CN111969300B - 微带阵列盘锥复合共形天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种微带阵列盘锥复合共形天线,旨在提供一种剖面低、易与载体共形的复合天线,本发明通过下述技术方案予以实现:嵌入固定在反射腔体腔底上的金属圆锥体和金属圆盘构成盘锥天线,固联在金属圆盘上的介质基片上设有至少2×2的矩形辐射贴片单元,矩形辐射贴片单元)通过一分四微带功分器并联馈电,盘锥天线和微带阵列天线组成了一个即能辐射水平全向的L频段垂直极化信号,又能向天顶定向辐射C频段的水平极化信号的复合天线阵。该复合天线电压驻波比VSWR≤2,并且两端口隔离度S21≥30dB。具有多频宽带特性,能够满足机载平台L频段数据链功能和无线电高度表功能所需增益和空域覆盖要求。

Description

微带阵列盘锥复合共形天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域,更具体的是涉及一种应用于机载平台,能够发射和接收L频段电磁波,同时也能发射和接收C频段电磁波,完成全向数据链功能和高度测高功能的共形复合天线。
背景技术
随着无线通信技术的发展,越来越多的通信设备被装载在飞行器上,使得机载射频传感器设备的密度越来越高,需要在有限的装机空间内,对天线孔径进行合理的综合设计。
机载L频段全向天线主要实现数据链(包含通信类、导航类和识别类)功能,是一种多功能综合天线,通过分时复用,实现多个功能对该天线的共用。L频段全向天线工作带宽接近50%,属于宽带天线,且要求水平垂直极化的方位全向辐射,一般采用单极子类的刀型天线,这种外露式天线不仅会影响载体气动性能,且在装配位置上会发生冲突,存在绕射遮挡和电磁兼容等问题。由于共形天线可以与形态各异的复杂载体共形设计并成为其表面的一部分且不对其气动性能造成影响、充分利用有限空间实现全向覆盖,已成为发展趋势。
共形天线是一种附着于载体,完全与载体贴合的低剖面天线,具有与载体平台相同或近似的表面结构,能够很好地实现天线与载体平台的共形而不改变载体的气动力学性能,这是提出共形天线的最主要的目的之一。由于共形天线同所附物体的结构融为一体,不产生额外的气阻动力,减少了油耗,相应的也就提高的飞机的航程。
盘锥共形天线是一种具有超宽频带、线极化特性的全向天线,该种天线是偶极子天线的一种变形,即将上臂变成了圆盘,下臂变成了圆锥,相比同频段的刀型天线,高度缩减了50%以上,具有低剖面、易共形的特点,该形式的天线在多种机载平台上已经广泛应用。与数据链天线类似,无线电测高天线也是机载射频传感器系统重要组成之一,通过无线电高度表天线接收和发射C频段的电磁信号,测量飞机距离地面的高度。无线电高度表天线采用低剖面的水平极化的微带阵列天线,微带天线利用同轴线馈线馈电,在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场,并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射,它的辐射是由微带天线导体边沿和地板之间的边缘场产生的,主辐射方向垂直于贴片表面。由于L频段数据链功能和无线电高度表功能工作频率间隔较大,且主辐射方向和极化方式均不相同,具备孔径综合设计的条件。
发明内容
本发明的目的是针对目前机载平台天线孔径紧张,且为了达到更好的气动和隐身性能,要求天线具备低剖面、共形的特点,本发明提供一种能够同时覆盖L频段多种数据链功能和C频段无线电测高功能需求,且具有低剖面、易与载体共形的复合天线,可进一步减少天线孔径数量,降低装机空间要求。
本发明上述目的可以通过以下措施来达到:一种微带阵列盘锥复合共形天线,包括:嵌入固定在反射腔体8腔底上的金属圆锥体5,固定在金属圆锥体5锥面上的门架式短路金属柱4,水平固定在短路金属柱4上的金属圆盘3,以及固联在金属圆盘3上的介质基片2,其特征在于:贴片探针6通过金属化过孔穿过介质基片2连接顶层微带阵列辐射贴片1,介质基片2上设有至少2×2组矩形辐射贴片单元101,矩形辐射贴片单元101通过一分四微带功分器102并联馈电,组成了一个即能辐射水平全向的L频段垂直极化信号,又能向天顶定向辐射C频段的水平极化信号的复合天线阵。
本发明具有如下有益效果:
具有低剖面、易与载体共形。本发明采用嵌入固定在反射腔体8腔底上的金属圆锥体5,固定在金属圆锥体5锥面上短路金属柱4,水平固定在短路金属柱4的金属圆盘3,以及固联在金属圆盘3上的介质基片2,实现即可以辐射水平全向的L频段垂直极化信号,又可以向天顶定向辐射C频段的水平极化信号的微带阵列盘锥复合共形天线。该复合天线通过在圆盘和圆锥体之间加载短路金属柱,有效减小天线尺寸,扩宽了天线频段,相比于传统的刀型全向天线形式,高度降低了60%,能够在较低的高度下覆盖L频段功能要求的频带范围;该复合天线的微带阵列采用2x2的阵元排布,阵列尺寸仅为60mm×60mm×1.5mm,矩形辐射贴片单元采用嵌入式微带线馈电方式,能够通过改变馈线插入深度与宽度来调节天线的输入阻抗,使得辐射贴片能够在不添加四分之一波长阻抗变换器的条件下与馈线阻抗匹配,微带阵列采用嵌入式微带线馈电和高介电常数的介质基片实现小型化设计,覆盖C频段功能要求的频带范围。通过盘锥天线和微带阵列天线的复合设计,复合天线直径仅有200mm,高度仅26.5mm,在工作频带内,有效减小了天线尺寸,充分提高了机载平台的孔径利用率,减少了天线孔径数,并且有利于机载平台气动和隐身特性。本发明设计了一种盘锥天线与微带阵列天线复合共形天线,能够同时覆盖L频段多种数据链功能和无线电测高功能需求,且具有低剖面、易与载体共形的特点。仿真结果证明,所设计的天线在工作要求范围内驻波特性良好,实现了尺寸和剖面受限情况下高增益的指标要求。
附图说明
图1是本发明盘锥及微带阵列复合天线的主视图;
图2是图1的俯视图;
图3是本发明复合天线在L频段和C频段电压驻波比示意图;
图4是本发明复合天线在L频段和C频段隔离度曲线示意图;
图5是本发明复合天线在L频段俯仰面二维方向图;
图6是本发明复合天线在L频段方位面二维方向图;
图7是本发明复合天线在C频段俯仰面E面二维方向图;
图8是本发明复合天线在C频段俯仰面H面二维方向图;
图中:1微带阵列辐射贴片、2介质基片、3金属圆盘、4金属柱、5金属圆锥体、6贴片探针,7锥台探针,8反射腔体。
具体实施方式
参阅图1、图2。在以下描述的优选实施例中,一种微带阵列盘锥复合共形天线,包括:嵌入固定在反射腔体8腔底上的金属圆锥体5,固定在金属圆锥体5锥面上的门架式短路金属柱4,水平固定在短路金属柱4上的金属圆盘3,以及固联在金属圆盘3上的介质基片2。贴片探针6通过金属化过孔穿过介质基片2连接顶层微带阵列辐射贴片1,介质基片2上设有至少2×2的矩形辐射贴片单元101,矩形辐射贴片单元101通过一分四微带功分器102并联馈电,组成了一个即能辐射水平全向的L频段垂直极化信号,又能向天顶定向辐射C频段的水平极化信号的复合天线阵,其中,金属短路柱4加载在金属圆盘3和金属圆锥体5之间,等效于加载了一个强耦合电容的阻抗匹配。
优选地,锥顶中心轴的两侧为直径至少3mm的短路金属柱,将金属圆盘和椎体短路相连。
优选地,盘锥天线同轴电缆内芯与锥顶金属圆盘相连,外表皮与椎体相连。
优选地,盘锥天线和微带阵列天线构成的复合天线整体嵌入安装于金属腔体内,天线顶端与腔体上表面齐平,达到共形设计的目的。
贴片探针6通过金属化过孔穿过介质基片2连接顶层微带阵列辐射贴片1。贴片探针6通过一分四馈电网络与四个微带贴片相连,馈以等幅等相信号,实现高增益定向辐射。微带阵列辐射贴片和馈电网络采用腐蚀法印刷在εr=4的高频介质基板上。2×2的矩形辐射贴片单元101两两对称,每个矩形辐射贴片单元101的一侧宽边上制有制有方向一致,形状相同处于同一区域E形缺口,一分四微带功分器102通过两个缺口之间的底部岛两两对称连接,按矩阵同向分布在介质基片2上,两两同向矩形辐射贴片单元101通过一分四微带功分器102连线旁接贴片探针6并联馈电。
参阅图3和图4。该复合天线在L频段和C频段的电压驻波比曲线和S21曲线,显示了该天线在0.95~1.6GHz和4.25~4.35GHz频带范围内,满足电压驻波比VSWR≤2,并且两端口隔离度S21≥30dB。具有多频宽带特性,能够满足机载平台L频段功能和无线电高度表功能所需频段范围。
参阅图5~图8。复合天线在L频段和C频段处的二维方向图,显示了该天线在L频段辐射水平全向的垂直极化信号,在水平面theta=90°内,平均增益为-2.2dBi,最小增益Gainmin=-2.7dBi,具有良好的不圆度;该天线在C频段向天顶定向辐射水平极化信号,最大增益Gainmax=10.1dBi,E面和H面二维方向图的3dB波束宽度均大于70°,该复合天线满足机载平台L频段数据链功能和无线电高度表功能所需增益和空域覆盖要求。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以若干变形和改进,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种机载共形的微带阵列盘锥复合共形天线,包括:嵌入固定在反射腔体(8)腔底上的金属圆锥体(5),固定在金属圆锥体(5)锥面上的门架式短路金属柱(4),水平固定在短路金属柱(4)上的金属圆盘(3),以及固联在金属圆盘(3)上的介质基片(2),其特征在于:短路金属柱(4)加载在金属圆盘(3)和金属圆锥体(5)之间,等效于加载了一个强耦合电容的阻抗匹配,贴片探针(6)通过金属化过孔穿过介质基片(2)连接顶层微带阵列辐射贴片(1),并且通过一分四馈电网络与四个微带贴片相连,馈以等幅等相信号,实现高增益定向辐射,微带阵列辐射贴片(1)直接将金属圆盘(3)作为辐射地板;介质基片(2)上设有至少2×2的矩形辐射贴片单元(101),2×2的矩形辐射贴片单元(101)两两对称,每个矩形辐射贴片单元(101)的一侧宽边上制有方向一致,形状相同处于同一区域E形缺口,一分四微带功分器(102)通过两个缺口之间的底部岛两两对称连接,按矩阵同向分布在介质基片(2)上,两两同向的矩形辐射贴片单元(101)通过一分四微带功分器(102)连线旁接贴片探针(6)并联馈电,组成了一个即能辐射水平全向的L频段垂直极化信号,又能辐射法向C频段水平极化信号的天线,实现小型化共形设计。
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