大型k波段共形天线阵面及其制备方法
【专利摘要】本发明公开的一种大型K波段共形天线阵面，旨在提供一种不会产生频偏和较大反旋分量，具有良好宽带宽角扫描增益特性和宽带宽角扫描圆极化特性的共形相控阵天线阵面。本发明通过下述技术方案予以实现：导体贴片以象限顺序旋转阵的形式，分成四组排布在下介质基板的上表面上，且微带贴片天线的馈电点在平面板上的投影呈三角形排布；上介质基板与下介质基板将导体贴片夹于其间，射频同轴连接器顺次穿越平面板、金属锥体和下介质基板，共同构成了微带贴片天线，射频同轴连接器对微带贴片天线进行同轴探针馈电，在导体贴片上激励起一对幅度相等，相位相差90度的正交极化简并模，形成辐射右旋圆极化电磁波的共形相控阵天线阵面。
【专利说明】
大型K波段共形天线阵面及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种口径大于或等于16个工作波长的大型K波段共形天线阵面及其制备方法。
【背景技术】
[0002]大型面天线具有高增益、低噪声辐射、高可靠性及较强的数据传输能力，因此在现代卫星通讯系统、空间科学等领域中有着广泛应用。随着现代无线通信的飞速发展，对于天线性能的要求也越来越高。无论是在军事国防还是民用通信领域，对于天线的阻抗带宽、方向图、极化、增益特性及天线系统的可靠性都提出了更加严格的要求。采用不同形式的阵列天线则较容易获得这些特性。
[0003]由于传统的固定波束机械扫描阵列天线，在天线波束指向转换时具有惯性，由此对天线系统的能力造成了限制。因此机扫天线已经不大符合当今一些先进平台无线系统的设计思路。相控阵天线的技术特点能解决这些问题。在天线的设计中，相控阵天线由多个辐射单元共同组阵构成。每个天线单元的馈电电流幅度和相位由T/R组件控制。共形阵因其可以在不破坏载体的外形结构及空气动力学特性的同时，仍能满足天线的工作性能，成为天线领域的一个研究热点。共形阵列的主要优点表现在，扩大波束扫描范围，具有低剖面特性，不影响载体的空气动力学性能。共形天线优于普通平面天线的另一个优势在于，它不会增加飞机的雷达反射截面积。鉴于这些优势，相控阵天线已经由最早的平面相控阵天线逐渐向共形相控阵天线过渡，而共形相控阵天线又向着轻、薄、低可探测性的方向发展。一个先进的载体平台对天线的要求主要有:尽可能与载体外形一致，尽可能实现低轮廓，不破坏载体平台原有的气动特性并获得较好的电气性能指标;尽最大可能减轻重量，以降低载体平台的重量。从严格意义上来讲，现在广泛使用的平面阵列天线也是一种特殊的共形阵列，我们通常所指的共形阵列大都是一些简单的形状，如圆柱形，圆锥形等，随着共形阵列天线以及搭载平台的发展和不断变化，共形阵列已经不仅仅局限于简单的形状，而是向着更复杂的弯曲表面拓展，其辐射单元安装在复杂的物体表面或集成物体之中，由成千上万个分布在弯曲表面的单独的天线单元组成。锥面圆环微带天线阵、锥面圆形微带天线阵和锥面矩形微带天线阵是常见的锥面共形微带阵列。
[0004]飞行器的工作环境要求圆锥共形阵既能提供优良的天线电气性能，又不影响飞行器的气动性能，并且能在恶劣的环境下可靠的工作。所谓共形天线，是指附着于载体，完全与载体贴合的天线，这里的载体可以是飞机、轮船、以及其它一些高速运动的物体。即需要将阵列天线共形安装在一个固定形状的表面上，从而形成非平面的共形天线。适用于共形相控阵天线的单元形式一般有微带天线和缝隙天线。比较两种天线的特性不难发现，缝隙天线在用同轴馈电时存在困难，必须采用相应的匹配措施。微带天线近年来愈来愈受到人们的重视，因为它具有很多天线所没有的特点:便于获得圆极化，容易实现双频段和双极化，尺寸小、重量轻、价格低，尤其是它有很小的剖面高度，易附着于任何金属物体表面，最适于某些高速运转的物体，如飞机、火箭、导弹等。微带天线的缺点是工作频带很窄，具有明显的谐振特性，当工作频率偏离谐振点后，其输入阻抗急剧减小，在馈电点产生强烈的反射，使天线不能正常工作。一直以来，微带天线的理论虽已日渐成熟，也有一些简单的设计公式可以参考，但始终都没有一套准确有效的设计方法，只能依靠全波仿真软件，如HFSS，来达到最佳设计效果。
[0005]尽管微带共形天线有如此多的优良特性，但由于其形状的复杂，人们对微带共形天线的研究还是集中在微带天线阵上面。共形阵列的综合问题是一个复杂的系统问题，考虑到阵列综合中众多因素的影响，对该问题很难有一个严格而精确的解决方法。传统的共形天线大都是圆柱型的共形天线，这方面的技术已经基本成熟。对于其它形状的载体，天线单元位于曲面上的位置不同，其辐射方向图不同，并且位置不同，单元之间的耦合也造成单元的方向图不同。即使各个单元的方向图完全一致，但是由于天线阵中各单元的轴向不一致，破坏了方向图乘积定理的条件。共形阵中的各个单元的方向图的不一致性造成了较大的交叉极化分量。同时，在某些天线的应用场合，需要相控阵天线进行宽带宽角圆极化扫描，即当天线扫描到大角度时需能获得较高的增益特性和极化特性。现有技术通常采用圆极化天线单元作为相控阵天线阵列单元，阵列排布往往采用一些规则的形式，例如矩形排布，然后通过子阵顺序旋转的方式来达到宽带宽角扫描，这样的设计使得相控阵天线在阵面的对角线剖面上，当扫描角度较大时，相控阵天线会出现较为严重的反旋分量。
[0006]中国专利申请号为200710144432.X，名称为“一种毫米波段圆锥共形4x4微带天线及其设计方法”的发明专利涉及了一种天线及设计方法。该天线波束不能进行扫描且为线极化，其设计方法是将平面阵列拉伸到锥面层上，利用相交功能取出两者的交集将平面阵共形到锥面上，其方法适用于较小规模的阵列。若将其应用于大型相控阵天线，随着天线规模的增大，此方法得到的贴片单元大小存在一定差异，部分贴片可能产生频偏。对天线阵面的整体性能产生一定的影响。中国专利申请号为200710144626.X，名称为“一种毫米波段4x4圆锥共形双频微带天线及其设计方法”的发明专利申请涉及了一种天线及设计方法。其设计方法与上面专利的设计方法存在同样的缺点。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是针对上述技术的不足之处，提供一种不会产生频偏和较大反旋分量，具有良好宽带宽角扫描增益特性和宽带宽角扫描圆极化特性，易于飞行器气动电性能一体化设计和工程化实现的一种大型K波段共形相控阵天线阵面及其制备方法。
[0008]本发明解决技术问题所采用的技术方案是:本发明提供的一种大型K波段共形天线阵面，包括:作为金属地板的金属锥体4，与锥体母线2平行的平面板3、设置在导体贴片6天线下介质基板I上的上介质基板7、对导体贴片6进行同轴探针馈电的射频同轴连接器5，其特征在于，导体贴片6以象限顺序旋转阵的形式，分成四组排布在下介质基板I的上表面上，且导体贴片6的馈电点在平面板3上的投影呈三角形排布;射频同轴连接器5外导体连接金属锥体4，射频同轴连接器5内导体以焊接的方式连接导体贴片6，上介质基板7层叠于下介质基板I之上，上介质基板7与下介质基板I将导体贴片6夹于其间，下介质基板I的背面粘接于金属锥体4的锥面上，其中，射频同轴连接器5顺次穿越平面板3、金属锥体4和下介质基板1，通过下介质基板I上用光刻腐蚀方法制成的多边形形状的导体贴片6的层叠结构，共同构成了微带贴片天线，射频同轴连接器5对微带贴片天线进行探针馈电，在导体贴片6上激励起一对幅度相等，相位相差90度的正交极化简并模，形成辐射右旋圆极化电磁波的共形相控阵天线阵面。
[0009]—种制备所述大型K波段共形天线阵面的方法，其特征在于包括如下步骤:首先建立载体平台锥面的方程，通过编写Matlab程序，将平面板3上三角形排布的馈电点投影到载体平台的锥面上，得到锥面上馈电点的坐标位置;再将锥面展开成平面，利用锥面与展开平面的映射关系，得到展开平面上的馈电点位置;再将四组导体贴片6，分别按0°、90°、180°、270°四种角度绕各自馈电点进行旋转，然后按每个象限一种旋向，以导体贴片6上的馈电点为基准，将旋转后的导体贴片6平移到展开平面上的馈电点位置上，采用象限顺序旋转阵的形式来构建圆极化天线阵面。若以第一象限导体贴片为基准，第二象限导体贴片、第三象限导体贴片及第四象限导体贴片分别绕着各自的馈电点，逆时针旋转90°、180°和270°，按照上述导体贴片旋转方式可以得到辐射右旋圆极化电磁波的平面天线阵面。将得到的平面天线阵面共形贴附到金属锥体4上，得到共形天线阵面。
[0010]所述的介质基板均为介电常数为2.2的材料，如Taconic公司的TLY-5材料。
[0011 ]所述金属锥体的材料为铝合金。
[0012]本发明相比于现有技术具有如下有益效果:
(I)本发明将1024个导体贴片6分成四组，四组导体贴片以象限顺序旋转阵的形式排布在下介质基板I的上表面上，下介质基板I的背面与金属锥体4的表面粘接，四组导体贴片分别绕着自身的馈电点旋转了一定的角度，同时在其对应的四组馈电端口处进行了相应角度的相位补偿，采用象限顺序旋转阵的形式来构建圆极化天线阵面，可以获得较好的宽带宽角轴比特性，使整个圆极化天线阵面在整个扫描范围内轴比特性较好，同时，由于轴比的降低，其增益也得到了相应的提升。并且不会出现较大的反旋分量。
[0013](2)本发明中1024个导体贴片6的馈电点在平面板3上的投影呈三角形排布，这种规律的正三角形分布有利于后面收发组件的工程化实现。导体贴片6上产生2个正交的简并模分量，两者幅度相等，相位相差90度，辐射圆极化电磁波，有利于天线阵面反旋分量的抑制。
[0014](3)本发明中射频同轴连接器5外导体连接金属锥体4，射频同轴连接器5内导体以焊接的方式连接导体贴片6，射频同轴连接器5对微带贴片天线进行探针馈电，通过建立锥面与展开平面的映射关系，实现了 1024个馈电点与射频同轴连接器探针之间的精准定位。由于导体贴片6距离金属锥体4之间有一定的高度，可以有效地展宽微带贴片天线的频带。
[0015](4)介质基板材料采用与金属基热匹配特性较好、且易于弯曲的材料，如Taconic公司的TLY-5材料，采用这种材料，使得介质基板与金属椎体之间的粘接或焊接可靠性更尚O
[0016](5)本发明根据象限顺序旋转阵各馈电端口相位滞后方向，通过相位补偿，得到辐射右旋圆极化电磁波的共形相控阵天线阵面。由于设计时利用了曲面与平面的映射关系，因此阵列中的微带贴片天线的导体贴片尺寸一致性好，不会产生频偏。
[0017]本发明将平面板上三角形排布的馈电点投影到载体平台的锥面上，得到锥面上馈电点的坐标位置，然后将锥面展开成平面，利用锥面与其展开平面的映射关系，得到展开平面上的馈电点坐标位置，将四个不同旋向的导体贴片，按每个象限一种旋向，以馈电点为基准，将导体贴片分布于此展开平面的馈电点位置上，然后将此平面阵面共形贴附到锥面上。避免了在载体平台的曲面上蚀刻单元，同时各个微带贴片天线的馈电点在平面上的投影呈正三角分布，有利于反旋分量的抑制及后面收发组件的工程化实现，且所有单元不会产生频偏。
[0018]本发明在建模仿真时，采用单点同轴馈电，利用简并模分离元产生两个正交极化的相位相差90度的简并模工作的矩形导体贴片。通过HFSS中的Wrap Sheet功能可以将平面贴附到锥面上。经实测天线阵面在典型频点法线方向及60度扫描方向上的增益分别达到了33.8dBi和30.5dBi，并具有良好的宽角圆极化性能。通过仿真优化，获得了 8.0 %的圆极化轴比带宽(AR3dB)，和8.0%的阻抗带宽(VSWR1.6)。对16个工作波长口径大小的共形阵面进行电性能仿真及实物加工测试，证明了该方法的准确性及有效性。
【附图说明】
[0019]下面结合附图实施方法对本发明专利进一步说明。
[0020]图1是本发明大型K波段共形天线阵面主视图。
[0021]图2是图1的俯视图。
[0022]图3是图1中的微带贴片天线单元示意图。
[0023]图4是本发明共形天线阵面的典型频点典型剖面的波束扫描增益方向图。
[0024]图5是本发明共形天线阵面的典型频点典型剖面的波束扫描轴比性能。
[0025]图6是本发明共形天线阵面的典型微带贴片天线的驻波比性能。
[0026]图中:I下介质基板，2锥体母线，3平面板，4金属锥体，5射频同轴转接器，6导体贴片，7上介质基板。
【具体实施方式】
[0027]参阅图1、图2、图3。在以下描述的实施实例中，大型K波段共形天线阵面主要包括:一块低损耗、低介电常数的下介质基板I，一块层叠在下介质基板I上具有物理保护作用及优良的透波特性的上介质基板7，对导体贴片6进行同轴探针馈电的射频同轴连接器5、作为金属地板的金属锥体4及与锥体母线2平行的平面板3。导体贴片6和射频同轴连接器5布局在下介质基板I上。导体贴片6分成四组，四组导体贴片6以象限顺序旋转阵的形式排布在下介质基板I的上表面上，导体贴片6的馈电点在平面板3上的投影呈正三角形排布;上介质基板7层叠于下介质基板I之上，上介质基板7与下介质基板I将导体贴片夹于其间，下介质基板I的背面粘接于金属锥体4的锥面上，射频同轴连接器5外导体连接金属锥体4，射频同轴连接器5内导体以焊接的方式连接导体贴片6，其中，下介质基板1、作为接地板的金属锥体
4、在下介质基板I上用光刻腐蚀方法制成一定形状的导体贴片6，对导体贴片6进行同轴探针馈电的射频同轴连接器5共同构成了微带贴片天线，射频同轴连接器5对微带贴片天线进行探针馈电；通过射频同轴连接器5对导体贴片6进行同轴探针馈电，选择合适的馈电点和贴片尺寸，在导体贴片6上激励起一对幅度相等，相位相差90度的正交极化简并模，形成圆极化微带贴片天线。由于圆极化微带贴片天线轴比带宽有限，利用象限顺序旋转法排阵，展宽天线阵面的圆极化轴比带宽。根据象限旋转阵各馈电端口相位滞后方向进行相位补偿，得到辐射右旋圆极化电磁波的共形相控阵天线阵面。
[0028]上介质基板7与下介质基板I大小相同，覆盖于导体贴片6上。射频同轴转接器5可以是1024个超小型推入式射频同轴转接器。导体贴片6可以是1024个矩形导体贴片。位于下介质基板I下方的金属锥体4为1024个微带贴片天线的金属地。导体贴片的形式可以为矩形贴片，圆形贴片或其它形状的贴片。射频同轴连接器5外芯连接金属锥体4，射频同轴连接器5内芯以焊接方式，连接位于下介质基板I上的导体贴片6，导体贴片6的馈电点在平面板3上的投影呈正三角形排布，导体贴片6可以分成四组，每组256个，1024个导体贴片6以四元象限顺序旋转阵形式分布在下介质基板I的上表面上。四组贴片绕各自馈电点依次顺序旋转90°。射频同轴连接器5对微带贴片天线进行探针馈电并根据导体贴片6旋转一定角度后所产生的相位滞后方向进行相位补偿。以金属锥体4、射频同轴连接器5、下介质基板I及导体贴片6构成的微带贴片天线为圆极化微带贴片天线，其极化方向与顺序旋转阵的极化方向一致。锥体母线2可以通过天线阵面的中心点，平面板3可以与过锥体母线2的圆锥体相切面平行，以利于阵面的对称性设计。
[0029]上介质基板7层叠于下介质基板I之上，上介质基板7与下介质基板I将导体贴片6夹于其间。上介质基板7的材料可以和下介质基板I材料相同，也可以是其它的透波材料。为便于共形，所选介质材料硬度不应太高，可以使用Taconic公司的TLY-5材料。下介质基板I可以是一层或多层。下介质基板I与上介质基板7可以采用高温层压工艺或者半固化片层压工艺压接在一起。下介质基板I与上介质基板7形成的多层板与金属锥体4之间可以通过半固化片或焊锡结合在一起。本实施方式的制备方法是:首先建立载体平台锥面的方程，通过编写Matlab程序，将平面板3上正三角形排布的馈电点投影到载体平台的锥面上，得到锥面上馈电点的坐标位置;再将锥面展开成平面，利用锥面与展开平面的映射关系，得到展开平面上的馈电点位置;然后将四组导体贴片6，分别按0°、90°、180°、270°四种角度绕各自馈电点进行旋转，按每个象限一种旋向，以导体贴片6上的馈电点为基准，将旋转后的导体贴片6平移到展开平面上的馈电点位置上，形成象限顺序旋转阵。若以第一象限导体贴片为基准，第二象限导体贴片、第三象限导体贴片及第四象限导体贴片分别绕着各自的馈电点，逆时针旋转90°、180°和270°，按照上述微带贴片天线导体贴片旋转方式可以得到辐射右旋圆极化电磁波的平面天线阵面。采用印制电路板工艺将上介质基板7、下介质基板I及导体贴片6加工成平面多层板，然后可以采用层压或焊接的方式将平面多层板共形粘附到金属锥体4上。将射频同轴转接器5以螺装或烧结的形式密集安装在金属锥体4上，最后将射频同轴连接器5的内芯通过上介质基板7上预留的焊接用孔与导体贴片6焊接，得到共形天线阵面。
[0030]金属锥体的材料为铝合金，也可以为镁铝合金等材料。
[0031]微带贴片天线采用单馈电点的矩形贴片对角线馈电实现圆极化特性。同时，通过调整下介质基板I的厚度(约0.05个自由空间波长)和相对介电常数(相对介电常数2.2)，可以实现微带贴片天线工作带宽的展宽。利用HFSS软件，获得天线单元的最终结构尺寸。圆极化方式采用单馈电点，通过选择合适的馈电点和贴片尺寸，在导体贴片上激励起一对幅度相等，相位相差90度的正交极化简并模，形成圆极化微带贴片天线。共形天线阵面极化方式为圆极化，圆极化带宽为8.0%,增益>30.5dBi，驻波〈1.6。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
【主权项】
1.一种大型K波段共形天线阵面，包括:作为金属地板的金属锥体(4)，与锥体母线(2)平行的平面板(3)、设置在微带贴片天线下介质基板(I)上的上介质基板(7)、对导体贴片(6)进行同轴探针馈电的射频同轴连接器(5)，其特征在于，导体贴片(6)以象限顺序旋转阵的形式，分成四组排布在下介质基板(I)的上表面上，且导体贴片(6)的馈电点在平面板(3)上的投影呈三角形排布;射频同轴连接器(5)外导体连接金属锥体(4)，射频同轴连接器(5)内导体以焊接的方式连接导体贴片(6)，上介质基板(7)层叠于下介质基板(I)之上，上介质基板(7)与下介质基板(I)将导体贴片夹于其间，下介质基板(I)的背面粘接于金属锥体(4)的锥面上，其中，射频同轴连接器(5)顺次穿越平面板(3)、金属锥体(4)和下介质基板(I)，通过下介质基板(I)上用光刻腐蚀方法制成的多边形形状的导体贴片(6)的层叠结构，共同构成了微带贴片天线，射频同轴连接器(5)对微带贴片天线进行探针馈电，在导体贴片(6)上激励起一对幅度相等，相位相差90度的正交极化简并模，形成辐射右旋圆极化电磁波的共形相控阵天线阵面。2.如权利要求1所述的大型K波段共形天线阵面，其特征在于:上介质基板(7)与下介质基板(I)大小相同，覆盖于导体贴片(6)上。3.如权利要求1所述的大型K波段共形天线阵面，其特征在于:射频同轴转接器(5)是1024个推入式射频同轴转接器。4.如权利要求1所述的大型K波段共形天线阵面，其特征在于:射频同轴连接器(5)对微带贴片天线进行探针馈电并根据导体贴片(6)旋转一定角度后所产生的相位滞后方向进行相位补偿。5.如权利要求1所述的大型K波段共形天线阵面，其特征在于:导体贴片(6)是1024个矩形导体贴片。6.如权利要求1所述的大型K波段共形天线阵面，其特征在于:锥体母线(2)通过天线阵面的中心点，平面板(3)与过锥体母线(2)的圆锥体相切面平行。7.—种制备权利要求1所述大型K波段共形天线阵面的方法，其特征在于包括如下步骤:首先建立载体平台锥面的方程，通过编写Matlab程序，将平面板(3)上正三角形排布的馈电点投影到载体平台的锥面上，得到锥面上馈电点的坐标位置;再将锥面展开成平面，利用锥面与展开平面的映射关系，得到展开平面上的馈电点位置;将四组导体贴片(6)分别按0°、90°、180°、270°四种角度绕各自馈电点进行旋转，然后按每个象限一种旋向，以导体贴片(6)上的馈电点为基准，将旋转后的导体贴片(6)平移到展开平面上的馈电点位置上，采用象限顺序旋转阵的形式来构建圆极化天线阵面。8.如权利要求7所述大型K波段共形天线阵面的方法，其特征在于:若以第一象限导体贴片为基准，第二象限导体贴片、第三象限导体贴片及第四象限导体贴片分别绕着各自的馈电点，逆时针旋转90°、180°和270°，按照上述导体贴片旋转方式可以得到辐射右旋圆极化电磁波的平面天线阵面。9.如权利要求7所述的大型K波段共形天线阵面的方法，其特征在于:采用印制电路板工艺将上介质基板(7)、下介质基板(I)及导体贴片(6)加工成平面多层板，然后可以采用层压或焊接的方式将平面多层板共形粘附到金属锥体(4)上，形成共形天线阵面。10.如权利要求7所述的大型K波段共形天线阵面，其特征在于:射频同轴转接器(5)以螺装或烧结的形式密集安装在金属锥体(4)上，最后将射频同轴转接器(5)的内芯通过上介质基板(7)上预留的焊接用孔与导体贴片(6)焊接，得到共形天线阵面。
【文档编号】H01Q21/00GK106099337SQ201610017821
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年1月12日 公开号201610017821.5, CN 106099337 A, CN 106099337A, CN 201610017821, CN-A-106099337, CN106099337 A, CN106099337A, CN201610017821, CN201610017821.5
【发明人】尹继亮, 任思, 王彪, 蓝海, 张云, 何海丹
【申请人】中国电子科技集团公司第十研究所