一种耐高温天线的制作方法

本发明涉及一种耐高温天线。

背景技术：

随着现代通讯和航天技术的迅猛发展，天线作为辐射和接收电磁波的载体，对小型化、可与载体共形、能适应极端环境天线的需求日益增多。现代飞行器高速飞行时，由于受高速气流的冲击，安装于其表面的天线会长时间处于高温环境之中，若不对其进行热防护处理，天线将面临着高温承受能力不足而失效的风险，亟待予以解决。

现有针对耐高温天线的公开报道较少，主要集中在低频、低速等民用领域。

专利CN202977726U(“耐高温天线”)采用的是通过耐高温材料制成的天线罩对天线进行热防护，并用隔热材料层包裹天线本体，以最大程度地确保在高温环境下天线电气性能的稳定可靠。该方法虽可以显著提高天线的耐高温特性，但仅适用于低频天线，对高频段天线其损耗不可忽略、甚至完全不能透波。

专利CN105057826A(“一种无线电引信天线辐射器的真空钎焊方法”)介绍了一种耐高温引信天线的真空钎焊方法，但未对天线原理设计及增强耐高温的方法作相关描述。

2013年《2013年全国微波毫米波会议论文集》杂志中公开的文献《Ka波段宽波束耐高温介质天线研究》，基于介质棒天线及介质谐振器天线的设计原理，提出了一款介质棒-谐振器天线，该天线具有较好的隔热性能和较优的电气性能，但是该天线尺寸较大，安装时不满足气动要求，且不适用于波束倾斜的天线。

2012年《电讯技术》杂志中公开的文献《基于LTCC的S频段新型耐高温天线设计》，介绍了一种可承受400℃高温的贴片天线，该文献的关键技术是通过低温共烧陶瓷和传统的贴片天线进行了结合。该天线损耗大，难以应用在毫米波段。另外，陶瓷基底材质坚硬，无法实现与载体共形。

目前，关于耐高温天线研究领域的报道较少，因此研究易于实现、低副瓣、高辐射效率的耐高温天线日益重要。

技术实现要素：

本发明提供一种耐高温天线，采用与波导一体成型的热容量扩容器吸收从天线罩壁辐射而来的热量，以降低天线结构件的升温速率，减小对连接器等零部件的高温冲击，本发明布局巧妙，结构新颖，可以满足天线在狭小空间里的耐高温需求，确保天线在高温环境下电气性能稳定可靠，具有很强的实用性及应用前景。

为了达到上述目的，本发明提供一种耐高温天线，包含：天线本体、安装在天线本体外侧的天线罩、以及设置在天线本体上的热容量扩容器；

所述的天线本体包含：

辐射波导，该辐射波导上设置辐射缝；

馈电波导，其一端与辐射波导的一端呈90度正交连接；

波导，其与辐射波导的另一端相连接；

连接器，其设置在馈电波导上，且探入馈电波导腔体内；

吸收负载，其设置在波导末端；

短路块，其设置在馈电波导末端；

隔热垫片，其设置在馈电波导和连接器之间；

所述的热容量扩容器与馈电波导呈一体化结构，其位于辐射波导和连接器之间，该热容量扩容器包含：

多个金属阵列，其包含多个以阵列形式排列的金属柱，该金属阵列与馈电波导呈一体化结构；

法兰盘，其位于金属阵列周围，该法兰盘与馈电波导呈一体化结构；

多个非金属器件，其固定安装在法兰盘上，套设在金属阵列上并接触金属阵列。

所述的馈电波导与辐射波导的内腔壁尺寸相同，所述的波导与辐射波导的内腔壁尺寸相同。

所述的辐射波导的宽边中心线的一侧设置并联谐振式连续辐射缝，辐射缝的长度和辐射缝偏离波导中心线的距离都是可调节的。

所述的辐射缝偏离波导中心线的距离的计算方法包含：

基于式(1)和式(2)可以计算得出线面电流分布：

式中：η＝-20lg[cos(πA)]，η为副瓣电平，A是一个中间变量；p是一个中间变量，r为天线口径，x是等间距抽样时，抽样点距离阵列中间的距离；m是求和时的个数顺序编号，从1开始，止于n是求积时的个数顺序编号，从1开始，止于为等副瓣个数，是一个正整数；

计算出的电流值等效为电导，利用电导g的公式(3)求出线阵缝隙偏离波导中心线的一系列距离值：

式中：a为波导宽边尺寸；b为波导窄边尺寸；λ为波长；λg为波导波长；d为辐射缝隙距离波导宽边中心线的距离。

所述的隔热垫片包含中心通孔和设置在中心通孔孔壁外沿的焊盘，中心通孔经过金属化处理，焊盘设置在隔热垫片的上表面靠近中心通孔孔壁处和下表面靠近中心通孔孔壁处。

所述的隔热垫片采用非金属的聚四氟乙烯板。

采用真空钎焊方法连接辐射波导和馈电波导。

所述的天线罩的材料采用在石英纤维三维编织体中加入石英料浆高温烧结而成，天线罩的形状与载体共形。

所述的非金属器件包含多个尺寸和位置都与金属柱匹配的通孔，该通孔接触金属柱。

所述的非金属器件的材料采用聚酰亚胺。

本发明提供了一种可在高气动加热环境下工作的低副瓣天线，采用与波导一体成型的热容量扩容器吸收从天线罩壁辐射而来的热量，以降低天线结构件的升温速率，减小对连接器等零部件的高温冲击，本发明布局巧妙，结构新颖，可以满足天线在狭小空间里的耐高温需求，确保天线在高温环境下电气性能稳定可靠，具有很强的实用性及应用前景。

附图说明

图1是本发明提供的一种耐高温天线的结构示意图。

图2是天线本体的结构示意图。

图3是辐射波导的俯视图。

图4是隔热垫片的俯视图。

图5和图6是热容量扩容器的结构示意图。

具体实施方式

以下根据图1～图6，具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，本发明提供一种耐高温天线，包含：天线本体10、安装在天线本体10外侧的天线罩20、以及设置在天线本体10上的热容量扩容器30，所述的天线本体10用于辐射电磁波并接收来自目标的电磁波回波，所述的天线罩20将安装到载体上的天线本体10完全遮盖住，避免天线直接暴露在高速气流中，保护天线本体10免受外部热流的影响，具有隔热和透波功能，并满足气动要求，所述的热容量扩容器30用于扩大引信的热容量，降低天线本体10的温升速率。

如图2所示，所述的天线本体10包含：

辐射波导101，该辐射波导101为单根矩形波导，其内腔壁尺寸由天线辐射波束的倾斜角度决定，该辐射波导101上设置辐射缝，用于辐射能量；

馈电波导102，其一端与辐射波导101的一端呈90度正交连接，该馈电波导102的内腔壁尺寸与辐射波导101相同，该馈电波导102用于馈电并作为连接器104、短路块106和隔热垫片107的载体；

波导103，其与辐射波导101的另一端相连接，该波导103的内腔壁尺寸与辐射波导101相同，用作装配吸收负载105的载体；

连接器104，其设置在馈电波导102上，且探入馈电波导102腔体内，所述的连接器104距离馈电波导102末端的距离与连接器104在馈电波导102腔体的探入深度共同实现从馈电波导102到连接器104的阻抗匹配，以实现从波导到同轴的转换；

吸收负载105，其设置在波导103末端，用于吸收经辐射波导101上辐射缝隙辐射剩余的能量；

短路块106，其设置在馈电波导102末端，用于使波导形成一个闭合空间；

隔热垫片107，其设置在馈电波导102和连接器104之间，用于将经过热容量扩容器吸收后剩余的热流隔绝，避免剩余的热流冲击连接器103。

螺钉108，其作用是将连接器104和隔热垫片107固定安装在馈电波导102上。

在所述的辐射波导101的波导宽壁上纵向并联缝隙，且是在波导宽边中心线的一侧开一系列谐振式辐射缝，通过改变缝隙相对波导中心的偏置距离和微调缝隙长度调节天线的谐振程度和副瓣。

辐射缝的长度近似为工作频率的一半，辐射缝的长度受缝隙宽度、缝隙距离波导中心线的距离、波导壁的厚度等因素有关系。

如图3所示，在辐射波导101宽边中心线1011的一侧设置一条连续辐射缝1012，天线的口径场分布按泰勒线阵进行加权设计，泰勒分布是针对连续线阵得出的，实际运用中是通过采样将理想分布离散化。

基于式(1)和式(2)可以计算得出线面电流分布：

式中：η＝-20lg[cos(πA)]，η为副瓣电平，A是一个中间变量；p是一个中间变量，r为天线口径，x是等间距抽样时，抽样点距离阵列中间的距离；m是求和时的个数顺序编号，从1开始，止于n是求积时的个数顺序编号，从1开始，止于

其中，为等副瓣个数，是一个正整数，本实施例中取6，该值越大分布越接近Chebyshev分布，本实施例中副瓣电平取-35dB，待计算出线阵的电流分布后，可以利用电流和并联电导间的等效关系和基于宽边纵向并联缝的电导与缝隙距离波导中心线距离间的关系，即利用电导g的计算公式(3)所示求出线阵缝隙偏离波导中心线的一系列距离值。

式中：a为波导宽边尺寸；b为波导窄边尺寸；λ为波长；λg为波导波长；d为辐射缝隙距离波导宽边中心线的距离。

如图4所示，所述的隔热垫片107以半埋入式限位安装方式固定在馈电波导102外壁上，该隔热垫片包含中心通孔1071和设置在中心通孔孔壁外沿的焊盘1072，中心通孔1071经过金属化处理，焊盘1072设置在隔热垫片107的上表面靠近中心通孔孔壁处和下表面靠近中心通孔孔壁处，本实施例中，所述的隔热垫片107采用非金属的聚四氟乙烯板，隔热垫片106的厚度受板材材质、重量限制、安装空间限制、结构可靠性等因素限制，厚度采用经过计算后的最优值。

本实施例中，采用真空钎焊方法连接辐射波导101和馈电波导102。

所述的天线罩20的材料采用在石英纤维三维编织体中加入石英料浆高温烧结而成，可长时间承受高温作用，用以保护天线避免直接承受热流冲击；该天线罩20的形状与载体共形；该天线罩20的壁厚按照半波壁厚度原理进行设计，天线罩20的具体壁厚可根据透波率、增益等要求对半波壁理论厚度进行微调，以尽可能提高天线罩的透波率，减小其对天线的损耗；该天线罩20与天线本体10之间的间隔距离需经计算优化。

如图5和图6所示，所述的热容量扩容器30与馈电波导102呈一体化结构，其位于辐射波导101和连接器104之间，该热容量扩容器30包含：

多个金属阵列302，其包含多个以阵列形式排列的金属柱3021，该金属阵列302与馈电波导102呈一体化结构，所述的金属阵列302用于增大与非金属器件301的接触表面积，加快非金属器件301的吸热速率；

法兰盘303，其位于金属阵列周围，该法兰盘303与馈电波导102呈一体化结构，所述的法兰盘303用于固定安装非金属器件301，本实施例中，法兰盘303采用上下两块式结构；

多个非金属器件301，其包含多个尺寸和位置都与金属柱3021匹配的通孔3011，该非金属器件301固定安装在法兰盘303上，套设在金属阵列302上并接触金属阵列302，所述的非金属器件301的材料采用聚酰亚胺，该材料的热容量大，可用作吸收来自天线结构件的热量，降低其升温速率，减小对连接器104的高温冲击。

所述的金属阵列302由尺寸较小的金属方柱形成周期性的阵列，其单元尺寸和周期间距在考虑可加工的基础上通过ANSOFT软件进行优化得到，其最优结构如图6所示，在本发明的一个实施例中，金属阵列302为一个2×3的阵列，金属柱3021的长度L为2mm，宽度W为1.5mm，阵列的横向缝宽T和纵向缝宽H均为1.8mm。

本发明提供了一种可在高气动加热环境下工作的低副瓣天线，采用与波导一体成型的热容量扩容器吸收从天线罩壁辐射而来的热量，以降低天线结构件的升温速率，减小对连接器等零部件的高温冲击，本发明布局巧妙，结构新颖，可以满足天线在狭小空间里的耐高温需求，确保天线在高温环境下电气性能稳定可靠，具有很强的实用性及应用前景。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。