C波段小孔径定向辐射表面波天线单元、阵列天线及相控阵优化法

本发明具体涉及一种c波段小孔径定向辐射表面波天线单元、阵列天线及相控阵优化法。

背景技术：

1、定向辐射天线，即定向天线是一种在某一个或某几个特定方向上发射及接收电磁波能力特别强，而在其他的方向上发射及接收电磁波能力则为零或极小的一种天线。定向天线的工作原理主要基于其辐射模式和极化方式。通过改变天线的形状、尺寸以及辐射元件和反射元件的配置，可以控制电磁波的辐射特性。定向天线通常具有一个主波束，该波束的方向和宽度由天线的设计和构造决定。无人机等机动平台需要天线实现波束扫描功能，从而实现通信、探测等功能。由于平台尺寸限制，天线必须安装在机头等部位才能实现前后向波束指向。目前已有的相控阵天线阵列单元常选用微带形式，此结构一方面增益较低，在空间受限平台应用时，由于辐射口面尺寸限制，可集成的阵元数量有限，使得天线阵列增益无法达到预期要求；另一方面，由于天线阵列必须安装在机动平台表面，要求天线共形安装以符合空气动力学标准，微带形式天线由于基板材质的限制，难以共形安装及保证性能的稳定。而微带形式天线基板材质为刚性，在加工安装时难以与机头紧密贴合。这导致飞行器在飞行时的受力特性发生改变，进而使得飞行器的飞行速度、姿态和稳定性等受到影响。因此亟需天线共性安装特性的提升且满足飞行器原本的空气动力学的相关要求。由于辐射口面尺寸以及基板材质的双重限制，导致集成的阵元数量以及共形安装受限难以兼顾解决。目前在小口面小尺寸可共形等限制下，难以实现持续高增益高性能的波束扫描特性问题凸显，小尺寸和高增益的双重凸显特征难以兼顾融合。

技术实现思路

1、为克服现有技术所存在的缺陷，现提供一种c波段小孔径定向辐射表面波天线单元、阵列天线及相控阵优化法，以解决上述问题。

2、c波段小孔径定向辐射表面波天线单元，包括同轴线馈线接头、平衡微带板，转换板、波导传输板、介质棒和加载地板，所述加载地板为长条形板体，所述加载地板水平设置，所述平衡微带板、转换板和波导传输板沿加载地板长度方向依次竖直设置在加载地板上，平衡微带板为薄板，波导传输板为厚板，转换板为厚度渐变板，转换板的厚度从靠近波导传输板的一端至远离波导传输板的另一端依次递减，所述平衡微带板的一侧设置有同轴线馈线接头，平衡微带板的另一侧与转换板的一端相连接，转换板的另一端与波导传输板的一端相连接，波导传输板的另一端设置有介质棒，介质棒的一端为连接端，介质棒的连接端与波导传输板相连接，介质棒的另一端为悬空端，介质棒的宽度从连接端至悬空端依次递减，介质棒沿其厚度方向中心轴线的纵向截面形状为楔形。

3、作为优选方案：介质棒沿其厚度方向加工有多个空气孔，多个空气孔沿介质棒长度方向依次设置，空气孔为圆孔，空气孔的孔径小于或等于介质棒最大宽度的五分之一。

4、作为优选方案：加载地板的顶侧与介质棒下侧之间形成有渐变豁口，渐变豁口的宽度从悬空端至连接端依次递减。

5、作为优选方案：加载地板的一端与所述平衡微带板的一侧相齐平设置，加载地板的另一端为外凸端，外凸端至悬空端之间的水平距离为小于或等于加载地板长度的四分之一。

6、作为优选方案：同轴线馈线接头与平衡微带板的一侧外壁相连接，同轴线馈线接头包括接头本体、内芯条和挡套，所述接头本体为圆柱体，所述挡套为外方内圆套体，挡套套装在接头本体靠近平衡微带板的一端处，平衡微带板分别与挡套和接头本体相连接，内芯条的一端穿设在接头本体内，内芯条的另一端贴靠在平衡微带板的一侧外壁上。

7、c波段小孔径定向辐射表面波阵列天线，利用上述c波段小孔径定向辐射表面波天线单元组成，包括多排天线组件，多排天线组件从上至下依次布置，每排天线组件包括多个c波段小孔径定向辐射表面波天线单元，多个c波段小孔径定向辐射表面波天线单元依次间隔设置，每两个相邻c波段小孔径定向辐射表面波天线单元之间形成有第一间隙，两排相邻天线组件中处于上排天线组件中的多个c波段小孔径定向辐射表面波天线单元与处于下排天线组件中的多c波段小孔径定向辐射表面波天线单元一一对应设置，处于上排天线组件中的一个c波段小孔径定向辐射表面波天线单元与其对应的处于下排天线组件中的一个c波段小孔径定向辐射表面波天线单元之间形成有第二间隙；

8、每个c波段小孔径定向辐射表面波天线单元包括同轴线馈线接头、平衡微带板，转换板、波导传输板、介质棒和加载地板，所述加载地板为长条形板体，所述加载地板水平设置，所述平衡微带板，转换板和波导传输板沿加载地板长度方向依次竖直设置在加载地板上，平衡微带板为薄板，波导传输板为厚板，转换板为厚度渐变板，转换板的厚度从靠近波导传输板的一端至远离波导传输板的另一端依次递减，所述平衡微带板的一侧设置有同轴线馈线接头，平衡微带板的另一侧与转换板的一端相连接，转换板的另一端与波导传输板的一端相连接，波导传输板的另一端设置有介质棒，介质棒的一端为连接端，介质棒的连接端与波导传输板相连接，介质棒的另一端为悬空端，介质棒的宽度从连接端至悬空端依次递减，介质棒沿其厚度方向中心轴线的纵向截面形状为楔形。

9、c波段小孔径定向辐射表面波阵列天线的相控阵优化法，利用上述c波段小孔径定向辐射表面波阵列天线实现，相控阵优化法为通过多个c波段小孔径定向辐射表面波天线单元组成c波段小孔径定向辐射表面波阵列天线时，对c波段小孔径定向辐射表面波阵列天线的激励幅度分布进行优化处理，通过全波仿真软件得到的阵元方向图进行导出，导出后的阵元方向图与阵因子乘积后，结合人工智能技术，直接优化阵列方向图，所得到的优化结果与标准指标要求相比对，从而完成对c波段小孔径定向辐射表面波阵列天线激励幅度分布的优化过程。

10、本发明的有益效果在于：

11、1、本发明中的c波段小孔径定向辐射表面波天线单元通过同轴线馈线接头、平衡微带板，转换板、波导传输板、介质棒和加载地板之间相互配合形成的天线单元结构形式能够实现小孔径的条件下高增益效果，使小孔径和高增益的双重特性的同步兼顾，受周边环境的影响小，适配于不同的安装条件以及安装曲面结构，提升快速处理的应急反应能力，适于恶劣或其他快速反应使用环境中。

12、2、本发明中的c波段小孔径定向辐射表面波阵列天线是一种阵列天线，结构布置合理，能够通过电子方式控制天线方向图，实现波束扫描功能，使用时安装在与机头部位共形的支架结构上，可贴附适配于任意曲面。本发明c波段小孔径定向辐射表面波阵列天线对于载体原本的空气动力学特性影响较小，更加适用于飞行器应用领域，实现适配于应急或其他恶劣极限环境下使用。

13、3、本发明中的c波段小孔径定向辐射表面波阵列天线的相控阵优化法能够对c波段小孔径定向辐射表面波阵列天线的激励幅度分布进行优化处理，利于c波段小孔径定向辐射表面波阵列天线使用前的性能预估以及使用后的反馈评价，利于提升对c波段小孔径定向辐射表面波阵列天线全面数据掌控以及后续改良优化处理的质量。

技术特征：

1.一种c波段小孔径定向辐射表面波天线单元，其特征在于：包括同轴线馈线接头（1）、平衡微带板（2）、转换板（3）、波导传输板（4）、介质棒（5）和加载地板（6），所述加载地板（6）为长条形板体，所述加载地板（6）水平设置，所述平衡微带板（2）、转换板（3）和波导传输板（4）沿加载地板（6）长度方向依次竖直设置在加载地板（6）上，平衡微带板（2）为薄板，波导传输板（4）为厚板，转换板（3）为厚度渐变板，转换板（3）的厚度从靠近波导传输板（4）的一端至远离波导传输板（4）的另一端依次递减，所述平衡微带板（2）的一侧设置有同轴线馈线接头（1），平衡微带板（2）的另一侧与转换板（3）的一端相连接，转换板（3）的另一端与波导传输板（4）的一端相连接，波导传输板（4）的另一端设置有介质棒（5），介质棒（5）的一端为连接端，介质棒（5）的连接端与波导传输板（4）相连接，介质棒（5）的另一端为悬空端（5-1），介质棒（5）的宽度从连接端至悬空端（5-1）依次递减，介质棒（5）沿其厚度方向中心轴线的纵向截面形状为楔形。

2.根据权利要求1所述的c波段小孔径定向辐射表面波天线单元，其特征在于：介质棒（5）沿其厚度方向加工有多个空气孔（5-2），多个空气孔（5-2）沿介质棒（5）长度方向依次设置，空气孔（5-2）为圆孔，空气孔（5-2）的孔径小于或等于介质棒（5）最大宽度的五分之一。

3.根据权利要求1所述的c波段小孔径定向辐射表面波天线单元，其特征在于：加载地板（6）的顶侧与介质棒（5）下侧之间形成有渐变豁口（7），渐变豁口（7）的宽度从悬空端（5-1）至连接端依次递减。

4.根据权利要求3所述的c波段小孔径定向辐射表面波天线单元，其特征在于：加载地板（6）的一端与所述平衡微带板（2）的一侧相齐平设置，加载地板（6）的另一端为外凸端（6-1），外凸端（6-1）至悬空端（5-1）之间的水平距离为小于或等于加载地板（6）长度的四分之一。

5.根据权利要求1所述的c波段小孔径定向辐射表面波天线单元，其特征在于：同轴线馈线接头（1）与平衡微带板（2）的一侧外壁相连接，同轴线馈线接头（1）包括接头本体（1-1）、内芯条（1-2）和挡套（1-3），所述接头本体（1-1）为圆柱体，所述挡套（1-3）为外方内圆套体，挡套（1-3）套装在接头本体（1-1）靠近平衡微带板（2）的一端处，平衡微带板（2）分别与挡套（1-3）和接头本体（1-1）相连接，内芯条（1-2）的一端穿设在接头本体（1-1）内，内芯条（1-2）的另一端贴靠在平衡微带板（2）的一侧外壁上。

6.一种c波段小孔径定向辐射表面波阵列天线，利用权利要求1至5中任一项所述的c波段小孔径定向辐射表面波天线单元组成，其特征在于：包括多排天线组件，多排天线组件从上至下依次布置，每排天线组件包括多个c波段小孔径定向辐射表面波天线单元（10），多个c波段小孔径定向辐射表面波天线单元（10）依次间隔设置，每两个相邻c波段小孔径定向辐射表面波天线单元（10）之间形成有第一间隙（11），两排相邻天线组件中处于上排天线组件中的多个c波段小孔径定向辐射表面波天线单元（10）与处于下排天线组件中的多c波段小孔径定向辐射表面波天线单元（10）一一对应设置，处于上排天线组件中的一个c波段小孔径定向辐射表面波天线单元（10）与其对应的处于下排天线组件中的一个c波段小孔径定向辐射表面波天线单元（10）之间形成有第二间隙（12）；

7.一种c波段小孔径定向辐射表面波阵列天线的相控阵优化法，利用权利要求6所述的c波段小孔径定向辐射表面波阵列天线实现，其特征在于：相控阵优化法为通过多个c波段小孔径定向辐射表面波天线单元（10）组成c波段小孔径定向辐射表面波阵列天线时，对c波段小孔径定向辐射表面波阵列天线的激励幅度分布进行优化处理，通过全波仿真软件得到的阵元方向图进行导出，导出后的阵元方向图与阵因子乘积后，结合人工智能技术，直接优化阵列方向图，所得到的优化结果与标准指标要求相比对，从而完成对c波段小孔径定向辐射表面波阵列天线激励幅度分布的优化过程。

技术总结
C波段小孔径定向辐射表面波天线单元、阵列天线及相控阵优化法。由于辐射口面尺寸以及基板材质的双重限制，导致集成的阵元数量以及共形安装受限难以兼顾解决；本发明中平衡微带板、转换板和波导传输板依次设在加载地板上，转换板的厚度从靠近波导传输板的一端至远离波导传输板的另一端依次递减，所述平衡微带板的一侧设置有同轴线馈线接头，平衡微带板的另一侧与转换板的一端相连接，转换板的另一端与波导传输板的一端相连接，波导传输板的另一端设置有介质棒，介质棒的一端为连接端，介质棒的连接端与波导传输板相连接，介质棒的另一端为悬空端，介质棒的宽度从连接端至悬空端依次递减，介质棒沿其厚度方向中心轴线的纵向截面形状为楔形。

技术研发人员：徐彤,王利博,林澍,刘致衡,李萍玉
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2025/3/18