CN114284713B - 载体共形天线及其波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及宽带共形天线技术领域，具体的说是一种载体共形天线及其波束形成方法，其特征在于，包括圆环状柱形载体，圆环状柱形载体的环形内侧壁上加载微波吸波材料，在圆环状柱形载体外表面设置与柱形表面共形的对踵Vivaldi天线阵列，对踵Vivaldi天线阵列包括设置在曲面介质基板上的两个以上的共形Vivaldi天线单元，每个共形Vivaldi天线单元中包含两个Vivaldi天线臂，天线臂上设置开孔阵列，形成镂空状天线臂，镂空孔孔径参数由频选确定，以提高天线的隐身性能，与现有技术相比，通过将天线共形设置在吸波材料加金属导体组成的分层阻抗边界表面，并对天线臂进行镂空设置，有效提高了天线的隐身能力。

Description

载体共形天线及其波束形成方法

技术领域：

本发明涉及宽带共形天线技术领域，具体的说是一种能够满足飞行器载体平台上电子侦察与干扰一体化需求，具有小型化、高隔离度和电磁隐身功能的载体共形天线及其波束形成方法。

背景技术：

综合一体化技术能够将雷达、通信、电子战、导航、敌我识别等多种设备集中共用射频资源，适应多种不同类型的任务，从而解决平台上各系统相互制约、隐身性能不足等问题。雷达侦察与干扰系统可实现雷达信号侦察、雷达干扰信号生成、雷达探测功能标校的功能。在飞行器载体平台上，可布置侦察和干扰天线；为了节省宝贵的载体空间，可将天线安装在载体表面，同时保持载体平台的空气动力学性能，而天线仍然能够正常工作。

在侦察和干扰领域，常用的天线形式包括平面阿基米德螺旋、Vivaldi天线、对数周期天线等。Vivaldi天线是一种超宽带和小型化的天线。Vivaldi天线呈指数状槽线，结构较为简单。对拓Vivaldi天线比普通的Vivaldi天线而言，结构更紧凑、带宽更宽，易实现阻抗匹配，交叉极化水平更优。

数字阵列雷达是一种新型相控阵雷达，它的每个天线阵元相互独立可控。数字阵列雷达由于具有系统自由度高、抗干扰资源丰富、发射波形灵活多变等特点。基于阵列天线的数字波束形成(Digital Beamforming，DBF)技术能够可以自适应地形成空域抗干扰、形成多个独立可控的波束，具有较高的信噪比，提高雷达系统的抗干扰能力。在实际的雷达工作环境中，波束形成技术通过控制天线单元的排布方式、阵元间距、激励幅度、相位来合成窄波束、低副瓣、固定角度分布零点的辐射方向图。

对于表面为金属导体的飞行器载体平台，当水平放置的雷达天线距离金属平台表面较近时，天线的辐射方向图会产生偏移，主波束偏离轴向方向，即波束上翘。在天线单元距离金属导体表面较近且尺寸受限的条件下，需要通过天线设计改善天线的方向图，即实现对方向图的控制。

发明内容：

本发明针对现有技术天线存在的缺点和不足，提出了一种能够满足飞行器载体平台上电子侦察与干扰一体化需求，具有小型化、高隔离度和电磁隐身功能的载体共形天线及其波束形成方法。

本发明通过以下措施达到：

一种载体共形天线，其特征在于，包括圆环状柱形载体，圆环状柱形载体的环形内侧壁上加载微波吸波材料，在圆环状柱形载体外表面设置与柱形表面共形的对踵Vivaldi天线阵列，对踵Vivaldi天线阵列包括设置在曲面介质基板上的两个以上的共形Vivaldi天线单元。

本发明每个共形Vivaldi天线单元中包含两个Vivaldi天线臂，天线臂上设置开孔阵列，形成镂空状天线臂，镂空孔孔径参数由频选确定，以提高天线的隐身性能。

本发明每个共形Vivaldi天线单元中的两个天线臂可以基于仿生理论，拟合其形状为近似蜻蜓翅膀或蝴蝶翅膀状。

本发明所述对踵Vivaldi天线阵列中在共形Vivaldi天线单元之间，加载接地短路金属柱阵列，改善单元之间的隔离度。

本发明还提出了一种基于上述载体共形天线的波束形成方法，其特征在于，对天线信号进行以下处理最终获取天线阵列合成场波束信号：

天线端口的辐射方向图表示为：

其中，I为端口激励磁电流幅值，h为天线的有效高度，r为端口在坐标系中的半径，Z₀为自由空间波阻抗，为归一化振幅方向图，/>为相位方向图，γ是振幅极化参数，η是相位极化参数，此辐射方向图由仿真或天线测试得到，则公式(1)写为：

式中，

将公式(2)分解成两个正交极化场：

E＝Z₁E₀p₁+Z₂E₀p₂ (4)

式中，p₁和p₂分别为单位正交极化矢量：

其中，p₁和p₂极化正交，采用复数矩阵运算，可求得

于是，对于主极化的的分量为：

假设M个单元的辐射场分别为：

则有：第i个单元的加权为：

于是，在主辐射方向上，合成场的表达式为：

本发明与现有技术相比，通过将天线共形设置在吸波材料加金属导体组成的分层阻抗边界表面，并对天线臂进行镂空设置，有效提高了天线的隐身能力，天线设计方案和波束形成方法适合应用于雷达系统和电子对抗系统中，重要较为重要的应用价值和实际意义。

附图说明：

附图1是本发明中天线的结构示意图，其中图1(a)为结构图，图1(b)为透视效果图。

附图2是本发明中共形Vivaldi天线单元的结构示意图，其中图2(a)是共形Vivaldi天线单元的印刷电路结构模型，图2(b)是共形Vivaldi天线单元的线架图。

附图3是本发明中共形天线阵列波束形成基本原理图。

附图4是本发明中实施例中天线端口之间隔离度仿真曲线示意图，其中图4(a)为端口1与端口2之间隔离度仿真曲线示意图，图4(b)为端口1和端口3之间隔离度仿真曲线，图4(c)为端口1和端口4之间隔离度仿真曲线，图4(d)为端口1和端口5之间隔离度仿真曲线，图4(e)为端口1和端口6之间隔离度仿真曲线，图4(f)是端口1和端口7之间隔离度仿真曲线，图4(g)为端口1和端口8之间隔离度仿真曲线，图4(h)为端口1和端口9之间隔离度仿真曲线。附图5是端口1天线辐射特性仿真结果，其中图5(a)是三维增益方向图，图5(b)是三维轴比方向图。

附图6是端口2天线辐射特性仿真结果，其中图6(a)是三维增益方向图，图6(b)是三维轴比方向图。

附图7是端口3天线辐射特性仿真结果，其中图7(a)是三维增益方向图，图7(b)是三维轴比方向图。

附图8是端口4天线辐射特性仿真结果，其中图8(a)是三维增益方向图，图8(b)是三维轴比方向图。

附图9是端口5天线辐射特性仿真结果，其中图9(a)是三维增益方向图，图9(b)是三维轴比方向图。

附图10是端口6天线辐射特性仿真结果，其中图10(a)是三维增益方向图，图10(b)是三维轴比方向图。

附图11是端口7天线辐射特性仿真结果，其中图11(a)是三维增益方向图，图11(b)是三维轴比方向图。

附图12是端口8天线辐射特性仿真结果，其中图12(a)是三维增益方向图，图12(b)是三维轴比方向图。

附图13是端口9天线辐射特性仿真结果，其中图13(a)是三维增益方向图，图13(b)是三维轴比方向图。

附图14是实施例1中频率为2GHz时的圆极化辐射方向图，其中图14(a)为xoz面，主辐射方向为0度条件下；图14(b)为xoz面，主辐射方向为30度条件下；图14(c)为yoz面，主辐射方向为0度条件下；图14(d)为yoz面，主辐射方向为30度条件下。

附图15是本发明实施例1中线极化辐射场的方向图，图15(a)是xoz面，主辐射方向为0度条件下；图15(b)是xoz面，主辐射方向为30度条件下；图15(c)为yoz面，主辐射方向为0度条件下；图15(d)为yoz面，主辐射方向为30度条件下。

附图标记：1为载体的金属表面，2为薄片状微波吸波材料，3为单元之间的金属柱阵列，4为共形的Vivaldi天线单元，5为曲面介质基板，6指数曲线，7为微带线，8为圆形槽阵列。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的说明。

实施例1：

本例基于飞行器载体平台的圆柱形表面结构，设计了一种与圆柱表面共形的对踵Vivaldi天线阵列；基于仿生理论，在Vivaldi天线辐射器表面蚀刻出圆形槽阵列，以减少天线的雷达散射截面(RCS)，同时一定程度上改变天线的阻抗；在共形Vivaldi天线与载体金属表面之间的空间区域，加载微波吸波材料，改变天线的边界条件，调整波束指向；在共形Vivaldi天线单元之间，加载接地短路金属柱阵列，改善单元之间的隔离度。

仿生学已经成功应用在各种工程系统和现代技术中。天线的概念来源于自然界，天线的功能与某些生物结构的功能是相似的。天线来源于生物模型，生物模型也必可以应用到天线设计中。仿生概念己经成功应用于很多领域，天线的隐身必然也可应用仿生技术寻求新的设计方案。仿生学具有丰富的资源，能够充分利用它必将对天线隐身技术领域起到很好的推动作用。利用仿生学理论设计的天线，可以具有隐身、小型化、多频段或者超宽带的电磁性能。对于本发明中设计的共形对踵Vivaldi天线，模仿蜻蜓翅膀的形状，采用了在振子辐射器的大面积金属部分，蚀刻出周期性的圆孔，可以改变天线的阻抗特性、辐射方向图特性以及雷达散射截面大小。周期性的孔结构可理解为一种频率选择表面，它对天线的散射具有频率上的滤波特性。在本发明设计的共形对踵Vivaldi天线中，蚀刻出的孔的大小和数量根据天线的振子臂的金属部分尺寸和电流分布以及工作波长决定，在保证天线在工作频带内的阻抗特性、方向图特性和增益特性基本不变的基础上，降低天线的雷达散射截面，实现天线隐身的效果。在天线工作频率确定的条件下，初步确定天线辐射器的振子臂的尺寸，然后对孔的大小和阵列布局进行设计，综合天线尺寸、电性能和雷达散射截面大小，采用电磁场的全波计算方法进行优化和计算，达到满足要求的尺寸参数。

在整体结构上，常规的侦察和干扰设备多采用平面螺旋天线、对数周期天线和折叠缝隙对数周期天线，且很少见到侦察和干扰天采用载体共形的方式布局；在本发明中，模拟飞行器圆柱表面的平台环境，将仿生结构的对踵Vivaldi天线共形于载体表面，有效节省飞行器的空间，可实现探测、侦察和干扰的一体化工作。由于飞行器表面为金属结构，电导率很高，导致共形的对踵Vivaldi天线位置近似电壁的表面上方，当对踵Vivaldi天线距离载体表面很近时，对踵Vivaldi天线的工作性能显著下降，方向图发生剧烈变化，导致电子系统不能工作，为此，本发明在金属圆柱表面加载具有吸波效果的材料，将近似的理想电壁变为吸收或者部分吸收的边界，从而改变天线的辐射特性，同时，吸波材料的引入，将使天线的增益有所下降，需要在方向图形状和增益之间折中考虑。吸波材料可选择常规的微波吸波材料，也可以采用超材料结构。加载微波吸波材料结构后，将降低天线在径向的高度，实现低剖面的效果，同时，吸波材料的加载也会显著提升整个天线系统的隐身能力。吸波材料的尺寸和材料也通过电磁仿真优化得到。

本例设计的圆柱共形对踵Vivaldi天线阵列结构模型如图1所示，其中1为载体的金属表面，2为薄片状微波吸波材料，3为单元之间的金属柱阵列，4为共形的Vivaldi天线单元。图1-2为共形Vivaldi天线单元的结构模型，5为曲面介质基板，6指数曲线，7为微带线，8为圆形槽阵列。

在发射干扰信号时，共形天线阵列需要根据预期的波束指向，调整主波束进行扫描；由于共形天线阵列的各个天线单元的辐射场互不相同，因此，在干扰系统工作时，需要进行极化和方向图的联合控制。共形数字相控阵方案框图如图1-3所示。

通常，天线端口的辐射方向图可以表示为：

其中，I为端口激励磁电流幅值，h为天线的有效高度，r为端口在坐标系中的半径，Z₀为自由空间波阻抗，为归一化振幅方向图，/>为相位方向图，γ是振幅极化参数，η是相位极化参数。此辐射方向图可由仿真或天线测试得到。公式(1)可以写为：

式中，

将公式(2)分解成两个正交极化场：

E＝Z₁E₀p₁+Z₂E₀p₂ (4)

式中，p₁和p₂分别为单位正交极化矢量：

其中，p₁和p₂极化正交，采用复数矩阵运算，可求得

于是，对于主极化的的分量为：

假设M个单元的辐射场分别为：

则有：第i个单元的加权为：

于是，在主辐射方向上，合成场的表达式为：

从而获取天线阵列的信号波束。

本例设计了一种与飞行器圆柱表面共形的天线阵列装置，采用全波电磁仿真技术对设计的天线进行了性能仿真，利用全波仿真的结果，进行方向图的形成和极化的调控，结果表明了波束形成的效果。

本例设计的与飞行器圆柱表面共形的天线阵列装置采用9单元阵列，天线单元为共形Vivaldi天线；仿真得到的端口之间的隔离度如图4所示，由图可见，在工作频点1GHz～3GHz范围，该天线阵列临近端口的平均隔离度约为20dB。

在给定坐标系中，图5至图13分别给出了频率为1.2GHz时的各个端口的辐射方向图仿真结果，在每一个端口上，分别给出了三维增益方向图和三维轴比方向图。由仿真结果可以看出，在载体共形条件下，天线的辐射方向图发生明显的变化，起伏程度加大，由于载体平台和单元之间的耦合的影响，方向图主波束发生偏移现象；共形天线的轴比随着空间角度的变化而发生较大的起伏，在波束形成中需加以考虑。

在给定坐标系中，图14至图15分别给出了频率为2GHz时的圆极化和水平线极化条件下的辐射方向图形成结果，针对每一种极化辐射场，分别给出了扫描角分别为0度和30度的相对方向图。由仿真结果可以看出，在载体共形条件下，采用数字阵列的方法，可形成需要的波束扫描。

本发明针对飞行器载体平台上电子侦察与干扰一体化设计的需求，提出了一种与载体平台共形的天线阵列设计方案及波束形成方法。综合考虑共形阵列天线装置的小型化、高隔离度和电磁隐身的要求，引入仿生方法和电磁边界控制技术，设计了基于对踵Vivaldi天线的与载体圆柱表面共形的天线阵列；针对共形天线阵列中各个辐射单元的辐射场的差异性，研究了基于共形天线阵列的波束形成方法和极化形成方法，为实际工程应用奠定基础。本发明中的基于飞行器平台的天线设计方案和波束形成方法适合应用于雷达系统和电子对抗系统中，重要较为重要的应用价值和实际意义。

Claims (1)

1.一种载体共形天线的波束形成方法，包括圆环状柱形载体，圆环状柱形载体的横截面上加载微波吸波材料，在圆环状柱形载体外表面设置与柱形表面共形的对踵Vivaldi天线阵列，对踵Vivaldi天线阵列包括设置在曲面介质基板上的两个以上的共形Vivaldi天线单元；

每个共形Vivaldi天线单元中包含两个Vivaldi天线臂，天线臂上设置开孔阵列，形成镂空状天线臂，镂空孔孔径参数由频选确定，以提高天线的隐身性能；所述对踵Vivaldi天线阵列中在共形Vivaldi天线单元之间，加载接地短路金属柱阵列，改善单元之间的隔离度；载体共形天线的波束形成方法为：

对天线信号进行以下处理最终获取天线阵列合成场波束信号：

天线端口的辐射方向图表示为：

其中，I为端口激励磁电流幅值，h为天线的有效高度，r为端口在坐标系中的半径，Z₀为自由空间波阻抗，为归一化振幅方向图，/>为相位方向图，γ是振幅极化参数，η是相位极化参数，此辐射方向图由仿真或天线测试得到，则公式(1)写为：

式中，

将公式(2)分解成两个正交极化场：

E＝Z₁E₀p₁+Z₂E₀p₂ (4)

式中，p₁和p₂分别为单位正交极化矢量：

其中，p₁和p₂极化正交，采用复数矩阵运算，可求得

于是，对于主极化的的分量为：

假设M个单元的辐射场分别为：

则有：第i个单元的加权为：

于是，在主辐射方向上，合成场的表达式为：/>