CN112038753B - 薄型机翼共形双极化强耦合超宽带偶极子相控阵 - Google Patents

薄型机翼共形双极化强耦合超宽带偶极子相控阵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种薄型机翼共形双极化强耦合超宽带偶极子相控阵及其研制方法。针对需要共形的特殊载体，在双极化强耦合阵列天线的基础上，设计了一种薄型机翼共形双极化强耦合超宽带偶极子相控阵。整个相控阵天线结构均进行了共形化处理，从最底端的曲面形状的金属地板到最外层天线保护层，都以局部机翼作为载体，不会影响到飞行机翼的气动布局。本发明在0.5‑2GHz(4:1)频带内可以实现天线组阵方向±45°扫描，剖面高度仅为0.3个高频波长，适用于要求双极化、超宽带和共形的应用平台。

Description

薄型机翼共形双极化强耦合超宽带偶极子相控阵
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，特别涉及基于强互耦效应的超宽带相控阵共形天线及其研制方法。
背景技术
随着电子信息产业的日益发展，尤其是军用电子信息对天线性能要求越来越严苛，传统的机械扫描式的天线已经不能满足需求了。通过改变单元馈电相位来达到波束扫描目的的新型阵列天线便应运而生。相控阵相较于传统的机械扫描阵列拥有更加灵活多变的波束、更加快速精度更高的波束扫描能力等诸多优点，因此被广泛应用在通信、雷达、电子对抗等多个军用和民用领域。
传统的宽带相控阵天线的设计思路是以孤立的天线单元设计为起点，然后再通过恰当地将天线进行组阵来构成宽带天线阵列。为了使得阵列性能和单元性能一致，这样的天线设计时会尽力避免天线间相互耦合，而为了减少天线之间的耦合，就要增大单元之间的间距、在地板上开槽或者加入一些去耦合的元件，这样极大的提高了天线的设计难度和加工难度，并且使得天线体积过大，不方便安装和携带。因此，受限于单元带宽、低频时地板短路以及互耦效应等影响，这类传统的超宽带天线多多少少都存在体积庞大、不易共形、技术结构复杂等缺点，不利于实现大角度扫描和频带拓展。
近些年，国际天线研究领域出现了很多一些设计新颖的超宽带相控阵天线，其中就有强互耦超宽带相控阵。与传统的宽带相控阵天线的设计思想截然不同，其利用天线间的互耦效应使得天线的带宽得到有效拓展，并在宽角扫描性能上表现更好。在物理结构上，基于强互耦效应的天线由于不需要增大间距来抑制耦合，所以其体积较小。在现代军事电子应用中，超宽带宽角扫描天线受到越来越多的关注，所以基于强互耦效应的相控阵天线在未来的发展中会受到越来越多的重视。
超宽带相控阵有一些重要的应用场景是安装于飞机、导弹等载体平台的。随着现代飞行器的不断发展，其飞行速度越来越快，则对其上各元件的气动布局要求越来越高。平面天线安装于高速飞行载体表面时，对该飞行载体的整体外形影响较大，甚至严重影响其飞行性能。所以为了适应这样的需求，则要求一些天线单元以贴合载体曲面的形式进行排布，这样共形阵就由此产生了。共形阵的优势在针对一些特殊载体时，优势明显。主要有以下几点优点：
(1)共形阵天线能够更好的与载体进行贴合，从而减小甚至消除对载体外形布局的影响，更适合对气动布局要求严格的载体，如飞机、导弹等。
(2)共形阵天线曲面排布的结构，容易拥有更大的扫描角。比如沿圆周方向的扫描角能达到半球甚至更大。
(3)与载体形状基本一致，可以更好的利用载体宝贵的空间，尤其是一些对剖面要求严格的载体。
(4)共形阵天线与载体贴合较严，不需要额外添加物理结构就能实现比较高的结构强度，方便维护和安装。
在2016年，文献“Broadband Antenna Array Aperture Made of Tightly CouplePrinted Dipoles”中提出了一款覆盖1.2GHz～6GHz带宽的强互耦共形相控阵天线，这款天线是共形于柱面载体，能够沿圆周方向扫描到60°。虽然该天线在带宽和大角度扫描上取得了一些成就，但是其仅仅是把天线按照圆柱形的形状进行排布，并未实质性地使天线完全共形于圆柱外表面，该天线单元仍然是平面偶极子天线，只是让它们竖直放置而已。
在2018年，文献“Practical Implementation of Wideband and Wide-ScanningCylindrically Conformal Phased Array”中提出一款基于强互耦效应的超宽带共形阵。该天线以平面强互耦双极化天线为基础，进行研究改进设计并制造了一款基于圆柱面的强互耦共形天线阵，如图2-12所示。该天线实现了在6GHz～18GHz(3:1)的带宽内，E面扫描0到60°，H面扫描0到45°驻波比均小于2.5。虽然该共形天线有良好的性能，在圆柱面上共形也取得了较好效果，但是难以安装于一些对共形要求更苛刻的载体平台。
在专利号为20141041485.8的中国专利“共形相控阵雷达结构中”，发明人提出了一款以贴片天线为基本单元共形与锥台形载体的共形相控阵天线。该天线馈电结构复杂，为了避免天线单元之间的耦合，使得其口径效率低于基于强耦合效应的共形阵天线。
在专利号为CN110085975A的中国专利中，发明人提出了一款基于强耦合效应的机翼载低散射超宽带共形相控阵。该阵列以磁偶极子作为基本辐射单元，共形于用于拟合飞机机翼表面的椭圆面上。该天线在0.5-2GHz的宽频带内实现组阵方向±45°扫描。开槽天线等效的磁偶极子作为辐射单元具有平面结构，有利于共形，但是很难在同一平面内放置两个开槽天线实现双极化。此外该天线的剖面也较高，难以适用于一些小型机翼。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述问题和需要共形的特殊载体，在双极化平面强耦合阵列天线的基础上，设计了一款薄型机翼共形双极化强耦合超宽带偶极子相控阵。该天线使用超薄介质基板作为印刷天线载体，同时利用人工超材料宽角阻抗匹配层，实现了0.5-2GHz(4:1)超宽频带覆盖和机翼组阵方向±45°宽角扫描，天线部分剖面高度仅为0.3个高频波长。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
设计一款薄型机翼共形双极化强耦合超宽带偶极子相控阵，该天线基本单元由6个十字交叉偶极子单元而成，包括曲面形状的金属地板(100)、改良结构的marchand巴伦(101)、传统marchand巴伦(102)、用于打印天线的第一介质基板(105)、用于打印双开口金属谐振环(107)的第二介质基板(106)、共形的十字交叉偶极子辐射贴片(104)、用于加强耦合的圆形金属贴片(103)以及最外层天线保护层(108)。天线辐射单元采用的是共形的十字交叉偶极子辐射贴片(104)，这种形式偶极子能够在较为简单的结构中实现双极化，在十字槽下方打印一个圆形金属贴片(103)，可以提高偶极子之间的耦合强度，拓展低频带宽。在第二介质基板(106)上打印双开口金属谐振环(107)，其作用相当于人工超材料阻抗匹配层。用人工超材料阻抗匹配层取代传统介质匹配层，克服了传统介质匹配层剖面高质量重的缺点，在共形处理上更有优势。反射地板为一块曲面形状的金属地板(100)，在适应共形载体结构条件下，起到固定和支撑的作用，同时可以反射天线向后辐射的能量，增加天线的增益和定向性。同时在金属地板上开出与天线馈电巴伦对应的槽和孔。巴伦放置在槽上，微波同轴电缆穿过孔洞与巴伦金属贴片相连进行馈电。传统marchand巴伦(102)正负极输出点在同一个平面内，分别与偶极子的两臂接触可以实现馈电。如果使用传统marchand巴伦对十字交叉的双极化偶极子馈电，意味着两组馈电巴伦要互相垂直放置，而在共形条件下，沿机翼切面方向空间过于狭小，不具备巴伦放置条件。为了克服不同极化偶极子在共形条件的馈电问题，对传统marchand馈电巴伦在结构上进行一定程度的改良。改良结构的marchand馈电巴伦(101)通过金属过孔和金属贴片，将巴伦正极接触点移动到打印巴伦电路的介质基板的另一个表面，实现馈电巴伦旋转90°进行馈电，两组巴伦从互相垂直变为互相平行，解决了狭窄空间的双极化天线馈电问题。最外层天线保护层(108)由一整块薄介质板弯曲而成，起到保护天线的作用。
综上所述，本天线设计具有以下创新：一、采用了基于强耦合效应的十字交叉偶极子作为天线辐射单元，与传统窄带共形天线相比，显著提升了共形环境下相控阵超宽带宽角扫描特性；二、对整个天线结构进行了共形化处理，从最底端的金属地板到最上方的最外层天线保护层，都以局部机翼为载体，使得整个天线结构不会影响到飞机机翼的气动布局，有效利用了机翼空间，实现了天线系统的小型化；三、为了解决天线在不规则狭小空间内的馈电问题，对传统marchand巴伦进行改良，在尽可能不影响巴伦性能条件下，通过金属化圆形过孔，将原本与负极接触点共面的正极接触点引向到背面，实现了巴伦的90°旋转放置，解决了狭小空间双极化馈电巴伦的放置问题。四、打印金属双开口谐振环的第二介质基板作用相当于人工超材料阻抗匹配层，用以取代传统厚重的介质匹配层，减轻天线重量的同时降低了剖面高度，有利于天线的轻量化和易共形。
附图说明
图1为所提供的薄型机翼共形双极化强耦合超宽带偶极子相控阵单元示意图。其中100为曲面形状的金属地板，101为改良结构的marchand巴伦，104为共形的十字交叉偶极子辐射贴片，107为双开口金属谐振环，108为最外层天线保护层。
图2为图1单元背面视角的示意图(背面结构和一些细节更加清晰)。其中102为传统marchand巴伦，103为圆形金属贴片，105为用于打印天线的第一介质基板，106为用于打印双开口金属谐振环的第二介质基板。
图3为薄型机翼共形双极化强耦合超宽带偶极子相控阵示意图。该图所示的天线阵列大小为1×16。
图4为所用馈电巴伦对比示意图。圈中可以看出两种巴伦的区别。
图5为馈电垂直极化端口沿组阵方向扫描0°和45°时典型端口的有源驻波比。
图6为馈电水平极化端口沿组阵方向扫描0°和45°时典型端口的有源驻波比。
图7为馈电垂直极化端口时，在2GHz时，沿组阵方向扫描0°和45°的天线方向图。
图8为馈电垂直极化端口时，在1GHz时，沿组阵方向扫描0°和45°的天线方向图。
图9为馈电垂直极化端口时，在0.5GHz时，沿组阵方向扫描0°和45°的天线方向图。
图10为馈电水平极化端口时，在2GHz时，沿组阵方向扫描0°和45°的天线方向图。
图11为馈电水平极化端口时，在1GHz时，沿组阵方向扫描0°和45°的天线方向图。
图12为馈电水平极化端口时，在0.5GHz时，沿组阵方向扫描0°和45°的天线方向图。
图13为在0.5-2GHz频带内，馈电垂直极化端口时，天线阵列在组阵方向扫描0°时，主极化与交叉极化增益对比图。
图14为在0.5-2GHz频带内，馈电水平极化端口时，天线阵列在组阵方向扫描0°时，主极化与交叉极化增益对比图
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，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步的详细描述。
本实施例的机翼载双极化强耦合超宽带偶极子共形相控阵采用1×16的阵列形式，如图3所示。其基本天线单元如图1、2所示。曲面形状的金属地板(100)由一整块薄铝板弯曲而成，起固定和支撑天线的作用，同时反射天线向后辐射的能量，增加天线的增益和定向性。地板在特定地方打孔，同轴内芯穿过孔洞与巴伦金属馈电相连。传统marchand巴伦(102)用于水平极化偶极子的馈电，起阻抗变换和非平衡-平衡的电流转换的作用，其前后表面印刷有矩形和梯形组合的金属贴片，共同组合成微带线巴伦。改良结构的marchand巴伦(101)用于垂直极化偶极子的馈电，作用和传统marchand巴伦相同。特别的，其正极接触点通过金属化过孔和金属贴片引到打印巴伦电路的介质基板的另一面，实现巴伦馈电时的90°旋转，解决了天线切向空间狭小不规则难以容纳巴伦的问题。104为共形的十字交叉偶极子辐射贴片，彼此十字交叉的两个偶极子辐射贴片非别对应两个互相垂直的线极化方式。偶极子以印刷的方式打印在第一介质基板(105)上。在偶极子十字交叉槽的下方，第一介质基板(105)的背面，打印有圆形金属贴片(103)。金属贴片极大地增加了偶极子之间的耦合，这是强耦合天线带宽的主要来源。与打印天线的第一基板紧密贴合的第二介质基板(106)上打印有双开口金属谐振环(107)，第二介质基板与双开口金属谐振环共同构成一种人工超级材料宽角阻抗匹配层，其作用类似于传统的纯介质宽角扫描匹配层，但是比传统介质匹配层更薄，质量更轻。打印所用的第一介质基板105、第二介质基板106材质均采用Rogers5880，介电常数2.2。最外层天线保护层(108)由一整块薄介质板弯曲而成，起到保护天线的作用，材质为Arlon AD300A，介电常数3.0。
图4为所用巴伦的细节展示图。图中可见，传统marchand巴伦(102)与偶极子臂的正负极接触点在同一个平面内，如果两种极化偶极子均使用传统marchand巴伦馈电会导致垂直极化馈电巴伦需要放置在狭窄不规则的机翼切向空间内，这是不可行的。结构改良结构的marchand巴伦(101)是通过金属化过孔将正极接触点移动到打印巴伦电路的介质基板的背面，实现馈电巴伦旋转90°馈电，这种处理在可以基本不影响巴伦本身的性能情况下，使双极化馈电巴伦可以有规律地放置在机翼的纵向空间内。
图5为馈电垂直极化端口沿组阵方向扫描0°和45°时典型端口的有源驻波比。所用馈电结构为改良结构的marchand巴伦(101)，如图1，水平极化馈电端口从上往下依次编号为1，3，5，7(其中7端口在馈电过程中作为哑元)。
图6为馈电水平极化端口沿组阵方向扫描0°和45°时典型端口的有源驻波比。所用馈电结构为传统marchand巴伦(102)，如图2，垂直极化馈电端口从上往下依次编号为2，4，6，8(其中8端口在馈电过程中作为哑元)。
图7为馈电垂直极化端口时，在2GHz时，沿组阵方向扫描0°和45°的天线方向图。在扫描过程中，无明显的增益损失。
图8为馈电垂直极化端口时，在1GHz时，沿组阵方向扫描0°和45°的天线方向图。在扫描过程中，无明显的增益损失。
图9为馈电垂直极化端口时，在0.5GHz时，沿组阵方向扫描0°和45°的天线方向图。在扫描过程中，无明显的增益损失。
图10为馈电水平极化端口时，在2GHz时，沿组阵方向扫描0°和45°的天线方向图。在扫描过程中，无明显的增益损失。
图11为馈电水平极化端口时，在1GHz时，沿组阵方向扫描0°和45°的天线方向图。在扫描过程中，无明显的增益损失。
图12为馈电水平极化端口时，在0.5GHz时，沿组阵方向扫描0°和45°的天线方向图。在扫描过程中，无明显的增益损失。
图13为在0.5-2GHz频带内，馈电垂直极化端口，天线阵列在组阵方向扫描0°时，主极化与交叉极化增益对比图。可以看出，本实施例中低频时交叉极化特性有些许恶化(大于10dB小于20dB)，其他频段交叉极化特性良好(大于20dB)。
图14为在0.5-2GHz频带内，馈电水平极化端口，天线阵列在组阵方向扫描0°时，主极化与交叉极化增益对比图。可以看出，本实施例中低、高频时交叉极化特性有恶化(大于10dB小于20dB)，中频交叉极化特性良好(大于20dB)。

Claims (4)

1.薄型机翼共形双极化强耦合超宽带偶极子相控阵，包括的结构有：曲面形状的金属地板(100)、改良结构的marchand巴伦(101)、传统marchand巴伦(102)、用于打印天线的第一介质基板(105)、用于打印双开口金属谐振环的第二介质基板(106)、共形的十字交叉偶极子辐射贴片(104)、用于加强耦合的圆形金属贴片(103)以及最外层天线保护层(108)；改良结构的marchand巴伦(101)是通过金属化过孔将正极的接触点移动到打印巴伦电路的介质基板的背面，实现馈电巴伦旋转90°馈电，使双极化馈电巴伦可以有规律地放置在机翼纵向空间内；放置于最下方的曲面金属地板(100)在适应共形条件的情况下，固定和支撑天线，在指定位置开槽，为馈电巴伦的安置提供插孔；打印天线的第一介质基板(105)、共形的十字交叉偶极子辐射贴片(104)构成该相控阵的辐射部分，放置于地板和馈电巴伦的上方，彼此十字交叉的两个偶极子辐射贴片分别对应两个互相垂直的线极化方式，馈电处开孔焊接巴伦，为适应机翼局部载体表面形状，采用了相对应曲面的设计；打印天线的第一介质基板(105)的背面，打印有圆形金属贴片(103)，金属贴片极大地增加了偶极子之间的耦合，有效拓展了该相控阵的工作带宽；在天线上方与打印天线的第一基板紧密贴合的第二介质基板(106)上打印有双开口金属谐振环(107)，第二介质基板和双开口金属谐振环共同构成一种人工超级材料宽角阻抗匹配层；最外层天线保护层(108)由一整块薄介质板弯曲成机翼外形，放置于天线上层，起到保护天线的作用。
2.根据权利要求1所述的薄型机翼共形双极化强耦合超宽带偶极子相控阵，其特征在于对整个天线结构进行了共形化处理，从最低端的曲面形状的金属地板(100)到最外层天线保护层(108)，都以局部机翼为载体，使得天线结构不会影响到飞行机翼的气动布局。
3.根据权利要求1所述的薄型机翼共形双极化强耦合超宽带偶极子相控阵，其特征在于将整个相控阵天线结构共形于机翼局部载体表面，采用了在共形环境下设计的基于强耦合效应的十字交叉偶极子辐射贴片(104)，同时圆形金属贴片(103)还增大偶极子之间的耦合，进而实现天线阵的超宽带宽角扫描特性。
4.根据权利要求1所述的薄型机翼共形双极化强耦合超宽带偶极子相控阵，其特征在于共形条件下设计的第二介质基板(106)及印刷在基板上的双开口金属谐振环结构(107)，两者共同组成人工超材料宽角匹配层；周期性的双开口金属圆环结构，通过改变圆环的大小和开口的大小，能够在一定范围内提供独特的介电常数来取代其材料原本的介电常数，实现超宽带范围内宽角阻抗匹配，同时经过共形化处理则可以更好的贴附于载体表面而不影响载体平台的气动布局。
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