CN114374098B - 宽带低剖面amc波束可调腔体单极子阵列天线 - Google Patents

宽带低剖面amc波束可调腔体单极子阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种宽带低剖面AMC波束可调腔体单极子阵列天线，包括单极子天线单元、宽带AMC结构、金属腔体。所述单极子天线单元所述单极子天线单元包括单极子天线和单极子天线两侧三角条状的寄生结构，单极子天线安装在金属腔体的小腔体的侧壁上；所述宽带AMC结构为加空气层的方形贴片型AMC结构，其位于单极子天线与腔体底面之间，在介质基板上面印制正方形阵列，介质基板与腔体底面之间为空气层。所述金属腔体为长方体，一面开口，中间有一长方形金属薄壁。本发明通过在小尺寸腔体内对宽带小型化AMC单极子天线单元排阵，应用阵列单元间的馈电相位差实现俯仰面波束可调，整个阵列在小尺寸腔体内具有良好的俯仰面波束可调特性和方位面的宽波束特性。

Description

宽带低剖面AMC波束可调腔体单极子阵列天线
技术领域
本发明涉及宽带低剖面小尺寸腔体内的腔体天线领域和阵列天线领域，特别是涉及一种基于AMC(人工磁导体)结构和二元阵列的宽带低剖面波束可调腔体单极子阵列天线。
背景技术
随着无线通信的快速发展，准确的进行电子侦察测向对军事和民用领域来说越来越重要，宽带天线单元在测向系统中的应用也越来越多。测向系统中的天线单元需要在宽频带内保持良好的匹配特性和稳定的辐射方向图以及波束的良好覆盖，要求天线波束增益高、波瓣宽度大、前后比大，同时希望天线小型化和轻量化，在军事上由于隐身方面的考虑，还希望天线能共形安装或者嵌入式安装。对嵌入式安装的天线来说，因载体多是金属材质，天线的安装环境多是金属腔体，对腔体天线的研究十分必要。
天线的辐射方向大多在轴向或者法向，然而在实际应用场合中，天线往往受载体形状或者其他安装环境的原因，需要倾斜放置，这导致天线辐射的最大方向与实际应用需要的方向不一致，不能形成良好的波束覆盖，加大了天线设计的困难。改变天线的波束方向一般采用阵列、透镜或者反射面来控制，透镜重量大，反射面尺寸大，不适合在载体上嵌入式安装，受载体尺寸和重量的限制，本发明采用阵列来调控天线俯仰面的波束方向，使天线在有限的空间内实现良好的波束覆盖。
在半波长的小尺寸腔体的腔体内，大多数天线由于自身电尺寸的限制无法在腔体内进行排阵，单极子天线通过镜像原理，自身电尺寸仅有四分之一，能在腔体内进行二元阵排布。在俯仰方向将腔体分割成两个小腔体，两个分别单极子安装在腔体侧壁上进行排阵，既提高了俯仰面天线的增益，又不影响方位面的波瓣宽度，还能对俯仰面波束进行调控，应对复杂的安装环境。
对于安装在复杂载体平台上的天线来说，低剖面的天线更容易共形于载体剖面。降低天线剖面大多采用加载技术和结合超材料结构两种方法。结合超材料一般是通过超表面，通过天线与超表面之间的耦合增强天线的带宽，改善场分布，扩大有效口径。加载技术带宽较窄，并会对天线性能造成影响，使用超表面降低天线的剖面更利于保证天线性能。在理想的金属反射板上反射，入射波和反射波之间会有180度的相位差，实现良好的定向辐射，一般反射板距离天线要有四分之一波长的距离，限制了天线的剖面。而理想的磁导体具有同相位反射的特性，能大大降低天线剖面，虽然自然界没有理想的磁导体，但是可以通过一定的结构来实现这个功能，本发明采用加空气层的方形贴片型AMC结构来降低天线剖面。
本通过在小尺寸腔体内对宽带小型化AMC单极子天线单元排阵，应用阵列单元间的馈电相位差实现俯仰面波束可调，单元采用放置在腔体侧壁上的宽带单极子天线，有效利用了腔体空间，并实现了天线的小型化与轻量化；而且，应用宽带AMC结构有效降低单元剖面，采用低损耗的同轴线馈电网络排布，排布在腔体下面，整个阵列在小尺寸腔体内具有良好的俯仰面波束可调特性和方位面的宽波束特性。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种宽带低剖面AMC波束可调腔体单极子阵列天线，在小尺寸的腔体开口尺寸内，进行二元阵列排布，应用阵列单元间的馈电相位差调控俯仰面波束指向，实现良好的宽带内的宽波束覆盖，进一步地，通过宽带AMC结构有效降低天线的剖面。
技术方案
一种宽带低剖面AMC波束可调腔体单极子阵列天线，其特征在于包括多个单极子天线单元、宽带AMC结构、金属腔体和同轴线馈电网络；
所述单极子天线单元包括单极子天线和单极子天线两侧三角条状的寄生结构，单极子天线安装在金属腔体的小腔体的侧壁上，单极子天线单元与腔体开口面平齐放置，单极子天线与寄生结构厚度相同，变形蝶形振子与寄生结构相邻的边平行；
所述宽带AMC结构为加空气层的方形贴片型AMC，包括四个部分，自上而下依次为，方形贴片阵列，方形介质基板，空气层以及利用金属腔体底壁作为的反射面；每个方形贴片大小相同，间距相同，印制在介质基板上面；宽带AMC结构位于单极子天线下面；
所述金属腔体整体呈长方体状，上面开口，其余五面为金属薄壁，中间设有金属薄壁将腔体分割为与单极子天线单元数量相等的小腔体；所述的金属腔体的侧壁和中间薄壁上各打五个圆形通孔，中间通孔用于馈电同轴线与单极子天线电学连接，另外通孔用于固定寄生结构；
所述同轴线馈电网络为同轴线功分器，有内芯和外层屏蔽层两部分，馈电网络排布在腔体下面，输出端穿过腔体底壁和介质基板，通过腔体侧壁和金属薄壁上的通孔分别与多个单极子天线单元进行电学连接。
本发明进一步的技术方案：多个单极子天线单元两两之间间距相等。
本发明进一步的技术方案：所述单极子天线为方环状的变形蝶形振子。
本发明进一步的技术方案：所述单极子天线、寄生结构、AMC的方形介质基板与腔体下壁平行放置。
本发明进一步的技术方案：通过调整单极子天线的长度厚度、寄生结构的长度厚度以及两者之间的间距来优化阻抗匹配。
本发明进一步的技术方案：所述宽带AMC结构正中心处不印制方形贴片。
本发明进一步的技术方案：同轴线馈电网络的多个输出端的长度不相同。
本发明进一步的技术方案：通过调整单极子天线与介质基板的距离、介质基板与腔体下壁的距离、方形贴片的大小以及相邻贴片的间距来优化单极子天线与AMC结构的匹配。
本发明进一步的技术方案：所述馈电同轴线的特性阻抗为50欧姆。
有益效果
本发明提出的一种宽带低剖面AMC波束可调腔体单极子阵列天线，与现有技术相比有益效果如下：
第一，在小尺寸腔体内沿俯仰面进行多元排阵，能实现俯仰面波束的调控，并且提高俯仰面的增益且不改变方位面波瓣宽度，且增益向较单元能提高1dB以上，具有良好的宽带宽波束覆盖。
第二，采用低损耗的同轴线馈电网络，在相对带宽大于40％的范围内两输出端的插入损耗小于0.2dB，根据所需波束指向设计合适的馈电相位差。
第三，通过加空气层的方向贴片型AMC结构将天线的剖面降低了47％。
第四，通过蝶形振子的变形和寄生结构，提高天线的带宽，天线带宽大于30％，实现天线的小型化和轻量化。
仿真实验表明，本发明提供的腔体单极子阵列天线驻波比小于2的相对带宽大于30％，E面增益在5.8-7.7dBi之间，H面半功率波瓣宽度在64-84度之间，在中心频率处在阵列单元相位差为53度的情况下天线俯仰面波束相上偏转40°。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1是本发明提供的宽带低剖面AMC波束可调腔体单极子阵列天线的整体结果示意图。
图2a是图1中的单极子天线的单独结构示意图。
图2b是图1中的宽带AMC结构的单独结构示意图。
图2c是图1中的腔体的单独结构示意图。
图2d是图1中的同轴线馈电网络的单独结构示意图。
图3是图1所示腔体天线的驻波比参数曲线仿真结果示意图。
图4是图1所示腔体天线的增益随频率变化曲线仿真结果示意图。
图5是图1所示腔体天线的驻波比小于2频段内最低频率的E面方向图。
图6是图1所示腔体天线的驻波比小于2频段内最低频率的H面方向图。
图7是图1所示腔体天线的驻波比小于2频段内中心频率的E面方向图。
图8是图1所示腔体天线的驻波比小于2频段内中心频率的H面方向图。
图9是图1所示腔体天线的驻波比小于2频段内最高频率的E面方向图。
图10是图1所示腔体天线的驻波比小于2频段内最高频率的H面方向图。
图11是图1所示腔体天线的馈电网络的插入损耗结果示意图。
图中附图标记说明：1-单极子天线一；11-蝶形振子；12-寄生结构；110-蝶形振子的第一拐角；120-蝶形振子第二拐角；130-蝶形振子第三拐角；140-蝶形振子第四拐角；2-单极子天线二；3-AMC结构；31-方形贴片；32-介质基板；33-空气层；4-金属腔体；41-腔体第一侧壁；42-腔体第二侧壁；43-腔体第三侧壁；44-腔体第四侧壁；45-腔体一底壁；46-腔体开口面；47-第一圆形通孔；48-第二圆形通孔；49-中间金属薄壁；5-同轴线馈电网络；51-同轴线馈电网络的第一输出端；52-同轴线馈电网络的第二输出端；53-输入端；54-匹配段；55-输出段一；56-输出段二；57-输入段；510-分段一；520-分段二；530-分段三；540-分段四；550-分段五；560-分段六；570-分段七；580-分段八；590-分段九。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提出的一种宽带低剖面AMC波束可调腔体单极子阵列天线，包括单极子天线一、单极子天线二、宽带AMC(人工磁导体)结构、金属腔体和同轴线馈电网络五部分。所述单极子天线一包括方环状的变形蝶形振子以及蝶形振子两侧三角条状的寄生结构，蝶形振子安装在腔体侧壁上，单极子天线一与腔体开口面平齐放置，蝶形振子与寄生结构厚度相同，蝶形振子与寄生结构相邻的边平行；所述单极子天线二的结构与单极子天线一相同，安装在中间金属薄壁上，与腔体开口面平齐放置；所述宽带AMC结构为加空气层的方形贴片型AMC，包括四个部分，自上而下依次为，方形贴片阵列，方形介质基板，空气层以及利用腔体底壁作为的反射面；每个方形贴片大小相同，间距相同，印制在介质基板上面；所述金属腔体整体呈长方体状，上面开口，其余五面为金属薄壁，中间有一金属薄壁将腔体分割为两个小腔体，分别作为单极子天线一和单极子天线二的腔体；在一侧壁和中间薄壁上各打五个圆形通孔；所述同轴线馈电网络为同轴线功分器，有内芯和外层屏蔽层两部分，馈电网络排布在腔体下面，两个输出端穿过腔体底壁和介质基板，通过腔体侧壁和金属薄壁上的通孔分别与单极子天线一和单极子天线二进行电学连接。
上述腔体天线在腔体单极子天线的基础上集成了寄生结构和宽带AMC结构，提升了腔体单极子天线的带宽，降低了腔体单极子天线的剖面，减小天线尺寸以及整体重量，在小尺寸腔体内具有良好的辐射特性，同时在小尺寸口径的腔体内进行了二元排阵，进一步提高了天线的增高。通过调整两个单元之间的相位差能调控俯仰面的波束指向，应对由天线倾斜摆放导致的波束偏移，通过同轴线馈电网络实现两个单元之间的相位差，通过单极子天线的变形和寄生结构使天线小型化，展宽了天线的带宽并减小了天线重量，通过腔体实现天线的定向辐射以及天线的嵌入式安装，通过空气层展宽AMC结构的带宽，通过AMC结构降低了天线的剖面。
本发明采用宽带蝶形振子作为单极子天线的形式，本身就有较宽的带宽，再结合寄生结构，进一步拓宽带宽，并挖去蝶形振子中心部分进一步减小天线重量，中心部分对辐射性能影响不大。
本发明采用加空气层的方形贴片型AMC结构降低腔体天线的剖面。方形贴片型AMC能够在一定带宽内等效磁导体，它可以等效为一个并联谐振电路，谐振时相当于开路，反射系数为1，也就是同相位反射。
本发明通过调整AMC结构中空气层厚度以及方形贴片来改善的带宽，调整调整单极子天线和寄生结构的尺寸来优化匹配。
本发明将中间金属薄壁的放置在腔体中间，单极子天线一与单极子天线二的结构一致，并且分别位于中间金属薄壁分割的两个小腔体内，使两个单元的性能相近，有利于天线俯仰面波束向正负两个方向的调控，以及辐射性能的改善。
本发明宽带AMC结构正中心处不印制方形贴片，能够避免因同轴线馈电网络与金属贴片直接相连引起的不必要的电流不平衡分布的问题，避免天线性能收到影响。
本发明同轴线馈电网络放置在腔体下面，并且同轴线馈电网络的两个输出端与单极子天线一和单极子天线二分别位于各自连接壁的两侧，减小馈电网络放在空气层导致的AMC结构性能的恶化。
本发明在小尺寸的腔体内沿俯仰面排布两个单极子天线，组成二元阵。两者组成的阵列的远区辐射场由叠加原理可以看作是单元单元的方向图乘以阵因子，当阵列中单元间距相同、电流幅度相同而电流相位等值增加时，阵列的最大方向就会随着相邻馈电相位差的改变而改变，同时，在腔体内沿俯仰面排布二元阵，可以在一定程度上调控俯仰面的波束指向。
本发明同轴线馈电网络两输出端的长度不同，可以通过长度差实现两个单元馈电的相位差，进而实现俯仰面波束调控，根据所处环境所需的波束指向决定馈电输出端口的长度差。
本发明同轴线馈电网络的损耗相较于微带线馈电网络的损耗更低，更够减小因馈电网络带来的损耗。
本发明同轴线馈电网络的一端屏蔽层与腔体的侧面外壁相接，内芯穿过腔体侧壁上的通孔与单极子天线相连。同轴线的屏蔽层接腔体侧壁等于接地，内芯接入单极子天线进行馈电。
本发明同轴线馈电网络两输出端的屏蔽层分别与腔体侧壁和中间金属薄壁相接，内芯穿过腔体侧壁和中间金属薄壁上的通孔分别于单极子天线一和单极子天线二连接。同轴线馈电网络的屏蔽层截腔体侧壁和中间金属薄壁等于接地，内芯接单极子天线进行馈电。
本发明所述同轴线馈电网络输入端和输出端的特性阻抗为50欧姆，匹配段的特性阻抗为70.7欧姆。本发明也可以选用不同特性阻抗的同轴线，可以调节天线结构和输入端、输出端以及匹配段特性阻抗使天线的特性阻抗和输入端口进行阻抗匹配。
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
请参阅图1至图2，本发明提供的宽带低剖面AMC波束可调腔体单极子阵列天线包括单极子天线一1、单极子天线二2、宽带AMC(人工磁导体)结构3、金属腔体4和同轴线馈电网络5。
所述单极子天线一1包括方环状的变形蝶形振子11以及蝶形振子11两侧三角条状的寄生结构12，蝶形振子呈方环状，蝶形振子的第一拐角110切平，与同轴线馈电网络的第一输出端51的内芯相接，蝶形振子的第二拐角120和第三拐角130内侧与外侧进行打磨处理，呈圆弧状。蝶形振子11靠近腔体第一侧壁41放置，但不接触，安装在腔体第一侧壁41上，与腔体开口面46平齐放置，与腔体第二侧壁42和腔体第三侧壁43的距离相同，寄生结构12整体呈三角条状，两个寄生结构对称放置在蝶形振子两侧，靠近腔体第一侧壁41放置，但不接触，与腔体开口面46平齐放置，每个寄生结构由两个介质螺钉通过第二圆形通孔48固定。蝶形振子11由同轴线馈电网络的第一输出端51的内芯以及两支撑柱固定。优选地，蝶形振子11一臂外侧边长42mm，内壁边长32mm，高度6.6mm，蝶形振子的第一拐角11侧边长12mm，蝶形振子11与腔体第一侧壁41留有1mm空隙，寄生结构12一臂外侧边长30.4mm，内壁边长26.4mm，厚度6.6mm，寄生结构2与单极子天线1的距离为4.4mm。
所述单极子天线二2的结构与单极子天线一1一致，由单极子天线一1平移77mm可得，单极子天线二2安装在中间金属薄壁49上。
所述AMC结构3包括四个部分，自上而下依次为，方形贴片31组成的阵列，方形介质基板32，空气层33以及利用腔体底壁45作为的反射面。每个方形贴片大小相同，间距相同，印制在介质基板32上面，方形介质基板32用四根塑料支撑柱支撑，介质基板32中心不印制方形贴片。优选地，方形贴片31的变长的为20mm，相邻贴片间隔2mm，49片方形贴片印制在介质基板上侧，介质基板32的边长为154mm，厚度1.2mm，介电常数为4.4，介质基板32与单极子天线1的距离为8.4mm，空气层33厚度为20mm。
所述金属腔体4整体呈长方体状，一面开口，中间有一金属薄壁49，在腔体第一侧壁41上开一第一圆形通孔47用于同轴线馈电网络第一输出端51与腔体第一侧壁41以及单极子天线1的电学连接，在腔体第一侧壁41上在4个第二圆形通孔48用于固定寄生结构，中间金属薄壁49开与腔体第一侧壁41一样的圆形通孔。优选地，金属腔体4侧壁与底壁厚度为1mm，口面边长为154mm，剖面高度为36.2mm，中间金属薄壁长154mm，高36.2mm，第一圆形通孔1半径为1.5mm，位于第一侧壁41中间，距离腔体开口面3.3mm。
所述同轴线馈电网络5分为输入段53、匹配段54、输出段一55和输出段二56。馈电网络每段都是由屏蔽层和内芯组成，屏蔽层为空心圆柱，内芯为实心圆柱，两者长度一致，各长度如图2d所示。优选地，每段屏蔽层的内径均为2mm，厚度0.5mm，输入段57、输出段一55和输出段二56内芯的半径均为0.87mm，匹配段54内芯的半径为0.62mm。分段一长5mm，分段二长5.5mm，分段三长17.1mm，分段四长42.9mm，分段五长25.1mm，分段六长34mm，分段七长50mm，分段八长10mm，分段九长58mm。
通过三维电磁场仿真软件HFSS对本发明提供的宽带低剖面AMC波束可调腔体单极子阵列天线进行仿真实验，得到的仿真结果如图3至图11所示。
请参阅图3，这是腔体天线的驻波比参数曲线。图中f0为中心频率，本发明在驻波比小于2的相对带宽大于30％。
请参阅图4，这是腔体天线的增益随频率变化的曲线。本发明在带宽内的增益最小值为5.8dBi，最大值为7.7dBi。
请参阅图5至图10，这是腔体天线的E面和H面方向图。E面方向图交叉极化小于-30dB，H面半功率波瓣宽度在64-84度之间，中心频率E面最大方向在theta＝53度，上转40度。
请参阅图11，这是馈电网络的插入损耗结果示意图。其在相对带宽大于40％的带宽内两个输出端口插入损耗均小于0.2dB。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种宽带低剖面AMC波束可调腔体单极子阵列天线，其特征在于包括多个单极子天线单元、宽带AMC结构、金属腔体和同轴线馈电网络；
所述单极子天线单元包括单极子天线和单极子天线两侧三角条状的寄生结构，单极子天线安装在金属腔体的小腔体的侧壁上，单极子天线单元与腔体开口面平齐放置，单极子天线与寄生结构厚度相同，变形蝶形振子与寄生结构相邻的边平行；
所述宽带AMC结构为加空气层的方形贴片型AMC，包括四个部分，自上而下依次为，方形贴片阵列，方形介质基板，空气层以及利用金属腔体底壁作为的反射面；每个方形贴片大小相同，间距相同，印制在介质基板上面；宽带AMC结构位于单极子天线下面；所述宽带AMC结构正中心处不印制方形贴片；
所述金属腔体整体呈长方体状，上面开口，其余五面为金属薄壁，中间设有金属薄壁将腔体分割为与单极子天线单元数量相等的小腔体；所述的金属腔体的侧壁和中间薄壁上各打五个圆形通孔，中间通孔用于馈电同轴线与单极子天线电学连接，另外通孔用于固定寄生结构；
所述同轴线馈电网络为同轴线功分器，有内芯和外层屏蔽层两部分，馈电网络排布在腔体下面，输出端穿过腔体底壁和介质基板，通过腔体侧壁和金属薄壁上的通孔分别与多个单极子天线单元进行电学连接；所述同轴线馈电网络的多个输出端的长度不相同。
2.根据权利要求1所述的一种宽带低剖面AMC波束可调腔体单极子阵列天线，其特征在于：多个单极子天线单元两两之间间距相等。
3.根据权利要求1所述的一种宽带低剖面AMC波束可调腔体单极子阵列天线，其特征在于：所述单极子天线为方环状的变形蝶形振子。
4.根据权利要求1所述的一种宽带低剖面AMC波束可调腔体单极子阵列天线，其特征在于：所述单极子天线、寄生结构、AMC的方形介质基板与腔体下壁平行放置。
5.根据权利要求1所述的一种宽带低剖面AMC波束可调腔体单极子阵列天线，其特征在于：通过调整单极子天线的长度厚度、寄生结构的长度厚度以及两者之间的间距来优化阻抗匹配。
6.根据权利要求1所述的一种宽带低剖面AMC波束可调腔体单极子阵列天线，其特征在于：通过调整单极子天线与介质基板的距离、介质基板与腔体下壁的距离、方形贴片的大小以及相邻贴片的间距来优化单极子天线与AMC结构的匹配。
7.根据权利要求1所述的一种宽带低剖面AMC波束可调腔体单极子阵列天线，其特征在于：所述馈电同轴线的特性阻抗为50欧姆。
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