CN116666973A - 一种铁氧体ebg加载埋腔型紧耦合超宽带阵列天线 - Google Patents

一种铁氧体ebg加载埋腔型紧耦合超宽带阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铁氧体EBG加载埋腔型紧耦合超宽带阵列天线，以与紧耦合电偶极子相对偶的槽天线作为阵列单元，在六边形腔体内壁加载铁氧体电磁带隙结构，实现低剖面以布置于腔体内，并改善有源驻波。采用双曲微带巴伦，在宽带范围内解决平衡馈电。本发明首次提出VHF/UHF频段机载全向与可切换多波束一体化天线。阵列共6单元，可切换工作单元实现更改最大增益方向，当6单元等幅同相馈电时方向图接近水平全向；单独对相邻2单元馈电实现特定方向波束。本发明6单元等幅同相馈电时在fL‑4fL频段内有源驻波小于3，相邻2单元等幅同相馈电时在fL‑5fL频段内(除个别频点外)有源驻波小于3。剖面高度为0.095低频波长，腔体最大直径为0.5低频波长，腔体侧壁倾斜20°。

Description

一种铁氧体EBG加载埋腔型紧耦合超宽带阵列天线
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，涉及到一种铁氧体EBG加载埋腔型紧耦合超宽带阵列天线，具体来说是一种由紧耦合槽天线相连成环构成的，可整体埋入金属腔体的，腔体内加载铁氧体材料与人工电磁带隙结构的，可切换最大辐射方向的应用于机载平台的天线阵列。
背景技术
现代机载通信系统离不开天线，传统用于机载VHF/UHF频段的天线主要有线天线和马刀天线，这两种类型天线由于外形凸起，对飞机的空气动力学影响很大。未来良好性能的机载天线应该包含以下几种特点：第一，波束覆盖范围大且扫描盲区小；第二，天线应减小对飞行器空气动力学性能的影响，包括体积、重量、形状等因素；第三，天线工作带宽大，尽可能用同一副天线实现更多应用功能。由此可见，机载天线的设计实际上需要综合多方面考虑，追求现有技术下天线的极致性能
针对以上提出的设计特点，目前机载埋腔天线主要的解决方式有：1)单极子天线及其变形埋腔；2)Vivaldi天线阵列埋腔；3)强耦合阵列埋腔。单极子天线由于应用了镜像原理，天线的剖面高度可以大大降低，以实现垂直极化埋腔，但单极子产生的辐射方向图较为固定，无法根据应用需要切换波束。Vivaldi天线阵列可以做到小尺寸大带宽，同时利于相控阵，但提供的是电场水平极化。强耦合阵列基于天线单元间的强互耦效应，可以做到小型化宽频带，但传统的电偶极子强耦合阵列仍是水平极化。实际工程设计之中，对于独立于腔体之外的全向天线设计取得了很多良好的结果，但一旦放入腔体之中天线性能会剧烈恶化，因此必须从设计开始就考虑腔体效应带来的影响。
2016年，文献“Cavity-backed Vivaldi array antenna”报道了一种Vivaldi埋腔阵列，实现了在2～7GHz带宽上4dB增益，且腔体的横向尺寸较小利于小型化安装，但并未实现垂直极化水平全向的辐射波束。2020年，文献“Compact Cavity-Backed Discone Arrayfor Conformal Omnidirectional Antenna Applications”提出一种基于盘锥阵列的全向埋腔型天线，其腔体直径为0.69个低频波长，腔体深度为0.19个低频波长。但其工作带宽较窄，只有960MHz～1215MHz的23％相对带宽，同时无法切换工作波束。文献“一种低剖面宽带垂直极化全向天线设计”提出了一种中心馈电的圆形贴片外加载耦合圆环结构的垂直极化全向天线，该天线剖面极低只有0.032低频波长，但工作带宽仍很窄，仅为5.43GHz～6.61GHz的17.6％，且并没有做埋腔分析。
在专利108631069A中，发明人提出了一种可整体埋腔的超宽带垂直极化端射式相控阵。这一发明可在相对带宽大于100％的工作频段内，实现具有波束指向为端射的远场方向，剖面高度仅为0.051个低频波长，但是没有实现全向辐射，扫描只能到方位面45°。在专利114865293A中，发明人提出了一种匹配电路加载埋腔型超宽带水平全向天线，通过采用变形的环形天线，即不同尺寸的圆环和圆形辐射贴片，分别主要负责在高频和低频时进行辐射，将垂直极化水平全向的工作带宽拓展到了4:1，并且剖面高度仅有0.055个低频波长，腔体最大直径为0.33个低频波长。不足之处在于固定波束，无法切换最大辐射方向。
因此对于机载埋腔型天线，已发表的文献和专利主要缺陷在于：一是辐射方向图难以实现垂直极化水平全向；二是工作带宽较窄；三是天线辐射性能受腔体影响较大；四是不具有扫描特性。针对以上不足，本发明公开了一种铁氧体EBG加载埋腔型紧耦合超宽带阵列天线。
发明内容
本发明基于以上技术背景，提出了一种工作于VHF/UHF频段的铁氧体EBG加载埋腔型紧耦合超宽带阵列天线，解决了低频机载埋腔天线在fL-4fL宽频带内实现垂直极化水平全向方向图的难题，并在fL-5fL宽带内具有切换波束的扫描特性。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种铁氧体EBG加载埋腔型紧耦合超宽带阵列天线，包括蝶形开槽金属辐射贴片、金属外延板、叉指金属贴片电感、连接辐射贴片与侧壁的双曲微带巴伦、网孔铁氧体地板、正方蘑菇型电磁带隙结构、六边蘑菇型电磁带隙结构、倒置六边棱台金属腔体；所述蝶形开槽金属辐射贴片各与腔体侧壁成18°倾斜相连成环放置；所述金属外延板与腔体底面平行，与蝶形开槽金属辐射贴片电连接；所述叉指金属贴片电感位于开槽金属辐射贴片槽末端；所述连接辐射贴片与侧壁的双曲微带巴伦与开槽金属贴片垂直，上端与辐射贴片进行焊接，下端与金属腔体侧壁同轴接头相连；所述网孔铁氧体地板与蘑菇型电磁带隙结构覆盖金属腔体内壁。
该天线的金属贴片均为PCB工艺，带有介质基板，蝶形开槽金属辐射贴片共6个单元首尾相连成环，馈电点在开槽中间，叉指贴片电感在槽右臂的末端，金属外延板与槽上端金属贴片相连延长电流路径，拓展了天线带宽。
进一步的，双曲微带巴伦为双面结构，与开槽上半金属电连接的是窄渐变线，与开槽下半金属电连接的是宽渐变线，渐变线为双曲线。双曲微带巴伦既满足了阻抗变换需求，又起到了平衡馈电的作用。
进一步的，网孔铁氧体地板覆盖腔体内壁较薄一层，规律排列的孔便于蘑菇型EBG结构焊接，在侧壁上开有供双曲巴伦安装的细槽，在底部开有供蝶形辐射贴片安装的细槽。
进一步的，蘑菇型EBG结构有两种，一种为正方蘑菇型电磁带隙结构排列在腔体侧壁，一种为六边蘑菇型电磁带隙结构排列在腔体底部，以实现6个单元完全旋转对称的结构。网孔铁氧体地板和蘑菇型EBG结构共同作用改变地板反射相位，以减小辐射贴片到地的距离缩减腔体大小。
本发明的创新主要有以下四点：1)为了在埋腔中实现垂直极化水平全向方向图，采用将蝶形开槽天线首尾相接成六边形环的天线形式，并且为尽量减小尺寸采用不平行地板的设计。2)蝶形开槽天线右臂末端加载叉指贴片电感，显著影响电流路径，拓宽天线带宽。3)在腔体中覆盖高磁导率网孔铁氧体材料和两种蘑菇型电磁带隙结构，改变地板反射相位，缩小腔体尺寸并显著拓宽天线带宽。4)阵列6单元等幅同相馈电时在fL-4fL频带内具有垂直极化接近水平全向方向图，阵列相邻2单元等幅同相馈电时在fL-5fL频带内(除个别频点外)具有指向特定方向的的宽波束。
附图说明
图1为所提供的去掉腔体后的铁氧体EBG加载埋腔型紧耦合超宽带阵列天线示意图。其中，100为蝶形开槽金属辐射贴片、101为金属外延板、200为叉指金属贴片电感、300为连接辐射贴片与侧壁的双曲微带巴伦、400为网孔铁氧体地板、500为正方蘑菇型电磁带隙结构、600为六边蘑菇型电磁带隙结构。
图2为倒置六边棱台金属腔体示意图。701为腔体外延矩形大金属板，702为倒置六边棱台腔体侧壁金属板，703为倒置六边棱台腔体底部金属板。
图3为天线阵列单元示意图。101为金属外延板，102为蝶形开槽上端金属贴片，103为蝶形开槽下端金属贴片，104为PCB介质基板。200为槽右臂的末端的叉指金属贴片电感。
图4为双曲微带巴伦示意图。301是窄渐变线，302是宽渐变线，印刷于巴伦介质基板303两侧。
图5为网孔铁氧体地板分解示意图。401为网孔铁氧体侧壁板，共6片完全对称相同，402为六边形网孔铁氧体底板。
图6为侧壁正方蘑菇型电磁带隙结构(500)示意图。501为正方形金属片单元，周期性排布并对边缘进行切割处理，502为短路柱，与金属腔体焊接。
图7为底部六边蘑菇型电磁带隙结构(600)示意图。601为内部六边形金属片单元，602为外圈六边形金属片单元，呈蜂窝状周期性排列，下端均有短路柱焊接。
图8为铁氧体EBG加载整体埋腔紧耦合超宽带阵列天线结构示意图。天线完全埋于倒置六边棱台金属腔体(700)内，阵列6个单元标号如图所示。
图9为天线6个单元等幅同相馈电时端口有源驻波的仿真结果。
图10为天线6个单元等幅同相馈电时在低频fL、中频2fL、中频3fL、高频4fL处的方位面辐射方向图。
图11为天线6个单元等幅同相馈电时在低频fL、中频2fL、中频3fL、高频4fL处的俯仰面辐射方向图。
图12为天线相邻2个单元(1号单元和2号单元)等幅同相馈电时端口有源驻波的仿真结果。
图13为天线相邻2个单元(1号单元和2号单元)等幅同相馈电时在低频fL、中频2fL、中频3fL、高频4fL、高频5fL处的方位面辐射方向图。
图14为天线相邻2个单元(1号单元和2号单元)等幅同相馈电时在低频fL、中频2fL、中频3fL、高频4fL、高频5fL处方位角90°的俯仰面辐射方向图。
图15为天线相邻2个单元(1号单元和2号单元)等幅同相馈电时在低频fL、中频2fL、中频3fL、高频4fL、高频5fL处方位角0°的俯仰面辐射方向图。
具体实施方案
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种铁氧体EBG加载埋腔型紧耦合超宽带阵列天线，包括蝶形开槽金属辐射贴片(100)6片、金属外延板(101)6片、叉指金属贴片电感(200)6片、连接辐射贴片与侧壁的双曲微带巴伦(300)6个、网孔铁氧体地板(400)、正方蘑菇型电磁带隙结构(500)、六边蘑菇型电磁带隙结构(600)。所述开槽金属辐射贴片(100)共6片，各与腔体侧壁成18°倾斜相连成环放置，所述金属外延板(101)与腔体底面平行，与开槽金属辐射贴片(100)电连接；所述叉指金属贴片电感(200)位于开槽金属辐射贴片槽末端；所述连接辐射贴片与侧壁的双曲微带巴伦(300)与开槽金属贴片(100)垂直，上端与辐射贴片进行焊接，下端与金属腔体侧壁同轴接头相连；所述网孔铁氧体地板(400)与蘑菇型电磁带隙结构覆盖金属腔体内壁，其中正方蘑菇型电磁带隙结构(500)排列于腔体侧壁，并在双曲微带巴伦处挖有细槽，六边蘑菇型电磁带隙结构(600)排列于腔体底部。
蝶形开槽上端金属贴片(102)、蝶形开槽下端金属贴片(103)、槽右臂的末端的叉指金属贴片电感(200)、双曲微带巴伦的窄渐变线(301)和宽渐变线(302)均采用印刷电路板工艺在单层介质基板上印刷金属而成。金属外延板(101)、腔体外延矩形大金属板(701)、倒置六边棱台腔体侧壁金属板(702)、倒置六边棱台腔体底部金属板(703)、正方蘑菇型电磁带隙结构(500)、六边蘑菇型电磁带隙结构(600)均采用薄金属片。
如图2所示，倒置六边棱台腔体侧壁金属板(702)每片上端与腔体外延矩形大金属板(701)焊接，下端与倒置六边棱台腔体底部金属板(703)焊接，左右分别于相邻的侧壁金属板焊接，形成了一个半封闭的倒置六边棱台腔体。
如图3和图4所示，蝶形开槽上端金属贴片(102)、蝶形开槽下端金属贴片(103)与叉指金属贴片电感(200)印刷在同一片介质基板(104)上，介质为Rogers RT/duroid 5880(tm)，介电常数2.2。金属外延板(101)与蝶形开槽上端金属贴片(102)焊接保证电连接。6个单元的介质基板(104)相连处粘合，相邻蝶形开槽金属贴片焊接保证电连接。介质基板(104)中间馈电口处挖去一小块供双曲微带巴伦(300)拼接，巴伦基板采用Rogers RT/duroid 6006(tm)，介电常数6.15。窄渐变线(301)上端与蝶形开槽上端金属贴片(102)焊接相连，下端与位于腔体侧壁上的同轴接头内导体焊接相连；宽渐变线(302)上端与蝶形开槽下端金属贴片(103)焊接相连，下端与金属腔体侧壁焊接相连。
如图5至图7所示，网孔铁氧体侧壁板(401)开有整齐排列的小孔供EBG结构短路柱焊接，共6片分别粘合在倒置六边棱台腔体侧壁金属板(702)上，下端开有供双曲微带巴伦(300)安装的细槽。六边形网孔铁氧体底板(402)开有整齐排列的小孔供EBG结构短路柱焊接，粘合在倒置六边棱台腔体底部金属板(703)上，开有六边形细槽供介质基板(104)安装。正方形金属片单元(501)与EBG短路柱(502)焊接，再与腔体侧壁金属板(702)焊接，每一侧壁上整齐排列82个单元，每个单元之间隔有缝隙未电连接，并对边缘单元和巴伦处单元进行切割处理。六边棱台腔体底部金属板(703)上通过相同的短路柱焊接有内部六边形金属片单元(601)共133个，和外圈六边形金属片单元(602)共210个。
图9为天线阵列6个单元等幅同相馈电时端口有源驻波的仿真结果，可以看到在fL-4fL频段内，端口有源驻波比小于3，证明匹配良好。
图10为天线6个单元等幅同相馈电时在低频fL、中频2fL、中频3fL、高频4fL处的方位面辐射方向图。低频fL不圆度为1.42dB，最低增益为-7.24dB；中频2fL不圆度为0.85dB，最低增益为-8.46dB；中频3fL不圆度为0.97dB，最低增益为-9.25dB；高频4fL不圆度为2.45dB，最低增益为-10.46dB。由于天线存在波束上翘问题，因此上述方位面增益较最大增益低很多。
图11为天线6个单元等幅同相馈电时在低频fL、中频2fL、中频3fL、高频4fL处的俯仰面辐射方向图。天线最大增益值在俯仰角45°左右，存在一定程度的波束上翘问题。
图12为天线相邻2个单元(1号单元和2号单元)等幅同相馈电时端口有源驻波的仿真结果。可以看到在fL-5fL频段内，除个别频点外端口有源驻波比小于3。此处仅列举了1/2单元，由于天线完全旋转对称，还可以分别对2/3单元、3/4单元、4/5单元、5/6单元、6/1单元馈电以获得其他方向的相同波束。
图13为天线相邻2个单元(1号单元和2号单元)等幅同相馈电时在低频fL、中频2fL、中频3fL、高频4fL、高频5fL处的方位面辐射方向图。方位角与俯仰角的角度定义如图所示。
图14为天线相邻2个单元(1号单元和2号单元)等幅同相馈电时在低频fL、中频2fL、中频3fL、高频4fL、高频5fL处方位角90°的俯仰面辐射方向图。
图15为天线相邻2个单元(1号单元和2号单元)等幅同相馈电时在低频fL、中频2fL、中频3fL、高频4fL、高频5fL处方位角0°的俯仰面辐射方向图。低频fL波束最大方向为方位角0°俯仰角330°，最大增益-2.06dB，由于低频绕射影响严重最大辐射方向与1/2单元的正向相反；中频2fL波束最大方向为方位角0°俯仰角44°，最大增益1.86dB；中频3fL波束最大方向为方位角±16°俯仰角54°，最大增益1.87dB，可以发现最大增益方向有所分裂；高频4fL波束最大方向为方位角±30°俯仰角58°，最大增益4.15dB，可以发现最大增益方向有所分裂；高频5fL波束最大方向为方位角0°俯仰角34°，最大增益5.9dB。

Claims (5)

1.一种铁氧体EBG加载埋腔型紧耦合超宽带阵列天线，其特征在于，包括蝶形开槽金属辐射贴片(100)、金属外延板(101)、叉指金属贴片电感(200)、连接辐射贴片与侧壁的双曲微带巴伦(300)、网孔铁氧体地板(400)、正方蘑菇型电磁带隙结构(500)、六边蘑菇型电磁带隙结构(600)、倒置六边棱台金属腔体(700)；
所述开槽金属辐射贴片(100)共6片，各与腔体侧壁成18°倾斜相连成环放置，所述金属外延板(101)与腔体底面平行，与开槽金属辐射贴片(100)电连接；
所述叉指金属贴片电感(200)位于开槽金属辐射贴片槽末端；
所述连接辐射贴片与侧壁的双曲微带巴伦(300)与开槽金属贴片(100)垂直，上端与辐射贴片进行焊接，下端与金属腔体侧壁同轴接头相连；
所述网孔铁氧体地板(400)与蘑菇型电磁带隙结构覆盖金属腔体内壁，其中正方蘑菇型电磁带隙结构(500)排列于腔体侧壁，并在双曲微带巴伦处挖有细槽，六边蘑菇型电磁带隙结构(600)排列于腔体底部；
所述倒置六边棱台金属腔体(700)，侧壁金属板(702)每片上端与腔体外延矩形大金属板(701)焊接，下端与倒置六边棱台腔体底部金属板(703)焊接，左右分别于相邻的侧壁金属板焊接，形成了一个半封闭的倒置六边棱台腔体。
2.根据权利要求1所述的一种铁氧体EBG加载埋腔型紧耦合超宽带阵列天线，其特征在于，蝶形开槽上端金属贴片(102)、蝶形开槽下端金属贴片(103)与叉指金属贴片电感(200)印刷在同一片介质基板(104)上，金属外延板(101)与蝶形开槽上端金属贴片(102)焊接保证电连接，6个单元的介质基板(104)相连处粘合并焊接，介质基板(104)中间馈电口处挖有小口供双曲微带巴伦(300)拼接；
窄渐变线(301)上端与蝶形开槽上端金属贴片(102)焊接相连，下端与位于腔体侧壁上的同轴接头内导体焊接相连，宽渐变线(302)上端与蝶形开槽下端金属贴片(103)焊接相连，下端与金属腔体侧壁焊接相连。
3.根据权利要求1所述的一种铁氧体EBG加载埋腔型紧耦合超宽带阵列天线，其特征在于，网孔铁氧体侧壁板(401)开有整齐排列的小孔供EBG结构短路柱焊接，共6片分别粘合在倒置六边棱台腔体侧壁金属板(702)上，下端开有供双曲微带巴伦(300)安装的细槽；
六边形网孔铁氧体底板(402)开有整齐排列的小孔供EBG结构短路柱焊接，粘合在倒置六边棱台腔体底部金属板(703)上，开有六边形细槽供介质基板(104)安装；
正方形金属片单元(501)与EBG短路柱(502)焊接，再与腔体侧壁金属板(702)焊接，六边棱台腔体底部金属板(703)上通过相同的短路柱焊接有内部六边形金属片单元(601)和外圈六边形金属片单元(602)。
4.根据权利要求1所述的一种铁氧体EBG加载埋腔型紧耦合超宽带阵列天线，其特征在于，所述阵列在所有六个端口等幅同相馈电时，拥有在4：1带宽内电场垂直极化接近水平全向的辐射远场方向图；所述阵列在相邻两个端口等幅同相馈电时，可以实现在5：1带宽内电场垂直极化波束指向特定方向的辐射远场方向图。
5.根据权利要求1所述的一种匹配电路加载埋腔型超宽带水平全向天线，其特征在于，所述阵列基于传统相连槽天线直线阵的结构变形，将引入了耦合电感的相连槽天线首尾围成六边形环形阵列，并在地板加载铁氧体材料与EBG结构，剖面高度为0.095个低频波长，腔体最大直径为0.5个低频波长，腔体侧壁倾斜角为20°。
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