CN114566798A - 低剖面双极化强耦合超宽带全机翼共形偶极子相控阵天线 - Google Patents

低剖面双极化强耦合超宽带全机翼共形偶极子相控阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低剖面双极化强耦合超宽带全机翼共形偶极子相控阵天线，包括：两层轻薄易弯折的上层介质基板和下层介质基板，打印于所述下层介质基板的十字交叉三角形的偶极子辐射单元，打印于偶极子辐射单元背面的三角形金属寄生贴片；打印于所述下层介质基板的周期分布的双开口金属谐振环，中部弯曲成抛物面形状的铝制金属地板，直插于偶极子天线辐射单元和地板之间的天线馈电巴伦；本发明在长0.33个低频波长，宽0.16个低频波长，高0.24倍低频波长为周期的抛物线表面内布置了每个极化方式4个、共8个辐射单元，在五个倍频内实现了较高的增益和较为理想的方向图。

Description

低剖面双极化强耦合超宽带全机翼共形偶极子相控阵天线
技术领域
本发明属于天线工程技术、无限通信技术领域，具体涉及一种基于强互耦效应的超宽带低剖面宽角扫描全机翼共形相控阵天线。
背景技术
随着现代军事技术的日渐发展，雷达电子系统的设计需求越来越复杂多样，例如快速多变的波束指向，高精度波束扫描能力等。在这种前提下，传统的机械扫描相控阵显然无法满足这种波束指向快速切换的需求，而通过改变各天线单元馈电相位来实现波束指向变化的相控阵天线，是雷达探测技术实现的关键部分。现代军事系统往往要求相控阵天线实现远距离高分辨率成像，信息高速传输和稳定的干扰及抗干扰能力。因此能够工作在多个倍频的超宽带相控阵天线，正成为天线研究领域的热点之一。
传统的超宽带相控阵设计，是从孤立的天线单元出发，忽略阵列单元之间的耦合，先设计出单个的具有超宽带工作特性的天线单元，再将其在阵列环境下组阵。这种超宽带天线单元设计，往往选取的是非频变天线结构，具有较大的物理尺寸，在组阵时，为了减小单元之间的耦合给阵列工作带宽带来的影响，通常需要在一定程度上增大阵元间距。然而考虑到栅瓣抑制条件的限制，大单元间距将带来大扫描角度下栅瓣的出现，从而限制了天线宽角扫描能力。这类传统超宽带相控阵，往往都具有体积大，结构复杂，难以共形等缺陷。而强互耦相控阵天线利用单元之间的耦合效应形成连续电流，以拓展天线的低频工作带宽，增大天线波束扫描范围。近年来的研究表明，强互耦超宽带相控阵具有单元小型化，剖面较低，整体平面结构和散射较低等优势，和传统天线阵相比，其在低散射载体平台和高速飞行器上的应用前景更加广阔。
随着现代通信的发展，通信设备集成度越来越高，工作频带要求越来越宽，天线也面临着更加严峻的考验。在飞行载体平台上，高速移动载体需要安装的不同通信功能的天线已经达到数十个，尤其是军用机载平台，导航、通信、火控等功能都要求性能稳定的天线来支撑，而载体空间有限的情况下，许多天线采用外露式，影响机体气动性能，过多的天线也可能在装配位置上发生冲突。对于上述情况，共形天线有着独特的优势。共形天线剖面低，可以与各种形式的载体共形设计并成为其表面结构的一部分，对飞行器气动性能不产生影响；与机体曲面相配合，更容易形成波束的全向覆盖；在充分利用空间的同时雷达散射截面(RCS) 更小等等。现今已经成为机载天线的一个重要发展趋势。
2016年一篇发表在IEEE上的文章“Broadband Antenna Array Aperture Made ofTightly Couple Printed Dipoles”提出了一种基于强耦合效应的共口径相控阵天线，该天线在5个倍频程内在偶极子E面实现了60°扫描，且驻波在3以下。但该天线的馈电结构与偶极子均竖直放置，这极大的增加了天线的剖面高度，且天线单元并没有使用与载体外形相符的共形设计，其仅仅是在馈电布局上与载体外形契合，因此并不是完全意义上的共形相控天线阵。
在专利号为CN110085975A的中国专利中，发明人提出了一种基于强耦合效应的机翼载低散射超宽带共形相控阵，它在五个倍频内实现了组阵方向的±45°扫描。但是该天线一个周期内只布置了两个辐射单元，整体增益较低，且只能实现单线极化辐射，应用场合受到了较大限制。
在专利号为CN112038753A的中国专利中，发明人提出了一款薄型机翼共形双极化强耦合超宽带偶极子相控阵，该天线阵采用了十字交叉型的偶极子辐射单元实现了双极化，但是该天线的辐射单元只分布于机翼的一面，在实际应用中天线波束无法覆盖机翼另一面所在的半空间，存在一定的局限性。
综上所述，针对越来越趋于功能高度集成化，复杂化的电子系统，以及在飞行载体的狭窄空间内安装具有强大探测能力的天线的需求，展开具有新结构的宽带宽角扫描的机翼共形相控阵天线研究具有非常重要的实际工程意义。基于以上应用需求，本发明提出一种基于强耦合效应的全机翼超宽带共形相控阵天线。
发明内容
本发明针对上述问题，提出一种全机翼低剖面双极化强耦合超宽带共形偶极子相控阵天线，该天线使用轻薄介质板作为印刷天线的载体，配合下方的特殊金属铝制地板，在长0.33个低频波长，宽0.16个低频波长，高0.24倍低频波长为周期的抛物线表面内布置了每个极化方式4个、共8个辐射单元，实现了较高的增益和较为理想的方向图。
为了实现该目的，本发明采用下述技术方案：一种低剖面双极化强耦合超宽带全机翼共形偶极子相控阵天线，包括：两层轻薄易弯折的上层介质基板和下层介质基板，打印于所述下层介质基板的十字交叉三角形的偶极子辐射单元，打印于偶极子辐射单元背面的三角形金属寄生贴片；打印于所述下层介质基板的周期分布的双开口金属谐振环，中部弯曲成抛物面形状的铝制金属地板，直插于偶极子辐射单元和地板之间的天线馈电巴伦。
作为优选，全局共形化的天线结构，为了尽量贴合共形表面，所述上层介质基板和下层介质基板呈抛物线形曲面结构，且上层介质基板和下层介质基板的系数不同。
针对机翼表面这种弯折形状，本发明设计了一种抛物线型的天线单元，抛物线在机翼上下两面采用不同的曲线参数，以保证天线尽量贴合机翼表面，最大限度利用机翼内部空间。但这同时也导致了天线上下形状的不对称，容易造成阻抗特性的恶化。为了消除这种影响，设计了一种特殊的金属地板，这种地板在兼顾传统天线地板反射辐射能量、增加天线定向性的功能的同时，还保证了天线到地板的垂直距离基本不变，实现了较好的阻抗特性，也简化了天线巴伦的设计。 Marchand巴伦插于天线辐射单元和金属地板之间。由于共形天线辐射单元和地板均为弯曲形状，巴伦不适合平行机翼剖面放置，因此两个极化方式的天线巴伦都垂直机翼剖面放置，其中垂直极化的巴伦在顶部使用金属过孔将一侧馈电金属带引至巴伦另一面，实现了与垂直极化的偶极子天线两臂分别接触。另外受天线单元与地板之间有限空间的限制，不得不将巴伦倾斜放置，这势必增加了巴伦对天线性能的影响。本发明改进了馈电巴伦设计，首先对平衡段采用慢波结构，有效压缩了巴伦物理长度，使其完全适应天线单元与地板之间的物理空间，每一个馈电巴伦都保持与阵元垂直，减小巴伦与阵元之间的耦合；其次是去除了平衡段中的介质材料，增大了平衡段的特性阻抗，增加的巴伦的频带宽度。天线辐射单元为偶极子，两臂形状为近似三角形，两个极化的辐射单元正交放置，偶极子尾部通过十字交叉增加耦合。辐射单元打印在轻薄易弯折的介质基板上，基板另一面在十字交叉处打印三角形金属寄生贴片，以增强偶极子间的耦合。辐射单元上部紧密覆盖另一层轻薄介质基板，该层基板上打印有周期结构的双开口金属环，两者组成超材料宽角阻抗匹配层，进一步增加了天线的工作带宽。
综上所述，本天线设计具有以下创新：一、设计了一款紧密贴合于机翼表面的全机翼共形超宽带强耦合相控阵天线，该天线辐射单元打印于轻薄介质基板上，布置在机翼的上下两面，实现了更大的扫描角度和更高的增益，增强阵列整体性能和灵活性，同时进一步实现了天线系统的小型化；二、设计了一款与全机翼共形天线配套使用的金属地板，在具备天线地板的基本功能的同时避免了因辐射单元形状的改变而对天线性能造成严重影响。三、采了基于强耦合效应的十字交叉三角形偶极子作为天线辐射单元，并在介质基板背面打印三角形金属寄生贴片以增加电容耦合，帮助实现了超宽带的阻抗特性。四、改进了馈电巴伦，使其能适应更低的剖面，同时减少了巴伦与天线间的耦合。
本发明具有的有益效果为：提出一款基于强耦合效应的全机翼共形超宽带宽角扫描低剖面双极化相控阵天线。该天线剖面高度约为0.33个高频波长，在五个倍频内实现俯仰面±45°扫描。
附图说明
图1为所提供的强耦合超宽带宽角扫描低剖面共形相控阵单元示意图。其中，100为铝制金属地板，101为天线馈电巴伦，102为十字交叉三角形偶极子辐射单元，103为十字交叉结构正下方放置的三角形金属寄生贴片，104为打印偶极子和三角形金属寄生贴片的介质基板，105为打印双开口金属谐振环的介质基板，106为双开口金属谐振环；
图2为图1单元组成的1×10的一维线阵；
图3为馈电垂直极化端口沿组阵方向扫描0°和45°时典型端口的有源驻波比；
图4为馈电水平极化端口沿组阵方向扫描0°和45°时典型端口的有源驻波比；
图5为馈电垂直极化端口时，在5fl时，沿组阵方向扫描0°和45°的天线方向图；
图6为馈电垂直极化端口时，在3fl时，沿组阵方向扫描0°和45°的天线方向图；
图7为馈电垂直极化端口时，在fl时，沿组阵方向扫描0°和45°的天线方向图；
图8为馈电水平极化端口时，在5fl时，沿组阵方向扫描0°和45°的天线方向图；
图9为馈电水平极化端口时，在3fl时，沿组阵方向扫描0°和45°的天线方向图；
图10为馈电水平极化端口时，在fl时，沿组阵方向扫描0°和45°的天线方向图；
图11为天线在fl-5fl频带内，天线侧射时，馈电水平极化端口主极化与交叉极化增益对比图；
图12为天线在fl-5fl频带内，天线侧射时，馈电垂直极化端口主极化与交叉极化增益对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步的详细描述。
本实施例的强耦合超宽带宽角扫描低剖面全机翼共形偶极子相控阵天线采用1×10的线阵形式，如图2所示。其基本天线单元如图1所示。最上方为两层轻薄介质基板104和105，弯折成抛物线形状。上层介质基板105打印有双开口金属谐振环。下层介质基板104上表面打印正交放置的双极化三角形偶极子辐射单元102，偶极子正下方是三角形金属寄生贴片103。最下层铝制金属地板100 专为抛物线形天线曲面设计，在保证天线到金属地板的距离基本不变的同时，反射天线向后辐射的能量，增加天线的增益和定向性。馈电巴伦101直插于三角形偶极子辐射单元102和金属地板100之间。金属地板100在特定位置开槽、打孔，馈电巴伦101底部置于槽内并与金属地板100使用螺栓连接，顶部与三角形偶极子辐射单元102焊接，保证了结构的机械强度。具体的，将基本天线单元向沿机翼方向横向延伸，即可构成任意大小的平面阵列。图2为由该天线单元构成的1 ×10维阵列。其他结构与图1中详细描述的相同。
图3和图4分别给出了本发明中所述基本天线单元在不同扫描角度下沿组阵方向电压驻波比随频率变化的仿真结果。从中可以看出，在组阵方向±45°扫描范围内，实现了五个倍频内电压驻波比小于3。达成了天线的宽带宽角扫描。
图5给出天线在5fl时，馈电垂直极化端口扫描组阵方向0°、45°时的辐射方向图。从图中可见，本实施例的相控阵天线馈电垂直极化端口在5fl时具有良好的交叉极化特性，且扫描过程中没有较大的增益损失。
图6给出天线在3fl时，馈电水平极化端口扫描组阵方向0°、45°时的辐射方向图。从图中可见，本实施例的相控阵天线馈电水平极化端口在3fl时具有优良的交叉极化特性，且扫描过程中没有较大的增益损失。
图7给出天线在fl时，馈电垂直极化端口扫描组阵方向0°、45°时的辐射方向图。从图中可见，本实施例的相控阵天线馈电垂直极化端口在fl时具有优良的交叉极化特性，且扫描过程中没有较大的增益损失。
图8给出天线在5fl时，馈电水平极化端口扫描组阵方向0°、45°时的辐射方向图。从图中可见，本实施例的相控阵天线馈电水平极化端口在5fl时具有良好的交叉极化特性，且扫描过程中没有较大的增益损失。
图9给出天线在3fl时，馈电垂直极化端口扫描组阵方向0°、45°时的辐射方向图。从图中可见，本实施例的相控阵天线馈电垂直极化端口在3fl时具有优良的交叉极化特性，且扫描过程中没有较大的增益损失。
图10给出天线在fl时，馈电水平极化端口扫描组阵方向0°、45°时的辐射方向图。从图中可见，本实施例的相控阵天线馈电水平极化端口在fl时具有优良的交叉极化特性，且扫描过程中没有较大的增益损失。
图11为在fl-5fl频带内，馈电水平极化端口，天线阵列在组阵方向扫描0°时，主极化与交叉极化增益对比图。可以看出，本实施例低频时交叉极化特性有些许恶化(大于10dB小于20dB)，其他频段交叉极化特性良好(大于20dB)。
图12为在fl-5fl频带内，馈电垂直极化端口，天线阵列在组阵方向扫描0°时，主极化与交叉极化增益对比图。可以看出，本实施例低频时交叉极化特性有些许恶化(大于10dB小于20dB)，其他频段交叉极化特性良好(大于20dB)。

Claims (2)

1.一种低剖面双极化强耦合超宽带全机翼共形偶极子相控阵天线，其特征在于，包括：两层轻薄易弯折的上层介质基板和下层介质基板，打印于所述下层介质基板的十字交叉三角形的偶极子辐射单元，打印于偶极子辐射单元背面的三角形金属寄生贴片；打印于所述下层介质基板的周期分布的双开口金属谐振环，中部弯曲成抛物面形状的铝制金属地板，直插于偶极子辐射单元和地板之间的天线馈电巴伦。
2.根据权利要求1所述的低剖面双极化强耦合超宽带全机翼共形偶极子相控阵天线，其特征在于，全局共形化的天线结构，为了尽量贴合共形表面，所述上层介质基板和下层介质基板呈抛物线形曲面结构，且上层介质基板和下层介质基板的系数不同。
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