面曲线排列。
7.如权利要求1所述的基于液晶可调材料的装备共型缝隙耦合天线，其特征在于，
多个所述天线单元呈球面曲线排列。
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