一种超宽带微带圆柱共形阵列天线的制作方法

本发明涉及超宽带天线技术领域，更具体地说是一种超宽带微带圆柱共形阵列天线。

背景技术

近年来，超宽带天线已广泛应用于电子对抗系统、超宽带雷达、卫星通信、探雷等军事方面，而且在高速无线局域网、家庭网络及无线电话等方面也有广泛的需求。基于微带的超宽带天线虽然具有低剖面、易于共形等优点，但是由于微带天线具有窄频带的固有缺陷，使其应用范围受到了很大限制。

超宽带圆柱共形阵列天线是多副共形阵列天线位于一个空心圆柱载体内外表面上的一种天线形式，通过对于共形阵列天线合理的设计和在空心圆柱载体上的布局，此天线能实现具备超宽带、体积小、辐射效率高、覆盖全面等优点。但是共形阵在理论分析和工程设计上也会更加复杂，因为单元的位置不在同一平面上，并且单元间距并不都是相等的，以至于各辐射单元的方向图综合复杂；并且，必须沿辐射表面进行开关馈电，因此馈电系统设计复杂；此外，还存在单元互耦分析复杂，单元互耦分析复杂，工程实现困难等问题。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。为此，本发明提出一种易共形、尺寸小、超宽带、高增益、结构简单的超宽带微带圆柱共形阵列天线，以期能满足飞机、导弹、卫星等飞行器的空间要求，从而减少空气阻力，解决安装冲突、天线遮挡和电磁兼容等一系列问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超宽带微带圆柱共形阵列天线，由多个微带对数周期天线单元沿周向以等间距间隔印制在空心圆柱体侧面形成共形，所述微带对数周期天线单元的结构设置为：

一对分形偶极子阵列贴片分别与空心圆柱体的内、外表面共形，并是以矩形馈线为中心左右对称分布；

任一分形偶极子阵列贴片均是由多个koch曲线结构的分形单极子沿纵向间隔布设、并是按左右交错排列在所述矩形馈线的两侧，每个分形单极子的长度和宽度均不相同，相邻两个分形单极子间的纵向间距也不相同，各分形单极子分别与所述矩形馈线相连，馈电端口设置在矩形馈线邻近最短分形单极子的一侧上，所述一对分形偶极子阵列贴片的两个矩形馈线分别与外部的一对双线传输线相连通；

所述超宽带微带圆柱共形阵列天线是是由一对双线传输线向多个微带对数周期天线单元同时馈电，能量从最短的分形偶极子一端辐射出去，从而形成以所述分形偶极子阵列贴片为辐射区，以所述矩形馈线为传输区，以一对双线传输线为馈电区，实现能量的接收和发送。

本发明的结构特点也在于：

所述koch曲线结构的分形单极子的结构为：

将横杆状的分形单极子三等分，中间部分的底端呈尖端朝下的等边三角形结构，顶端具有矩形凹陷，形成所述koch曲线结构。

利用式(1)、(2)可以获得所述分形偶极子阵列贴片的各分形单极子的长度、宽度以及相邻两个分形单极子间的纵向间距：

其中，ln为分形单极子的长度，dn为相邻两个分形单极子的纵向间距，将各分形单极子末端连线的延长线相交于一点，从交点到各个分形单极子的垂直距离表示为rn，两延长线的夹角为2α。最长分形单极子的长度记为l1，与相邻分形单极子间距为d1，从交点到最长单极子的距离为r1，以此类推。比例因子τ一般满足0.7≤τ≤0.95。

任一微带对数周期天线单元中，是以位于同一水平高度的左右两个分形单极子构成分形偶极子，相邻的两分形偶极子交叉馈电。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明选用的共形天线是对数周期天线，对数周期天线的阻抗和辐射特性按照激励频率的对数函数有规律地重复，所以此类天线容易实现超宽带特性，并且可以定向辐射；

2、微带对数周期天线采用koch曲线结构的分形偶极子，与传统的直偶极子相比，在不损失天线带宽以及增益的情况下，减小了对数周期天线的尺寸，从而大大减小了对数周期天线阵列的尺寸，减小了所共形圆柱载体的直径，实现了天线的小型化；

3、微带天线一般很难实现高增益，一般增益在6db左右，而本发明的圆柱共形阵列天线采用双线传输线同时向多个微带对数周期天线单元馈电，这种馈电方式能有效提高天线的增益，使天线能够满足更高的性能要求；

4、本发明采用非常适合与载体共形的微带天线，微带贴片印制在圆柱体表面，易于加工，造价低廉，能有效节省阵列空间，减轻阵列重量，并且能避免安装冲突、电磁兼容等问题。

附图说明

图1是本发明超宽带微带圆柱共形阵列天线的立体结构示意图；

图2是图1中微带对数周期天线单元的正视结构示意图；

图3是图2中其中一个分形偶极子阵列贴片的正视结构示意图；

图4是图2中另一个分形偶极子阵列贴片的正视结构示意图；

图5是本发明的回波损耗图；

图6是本发明工作在低频的增益图；

图7是本发明工作在中心频点的增益图；

图8是本发明工作在高频的增益图。

图中，1空心圆柱体；2微带对数周期天线单元；3分形偶极子阵列贴片；4矩形馈线；5分形单极子；6馈电端口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，本实施例的一种超宽带微带圆柱共形阵列天线是由5个微带对数周期天线单元2沿周向以等间距间隔印制在空心圆柱体1侧面形成共形，即，以空心圆柱体1为载体，5个微带对数周期天线单元2呈中心对称分布，结构简单，不仅可以实现多波束，还可以实现360°的波束覆盖，其中，微带对数周期天线单元2的结构设置为：

一对完全相同的分形偶极子阵列贴片3分别与空心圆柱体1的内、外表面共形，并是以矩形馈线4为中心左右对称分布；这一设计不会增加载体的体积，不影响载体的表面结构，即使当天线载体的运动速度很高时，天线也不会对载体的空气动力形成阻力。圆柱介质双层基板采用微带印刷技术可以实现对数周期天线的高精度和小型化；

请参照图2至图4，任一分形偶极子阵列贴片3均是由多个koch曲线结构的分形单极子5沿纵向间隔布设、并是按左右交错排列在矩形馈线4的两侧，各分形单极子5分别与矩形馈线4相连，馈电端口6设置在矩形馈线4邻近最短分形单极子5的一侧上，一对分形偶极子阵列贴片3的两个矩形馈线4分别与外部的一对双线传输线相连通；

任一微带对数周期天线单元2中，是以位于一对分形偶极子阵列贴片3上处于同一水平高度的两个分形单极子5构成分形偶极子，微带对数周期天线单元2是由n个平行分形偶极子按一定的比例关系排列而成，由一对双线传输线馈电。为了使方向图指向短分形偶极子一端，相邻的两分形偶极子交叉馈电；

超宽带微带圆柱共形阵列天线是是由一对双线传输线向5个微带对数周期天线单元2同时馈电，能量从最短的分形偶极子一端辐射出去，从而形成以分形偶极子阵列贴片3为辐射区，以矩形馈线4为传输区，以一对双线传输线为馈电区，实现能量的接收和发送。

具体实施中，相应的结构设置也包括：

koch曲线结构的分形单极子5的结构为：

将横杆状的分形单极子5三等分，中间部分的底端呈尖端朝下的等边三角形结构，顶端具有矩形凹陷，形成koch曲线结构。koch分形结构所具有的独特的空间填充的性质使得天线可以在很小面积内实现很长的电流路径，相对于相同长度的普通偶极子，能够有效地缩减天线的尺寸。

分形偶极子阵列贴片3中的每个分形单极子5的长度和宽度均不相同，相邻两个分形单极子5间的纵向间距也不相同，具体利用式(1)、式(2)可以获得分形偶极子阵列贴片3的各分形单极子5的长度、宽度以及相邻两个分形单极子5间的纵向间距：

其中，ln为分形单极子5的长度，dn为相邻两个分形单极子5的纵向间距，将各分形单极子5末端连线的延长线相交于一点，从交点到各个分形单极子5的垂直距离表示为rn，两延长线的夹角为2α。最长分形单极子5的长度记为l1，与相邻分形单极子5间距为d1，从交点到最长单极子的距离为r1，以此类推。比例因子τ一般满足0.7≤τ≤0.95。当比例因子τ和结构张角2α确定后，微带对数周期天线的结构也就确定了。

具有上述结构的微带对数周期天线单元2采用同轴馈电，比较容易实现阻抗匹配，且不会对天线的辐射产生影响。馈电端口6设置在最短的分形偶极子一侧，工作时，同时向5个微带对数周期天线单元2加等幅同相激励。当在fi频率工作时，几个长度近似于λi/2的分形偶极子作为有效区，有效区上方较短的分形偶极子作为传输区，有效区下面较长的分形偶极子作为反射区，馈电点输入的电磁波能量沿着矩形馈线4从最短分形偶极子端往最大分形偶极子端传输，当能量传输到有效区时，这个分形偶极子就能够激发较大的电流并向自由空间中辐射电磁波。能量向最短的分形偶极子一端单向辐射，有效区输入阻抗为纯电阻，它的电流比周围的分形偶极子大很多，较长的分形偶极子电流相位滞后于有效区分形偶极子，由于交叉连接，相位反转，使其相位在有效区分形偶极子的前面，合成场的最大方向指向馈电端，且较短分形偶极子又相当于引向器，所以形成的方向图是指向馈电端口6。

经过仿真测试，在5个对数周期天线单元同时工作时，微带圆柱共形阵列天线的回波损耗s11在3.7ghz-13.2ghz的频段内均小于-10db，如图5所示，其工作频带宽度为9.5ghz，相对带宽达到112％，满足工程对于超宽带天线工作带宽的要求。

微带圆柱共形阵列天线工作在低频4ghz时的3d增益图如图6所示，增益为5.11db；天线工作在中心点6ghz时的3d增益图如图7所示，天线的增益为7.72db；天线工作在高频12ghz时的3d增益图如图8所示，天线增益为9.72db；可见随着频率的增加，天线的增益也会提高。由3d增益图可以看出该阵列天线在法线方向的远场辐射有部分凹陷，这是由于附加的相位差使沿着theta＝0°方向的主瓣显著地锐化。

本发明将微带对数周期天线单元2以共形的方式印制在空心圆柱体1内、外表面，结构简单，而且对数周期天线采用了koch曲线结构的偶极子，大大减小了天线的尺寸，通过合理的空间布局，提高了空间利用率，具有易共形、尺寸小、超宽带、高增益等优点，能满足飞机、卫星、导弹、火箭等飞行器的共形需求。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。