CN115173062A - 一种高增益高隔离小型化机载北斗抗干扰阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及天线技术领域，进一步地涉及一种高增益高隔离小型化机载北斗抗干扰阵列天线，以解决现有技术中存在现有的天线性能、整体尺寸不利于机载小型化使用的问题，包括四个阵元，阵元包括第一臂体、第二臂体、第三臂体和第四臂体，第一臂体、第二臂体、第三臂体和第四臂体以旋转对称的方式设置于陶瓷圆柱上；阵元还包括交叉设置的第一去耦构件和第二去耦构件；第一去耦构件的一端与第一臂体的下端点连接，第一去耦构件的另一端与第三臂体的下端点连接；第二去耦构件的一端与第二臂体的下端点连接，第二去耦构件的另一端与第四臂体的下端点连接。本方案提供的天线实现了φ120mm的机载小型化4阵元B3抗干扰阵列。

Description

一种高增益高隔离小型化机载北斗抗干扰阵列天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，进一步地涉及一种高增益高隔离小型化机载北斗抗干扰阵列天线。
背景技术
北斗抗干扰阵列天线阵列性能依赖于阵元的辐射特性和阵元间耦合特性。为了提高抗干扰阵列整体性能，一般要求阵元具有增益高、阵元间隔离度高的特性，而现有的抗干扰阵列天线阵元多采用高介电常数基板的微带天线设计方案，申请号为CN201110266861.0的专利公开了一种小型化多单元抗干扰北斗天线阵列。申请号为CN201510724421.3的专利公开了一种抗干扰微带阵列天线，现有的类似天线均是阵列天线印刷在高介电常数的陶瓷板材上，天线相邻阵元之间的间距通常设置在0.5倍自由空间工作波长，通过空间隔离方式，提高阵元间隔离度。因此，对于4阵元B3干扰阵列天线，其口径大于φ167mm。
现有的抗干扰阵列天线阵元多采用微带天线设计，其高介电常数使得天线单元有效口面较小，天线增益较低、带宽窄、调试困难，且造成天线阵列增益低，且微带天线波束宽度窄，不利于抗干扰阵列波束赋形，影响抗干扰阵列性能；
现有技术采用空间隔离方式，提高天线阵元间的隔离度，通常阵元间尺寸选为0.5倍自由空间波长，间距减小，阵元间隔离度降低，阵元增益和辐射方向图均会受到影响，从而影响阵列抗干扰性能，因此，0.5倍自由空间波长间距尺寸严重限制了阵列天线整体尺寸，不利于机载小型化使用。
发明内容
为解决现有技术中存在现有的天线整体尺寸不利于机载小型化使用的问题，本发明提供了一种高增益高隔离小型化机载北斗抗干扰阵列天线，包括四个阵元；
所述阵元包括第一臂体、第二臂体、第三臂体和第四臂体，所述第一臂体、所述第二臂体、所述第三臂体和所述第四臂体以旋转对称的方式设置于陶瓷圆柱上，各个臂体均折叠设置形成以上下的方位布置的上端点和下端点；
所述阵元还包括交叉设置的第一去耦构件和第二去耦构件；
所述第一去耦构件的一端与所述第一臂体的下端点连接，所述第一去耦构件的另一端与所述第三臂体的下端点连接；
所述第二去耦构件的一端与所述第二臂体的下端点连接，所述第二去耦构件的另一端与所述第四臂体的下端点连接。
更进一步地，
所述第一臂体、所述第二臂体、所述第三臂体和所述第四臂体均设置为薄壁结构，
所述第一去耦构件和所述第二去耦构件的两端均设置有连接端子，所述连接端子设置有缺口，各个所述臂体的下端点均卡接于各自的所述缺口。
更进一步地，
所述第一去耦构件和所述第二去耦构件均包括主体和位于所述主体两端的两个端子，位于所述主体两端的两个端子的凸出方向相反，并且，位于所述主体两端的两个端子的缺口的开口方向相反。
更进一步地，
所述第一去耦构件和所述第二去耦构件均采用了LC去耦技术。
更进一步地，
所述阵元工作在B3频点。
更进一步地，
所述陶瓷圆柱的介电常数20，直径20mm，高度25mm。
更进一步地，
相邻阵元间距小于0.3λ，λ为自由空间波长。
天线阵列尺寸为φ120mm。
更进一步地，
相邻的所述阵元之间设置有亚波长周期排列的超材料隔离单元。
更进一步地，
所述隔离单元印刷在介电常数为30，厚度为6mm的陶瓷基板。
更进一步地，
所述隔离单元在空间上以上下两层的方式布局。
技术效果
1、极大减小了相邻阵元间距，使其间距小于0.3λ，从而减小了抗干扰阵列天线尺寸，4阵元B3抗干扰阵列天线尺寸缩小到φ120mm，与常规4阵元抗干扰阵列相比，口径缩小了30%，适用于机载导航抗干扰设备。
2、亚波长超材料结构提高阵元间隔离度，实现了阵元间距小于0.3λ高隔离、小型化抗干扰阵列设计，阵元间端口隔离度大于22dB，实现了φ120mm的机载小型化4阵元B3抗干扰阵列。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为高增益高隔离小型化机载北斗抗干扰阵列天线的整体结构示意图；
图2为高增益高隔离小型化机载北斗抗干扰阵列天线中的阵元的整体结构示意图；
图3为高增益高隔离小型化机载北斗抗干扰阵列天线中的阵元的正视图；
图4为阵元的第一去耦构件和第二去耦构件的结构示意图；
图5为右旋圆极化辐射方向图；
图6为未去耦和去耦两种情形下的隔离度对比图；
图7为加超材料单元和未加超材料单元两种情形下的隔离度对比图；
图8为未去耦和去耦两种情形下的端口回波特性图；
图9为四臂去耦前电流分布图；
图10为四臂去耦后的电流分布图。
附图标记：100-阵元；110-第一臂体；120-第二臂体；130-第三臂体；140-第四臂体；a-上端点；b-下端点；150-第一去耦构件；160-第二去耦构件；200-超构单元。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本-发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本-发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本-发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本-发明中的具体含义。
图1为高增益高隔离小型化机载北斗抗干扰阵列天线的整体结构示意图；图2为高增益高隔离小型化机载北斗抗干扰阵列天线中的阵元的整体结构示意图；图3为高增益高隔离小型化机载北斗抗干扰阵列天线中的阵元的正视图；图4为阵元的第一去耦构件和第二去耦构件的结构示意图；图5为右旋圆极化辐射方向图；图6为未去耦和去耦两种情形下的隔离度对比图；图7为加超材料单元和未加超材料单元两种情形下的隔离度对比图；图8为未去耦和去耦两种情形下的端口回波特性图；图9为四臂去耦前电流分布图；图10为四臂去耦后的电流分布图。
本实施例提供了一种高增益高隔离小型化机载北斗抗干扰阵列天线，该天线包括四个阵元100；
阵元100包括第一臂体110、第二臂体120、第三臂体130和第四臂体140，第一臂体110、第二臂体120、第三臂体130和第四臂体140以旋转对称的方式设置于陶瓷圆柱上，各个臂体均折叠设置形成以上下的方位布置的上端点a和下端点b。
关于第一臂体110、第二臂体120、第三臂体130和第四臂体140的形状和结构，请参照图2和图3。
较为优选地，第一臂体110、第二臂体120、第三臂体130和第四臂体140均设置为薄壁结构，且各个臂体均设置为弯折结构，本实施例中优选设置为经过两次弯折的结构，其下端点b朝下，上端点a朝上，形成有两个弯折点，并且整体具有螺旋趋势，四个壁体以旋转对称的方式设置于陶瓷圆柱体上。
阵元100还包括交叉设置的第一去耦构件150和第二去耦构件160；
第一去耦构件150的一端与第一臂体110的下端点b连接，第一去耦构件150的另一端与第三臂体130的下端点b连接；
第二去耦构件160的一端与第二臂体120的下端点b连接，第二去耦构件160的另一端与第四臂体140的下端点b连接。
第一去耦构件150和第二去耦构件160的两端均设置有连接端子，连接端子设置有缺口，各个臂体的下端点b均卡接于各自的缺口。
第一去耦构件150和第二去耦构件160均包括主体和位于主体两端的两个端子，位于主体两端的两个端子的凸出方向相反，并且，位于主体两端的两个端子的缺口的开口方向相反。
采用对称臂LC去耦技术，提高了螺旋臂之间的隔离度，且极大的改善了天线端口匹配性能，具体请参见图6，图6为未去耦和采用去耦技术之后的天线隔离度图，其中，1.268GHZ附近，隔离度由-5 dB提升至-11dB。
本实施例中的阵元100工作在B3频点。
本实施例中的陶瓷圆柱的介电常数20，直径20mm，高度25mm。
本实施例中的相邻阵元100间距小于0.3λ，λ为自由空间波长。
本实施例提供的高增益高隔离小型化机载北斗抗干扰阵列天线提高了端口匹配性能，极大地提高了增益，解决了小型化四臂螺旋天线增益低、辐射效率低的技术难题，增益大于2.5dBic，并且四臂螺旋天线波束宽，有利于抗干扰波束赋形。
请参见图6 图6为未去耦和采用去耦技术之后的天线隔离度图，其中，1.268GHZ附近，隔离度由-5 dB提升至-11dB
请参见图8，图8为未去耦和采用去耦技术之后的端口回波示意图，其中，在1.268GHz附近，端口回波由-1dB提升至-20dB。
请参见图9和图10，图9为四臂去耦前电流分布图，图10为四臂去耦后电流分布图，去耦前，阵子远端电流密度低，不能有效辐射，去耦后，阵子远端电流密度强，可以有效辐射。
需要说明的是，以上的数据均采集的对象为相邻阵元100间距小于0.3λ，λ为自由空间波长，尺寸为φ120mm的天线。
本实施例的可选方案中，更进一步地，
相邻的阵元100之间设置有由亚波长周期排列的超材料隔离单元。
隔离单元印刷在介电常数为30，厚度为6mm的陶瓷基板。
隔离单元在空间上以上下两层的方式布局，当然也可以以其他形式布局，比如上下三层的方式布局、左右布局等均在本申请请求保护的范围之内。
超材料单元可以降低阵元间空间耦合，隔离度从-15dB提升至-22dB，隔离度提高7dB。
综上，本实施例可以实现如下技术效果：
1、极大减小了相邻阵元100间距，使其间距小于0.3λ，从而减小了抗干扰阵列天线尺寸，4阵元100B3抗干扰阵列天线尺寸缩小到φ120mm，与常规4阵元100抗干扰阵列相比，口径缩小了30%，适用于机载导航抗干扰设备。
2、亚波长超材料结构提高阵元100间隔离度，实现了阵元100间距小于0.3λ高隔离、小型化抗干扰阵列设计，阵元100间端口隔离度大于22dB，实现了φ120mm的机载小型化4阵元100B3抗干扰阵列。
实施例二
本实施例提供了一种通信系统，该通信系统包括实施例一述及的高增益高隔离小型化机载北斗抗干扰阵列天线，因此具备上述天线的一切有益效果，为了节约篇幅，在此不再赘述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案。

Claims (10)

1.一种高增益高隔离小型化机载北斗抗干扰阵列天线，其特征在于：包括四个阵元；
所述阵元包括第一臂体、第二臂体、第三臂体和第四臂体，所述第一臂体、所述第二臂体、所述第三臂体和所述第四臂体以旋转对称的方式设置于陶瓷圆柱上，各个臂体均折叠设置形成以上下的方位布置的上端点和下端点；
所述阵元还包括交叉设置的第一去耦构件和第二去耦构件；
所述第一去耦构件的一端与所述第一臂体的下端点连接，所述第一去耦构件的另一端与所述第三臂体的下端点连接；
所述第二去耦构件的一端与所述第二臂体的下端点连接，所述第二去耦构件的另一端与所述第四臂体的下端点连接。
2.根据权利要求1所述的高增益高隔离小型化机载北斗抗干扰阵列天线，其特征在于：
所述第一臂体、所述第二臂体、所述第三臂体和所述第四臂体均设置为薄壁结构，
所述第一去耦构件和所述第二去耦构件的两端均设置有连接端子，所述连接端子设置有缺口，各个所述臂体的下端点均卡接于各自的所述缺口。
3.根据权利要求2所述的高增益高隔离小型化机载北斗抗干扰阵列天线，其特征在于：
所述第一去耦构件和所述第二去耦构件均包括主体和位于所述主体两端的两个端子，位于所述主体两端的两个端子的凸出方向相反，并且，位于所述主体两端的两个端子的缺口的开口方向相反。
4.根据权利要求3所述的高增益高隔离小型化机载北斗抗干扰阵列天线，其特征在于：
所述第一去耦构件和所述第二去耦构件均采用了LC去耦技术。
5.根据权利要求4所述的高增益高隔离小型化机载北斗抗干扰阵列天线，其特征在于：
所述阵元工作在B3频点。
6.根据权利要求5所述的高增益高隔离小型化机载北斗抗干扰阵列天线，其特征在于：
所述陶瓷圆柱的介电常数20，直径20mm，高度25mm。
7.根据权利要求6所述的高增益高隔离小型化机载北斗抗干扰阵列天线，其特征在于：
相邻阵元间距小于0.3λ，λ为自由空间波长；天线阵列尺寸为φ120mm。
8.根据权利要求7所述的高增益高隔离小型化机载北斗抗干扰阵列天线，其特征在于：
相邻的所述阵元之间设置有亚波长周期排列的超材料隔离单元。
9.根据权利要求7所述的高增益高隔离小型化机载北斗抗干扰阵列天线，其特征在于：
所述隔离单元印刷在介电常数为30，厚度为6mm的陶瓷基板。
10.根据权利要求8所述的高增益高隔离小型化机载北斗抗干扰阵列天线，其特征在于：
所述隔离单元在空间上以上下两层的方式布局。
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