一种基于超构材料的高增益机载平台全向共形天线

本发明属于机载天线，具体涉及一种基于超构材料的高增益机载平台全向共形天线。

背景技术：

1、天线直接影响着整个无线电信号收发系统的工作质量。目前航空机载电子通信系统普遍使用刀型天线作为通信收发天线，但是，刀型天线普遍高度在四分之一波长，在一些小型机载平台上更适用于使用更低剖面高度的天线。

2、对于飞行器外形隐身设计已经相当成熟，飞行器上的天线等器件会给整个机身带来金属面的不连续，成为了飞行器的重要散射贡献源。机载全向通信天线一般具有较高的剖面高度，天线散射强度较高，需提出一种辐射和散射兼顾的设计来满足隐身飞行器的机载全向通信天线的使用需求。

3、此外，机载平台全向通信天线需要考虑到天线安装在金属平面内，有限的金属平面会导致传播方向上的电磁波相位出现折射反向，导致全向天线的方向图出现上翘的问题，使得方位面的增益降低。并且通信系统在接收空间无线电信号的过程中会受到其他无线电信号的干扰，目标以外的信号就相当于信号噪声。当发射通信设备距离接受天线距离过远时，低增益的天线发射的电磁信号的信噪比过低，甚至直接被噪声信号淹没，那么通信信号的接收就会失败。而一般的通信天线剖面高度在(λl为自由空间低频波长)附近，过高的剖面导致难以集成到小型机载平台，且传统的单极天线受机载金属平台环境影响大并且散射性能较差。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种基于超构材料的高增益机载平台全向共形天线，利用基于单极子的倒梯形圆台辐射体来获得所需要的垂直极化辐射方式，并且通过短路柱的调控，从而实现天线单元的低剖面和较低的截止频率；另外，通过天线单元周围加载的人工表面等离激元，将电磁波有效的束缚在沿着传播方向的金属表面上，改变电磁波的传播相位，并在垂直于传播方向的维度上衰减，从而来提升方位面的增益，提升信号信噪比，来增强机载平台通信系统的综合性能。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术手段为：

3、一种基于超构材料的高增益机载平台全向共形天线，包括金属底板4，所述金属底板4中间设有多边形金属腔体5，多边形金属腔体5中间设有低剖面天线单元1，多边形金属腔体5底面内且围绕低剖面天线单元1外周放射状布置有超构材料的人工表面等离激元3，多边形天线盖板8覆盖在多边形金属腔体5上，且与金属底板4共形。

4、所述低剖面天线单元1，包括切面为倒梯形的金属圆台7，倒梯形金属圆台7底部等角等距设置有多根金属短路柱2，馈电探针6与倒梯形金属圆台7底面中间接触。

5、所述人工表面等离激元3呈多列等角排布金属圆柱阵列，每列由若干根金属圆柱等间距排列于同一条直线上。

6、所述每列金属圆柱由内向外半径递增，最内侧金属圆柱的半径为2±0.2mm，以0.5±0.2mm梯度渐变。

7、所述多边形金属腔体5的腔体侧壁向外倾斜153.5±1°角。

8、所述人工表面等离激元3金属圆柱的圆心与低剖面天线单元1之间距离40±0.5mm。

9、所述人工表面等离激元3的金属圆柱外包裹有介质覆层。

10、所述介质覆层为采用材料包括聚醚醚酮、聚四氟乙烯。

11、所述超构材料的人工表面等离激元3，满足入射到超构材料的人工表面等离激元3的电磁波能够被激发为表面波的模式，即：

12、ksspp，x＝k0sinθi+ξ

13、式中：ksspp，x为反射波的水平波矢的大小；k0为电磁波在真空中总波矢的大小；θi为入射波的入射角；当反射角为θr＝arc sin(ξ/k0)，当ξ＞k0时，反射波的水平波矢为ksspp，x＝ξ＞k0，因此，反射波的垂直波矢为纯虚数，场强沿z方向衰减，入射波被转化成表面波。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

15、本发明中，将低剖面天线单元1埋入到多边形金属腔体5体内部，多边形天线盖板8覆盖在多边形金属腔体5上，且与金属底板4共形，这样的结构相对于传统刀型通信天线，能够使得天线结构不突出于机载平台表面，具有更优良的散射性能。对于多边形金属腔体5的腔体侧壁向外倾斜153.5±1°角，腔体外轮廓具有一定角度能够有效的将入射波折射到其他角域范围内，进一步提升背腔天线的散射性能。

16、将人工表面等离激元3与多边形金属腔体5的中心同轴，且每列金属圆柱由内向外半径递增，最内侧金属圆柱的半径为2±0.2mm，以0.5±0.2mm梯度渐变；人工表面等离激元3金属圆柱的圆心与低剖面天线单元1之间距离40±0.5mm；这样的人工表面等离激元超构材料能够有效的将垂直极化沿金属表面传播的电磁波有效的束缚在传播方向上，将垂直于传播方向的电磁波进行衰减，抵抗金属表面全向天线方向图上翘导致的增益下降问题。

17、在小型化低剖面的天线结构中，馈电探针6更便于加工焊接。此外，倒梯形金属圆台通过金属短路柱2，起到短路和支撑的作用，通过短路作用形成rlc谐振结构，并且降低低频截止频率；并且通过控制短路柱的高度，来调节腔内天线的阻抗匹配状态。

18、综上所述，本发明倒梯形金属圆台7通过金属短路柱2起到支撑的作用并且调节辐射结构与多边形金属腔体底部的间距，拓展了天线的工作带宽并且实现了良好的阻抗匹配，实现了天线的小型化，从而扩展机载平台通信系统的通信容量，可以节省更多的机载平台空间资源。将人工表面等离激元3围绕低剖面天线单元1外周等距分布，对中间的天线单元方向图具有调控的作用，增强了机载通信系统的辐射性能。本发明天线基于超构材料的低剖面高增益设计，较传统单极子天线需要0.25个低频波长，本发明工作只需0.09个低频波长获得了较宽的工作带宽，且天线方位面增益有明显提升，在增加机载平台通信系统信道容量和抵抗衰弱能力，提升系统综合性能，实现机载平台高性能通信上有较强的实际应用价值。

技术特征：

1.一种基于超构材料的高增益机载平台全向共形天线，包括金属底板(4)，其特征在于：所述金属底板(4)中间设有多边形金属腔体(5)，多边形金属腔体(5)中间设有低剖面天线单元(1)，多边形金属腔体(5)底面内且围绕低剖面天线单元(1)外周放射状布置有超构材料的人工表面等离激元(3)，多边形天线盖板(8)覆盖在多边形金属腔体(5)上，且与金属底板(4)共形。

2.根据权利要求1所述的一种基于超构材料的高增益机载平台全向共形天线，其特征在于，所述低剖面天线单元(1)，包括切面为倒梯形的金属圆台(7)，倒梯形金属圆台(7)底部等角等距设置有多根金属短路柱(2)，馈电探针(6)与倒梯形金属圆台(7)底面中间接触。

3.根据权利要求1所述的一种基于超构材料的高增益机载平台全向共形天线，其特征在于，所述人工表面等离激元(3)呈多列等角排布金属圆柱阵列，每列由若干根金属圆柱等间距排列于同一条直线上。

4.根据权利要求3所述的一种基于超构材料的高增益机载平台全向共形天线，其特征在于，所述每列金属圆柱由内向外半径递增，最内侧金属圆柱的半径为2±0.2mm，以0.5±0.2mm梯度渐变。

5.根据权利要求1所述的一种基于超构材料的高增益机载平台全向共形天线，其特征在于，所述多边形金属腔体(5)的腔体侧壁向外倾斜120°-150°角。

6.根据权利要求1或3所述的一种基于超构材料的高增益机载平台全向共形天线，其特征在于，所述人工表面等离激元(3)金属圆柱的圆心与低剖面天线单元(1)之间距离40±0.5mm。

7.根据权利要求1或3所述的一种基于超构材料的高增益机载平台全向共形天线，其特征在于，所述人工表面等离激元(3)的金属圆柱外包裹有介质覆层。

8.根据权利要求7所述的一种基于超构材料的高增益机载平台全向共形天线，其特征在于，所述介质覆层为采用材料包括聚醚醚酮、聚四氟乙烯。

9.根据权利要求1所述的一种基于超构材料的高增益机载平台全向共形天线，其特征在于，所述超构材料的人工表面等离激元3，满足入射到超构材料的人工表面等离激元(3)的电磁波能够被激发为表面波的模式，即：

技术总结
一种基于超构材料的高增益机载平台全向共形天线，在金属底板中间设有多边形金属腔体，多边形金属腔体中间设有低剖面天线单元，多边形金属腔体底面内且围绕低剖面天线单元外周放射状布置有超构材料的人工表面等离激元，多边形天线盖板覆盖在多边形金属腔体上，且与金属底板共形；本发明利用低剖面天线单元嵌入金属腔体内部，改善了传统机载天线的散射性能；通过人工表面等离激元的分布，将电磁波束缚在传播方向，对天线方向图进行调控，提高了全向天线的方位面增益；同时，具有低剖面、小型化特性，提升了机载平台通信系统的综合性能。

技术研发人员：孔鹤翔,陈曦
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12