CN114400439B - 基于特征模理论的飞艇平台米波共形相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于特征模理论的飞艇平台米波共形相控阵天线，特点是基于特征模理论系统化的设计出具有高增益、低交叉极化和大角度扫描的米波共形相控阵天线，对飞艇平台自身的显著特征模式使用多目标优化算法综合出目标方向图，并根据综合结果的电流分布来设计和放置天线单元。本发明提供的米波共形相控阵天线的优点是能够同时满足天线的辐射性能要求、与平台的共形要求以及大角度扫描的要求。在物理层面清晰地展现了平台本身固有的辐射机制，可灵活用于不同平台结构的低频平台相控阵天线设计。

Description

基于特征模理论的飞艇平台米波共形相控阵天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种基于特征模理论的飞艇平台米波共形相控阵天线，以电磁特征模理论为基础，提出基于飞艇平台特征辐射模式的米波共形相控阵设计新思路,可为机载平台米波共形相控阵天线研制提供重要理论、方法与技术支撑。

背景技术

现代军事战争中，武器装备远程精确化、智能化、隐身化、无人化趋势明显，而高空飞行器的作战性能很大程度上依赖于其承载的雷达相控阵天线。米波雷达研究在精度更高的分米波和厘米波雷达(如X波段雷达)出现之后被暂时忽略，近年来，米波相控阵雷达作为对抗外形隐身和材料隐身技术、实现对敌目标雷达探测的有效手段之一，又重新受到了重视，因此米波雷达相控阵天线的研究具有重要的军事应用需求。

根据经典天线理论，米波天线的谐振长度与其波长(1～10米)相当，为平台集成化、共形化以及隐蔽性结构设计等方面带来诸多问题。飞行器物理尺寸与低频段低端频率的波长相当，金属平台上的谐振特性增强，谐振电流大大影响平台集成天线阻抗匹配性能及辐射性能。其次，大尺寸的低频段天线往往难以实现低剖面和小型化设计，难以维持飞行器的空气动力学特性、保证天线结构的稳定性。另外，传统的基于电磁全波分析的天线优化设计方法对天线辐射机理的物理解释有限，使得天线工程师不得不凭借设计经验反复优化，从而陷入大量繁杂的调参优化工作。

在申请号为CN202021667918.9的中国专利“一种机载天线和飞行器”中，公开了一种与飞行器的垂直尾翼连接的机载天线，有较好的共形设计。但工作频率为100MHz时最大增益仅为-2.31dBi，且天线尺寸较大。

基于特征模理论的天线设计方法利用了平台自身的谐振特性，增大天线口径，设计出的天线相对于传统天线尺寸减小，辐射效率却得到了极大的提高，并改善对平台气动性能的不良影响、传统平面相控阵雷达天线宽角扫描时性能恶化的问题。另一方面，因为特征模独立于激励源，具有只与电磁结构本身形状、尺寸以及电磁材料特性相关的独特性质，为研究电磁结构本身固有的辐射机制提供了清晰的物理解释。

2014年，Yikai Chen等人在IEEE Transactions on Antennas and Propagation发表的“Electrically Small UAV Antenna Design Using Characteristic Modes”基于特征模理论设计实现了波束指向可沿三个方间调控的HF频段机载共形天线系统；2019年，Chenghui Wang等人在IEEE Transactions on Antennas and Propagation发表的“Application of Characteristic Mode Theory in HF Band Aircraft-IntegratedMultiantenna System Designs”基于特征模理论设计了可以同时实现定向辐射波束与全向辐射波束的三频段HF隐身机载共形天线系统。然而，这些设计仅局限于具有固定波束或有限个波束的单天线系统设计。

以上研究概况表明，低频段平台天线的低剖面、共形化设计是当今天线研究领域的热点需求，而基于特征辐射模式的系统化设计方法是解决天线尺寸与辐射性能之间矛盾的有效解决方案。基于以上应用需求，本发明实现了基于平台特征辐射模式的具有波束扫描能力的米波波段共形相控阵，并且还能实现线极化，使其更适用于极化敏感的应用背景。

发明内容

本发明的目的是针对上述所提到的现有技术不足，提出了一种基于特征模理论的飞艇平台米波共形相控阵天线，在不连续的飞艇平台表面布置尺寸较小的天线单元，合理使用飞艇平台部分结构作为辐射口径，获得高增益的同时，实现线极化和波束扫描。天线阵列的设计方法也可以应用于其他形式平台的赋形波束设计当中。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种基于特征模理论的飞艇平台米波共形相控阵天线，其特征在于，包括29个天线单元和一个飞艇平台1，且所有天线单元连接于所述飞艇平台1上。天线单元结构包括：单层介质基板2、金属贴片3、集总电容4、金属短路柱5和馈电同轴连接器6；其特征在于：

所述金属贴片3由第一金属贴片3.1、第二金属贴片3.2和第三金属贴片3.3组成；所述金属短路柱5包括第一金属短路柱5.1和第二金属短路柱5.2；其中，所述单层介质基板2正面印制有第一金属贴片3.1、第二金属贴片3.2和第三金属贴片3.3；所述集总电容4焊接于所述单层介质基板2正面，且与所述第一金属贴片3.1和第二金属贴片3.2电连接在一起；所述金属短路柱5下接飞艇平台1表面，上端部分位于所述单层介质基板2中，且所述第一金属短路柱5.1上接所述第一金属贴片3.1，所述第二金属短路柱5.2上接所述第三金属贴片3.3；所述馈电同轴连接器6上端部分位于所述单层介质基板2中，且上接第二金属贴片3.2。

对所述飞艇平台1进行全金属结构特征模理论进行分析，在特定频点及一定带宽内得出相应的若干个显著模式的模式电场和模式电流。通过优化算法综合得到辐射电流分布，确定天线单元于所述飞艇平台1表面的放置位置，激励并提取单元电场，根据目标再次综合，得到阵列各天线单元工作的幅度相位并实现线极化。

所述的优化算法采用基于分解的多目标进化算法(MOEA/D)并设置三个优化目标：

目标函数一：从theta角和phi角限定方向图最大指向；

目标函数二：限制主瓣内的交叉极化能量；

目标函数三：为主瓣内的主极化能量与整个球面上的总能量的比值，保证能量尽可能集中在设定范围内。由于多目标优化算法是将各个目标尽量优化至最小值，在第三个目标函数前添加负号。

所述第二金属贴片3.2和第三金属贴片3.3组成耦合线结构，改善阻抗匹配从而增加了带宽。

综上所述，本发明的优点为：

应用特征模理论对天线所在平台进行分析，因为特征模具有独立于激励源，只与电磁结构本身形状、尺寸以及电磁材料特性相关的性质，在物理层面清晰地展现了飞艇平台本身固有的辐射机制，从理论映射到结构避免了大量繁杂的调参优化工作。

在不连续的飞艇平台表面采用共形天线单元设计，单元本身辐射的同时也作为激励结构在平台表面产生电流，以综合特征模得到的辐射电流分布反向进行不规则布阵设计，从而合理使用飞艇平台部分结构作为辐射口径，平台的存在不仅不会使天线辐射特性恶化，反而可以带来有利影响，实现了辐射孔径最大化。

从提高辐射效率、改善阻抗匹配特性等方面要求出发，共形天线单元采用了耦合线结构，实现了相比工作波长较小的天线单元尺寸。

使用了多目标优化算法对模式方向图进行综合，实现了特定方向图的指向和扫描，用以满足特定的通信要求。

对比现有的关于机载平台米波天线的文献与专利，该发明具有共形性好、高增益、低交叉极化、大角度扫描等优点。

附图说明

图1是本发明中飞艇平台的结构示意图。该图所示飞艇平台实际整体尺寸为20.6m×5.68m×8.384m。

图2是本发明中基于特征模理论的飞艇平台米波共形相控阵天线的分布图。天线阵列工作在100MHz，规模为29个天线单元，另一侧天线单元对称分布于平台表面。因考虑实际加工，仿真尺寸进行1:40的缩小，同时工作频率等比提升。

图3是图2中共形相控阵天线单元的立体结构图。该图所示天线单元整体尺寸长为9.7mm-10.9mm，宽为3mm，高为1.6-2.2mm。

图4是图1中飞艇平台特征模分析所得模式1、模式11、模式31和模式61的电流分布与辐射方向图。

图5是图1中飞艇平台在不同扫描角度的特征模综合结果的电流分布与方向图。其中扫描角度为(a)(θ,φ)＝(90°,240°)(b)(θ,φ)＝(90°,255°)(c)(θ,φ)＝(90°,270°)(d)(θ,φ)＝(90°,285°)(e)(θ,φ)＝(90°,300°)

图6是图1中共形相控阵天线单元在4GHz频点附近的反射系数仿真曲线。

图7是图1中共形相控阵天线单元在4GHz频点附近的传输系数仿真曲线。

图8是图1中共形相控阵天线在4GHz频点附近不同扫描角度下的天线效率仿真曲线。

图9是图1中共形相控阵天线在不同扫描角度工作时的仿真辐射方向图。

图中：1、飞艇平台；2、单层介质基板；3、金属贴片；4、集总电容；5、金属短路柱；6、馈电同轴连接器。

具体实施方式

下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行具体描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。

因存在现有工艺在飞艇外包覆金属层阻隔外部环境影响，飞艇模型采用全金属结构，如图1所示，包含有气囊、挂仓、推进装置、尾翼四个部分。对飞艇平台结构在相应频率进行特征模分析，发现有90个显著模式容易被激励。如图4(a)-(d)所示为平台的任意4个显著模式的模式电流及电场。这些模式具有部分定向的特征，然而，单个模式无法满足预期的高指向性的要求，因此需要通过多个模式的加权组合来实现目标方向图。这里采用基于分解的多目标优化算法进行方向图综合，设置目标函数为：

由于多目标优化算法中的目标往往是相互冲突的。当一个目标是最佳的，另一个或一组目标总是不是。因此，结果通常是一组帕累托前沿，其中没有哪一组解完全比另一组更好，对于每个具体的优化目标，其优化程度并不一致。可以同时考虑多个扫描角度下的电流分布，找出具有近似强电流分布的共同解，以放置真实的激励源，通过控制激励结构的幅度和相位，用一组激励源实现多个角度的扫描。得到如图5(a)-(e)所示的综合模式电流及综合方向图，后续根据综合模式电流分布进行天线单元的设计和放置。

如图2所示，一种基于特征模理论的飞艇平台米波共形相控阵天线由29个天线单元和一个飞艇平台1构成。如图3所示的天线单元由单层介质基板2、金属贴片3、集总电容4、金属短路柱5和馈电同轴连接器6构成：

所述金属贴片3由第一金属贴片3.1、第二金属贴片3.2和第三金属贴片3.3组成；所述金属短路柱5包括第一金属短路柱5.1和第二金属短路柱5.2；其中，所述单层介质基板2正面印制有第一金属贴片3.1、第二金属贴片3.2和第三金属贴片3.3；所述集总电容4焊接于所述单层介质基板2正面，且与所述第一金属贴片3.1和第二金属贴片3.2电连接在一起；所述金属短路柱5下接飞艇平台1表面，上端部分位于所述单层介质基板2中，且所述第一金属短路柱5.1上接所述第一金属贴片3.1，所述第二金属短路柱5.2上接所述第三金属贴片3.3；所述馈电同轴连接器6上端部分位于所述单层介质基板2中，且上接第二金属贴片3.2。

输入信号通过馈电同轴连接器6向天线辐射体馈电，金属贴片3和金属短路柱5参与辐射的同时，将激励相应的飞艇平台1的部分结构作为米波共形相控阵系统的辐射孔径。

图6所示为共形相控阵天线单元的反射系数，其中心频率为4GHz。如图7所示为共形相控阵天线单元的传输系数，可以看出在整个频段天线之间的端口隔离度大于10dB。如图8所示为共形相控阵天线的效率，可见在各个扫描角度下均大于85％。图9(a)-(e)分别为共形相控阵天线在不同扫描角下的辐射方向图，平台单侧的扫描角度范围为240-300°，由于结构对称，可实现的扫描角度共120°，可实现增益皆大于10dB，远大于传统的低频机载天线。

以上描述和实施方式，仅为本发明的部分优选实例，不对本发明构成任何限制，对于本领域的专业人员来说，本申请可以有各种更改和变化，但是基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于特征模理论的飞艇平台米波共形相控阵天线，其特征在于，包括29个天线单元和一个飞艇平台（1），且所有天线单元连接于所述飞艇平台（1）上；天线单元不规则排布于包括尾翼、气囊、挂仓和推进器不同结构上，且分布不在同一水平面上；具体位置参考对所述飞艇平台（1）进行特征模综合得到的辐射电流分布，结合平台本身结构分析后确定；天线单元结构包括：单层介质基板（2）、金属贴片（3）、集总电容（4）、金属短路柱（5）和馈电同轴连接器（6）；其特征在于：所述金属贴片（3）由第一金属贴片（3.1）、第二金属贴片（3.2）和第三金属贴片（3.3）组成；所述金属短路柱（5）包括第一金属短路柱（5.1）和第二金属短路柱（5.2）；其中，所述单层介质基板（2）正面印制有第一金属贴片（3.1）、第二金属贴片（3.2）和第三金属贴片（3.3）；所述集总电容（4）焊接于所述单层介质基板（2）正面，且与所述第一金属贴片（3.1）和第二金属贴片（3.2）电连接在一起；所述金属短路柱（5）下接飞艇平台（1）表面，上端部分位于所述单层介质基板（2）中，且所述第一金属短路柱（5.1）上接所述第一金属贴片（3.1），所述第二金属短路柱（5.2）上接所述第三金属贴片（3.3）；所述馈电同轴连接器（6）上端部分位于所述单层介质基板（2）中，且上接第二金属贴片（3.2）。

2.根据权利要求1所述的基于特征模理论的飞艇平台米波共形相控阵天线，其特征在于：输入信号通过馈电同轴连接器（6）向天线辐射体馈电，同轴线内导体与所述馈电同轴连接器（6）焊接，外导体接地于飞艇平台（1）。

3.根据权利要求1或2所述的基于特征模理论的飞艇平台米波共形相控阵天线，其特征在于：采用了一种分析方法对设计进行指导，基于平台结构的特征模，采用多目标优化算法满足目标方向图并获得获得扫描能力和高增益，主要包括下列步骤：

步骤1：获取天线的载体平台结构并进行网格剖分，确定需要的目标方向图和天线性能；

步骤2：依据需求对平台结构在相应频率进行特征模分析；

步骤3：通常情况下步骤2分析得到的显著模式无法满足需求，则需采用多目标优化算法，通过多个模式的加权组合综合出目标方向图，结果是一组帕累托前沿可根据需求进行选择；

步骤4：设计所述的天线单元作为激励结构，并依据步骤3的选择结果确定激励结构的位置；

步骤5：激励并提取单元电场，根据目标方向图再次综合，得到阵列各天线单元工作的幅度相位并实现线极化和波束扫描。

4.根据权利要求1所述的基于特征模理论的飞艇平台米波共形相控阵天线，其特征在于：对于所述飞艇平台（1）不同位置的天线单元，所述单层介质基板（2）的厚度为0.508mm，宽为3mm，长为9.7mm-10.9mm；所述集总电容（4）为0.5或0.6pf；所述金属短路柱（5）长为1.608mm-2.308mm。

5.根据权利要求1所述的基于特征模理论的飞艇平台米波共形相控阵天线，其特征在于：所述第二金属贴片（3.2）和第三金属贴片（3.3）组成耦合线结构。

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