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铁氧体加载的大曲率机翼共形强耦合超宽带一维相控阵天线

  • 国知局
  • 2024-12-06 12:15:15

本发明属于天线工程,具体涉及一种铁氧体加载的大曲率机翼共形强耦合超宽带一维相控阵天线。

背景技术:

1、随着无线电子技术的不断发展,尤其是军事领域愈发对天线性能的严苛要求,独立的单一天线已不能满足需求,相控阵天线便由此诞生。近年来,无论是雷达系统、无线通信系统还是军事电子平台,相控阵天线被应用到的领域越来越全面,对其的性能要求也越来越多。

2、然而对于一些高速平台,比如各类飞行器中,出于气动布局等因素的考虑,有时难以应用平面型的天线结构。这时,同样具有良好电性能的共形天线就能发挥出其低剖面和易于平台集成的优势。共形布局可以极大降低传统天线布局为平台带来的气动阻力,提升天线的适装能力和降低平台的负担,同时还能充分利用平台空间,提升天线孔径面积,减小扫描盲区。此外,共形布局还可以有效降低载体平台的雷达散射截面,提升隐身性能。具备超宽带宽角扫描能力的共形相控阵天线现在已经成为了各国科研人员的重点研究对象。

3、基于上述对相控阵天线所提出的新要求,一种通过加强阵列单元之间电容耦合来实现超宽带的天线,即强耦合天线应运而生。通过单元间的强电容耦合,此种天线不仅缩小了单元横向及纵向尺寸,同时具有低剖面、轻量化、超宽频带、宽角扫描、低交叉极化等特性。近年来一些研究将阻性材料加载作为提升天线工作带宽的技术新途径。在申请号为cn202210384772.4的中国专利“一种阻性材料加载的十倍频程双极化强耦合相控阵天线”中,通过加载交指型阻性频率选择表面,对带内共模谐振引起的不良反射进行吸收,实现了工作在0.2-2ghz范围内的十倍频程超宽带天线,但其剖面高度没有得到改善,高达0.63倍高频波长。在申请号为cn202110120853.9的中国专利“铁氧体加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线”中,通过加载铁氧体材料,使得天线在实现十倍频程超宽带的同时,剖面高度仅为0.42倍高频波长,但是天线的平面结构导致其难以应用到机翼载体平台,不利于实际应用。在申请号为cn201911278146.1的中国专利“一种基于fss结构的宽角共形线性相控阵天线”中,天线既能共形在结构表面,极大地减少了天线所占的空间体积,又能够保证良好的辐射特性,并且有很高的方向性。但是其工作带宽较窄,不利于实际应用。

4、上述专利在天线加载阻性材料和共形设计方面各具特色,但仍难以满足实际工程应用对天线带宽、天线结构、剖面高度等因素的全方位挑战。因此,对阻性材料加载的共形天线展开研究从而获得高增益、超宽带、大曲率载体共形等更高性能的天线技术指标,具有非常重要的实际工程意义。

技术实现思路

1、针对现有技术中的不足,本发明提供的铁氧体加载的大曲率机翼共形强耦合超宽带一维相控阵天线,解决了现有相控阵天线中天线带宽较窄、难以共形、剖面较高的问题。

2、为了达到上述发明目的,本发明采用的技术方案为:铁氧体加载的大曲率机翼共形强耦合超宽带一维相控阵天线,包括机翼载体轮廓、强耦合共形偶极子线阵、渐变微带馈电巴伦、分块式铁氧体、固定基板、金属反射地板、微带功分器;所述机翼载体轮廓由介质弯折成机翼的形状;所述强耦合共形偶极子线阵工作在垂直极化状态,与机翼轮廓完全共形;所述渐变微带馈电巴伦上方与强耦合共形偶极子单元进行焊接,下方镶嵌于集成微带功分器的金属反射地板之上。

3、进一步地,渐变微带馈电巴伦正面采用渐变线形状的金属结构,印刷在介质基板的前侧,通过渐变微带线实现了不平衡馈电到平衡馈电的转换。

4、进一步地,所述强耦合共形偶极子线阵共形在机翼轮廓上表面,由上下两层共六个偶极子单元组成线阵,偶极子单元末端都设置有金属贴片增强电容耦合,进一步拓宽天线频带,金属贴片共形在机翼轮廓下表面,边缘的偶极子单元做了额外的延长处理来改善截断效应,实现了超宽的工作带宽,中间的偶极子单元直接相连克服了大曲率机翼尖端难以共形的问题。

5、进一步地,所述分块式铁氧体由八块特殊设计的铁氧体块组成,上下两层对称分布,位于天线与金属反射地板之间的特定位置,组合而成的结构不仅避让了渐变微带馈电巴伦,而且实现了拓展天线带宽的优异特性。

6、进一步地,所述金属反射地板呈尖劈形,由上下两块对称的矩形金属板拼接而成,位于整个机翼轮廓的中间位置,尖劈形有利于波束指向机翼的最前端;固定基板位于金属地板上方,且设置安装槽,渐变微带馈电巴伦的介质基板固定在安装槽内。

7、进一步地,所述微带功分器可以看成由两部分组成,一部分是集成在金属反射地板上下两侧的两个一分三功分器,另一部分是印刷在机翼轮廓上的一分二功分器,这两部分共同构成了一个一分六功分器,使得最终天线单元整体只有一个输入端口,降低了加工成本和减小了天线体积;其中一分三功分器每个输出端口的相位都不同,可以实现对波束指向的调控;另外,通过合理的布局和走线,充分利用了机翼轮廓的空间。

8、综上所述,本发明的有益效果为:本发明提供的铁氧体加载的大曲率机翼共形强耦合超宽带一维相控阵天线,采用渐变微带馈电巴伦进行非平衡馈电到平衡馈电的转化,实现了极宽频带内的天线馈电;强耦合偶极子线阵实现了对机翼载体轮廓的完全共形,通过加载金属贴片,加强了偶极子单元之间的耦合,达到拓展带宽的效果,并且通过延长边缘偶极子单元的长度,克服了边缘截断效应,中间的偶极子单元直接相连克服了大曲率机翼尖端难以共形的问题;分块式铁氧体则通过铁氧体本身的电磁特性起到了拓展带宽,降低剖面的效果,并且结构简单,降低了加工成本;通过对金属反射地板的长度以及尖劈角度的设计,实现了对波束指向的调控,金属反射地板采用上下两块对称的矩形金属板拼接而成,易于加工,并且合理利用了机翼载体的空间;通过设计微带功分器的线长,调整功分器每个输出端口的相位,对波束扫描方向进一步调控,使得最大增益方向在机翼尖端,并且实现了宽带宽角扫描,同时通过合理的布局和走线,最终天线单元整体只有一个输入端口,降低了成本,充分利用了机翼轮廓的空间。

技术特征:

1.铁氧体加载的大曲率机翼共形强耦合超宽带一维相控阵天线,其特征在于,包括机翼载体轮廓(1)、强耦合共形偶极子线阵(2)、渐变微带馈电巴伦(3)、分块式铁氧体(4)、固定基板(5)、金属反射地板(6)、微带功分器(7),所述机翼载体轮廓(1)由介质基板弯折而成,外形轮廓与机翼前襟外形轮廓相同,所述强耦合共形偶极子线阵(2)工作在垂直极化状态,印刷在机翼载体轮廓(1)的上表面,与其完全共形;所述渐变微带馈电巴伦(3),其上方与强耦合共形偶极子线阵(2)中的对应单元进行焊接,下方插入金属反射地板(6)之上的固定基板(5)的开槽中,并与集成在固定基板(5)上表面的微带功分器(7)进行焊接。

2.权利要求1所述的铁氧体加载的大曲率机翼共形强耦合超宽带一维相控阵天线,其特征还在于,所述强耦合共形偶极子线阵(2)由六个强耦合偶极子单元(211-216)组成,偶极子单元末端都设置有金属贴片(201)增强电容耦合,拓宽天线工作频带,金属贴片(201)共形印刷在机翼载体轮廓(1)的下表面,边缘的偶极子单元(211)和(216)都做了额外的延长,延长金属贴片(202-203)印刷在机翼载体轮廓(1)的背板上,中间的偶极子单元(213)和(214)直接相连无缝隙,克服大曲率机翼尖端难共形的问题。

3.根据权利要求1所述的铁氧体加载的大曲率机翼共形强耦合超宽带一维相控阵天线,其特征还在于,所述分块式铁氧体(4)由八块特殊设计的铁氧体块(401-408)组建而成,上下两层对称分布,和金属反射地板(6)平行,位于机翼载体轮廓(1)和金属反射地板(6)之间的特定位置,实现拓展天线带宽。

4.根据权利要求1所述的铁氧体加载的大曲率机翼共形强耦合超宽带一维相控阵天线,其特征还在于,所述固定基板(5)由上下两块介质基板(501)和(502)粘合成具有特定角度的尖劈形,所述金属反射地板(6)由金属片(601)和金属片(602)组成,呈尖劈形,印刷在固定基板(5)的下表面,实现对波束指向的调控。

5.根据权利要求1所述的铁氧体加载的大曲率机翼共形强耦合超宽带一维相控阵天线,其特征还在于,所述微带功分器(7),由两部分组成,一部分是印刷在机翼载体轮廓(1)背板上的一分二功分器(701),另一部分是集成在固定基板(5)上表面(501)的一分三功分器(702)和集成在固定基板(5)下表面(502)的一分三功分器(703),共同组成只有一个输入端口的馈电网络,降低加工成本和减小天线体积,功分器的线长经过特殊设计,每个输出端口输出特定的相位,使得最大增益方向指向机翼尖端。

技术总结本发明公开了一种铁氧体加载的大曲率机翼共形强耦合超宽带一维相控阵天线,包括机翼载体轮廓、强耦合共形偶极子线阵、渐变微带馈电巴伦、分块式铁氧体、固定基板、金属反射地板、微带功分器;强耦合共形偶极子线阵工作在垂直极化状态,实现对机翼载体轮廓的完全共形;渐变微带馈电巴伦上方与偶极子单元进行焊接,下方镶嵌于固定基板中;分块式铁氧体位于机翼载体轮廓和反射地板之间的特定位置,实现拓展天线带宽的优异特性;微带功分器的线长经过特殊设计,实现对波束指向的调控;本发明通过对强耦合偶极子线阵和微带功分器的精心设计达到了完全共形的特性,并加载铁氧体材料实现超宽带、宽角扫描等优良辐射性能。技术研发人员:杨仕文,张泽,杨锋,陈科锦,徐凌云,陈益凯,屈世伟受保护的技术使用者:电子科技大学技术研发日:技术公布日:2024/12/2

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