一种圆锥共形端射阵列天线的制作方法

本发明属于天线技术领域，涉及一种圆锥共形端射阵列天线，可应用于各种锥形载体平台。

背景技术：

端射天线指的是具有端射辐射特性的一类天线，天线辐射能量从馈源处出发，沿着天线伸展的方向朝空间辐射。传统的雷达阵列天线多采用边射阵，天线增益与阵列的等效口径尺寸成正相关，即增益越大时，则需要足够大的机身空间来承载天线阵；辐射方向位于阵面的法线方向，若要求阵列实现大角度扫描时,天线阵元间耦合加剧，阻抗匹配恶化，增益下降，在轴向方向出现了扫描盲区。端射天线作为一种特殊的天线结构，具备高定向性和轴向辐射特性，可以很好的解决许多机载雷达的“盲区”问题以及实际应用中的天线大口径尺寸问题。同时，共形天线的研究使载体具备优秀的空气动力学特性，符合“雷达平台一体化”的需求。

传统端射天线的结构包括对数周期天线、yagi天线、vivaldi天线等。为了保证共形天线的低剖面、小体积、低重量，且易于与载体共形安装，多采用平面印刷八木天线，八木天线包括印刷在介质基板上的无源振子和有源振子，有源振子长度一般为1/2波长，当无源振子与有源振子之间的距离小于1/4波长，且无源振子长度比有源振子短时，整个电磁波能量将在无源振子方向增强；无源振子比有源振子长时，将在无源振子方向减弱。具有前者作用的无源振子称为引向器，具有后者作用的无源振子称为反射振子。有源振子通过馈源进行馈电,有源振子辐射的能量由自由空间和介质板的表面波往引向振子处耦合,产生端射特性。

2018年，qiaoyuchen等人在ieeetransactionsonantennasandpropagation发表了一篇名为“2–18ghzconformallow-profilelog-periodicarrayonacylindricalconductor”的期刊论文，公开了一种应用于2-18ghz频段的共形于圆柱导体的低剖面对数周期天线，该发明由单极子、顶端加载单极子以及顶端折叠加载单极子组成对数周期天线，并将其共形于导体圆柱上。该发明虽然利用将具有端射特性的对数周期天线共形于导体柱上来实现圆柱的轴向辐射，且采用对数周期天线形式来提高天线增益，单个天线增益可达到8～9db左右，但存在的缺陷是天线波束指向偏离轴向方向，以及轴向方向的天线增益较低。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种圆锥共形端射阵列天线，旨在满足天线宽频带带宽的情况下，实现高增益轴向辐射特性。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种圆锥共形端射阵列天线，其特征在于：包括圆锥形介质基板1、两个二元子阵2、支撑介质基板3，第一金属隔离板4、第二金属隔离板5、第三金属隔离板6和两个平面偶极子天线单元7，其中：

所述圆锥形介质基板1，采用柔性介质材料；

所述二元子阵2，包括两个共形单元21，其中的一个共形单元21位于另一个共形单元21以圆锥形介质基板1的回转轴为旋转中心，按照λ0/2r为旋转步进旋转后的位置，其中λ0为天线工作频段的中心频率所对应的自由空间波长，r为圆锥形介质基板1的底面半径；所述共形单元21，包括印制在圆锥形介质基板1内表面的第一金属贴片211、截断反射板212，以及印制在圆锥形介质基板1外表面的第二金属贴片213、微带线214和引向器215；所述第一金属贴片211和第二金属贴片213，均由矩形微带以及与该矩形微带连接的两个偶极子臂组成，且第一金属贴片211的矩形微带位于第二金属贴片213的矩形微带的投影位置，第一金属贴片211的两个偶极子臂与第二金属贴片213的两个偶极子臂镜像对称；所述截断反射板212位于圆锥形介质基板1的底部，且与第一金属贴片211相连；所述第二金属贴片213的底端与微带线214的一端相连，该微带线214的另一端连接有同轴线216的内芯，所述同轴线216的外部与截断反射板212连接；所述引向器215位于第二金属贴片213的矩形微带窄边中线与圆锥形介质基板1锥顶之间的连线上；

所述两个二元子阵2，其中的一个二元子阵2位于另一个二元子阵2以圆锥形介质基板1的回转轴为旋转中心，按照180°为旋转步进旋转后的位置，且该两个二元子阵2采用180°的相位差进行馈电；

所述支撑介质基板3固定在圆锥形介质基板1的内部；

所述第一金属隔离板4、第二金属隔离板5和第三金属隔离板6，相互平行地固定在支撑介质基板3上，且相邻金属隔离板间的距离为λ0/2，第二金属隔离板5与两个二元子阵2的中心线m以及圆锥形介质基板1的回转轴组成的平面垂直交叉，交叉线与圆锥形介质基板1的回转轴重合；

所述两个平面偶极子天线单元7，平行固定在支撑介质基板3上，其中的一个平面偶极子天线单元7位于第一金属隔离板4与第二金属隔离板5之间，另一个平面偶极子天线单元7位于第二金属隔离板5与第三金属隔离板6之间，且两个平面偶极子天线单元7与所述的三块金属隔离板平行。

上述一种圆锥共形端射阵列天线，所述第一金属贴片211和第二金属贴片213的矩形微带均采用二阶阶梯渐变的矩形微带结构，其中，第一金属贴片211矩形微带宽边的一端与截断反射板212相连，第二金属贴片213其矩形微带宽边的一端与微带线214相连；所述第一金属贴片211的两个偶极子臂均与矩形微带的窄边相连，其中一个偶极子臂与矩形微带窄边的开路端相连，另一个偶极子臂与矩形微带窄边呈小于90°的夹角，用来实现天线的小型化。

上述一种圆锥共形端射阵列天线，所述引向器215，包括沿第二金属贴片213的矩形微带窄边中线指向圆锥形介质基板1锥顶之间的连线上等距离排布n个矩形金属贴片，n≥1。

上述一种圆锥共形端射阵列天线，所述的平面偶极子天线单元7，包括介质基板71、印制在介质基板71一面的第三金属贴片72、反射板73，以及印制在介质基板71另一面的第四金属贴片74、微带馈线75；所述第三金属贴片72和第四金属贴片74，均由微带连接线以及与该微带连接线连接的两个辐射偶极子臂组成，且第三金属贴片72的微带连接线位于第四金属贴片74的微带连接线的投影位置，第三金属贴片72的两个辐射偶极子臂与第四金属贴片74的两个辐射偶极子臂镜像对称；所述反射板73与第三金属贴片72相连；所述第四金属贴片74的底端与微带馈线75的一端相连，该微带馈线75的另一端连接有同轴馈电线76的内芯，所述同轴馈电线76的外部与反射板73连接。

上述一种圆锥共形端射阵列天线，所述第一金属隔离板4、第二金属隔离板5以及第三金属隔离板6，其高度相等，且大于反射板73的高度，第二金属隔离板5的宽度与反射板73的宽度相等，第一金属隔离板4和第三金属隔离板6的宽度小于第二金属隔离板5的宽度；所述第一金属隔离板4、第二金属隔离板5、第三金属隔离板6板面的中心法线共线；所述两个平面偶极子天线单元7与各自相邻的金属隔离板间的距离相等，且微带馈线75短边的中线位于由两个二元子阵2的中心线m与圆锥形介质基板1的回转轴组成的平面内。

上述一种圆锥共形端射阵列天线，所述第三金属贴片72和第四金属贴片74的微带连接线均采用二阶阶梯渐变的矩形微带结构，其中，第三金属贴片72的微带连接线宽边的一端与反射板73相连，第四金属贴片74微带连接线宽边的一端与微带馈线75相连；所述第四金属贴片74的两个辐射偶极子臂均与微带连接线的窄边相连，其中一个辐射偶极子臂与微带连接线窄边的开路端相连，另一个辐射偶极子臂与微带连接线窄边呈小于90°的夹角，用于实现天线的小型化。

上述一种圆锥共形端射阵列天线，所述两个平面偶极子天线单元7，其与两个二元子阵2的馈电幅度比为2：1，这种天线元电流自阵中心向阵两端递减分布的分布方式，可降低天线的副瓣电平。

上述一种圆锥共形端射阵列天线，所述支撑介质基板3，其相对介电常数为1.1。

上述一种圆锥共形端射阵列天线，所述支撑介质基板3，其下表面位于圆锥形介质基板1的底面上。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

第一，本发明由于采用两个二元子阵，其中的一个二元子阵位于另一个二元子阵以圆锥形介质基板1的回转轴为旋转中心，按照180°为旋转步进旋转后的位置，且该两个二元子阵采用180°的相位差进行馈电，两个二元子阵的极化方向相同，从而两个二元子阵产生的波束同相叠加后，波束的主辐射方向在圆锥形介质基板的轴线方向，与现有技术相比，天线波束的主辐射方向并未偏离轴向方向，且与载体的曲率大小无关，实现轴向辐射特性，

第二，本发明由于共形的圆锥载体为介质基板材料，电磁波可穿透介质层朝共形载体的轴线方向辐射，且通过在载体内部添加两个平面偶极子天线单元，与两个二元子阵组合起来共同作用，提高了天线增益，与现有技术相比，在载体尺寸相同的情况下，可在锥形载体内部放置天线单元，提高了空间利用率，从而提高了天线增益。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明共形单元的结构示意图；

图3是本发明第一金属贴片、微带线以及截断反射板的结构示意图；

图4是本发明两个二元子阵的位置示意图；

图5是本发明三块金属隔离板以及平面偶极子天线单元的位置示意图；

图6是本发明平面偶极子天线单元的结构示意图；

图7是本发明实施例的电压驻波比曲线图；

图8是发本明实施例圆锥载体轴向方向的增益曲线图；

图9是本发明实施例在低、中、高三个工作频点处的辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的说明：

参照图1，一种圆锥共形端射阵列天线，包括圆锥形介质基板1、两个二元子阵2、支撑介质基板3，第一金属隔离板4、第二金属隔离板5、第三金属隔离板6和两个平面偶极子天线单元7，其中：

所述圆锥形介质基板1采用柔性介质材料，其相对介电常数为2.2，圆锥形介质基板的尺寸大小可依据实际需求来定，本发明实施例采用底面半径为23.33mm，高度为100mm，厚度为0.787mm的圆锥载体。

所述共形单元21，其结构如图2所示，包括印制在圆锥形介质基板1内表面的第一金属贴片211、截断反射板212，以及印制在圆锥形介质基板1外表面的第二金属贴片213、微带线214和引向器215；所述第一金属贴片211和第二金属贴片213，均由矩形微带以及与该矩形微带连接的两个偶极子臂组成，且第一金属贴片211的矩形微带位于第二金属贴片213的矩形微带的投影位置，第一金属贴片211的两个偶极子臂与第二金属贴片213的两个偶极子臂镜像对称，两个偶极子臂镜像对称且分别位于圆锥形介质基板1的内外两侧，这样的双面结构，在馈电时，可以避免使用复杂的巴伦，同时又简化了天线的几何形状，有利于实现天线小型化和组阵需求；所述截断反射板212位于圆锥形介质基板1的底部，且与第一金属贴片211相连；所述第二金属贴片213的底端与微带线214的一端相连，该微带线214的另一端连接有同轴线216的内芯，所述同轴线216的外部与截断反射板212连接；所述引向器215位于第二金属贴片213的矩形微带窄边中线与圆锥形介质基板1锥顶之间的连线上；偶极子臂辐射的能量可通过自由空间和介质板的表面波往引向器215耦合,从而产生端射特性。

所述第一金属贴片211和第二金属贴片213，均由矩形微带以及与该矩形微带连接的两个偶极子臂组成；第一金属贴片211和第二金属贴片213的矩形微带均采用二阶阶梯渐变的矩形微带结构，这种阶梯渐变的微带结构作为匹配枝节可用于拓宽天线带宽，其中，第一金属贴片211矩形微带宽边的一端与截断反射板212相连，第二金属贴片213其矩形微带宽边的一端与微带线214相连；所述第一金属贴片211的两个偶极子臂均与矩形微带的窄边相连，其中一个偶极子臂与矩形微带窄边的开路端相连，另一个偶极子臂与矩形微带窄边呈小于90°的夹角，偶极子臂的倾斜会减小阵元间的相互耦合，提高阵列增益，易于实现各个端口同时匹配和相位一致性。

所述引向器215，包括沿第二金属贴片213的矩形微带窄边中线指向圆锥形介质基板1锥顶之间的连线上等距离排布n个金属贴片，n≥1；金属贴片作为引向振子，可使用矩形，椭圆等各种形状，引导电磁波沿着锥体表面传播，从而使天线波束变窄并提高天线增益；但其本身作为寄生贴片会产生新的谐振点，对带宽有影响。一般，当各个寄生贴片的长度在沿天线辐射方向上是逐渐缩短时，依次缩短的引向器可以稍稍展宽带宽，拓宽天线高频点的带宽，实现了天线能量的有效辐射；本实施例中采用相邻间距为4.5mm，宽度为0.8mm的10个矩形金属贴片，所述各个矩形金属贴片均沿第二金属贴片213的矩形微带窄边中线指向圆锥形介质基板1锥顶之间的连线上排布，靠近第二金属贴片213的第一个矩形金属贴片与第二金属贴片213的矩形微带线窄边开路端的距离为3mm，长度为8mm；接下来的8个矩形金属贴片的长度均为7.2mm；靠近圆锥介质基板1顶部的引向器因所处位置半径较小，为避免相互交叉重叠,长度为6.5mm；当矩形金属贴片沿着第二金属贴片213的矩形微带窄边中线指向圆锥形介质基板1锥顶之间的连线上排布时，连线上圆锥形介质基板的曲率逐渐变大，等长的引向器与载体共形后有效长度变短，实现了电磁能量的有效辐射。

所述支撑介质基板3，其相对介电常数为1.1，与空气的介电常数接近，对天线电性能的影响可以忽略不计，所处位置与三块金属隔离板和两个平面偶极子天线单元7交叉即可，起支撑固定的作用，本实施例所采用的支撑介质基板3为圆形介质基板，半径为23.33mm，厚度为1mm，下表面固定在圆锥形介质基板1的底面上。

参照图3，第一金属贴片211的二阶阶梯渐变的矩形微带结构窄边的长和宽分别为w1、d1，w1＝0.5mm，d1＝5.94mm；第一金属贴片211的一个偶极子臂与矩形微带结构窄边的开路端相连，并与矩形微带窄边的夹角为90°，90°的夹角有利于电磁能量朝轴向辐射，其长和宽分别为a1、wl1，a1＝6mm，wl1＝0.8mm，另一个偶极子臂也与矩形微带结构窄边相连，距开路端的距离为ds，长和宽分别为a2、wl2，其中，ds＝4.14mm，a2＝10mm，wl2＝1mm，且其与矩形微带窄边向微带线214方向有一个α的夹角，α＝50°，偶极子臂的倾斜会减小阵元间的相互耦合，提高阵列增益，易于实现各个端口同时匹配和相位一致性；第一金属贴片211的二阶阶梯渐变的矩形微带结构宽边的长和宽分别为w2、d2，w2＝1.1mm，d2＝6mm，且在宽边与窄边相连一端的顶点处有两个等腰直角三角形的倒角，其边长为0.5mm；微带线214的长和宽分别为w3和d3，w3＝1.5mm，d3＝7mm；截断反射板212的长和宽分别为w4和d3，w4＝17.5mm，d3＝7mm；馈电部分采用同轴线216，馈点位置距底边距离为1.5mm，内、外芯半径分别为0.2mm和0.5mm。

参照图4，所述二元子阵2，包括两个共形单元21，其中的一个共形单元21位于另一个共形单元21以圆锥形介质基板1的回转轴为旋转中心，按照λ0/2r为旋转步进旋转后的位置，其中λ0为天线工作频段的中心频率所对应的自由空间波长，r为圆锥形介质基板1的底面半径；两个共形单元21采用λ0/2r的旋转步进，相邻元的间距影响总辐射场的相位差，合理的选择间距能消除天线辐射方向图栅瓣。

所述两个二元子阵2，其中的一个二元子阵2位于另一个二元子阵2以圆锥形介质基板1的回转轴为旋转中心，按照180°为旋转步进旋转后的位置，且该两个二元子阵2采用180°的相位差进行馈电，保证了两个二元子阵2的极化方向相同，因此两个二元子阵2分别所产生的辐射方向图同相叠加后，波束的主辐射方向在圆锥形介质基板1的轴线方向，实现了轴向辐射。

参照图5，所述第一金属隔离板4、第二金属隔离板5和第三金属隔离板6，相互平行地固定在支撑介质基板3上，且相邻金属隔离板间的距离为λ0/2，第二金属隔离板5与两个二元子阵2的中心线m以及圆锥形介质基板1的回转轴组成的平面垂直交叉，交叉线与圆锥形介质基板1的回转轴重合；所述两个平面偶极子天线单元7，平行固定在支撑介质基板3上，其中的一个平面偶极子天线单元7位于第一金属隔离板4与第二金属隔离板5之间，另一个平面偶极子天线单元7位于第二金属隔离板5与第三金属隔离板6之间，且两个平面偶极子天线单元7与所述的三块金属隔离板平行。所述第一金属隔离板4、第二金属隔离板5以及第三金属隔离板6，高度均为13mm，且大于反射板73的高度，第二金属隔离板5的宽度与反射板73的宽度相等，第一金属隔离板4和第三金属隔离板6的宽度为20mm，小于第二金属隔离板5的宽度；所述第一金属隔离板4、第二金属隔离板5以及第三金属隔离板6板面的中心法线共线；所述两个平面偶极子天线单元7与各自相邻的金属隔离板间的距离相等，且微带馈线75短边的中线位于由两个二元子阵2的中心线m与圆锥形介质基板1的回转轴组成的平面内。因两个平面偶极子天线单元7的h面波瓣宽度很宽，沿该方向进行组阵时，阵列单元间存在强烈的互耦，致使方向图出现畸变，且随着频率的增加副瓣电平迅速升高；金属隔离板的加载减小了两个平面偶极子天线单元7间的耦合，改善了天线各端口阻抗匹配，降低天线副瓣电平。金属隔离板的高度太高或太低时，天线副瓣有所升高，略高于两个平面偶极子天线单元7的反射板时副瓣最低；金属隔离板与天线单元反射板等宽时，天线各端口匹配，阻抗带宽宽；因锥形载体的限制，第一金属隔离板4和第三金属隔离板6的宽度略小于第二金属隔离板5。

参照图6，所述的平面偶极子天线单元7，包括介质基板71、印制在介质基板71一面的第三金属贴片72、反射板73，以及印制在介质基板71另一面的第四金属贴片74、微带馈线75；所述介质基板71的相对介电常数为2.2，厚度为0.787mm，宽度为25mm，高度为30mm；所述第三金属贴片72和第四金属贴片74，均由微带连接线以及与该微带连接线连接的两个辐射偶极子臂组成，且第三金属贴片72的微带连接线位于第四金属贴片74的微带连接线的投影位置，第三金属贴片72的两个辐射偶极子臂与第四金属贴片74的两个辐射偶极子臂镜像对称，第三金属贴片72的结构以及各个部件的参数设置分别与共形单元21的第一金属贴片211相同；所述反射板73与第三金属贴片72相连，反射板73的宽度为25mm，高为7mm；所述第四金属贴片74的底端与微带馈线75的一端相连，该微带馈线75的另一端连接有同轴馈电线76的内芯，所述同轴馈电线76的外部与反射板73连接，微带馈线75的参数设置与共形单元21的微带线214相同，同轴馈电线76的馈点位置距底边距离为1.5mm，内、外芯半径分别为0.2mm和0.5mm。所述第三金属贴片72和第四金属贴片74的微带连接线均采用二阶阶梯渐变的矩形微带结构，其中，第三金属贴片72的微带连接线宽边的一端与反射板(73)相连，第四金属贴片74微带连接线宽边的一端与微带馈线75相连；所述第四金属贴片74的两个辐射偶极子臂均与微带连接线的窄边相连，其中一个辐射偶极子臂与微带连接线窄边的开路端相连，且该微带连接线窄边的开路端顶点处有一个等腰直角三角形的倒角，其边长为b2，b2＝0.5mm，另一个辐射偶极子臂与微带连接线窄边呈50°的夹角，用于实现天线的小型化。在天线设计中，第三金属贴片72和第四金属贴片74中的微带连接线以及微带馈线75，作为反射器的存在，实现了天线的端射辐射特性。

所述两个平面偶极子天线单元7，其与两个二元子阵2的馈电幅度比为2：1，这种天线元电流自阵中心向阵两端递减分布的分布方式，可降低天线的副瓣电平。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：

1、仿真条件和内容：

1.1利用商业仿真软件hfss_17.0对上述实施例中天线各端口的电压驻波比进行仿真计算，结果如图7所示。

1.2利用商业仿真软件hfss_17.0对上述实施例中天线在轴向辐射方向的增益方向图进行仿真计算，结果如图8所示。

1.3利用商业仿真软件hfss_17.0对上述实施例中天线在低、中、高三个频点处的辐射方向图进行仿真计算，结果如图9所示。

2、仿真结果分析：

参照图7，以vswr＜2为标准，实例中电压驻波比带宽范围为7.9ghz～12.43ghz，相对带宽为46％，完全覆盖x波段(8ghz～12ghz)且还有一定程度的展宽，满足了宽频带带宽特性。

参照图8，天线在轴向方向，即圆锥形载体的轴线方向，整个工作频带内的可实现增益在12.18db～15.35db范围内变化。随着频点的增大，增益值先增大后减小；工作频率为11ghz时，增益值最大为15.35db。与现有技术相比，在载体内部组合平面阵列天线，能在实现轴向辐射的同时，天线增益提高了2db左右。

参照图9，以theta＝0°为轴向方向，天线在低、中、高三个频点处的辐射方向图可以看出，天线主辐射方向在圆锥载体的轴线方向，实现了轴向辐射。与现有技术相比，矫正了30°左右。

以上仿真结果说明，与现有技术相比，本发明天线二元子阵的馈电、排布结构以及采用共形的二元子阵和两个平面偶极子天线单元组合的方式，在保证天线满足宽频带的情况下，实现高增益轴向辐射特性，改善了现有技术的不足。

仅是本发明的一个实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。