一种匹配电路加载埋腔型超宽带水平全向天线

1.本发明属于天线工程技术领域，特别涉及到一种匹配电路加载埋腔型超宽带水平全向天线，具体来说该天线是由变形的环天线构成的，底部加载匹配电路，且整体完全埋入特定的腔体内，主要应用在机载平台上。


背景技术：

2.近些年随着现代军事科技的不断发展，世界军事强国空中打击力量逐步成为现代军事化战争的制胜关键，而作为其中关键组成的机载天线，更是发展的重中之重。对于应用于机载平台上的机载天线：第一，要求波束覆盖范围大和天线扫描盲区小；第二，要求机载天线尽可能小的影响飞行器本身的空气动力学特性，即低剖面，易于与机载平台共形，质量轻等，且同时能够满足一定的辐射性能指标。对于机载天线而言，这些要求实质上会存在一定的矛盾之处，因此重点便是研究如何在矛盾当中取得一个满意的平衡点。
3.考虑到机载天线与机载平台的一体化设计，为了更好的从实际工程应用出发，把孤立天线和平台作为一个整体进行分析仿真是必要的。当前，强耦合天线从基于天线单元之间的强耦合效应出发，具有传统天线无法比拟的优势，工作带宽大，天线剖面低，辐射范围广等等。通常单独仿真时，强耦合天线效果往往非常好，但是将天线放入机载平台上的特定金属腔体后，性能会出现不同程度的恶化。天线单元本身的耦合以及天线与机载平台之间的耦合使得后续的整体分析十分复杂，且难以进行调整。
4.垂直极化水平全向辐射通常通过单极子，环天线，鞭天线等简单天线形式实现，这些天线的结构和原理相对简单，因此易于将其与机载平台上的金属腔体进行一体化仿真设计，以达到要求的性能指标。
5.2013年，文献“design and analysis of a lpw-profile and broadband microstrip monopolar patch antenna”提出一种基于微带单极子的全向低剖面垂直极化天线，剖面高度仅为0.024个低频波长，但横向尺寸达到0.36个低频波长，相对带宽只有18％，并且该天线未解决方位面全向辐射问题，天线的辐射方向约为俯仰面θ＝35
°
。在全向水平辐射环境中难以运用。2020年，文献“一种低剖面宽带垂直极化全向天线设计”提出一种基于中心馈电的圆形贴片外加载耦合圆环结构的垂直极化全向天线。该天线实现了在5.43ghz-6.61ghz(17.6％)的带宽内，剖面高度仅为0.032个中心频率波长，但该设计方位面直径达到0.9个低频波长，不利于小型化；且该技术利用三个谐振模式拓展带宽，无法实现超宽带。
6.在专利110034387a中，发明人提出了一种基于圆形贴片和地板引向结构的垂直极化水平全向天线，实现了11.2-12.0ghz的带宽。该设计解决了有限地带来的方向图上翘问题，但带宽仍然较窄。
7.在专利107732425a中，发明人提出了一种缩小天线极化尺寸且具有很好宽频带特性的宽带低剖面垂直极化全向天线。该天线实现了1.4-3.0ghz的带宽，在极化方向尺寸约为最大工作波长的0.09倍，但是天线非极化方向上以及整体的剖面高度尺寸都过大，超过
了最大工作波长的0.5倍。
8.在专利108631069a中，发明人提出了一种可整体埋腔的超宽带垂直极化端射式相控阵。阵列的相对带宽大于100％，剖面高度约为0.051个低频波长，但是没有实现全向辐射，只能到方位面45
°
。
9.针对上述存在的问题，本发明公开了一种匹配电路加载埋腔型超宽带垂直极化水平全向天线。


技术实现要素：

10.本发明针对传统垂直极化水平全向天线带宽很窄、难以小型化，难以与机载平台一体化等缺陷，提出一种匹配电路加载埋腔型超宽带垂直极化水平全向天线，实现了垂直极化、水平全向、f
l-4f
l
的带宽。该天线直径为0.17个低频波长，剖面高度为0.055个低频波长，腔体最大直径为0.33个低频波长，高度为0.055个低频波长，倾斜角为15
°
。
11.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
12.该天线包括最上面的圆形引向贴片(100)、下方一定距离处的小圆环辐射贴片(101)、外边的圆形辐射贴片(102)、连接圆形引向贴片的圆台侧壁(200)、连接圆台侧壁的电阻环(300)、电阻环下方的支撑介质基板(301)、上方连接辐射贴片的marchand巴伦(400)、微带功分器(500)、匹配电路(501)以及六边形金属腔体(600)。
13.圆形引向贴片(100)位于天线结构的最上方，与圆台侧壁(200)连接。圆形引向贴片(100)下方一定距离处为小圆环辐射贴片(101)、外边为圆形辐射贴片(102)。
14.进一步的，圆台侧壁(200)上方连接圆形引向贴片(100)，中间连接电阻环(300)。电阻环(300)呈六边形对称分布，加载八个相同的集总电阻(302)，下方为介质支撑基板(301)。
15.进一步的，圆环辐射贴片和圆形辐射贴片左右两边分别由一个改进的marchand巴伦(400)馈电。marchand巴伦(400)上方左右两个方向分别对辐射贴片进行馈电，中间由一系列宽度渐变的带状线结构连接，下方与微带功分器(500)输出端直接相连。
16.进一步的，微带功分器(500)由六边形腔体下方的金属地板(601)背面的sma接头馈电。双巴伦馈电的方式可以实现同轴50欧姆到环形天线的辐射阻抗变换。
17.进一步的，匹配电路(501)由三阶的串联电容和并联电感组成，加载于微带功分器(500)的最前端，并直接与馈电端相连。
18.进一步的，六边形金属腔体(600)上方为延伸出去的矩形金属贴片(603)，矩形金属贴片(603)中间挖掉一个六边形，通过腔体侧壁(602)连接下方的六边形金属贴片(601)。腔体下方的六边形金属片(601)充当天线结构的金属地板，天线整个结构埋于六边形金属腔体(600)内。
19.进一步的，金属地板(601)上设置通孔，用于安装微带功分器(500)、marchand巴伦(400)和sma接头。
20.综上所述，本天线设计具有以下创新：(1)对传统的环形天线进行全方位的结构改进，使其在方位面能够更好的全向辐射。(2)天线上方采用由圆形金属贴片(100)构成的引向结构，能够很好的改善天线辐射时的方向性，降低天线整体的剖面高度。(3)天线的辐射结构采用小圆环贴片(101)主要在高频进行辐射，大圆形贴片(102)主要在低频进行辐射，
显著的改善单一辐射结构在低高频辐射时的局限性，有效的拓展了天线的工作带宽。(4)圆台侧壁(200)与地直接相连，能够增加天线辐射时时的电流路径，增大天线等效电长度，拓展天线带宽。(5)在圆台侧壁(200)外面加载电阻环(300)，提供吸收特性，介质基板(301)提供支撑作用并延长天线在高频时的电流路径，显著改善了工作频段内的有源驻波。(6)采用微带功分器(400)连接双巴伦的馈电方案，每个巴伦同时给圆环贴片(101)和圆形贴片(102)馈电，通过优化marchand巴伦(400)使天线整体小型化。(7)微带功分器(500)上面加载匹配电路(501)，能够很好的改善天线在整个频段内的阻抗特性，尤其是低频的阻抗特性，显著降低有源驻波。(8)天线整体埋于六边形金属腔体(600)内，天线外沿结构与腔体侧壁之间的间接耦合能够改善天线在低频时的阻抗特性，提高辐射效率。
附图说明
21.图1为所提供的匹配电路加载埋腔型超宽带垂直极化水平全向天线单元示意图。其中，100为圆形引向贴片，101为小圆环辐射贴片，102为大圆形辐射贴片，200为金属圆台侧壁，300为电阻环结构，400为marchand巴伦，500为微带功分器，501为匹配电路。
22.图2为六边形腔体整体结构示意图。601为六边形腔体底面，即金属地板，602为六边形腔体侧壁，603为六边形腔体上方往外延申的矩形金属片。
23.图3为电阻环加载结构。300为电阻环结构，，301为电阻环下方的支撑介质基板，，302为200欧姆集总电阻。电阻环加载结构呈90
°
旋转对称，由四个相同的梯形结构组成一个断开的六边形结构，每个梯形结构包含2个集总电阻(302)。
24.图4为微带功分器(500)加双巴伦的馈电结构。401为marchand巴伦(400)和相连辐射贴片的垂直连接处，402为marchand巴伦(400)的主体带状线结构，500为微带功分器，501为匹配电路，502为微带功分器(500)的隔离电阻。
25.图5为匹配电路加载结构。c1、c2、c3分别为串联的电容，l1、l2、l3分别为并联的电感，均加载于微带功分器(500)的基板上面。
26.图6为加载匹配电路的整体埋腔超宽带垂直极化水平全向天线结构示意图。天线完全埋于六边形腔体(600)内。
27.图7为天线端口有源驻波的仿真结果。
28.图8为天线在低频f
l、
中频2f
l、
高频3f
l、
高频4f
l
处的水平面辐射方向图。
29.图9为天线在低频f
l、
中频2f
l、
高频3f
l、
高频4f
l
处的俯仰面辐射方向图。
具体实施方案
30.本实例中的匹配电路加载埋腔型超宽带垂直极化水平全向天线为一种整体埋腔的低剖面超宽带变形环天线，结构示意图如图1所示。该天线由最上面的圆形引向贴片(100)、下方一定距离处的小圆环辐射贴片(101)、外边的大圆形辐射贴片(102)、连接圆形引向贴片的金属圆台侧壁(200)、连接圆台侧壁(200)外沿的电阻环(300)、电阻环下方的支撑介质基板(301)、上方连接辐射贴片的marchand巴伦(400)、巴伦下方的微带功分器(500)、加载于微带功分器(500)上面的匹配电路(501)以及六边形腔体(600)。
31.圆形引向贴片(100)、小圆环辐射贴片(101)、大圆形辐射贴片(102)、圆台侧壁(200)、支撑介质基板(301)以及六边形腔体(600)均采用一层薄金属片。其中，圆形引向贴
片(100)与圆台侧壁(200)、圆台侧壁(200)与电阻环(300)、圆台侧壁(200)与介质基板(301)之间均通过焊接来保证电连接。小圆环辐射贴片(101)和圆形辐射贴片(102)在与marchand巴伦(400)连接处开矩形槽，然后在开槽处进行焊接，便于连接固定。marchand巴伦(400)采用带状线结构，使用基板为双层介质板粘合而成。匹配电路(501)采用贴片电感和电容，电容直接串联在微带线上，电感一端连接微带线并通过金属化过孔接地达到并联效果。金属地板(601)采用双面覆铜的碳纤材料，其正面与微带功分器(500)内表面的金属地焊接在一起，并且在微带功分器(500)的介质基板和金属地板(601)上开孔用螺丝固定。sma接头外导体通过螺丝与金属地板(601)背面固定，金属地板(601)上开孔使sma接头内导体通过金属地板(601)与微带功分器(500)连接。金属地板(601)上开矩形槽和固定角铝的螺纹孔，使marchand巴伦(400)垂直固定在金属地板(601)上。marchand巴伦(400)的带线与微带功分器(500)通过焊接保证电连接。
32.电阻环加载结构(300)如图3所示。其中300欧姆集总电阻(302)通过焊接与电阻环结构(300)连接，支撑介质基板(301)通过焊接与金属圆台侧壁(200)连接。
33.图4所示的微带功分器(500)采用单层介质基板，焊接在金属地板(601)上，实现sma接头50欧姆到marchand巴伦(400)带线100欧姆的变换。marchand巴伦(400)为带状线结构，采用双层介质板，介质板相互粘合，带状线位于双层介质板的中间。marchand巴伦(400)在工作频带内能够实现微带功分器(400)的100欧姆到天线辐射阻抗的较好匹配。
34.图5所示的匹配电路(501)采用贴片电容和电感，c1、c2、c3数值分别为1095pf、550pf、60pf，l1、l2、l3数值分别为250uh、0.21uh、5.2uh。
35.该整体埋腔超宽带垂直极化水平全向天线直径为0.17个低频波长，剖面高度仅为0.055个低频波长，腔体最大直径为0.25个低频波长，高度为0.055个低频波长，倾斜角为15
°
。
36.图7为阵列天线端口的有源驻波比，可以看到在f
l-4f
l
频段内，端口的有源驻波比小于3，具有良好的匹配性能。
37.图8为天线在低频f
l、
中频2f
l、
高频3f
l、
高频4f
l
处的水平面辐射方向图。低频f
l
不圆度为0.33db，最低增益为-8.18db；中频2f
l
不圆度为1.95db，最低增益为-7.28db；高频3f
l
不圆度为2.48db，最低增益为-6.04db；高频4f
l
不圆度为3.66db，最低增益为-5.18db。
38.图9为天线在低频f
l、
中频2f
l、
高频3f
l、
高频4f
l
处的俯仰面辐射方向图。天线最大增益值在45
°
左右，存在一定程度的波束上翘问题。
39.以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，应当理解他们只是以一种示例形式被提出，不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。