多倍频程超宽带天线及共形阵列天线

1.本实用新型属于天线设计技术领域，具体涉及一种多倍频程超宽带天线及共形阵列天线。


背景技术：

2.随着科学技术的快速发展和信息化武器装备的产生，电磁频谱资源运用愈发频繁，电磁环境日益复杂，电磁波调控手段面临新的挑战。
3.在对抗水平不断提升的情况下，逐渐出现了感知、探测、制导、对抗一体化的需求，这就要求天线具有自适应和超宽带的性能。同时，飞行器平台的气动、隐身等性能约束，又期望相应的天线具有与载体共面共形的特征。现代战场对超宽带天线系统的要求越来越高，提高天线系统在复杂电磁环境中的信息感知精度和速度，会使认知电子设备的复杂程度加大，尤其是应用于飞行平台的阵列天线。此外，为了适应各种高速运动的飞行器，各类曲面共形天线相继产生，不仅可以增加飞行器的操作性能，减少空气气动阻力和天线的重量，还可以降低雷达散射面积，实现飞行器的隐身特性。飞行平台天线的设计，不仅需要满足天线的高性能要求，且需要对天线的尺寸进行小型化和共形设计，确保降低天线的重量并保证天线和平台共形成一个整体。
4.对于超宽带系统而言，其天线的研究与设计显得极为重要。天线作为电子信息系统的核心部件之一，是发射和接收电磁波必不可少的，负责将发射机发射的信号转换成无线电波辐射到空间，或将空间电磁波转换成电流电压传递给接收机，在雷达、通信、导航系统中发挥着重要的作用。指标优良的天线可提升电子设备和装备的性能。
5.随着信息容量的急剧扩大及现代电子设备抗干扰能力需求的不断加强，单个天线所能完成的功能往往比较有限，因此，阵列天线以及宽带天线技术成为解决关键问题的重点，以满足工作频带内电压驻波比、增益、效率和辐射方向图的灵活可控等多项要求，实现对全频段、全空域的电磁态势感知和探测，获取相关辐射源的特征参数。同时，为保证不同搭载平台(如车辆、船舰、飞机、导弹等)信息数据截获的稳定性，完成对战场电磁态势的精准感知，支撑多功能认知导引头及认知电子战设备，需与搭载平台共形匹配。
6.面对复杂电磁环境，传统机械扫描天线的重量较大，运动惯性大，扫描速度慢，无法满足紧凑和高速信息获取的需求。相比于线阵与面阵，共形阵列天线具有以下特征：(1)不影响载体的空气动力学性能；(2)具有更广阔的波束覆盖范围；(3)可提高载体的空间利用率；(4)可增大天线等效口径。
7.共形天线阵具有线阵、平面阵无法比拟的性能优势，但由于受到共形载体曲率的影响，空间不同位置的阵元最大波束指向不一致，造成辐射性能恶化，这给阵列的设计带来了较大的困难。若采用一般的等幅同相的馈电方式对共形阵上的天线单元进行激励，易导致较高的旁瓣和高的交叉极化，甚至可能出现辐射方向图的裂瓣，极化性能急剧恶化等。因此，对共形阵电性能的研究是很有必要的。
8.超宽带共形阵天线能够与飞行载体表面相共形，在减轻运动物体质量的同时还不
破坏载体的空气动力学和外形特性。相对于平面阵天线，对共形阵天线的研究和综合更为复杂。对共形阵天线的综合研究不仅要考虑辐射性能，而且要考虑共形阵列单元的形式、形状、以及其分布等问题。
9.现有的超宽带天线工作频段还有一些局限，如可以覆盖较高的频段，但是低频段工作特性不好，不能满足系统在低频段的工作需求。同时以传统的共形方式将天线共形到复杂载体上时，天线的形变必然会造成天线性能的恶化，且在阵列天线共形设计中，还需要考虑各个天线单元的互耦问题。
10.对跖vivaldi天线是一种平面结构的超宽带渐变开槽天线，因其具有的超宽带、低剖面、易加工等优点，受到了研究者的青睐。渐变开槽天线作为典型的超宽带天线在阻抗带宽、增益、交叉极化、波束宽度、副瓣电平以及定向辐射等方面具有显著的优点。渐变开槽天线具有高性能的超宽带辐射性能，通常可以覆盖几个甚至几十个倍频程的阻抗带宽。由于渐变开槽天线的表面电流主要集中在指数渐变线的内边缘，因此该类型天线的性能主要由指数渐变线的形状以及馈电方式决定。
11.如图1所示为传统对跖vivaldi天线，其主要由分布在介质基板正反两面的金属辐射贴片和馈电结构组成。辐射贴片由指数渐变槽线围成，正反面之间形成辐射的开口槽，馈电结构有微带平行线组成，为了改善天线的工作带宽，馈电线的接地端一般采用渐变巴伦馈电结构。该天线的s11计算结果如图2所示，可以看到天线的工作带宽为2
‑
12.5ghz，低频截止频率为2ghz，不能满足超宽带系统性能的需求。


技术实现要素：

12.本实用新型解决的技术问题之一是如何设计多倍频程的超宽带天线问题。为满足复杂的电磁环境需求，降低系统集成的复杂度，就要尽可能的降低天线的尺寸和单元数目。因此工作频段可以覆盖多个频段的超宽带天线是设计的关键之一。本实用新型采用对跖vivaldi天线作为设计的基本天线单元。具体技术方案如下：
13.多倍频程超宽带天线，包括介质基板1、馈电结构2和附着在所述介质基板1正反面的金属辐射贴片；所述介质基板1正反面的金属辐射贴片3为相同结构的渐变式贴片，共同组成对跖型vivaldi天线；两金属辐射贴片3对称地分布于介质基板1的正反两面；所述金属辐射贴片由内指数渐变槽线4和外指数渐变槽线5围成，正反面两金属辐射贴片之间形成辐射的开口槽6，所述金属辐射贴片上开设有矩形槽7。
14.优选地，所述内指数渐变槽线4满足如下方程式所述外指数渐变槽线5满足如下方程式c1、c3为常量系数，α1、α2为渐变线的曲率；c2、c4为参数值，c2、c4的值由天线馈电线的宽度决定。e为自然常数，x表示函数自变量，y1,y2为函数因变量。
15.优选地，所述c1、c3取值均为1，c2＝
‑
1.93，c4＝
‑
0.07，α1＝0.024，α2＝0.08。
16.优选地，所述金属辐射贴片上的矩形槽7有多个，同一金属辐射贴片上的矩形槽等间距平行排列。
17.优选地，所述介质基板正面金属辐射贴片上的矩形槽与介质基板反面金属辐射贴片上的矩形槽关于主轴辐射方向旋转对称。
18.优选地，所述矩形槽与所述介质基板的一边相交。
19.优选地，所述介质基板为矩形，所述矩形槽相对于所述介质基板的边倾斜。
20.优选地，在所述内指数渐变槽线的上部设置有正方形金属贴片8，所述正方形金属贴片8与所述金属辐射贴片3通过贴片电阻9连接。
21.优选地，还包括一个设置在所述介质基板正面上对应开口槽处的椭圆形金属贴片10。
22.本实用新型还提供了一种共形阵列天线，将上述的多倍频程超宽带天线作为天线单元11，将6个所述天线单元均匀排布在圆台载体12侧面上，相邻天线单元之间保持一定间隙，所述天线单元保持原有形状。
23.采用本实用新型获得的有益效果：
24.1)本实用新型在传统对跖vivaldi天线的基础上做了一些的改进，通过在天线边缘加载矩形斜槽，在天线金属辐射贴片末端加载吸波电阻以及在天线口径处加载椭圆形金属贴片等提高了天线的低频工作带宽，获得了近20倍频程的超宽带天线，同时提高了天线的辐射增益和方向性。
25.2)本实用新型为实现了全极化共形阵列的设计，将设计的线极化天线单元，以60度间隔分布在圆台载体上，实现了对辐射空域360度的全覆盖，同时实现了全极化的辐射特性。
26.3)本实用新型为了使天线在共形过程中不发生形变，以致影响天线的性能，在共形设计中直接将天线单元平铺在共形载体表面，没有改变天线单元的形状，避免了天线单元间隔较近带来的严重耦合问题，因此提高了共形阵列天线的隔离度。
附图说明
27.图1为传统对跖vivaldi天线结构示意图；
28.图2为传统对跖vivaldi天线s11仿真结果图；
29.图3为本实用新型实施例中多倍频程超宽带天线结构示意图；
30.图4为本实用新型实施例中多倍频程超宽带天线s11仿真结果；
31.图5为本实用新型实施例中加载矩形槽和吸波电阻后的天线结构示意图；
32.图6为本实用新型实施例中加载矩形槽和吸波电阻后的天线的s11仿真结果；
33.图7为本实用新型实施例中加载矩形槽和吸波电阻的对跖vivaldi天线的二维方向图；
34.图8为本实用新型实施例中加载矩形槽、吸波电阻以及椭圆金属贴片的天线结构示意图；
35.图9为本实用新型实施例中加载矩形槽、吸波电阻以及椭圆金属贴片的对跖vivaldi天线的二维方向图；
36.图10为本实用新型实施例中加载矩形槽、吸波电阻以及椭圆金属贴片的天线的s11仿真结果；
37.图11为本实用新型实施例中加载椭圆金属贴片前后天线的增益曲线对比图；
38.图12为本实用新型实施例中全极化共形阵列天线结构示意图；
39.图13为本实用新型实施例中全极化共形阵列天线单元的s参数仿真结果图；
40.图14为本实用新型实施例中加载矩形槽和吸波电阻的对跖vivaldi天线实物图；
41.图15为本实用新型实施例在微波暗室中对该天线进行测试得到的s11测试结果图；
42.图16为本实用新型实施例中天线在2ghz频点处的e面和h面方向图；
43.图17为本实用新型实施例中天线在4ghz频点处的e面和h面方向图；
44.图18为本实用新型实施例中天线在6ghz频点处的e面和h面方向图；
45.图19为本实用新型实施例中天线在8ghz频点处的e面和h面方向图；
46.图20为本实用新型实施例中天线在10ghz频点处的e面和h面方向图；
47.图21为本实用新型实施例中天线在12ghz频点处的e面和h面方向图。
具体实施方式
48.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
49.如图3所示，为本实用新型实施例中多倍频程超宽带天线结构示意图。本实用新型对对跖vivaldi天线进行了优化设计，首先在天线尺寸满足设计目标的情况下，对天线指数渐变槽线的系数进行了优化。指数渐变槽曲线方程如公式(1)、(2)所示，在一个实施例中，渐变线的曲率α1＝0.024，α2＝0.08，由天线馈电线的宽度决定的c2和c4具体取值为，c2＝
‑
1.93，c4＝
‑
0.07；c1＝1、c3＝1。具体实施例中，本实用新型天线的s11仿真结果如图4所示，可以看到改进后的天线工作频段得到了扩宽，低频截止频率为1.57ghz。
[0050][0051][0052]
为了进一步改进天线的工作带宽，本实用新型通过在上述天线边缘刻蚀等长的矩形槽和/或在天线末端加载吸波电阻，改善天线的低频工作特性。所述介质基板为矩形，所述矩形槽与所述介质基板的一边相交，所述矩形槽相对于所述介质基板的边呈倾斜状，即与介质基板的边不垂直。图5所示为本实用新型实施例中加载矩形斜槽和吸波电阻后的天线结构示意图。刻蚀矩形斜槽可以延长天线边缘电流流动的路径，从而降低天线的低频带宽，同时可以抑制电场在天线边缘的绕射行为，降低天线的副瓣电平，提高了天线的方向性。在天线上下辐射极板的末端各加载一个100欧姆的贴片电阻，可以吸收天线渐变槽线内的低频辐射波，阻止其反射回天线辐射槽内，从而改善天线的回波损耗性能。天线的s11计算结果如图6所示，可以看到天线的阻抗带宽为0.84
‑
12.5ghz，低频截止频率从1.57ghz扩展到0.84ghz，充分说明加载的矩形斜槽和吸波电阻可以很好地改善天线的低频工作特性，从而提高天线的工作带宽。该天线在12.5ghz处的二维方向图如图7所示，主辐射方向上的方向图发生了严重的分裂现象，产生了多个辐射主瓣，方向性降低。分析原因是由于天线两个极板之间的耦合度降低，使得天线口径处的电场出现不连续造成的。
[0053]
进一步地，为了解决天线方向图波瓣分裂以及方向性降低的问题，就需要提高天线两个极板之间的耦合度，本实用新型还提供了一种如图8所示的改进天线，通过在天线口径处加载一个椭圆形金属贴片，可以提高天线两个极板之间的耦合度，从而解决天线方向图波瓣分裂的问题，提高天线的方向性。仿真得到的12.5ghz处的二维方向图如图9所示，可以看到，加载了椭圆形贴片之后，天线的方向图波瓣分离问题得到了解决，方向性提高，图
10为本实用新型实施例中加载矩形槽、吸波电阻以及椭圆金属贴片的天线的s11仿真结果。同时从图11的增益曲线对比中可以看到，加载椭圆贴片的天线增益也得到了明显的提高，最大提高了2.1db。实施例中优化设计得到的多倍频程超宽带天线尺寸为201.6mm*135mm*1.016mm，介质基板采用的是rogers ro4533，介电常数为4.38。
[0054]
本实用新型还提供了一种共形阵列天线，将上述的其中一种多倍频程超宽带天线作为天线单元，上述设计的天线单元为线极化天线，为了实现全极化天线的辐射特性，设计采用将六个天线单元相隔60度排布在圆台共形载体上，从而可以实现波束360度的全向覆盖以及全极化的辐射特性。同时为了不使共形带来的形变而造成天线性能的下降，同时提高单元的隔离度，共形时未改变天线单元的形状，如图12所示，仅将天线平铺在共形载体表面。这样设计的好处就是可以保持天线的形状不变，不会造成天线性能的恶化，同时也避免了天线单元间隔较近带来的严重耦合问题。设计对共形单元进行了仿真分析，得到的s参数计算结果如图13所示，可以看到共形阵列中单元的s11与单个天线的s11计算结果完全一致，工作带宽没有因为天线的阵列共形恶化，同时可以看到在感兴趣的0.84
‑
12.5ghz频段内，天线单元间的隔离度均在
‑
20db以下，从而说明了设计的共形阵列天线的隔离度很好。图13中表示的s11与s22线重合。
[0055]
根据最终优化设计得到的参数，实施例中加工了加载矩形槽和吸波电阻的对跖vivaldi天线，如图14所示。在微波暗室中对该天线进行测试，得到的s11测试结果如图15中的软件界面图所示，从该软件界面截图中可以看到在0.85
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12.5ghz内均有s11<
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10db，测试带宽为0.85
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12.5ghz，与仿真结果基本一致，从而证明本实用新型设计的天线匹配特性优良。图16
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图21为本实用新型实施例中天线分别在2ghz，4ghz，6ghz，8ghz，10ghz，12ghz频点处的e面和h面方向图；六个频点处的方向图方向性明显，曲线比较光滑，实测增益均在7db以上，再次验证了本实用新型设计的天线具有高方向性和高增益的优良辐射特性。
[0056]
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。