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一种基于偶极子的机翼共形相控阵天线

2022-04-25 00:03:33 来源:中国专利 TAG:
1.本发明属于天线工程
技术领域
:,涉及一种机翼共形,水平极化的一维相控阵天线,具有水平面大角度扫描,垂直面波束窄,轻薄柔软易共形的优势,适用于高速飞行器等平台的雷达和通信系统。
背景技术
::2.共形天线可以安装在一些战舰、高速飞行器等特殊平台的光滑曲面上,并满足空气动力学和流体动力学的要求,同时具有宽角度覆盖、更大的辐射口径、以及易于平台集成的优势。共形的相控阵天线在满足与平台共形的基础上,可以实现波束扫描,得到了广泛的研究应用。文献“practicalimplementationofwidebandandwide-scanningcylindricallyconformalphasedarray”提出了一种与圆柱表面共形的相控阵天线。该文献中的天线应用了强耦合机理,具有宽带、宽角扫描的特性,然而其剖面较高,重量较大,限制了它的应用。3.在无人机的机翼平台上,对共形天线的重量、柔软度、以及共形程度的要求十分苛刻;同时为了降低大地杂波对雷达系统的干扰,需要压缩共形天线在垂直面的波束宽度,这给天线匹配带来了较大的挑战。因此采用了一种有两对枝节的新型偶极子结构,满足了设计要求。文献“ultrawidebanddoublerhombusantennawithstableradiationpatternsforphasedarrayapplications”提出了一种以双菱形偶极子结构做为单元,构成的阵列天线,可以实现超宽带匹配的特性,然而该文献仅对阵列天线的侧射性能进行了分析,并没有对其扫描性能进一步探究。技术实现要素:4.本发明在
背景技术
:的基础上,提出了一种基于新型偶极子的一维机翼共形相控阵天线,包含了五种类似的机翼共形天线单元。五种天线单元分别基于不同的新型偶极子结构,均可以在垂直面波束较窄、以及驻波比较低的情况下实现在水平面上宽角度扫描。此外,天线整体轻薄柔软,易于机翼表面共形。5.本发明技术方案为一种基于偶极子的机翼共形相控阵天线,该天线设置于机翼迎风面的前段,包括:基层,第一偶极子,引向器阵列,第二偶极子,金属反射板;所述基层围成一个与机翼迎风端外形相同的带开口的结构,所述金属反射板设置于基层围成的结构的开口处,反射电磁波向飞机前进方向;所述第一偶极子设置于下方基层末段的内表面,所述第二偶极子设置于上方基层末段的内表面,第一偶极子到第二偶极子之间的基层内表面设置引向器阵列;所述第一偶极子和第二偶极子结构相同,但第一偶极子尺寸大于第二偶极子。6.进一步的,所述引向器阵列为多根条形贴片,所有条形贴片的轴向方向与飞机前进方向垂直。7.进一步的,所述第一偶极子和第二偶极子的结构都包括:枝节层,隔离层,馈电探针,所述枝节层设置于基层内表面,枝节层包括对称的左瓣和右瓣,所述左瓣和右瓣都包括偶极子,耦合结构,弯折枝节;所述偶极子和耦合结构围成“口”字形金属框,弯折枝节位于金属框内部,弯折枝节只有一个弯折部,该弯折部所指方向与飞机前进方向相反;弯折枝节一端与金属框框边连接,另一边悬空,连接的框边为左瓣和右瓣相邻的框边,所述左瓣金属框和右瓣金属框都与金属反射板临近的底部连接;所述左瓣和右瓣相邻框边上设置隔离层,隔离层上设置馈电探针,该馈电探针为钩状,馈电探针的一端为馈电点。8.进一步的,所述第一偶极子和第二偶极子的结构都包括:枝节层,隔离层,馈电探针,所述枝节层包括对称的左瓣和右瓣,所述左瓣和右瓣都包括竖枝节和横枝节,竖枝节的底端靠近金属反射板,顶端与横枝节连接,所述左瓣的竖枝节和右瓣的竖枝节之间留有一条缝隙但底部连接,缝隙的底端设置圆形缺口;所述左瓣的竖枝节和右瓣的竖枝节底端上设置隔离层,隔离层上设置馈电探针,该馈电探针包括竖部和横部,竖部的底端为馈电点靠近金属反射板,顶端与横部连接,横部的末端连接一扇形贴片的顶点;在第二偶极子与引向器阵列之间的基层内表面上设置一对耦合结构,这一对耦合结构左右对称。进一步的,所述耦合结构为“工”字形,该“工”字形耦合结构上下横枝节长度相等,两耦合结构各自包括一个竖枝节,共两个竖枝节,两耦合结构中位于这两竖枝节之间的横枝节长度大于位于两竖枝节以外的横枝节。进一步的,所述耦合结构为钩状,该钩状耦合结构包括短边,底边,长边,两耦合结构的钩状结构开口相反,短边更靠近金属反射板。9.进一步的,所述第一偶极子和第二偶极子的结构都包括:枝节层,隔离层,馈电探针,所述枝节层包括对称的左瓣和右瓣,所述左瓣和右瓣都包括第一竖枝节,横枝节,第二竖枝节,第一竖枝节底端靠近金属反射板,顶端与横枝节一端连接,横枝节另一端与第二竖枝节的一端连接,第二竖枝节顺着第一竖枝节的方向延伸;所述左瓣的第一竖枝节和右瓣的第一竖枝节之间留有一条缝隙但底部连接,缝隙的底端设置圆形缺口;所述左瓣的竖枝节底端和右瓣的竖枝节底端上设置隔离层,隔离层上设置馈电探针,该馈电探针包括竖部和横部,竖部的底端为馈电点靠近金属反射板,顶端与横部连接,横部的末端连接一扇形贴片的顶点;所述第一偶极子和第二偶极子外侧各设置一个耦合结构,两个耦合结构对称,该耦合结构包括四段,第一段的起始点与偶极子枝节层第一竖枝节底部连接,第一段的与横枝节平行,由第一段到第四段依次为相同方向的90度弯折,最后第四段位于枝节层中左瓣第二竖枝节和右瓣第二竖枝节之间。10.进一步的,所述第一偶极子和第二偶极子的结构都包括:枝节层,隔离层,馈电探针,所述枝节层包括对称的左瓣和右瓣,所述左瓣和右瓣都包括第一竖枝节,横枝节,第二竖枝节,第一竖枝节底端靠近金属反射板,顶端与横枝节一端连接,横枝节另一端与第二竖枝节的一端连接,第二竖枝节与横枝节与第一竖枝节围成u形;所述左瓣的第一竖枝节和右瓣的第一竖枝节之间留有一条缝隙但底部连接,缝隙的底端设置圆形缺口;所述左瓣的竖枝节底端和右瓣的竖枝节底端上设置隔离层,隔离层上设置馈电探针,该馈电探针包括竖部和横部,竖部的底端为馈电点靠近金属反射板,顶端与横部连接,横部的末端连接一扇形贴片的顶点;所述第一偶极子和第二偶极子外侧各设置一个耦合结构,两个耦合结构对称,该耦合结构包括四段,第一段的起始点与偶极子枝节层第一竖枝节底部连接,第一段的与横枝节平行,由第一段到第四段依次为相同方向的90度弯折。11.进一步的,所述引向器阵列中引向器为条状贴片,个数为6-8,条状贴片长边对着机翼的迎风面。12.本发明的五种相似的机翼共形天线单元,均可以分别组成阵列。整个天线结构印刷在聚酰亚胺薄膜上,轻薄柔软,可以紧贴在机翼的外轮廓表面,保证了无人机的流体动力学和空气动力学的要求。本发明的机翼共形相控阵天线,采用新型的偶极子结构,并分别加载了耦合金属条等结构,增强且利用了单元之间的耦合,从而实现了良好的匹配,在水平面进行大角度扫描;同时通过引入金属引向器和反射器将能量集中在水平方向,压缩了垂直面的波束宽度,可以有效降低地波对无人机雷达系统的干扰,并提高了增益。附图说明13.图1为本发明阵列天线的第一种单元示意图。(a)、(b)、(c)分别为第一种天线单元的3d图、侧视图、俯视图。14.图2为第一种天线单元下方偶极子的俯视图。15.图3的(a)、(b)、(c)依次为第一种天线单元下方偶极子、上方偶极子、六个引向器的具体尺寸,单位:mm。16.图4为第一种天线单元的六个引向器的位置坐标,单位:mm。17.图5为本发明阵列天线的第二种单元示意图。其中(a)、(b)分别为第二种天线单元的俯视图、侧视图。18.图6为本发明阵列天线的第三种单元示意图。其中(a)、(b)分别为第三种天线单元的俯视图、侧视图。19.图7为本发明阵列天线的第四种单元示意图。其中(a)、(b)分别为第四种天线单元的俯视图、侧视图。20.图8为本发明阵列天线的第三种单元示意图。其中(a)、(b)分别为第五种天线单元的俯视图、侧视图。21.图9为本发明的第一种阵列天线的局部示意图。22.图10为本发明阵列天线的第一种天线单元在侧射时垂直面的增益方向图。23.图11为本发明第一种阵列天线在水平面扫描的增益方向图。24.图12为本发明第一种阵列天线在水平面扫描时,一个中间单元的有源驻波比。具体实施方式25.本实施例中第一种机翼共形相控阵天线的相对工作带宽为22.2%,其单元结构的3d视图、侧视图、俯视图分别见图1(a)、(b)、(c),单元大小为0.45×0.49×0.25λ03,其中λ0是中心频率f0对应的在真空中的波长。26.本实施例中第一种天线单元包括上下两个相似的新型偶极子结构00和01,其中下层新型偶极子的第一对枝节10、11,第二对枝节20、21,耦合金属条30、31,和第一个金属引向器50、第二个金属引向器51位于同一个水平面上;第三个金属引向器52、第四个金属引向器53和第五个金属引向器54、第六个金属引向器55分别位于偶极子的前上方、上方;他们都印制在一块聚酰亚胺材料60的上表面;marchandbalun馈电结构40的馈线印制在一小块f4bm-220材料70的上表面;所有结构均位于金属反射板80的前方,见图1。27.本实施例中第一种天线单元所用的聚酰亚胺60的厚度为0.05mm,相对介电常数为3.5;所用的f4bm-220材料70的厚度为0.25mm,相对介电常数为2.2,其位于聚酰亚胺60的上方,见图1。该天线侧视图中,以第一偶极子馈电点为坐标原点,引向器阵列包括6个引向器,坐标依次为(38.5,0.05),(47.5,0.05,),(53,5.2),(50.5,8.5),(47,11.8),(38,16)。28.本实施例中第二种机翼共形相控阵天线单元的俯视图、侧视图分别见图5(a)、(b)。机翼上次两侧各有一个相同的新型偶极子结构100和101,分别由两个相同的blaun结构150进行馈电;耦合结构120位于偶极子100的前方;四个金属引向器130、131、132、133依次分布在机翼的上表面;两个金属反射器140、141位于机翼的下表面;所有结构均位于金属反射板160的前方。29.本实施例中第三种机翼共形相控阵天线单元的俯视图、侧视图分别见图6(a)、(b)。机翼上次两侧各有一个相同的新型偶极子结构200和201,分别由两个相同的blaun结构250进行馈电;耦合结构220位于偶极子200的前方;五个金属引向器230、231、232、233、234依次分布在机翼的上表面;三个金属反射器240、241、242位于机翼的下表面;所有结构均位于金属反射板260的前方。30.本实施例中第四种机翼共形相控阵天线单元的俯视图、侧视图分别见图7(a)、(b)。机翼上次两侧各有一个相同的新型偶极子结构300和301,分别由两个相同的blaun结构350进行馈电;耦合结构320位于偶极子300的前方;五个金属引向器330、331、332、333、334依次分布在机翼的上表面;三个金属反射器340、341、342位于机翼的下表面;所有结构均位于金属反射板360的前方。31.本实施例中第五种机翼共形相控阵天线单元的俯视图、侧视图分别见图8(a)、(b)。机翼上次两侧各有一个相同的新型偶极子结构400和401,分别由两个相同的blaun结构450进行馈电;耦合结构420位于偶极子400的前方;四个金属引向器430、431、432、433依次分布在机翼的上表面;两个金属反射器440、441位于机翼的下表面;所有结构均位于金属反射板460的前方。32.本实施例中五种天线单元均可以在水平面沿着直线均匀排布,构成了一维阵列。第一种机翼共形相控阵天线阵列的局部俯视图分别见图9,该阵列是由12个单元沿直线均匀排布构成的。33.图10是本实施例中第一种机翼共形相控阵天线单元在侧射时,垂直面的增益方向图。由图可见,天线单元在垂直面的波束比较窄,将主要的能量辐射到水平面上,其在fl、f0和fh处的3db波束宽度分别为94°,81°和66°,其中fl、f0、fh分别表示工作频带的最低频率、中心频率、最高频率。34.图11是本实施例中第一种机翼共形相控阵天线在水平面扫描时的增益方向图。由图可见,由于压缩了天线在垂直面的波束宽度,所以显著地提高了天线在水平面上的增益。35.图12是本实施例中第一种机翼共形相控阵天线在水平面扫描时,一个中间单元的有源驻波比。由图可见,天线在水平面±60°内扫描,该单元的有源驻波比在工作带宽fl~fh内均满足小于2.5。当前第1页12当前第1页12
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