一种基于对数周期缝的超宽带共形端射天线

摘要

本发明公开了一种基于对数周期缝的超宽带共形端射天线，自上至下依次包括介质覆层、设有异面共面波导‑微带线转换装置的共面波导‑微带线转换装置层、设有辐射缝隙的辐射缝隙层和金属背腔；所述介质覆层与共面波导‑微带线转换装置层紧密接触，辐射缝隙层和金属背腔紧密接触；介质覆层、共面波导‑微带线转换装置层、辐射缝隙层和金属背腔通过金属销钉固定在一起。本发明提供了一种基于对数周期缝的超宽带共形端射天线，采用对数周期非频变结构，通过新型金属背腔加载，并利用PCB倒置和介质覆层加载等技术手段，使得所设计的天线同时具备结构简单、抗金属环境干扰能力强、超宽频带内稳定端射辐射、正端射方向增益高的特点。

说明书

技术领域

本发明属于电磁天线技术领域，特别涉及一种基于对数周期缝的超宽带共形端射天线。

背景技术

端射天线作为定向天线的一种，可以产生端向辐射的电磁波。相比于全向天线和其他的定向天线，端射天线能够以较低的剖面实现端射辐射，同时具备中等及其以上的增益特性。而安装于高速运动载体上的电子通信设备，如预警机雷达系统，弹载反辐射系统等，都要求其上搭载的天线具有低剖面、易共形安装等特性，有时这些特性甚至是决定该天线能否应用的最主要因素。端射天线由于具有上述的特点非常适合高速运动载体应用。如20世纪90年代后期，美国研制的MESA雷达中即采用了侧射和端射两种相控阵天线，使得该预警机具备电子对抗、电子情报侦察和敌我识别等多种功能。又如2009年ATK公司公布了其最新的反辐射导弹，采用共形端射天线阵，有效地实现了端射共形测向功能，极大地提高了系统的作战能力，在多个平台上得到了广泛集成应用。

相比于其他的天线形式，目前针对端射天线的研究仍然较少，并主要集中于几种窄带端射天线上，如Yagi天线。而传统的宽带端射天线，如喇叭天线、锥削缝天线等则由于自身较大的尺寸以及非平面的结构特点，并不适宜于共形安装在高速运动的载体上。另一方面，对于需要共形设计的端射天线，其特殊安装环境，如各种形状的金属载体平台，也会对天线的辐射特性造成很大的影响。因此本发明针对现有端射天线技术中存在的带宽较窄、不易共形安装、端射辐射不稳定、不利于复杂电磁环境应用等缺点设计了一种易于共形安装的基于缝隙的6-18GHz超宽带端射天线，具备结构简单、加工方便、易于共形安装、抗金属环境(金属载体平台)干扰、超宽频带内稳定端射辐射、正端射方向增益高的特点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有端射天线技术中存在的带宽较窄、不易共形安装、端射辐射不稳定、不利于复杂电磁环境应用等缺点，提供一种基于对数周期缝的超宽带共形端射天线，采用对数周期非频变结构，通过新型金属背腔加载，并利用PCB倒置和介质覆层加载等技术手段，使得所设计的天线同时具备结构简单、抗金属环境干扰能力强、超宽频带内稳定端射辐射、正端射方向增益高的特点。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于对数周期缝的超宽带共形端射天线，能在6～18GHz超宽频带内实现端射辐射，自上至下依次包括介质覆层、设有异面共面波导-微带线转换装置的共面波导-微带线转换装置层、设有辐射缝隙的辐射缝隙层和金属 背腔；所述介质覆层与共面波导-微带线转换装置层紧密接触，辐射缝隙层和金属背腔紧密接触；介质覆层、共面波导-微带线转换装置层、辐射缝隙层和金属背腔通过金属销钉固定在一起。

进一步地，金属背腔的横向以及纵向腔体尺寸按照对数周期规律变化，腔深保持不变，辐射缝隙的缝隙尺寸也按照对数周期规律变化。所述金属背腔包括8～12个对数周期腔元，腔深为6～10mm，最大腔元的腔体横向尺寸为28～34mm，其余腔元的横向尺寸则按照对数周期律渐变，等比因子为0.8～0.9，轮廓角为28～34度。所述金属背腔采用铝材制作。

进一步地，辐射缝隙包括8～12个对数周期辐射缝隙单元，对数周期辐射缝隙单元与金属背腔上的对数周期腔元一一对应且金属背腔位于辐射缝隙单元正下方。

辐射缝隙单元采用折合缝隙的形式构成，折合缝隙正中心设有用于调整相邻折合缝隙相位关系的寄生缝隙；

最大辐射缝隙单元的折合缝隙的长度为24～30mm，折合缝隙宽度为0.5～0.9mm，折合缝隙两长臂相距3.5～4.1mm，折合缝隙长臂开口3.3～3.9mm；寄生缝隙长度为15.2～15.8mm，宽度为0.9～1.0mm；其余辐射缝隙单元的折合缝隙和寄生缝隙的尺寸则按照对数周期律渐变，等比因子为0.8～0.9，轮廓角为28～34度。

进一步地，异面共面波导-微带线转换装置的共面波导和微带线分别印制在PCB介质板的两面，共面波导信号线与地之间的缝隙宽度为0.15～2.1mm；微带线的馈线端宽度为1.0～1.5mm，矩形贴片的窄边尺寸为1.6～2.0mm，宽边尺寸为2.8～3.2mm；共面波导的矩形贴片和微带线的矩形贴片具有相同尺寸；介质基板的厚度为0.5～0.6mm，介电常数为3.5～3.7。

进一步地，介质覆层的介质厚度为1.5～1.6mm，介质材料介电常数为2.0～2.5，起到保护辐射缝隙、改善天线阻抗匹配、宽频带内稳定天线端射方向图的作用。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用对数周期天线作为基本的天线结构，同时采用折合缝隙天线作为对数周期天线基本的辐射单元，能够在6～18GHz的超宽频段内维持良好的阻抗匹配和端射辐射；

2、采用了背腔加载结构，能够进一步抑制缝隙天线的双向辐射同时抑制复杂电磁环境时对天线性能的影响；

3、采用共面波导向微带线的耦合完成异面共面波导向微带线转换，能够方便天线馈电，并且具备在超宽频带内匹配良好，插损低的特点；

3、采用倒置结构和添加覆层介质的手段，在超宽频带内进一步稳定了天线的辐射特性并改善了其阻抗匹配特性。

附图说明

图1为本发明的超宽带共形端射天线结构示意图；

图2本发明的超宽带共形端射天线分解示意图；

图3本发明的超宽带共形端射天线的金属背腔示意图；

图4本发明的超宽带共形端射天线的辐射缝隙示意图；

图5本发明的超宽带共形端射天线的异面共面波导-微带转换结构示意图；

图6本发明的超宽带共形端射天线的回波损耗特性图；

图7本发明的超宽带共形端射天线在7GHz、11GHz、15GHz处的辐射方向图，图7(a)为天线E面辐射方向图，图7(b)为天线H面辐射方向图；

图8本发明的超宽带共形端射天线在在7GHz、11GHz、15GHz处的E面(主极化面)的交叉极化特性示意图；

附图标记说明：1-金属背腔，2-辐射缝隙，3-异面共面波导-微带线转换装置，4-介质覆层。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

针对现有端射天线技术中存在的带宽较窄、不易共形安装、端射辐射不稳定、不利于复杂电磁环境应用等缺点，本发明设计了一种基于对数周期缝的超宽带共形端射天线，同时采用对数周期非频变结构通过新型金属背腔加载，并利用PCB倒置和介质覆层加载等技术手段，使得所设计的天线同时具备结构简单、加工方便、易于共形安装、抗金属环境(金属载体平台)干扰、超宽频带内稳定端射辐射、正端射方向增益高的特点。

如图1、图2所示，一种基于对数周期缝的超宽带共形端射天线，能在6～18GHz超宽频带内实现端射辐射，自上至下依次包括介质覆层4、设有异面共面波导-微带线转换装置3的共面波导-微带线转换装置层、设有辐射缝隙2的辐射缝隙层和金属背腔1；所述介质覆层4与共面波导-微带线转换装置层紧密接触，辐射缝隙层和金属背腔1紧密接触；介质覆层4、共面波导-微带线转换装置层、辐射缝隙层和金属背腔1通过金属销钉固定在一起。

如图3所示，本发明的金属背腔1的横向以及纵向腔体尺寸按照对数周期规律变化，腔深保持不变，辐射缝隙的缝隙尺寸也按照对数周期规律变化。所述金属背腔1包括8～12个对数周期腔元，腔深为6～10mm，最大腔元的腔体横向尺寸为28～34mm，其余腔元的横向尺寸则按照对数周期律渐变，等比因子为0.8～0.9，轮廓角为28～34度。优选的，金属背腔1的腔深为8mm，最大腔元的腔体横向尺寸为31mm，其余尺寸则按照对数周期律渐变，等比因子为0.8575，轮廓角为31度。

所述金属背腔采用铝材制作，保证背腔重量较轻的同时又具备一定强度。

如图4所示，本发明的辐射缝隙2包括8～12个对数周期辐射缝隙单元，对数周期辐射缝隙单元与金属背腔1上的对数周期腔元一一对应且金属背腔位于辐射缝隙单元正下方。

辐射缝隙单元采用折合缝隙的形式构成，折合缝隙正中心设有用于调整相邻折合缝隙相位关系的寄生缝隙；最大辐射缝隙单元的折合缝隙的长度为24～30mm，折合缝隙宽度为0.5～0.9mm，折合缝隙两长臂相距3.5～4.1mm，折合缝隙长臂开口3.3～3.9mm；寄生缝隙长度为15.2～15.8mm，宽度为0.9～1.0mm；其余辐射缝隙单元的折合缝隙和寄生缝隙的尺寸则按照对数周期律渐变，等比因子为0.8～0.9，轮廓角为28～34度。优选的，最大辐射缝隙单元的折合缝隙的长度为27mm，折合缝隙宽度为0.7mm，折合缝隙两长臂相距3.8mm，折合缝隙长臂开口为3.6mm，其余折合缝隙相应尺寸按照对数周期规律渐变，等比因子为0.8575，轮廓角为31度；寄生缝隙长度为15.5mm，宽度为0.95mm。

如图5所示，本发明的异面共面波导-微带线转换装置3采用共面波导向微带线的耦合完成异面共面波导向微带线转换，能够方便天线馈电，并且具备在超宽频带内匹配良好，插损低的特点。其共面波导和微带线分别印制在PCB介质板的两面，共面波导信号线与地之间的缝隙宽度为0.15～2.1mm；微带线的馈线端宽度为1.0～1.5mm，矩形贴片的窄边尺寸为1.6～2.0mm，宽边尺寸为2.8～3.2mm；共面波导的矩形贴片和微带线的矩形贴片具有相同尺寸；介质基板的厚度为0.5～0.6mm，介电常数为3.5～3.7。优选地，共面波导信号线与地之间的缝隙宽度为0.174mm；微带线的馈线端宽度为1.078mm，矩形贴片的窄边尺寸为1.8mm，宽边尺寸为3mm；介质基板的厚度为0.528mm，介电常数为3.66。

进一步地，介质覆层4的介质厚度为1.5～1.6mm，介质材料介电常数为2.0～2.5，起到保护辐射缝隙、改善天线阻抗匹配、宽频带内稳定天线端射方向图的作用。优选地，介质覆层4采用介电常数为2.2的介质基板，厚度为1.5245mm。

本发明采用倒置结构，即辐射缝隙层和金属背腔1相互紧贴，介质覆层4和共面波导-微带线转换装置层相互紧贴，采用这种结构能够用来减少某些频段的平行板效应，提高天线的效率和增益，从而在超宽频带内保持端射方向图的稳定性。

为在宽频段内维持良好的阻抗匹配和端射辐射，本发明采用对数周期天线作为基本的天线结构，同时采用折合缝隙天线作为对数周期天线基本的辐射单元。为进一步抑制缝隙天线的双向辐射同时抑制复杂电磁环境时对天线性能的影响，本发明采用了背腔加载结构。而倒置结构和添加覆层介质的手段，则在超宽频带内进一步稳定了天线的辐射特性并改善了其阻抗匹配特性。

图6为本发明的优选实施例的超宽带共形端射天线的回波损耗特性图；图7为本发明的优选实施例的超宽带共形端射天线在7GHz、11GHz、15GHz处的辐射方向图，图7(a) 为天线E面辐射方向图，图7(b)为天线H面辐射方向图；图8本发明的优选实施例的超宽带共形端射天线在在7GHz、11GHz、15GHz处的E面(主极化面)的交叉极化特性示意图。从图中可以看出，本发明的超宽带公型端射天线具有抗金属环境干扰能力强、超宽频带内稳定端射辐射、正端射方向增益高等特点。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。