CN113972460A - 隐显式共形耐高温微带/贴片天线单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种隐显式共形耐高温微带/贴片天线单元，能在400摄氏度高温环境下稳定可靠工作。本发明通过下述技术方案实现：在紧贴共形天线整流罩背端的矩形腔体设有通过多层介质板固联的天线微带板，矩形腔体通过四周围磁壁围成谐振空腔，密封端盖将PCM封装在熔解热腔室中，阻隔外部热量的传导，PCM利用材料自身的比热容储存/释放热，以吸/放热能量转化方式感知天线微带板的热度，共形辐射单元通过微带线或者同轴线，TM10在微带贴片天线宽边和长边进行馈电,使导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，在天线面法向形成互相垂直的电场分量，电流在终端开路的传输线上呈驻波分布通过贴片与四周的接地板之间的缝隙向外辐射。

Description

隐显式共形耐高温微带/贴片天线单元
技术领域
本发明涉及航空测控领域，具体涉及高速飞行器上搭载的隐显式共形耐高温微带/贴片天线单元。
背景技术
在通信设备中，小型化微电子技术以及大规模集成电路的快速发展，使天线成为了电子设备中庞大、笨重部件的问题变得更加突出，对能与设备的大小相互协调且具有效电性能的小天线的需求更加的迫切。由于各种飞行、运转的机器上安装有多种天线，如汽车、飞行器等设备上的天线，这些天线对载体的运行造成不可忽略的阻力并增加油耗，因此，出于减小阻力、节省空间、节约能源等因素的考虑，安装在载体上的天线需要实现与载体的共形，即需要采用共形天线的形式。随着科技的发展,飞行器将进入高超声速时代。高超声速飞行器过快的飞行速度，使其蒙皮承受压力载荷作用的同时,蒙皮与空气强烈摩擦会产生几百甚至上千摄氏度的温度。为了减轻气动加热带来的影响,飞行器通常被设计成扁平的结构形式。然而,当最大限度满足武器等装载能力时,势必留给天线系统的空间将大大缩减。为了节省飞行器内部空间,需要将天线系统与机身共形设计。共形天线通常指与特定载体形状相吻合的一类天线，其设计目的是使天线能够方便地安装于载体表面而不成为载体的拖累。而在一系列天线中，微带天线因其小尺寸,容易共形,高效率等优点被广泛应用于通讯系统。而最主要的一个优点是微带贴片天线可以共形于它所安装的物体表面，馈电方式多样容易安装，成本低。容易阵列，且增加不同的耦合、缝隙、馈电可以实现宽带化、圆极化等。具有增益高、副瓣低，形成赋形波束和多波束等特性辐射效率高。然而窄带宽的特点却是制约微带天线发展应用的主要缺点，带宽比较窄，HTS天线的带宽更窄,相对带宽只有0.1％-1.1％。微带贴片天线是微带天线之中最常见的形式，简单的微带贴片天线的结构，由辐射元、介质层和参考地组成。由于存在回波损耗，使得微带天线的效率不是很高，不适合阵列天线的应用。当前主要应用于微带天线的小型化方法多是采用表面开槽，它的突出特点是频带窄，增益小，效率低。贴片在底板上开正方形环缝在大部分情况下不能提高天线的增益，还在一定程度上使其降低。另外,频带窄仍是微带天线需要解决的缺点。辐射元的宽度W介质层的厚度h、介质的相对介电常数εr和损耗正切、介质层的长度L和宽度W。按结构特征把微带天线分为两大类，即微带贴片天线和微带缝隙天线；按形状分类，可分为矩形、圆形、环形微带天线等。按工作原理分类，无论那一种天线都可分成谐振型(驻波型)和非揩振型(行波型)微带天线。目前一类天线有特定的谐振尺寸，一般只能工作在谐振频率附近；而后一类天线无谐振尺寸的限制，它的末端要加匹配负载以保证传输行波。贴片形状是多种多样的，实际应用中由于某些特殊的性能要求和安装条件的限制，必须用到其他形状的微带贴片天线。例如，E面和H面方向图在端射方向()的电平也要求在半功率电平以上，而规则的矩形或圆形贴片无法满足。矩形微带天线的馈电方式基本上分成侧馈和背馈两种。不论那种方式，其谐振输入电阻Rin很大。其值通常比微带传输线的特性导纳小很多，接近开路状态，因此限制了天线的阻抗频带。常用的一类微带天线是在一个薄介质基(如聚四氟乙烯玻璃纤维压层)上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。当贴片是一面积单元时，称它为微带天线；若贴片是一细长带条则称其为微带阵子天线。天线性能多样化，设计不同形状的贴片单元，或对选择合适的单元组阵，就可实现边射阵、端射阵、各类极化、点扫描微带相控阵等。微带贴片天线一般是由具有一定厚度的介质、较薄的金属接地板及电磁辐射贴片组成的。通常采用微带馈线或者同轴线等方式对其进行馈电，辐射贴片和金属接地板之间将会激励起高频电磁场，并通过金属接地板和辐射贴片之间的缝隙向外辐射出电磁波。与天线性能相关的参数包括辐射元的长度L、辐射元的宽度W介质层的厚度h、介质的相对介电常数εr和损耗正切、介质层的长度L和宽度W。矩形贴片微带天线的工作主模式是TM10模，意味着电场在长度L方向上有的改变，而在宽度方向上保持不变，在长度L方向上可以看作成有两个终端开路的缝隙辐射出电磁能量，在宽度w方向的边缘处由于终端开路，所以电压值最大电流值最小。
在传统天线的实际应用中，天线大都是直接暴露在空气中，既受空气的氧化腐蚀，又不利于天线的隐蔽性，特别是恶劣环境对天线的损害以及天线性能的影响会更大.基于这些原因，通常将共形天线埋藏在介质中，将共形介质埋藏微带贴片天线，这种覆盖介质层对天线的影响，一使谐振频率产生漂移，二影响天线的工作带宽等性能。共形介质埋藏天线通常是外面加一层载体形介质，辐射贴片的形状与载体保持一致。为满足高速飞行器空气动力学要求，天线在安装后不允许凸出飞行器外表面，需要与飞行器安装面共形。因此在设计过程中对天线外壳的选材、成型方法提出了较高的要求。由于高速飞行器在飞行过程，外表面与空气发生剧烈摩擦，在边界层内气流损失的动能转化为热能，使飞行器表面温度急剧升高，最高温度可达400摄氏度。微带贴片天线介质材料的工作温度要求低于150摄氏度，当环境温度超过150摄氏度时，介质材料的介电常数、损耗角正切值都会发生改变，导致微带贴片天线电性能下降，甚至无法正常工作。因此必需采取合理的措施，将温度控制在允许的范围内。
发明内容
针对高温工作环境中的天线设计问题,为解决现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种性能优良，能与载体共形，能在400摄氏度高温环境下稳定可靠工作的隐显式共形耐高温微带/贴片天线单元。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：提供一种隐显式共形耐高温微带/贴片天线单元，包括：共形于载体平台(1)弯曲表面，采用对数据周期阵结构或者行波阵的的共形辐射单元(2)，采用沉头螺钉(4)固联在共形天线整流罩(3)背端上的L形阶梯盒体(5)，用连接器螺钉(6)固联在L形阶梯盒体(5)背板上的射频连接器(7)，其特征在于：在紧贴共形天线整流罩(3)背端的矩形腔体12设有通过多层介质板14固联的天线微带板(10)，紧固螺钉(11)将天线微带板(10)固定到金属底板上，矩形腔体(12)通过四周围磁壁围成谐振空腔，矩形腔体(12)通过所述金属底板隔墙相接有填充复合相变材料PCM的熔解热腔室(13)，密封端盖(8)通过密封螺钉(9)将PCM封装在熔解热腔室(13)中，阻隔外部热量的传导，PCM在密封端盖(8)封装腔体内发生固-液相变，利用材料自身的比热容储存/释放热，以吸/放热能量转化方式感知天线微带板(10)的热度，降低天线内部温度，共形辐射单元(2)通过微带线或者同轴线，TM10在微带贴片(17)天线宽边和长边进行馈电,使导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，在天线面法向形成互相垂直的电场分量，电流在终端开路的传输线上呈驻波分布通过贴片与四周的接地板之间的缝隙向外辐射。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明采用共形于载体平台(1)弯曲表面的共形天线整流罩(3)，采用沉头螺钉(4)固联在共形天线整流罩(3)背端上的L形L形阶梯盒体(5)，用连接器螺钉(6)固联在L形阶梯盒体(5)背板上的射频连接器(7)，共形天线整流罩可根据搭载平台设计成不同曲面，实现与搭载平台的共形安装，装置简单，性能优良。这种相同结构的微带天线能组成微带天线阵，可以获得更高的增益以及更大的带宽，其固有的窄频特性将得以解决。在整个频带内可以实现全向辐射。并且不扰动飞行器的空气动力学性能，因此无需作大的变动，天线就能很容易地装飞行器上。如采用行波天线比驻波天线有更高的带宽(理论上为无穷)。辐射方向在平面的法线方向，易于和微带电路集成，易于实现线极化或圆极化。TM10在微带贴片(17)天线宽边和长边进行馈电,使导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，在天线面法向形成互相垂直的电场分量，可以有效增加微带天线带宽；共形天线整流罩(3)可以采用石英纤维复合材料制成，满足雷达高频接收主件对做波低损耗印制板的不同要求。仿真实验表明,该天线达到了较好的电性能指标。
本发明在紧贴共形天线整流罩(3)背端的矩形腔体12设置通过多层介质板14固联的天线微带板(10)，矩形腔体12通过金属底板隔墙相接填充复合相变材料PCM的熔解热腔室(13)，密封端盖8将PCM封装在熔解热腔室(13)中，阻隔外部热量的传导。PCM在相变点发生相变过程中吸收/释放大量潜热，同时保持等温或近似等温等优点，安装灵活多样。在无主动散热条件下实现高热流密度天线设备的热控。并且矩形腔体(12)内填充低介电常数、低导热系数的隔热材料，不需要加入防过冷剂和防相分离剂；毒性很低,腐蚀性很小，无泄漏问题,对环境不产生污染；组成稳定,相变可逆性好,使用寿命长。该类型复合材料具有较好的热防护性能和电性能参数，可满足400摄氏度高温环境下的使用要求。在满足天线电气性能的基础上，可以进一步阻隔外部热量的传导，降低天线内部温度。熔解热腔室(13)内填充PCM相变复合材料，利用相变材料出色的吸热能力，为天线提供主动冷却散热，打破了以往共形微带贴片天线冷却性能低下的桎梏，提高了共形微带贴片天线的耐久性，增加了使用寿命。
本发明综合运用了热防护、热隔离、相变吸热技术，相比于传统天线，微带贴片天线不仅体积小，重量轻，低剖面，易共形，而且易集成，成本低，适合批量生产，此外还兼备电性能多样化等优势。微带贴片天线的馈电可在基片的侧面也可在基片的底部，使天线能在400摄氏度高温环境下仍具备较好的结构强度和电性能参数，满足航空航天测控领域的使用要求。
附图说明
下面结合附图和实施例进一步说明本发明：
图1是本发明搭载在一种飞行器共形面载体平台上的隐显式共形耐高温微带/贴片天线单元的三维轴侧示意图；
图2是图1共形辐射单元的三维轴侧图；
图3是图2的后向三维轴侧图；
图4是图3的剖视图；
图5的是共形辐射单元三维轴示意图；
图6是图5的实施例示意图。
图中：1.搭载平台，2.共形辐射单元，3.共形天线整流罩，4.沉头螺钉，5.L形阶梯盒体，6.连接器螺钉，7.射频连接器，8.密封端盖，9.密封螺钉，10.天线微带板，11.紧固螺钉，12.矩形腔体，13.熔解热腔室,14.多层介质板,15.馈线，16.调谐枝节，17.微带贴片，18耦合缝。
具体实施方式
参阅图1-图4。在以下描述的优选实施例中，一种隐显式共形耐高温微带/贴片天线单元，包括：共形于载体平台(1)弯曲表面，采用对数据周期阵结构或者行波阵的的共形辐射单元(2)，采用沉头螺钉(4)固联在共形天线整流罩(3)背端上的L形阶梯盒体(5)，用连接器螺钉(6)固联在L形阶梯盒体(5)背板上的射频连接器(7)。在紧贴共形天线整流罩(3)背端的矩形腔体12设有通过多层介质板14固联的天线微带板(10)，紧固螺钉(11)将天线微带板(10)固定到金属底板上，矩形腔体(12)通过四周围磁壁围成谐振空腔，矩形腔体(12)通过所述金属底板隔墙相接有填充复合相变材料PCM的熔解热腔室(13)，密封端盖(8)通过密封螺钉(9)将PCM封装在熔解热腔室(13)中，阻隔外部热量的传导，PCM在密封端盖(8)封装腔体内发生固-液相变，利用材料自身的比热容储存/释放热，以吸/放热能量转化方式感知天线微带板(10)的热度，降低天线内部温度，共形辐射单元(2)通过微带线或者同轴线，TM10在微带贴片(17)天线宽边和长边进行馈电,使导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，在天线面法向形成互相垂直的电场分量，电流在终端开路的传输线上呈驻波分布通过贴片与四周的接地板之间的缝隙向外辐射。
在以下可选的实施例中：所述共形天线整流罩(3)采用耐高温低介电常数材料加工成型，与L形阶梯盒体(5)上阶梯盒槽封装形成的矩形腔体(12)内填入低导热系数的耐高温隔热材料，低介电常数基板在高频时有比较好的高频性能。
共形天线整流罩(3)采用的耐高温低介电常数材料可以是石英纤维有机硅复合材料，石英纤维复合材料制成的共形天线整流罩(3)可以有效隔绝外部温度，同时保持良好的电性能参数和结构强度。
所述共形辐射单元(2)为高速搭载平台上耐高温探测天线，通过共形天线整流罩(3)与高速搭载平台共形安装。
共形天线整流罩(3)根据飞行器的截面形状设计成相应曲面，以实现与安装面的共形；共形天线整流罩(3)通过共形天线整流罩安装螺钉(4)固定在L形阶梯盒体(5)上。相变材料融化后具有一定流动性，需要在装配密封端盖(8)时采取可靠的密封措施。
所述L形阶梯盒体(5)背面下台阶盒体中的熔解热腔室(13)腔体中填充的相变材料PCM可以是石墨/石蜡复合相变材料。在工作过程中，外部温度传递到L形阶梯盒体(5)底面，随着温度逐渐升高熔解热腔室(13)腔体中填充的复合相变材料PCM在封装腔体内发生固-液相变，该相变过程中吸收大量热量，从而降低了L形阶梯盒体(5)的底面温度，保证天线微带板(10)、射频连接器(7)在可承受的温度范围内工作。复合相变材料可以选择低成本、相变温度高、热容量大、对环境无污染、操作简单的70号微晶石蜡。
天线微带板(10)通过紧固螺钉(11)固定，安装后用高温焊锡将射频连接器(7)尾端焊针与天线微带板(10)馈电点焊接牢固，馈电点到微带贴片17中心的距离＜5mm，保证了天线体积的小型化，在馈线末端开出一个与接地层相连，且＜0.5mm的接地孔。
参阅图4。搭载平台(1)外形是以柱面、球面、规则形状的圆柱形或球面任意曲面的高速飞行通信设备载体，微带贴片17共形固定在搭载平台(1)，载体表面相应位置预留埋藏微带天线的共形覆盖窗口内，外表面弧度与搭载平台(1)一致，以实现微带辐射单元/阵列与搭载平台(1)的共形安装。矩形平面阵中各单元相同,n个完全相同的天线所组成的n元均匀线阵中的每个天线都带上一个可控移相器，则该天线阵就成为一维相控阵天线，天线波束可以在一个较大的空间范围内进行扫描；
微带辐射元组成的微带阵列电磁波从辐射贴片辐射出来，经过埋藏的介质层，再到空气，按预定比例馈送到阵列中的各个单元的移相器，经移相后在馈给阵列各单元进行辐射。波束控制指令信号输入计算机，运算后通过移相器控制电路进入各单元移相器，分别控制各自的相移量，从而获得各相邻单元间所要求的相位差，使天线波束指向预期方向。
在图5-图6中，天线微带板(10)由介质基板、接地板、贴加导体薄片或微带线组成，微带贴片17的接地板的长边上制有开槽，在微带亏电处开槽并在贴片上开耦合缝18、加辐射开路支节增加寄生耦合辐射单元，形成双峰、多峰谐振，馈线上设置调谐枝节16，开槽缝可以降低天线的回波损耗。在没有进行底板开缝时的回波损耗值小了1.08dB。。当谐振频率靠近时，拓宽带宽；开槽缝微带天线谐振频率与微带贴片17的等效谐振长度成反比，矩形贴片等效电路为相距为长L的两条具有复导纳的缝隙，电磁波在介质层中的波长为λm，L取λm/2，传输线终端开路，在传输线上呈驻波分布，且两个宽边为最大电压波腹点，中间为余弦分布波节点，其中传输线中间电流最大两端正弦分布电流最小,其辐射场在贴片法向方向同相叠加。
天线微带板(10)微带贴片17天线的结构可以由介质基板、辐射体及接地板构成，介质基板的厚度远小于波长，天线微带板(10)微带贴片17天线介质基片的介电常数小于等于10，厚度h小于等于波长；基板底部的金属薄层与接地板相接，正面则通过光刻工艺制作具有特定形状的金属薄层作为辐射体。辐射器的形状可以是矩形、圆形、三角形或其他的规则形状。辐射贴片的形状不同，辐射特性也有所差异。矩形贴片两端辐射缝隙等效导纳加载，相距宽边L的两条缝隙具有复导纳，两条宽边缝隙磁流同向，其辐射场在贴片法向方向同相叠加。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种隐显式共形耐高温微带/贴片天线单元，包括：共形于载体平台(1)弯曲表面，采用对数据周期阵结构或者行波阵的的共形辐射单元(2)，采用沉头螺钉(4)固联在共形天线整流罩(3)背端上的L形阶梯盒体(5)，用连接器螺钉(6)固联在L形阶梯盒体(5)背板上的射频连接器(7)，其特征在于：在紧贴共形天线整流罩(3)背端的矩形腔体(12)设有通过多层介质板(14)固联的天线微带板(10)，紧固螺钉(11)将天线微带板(10)固定到金属底板上，矩形腔体(12)通过四周围磁壁围成谐振空腔，矩形腔体(12)通过所述金属底板隔墙相接有填充复合相变材料PCM的熔解热腔室(13)，密封端盖(8)通过密封螺钉(9)将PCM封装在熔解热腔室(13)中，阻隔外部热量的传导，PCM在密封端盖(8)封装腔体内发生固-液相变，利用材料自身的比热容储存/释放热，以吸/放热能量转化方式感知天线微带板(10)的热度，降低天线内部温度，共形辐射单元(2)通过微带线或者同轴线，TM10在微带贴片(17)天线宽边和长边进行馈电,使导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，在天线面法向形成互相垂直的电场分量，电流在终端开路的传输线上呈驻波分布通过贴片与四周的接地板之间的缝隙向外辐射。
2.如权利要求1所述的隐显式共形耐高温微带/贴片天线单元，其特征在于：所述共形天线整流罩(3)采用耐高温低介电常数材料加工成型，与L形阶梯盒体(5)上阶梯盒槽封装形成的矩形腔体(12)内填入低导热系数的耐高温隔热材料。
3.如权利要求1所述的隐显式共形耐高温微带/贴片天线单元，其特征在于：所述共形辐射单元(2)为高速搭载平台上耐高温探测天线，通过共形天线整流罩(3)与高速搭载平台共形安装。
4.如权利要求1所述的隐显式共形耐高温微带/贴片天线单元，其特征在于：所述L形阶梯盒体(5)背面下台阶盒体中的熔解热腔室(13)腔体中填充的相变材料PCM是石墨/石蜡复合相变材料；在工作过程中，外部温度传递到L形阶梯盒体(5)底面，随着温度逐渐升高熔解热腔室(13)腔体中填充的复合相变材料PCM在封装腔体内发生固-液相变，该相变过程中吸收大量热量，降低L形阶梯盒体(5)的底面温度。
5.如权利要求1所述的隐显式共形耐高温微带/贴片天线单元，其特征在于：天线微带板(10)通过紧固螺钉(11)固定，安装后用高温焊锡将射频连接器(7)尾端焊针与天线微带板(10)馈电点焊接牢固，馈电点到微带贴片(17)中心的距离＜5mm，并在馈线末端开出一个与接地层相连，且＜0.5mm的接地孔。
6.如权利要求1所述的隐显式共形耐高温微带/贴片天线单元，其特征在于：搭载平台(1)外形是以柱面、球面、规则形状的圆柱形或球面任意曲面的高速飞行通信设备载体，微带贴片(17)共形固定在搭载平台(1)，载体表面相应位置预留埋藏微带天线的共形覆盖窗口内，外表面弧度与搭载平台(1)一致，以实现微带辐射单元/阵列与搭载平台(1)的共形安装。
7.如权利要求5所述的隐显式共形耐高温微带/贴片天线单元，其特征在于：矩形平面阵中各单元相同,n个完全相同的天线所组成的n元均匀线阵中的每个天线都带上一个可控移相器，则该天线阵就成为一维相控阵天线，天线波束可以在一个较大的空间范围内进行扫描；
微带辐射元组成的微带阵列电磁波从辐射贴片辐射出来，经过埋藏的介质层，再到空气，按预定比例馈送到阵列中的各个单元的移相器，经移相后在馈给阵列各单元进行辐射；波束控制指令信号输入计算机，运算后通过移相器控制电路进入各单元移相器，分别控制各自的相移量，从而获得各相邻单元间所要求的相位差，使天线波束指向预期方向。
8.如权利要求1所述的隐显式共形耐高温微带/贴片天线单元，其特征在于：槽缝微带天线谐振频率与微带贴片(17)的等效谐振长度成反比，矩形贴片等效电路为相距为长L的两条具有复导纳的缝隙，电磁波在介质层中的波长为λm，L取λm/2，传输线终端开路，在传输线上呈驻波分布，且两个宽边为最大电压波腹点，中间为余弦分布波节点，其中传输线中间电流最大两端正弦分布电流最小,其辐射场在贴片法向方向同相叠加。
9.如权利要求1所述的隐显式共形耐高温微带/贴片天线单元，其特征在于：天线微带板(10)由介质基板、接地板、贴加导体薄片或微带线组成，微带贴片(17)的接地板的长边上制有开槽，在微带亏电处开槽并在贴片上开耦合缝(18)、加辐射开路支节增加寄生耦合辐射单元，形成双峰、多峰谐振，馈线上设置调谐枝节(16)，当谐振频率靠近时，拓宽带宽。
10.如权利要求1所述的隐显式共形耐高温微带/贴片天线单元，其特征在于：开槽缝微带天线谐振频率与微带贴片(17)的等效谐振长度成反比，矩形贴片等效电路为相距为长L的两条具有复导纳的缝隙，电磁波在介质层中的波长为λm，L取λm/2，传输线终端开路，在传输线上呈驻波分布，且两个宽边为最大电压波腹点，中间为余弦分布波节点，其中传输线中间电流最大两端正弦分布电流最小,其辐射场在贴片法向方向同相叠加。
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