小型化多频段极化分集阵列天线装置

：本发明涉及被动天线设计及制造，具体的说是一种在天线单元尺寸上得到压缩，获得小型化的效果；在保证极化分集天线的极化隔离和辐射方向图覆盖范围的条件下，设计的天线系统在电性能上较为稳定，机械安装方便，结构可靠，适合于工程应用的小型化多频段极化分集阵列天线装置。

背景技术

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背景技术：

1、在电子侦察、被动雷达制导和电子干扰等电子系统中，宽带被动天线系统是重要的分机之一。为了测量多个辐射源信号的波达方向信息，被动雷达系统通常采用天线阵列接收辐射源的入射信号。在飞行器载体平台上，由于天线安装空间有限，为了在限定的空间内安装更多的天线单元，天线的小型化是一个重要的任务。目前，常见的被动雷达接收天线种类很多，例如：超宽带对数周期天线、超宽带阿基米德螺旋天线、超宽带等角螺旋天线、超宽带蝶形天线、超宽带正弦天线、超宽带vivaldi天线和超宽带喇叭天线等。被动雷达天线在超宽频带内或者多频带内接收辐射源的信号，被动雷达对信号进行检测、信息测量与目标跟踪；通常的被动雷达采用的超宽带天线为单一极化方式，例如：超宽带对数周期天线、超宽带蝶形天线、超宽带正弦天线、超宽带vivaldi天线和超宽带喇叭天线等为线极化工作模式，超宽带阿基米德螺旋天线和超宽带等角螺旋天线等为圆极化工作模式。随着电子信息技术的发展，电磁波的极化信息获得越来越多的关注和大量的应用。在被动雷达系统中，采用极化敏感阵列，可以获得辐射源信号的极化信息，显著增加雷达系统能够获取的信息量，为雷达目标检测和识别等提供了有利的资源，因此，超宽带或者多频段工作的极化敏感阵列天线得到了大量的研究和应用。在极化敏感阵列中，极化分集是一种有效的极化信息感知方式；采用极化分集天线阵列，一方面可以基于干涉仪或者空间谱技术实现对辐射源信号的检测和测角，另一方面雷达系统可以获得辐射源信号的极化信息参数，进而可以实现极化信号处理算法。极化分集天线的类型有很多，目前常见的双极化天线为双极化正交对称振子天线、正交双极化磁电偶极子天线、双极化喇叭天线、双极化对数周期天线、双极化vivaldi天线和双极化正弦天线等。针对有限的飞行器载体平台，研究小型化的极化分集多频段天线阵列系统具有实际应用价值。

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点和不足，提出了一种在天线单元尺寸上得到压缩，获得小型化的效果；在保证极化分集天线的极化隔离和辐射方向图覆盖范围的条件下，设计的天线系统在电性能上较为稳定，机械安装方便，结构可靠，适合于工程应用的小型化多频段极化分集阵列天线装置。

2、本发明通过以下措施达到：

3、一种小型化多频段极化分金属材质的圆柱形载体平台，其特征在于，在圆柱形载体平台的内外两侧分别设置厚度不同的微波宽带吸波材料，圆柱形载体上设有沿着圆柱形载体的圆周向紧密排列的印刷单极子天线阵列，印刷单极子天线阵列中设有单极子天线单元，印刷单极子天线阵列的辐射器位于圆柱形金属载体的内部区域；单极镜像vivaldi天线阵列沿着圆周向随形布局排列，位于圆柱形载体平台的外侧区域，单极镜像vivaldi天线阵列中设有单极镜像vivaldi天线单元，单极镜像vivaldi天线单元个数与印刷单极子天线单元的个数相同，二者之间的天线单元一一对应，分别组成极化近似正交的极化分集天线对；

4、其中，所述印刷单极子天线单元中的单极子天线辐射器振子臂包括位于前部的扇形圆环部和位于后部的切角矩形部，单极子天线辐射器振子臂由共面波导cpw激励，激励天线辐射器金属臂的cpw结构包括与单极子辐射器振子臂连接部分区域、与馈电的同轴电缆连接的均匀cpw区域和二者之间的连续阻抗变换段区域，cpw馈电结构所在的金属铜箔地板为梯形，便于与单极子辐射器振子臂进行阻抗匹配，多个单极子辐射器单元组成圆周向紧密排列的多频段天线阵列，形成一个极化方式的被动雷达信号接收天线阵列；单极子辐射器单元振子臂之间留有间隙，在印刷介质基板的另一侧设置矩形耦合片，增加单极子辐射器振子臂之间的电磁耦合，改善低频段的阻抗和辐射方向图性能，在单极子辐射器阵列所在的印刷介质基板下方，放置一个圆环形金属反射器结构，对单极子辐射器阵列的方向图进行调控。

5、本发明中单极子天线单元辐射器中，与馈电的同轴电缆连接的均匀cpw的特性阻抗为50欧姆，共面波导的特性阻抗可由下面的公式计算得出，定义变量k1和k2，其值分别为

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8、式中：h为介质基板的厚度；w为介质基板的宽度；w3为共面波导馈线的宽度；g为共面波导馈线与接地板之间的缝隙宽度；介质基板的有效相对介电常数为：

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10、式中：k(k1)、k(k2)、k'(k1)、k'(k2)分别为第1类完全椭圆积分函数和其补函数，其具体表达式为：

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12、共面波导的特性阻抗可以表示为：

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14、本发明采用金属结构的单极镜像vivaldi天线阵列实现与单极子辐射器近似正交的接收通道，形成极化分集的效果，在与传统的vivaldi天线辐射缝隙中心区域放置金属地板，金属地板与vivaldi天线辐射器所在的金属薄片垂直，则可以省略一半的辐射器结构，同时近似保留原有的辐射效果，实现很好的小型化效果，在单极vivaldi辐射器振子的上下两侧，设置形成近似电磁边界镜像地板作用的矩形金属片结构，该金属片结构与vivaldi天线辐射器的金属薄片区域互相垂直，且在金属薄片上下两侧的高度不同，在单极vivaldi辐射器振子金属臂的前后两侧，放置具有介电常数的介质块，提高单极镜像vivaldi辐射器的辐射效率，改善低频处的阻抗特性，降低低频处的回波损耗；前后两侧的介质块的形状和厚度不同，以提高阻抗调配的自由度，将多个单极镜像vivaldi天线单元安装圆周向排列，形成圆柱形随形布局的超宽带小型化天线阵列，用来实现飞行器结构前方某一区域的波束覆盖，在圆柱形金属载体的内表面和外表面放置微波吸波材料，以降低单极镜像vivaldi天线的安装高度，改善天线阵列的阻抗和辐射性能，提高极化分集天线复合天线阵列之间的电磁隔离性能。

15、本发明中单极镜像vivaldi天线单元的金属辐射臂采用的指数曲线方程为：

16、y＝c1erx+c2                      (6)

17、式中，c1和c2分别根据l_ta、w_sl、h、l和r确定，此处，l_ta为单极镜像vivaldi天线对应的传统vivaldi天线从原点算起的直线缝隙的长度，w_sl h为直线缝隙的宽度，指数渐变缝隙的宽度，l为指数渐变缝隙的长度，r为指数曲线的常数，h为单极镜像vivaldi天线对应的传统vivaldi天线的宽度，此处采用b＝h+0.1。

18、本发明中单极镜像vivaldi天线单元内侧加载的介质块的形状由参数x1、x2、y1和介质块的厚度t_sub_inner确定；单极镜像vivaldi天线外侧加载的介质块的厚度为t_sub_outer，形状为矩形，填满整个单极镜像vivaldi天线辐射器金属振子臂表面。

19、综上所述，本发明设计了一种多频段极化分集被动探测雷达天线系统方案，该天线技术方案具有设计容易、结构简单，成本低廉和结构小型化的特点，在保证极化分集天线的极化隔离和辐射方向图覆盖范围的条件下，设计的天线系统在电性能上较为稳定，机械安装方便，结构可靠，适合于工程应用。本发明中的多频段极化分集被动探测雷达天线装置适合应用于被动制导雷达、电子侦察系统、电子干扰系统和电子对抗系统中，重要较为重要的实际应用价值。