CN112421202B - 一种任意形状低剖面共形阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种任意形状低剖面共形阵列天线，属于共形阵列天线技术领域，包括腔体天线单元和任意形状载体。本发明建模时采用嵌入式安装，基于平面模块固定方式，保证了天线单元一致性，避免了因天线单元结构变形导致相位中心无法确定，进而避免影响后期方向图特性优化过程；在阵列排布区域采用向后局部加厚，充分利用了任意形状曲面背面的空间，提高了空间利用效率；采用微带腔体天线作为单元，并将腔体沉入载体内，大幅度降低了共形阵列天线剖面，有助于进一步降低天线阵面对平台空气动力学等其他性能的影响；适用于任意形状两维曲面，突破了曲面形状的限制，可根据不同形状设计相应的排布，未来可应用于包括机载、弹载在内的众多平台。

Description

一种任意形状低剖面共形阵列天线

技术领域

本发明涉及共形阵列天线技术领域，具体涉及一种任意形状低剖面共形阵列天线。

背景技术

共形阵列天线广泛应用于多个领域包括飞机、导弹、卫星、舰船和车辆等，上述应用基于其以下优点：大幅度降低天线对载体表面空气动力学性能的影响、简化天线的安装、可以为其他设备预留出更多的安装空间以及实现全空间覆盖等。共形阵列天线安装于曲面的方式可分为两种：柔性材料贴合方式和平面模块固定方式。柔性材料贴合方式可实现超低剖面设计，进而便于平台一体化优化；但该方式将使天线单元结构发生形变，且不同单元根据单元所处位置处的曲面形状发生不同程度形变，因此天线单元一致性较差，进而影响阵列天线后期相位补偿和极化补偿等。平面模块固定方式基于相同不产生结构形变的天线单元，天线的安装面为规则平面；共形曲面生成与单元数对应的平台，将天线单元安装于平台上，该方式可有效保证天线单元一致性，避免天线单元因变形引起的方向图和电性能变化。该方式下天线单元剖面高度为阵列天线高度决定因素，为进一步降低天线单元剖面高度，尝试将天线单元沉入共形曲面内部，并将阵列天线排布区域曲面厚度加厚，得到了嵌入式安装方法。

嵌入式安装方法可实现阵列天线低剖面特性，在极限情况下，天线辐射口径面可实现与共形曲面齐平。但该方法也对天线单元形式提出限制要求，腔体天线已应用于共形阵列天线中，如在锥体中使用腔体天线并应用于弹载领域。但上述应用是基于规则曲面，尚未发现腔体天线可应用于任意形状曲面共形阵列天线。因此，提出一种任意形状低剖面共形阵列天线。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何大幅度降低任意形状共形阵列天线剖面，提供了一种任意形状低剖面共形阵列天线。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括腔体天线单元和任意形状载体，所述任意形状载体为具有两维曲率的载体。考虑到腔体天线沉入载体内部的空间需求，尝试对任意形状载体进行体网格划分，并将腔体天线单元放置于各体网格中实现近似矩形排布。

腔体天线单元包括辐射贴片、介质基板、馈电连接件、馈电巴伦、基片支撑件和同轴连接器；所述任意形状载体在腔体天线单元对应位置处形成腔体；所述辐射贴片设置在所述介质基片上，所述馈电连接件的一端贯穿所述介质基片与所述辐射贴片连接，所述馈电连接件的另一端与所述馈电巴伦连接，所述馈电巴伦位于所述腔体中心且垂直于腔体底面放置，所述介质基片与所述基片支撑件连接，所述基片支撑件与所述腔体内部形状匹配，位于所述腔体内部，所述同轴连接器从背面贯穿所述任意形状载体与所述馈电巴伦连接。

所述辐射贴片为对称振子形式，形状为六边形。

所述馈电连接件的数量为两个，与所述辐射贴片的数量相同，为7字形弯折体。

所述腔体天线单元的排布方式为矩形栅格排布。

所述任意形状载体通过对任意形状曲面进行局部加厚形成，所加厚度与腔体天线单元的腔体深度相关，加厚区域与阵列天线规模相关，所述腔体天线单元排布在所述任意形状曲面上。

所述任意形状曲面的加厚深度为所述基片支撑件深度的1.5倍。1.5倍设置的原因在于该深度在为腔体天线单元下沉提供空间的同时兼顾同轴连接器的穿墙深度。

所述介质基片的形状为方形，采用胶粘方式贴合于基片支撑件上表面，所述介质基片采用Rogers RO4350基板材料制作。

所述的馈电巴伦由介质板和微带贴片组成，微带贴片形状为渐变形且覆于介质板两面。

所述腔体的长和宽与基片支撑件的外围尺寸相同，在固定所述基片支撑件后，所述腔体的深度需满足所述基片支撑件顶面与所述腔体顶面边缘最高处的高度差为0.5mm。

体网格划分工具采用ANSA软件，该软件可实现几何清理、修复、网格与几何相关联以及快速、自动、高质量的网格划分等功能，其划分网格形状为六面体，所设路径面上的网格形状为四边形。

所述基片支撑件与所述任意形状载体之间通过螺钉固定。

所述辐射贴片位于介质基片上，所述介质基片中心挖十字形槽便于馈电连接件穿出搭接辐射贴片。

基于腔体天线单元和任意形状曲面进行建模，具体建模步骤为：

第一步、建模准备

根据阵列天线方向图性能要求确定腔体天线单元排布栅格为矩形栅格，并确定腔体天线单元排布间距；然后根据排布栅格和间距确定各腔体天线单元排布在任意形状曲面上的区域；再根据排布间距以及腔体天线单元形式优化设计确定腔体天线单元各部件尺寸；

确定腔体天线单元在任意形状曲面上的排布位置时需将区域扩展至边缘腔体天线单元向外1个低频波长处，上述设置的原因在于保证边缘腔体天线单元辐射性能和驻波性能的连续性。

第二步、两维曲面处理

首先根据腔体天线单元优化所得基片支撑件的深度确定加厚深度为12.6mm，并依此深度将腔体天线单元排布区域曲面向背面加厚形成任意形状载体；接着根据排布间距采用ANSA对任意形状载体进行体网格划分，并提取载体表面网格参数；然后根据腔体天线单元的基片支撑件尺寸和网格参数，在任意形状曲面上腔体天线单元对应排布位置处形成腔体，腔体的长和宽与基片支撑件的外围尺寸相同，腔体的深度需满足固定基片支撑件后基片支撑件顶面与腔体顶面边缘最高处的高度差为0.5mm，该高度可保证腔体天线单元沉入载体内，同时有效避免腔体侧壁对天线辐射性能的影响；最后根据腔体天线单元所优化得同轴连接器位置，在腔体背面对应位置处打孔，孔的直径为2.7mm。

第三步、腔体天线单元固定

首先将基片支撑件放入对应腔体中，保证基片支撑件下表面与腔体底面重合；接着将馈电巴伦垂直放置于腔体中央，馈电巴伦的下表面与腔体底面重合；然后将覆有辐射贴片的介质基片放置于基片支撑件上，同时将馈电连接件焊接在馈电巴伦和辐射贴片上；最后同轴连接器穿过腔体背面的孔通过法兰盘固定于载体背面，同轴连接器内导体焊接在馈电巴伦上。

第四步、完成全阵建模

根据腔体天线单元排布位置，重复步骤三，完成所有腔体天线单元的建模。

本发明相比现有技术具有以下优点：该任意形状低剖面共形阵列天线，建模时采用嵌入式安装，基于平面模块固定方式，保证了天线单元一致性，避免了因天线单元结构变形导致相位中心无法确定，进而避免影响后期方向图特性优化过程；在阵列排布区域采用向后局部加厚，充分利用了任意形状曲面背面的空间，提高了空间利用效率；采用微带腔体天线作为单元，并将腔体沉入载体内，大幅度降低了共形阵列天线剖面，有助于进一步降低天线阵面对平台空气动力学等其他性能的影响；适用于任意形状两维曲面，突破了曲面形状的限制，具有通用性，可根据不同形状设计相应的排布，未来可应用于包括机载、弹载在内的众多平台。

附图说明

图1为本发明实施例二中一种任意形状低剖面共形阵列天线的结构示意图；

图2为本发明实施例二中一种任意形状低剖面共形阵列天线的爆炸图；

图3为本发明实施例二中馈电巴伦的爆炸图；

图4为本发明实施例二中一种任意形状低剖面共形阵列天线6GHz和8GHz处的法向方位面方向图；

图5为本发明实施例二中一种任意形状低剖面共形阵列天线6GHz和8GHz处的方位扫描30°方位面方向图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

本实施例提供一种技术方案：一种任意形状低剖面共形阵列天线，包括腔体天线单元和任意形状载体，所述任意形状载体为具有两维曲率的载体。考虑到腔体天线沉入载体内部的空间需求，尝试对任意形状载体进行体网格划分，并将腔体天线单元放置于各体网格中实现近似矩形排布。

腔体天线单元包括辐射贴片、介质基板、馈电连接件、馈电巴伦、基片支撑件和同轴连接器；所述任意形状载体在腔体天线单元对应位置处形成腔体；所述辐射贴片设置在所述介质基片上，所述馈电连接件的一端贯穿所述介质基片与所述辐射贴片连接，所述馈电连接件的另一端与所述馈电巴伦连接，所述馈电巴伦位于所述腔体中心且垂直于腔体底面放置，所述介质基片与所述基片支撑件连接，所述基片支撑件与所述腔体内部形状匹配，位于所述腔体内部，所述同轴连接器从背面贯穿所述任意形状载体与所述馈电巴伦连接。

所述辐射贴片为对称振子形式，形状为六边形。

所述馈电连接件的数量为两个，与所述辐射贴片的数量相同，为7字形弯折体。

所述腔体天线单元的排布方式为矩形栅格排布。

所述任意形状载体通过对任意形状曲面进行局部加厚形成，所加厚度与腔体天线单元腔体深度相关，加厚区域与阵列天线规模相关，所述腔体天线单元排布在所述任意形状曲面上。

所述任意形状曲面的加厚深度为所述基片支撑件深度的1.5倍。

所述介质基片形状为方形，采用胶粘方式贴合于基片支撑件上表面，所述的介质基片采用Rogers RO4350基板材料制作。

所述馈电巴伦由介质板和微带贴片组成，微带贴片形状为渐变形且覆于介质板两面。

确定腔体天线单元在任意形状曲面上的排布位置时需将区域扩展至边缘腔体天线单元向外1个低频波长处。

所述腔体的长和宽与基片支撑件的外围尺寸相同，在固定所述基片支撑件后，所述腔体的深度需满足所述基片支撑件顶面与所述腔体顶面边缘最高处的高度差为0.5mm。

体网格划分工具采用ANSA软件，该软件可实现几何清理、修复、网格与几何相关联以及快速、自动、高质量的网格划分等功能，其划分网格形状为六面体，所设路径面上的网格形状为四边形。

所述基片支撑件与所述任意形状载体之间通过螺钉固定。

所述辐射贴片位于介质基片上，基片中心挖十字形槽便于馈电连接件穿出搭接辐射贴片。

基于腔体天线单元和任意形状曲面进行建模，具体建模步骤为：

第一步、建模准备：

首先根据阵列天线方向图性能要求确定腔体天线单元排布栅格为矩形栅格，排布间距为23mm*24.5mm；接着根据排布栅格和间距确定40个腔体天线单元排布在任意形状曲面上的区域，确定的方法为排布区域的长度分别为两维的单元数乘以对应维度的排布间距；最后根据排布间距以及微带腔体天线单元形式优化设计确定腔体天线单元各部件尺寸。

第二步、两维曲面处理：

首先根据腔体天线单元优化所得基片支撑件的深度确定加厚深度为12.6mm，并依此深度将腔体天线单元排布区域曲面向背面加厚形成任意形状载体；接着根据排布间距采用ANSA对任意形状载体进行体网格划分，并提取载体表面网格参数；然后根据腔体天线单元的基片支撑件尺寸和网格参数，在任意形状曲面上腔体天线单元对应排布位置处形成腔体，腔体的长和宽与基片支撑件的外围尺寸相同，腔体的深度需满足固定基片支撑件后支撑件顶面与腔体顶面边缘最高处的高度差为0.5mm；最后根据腔体天线单元所优化得同轴连接器位置，在腔体背面对应位置处打孔，孔的直径为2.7mm。

第三步、腔体天线单元固定：

首先将基片支撑件放入对应腔体中，保证基片支撑件下表面与腔体底面重合；接着将馈电巴伦垂直放置于腔体中央，馈电巴伦的下表面与腔体底面重合；然后将覆有辐射贴片的介质基片放置于基片支撑件上，同时将馈电连接件焊接在馈电巴伦和辐射贴片上；最后同轴连接器穿过腔体背面的孔通过法兰盘固定于载体背面，同轴连接器内导体焊接在馈电巴伦上。

第四步、完成全阵建模：

根据腔体天线单元排布位置，重复步骤三，完成所有单元的建模。

实施例二

如图1所示，一种任意形状低剖面共形阵列天线由40个微带腔体天线单元2组成，工作于6～8GHz，微带腔体天线单元2的排布形式为矩形栅格排布，该任意形状曲面1截取自某飞机机身，曲面形状无法用公式参数进行描述，根据天线排布区域将任意形状曲面向背面加厚形成任意形状载体3。

如图2所示，微带腔体天线单元2的腔体11深度为8.4mm。天线辐射贴片21为对称振子形式，形状为六边形，辐射贴片21位于介质基片22上，介质基片22尺寸为22mm*22mm*0.762mm，材质为Rogers RO4350，介质基片22上挖十字形槽便于馈电连接件24穿出搭接辐射贴片21。馈电连接件24为2个“7”字形弯折体(“7”字形的设置原因为：馈电巴伦的焊接面与辐射贴片的焊接面垂直，作用是提高焊接的可靠性)，其将馈电巴伦23和辐射贴片21连接实现平衡馈电，馈电巴伦23高度为9mm，上表面穿入介质基片22的十字形槽中，同轴连接器26从背面穿过任意形状载体3连接馈电巴伦23，基片支撑件25与腔体11形状相匹配，嵌入在腔体11内部，介质基片22位于基片支撑件25上端。采用ANSA软件对任意形状载体3进行体网格划分，体网格在载体路径面上的网格均为四边形，提取所有四边形的信息(含网格节点坐标及相关矢量等)。根据网格信息和天线单元腔体深度，在任意形状载体3上天线单元排布位置处形成腔体11。将各微带腔体天线单元2固定于对应腔体11内，完成全阵建模。

如图3所示，馈电巴伦23由介质板231和微带贴片232组成，微带贴片232形状为渐变形且覆于介质板231两面。

基于微带腔体天线单元和任意形状曲面进行建模，具体建模步骤为：

第一步、建模准备：

首先根据阵列天线方向图性能要求确定微带腔体天线单元排布栅格为矩形栅格，排布间距为23mm*24.5mm；

接着根据排布栅格和间距确定40个微带腔体天线单元排布在任意形状曲面上的区域；

最后根据排布间距以及微带腔体天线单元形式优化设计确定微带腔体天线单元各部件尺寸。

第二步、两维曲面处理：

首先根据微带腔体天线单元优化所得基片支撑件的深度确定加厚深度为12.6mm，并依此深度将微带腔体天线单元排布区域曲面向背面加厚形成任意形状载体；

接着根据排布间距采用ANSA对任意形状载体进行体网格划分，并提取载体表面网格参数；

然后根据微带腔体天线单元的基片支撑件尺寸和网格参数，在任意形状曲面上微带腔体天线单元对应排布位置处形成腔体，腔体的长和宽与基片支撑件的外围尺寸相同，腔体的深度需满足固定基片支撑件后基片支撑件顶面与腔体顶面边缘最高处的高度差为0.5mm；

最后根据微带腔体天线单元所优化得同轴连接器位置，在腔体背面对应位置处打孔，孔的直径为2.7mm。

第三步、微带腔体天线单元固定：

首先将基片支撑件放入对应腔体中，保证基片支撑件下表面与腔体底面重合；

接着将馈电巴伦垂直放置于腔体中央，馈电巴伦的下表面与腔体底面重合；

然后将覆有辐射贴片的介质基片放置于基片支撑件上，同时将馈电连接件焊接在馈电巴伦和辐射贴片上；

最后同轴连接器穿过腔体背面的孔通过法兰盘固定于载体背面，同轴连接器内导体焊接在馈电巴伦上。

第四步、完成全阵建模：

根据微带腔体天线单元排布位置，重复步骤三，完成所有单元的建模。

经仿真计算，上述任意形状低剖面共形阵列天线在6GHz和8GHz处法向的方位面方向图如图4所示，可得这两个频点方向图的副瓣分别为-13.1dB和-12.5dB。该共形阵列天线在6GHz和8GHz处方位扫描30°方位面方向图如图5所示，可得这两个频点方向图的副瓣分别为-11.4dB和-12.3dB。上述共形阵列天线高出曲面最大高度为2mm，大幅度降低了天线阵面露出曲面的剖面高度，同时共形阵列天线实现了扫描30°不出现栅瓣，不加权时方向图均在-10dB以下。

综上所述，上述实施例的任意形状低剖面共形阵列天线，建模时采用嵌入式安装，基于平面模块固定方式，保证了天线单元一致性，避免了因天线单元结构变形导致相位中心无法确定，进而避免影响后期方向图特性优化过程；在阵列排布区域采用向后局部加厚，充分利用了任意形状曲面背面的空间，提高了空间利用效率；采用微带腔体天线作为单元，并将腔体沉入载体内，大幅度降低了共形阵列天线剖面，有助于进一步降低天线阵面对平台空气动力学等其他性能的影响；适用于任意形状两维曲面，突破了曲面形状的限制，具有通用性，可根据不同形状设计相应的排布，未来可应用于包括机载、弹载在内的众多平台。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种任意形状低剖面共形阵列天线，其特征在于：包括腔体天线单元和任意形状载体，所述任意形状载体为具有两维曲率的载体，所述腔体天线单元包括辐射贴片、介质基片、馈电连接件、馈电巴伦、基片支撑件和同轴连接器；所述任意形状载体在所述腔体天线单元对应位置处形成腔体；所述辐射贴片设置在所述介质基片上，所述馈电连接件的一端贯穿所述介质基片与所述辐射贴片连接，所述馈电连接件的另一端与所述馈电巴伦连接，所述馈电巴伦位于所述腔体中心且垂直于所述腔体底面设置，所述介质基片与所述基片支撑件连接，所述基片支撑件与所述腔体内部形状匹配，位于所述腔体内部，所述同轴连接器从背面贯穿所述任意形状载体与所述馈电巴伦连接；所述任意形状载体通过对任意形状曲面进行局部加厚形成，所述腔体天线单元呈矩形栅格排布在所述任意形状曲面上；

所述任意形状低剖面共形阵列天线的建模过程如下：

S1：建模准备

根据阵列天线方向图性能要求确定腔体天线单元排布栅格为矩形栅格，并确定腔体天线单元排布间距；然后根据排布栅格和间距确定各腔体天线单元排布在任意形状曲面上的区域；再根据排布间距以及腔体天线单元形式优化设计确定腔体天线单元各部件尺寸；

S2：两维曲面处理

根据腔体天线单元优化所得基片支撑件的深度确定加厚深度，并依此深度将腔体天线单元排布区域曲面向背面加厚形成任意形状载体；接着根据排布间距采用ANSA工作对任意形状载体进行体网格划分，并提取载体表面网格参数；然后根据腔体天线单元的基片支撑件尺寸和网格参数，在任意形状曲面上腔体天线单元对应排布位置处形成腔体，腔体的长和宽与基片支撑件的外围尺寸相同，腔体的深度需满足在固定基片支撑件后基片支撑件顶面与腔体顶面边缘最高处的高度差为0.5mm；最后根据腔体天线单元所优化得同轴连接器位置，在腔体背面对应位置处打孔；

S3：腔体天线单元固定

将基片支撑件放入对应腔体中，使基片支撑件下表面与腔体底面重合；再将馈电巴伦垂直放置于腔体中央，馈电巴伦的下表面与腔体底面重合；然后将覆有辐射贴片的介质基片放置于基片支撑件上，同时将馈电连接件焊接在馈电巴伦和辐射贴片上；最后将同轴连接器穿过腔体背面的孔固定于载体背面，将同轴连接器内导体连接到馈电巴伦上；

S4：完成全阵建模

根据腔体天线单元排布位置，重复步骤S3，完成所有腔体天线单元的建模。

2.根据权利要求1所述的一种任意形状低剖面共形阵列天线，其特征在于：所述辐射贴片为对称振子形式，形状为六边形。

3.根据权利要求2所述的一种任意形状低剖面共形阵列天线，其特征在于：所述馈电连接件的数量为两个，与所述辐射贴片的数量相同，为7字形弯折体。

4.根据权利要求3所述的一种任意形状低剖面共形阵列天线，其特征在于：所述任意形状曲面的加厚深度为所述基片支撑件深度的1.5倍。

5.根据权利要求4所述的一种任意形状低剖面共形阵列天线，其特征在于：所述的介质基片形状为方形，所述介质基片采用Rogers RO4350材料制得。

6.根据权利要求5所述的一种任意形状低剖面共形阵列天线，其特征在于：所述腔体的长和宽与所述基片支撑件的外围尺寸相同，在固定所述基片支撑件后，所述腔体的深度需满足所述基片支撑件顶面与所述腔体顶面边缘最高处的高度差为0.5mm。

7.根据权利要求6所述的一种任意形状低剖面共形阵列天线，其特征在于：所述介质基片中心开设有用于方便馈电连接件穿过的十字形槽。

8.根据权利要求1所述的一种任意形状低剖面共形阵列天线，其特征在于：在所述步骤S1中，确定腔体天线单元在任意形状曲面上的排布位置时需将区域扩展至边缘腔体天线单元向外1个低频波长处。

9.根据权利要求8所述的一种任意形状低剖面共形阵列天线，其特征在于：在所述步骤S1中，各腔体均对应设置于各体网格内部。

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