一种金属平台内嵌式垂直极化超宽带共形端射天线

1.本发明属于天线技术领域，涉及超高速飞行器载体共形天线技术，具体涉及一种 金属平台内嵌式垂直极化超宽带共形端射天线。


背景技术：

2.随着现代雷达、无线通信、电子对抗等技术领域的飞速发展和战场的复杂性，对 雷达或其它辐射源实施摧毁性打击的反辐射导弹技术也提出了越来越高的要求。反辐 射系统利用辐射信号的接收和处理系统，捕获、跟踪目标雷达等电磁辐射信号后，定 向攻击辐射源目标并将其推毁，是一种战术型武器，在多次现代局部战争中得到广泛 应用，已成为推毁敌方雷达等目标的有效方式。天线系统作为其重要组成部分，其性 能的好坏直接关系着整个反辐射系统的工作性能。同时，在反辐射导弹的有限空间内 需要集成不同功能的电子系统，完成不同的工作任务，因而天线的尺寸、重量等指标 必须得到严格控制，才能集成多个电子系统，满足战场的需求。由此可见，天线的频 率覆盖范围、增益、方向性、尺寸、重量等性能指标直接决定了反辐射系统的战场效 能。
3.对于安装在高速飞行器上的共形天线，为了减小气动阻力天线需要具备低剖面特 性或能完全嵌入大型金属平台。但是将天线嵌入复杂金属平台，这意味着天线将被金 属环境所包围，天线四周的金属会对天线自身的电性能产生极大的影响，特别是对用 于实现端射性能的天线来说，天线四周的金属对电磁波起到了遮挡作用，这使得在端 射方向并不能得到有效的波束覆盖。
4.在现有成熟的天线技术中，可以实现端向辐射的天线形式包括对数周期天线、八 木
‑
宇田天线等，这类天线由多组长度不同的金属振子组成，通过在相邻振子间产生相 位差起到端向辐射的效果。但是上述端射天线在工程应用中存在尺寸大、工作频带窄(对数周期天线可以通过增加相应长度的金属振子数量来展宽工作频带，但会使得天 线结构组成更加复杂)、难以与金属载体平台共形等缺点，总的来说难于满足当前应用 需求。


技术实现要素：

5.要解决的技术问题
6.当前绝大多数宽带端射天线并不具备能与金属载体平台内嵌式共形的能力，这是 因为共形安装后金属载体平台会使得这类天线的电性能严重恶化，而极少数能与金属 载体平台共形并且能端向辐射的天线又具有辐射效率低下的缺点。
7.为了解决现有技术的不足，本发明提出一种工作于超高频频段的金属平台内嵌式 垂直极化超宽带共形端射天线，使得天线在被嵌入复杂平台后但仍然能得到沿平台表 面的良好的端射效果。
8.技术方案
9.一种金属平台内嵌式垂直极化超宽带共形端射天线，其特征在于包括金属腔体、 第一介质基板、第二介质基板、上层金属盖板，所述的金属腔体分为前后两部分，前 部分为
由底部向上部逐渐张开的上方开口结构，后部分为上不封顶的矩形腔体结构； 所述的第一介质基板水平位于金属腔体的前部分顶部开口处，第一介质基板的上表面 设有第二金属辐射镀层；所述的第二介质基板与第一介质基板垂直并插入金属腔体的 前部分的内腔内，第二介质基板的两侧分别设有用于耦合馈电的第五金属镀层和用于 辐射的第一金属辐射镀层；所述的第二金属辐射镀层与第一金属辐射镀层相连；所述 的上层金属盖板位于金属腔体的后部分顶部开口处。
10.本发明技术方案更进一步的说：所述的第二金属辐射镀层为等腰梯形结构，且在 等腰梯形结构中等间距的开有规则矩形槽。
11.本发明技术方案更进一步的说：所述的第五金属镀层为蘑菇状，与同轴馈电线连 接。
12.本发明技术方案更进一步的说：所述的第一金属辐射镀层为窄刀片状，第一金属 辐射镀层的前侧下方为一段曲率较大的渐变金属轮廓即低频天线辐射区域；第一金属 辐射镀层的后侧下方为一处扇形开槽；第一金属辐射镀层的前侧上方设有开折线槽； 第一金属辐射镀层的中部上方为一段曲率较小的渐变金属轮廓即高频天线辐射区域； 紧邻高频天线辐射区的后侧设有矩形槽。
13.本发明技术方案更进一步的说：在第一介质基板上还设有第三金属镀层，第一介 质基板通过第三金属镀层与金属腔体焊接。
14.本发明技术方案更进一步的说：在第二介质基板上还设有第四金属镀层，第二介 质基板通过第四金属镀层与金属腔体焊接。
15.本发明技术方案更进一步的说：所述的第四金属镀层呈l型。
16.有益效果
17.本发明提出的一种可与金属载体平台良好共形的，工作于超高频频段的金属平台 内嵌式垂直极化超宽带共形端射天线，既能与金属载体平台内嵌式共形，还能在超宽 工作频带内具有较好的端射效果与阻抗匹配，同时还具有辐射效率高、电性能稳定的 优点。
18.有益效果包括以下部分：
19.1、本天线能与金属载体平台内嵌式共形，并且其电性能不会出现严重恶化，这是 由于本天线自身带有金属腔体结构，天线自身电性能稳定，受环境影响小，这使得将 天线与金属载体平台共形后，天线自身的电性能不会因为金属载体的影响而发生严重 恶化；
20.2、本天线具有极低的剖面高度，仅有20mm(最低处17mm)，电尺寸为0.113λ， 有利于与载体共形安装；
21.3、本天线采用了具有创新性的超宽带天线共口径嵌套技术，通过合理的空间布局， 兼顾高低双频段辐射结构之间的电磁耦合特性，从而使得两套辐射结构可以共存共口 径工作，极大地节省了天线所占用的空间；
22.4、本天线采用的外围包裹金属腔体在不增加整体包络体积的前提下，通过创新设 计腔体内部结构，构造了一个低q(品质因数)的金属腔体，极大地减弱了金属腔体 内部的谐振，使天线具有超宽工作带宽。相比于常用的通过添加吸波材料减弱腔内谐 振、展宽带宽的方法，本方法具有辐射效率高的优势。
23.本发明天线剖面高度为20mm(0.113λ)，该天线可以内嵌式共形安装在金属载体 平台上，在天线四周都存在金属遮挡的条件下，天线仍然可以在2ghz
‑
18ghz的超高 频频段
实现了良好的阻抗匹配，全频段内电压驻波比小于3，并且以垂直极化的工作 形式实现了沿金属载体表面的端向辐射，同时天线还具有在金属安装环境下的电性能 稳定，辐射效率高的优点。
附图说明
24.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。
25.图1为本发明提出的金属平台内嵌式垂直极化超宽带共形端射天线的立体建模三 维视图。
26.图中：1
‑
第三金属镀层；2
‑
第四金属镀层；3
‑
第五金属镀层；4
‑
第一金属辐射镀层； 5
‑
第二金属辐射镀层；6
‑
第一介质基板；7
‑
第二介质基板；8
‑
金属腔体；9
‑
上层金属盖 板。
27.图2为天线腔体内部起主要辐射作用的金属镀层及金属镀层所附着的第二介质基 板的侧视图。
28.图中：10
‑
折线槽；11
‑
低频天线辐射区域；12
‑
高频天线辐射区域。
29.图3为天线腔体上部的金属镀层与金属镀层所附着的第一介质基板的俯视图。
30.图中：13
‑
规则矩形槽。
31.图4为第二金属辐射镀层结构。
32.图5给出了本发明提出的天线在金属载体环境下的具体状态示意图。
33.图6为金属腔体的立体建模三维视图：图6(a)为金属腔体和上层金属盖板的三维 视图；图6(b)为给出了金属腔体的三视图；图6(c)为给出了上层金属盖板的三视图。
34.图7为具体实例中的天线在2ghz
‑
8ghz和8ghz
‑
18ghz频带内实际测量的电 压驻波比曲线图。
35.图8为具体实例中的天线在多个频点(2ghz、4ghz、6ghz、8ghz、13ghz、 18ghz)的俯仰面增益方向图(90
°
方向为前向)。
36.图9为具体实例中的天线在多个频点(2ghz、4ghz、6ghz、8ghz、13ghz、 18ghz)的方位面增益方向图(0
°
方向为前向)。
具体实施方式
37.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。
38.本发明对渐变槽线型天线做创新性设计，即金属平台内嵌式垂直极化超宽带共形 端射天线，提出的技术方案如下：采用一半的渐变开槽型天线作为低频天线的辐射主 体部分，将低频天线辐射主体部分与腔体底部连接，这使得低频天线不仅能够保证垂 直极化的工作模式，还能较好的与50ω的输入端口匹配。通过在低频天线辐射主体部 分开多个折线槽以及在其顶部做开有规则矩形槽的顶部加载，可以有效地降低天线的 高度，相比于传统的垂直极化渐变槽线型天线，本发明提出的天线最终高度降低了50％ 以上。本发明中对于高频天线，采用了创新性的共口径嵌套方案，将一半的渐变开槽 型天线作为高频天线的主
体，并将其颠倒放置在低频天线辐射主体的上方，再与上层 金属盖板相连接，这也使得高频天线不仅能够保证垂直极化的工作模式，还能较好的 与50ω的输入端口匹配，此时可将将低频天线与高频天线共口径嵌套布置在同一块金 属镀层内。最后再将印刷有高低频天线金属镀层的介质基板安装在本发明提出的低q 金属腔体内部，并将上方介质基板与金属盖板固定，最终得到金属平台内嵌式垂直极 化超宽带共形端射天线。值得一提的是，本发明提出的低q金属腔体不仅使天线在安 装到金属载体上时电性能稳定，还使天线具有高的辐射效率。
39.图1是本发明实施例的立体建模三维视图，如图1
‑
3所示，本发明包括第三金属 镀层1、第四金属镀层2、第五金属镀层3、第一金属辐射镀层4、第二金属辐射镀层 5、第一介质基板6、第二介质基板7、金属腔体8、上层金属盖板9、折线槽10、低 频天线辐射区域11、高频天线辐射区域12、规则矩形槽13；所述的第三金属镀层1、 第二金属辐射镀层5印刷在第一介质基板6的上表面；所述的第四金属镀层2、第五 金属镀层3、第一金属辐射镀层4印刷在第二介质基板7的左右两侧表面，其中第四 金属镀层2在第二介质基板7的左右两侧表面的相同位置均印刷，第五金属镀层3印 刷在第二介质基板7的左侧表面、第一金属辐射镀层4印刷在第二介质基板7的右侧 表面(第五金属镀层3、第一金属辐射镀层4位于不同侧表面)；带有金属辐射镀层(包 括第四金属镀层2、第五金属镀层3、第一金属辐射镀层4)的第二介质基板7位于金 属腔体8内部正中间位置，将其垂直嵌入插装在金属腔体8内部的狭槽内，并将第四 金属镀层2与金属腔体8用焊锡焊接，所述的第二介质基板7；带有第三金属镀层1、 第二金属辐射镀层5的第一介质基板6安装在金属腔体8的上方前侧，并将第三金属 镀层1与金属腔体8用焊锡焊接，第一介质基板6中线位置设有细缝；上层金属盖板 9安装在金属腔体8的上方后侧，并用螺丝钉将金属腔体8、上层金属盖板9机械连接； 在第一介质基板6上的细缝处灌焊锡将第一金属辐射镀层4、第二金属辐射镀层5通 过细缝内的焊锡连接。
40.图2给出了天线腔体内部起主要辐射作用的金属镀层及金属镀层(包括第四金属 镀层2、第五金属镀层3、第一金属辐射镀层4)所附着的第二介质基板7的侧视图， 第四金属镀层2呈l型、宽度为3.5mm，用于焊接第二介质基板7与金属腔体8；第 五金属镀层3呈蘑菇状，用于天线的耦合馈电，同时起到了优化阻抗匹配的效果；第 一金属辐射镀层4是本天线的主要辐射部分，对第一金属辐射镀层4的特殊形状结构 设计作如下说明：第一金属辐射镀层4整体可以看做是一种窄刀片状；第一金属辐射 镀层4的前侧下方为一段曲率较大的渐变金属轮廓即低频天线辐射区域11，该区域作 为本天线在低频段的主要辐射结构，根据镜像原理，低频天线辐射区域11利用金属腔 体8的底部金属面形成有效端向辐射；第一金属辐射镀层4的后侧下方为一处小角度 扇形开槽，该结构是为了满足低频区域的宽带匹配；第一金属辐射镀层4的前侧上方 为开折线槽10的区域，在第一金属辐射镀层4上开折线槽10，可以起到小型化，降 低天线高度的效果；第一金属辐射镀层4的中部上方为一段曲率较小的渐变金属轮廓 即高频天线辐射区域12，该区域作为本天线在高频段的主要辐射结构，根据镜像原理， 高频天线辐射区域12利用上层金属盖板9提供的金属面形成有效端向辐射；紧邻高频 天线辐射区12的后侧矩形槽是为了满足高频区域的宽带匹配；图2中用虚线圈出了低 频天线辐射区域11和高频天线辐射区域12，低频天线辐射区域11和高频天线辐射区 域12的具体形状设计与结构布局属于本发明中提出的具有创新性的超宽带天线共
口 径嵌套技术，该区域包括两段曲率不同的渐变金属轮廓，渐变趋势受数学函数方程所 约束。采用渐变金属轮廓作为辐射区域可以在整个工作频段内获得好的阻抗匹配。
41.图3给出了天线腔体上部的金属镀层(包括第三金属镀层1、第二金属辐射镀层5) 与金属镀层所附着的第一介质基板6的俯视图。第三金属镀层1为一圈宽度恒为2mm 的开口矩形金属条带，用于焊接第一介质基板6与金属腔体8；第二金属辐射镀层5 在图4中给出详细说明。图中虚线区域为第一介质基板6的中线位置预设细缝的位置， 在该细缝处灌焊锡将第一金属辐射镀层4、第二金属辐射镀层5通过细缝内的焊锡连 接。
42.图4给出了第二金属辐射镀层5在开规则矩形槽13前后的图案效果对比，第二金 属辐射镀层5的外轮廓呈等腰梯形状，规则矩形槽13包括13道宽度为1mm、槽间距 2mm的矩形槽，在第二金属辐射镀层5上开规则矩形槽13，此时开有规则矩形槽13 的第二金属辐射镀层5可以起到小型化，降低天线高度、调节优化阻抗匹配的效果。
43.图5给出了本发明提出的天线在金属载体环境下的具体状态示意图，天线被内嵌 式安装在金属载体平台内部。
44.图6(a)给出了金属腔体8和上层金属盖板9的三维视图,图6(a)单独给出了金属腔 体8的三视图，图6(c)单独给出了上层金属盖板9的三视图，单独的金属腔体8属于 上不封顶的开放式腔体，金属腔体8为异形结构，腔体前侧部分为由底部向上部逐渐 张开的上方开口结构，腔体后侧部分为上不封顶的矩形腔体结构，腔体内部设有前后 两处狭槽用于插装第二介质基板7；腔体内部的各类小孔为各类金属螺丝钉以及射频 连接线的安装预留孔，本发明提出的金属腔体8为低q金属腔体，通过在腔体内部构 造倾斜面，可以有效地减弱天线在金属腔内的谐振，减小天线周围振荡的储能，有利 于提升天线的宽带性能，保证天线具有高的辐射效率。
45.本发明采用使用时域有限差分计算方法的高频仿真软件进行仿真计算以及实际测 量。图7至图9给出了天线在实测环境下的电压驻波比特性和辐射特性。其中从图7 可见，天线的实测电压驻波比与仿真结果基本一致，至少具有9个倍频的工作带宽， 在2ghz
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8ghz和8ghz
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18ghz频带内电压驻波比小于3。从图8
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9可见，在整个工 作频段内，其俯仰面和方位面方向图均呈现出端射特性。
46.本发明天线形式可与金属平台内嵌式共形，具有垂直极化的工作形式和低的剖面 高度以及端射的辐射效果，同时天线的电性能与结构性能稳定，几乎不受金属载体平 台影响。特别适用于要求能与金属载体平台良好共形、工作于超高频频段、垂直极化 并能实现端射的共形天线。
47.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。