CN113540825A - 一种低剖面能量选择相控阵天线单元 - Google Patents

一种低剖面能量选择相控阵天线单元 Download PDF

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史苏阳
刘建东
王健
陈文俊
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Abstract

本发明涉及一种低剖面能量选择相控阵天线单元，该天线单元由侧边耦合馈电双层微带贴片、寄生金属支节、PIN二极管和两层介质基板组成。寄生金属支节和PIN二极管位于上层微带贴片辐射边的一侧，且与下层侧边耦合馈电结构位于同一侧，为组阵节省空间。PIN二极管管通过高能电磁场照射激励，根据高能微波辐射场强大小实现截止和导通功能。本发明具备能量选择功能且结构简单，平面化易于集成设计，具有重要的军事应用前景。

Description

一种低剖面能量选择相控阵天线单元
技术领域
本发明属于雷达天线技术领域。
背景技术
电磁武器产生的强电磁辐射，具有辐射功率大、峰值场强高、组合波形多变、杀伤范围广等特征，高功率微波、强电磁脉冲源辐射技术得到世界各军事强国更加重视，强电磁武器逐步形成实战化能力，能够在十公里处峰值辐射场强达数百千伏/米，能干扰、损伤甚至损毁各种信息装备。现代化战争中信息是指挥作战的关键要素，通讯系统、导航定位、目标探测都高度依赖电子科学技术以及电子信息设备的发展。随着电子信息技术的快速发展与广泛应用，军事武器中的电子设备高度集成化，功能也趋于多样化，然而，这使得信息化武器装备对电磁波的敏感程度随之提高。因此，各军事大国竞相开展电磁脉冲(EMP)武器以及高功率微波(HPM)武器的研究，通过破坏核心电路系统使得敌方各类电子信息设备瘫痪，从而在战争获得主动权。
强电磁脉冲能够通过前门耦合进入电子系统。瞬时高能微波信号通过天线进入包含有发射机或者接收机的系统。任何暴露于电磁场的金属导体均可认为是天线，包括真正的无线电接收天线、金属导线、引线、连接棒，甚至机壳、回路、传输电缆等。高频电磁波在很短的天线上就能产生很大电压，这些电压或电流可以从系统的输入端或输出端引入。雷达天线、通信天线作为一个接收能量的通道，几乎是直接暴露于电磁脉冲的威胁之下。雷达天线接收到电磁脉冲弹辐射的电磁波后，将形成上百安培的瞬时脉冲电流和上万伏的瞬时脉冲电压，进入雷达接收机内部将其击毁。
在强电磁脉冲作用下，武器装备电磁防护主要包括天线端口的防护、主机机箱的防护、射频前端的防护、电源线缆的防护、敏感器件和电路防护等，针对不同的耦合途径，强电磁脉冲防护的主要分为三种：
1、空间屏蔽，是指通过切断电磁波所有可能的传播途径，以防止强电磁脉冲穿透进入系统内部，如采用具有高电导率、高磁导率材料制成的连续屏蔽体，设备出入口处(如通风管道、线缆通道等)采用金属丝网、镀金薄膜等。
2、滤波限幅，是指通过带外滤波、带内限幅的方法，从频域和能域防止强电磁脉冲对系统造成毁伤，对于天线、大开口孔缝等空间耦合途径，常采用频率选择表面、离子体限幅器等进行防护，对于电源线、信号线等耦合途径，常采用滤波器、PIN限幅器、气体放电管、浪涌保护器件等进行防护。
3、其它方法，如良好的接地、合理的线缆布局以及操作时间回避等手段对电子系统进行电磁加固。
上述防护方法手段多从传统电磁兼容技术过渡而来，应用于强电磁防护存在一定的局限：从威胁来源看，高功率微波源瞬时辐射功率大、脉冲峰值场强、功率密度高、杀伤范围大，其辐射频谱可覆盖30MHz-50GHz，脉冲峰值功率已达数十千兆瓦(GW)，瞬时电磁脉冲峰值场强可达数百千伏/米，这对现有电磁防护手段的功率容量和工作带宽提出了更高的要求。从防护对象看，空间场的电磁防护在电子系统设计中最为关键，构造安全电磁空间最有效的方法是金属屏蔽，但是金属屏蔽把双刃剑，它在有效屏蔽强电磁脉冲的同时也阻断了被保护设备的信号收发。强电磁环境威胁条件下，电子系统既要能够抵御强电磁脉冲的攻击，又要能有效接收和发送正常的电磁信号，这就要求电磁防护手段具有能量低通特性，类似空间限幅的作用效果，始终保证电子系统的安全。因此，本发明设计了一种低剖面能量选择相控阵天线单元，利用能量选择表面的防护新方法，巧妙地将PIN二极管与天线单元集成设计，为强电磁防护提供了新的选择。
发明内容
本发明提出一种低剖面能量选择相控阵天线单元，解决强电磁环境威胁条件下电子设备正常工作的问题，具有低成本、结构简单、易于共形等特点，能广泛应用于电磁隐身和电磁防护领域。
实现本发明的技术方案如下：
一种低剖面能量选择相控阵天线单元，包括贴片天线、介质基板、接地板和馈电同轴四部分；
所述介质基板由两层相同厚度和材质的介质基板通过半固化片压合而成；
所述接地板位于介质基板的下面，为介质基板提供支撑，为馈电同轴提供固定；
所述贴片天线的上层微带贴片为寄生辐射贴片，下层微带贴片为馈电辐射贴片；
所述馈电同轴穿过接地板利用缝隙在下层微带贴片的辐射边馈电；
所述贴片天线的寄生金属支节位于上层微带贴片的辐射边，PIN二极管位于寄生金属支节与上层微带贴片之间的缝隙中间；PIN二极管通过外加的强电磁脉冲耦合激励，能够在其两端产生感应电压，利用其高频电导调制特性实现能量选择功能。
优选地，所述介质基底采用Rogers 5880高频微波板材，厚度1.524mm。
优选地，所述PIN二极管采用M/A-COM Technology Solutions MA4AGBLP912。
与现有技术相比，本发明的低剖面能量选择相控阵天线单元具备以下有益效果：
1、当高能电磁场照射该能量选择天线时，入射电磁波能量较低时允许其通过，能量较高时被屏蔽，起到电磁防护效果；
2、PIN二极管选用无封装的梁式引线芯片形式，最大程度避免了寄生参数的影响，具有结电容低、串联电感小、开关速度快的特点，易于PCB电路集成设计；
3、相控阵天线单元与PIN二极管共板键合，代替能量选择表面或者能量选择天线罩，降低了设计难度和面阵造价。
4、PIN二极管未导通时，寄生金属支节对天线匹配和辐射特性不产生负面影响。
附图说明
图1是本发明提供的能量选择相控阵天线单元的层叠结构图，其中1为两层相同的介质基板，2为接地板，3为馈电同轴，4为上层微带贴片，5为下层微带贴片，6为缝隙耦合馈电支节，7为寄生金属支节，8为PIN二极管；
图2是图1中的天线单元构成的8×32的阵列结构示意图；
图3是图1中的天线单元在周期边界条件下PIN二极管两种稳态时法向和扫描50°的有源驻波。
图4是图2中8×32的天线阵列在PIN二极管未导通时中心频点E面和H面辐射方向图。
图5是图2中8×32的天线阵列在PIN二极管导通时中心频点E面和H面辐射方向图。
具体实施方式
下面结合8×32的天线阵列实施例对本发明进行详细的说明。
周期结构设计可以通过采用无限大周期边界来分析阵中单元匹配特性。其中，如图1所示，所述介质基板采用的是1.524mm厚的Rogers 5880，介电常数和损耗正切角分别是2.2和0.0009。所述天线单元由双层微带贴片组成，其中下层为驱动贴片，上层为寄生辐射贴片，通过侧边缝隙耦合对下层贴片利用同轴连接器内导体馈电。所述寄生金属支节和PIN二极管与上层贴片处于同一层，且与下层馈电结构位于同一侧，为组阵节省空间。所述寄生金属支节与上层贴片间距为2mm，PIN二极管位于两者缝隙中间，通过引线连接两者，组阵时二极管正负方向保持一致。
图2为8×32的天线按照矩形栅格排列。该间距满足方位扫描±50°不出栅瓣，同时满足中心频点时天线法向增益达到28dB。
所示PIN二极管由外部电磁场激励，低功率时未达导通电压阈值，二极管稳态电路模型中电阻值为70kΩ，电容值为0.018pF，电感值为0.21nH，此时二极管处于截止状态。高功率时超过导通电压阈值，二极管稳态电路模型中电阻值为5Ω，电感值为0.21nH，此时二极管处于导通状态。图3所示阵中有源驻波曲线对比了所示PIN二极管在截止和导通两种状态时，天线法向和扫描最大角度的变化。由此可见二极管截止时，天线阻抗匹配，能够正常工作；二极管导通时，天线在工作频段内几乎处于全反射状态，外部能量无法通过天线传输进来，实现了电磁屏蔽的效果。
图4和图5分别是所述PIN二级管截止和导通时天线阵列E面和H面辐射方向图，由此可见该发明在工作频带内屏蔽效果大于15dB。
以上内容是结合具体的优选方式对本发明所做的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做成若干简单推演或替换，如采用同等国产型号的PIN二极管或者同等国产介质基板等，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的发明保护范围。

Claims (3)

1.一种低剖面能量选择相控阵天线单元，其特征在于：所述单元包括贴片天线、介质基板、接地板和馈电同轴；所述介质基板由两层相同厚度和材质的介质基板通过半固化片压合而成；所述接地板位于介质基板的下面，为介质基板提供支撑，为馈电同轴提供固定；所述贴片天线的上层微带贴片为寄生辐射贴片，下层微带贴片为馈电辐射贴片；所述馈电同轴穿过接地板利用缝隙在下层微带贴片的辐射边馈电，贴片天线的寄生金属支节位于上层微带贴片的辐射边，PIN二极管位于寄生金属支节与上层微带贴片之间的缝隙中间；PIN二极管通过外加的强电磁脉冲耦合激励，能够在其两端产生感应电压，利用其高频电导调制特性实现能量选择功能。
2.根据权利要求1所述的一种低剖面能量选择相控阵天线单元，其特征在于：所述介质基板采用Rogers 5880高频微波板材，厚度1.524mm。
3.根据权利要求1所述的一种低剖面能量选择相控阵天线单元，其特征在于：所述PIN二极管采用M/A-COM Technology Solutions MA4AGBLP912。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115360510A (zh) * 2022-07-27 2022-11-18 中国船舶重工集团公司第七二四研究所 一种基于尖端放电结构的高能微波拒止贴片天线
CN118017215A (zh) * 2024-04-09 2024-05-10 西南科技大学 一种用于北斗导航的圆极化能量选择天线及枝节防护结构

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