一种低剖面超宽带正弦折线天线、超宽带通信终端

摘要

本发明属于通信天线技术领域，公开了一种低剖面超宽带正弦折线天线、超宽带通信终端，所述低剖面超宽带正弦折线天线包括：四个正弦折线辐射臂、两组共面小型化巴伦、两层超薄印刷吸波层及背腔；所述正弦折线辐射体位于背腔口面；所述小型化共面巴伦位于背腔底部，两组巴伦输出端各自通过两个细金属柱与一对正弦折线辐射臂馈电点连接；所述两层超薄印刷吸波层按照一定间距加载于巴伦和折线天线之间。本发明由正弦折线辐射臂和共面小型化巴伦产生双极化超宽带辐射，并利用背腔内的超薄印刷吸波层抑制背向辐射，实现单向辐射。其优势在于低剖面、超宽带、轻量化、低成本及可灵活配置的极化，可用于多种平台。

说明书

技术领域

本发明属于通信天线技术领域，尤其涉及一种低剖面超宽带正弦折线天线、超宽带通信终端。

背景技术

目前：正弦折线天线是一种性能较优异的宽频带天线，广泛用于超宽带通信、电子战、宽带频谱监测、宽带被动制导等军用和民用领域。考虑到实际载体的设计要求，通常天线需要被设计为单向辐射。常用的正弦折线天线单向辐射设计方法为背腔加载。理论上，对于单一频点，若背腔底部距离天线辐天线四分之一波长，则可以使反射波和直射波同相叠加提高增益。进一步还可以基于同相反射带隙来使天线辐射臂紧贴背腔实现单向辐射。但上述方法要求天线与背腔底部距离保持四分之一波长并不适合超宽带天线。而目前基于谐振机理构建的同相反射带隙也无法实现超宽带设计。另一种折中的方法就是采用吸波材料填充背腔用来吸收背向辐射，形成单向辐射。但传统的碳粉掺杂海棉类吸波材料由于需要的厚度较大使得天线腔体深度较大。进一步为了覆盖低频段往往还需要和铁基类吸波材料组合使用，从而使该类天线剖面大、重量大、成本高。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：常规正弦折线天线整体剖面高度高、尺寸大、重量大、造价高。

目前解决上述问题的方法仍然集中在反射抑制材料的设计上。采用同相反射带隙结构由于依赖于周期性谐振结构几乎无法覆盖连续工作宽带，尽管人们尝试采用多层嵌套谐振结构来构建多频带特性，但仍然无法形成高效吸收而连续的宽带吸收效果。超宽带设计难度很大。而常规吸波材料由于其机理的限制，必须依赖具有一定厚度的碳粉掺杂海绵，此时降低海绵厚度会带来吸收率和带宽的严重下降，要想在低剖面上实现超宽带的吸收，如果不从吸收机理上突破，工程挑战性非常大。

但在通信、电子战、侦测等各种应用场景中，超宽带多极化低剖面天线具有广泛的应用。若能将天线实现低剖面、小型化紧凑设计，则可以带来诸多优势。一方面可以降低载体平台的不规则程度；例如在高速飞行器上，减小预埋腔体深度或者外凸高度可以大大改善飞行器流体特性，实现紧促气动布局设计。另一方面可以降低天线作为平台载荷带来的重量压力，这在飞行器设计中尤为重要。此外，若新型设计方案课降低成本，则非常有利于系统的工程造价降低和大规模生产。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种低剖面超宽带正弦折线天线、超宽带通信终端。

本发明是这样实现的，一种低剖面超宽带正弦折线天线，所述低剖面超宽带正弦折线天线包括：四个正弦折线辐射臂、两组共面小型化巴伦、两层超薄印刷吸波层及背腔；

所述正弦折线辐射体位于背腔口面；所述小型化共面巴伦位于背腔底部，两组巴伦输出端各自通过两个细金属柱与一对正弦折线辐射臂馈电点连接；所述两层超薄印刷吸波层按照一定间距加载于巴伦和折线天线之间。

上述的天线辐射结构和巴伦组合实现了非常紧促的双极化设计优势。超薄印刷吸波材料在满足吸波效果的同时，实现了剖面薄、重量轻、造价低的优势。

进一步，所述正弦折线辐射臂由正弦曲线绕原点旋转22.5°扫描形成。

进一步，由单臂绕原点依次旋转90°复制得到4辐射臂。

进一步，所述小型化共面巴伦基于渐变结构实现宽带匹配和平衡变换，其末端带有分叉并位于背腔底部，并与天线平行放置，各自通过两个细金属柱与一对正弦折线辐射臂馈电点连接。

进一步，所述超薄印刷吸波层，由带损耗环形印刷单元构成频率选择表面，双层组合实现超宽带吸波。

进一步，所述正弦折线天线单元包括多段为正弦曲线的辐射臂；其中，各辐射臂以一定角度往返折回交错地衔接成一体并构成非闭合结构，即除第一段辐射臂和最后一段辐射臂各有一端未连接其他辐射臂之外，其余辐射臂均与其他辐射臂首尾相连；

自基板圆心向圆周方向，正弦折线天线单元中的辐射臂的长度逐渐变大；同一正弦折线天线单元中，各辐射臂的正弦曲线根据如下公式形成：

其中r和

进一步，使正弦折线天线单元形成为自补图形，将各相邻两个辐射臂之间的角度跨度δ均设置为22.5°，以使每两个辐射臂的衔接部分至少能够插入嵌套于相邻正弦折线天线单元对应两个辐射臂所构成的空隙部分；当具备四个正弦折线天线单元，且在圆周方向上朝向相同排列时，相邻两个正弦折线天线单元能够互相插接嵌套；该四臂正弦折线螺旋天线；

平面馈电巴伦20基于渐变结构实现宽带匹配和平衡变换；

所述平面馈电巴伦与天线平行放置，并采用弯曲结构解决排布；

将两个巴伦末端断开并通过分叉和连接线分别给两对振子馈电。

进一步，具有一带超薄印刷吸波层的背腔，实现正弦折线天线的单向辐射，背腔为一端开口的圆柱，超薄印刷吸波层置于其中；

超薄印刷吸波层采用双层带损耗FSS单元；

介于地板和带损耗FSS的媒质采用重量轻和介电常数接近真空的泡沫；

FSS单元采用环形结构，具体吸波材料单元，带损耗的FSS吸波屏等效电路模型，对应的阻抗为：

Z

自由空间向吸波结构的输入阻抗Z

其中Z

单元参数取D＝25.74mm，dpatch＝21.5mm，wpatch＝4.45mm，下层油墨方阻为70Ω/sq，上层油墨方阻为200Ω/sq，印刷电阻油墨的胶片采用FR4，厚度t＝0.14mm。

本发明的另一目的在于提供一种超宽带通信终端，所述超宽带通信终端使用所述的低剖面超宽带正弦折线天线。

本发明的另一目的在于提供一种宽带频谱监测终端，所述宽带频谱监测终端使用所述的低剖面超宽带正弦折线天线。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明吸波材料结合传统的Salisbury吸波屏、频率选择表面的双重优势设计而成。传统Salisbury吸波屏距离导电地板四分之一波长，由具有特定表面电阻的吸波屏和介质材料构成。本发明采用印刷双层带损耗频率选择表面(Frequency selective surface,FSS)单元替代Salisbury吸波屏单元。通过印刷单元图形和表面电阻的联合优化，上层带损耗FSS的吸收频带、耦合吸收频带和底层FSS吸收频带构建了超宽吸波频带。避免了Salisbury吸波屏的四分之一波长窄带约束。同时可以通过在胶片上印刷进行加工制作。其成本、重量、带宽均具有很大的优势。工程上带损耗吸波FSS胶片可采用重量轻和介电常数接近真空的泡沫支撑。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明基于双层超薄印刷吸波层替代传统海绵和铁氧体吸波材料，实现9个倍频的超宽带吸收。由于超薄印刷吸波层本身由胶片印刷构成，相互间距相对很小。用于背腔天线后大大减小了腔体深度。具有低剖面、低成本、轻重量、超带宽的优势。

(2)本发明采用小型化共面弯折微带线巴伦，利用渐变结构实现宽带匹配和平衡变换，其末端带有分叉并位于背腔底部，并与天线平行放置，各自通过两个细金属柱与一对正弦折线辐射臂馈电点连接。解决了传统竖直馈电的巴伦无法正交放置的问题，同步实现了结构上的紧凑设计、与吸波材料的空间兼容、双极化同步馈电。

(3)本发明基于双对互补正弦折线辐射臂和馈电系统的合理设计，通过单口径实现了双极化的馈电，结合电桥或其他馈电系统的组合应用可以用单线极化、双线极化、单圆极化、双圆极化等各种应用场景。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的低剖面超宽带正弦折线天线的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的图1所示的低剖面超宽带正弦折线天线的侧视图。

图3是本发明实施例提供的图1所示的四臂正弦折线螺旋天线辐射体俯视图。

图4是本发明实施例提供的图5所示巴伦末端分叉的模型示意图。

图5是本发明实施例提供的图1所示吸波材料的单元结构和安装结构图。

图6是本发明实施例提供的图9所示的带损耗的FSS吸波屏等效电路模型示意图。

图7是本发明实施例提供的图9所示双层结构型吸波材料垂直入射情况下的反射系数曲线示意图。

图8是本发明实施例提供的图2所示天线两个输入端口的驻波比仿真和测试结果示意图。

图9是本发明实施例提供的图2所示天线圆极化轴向增益和轴比仿真结果示意图。

图10是本发明实施例提供的图2所示天线在2GHz仿真圆极化辐射方向图。

图11是本发明实施例提供的图2所示天线在6GHz仿真圆极化辐射方向图。

图12是本发明实施例提供的图2所示天线在10GHz仿真圆极化辐射方向图。

图13是本发明实施例提供的图2所示天线在14GHz仿真圆极化辐射方向图。

图14是本发明实施例提供的图2所示天线在18GHz仿真圆极化辐射方向图。

图15是本发明实施例提供的图2所示天线在2GHz仿真线极化辐射方向图。

图16是本发明实施例提供的图2所示天线在6GHz仿真线极化辐射方向图。

图17是本发明实施例提供的图2所示天线在10GHz仿真线极化辐射方向图。

图18是本发明实施例提供的图2所示天线在14GHz仿真线极化辐射方向图。

图19是本发明实施例提供的图2所示天线在18GHz仿真线极化辐射方向图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种低剖面超宽带正弦折线天线、超宽带通信终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1-图19所示，本发明实施例提供的低剖面超宽带正弦折线天线包括一四臂正弦折线螺旋天线10、两组平面指数巴伦20、两层结构型吸波材料30及一金属背腔40。

具体而言，该四臂正弦折线螺旋天线10包括四个相同的正弦折线天线单元11、12、13、14及一层介质基板，也即该四个正弦折线天线单元11～14具有相同的结构和尺寸，可以视作将一个正弦折线天线单元11依次按角度90°旋转复制形成了正弦折线天线单元12、13、14，进而形成该四臂正弦折线螺旋天线10。

在一具体实施例中，具体以其中一个正弦折线天线单元如正弦折线天线单元11为例进行说明。该正弦折线天线单元11包括多段为正弦曲线的辐射臂110。其中，各辐射臂110以一定角度往返折回交错地衔接成一体并构成非闭合结构，也即除第一段辐射臂110和最后一段辐射臂110各有一端未连接其他辐射臂110之外，其余辐射臂均与其他辐射臂110首尾相连。举例而言，该正弦折线天线单元11可以被设计为10个辐射臂110，该10个辐射臂110长度渐变，最短的辐射臂110具有最高的工作频率，反之最短的辐射臂110对应具有最低的工作频率。因此，可以通过增加辐射臂110的长度来拓展天线的低频工作频率。

进一步的，如图3所示，自基板圆心向圆周方向，正弦折线天线单元11中的辐射臂110的长度逐渐变大。更具体的，同一正弦折线天线单元11中，各辐射臂110的正弦曲线根据如下公式形成：

其中r和

在一较佳实施例中，为使正弦折线天线单元11形成为自补图形，将各相邻两个辐射臂110之间的角度跨度δ均设置为22.5°，以使每两个辐射臂110的衔接部分至少能够插入嵌套于相邻正弦折线天线单元对应两个辐射臂所构成的空隙部分。当具备四个正弦折线天线单元11～14，且在圆周方向上朝向相同排列时，相邻两个正弦折线天线单元能够互相插接嵌套。该四臂正弦折线螺旋天线10，本质上为非频变天线，具有较宽的带宽，且其互不接触的嵌套方式不仅可以提高各正弦折线天线单元11～14之间的隔离性，同时也缩减了天线尺寸，此外，末端加载电阻的方式也有效减小了天线尺寸。

具体而言，所述平面馈电巴伦20基于渐变结构实现宽带匹配和平衡变换。

进一步的，所述平面馈电巴伦与天线平行放置，并采用弯曲结构解决排布。

进一步的，实际应用中会将两个巴伦末端断开并通过分叉和连接线分别给两对振子馈电，解决了传统竖直馈电的巴伦无法正交放置的问题，同步实现了结构上的紧凑设计、与吸波材料的空间兼容、双极化同步馈电。具体如图4所示。

本发明设计有一带超薄印刷吸波层的背腔，以实现正弦折线天线的单向辐射。具体而言，背腔为一端开口的圆柱，超薄印刷吸波层置于其中。

传统的Salisbury吸波屏由距离导电地板四分之一波长的具有特定表面电阻的吸波屏和介质材料构成，通过吸波屏直接反射场和吸波屏与地板间多次反射后再次透出吸波屏的场的对消实现对反射场的抑制。传统Salisbury吸波屏只有单个谐振频点，而在低于或高于谐振频点的频率范围内，吸波屏会分别受到接地介质板产生的感抗或容抗成分的影响，产生较高的反射率。

超薄印刷吸波层在传统的Salisbury吸波屏的基础上，采用双层带损耗FSS单元替代Salisbury吸波屏单元。

进一步的，介于地板和带损耗FSS的媒质采用重量轻和介电常数接近真空的泡沫。

进一步的，FSS单元采用从十字形、环形和贴片形中优选出的环形结构，具体吸波材料单元结构结合图5说明。

具体的，带损耗的FSS吸波屏等效电路模型为如图6所示。其对应的阻抗为：

Z

自由空间向吸波结构的输入阻抗Z

其中Z

在一较佳实施例中，考虑到由自由空间向吸波材料的反射系数为

进一步的，为了进一步拓展带宽，本发明采用双层带损耗FSS构成吸波材料，这是因为：

两层带损耗频率选择表面FSS会在各自的谐振频段处产生吸收；下层带损耗频率选择表面FSS在自身的谐振频段外可以充当反射面，使上层带损耗频率选择表面FSS产生新的吸波频段；频率选择表面FSS在低频端引起相位滞后，产生吸波峰。

根据上述结构型吸波材料的设计原理和结构，可以实现频段覆盖2GHz-18GHz的超宽带吸波。

在一较佳实施例中，单元参数取D＝25.74mm，dpatch＝21.5mm，wpatch＝4.45mm，下层油墨方阻为70Ω/sq，上层油墨方阻为200Ω/sq，印刷电阻油墨的胶片采用FR4，厚度t＝0.14mm，具体结合图5说明。此时垂直入射情况下双层结构型吸波材料的反射系数曲线如图7所示。

超薄印刷吸波层可以实现9个倍频的超宽带吸收。由于超薄印刷吸波层本身由胶片印刷构成，相互间距相对很小。用于背腔天线后大大减小了腔体深度。具有低剖面、低成本、轻重量、超带宽的优势。

图1给出了加载了巴伦、吸波材料背腔的正弦折线天线。如图2所示，巴伦和双层超薄印刷吸波层均置于天线背腔内。巴伦位于腔体底部，双层超薄印刷吸波层加载于巴伦介质板和天线之间，两组巴伦末端通过四个细金属柱与天线馈电点连接。

此时，自天线辐射面到巴伦背面的天线背腔深度仅15mm。相对传统Sinuous天线而言，本发明所设计的天线实现了背腔深度约60％的减缩，具有很好的低剖面优势。此外末端加载电阻的方式也有效减小了天线口径大小，天线直径仅为59mm，实现了低剖面小型化的目标。

下面结合仿真对本发明的技术效果作详细的描述。

下面对天线性能进行分析。首先分析该天线的端口驻波比和隔离度性能。图8为天线两个输入端口的驻波比仿真结果，从图中可以看出，仿真的驻波比2～18GHz频段的驻波比均在2以下，说明巴伦与天线实现了良好的匹配。

分析天线在圆极化和线极化两种工作状态下的增益和方向图特性。

天线圆极化采用仿真结果进行验证。图9为天线轴向增益仿真结果，可以看出由于天线尺寸较小且末端加载电阻，天线在2～3GHz的低频端增益较低，但随着频率升高天线的增益基本稳定在4dB以上。图9同步展示了天线仿真的轴比特性。可以看出，采用论文所设计的巴伦后天线的轴比性能良好，在全频段小于1.5dB。图10-图14为天线在几个频点的仿真圆极化辐射方向图，由仿真结果可以看出天线表现出较好的圆极化特性。并且天线在整个频段内保持了良好的波束宽度特性，3dB波束宽度可以覆盖±30°，满足该类天线的大部分应用场景。

天线线极化的工作方式采用仿真结果验证。由于天线的对称性，论文只给出一个端口对应的单极化仿真结果。图15-图19展示了天线在几个频点的仿真归一化辐射方向图，可以看出天线在整个频段内保持了良好的波束宽度特性。3dB波束宽度可以覆盖±30°。

综上所述，本发明所设计的天线圆极化和线极化工作特性良好，且采用本发明的设计方式以后，与传统的原有的海绵和铁氧类组合吸波材料相比，厚度从30mm降低到12mm左右；重量减小约25％；从成本远小于海绵和铁氧类组合吸波材料。因此本论文设计的天线具有非常大的应用价值和潜力。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。