机载共形天线以及飞行器的制作方法

1.本发明涉及天线技术领域，更具体地，涉及一种机载共形天线以及飞行器。


背景技术：

2.随着现代电子信息技术的日渐发展，尤其是军用电子对天线性能的愈发严苛，传统的机械扫描天线已经难以满足需求。由于电扫描相控阵具有波束扫描快，多目标探测，以及远距离探测等等优势，因此相控阵天线越来越受到各国的重视。而在相控阵天线中，具有超宽带宽角扫描性能与低散射特性的相控阵天线尤其受到各国军事力量的重视。现代飞行器的不断发展，其飞行速度越来越快，对自身气动布局的要求越来越高。平面天线阵安装于飞行载体的表面，对其外形影响较大，影响其飞行性能。因此安装于高速飞行器表面的天线需要更小的横截面和更好的贴合性。为了适应这样的需求，将一些天线单元以曲面的形式排布，机载共形天线与相控阵进行结合，共形相控阵天线便由此诞生。
3.目前，共形天线设计的一个重要环节是天线的搭接设计。良好的搭接有效降低天线单元的驻波比、提高辐射性能。同时，良好的搭接设计还及时消除天线单元周围积累的静电荷。飞机等载体平台的结构体大多采用高强度复合材料制成，为了实现集成于载体平台的机翼的斜梁蒙皮内的天线单元的搭接，需要在蒙皮内的复合材料铺层中增加一条超薄铜网带。利用一个金属镶嵌件贯穿铜网带与天线单元，使得铜网带与天线单元结构体一体成型。然而，铜网带与天线单元的一体成型结构虽然确保了天线单元与斜梁金属骨架的可靠连接，但是天线单元与斜梁金属骨架之间的搭接加工技术难度大、加工工艺复杂，同时铜网带、金属镶嵌件增加了载体平台的载重，进而影响了载体平台的气动特性。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中所存在的上述问题提供了一种机载共形天线及飞行器，解决了现有共形天线与载体平台之间的搭接加工技术难度大、加工工艺复杂，同时铜网带、金属镶嵌件增加载体平台的载重，进而影响载体平台的气动特性的问题。
5.根据本发明实施例的第一方面，提供一种机载共形天线，包括：按照顺序依次压接的辐射贴片层、第一介质板、第二介质板、第三介质板和金属安装板；
6.所述辐射贴片层包括多个辐射贴片并呈阵列分布于载体平台表面的多个空腔内；
7.在所述第一介质板上分布着多个耦合馈电孔；
8.所述第二介质板的上表面印刷的微带馈线形成第一公分馈电网络，所述第一公分馈电网络用于将外部馈电信号或者移相信号均分为多个第一馈电信号；
9.所述第三介质板的上表面印刷的微带馈线形成第二公分馈电网络，所述第二公分馈电网络用于将所述外部馈电信号或者所述移相信号均分为多个第二馈电信号；
10.所述多个第一馈电信号和所述多个第二馈电信号通过所述多个耦合馈电孔电磁耦合到所述多个辐射贴片。
11.可选地，所述机载共形天线还包括：异形波导环形器，
12.所述异形波导环形器用于将所述外部馈电信号或者所述移相信号传输给所述第一公分馈电网络，还用于将所述外部馈电信号或者所述移相信号传输给所述第二公分馈电网络。
13.可选地，所述异形波导环形器包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；
14.所述第一端口与机载的雷达发射机相连，用于接收所述外部馈电信号；
15.所述第四端口与机载的负载移相器相连，用于接收所述负载移相器提供的移相信号；
16.所述第二端口与所述第一公分馈电网络的输入端相连，用于提供所述外部馈电信号或者所述移相信号；
17.所述第三端口与所述第二公分馈电网络的输入端相连，用于提供所述外部馈电信号或者所述移相信号。
18.可选地，所述外部馈电信号和所述移相信号的相位相差180度。
19.可选地，所述第一公分馈电网络包括一分二的多个第一子公分馈电网络，所述第二公分馈电网络包括一分二的多个第二子公分馈电网络；
20.每个所述第一子公分馈电网络的微带馈线的长度比所述第二子公分馈电网络的微带馈线的长度少10毫米。
21.可选地，所述第一公分馈电网络和所述第二公分馈电网络均为一分三十二公分馈电网络。
22.可选地，所述辐射贴片包括：按照由上至下的顺序依次压接的第一介质层、电阻膜层、金属反射波层、聚甲基丙烯酰亚胺泡沫层、分波极化层和第二介质层。
23.可选地，所述载体平台的内部为中空结构，所述载体平台的表面包括与所述辐射贴片层共形的所述多个空腔。
24.可选地，所述第一介质板、所述第二介质板、所述第三介质板、所述金属安装板和所述异形波导环形器均位于所述载体平台内部，所述载体平台与所述金属安装板固定连接。
25.根据本发明实施例的第二方面，提供一种飞行器，所述飞行器包括上述的机载共形天线。
26.根据本发明实施例提供的机载共形天线，载体平台(例如飞机等飞行器的机翼)的金属骨架与机载共形天线的金属安装板固定连接，保证了机载共形天线与载体平台的可靠搭接，避免了在机翼的蒙皮内的复合材料铺层中增加一条超薄铜网带和金属镶嵌件，使得机载共形天线与载体平台金属骨架之间的搭接加工技术难度小、加工工艺简单，同时减小了载体平台的载重，进而提高了载体平台的气动特性。
27.负载移相器提供的移相信号调节第一公分馈电网络和第二公分馈电网络的馈电相位，改变电磁耦合辐射贴片层的电磁波的相位分布来实现机载共形天线的波束空间扫描。本发明实施例的机载共形天线是一种相控阵天线，机载共形天线在空间形成若干波束，通过dbf数字合成技术控制每个波束指向，而多波束技术对电磁干扰有很强印制作用，从而提高了机载共形天线的抗电磁干扰能力。
28.辐射贴片与载体平台表面的空腔共形，第一介质板、第二介质板、第三介质板、金属安装板和异形波导环形器位于载体平台内部的中空结构中，例如蒙皮的内部的中空结
构。本发明实施例的阵列天线不会增加飞行器等载体平台的雷达反射截面积，提高了飞行器等载体平台的隐身特性。
附图说明
29.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的特征和优点将更为清楚。
30.图1示出了本发明实施例的机载共形天线的立体结构示意图。
31.图2示出了本发明实施例的载体平台的立体结构示意图。
32.图3示出了本发明实施例的载体平台的俯视图。
33.图4示出了本发明实施例的机载共形天线的分层结构示意图。
34.图5示出了本发明实施例的异形波导环形器的结构示意图。
35.图6示出了本发明实施例的辐射贴片的分层结构示意图。
36.图7示出了本发明实施例的机载共形天线的电压驻波比仿真图。
37.图8示出了本发明实施例的机载共形天线的低频频点典型剖面的波束扫描增益方向图的仿真图。
38.图9示出了本发明实施例的机载共形天线的中频频点典型剖面的波束扫描增益方向图的仿真图。
39.图10示出了本发明实施例的机载共形天线的高频频点典型剖面的波束扫描增益方向图的仿真图。
具体实施方式
40.以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例设置。此外，可能未示出某些公知的部分。
41.在下文中描述了本发明的许多特定的细节，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，不按照这些特定的细节来实现本发明。
42.图1示出了本发明实施例的机载共形天线的立体结构示意图。图2示出了本发明实施例的载体平台的结构示意图，具体是将本发明实施例的机载共形天线集成于载体平台前，载体平台的立体结构示意图。图3示出了本发明实施例的载体平台的俯视图，具体是将本发明实施例的机载共形天线集成于载体平台后，载体平台的俯视图。
43.本发明实施例的机载共形天线100是一种共形相控阵天线。如图1至3所示，机载共形天线100的载体平台200为飞机等飞行器的机翼，但并不局限于此。飞行器的机翼大多采用高强度复合材料制成。飞行器的机翼的金属骨架外包覆有作为受力构件的蒙皮，蒙皮的内部为中空结构。在机翼的蒙皮内集成本发明实施例的机载共形天线100，载体平台200(例如飞机等飞行器的机翼)的金属骨架与机载共形天线100的金属安装板140(如图4所示)固定连接以实现载体平台200与机载共形天线100的一体成型。如图3所示，在载体平台200的表面即蒙皮上设置有呈阵列分布(阵列大小例如为26
×
4)且均呈菱形的多个空腔210。
44.图4示出了本发明实施例的机载共形天线的分层结构示意图。
45.如图4所示，机载共形天线100包括：辐射贴片层300、第一介质板110、第二介质板
120、第三介质板130、金属安装板140。通过高温高压工艺或者半固体片层压工艺将辐射贴片层300、第一介质板110、第二介质板120、第三介质板130、金属安装板140按照由上至下的顺序依次压接在一起。第一介质板110、第二介质板120、第三介质板130、金属安装板140位于载体平台200内部的中空结构中，例如蒙皮的内部的中空结构，辐射贴片层300分别位于多个空腔210内部。
46.辐射贴片300与空腔210共形，且辐射贴片300与空腔210在载体平台200表面(例如蒙皮上)的位置一一对应，即辐射贴片层300呈阵列分布于载体平台200表面(例如蒙皮上)的多个空腔210内。辐射贴片300是由超材料制成的菱形辐射体。第一介质板110也是由该超材料制成，在第一介质板110上分布着多个耦合馈电孔111。在一些实施例中，多个耦合馈电孔111的空间位置与辐射贴片层300的空间位置一一对应，辐射贴片层300分别压接于该多个耦合馈电孔111上，可以理解的是多个耦合馈电孔111在第一介质板110还可以为其他的分布方式，并不局限于此。
47.第二介质板120的上表面印刷有微带馈线，微带馈线形成第一公分馈电网络121，第一公分馈电网络121用于将外部馈电信号或者移相信号均分为多个第一馈电信号。第三介质板130的上表面印刷有微带馈线，微带馈线形成第二公分馈电网络131，第二公分馈电网络131用于将外部馈电信号或者移相信号均分为多个第二馈电信号。多个第一馈电信号和多个第二馈电信号通过多个耦合馈电孔111电磁耦合到辐射贴片层300。第一公分馈电网络121包括一分二的多个第一子公分馈电网络122，第二公分馈电网络131包括一分二的多个第二子公分馈电网络132。其中，每个第一子公分馈电网络122的微带馈线的长度比第二子公分馈电网络132的微带馈线的长度少10毫米。在一些实施例中，第一公分馈电网络121和第二公分馈电网络131均为一分三十二公分馈电网络，第一公分馈电网络121将外部馈电信号或者移相信号均分为32个第一馈电信号，第二公分馈电网络131将外部馈电信号或者移相信号均分为32个第二馈电信号。
48.金属安装板140的上表面用于承载辐射贴片层300、第一介质板110、第二介质板120和第三介质板130，并且金属安装板140用于为第一公分馈电网络121和第二公分馈电网络131提供电磁屏蔽。
49.图5示出了本发明实施例的异形波导环形器的结构示意图。
50.需要说明的是，机载共形天线100还包括图5所示的异形波导环形器150。异形波导环形器150是一种实现微波信号单向环行的四端口微波铁氧体器件，利用异形波导环形器150可实现微波网络的双工、去耦、保护和匹配功能。在雷达天馈系统中的应用是在发射-天线-接收系统中起匹配、环行、双工的作用。异形波导环形器150位于载体平台200内部的中空结构中。异形波导环形器150用于将外部馈电信号或者移相信号传输给第一公分馈电网络121，还用于将外部馈电信号或者移相信号传输给第二公分馈电网络131。异形波导环形器150包括第一端口151、第二端口152、第三端口153和第四端口154。第一端口151、第二端口152、第三端口153和第四端口154中相邻两个端口之间的夹角为60度。需要说明的是，第一端口151、第二端口152、第三端口153和第四端口154相互位置关系并不限于图5所示的位置关系，根据工作需要来设置第一端口151、第二端口152、第三端口153和第四端口154之间的其它相互位置关系。
51.雷达发射机是为雷达提供大功率射频信号的无线电装置。第一端口151与机载的
雷达发射机相连，用于接收机载的雷达发射机提供的外部馈电信号。例如雷达发射机通过馈电巴伦提供外部馈电信号给第一端口151，当使用的馈电巴伦的输入电阻为160ω时，机载共形天线100的e面的尺寸为h面尺寸的1/2。通过一分十六的功分器将两个机载共形天线100合成为一个周期单元，使用输入电阻为50ω的馈电巴伦为两个机载共形天线100馈电。第四端口154与机载的负载移相器相连，用于接收机载的负载移相器提供的移相信号。外部馈电信号和移相信号的相位相差180度。
52.第二端口152与第一公分馈电网络121的输入端相连，用于提供外部馈电信号或者移相信号。第三端口153与第二公分馈电网络131的输入端相连，用于提供外部馈电信号或者移相信号。异形波导环形器150的第二端口152和第三端口153形成机载共形天线100的主波束，第一端口151和第四端口154形成机载共形天线100的差波束。通过馈线赋形加权技术实现主波束和差波束同时工作的技术问题。
53.图6示出了本发明实施例的辐射贴片的分层结构示意图。如图6所示，辐射贴片300包括：按照由上至下的顺序依次压接的菱形的第一介质层310、电阻膜层320、金属反射波层330、聚甲基丙烯酰亚胺泡沫层340、分波极化层350和第二介质层360。辐射贴片300是通过高温高压工艺或者半固体片层压工艺将第一介质层310、电阻膜层320、金属反射波层330、聚甲基丙烯酰亚胺泡沫层340、分波极化层350和第二介质层360压接在一起而形成的一种新型电磁超材料。第一介质层310和第二介质层360为同一种材料制成的，例如taconic tly-5柔性板材。第一介质层310和第二介质层360的介电常数为2.2。在一些实施例中，在第一介质层310的上表面和第二介质层360的下表面印刷有偶极子天线。
54.负载移相器提供的移相信号调节第一公分馈电网络121和第二公分馈电网络131的馈电相位，改变电磁耦合辐射贴片层300的电磁波的相位分布来实现机载共形天线100的波束空间扫描。具体是，电磁耦合到辐射贴片层300的电磁波改变辐射贴片层300这种新型电磁超材料的金属格栅之间u型金属间距、改变h型金属体外形结构，通过电阻膜层320、金属反射波层330和分波极化层350这三层金属网介质板的微型结构变化实现电磁波相移的调控，进而实现机载共形天线100的波束空间扫描。
55.根据本发明实施例提供的机载共形天线，载体平台(例如飞机等飞行器的机翼)的金属骨架与机载共形天线的金属安装板固定连接，保证了机载共形天线与载体平台的可靠搭接，避免了在机翼的蒙皮内的复合材料铺层中增加一条超薄铜网带和金属镶嵌件，使得机载共形天线与金属骨架之间的搭接加工技术难度小、加工工艺简单，同时减小了载体平台的载重，进而提高了载体平台的气动特性。
56.负载移相器提供的移相信号调节第一公分馈电网络和第二公分馈电网络的馈电相位，改变电磁耦合辐射贴片层的电磁波的相位分布来实现机载共形天线的波束空间扫描。本发明实施例的机载共形天线是一种相控阵天线，机载共形天线在空间形成若干波束，通过dbf数字合成技术控制每个波束指向，而多波束技术对电磁干扰有很强印制作用，从而提高了机载共形天线的抗电磁干扰能力。
57.辐射贴片与载体平台表面的空腔共形，第一介质板、第二介质板、第三介质板、金属安装板和异形波导环形器位于载体平台内部的中空结构中，例如蒙皮的内部的中空结构。本发明实施例的阵列天线不会增加飞行器等载体平台的雷达反射截面积，提高了飞行器等载体平台的隐身特性。
58.图7示出了本发明实施例的机载共形天线的电压驻波比仿真图。横轴为机载共形天线的工作频率，单位为ghz，纵轴表示的电压驻波比(vswr)。电压驻波比越小、越接近于1，机载共形天线的辐射特性越好。在8ghz至35ghz频率范围内，机载共形天线的电压驻波小于1.95，可见，本发明实施例中的机载共形天线具有良好的电压驻波比特性，具有良好的辐射特性。
59.图8示出了本发明实施例的机载共形天线低频频点典型剖面的波束扫描增益方向图的仿真图。图9示出了本发明实施例的机载共形天线的中频频点典型剖面的波束扫描增益方向图的仿真图。图10示出了本发明实施例的机载共形天线的高频频点典型剖面的波束扫描增益方向图的仿真图。图8-图10分别为低频、中频、高频三个频点的扫描角度为0
°
、30
°
和45
°
的e面的波束扫描增益方向图的仿真图。
60.如图8所示，横轴为方位面的-60
°
至60
°
俯仰角坐标，单位为角度(deg)，纵轴为不同扫描角度的俯仰角度对应的机载共形天线增益，单位为db，图中三条曲线分别表示0
°
、30
°
和45
°
三个扫描角度的俯仰角度与机载共形天线增益的关系曲线。7ghz频点在-46.583
°
、-41.922
°
、-19.806
°
、9.4622
°
、0.22743
°
俯仰角处的增益分别为26.242db、27.462db、29.439db、29.559db、31.711db。
61.如图9所示，横轴为方位面的-60
°
至60
°
俯仰角坐标，单位为角度(deg)，纵轴为不同扫描角度的俯仰角度对应的机载共形天线增益，单位为db，图中三条曲线分别表示0
°
、30
°
和45
°
三个扫描角度的俯仰角度与机载共形天线增益的关系曲线。12ghz频点在-46.583
°
、-41.922
°
、-19.806
°
、9.4622
°
、0.22743
°
俯仰角处的增益分别为26.242db、27.462db、29.439db、29.559db、31.711db。
62.如图10所示，横轴为方位面的-60
°
至60
°
俯仰角坐标，单位为角度(deg)，纵轴为不同扫描角度的俯仰角度对应的机载共形天线增益，单位为db，图中三条曲线分别表示0
°
、30
°
和45
°
三个扫描角度的俯仰角度与机载共形天线增益的关系曲线。16ghz频点在-46.583
°
、-41.515
°
、-30.048
°
、19.938
°
、9.3809
°
和0.18408
°
俯仰角处的增益分别为29.521db、31.429db、33.968db、34.428db、34.555db和35.714db。可见，本发明实施例中的机载共形天线在低频、中频、高频三个频点具有的良好的圆极化增益方向图，与传统天线相比，本发明实施例的机载共形天线的工作带宽提高了30％，具有较宽的带宽。
63.根据本发明实施例提供的机载共形天线，机载共形天线具有较宽的工作带宽、良好的低俯仰角特性和辐射特性，从而利用本发明实施例的机载共形天线实现具有通信、目标跟踪，数据传输、敌我识别等功能的复合型雷达信息系统，提高了天线系统利用率，避免了多系统整合电磁兼容问题，大大提高了频谱利用率。
64.另外，本发明实施例还提供一种飞行器，所述飞行器包括如上所述的机载共形天线。
65.应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在
包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
66.依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用已限制本发明，任何熟悉本专业的技术人员，再不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许变更或修饰等，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。