固定频率锥状波束扫描天线的制作方法

本发明属于无线电引信系统天线和动中通系统天线技术领域，特别是一种结构简单，利用微波铁氧体的旋磁特性，剖面低，能在固定频率下保持一定增益实现锥状波束的锥状波束扫描天线。

背景技术：

锥状波束天线用于满足引信系统天线和动中通系统天线多功能、高增益、实时追踪性的功能需求。在引信系统天线中，远场最大辐射方向位于与其轴线成某一倾角的锥面上，并实时调整波束与弹体中心轴的角度用以调整最佳起爆面，从而提高引信与战斗部的配合效率。在汽车、火车、飞机和轮船移动过程中的动中通系统天线，通过实时调整天线波束指向，始终对准卫星，锥状波束的增益、波束跟踪性能介于相控阵天线和全向天线之间，提高移动卫星通信的质量。

单元结构或辐射单元组阵结构都能够产生锥状波束，通过改变阵列间距、天线高度、辐射单元模式等方法控制锥角，但这些参数在制造天线时已确定，不能实现固定频率下的锥状波束扫描。目前国内外针对锥状波束扫描方面的研究依然欠缺，但引信系统和动中通系统中天线对固定频率下扫描的需求比较高，固定频率下保持一定增益的锥状波束角度扫描成为研究热点。

中国发明专利申请“锥状波束扫描cts天线”(申请号：201710759246.0，公开日：2018.01.30)公开了一种锥状波束扫描cts天线，包括h面加脊喇叭、pillbox偏置抛物盒、u型平板弯头和平板波导cts阵列，其中平板波导cts阵列置于pillbox偏置抛物盒上方，其一侧与u型平板弯头一端相连，u型平板弯头的另一端与pillbox偏置抛物盒的口径端口相连，h面加脊喇叭置于与pillbox偏置抛物盒反射面相对的pillbox偏置抛物盒侧壁上，其相位中心对准pillbox偏置抛物盒反射面上某一固定点。

上述天线具有较宽的频带和较高的增益，然而其仍然存在以下问题：

1、其天线辐射阵列与馈电网络采用双层结构，剖面高，结构复杂，需要投入成本较高；

2、该天线采用机械扫描控制h面波束，扫描速度较慢、精度较差，且虽专利题目为锥状波束扫描，但实际是定向波束扫描，无法在固定频率下进行锥状波束电扫描。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种固定频率锥状波束扫描天线，结构简单、剖面低、能在固定频率下保持一定增益实现锥状波束扫描，且天线波束稳定。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种固定频率锥状波束扫描天线，包括平面电路馈电网络2、标准50ωsma同轴连接器3、圆形天线地板4和多个条形辐射单元1；所述多个条形辐射单元1沿所述天线地板4周向均匀布置于天线地板4上表面，每个条形辐射单元1沿天线地板4径向伸展；所述标准50ωsma同轴连接器3穿过天线地板4，通过置于天线地板4上表面的平面电路馈电网络2对条形辐射单元1垂直馈电；所述每个条形辐射单元1包括一条形微波铁氧体11，所述条形微波铁氧体11的上表面紧贴有上金属面12，条形微波铁氧体11的下表面紧贴有下金属面13，所述下金属面13和上金属面12通过紧贴于条形微波铁氧体11一侧面的侧金属面14固定连接；所述下金属面13与天线地板4上表面密封固定连接；所述上金属面12与平面电路馈电网络2电连接。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、结构简单：天线一体化设计，右侧面开路加载微波铁氧体的辐射单元、平面电路馈电网络与天线地板之间采用金属导电胶粘连，无需焊接、螺丝固定，成本低，重量轻，安装调试简单，其连接缝隙小，精度高，天线性能较好。

2、剖面低：天线高度主要由右侧面开路加载微波铁氧体的辐射单元决定，选用钇铁石榴石铁氧体作为加载材料，高度为1.6mm。

3、固定频率下保持一定增益的锥状波束扫描：利用微波铁氧体的旋磁特性，控制铁氧体厚度方向的外加偏置磁场进行波束扫描，锥状波束扫描角度为14°～34°，周向不圆度均小于0.5db，增益为8.1db～10.5db。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明锥状波束扫描天线的三维结构示意图。

图2是图1中右侧面开路加载铁氧体的矩形波导结构尺寸示意图。

图3是图1的平面电路馈电网络的俯视图。

图4是图3的俯视尺寸示意图。

图5是实施例中锥状波束扫描天线的phi＝0°面方向图。

图6是实施例中锥状波束扫描天线的phi＝90°面方向图。

图7是实施例中锥状波束扫描天线的外加偏置磁场与扫描角度的关系图。

图8是实施例中锥状波束扫描天线的周向不圆度比较图。

图9是实施例中锥状波束扫描天线的s参数曲线图。

图中，条形辐射单元1，平面电路馈电网络2，标准50ωsma同轴连接器3，圆形天线地板4，条形微波铁氧体11，上金属面12，下金属面13，侧金属面14，正多棱柱介质基板21，正多边形金属贴片22，简单微带线23，带短路端耦合线24，加开路枝节微带线25，耦合线242，金属柱241，内导体31，外导体32。

具体实施方式

如图1所示，本发明固定频率锥状波束扫描天线，包括平面电路馈电网络2、标准50ωsma同轴连接器3、圆形天线地板4和多个条形辐射单元1；

所述多个条形辐射单元1沿所述天线地板4周向均匀布置于天线地板4上表面，每个条形辐射单元1沿天线地板4径向伸展；

所述标准50ωsma同轴连接器3穿过天线地板4，通过置于天线地板4上表面的平面电路馈电网络2对条形辐射单元1垂直馈电；

如图2所示，所述每个条形辐射单元1包括一条形微波铁氧体11，所述条形微波铁氧体11的上表面紧贴有上金属面12，条形微波铁氧体11的下表面紧贴有下金属面13，所述下金属面13和上金属面12通过紧贴于条形微波铁氧体11一侧面的侧金属面14固定连接。

所述下金属面13与天线地板4上表面密封固定连接；

所述上金属面12与平面电路馈电网络2电连接。

平面电路馈电网络2的下表面、条形辐射单元1的下金属面13与天线地板4上表面均采用金属导电胶粘连。

如图1、3所示，所述平面电路馈电网络2包括正多棱柱介质基板21、正多边形金属贴片22、多个简单微带线23、多个带短路端耦合线24和多个加开路枝节微带线25；

所述介质基板21、金属贴片22的边数与条形辐射单元1的个数相同；

所述每个带短路端耦合线24包括耦合线242和与耦合线242一端固定连接的金属柱241；

所述正多边形金属贴片22、多个简单微带线23、多个带短路端耦合线24和多个加开路枝节微带线25均位于正多棱柱介质基板21的上表面，所述正多边形金属贴片22的中心与正多棱柱介质基板21的中心重合，所述正多边形金属贴片22的每一边的中点与一简单微带线23的一端相连，所述简单微带线23的另一端与一带短路端耦合线24的一端相连，所述带短路端耦合线24的另一端与加开路枝节微带线25的一端相连，所述加开路枝节微带线25的另一端位于正多棱柱介质基板21的边缘上；

所述简单微带线23、带短路端耦合线24和加开路枝节微带线25均沿天线地板4径向伸展。

所述条形辐射单元1的上金属面12靠近正多棱柱介质基板21一端与加开路枝节微带线25电连接。

如图1所示，所述标准50ωsma同轴连接器3包括内导体31和外导体32；

所述外导体32置于正多棱柱介质基板21之下，所述内导体31的下端与外导体32固定连接，内导体31的另一端穿过天线地板4，与正多边形金属贴片22的中心固定相连。

优选地，

所述介质基板21、金属贴片22的边数均为12。

作为优选，

所述正多棱柱介质基板21为rogers5880，其介电常数为2.2，基板厚度为1.575mm，正切损耗为9×10^-4。

所述金属柱241的直径与耦合线242的宽度相等。

所述内导体31选用金属材料，直径为1.2mm，外导体32选用teflon材料，直径为4mm。

所述天线地板4的外圆直径d＝178mm。

图4是平面电路馈电网络的俯视尺寸示意图。

作为实施例，为了使锥状波束扫描天线工作在ku波段，在右侧面开路加载微波铁氧体的辐射单元1中，外加偏置磁场垂直于波导的宽面，选用钇铁石榴石铁氧体作为填充材料，饱和磁化强度4πms＝1800g，线宽δh＝15oe，介电常数为14.5，正切损耗为2×10^-4，居里温度tc＝260℃，朗德因子g取2。微波铁氧体的高度h应该远小于波导有效波长，铁氧体的高度h＝1.6mm，使之在最低次te模下截止频率为93.7ghz；铁氧体的长度l＝58mm，即对应在工作频率f0＝12.5ghz下，长度l＝2.4λ0，钇铁石榴石铁氧体的宽度w的大小与波导中相位常数有关，选定钇铁石榴石铁氧体的宽度w＝2.1mm；

平面电路馈电网络2中介质基板21材质选为rogers5880，其介电常数为2.2，基板厚度为1.575mm，正切损耗为9×10^-4。

能量从内导体31进入传输到上方的正十二边形金属贴片22上，正十二边形薄金属贴片22的每条边上阻抗为z0＝600欧姆，十二个天线单元1并联在介质基板21的十二条边上，天线辐射单元的端口阻抗为zl＝100欧姆。为了保证内导体31和辐射单元1之间有平滑的阻抗转换、增大天线的辐射效率，且兼顾加工制作工艺，馈电网络微带线由三个部分组成；

所述正十二边形薄金属贴片22的中心点到任意一条边的垂直距离rr＝5.1mm；

所述简单微带线23宽wf＝0.8mm，长lf＝2.5mm；

所述带短路端耦合线24实现高特征阻抗，金属柱241的直径与耦合线242的宽度相等，运用奇偶模分析耦合线结构，求出等效结构的奇偶模阻抗，结合ads软件中的工具linecalc得出耦合线线宽和间距分别为wt＝1mm，g1＝0.5mm，利用hfss软件仿真优化，lt＝4.5mm；

所述加开路枝节的微带线25紧邻右侧面开路加载微波铁氧体的辐射单元1，因zl＝100欧姆，则令该部分微带线特性阻抗也为100欧姆，利用ads软件中的工具linecalc得出线宽w1＝1.5mm，同时为了拓展带宽，在此基础上加了一节横向开路枝节，利用hfss软件仿真优化，得出其他尺寸为l1＝5.4mm，d1＝1mm，w_stub＝1mm，l_stub＝4mm。

图5和图6分别是外加偏置磁场变化时锥状波束在phi＝0°面和phi＝90°面上的远场方向图。可以看出锥状波束在phi＝0°面和phi＝90°面上方向图基本相同，锥状波束指向随着外加偏置磁场的变化而变化。当μ0h0分别为1600oe、1700oe、1800oe、1900oe时，锥状波束指向角分别为30°、26°、22°、14°，天线增益分别为8.4db、9.2db，9.3db、10.1db，3db波束宽度分别为21°、19°、21.5°、23°。随着偏置磁场强度的增大，天线的增益逐渐变大，3db波束宽度基本不变。

图7是外加偏置磁场变化时波束指向角度，增益下降3db内锥状波束扫描范围为14°～34°。当μ0h0＜1900oe时，偏置磁场强度越大，锥状波束指向角度越小，但当μ0h0＞1900oe时，波束指向角逐渐变大。

图8是外加偏置磁场变化时不同指向角下锥状波束的周向不圆度，可以观察出当μ0h0分别为1600oe、1700oe、1800oe、1900oe时，其锥状波束的周向不圆度分别为0.45db、0.32db、0.14db、0.13db，均小于0.5db。

图9是外加偏置磁场不同时锥状波束扫描天线的s参数曲线，当μ0h0分别为1600oe、1700oe、1800oe、1900oe时，其反射系数在工作频率f0＝12.5ghz处分别为-27.9db、-36.4db、-22.9db、-21.9db。另外，偏置磁场为1600oe时-10db阻抗带宽从12.32ghz到12.79ghz，达到3.8％；偏置磁场为1700oe时-10db阻抗带宽从12.21ghz到12.68ghz，达到3.8％；偏置磁场为1800oe时-10db阻抗带宽从12.16ghz到12.72ghz，达到4.5％；偏置磁场为1900oe时-10db阻抗带宽从12.36ghz到12.8ghz，达到3.5％。

从图5至图9可以看出，本发明充分利用微波铁氧体的旋磁特性，控制铁氧体厚度方向的外加偏置磁场进行波束扫描，其锥状波束扫描角度为14°～34°，周向不圆度均小于0.5db，增益为8.1db～10.5db。表明本发明的固定频率锥状波束扫描天线能在固定频率下保持一定增益实现锥状波束扫描，且天线波束稳定。