基于飞行器载体的小型双极化超宽带阵列天线装置

：本发明涉及双极化天线制造，具体的说是一种结构紧凑、体积小、工作可靠，能够有效减少主动天线和被动天线之间的耦合，有利于整个雷达系统的信号接收和信号处理的基于飞行器载体的小型双极化超宽带阵列天线装置。

背景技术

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背景技术：

1、在被动探测雷达系统中，双极化超宽带信号感知与处理日益受到关注。双极化超宽带天线阵列是双极化被动探测雷达的关键部件，其性能对整个雷达系统的性能发挥重要作用。在飞行器载体上，雷达天线的安装空间非常有限，因此，超宽带双极化天线的小型化是一个重要设计任务。通常，考虑到被动探测雷达的参数测量要求，雷达系统多采用阵列形式，天线阵列设计时要考虑载体平台对天线阵列辐射特性的影响，同时也要尽量减少天线单元之间的电磁耦合，因此，在有限的空间中要进行阵列天线与平台的一体化设计，兼顾电压驻波比、隔离度和方向图等技术指标。超宽带双极化天线类型众多，例如，双极化对数周期天线、双极化vivaldi天线、双极化正弦天线、双极化四脊喇叭天线等。其中，双极化四脊喇叭天线具有结构可靠、设计简单、性能稳定等优点，成为一种适合于工程应用的超宽带双极化天线形式。

2、在实际工程应用中，天线小型化的方法包括有提高介质空间的介电参数和磁导率、采用分形结构、曲流技术和加载技术等。在超宽带双极化天线的小型化设计中，要重点考虑低频处的电性能指标，包括电压驻波比和辐射方向图性能。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明针对现有技术中存在的缺陷和不足，提出了一种结构紧凑、体积小、工作可靠，能够有效减少主动天线和被动天线之间的耦合，有利于整个雷达系统的信号接收和信号处理的基于飞行器载体的小型双极化超宽带阵列天线装置。

2、本发明通过以下措施达到：

3、一种基于飞行器载体的小型双极化超宽带阵列天线装置，其特征在于，设有飞行器载体平台，在飞行器载体平台上，天线安装空间为圆盘状的金属结构，在载体平台上采用均匀布局的多个天线单元，组成一个超宽带双极化天线阵列，在圆形天线阵列的空间中，加载圆环状的微波吸波材料，圆环状的微波吸波材料的内部半径和外部半径分别为r1和r2，加载的圆环状微波吸波材料的高度为h_absorber；在圆环状微波吸波材料的内部和外部边缘加载金属导体隔离墙，金属导体隔离墙高度也为h absorber，厚度为t wall，该金属导体隔离墙可提高组被动雷达天

4、线之间的隔离度；在每个天线单元所在的位置处，在微波吸波材料中切割出半径为r hole的空洞，用于放置超宽带双极化天线单元，实现天线单元与微波吸波材料的合理布局；

5、每个天线单元中设有超宽带开放式边界双极化喇叭天线辐射器，包括呈中心对称设置的四个金属脊、加载微波吸波材料的金属反射地板、馈电用的金属谐振腔和馈电的同轴线端口及探针，其中金属脊呈指数曲线形状，在脊喇叭段，脊曲线采用指数曲线形式为：y(x)＝aekx+cx+c3(1)式中：0＜x＜l，l为喇叭天线的高度，x为喇叭天线的中轴线坐标，a、c、c3取值分别为待定系数，它们根据要求的喇叭天线的口面尺寸确定。

6、本发明天线单元中喇叭天线辐射器的馈电谐振腔的宽度a2，长度为h_cavity，为了改善喇叭天线的阻抗匹配效果，降低低频段的电压驻波比，天线的谐振腔馈电部分采用阶梯状结构，在金属腔体馈电结构的设计中，调整参数f1、f2、f3、g1和g2对四脊喇叭天线的方向图的输入阻抗进行调整。

7、本发明在金属反射腔体的底部填充微波吸波材料，其厚度为tabsorber，其作用是减少超宽带天线的低频处的电压驻波比，提高匹配性能，同时对天线的辐射方向图进行调控，微波吸波材料的电磁参数和高度由全波电磁仿真方法确定。

8、本发明为了改善双极化超宽带天线的辐射方向图，本发明中采用了局部介质加载的方式，加载的介质块位于天线的口面的中央区域，即位于四个金属脊中央，加载的介质块可以改变局部的等效介电常数，对天线的孔径上的电磁场分布进行调控，进而改善辐射方向图的形状，展宽波束宽度，同时拓展四脊嗽叭馈源的工作带宽，调整参数x1、x2、x3、x4、y1和y3对介质加载的四脊喇叭天线的方向图进行调整，可以看出，介质块的形状也是随着四个金属脊的形状逐步展开的类喇叭状主体，其中，介质块的相对介电常数也是一个重要的设计参数，该参数对天线的辐射性能也有较大的影响，参数x1、x2、x3、x4、y1、y3以及介质块的相对介电常数由全波电磁仿真方法确定。

9、本发明提出的一种基于飞行器载体平台的小型双极化超宽带阵列天线的设计方案及天线结构装置。该天线装置采用类似开放边界的四脊喇叭天线结构形式，引入介质加载技术改善双极化天线的辐射方向图；在双极化超宽带天线单元的设计中，从超宽带天线的小型化目标出发，本发明对双极化天线的馈电腔体结构进行了优化设计和改进，通过设计腔体的形状和在腔体底部加载微波吸波材料的方式改善双极化天线的低频处的阻抗匹配和辐射性能；通过联合优化四个金属脊的尺寸、形状和馈电腔体的结构参数获得较好的超宽频带内的电压驻波比和辐射方向图性能。针对飞行器载体平台和圆盘状天线安装平台，本发明设计了一种超宽带双极化圆形阵列，由于天线小型化处理后，在阵列单元之间间距较小的条件下，天线单元之间的电磁耦合较大，同时，由于载体平台通常为金属导体结构，导体边界条件对超宽带双极化天线的辐射性能影响较大，为此，本发明在金属平台上加载微波吸波材料，考虑到超宽带双极化天线阵列布局形式，微波吸波材料采用圆环状结构，通过调整微波吸波材料的径向尺寸和垂直高度，对双极化天线的电磁耦合程度和辐射特性进行调控；考虑到主被动复合天线应用场景。在微波吸波材料的外部边缘加载金属隔离墙结构，进一步减少主动天线和被动天线之间的耦合，有利于雷达系统的信号处理工作。

技术特征：

1.一种基于飞行器载体的小型双极化超宽带阵列天线装置，其特征在于，设有飞行器载体平台，在飞行器载体平台上，天线安装空间为圆盘状的金属结构，在载体平台上采用均匀布局的多个天线单元，组成一个超宽带双极化天线阵列，在圆形天线阵列的空间中，加载圆环状的微波吸波材料，圆环状的微波吸波材料的内部半径和外部半径分别为r1和r2，加载的圆环状微波吸波材料的高度为h_absorber；在圆环状微波吸波材料的内部和外部边缘加载金属导体隔离墙，金属导体隔离墙高度也为h_absorber，厚度为t_wall，该金属导体隔离墙可提高组被动雷达天线之间的隔离度；在每个天线单元所在的位置处，在微波吸波材料中切割出半径为r_hole的空洞，用于放置超宽带双极化天线单元，实现天线单元与微波吸波材料的合理布局；

2.根据权利要求1所述的一种基于飞行器载体的小型双极化超宽带阵列天线装置，其特征在于，天线单元中喇叭天线辐射器的馈电谐振腔的宽度a2，长度为h_cavity，为了改善喇叭天线的阻抗匹配效果，降低低频段的电压驻波比，天线的谐振腔馈电部分采用阶梯状结构，在金属腔体馈电结构的设计中，调整参数f1、f2、f3、g1和g2对四脊喇叭天线的方向图的输入阻抗进行调整。

3.根据权利要求1所述的一种基于飞行器载体的小型双极化超宽带阵列天线装置，其特征在于，在金属反射腔体的底部填充微波吸波材料，其厚度为tabsorber，其作用是减少超宽带天线的低频处的电压驻波比，提高匹配性能，同时对天线的辐射方向图进行调控，微波吸波材料的电磁参数和高度由全波电磁仿真方法确定。

4.根据权利要求1所述的一种基于飞行器载体的小型双极化超宽带阵列天线装置，其特征在于，为了改善双极化超宽带天线的辐射方向图，本发明中采用了局部介质加载的方式，加载的介质块位于天线的口面的中央区域，即位于四个金属脊中央，加载的介质块可以改变局部的等效介电常数，对天线的孔径上的电磁场分布进行调控，进而改善辐射方向图的形状，展宽波束宽度，同时拓展四脊嗽叭馈源的工作带宽，调整参数x1、x2、x3、x4、y1和y3对介质加载的四脊喇叭天线的方向图进行调整，可以看出，介质块的形状也是随着四个金属脊的形状逐步展开的类喇叭状主体，其中，介质块的相对介电常数也是一个重要的设计参数，该参数对天线的辐射性能也有较大的影响，参数x1、x2、x3、x4、y1、y3以及介质块的相对介电常数由全波电磁仿真方法确定。

技术总结
本发明涉及双极化天线制造技术领域，具体的说是一种结构紧凑、体积小、工作可靠，能够有效减少主动天线和被动天线之间的耦合，的基于飞行器载体的小型双极化超宽带阵列天线装置，设有飞行器载体平台，在飞行器载体平台上，天线安装空间为圆盘状的金属结构，在载体平台上采用均匀布局的多个天线单元，组成一个超宽带双极化天线阵列，在圆形天线阵列的空间中，加载圆环状的微波吸波材料，在圆环状微波吸波材料的内部和外部边缘加载金属导体隔离墙，该金属导体隔离墙可提高组被动雷达天线之间的隔离度；在每个天线单元所在的位置处，在微波吸波材料中切割出半径为r hole的空洞，用于放置超宽带双极化天线单元，实现天线单元与微波吸波材料的合理布局。

技术研发人员：宋立众,房亮,房新蕊,史佳欣
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（威海）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12