CN107204517A - 机载双频段共口径相控阵天线及布阵方法 - Google Patents

机载双频段共口径相控阵天线及布阵方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及机载天线技术领域，公开了一种机载双频段共口径相控阵天线，包括天线本体,天线本体包括上下层设置的共口径微带天线；微带天线包括上层的S波频段微带天线和下层的UHF频段微带天线，S波频段微带天线含有介质板Ⅰ和贴片天线阵列，UHF频段微带天线包括介质板Ⅱ和辐射贴片，辐射贴片作为贴片天线阵列的金属地板；还公开了机载双频共口径相控阵天线的布阵方法，包括以下步骤：S1：选择介质板Ⅰ，在介质板Ⅰ的正面印制S频段的贴片天线阵列；S2：选择介质板Ⅱ，在介质板Ⅱ的正面印制UHF频段的辐射贴片，反面附上接地板；S3：将介质板Ⅱ正面的辐射贴片与介质板Ⅰ的反面相贴；S4：利用同轴探针对贴片天线阵列和辐射贴片馈电。

Description

机载双频段共口径相控阵天线及布阵方法
技术领域
本发明涉及机载天线技术领域，具体涉及机载双频段共口径相控阵天线及布阵方法。
背景技术
近年来，随着飞机、火箭、导弹等飞行器载体上的无线电电子设备的发展，使得机载天线的研究日益受到重视。相控阵天线以其功能独特之处，在地面和海上防御的各种雷达之中发挥了重要作用。如果将之应用于机载雷达，其波束控制灵活、可靠性高等优势也定能使飞机的作战效能进一步得以发挥。因此对机载相控阵天线的研究具有重要的现实意义。
另一方面，机载天线特殊的工作环境，对机载天线的形状与尺寸又提出了新的要求。共口径天线可以把频率不同的多个天线合理设计在同一口径内，在保持天线结构紧凑的同时，还具有多频工作的性能，是机载天线未来发展趋势。
基于这些优点，共口径相控阵天线的设计与研究对于机载天线实现高性能工作有着重要的意义。
发明内容
本发明意的目的之一在于提供一种机载双频共口径相控阵天线。
本发明中的机载双频段共口径相控阵天线，包括天线本体,天线本体包括上下层设置的共口径微带天线,微带天线的天线单元由同轴探针馈电；
微带天线包括上层的S波频段微带天线和下层的UHF频段微带天线，S波频段微带天线含有介质板Ⅰ和贴片天线阵列，UHF频段微带天线包括介质板Ⅱ和介质板Ⅱ的辐射贴片，辐射贴片作为贴片天线阵列的金属地板。
进一步地，介质板Ⅰ的相对介质常数为2.65，厚度为7mm，长宽均为300mm。
进一步地，贴片天线阵列由2行2列的微带贴片天线组成，各阵元长为51.4mm，宽为38.6mm，相邻阵元水平间距为93.6mm，垂直间距为80mm。
进一步地，介质板Ⅱ的相对介质常数为4.4，厚度为13mm，长宽均为300mm。
进一步地，辐射贴片长为270mm，宽为188mm。
进一步地，同轴探针为50Ω的探针。
本方案的技术优势是，S波段天线的电压驻波比≤2的频带为2.2GHz±75MHz，阻抗带宽约为6.8％；在该频带内S频段阵列天线增益可达14.4dB；在扫频角为20°时，频扫增益可达13.5dB；UHF频段天线的电压驻波比≤2的频带为350MHz±7MHz，阻抗带宽达到4％，具有较好的表现，而且两个频段独立工作，相互之间的影响较小，保证了双频段共口径天线的良好工作。
本发明的目的之二在于提供一种机载双频共口径相控阵天线的布阵方法，包括以下步骤：
S1：选择介电常数为2.65，厚度为7mm，长和宽均为300mm的介质材料作为介质板Ⅰ，在介质板Ⅰ的正面印制S频段的贴片天线阵列；
S2：选择介电常数为4.4，厚度为13mm，长和宽均为300mm的介质材料作为介质板Ⅱ，在介质板Ⅱ的正面印制UHF频段的辐射贴片，反面附上接地板；
S3：将介质板Ⅱ正面的辐射贴片与介质板Ⅰ的反面相贴，此时介质板Ⅱ的辐射贴片作为介质板Ⅰ的地板；
S4：利用同轴探针对贴片天线阵列和辐射贴片馈电。
进一步，介质板Ⅰ的正面印制2行2列的贴片天线阵列。
进一步，印制的阵元长为51.4mm，宽为38.6mm，阵元水平间距为93.6mm，垂直间距为80mm。
进一步，印制的辐射贴片长为270mm，宽为188mm。
本方案的布阵方法的优势在于：采用双层的微带天线实现了双频段天线的要求，同时，以下层的辐射贴片作为上层贴片天线阵列的地板，实现了天线的小型化，同时形成的共口径相控阵天线阻抗带宽、增益和隔离度都取得较好的结果。
附图说明
图1为本发明机载双频段共口径相控阵天线的结构示意图；
图2为上层的S波频段微带天线的结构示意图；
图3为下层的UHF频段微带天线的结构示意图；
图4为图1的主视图；
图5为UHF频段微带天线的电压波比仿真结果的曲线图；
图6为S波频段微带天线在电压驻波比仿真结果的曲线图；
图7为UHF频段天线端口(端口5)与S频段每个阵元端口的隔离度abs S5n(m1点)(其中abs为取绝对值，n为1，2，3，4)的仿真结果的曲线图；
图8为S频段阵列天线在中心频率为2200MHz的时候的增益仿真结果图；
图9为S频段阵列天线在与图8采用等幅同相馈电时在下边频率为2125MHz时候的增益仿真结果图；
图10为S频段阵列天线在与图8采用等幅同相馈电时在上边频率为2275MHz时候的增益仿真结果图；
图11为图2中四个贴片单元摆放位置示意图；
图12为S波频段微带天线在表一条件下仿真得到的中心频率XOZ面方向图；
图13为S波频段微带天线在表二的条件下仿真得到的中心频率XOZ面方向图；
图14为S波频段微带天线在表三的条件下仿真得到的中心频率XOZ面方向图；
图15为S波频段微带天线在表四的条件下仿真得到的中心频率XOZ面方向图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
说明书附图中的附图标记包括：介质板Ⅰ1、贴片天线阵列11、第一贴片单元111、第二贴片单元112、第三贴片单元113、第四贴片单元114、介质板Ⅱ2、辐射贴片21。
如图1所示的机载双频段共口径相控阵天线，包括天线本体,天线本体包括双层设置的共口径微带天线,微带天线的天线单元均由50Ω同轴探针馈电；
微带天线包括上层的S波频段微带天线和下层的UHF频段微带天线，如图2所示，S波频段微带天线含有相对介质常数为2.65介质板Ⅰ1和贴片天线阵列11，介质板Ⅰ1长和高均为W3，W3＝300mm，贴片阵列为2行2列的微带贴片单元阵列，各贴片单元的长L1＝51.4mm，宽W1＝38.6mm，阵元水平间距L2＝93.6mm，垂直间距W2＝80mm，通过控制阵元馈电相位实现波束扫描，各单元具体的摆放如图11所示；
图如3所示，UHF频段微带天线包括介质板Ⅱ2和介质板Ⅱ2的辐射贴片21，辐射贴片 21作为贴片天线阵列11的金属地板，介质板Ⅱ2的相对介电常数为4.4，长和高均为W4，W4＝300mm，辐射贴片21的长L3＝270mm，宽W5＝188mm；如图4所示，介质板Ⅱ2的厚度H1＝7mm，介质板Ⅱ2厚度H2＝13mm；
如图5-6所示，UHF频段天线电压驻波比≤2的频带为350MHz±7MHz，阻抗带宽达到4％； S波段天线的电压驻波比≤2的频带为2.2GHz±75MHz，阻抗带宽约为6.8％；
如图7所示，UHF频段天线端口(端口5)与S频段每个阵元端口隔离度abs S5n≥36.6dB (m1点)(其中abs为取绝对值，n为1，2，3，4)；
如图8-10所示，S频段阵列天线等幅同相馈电时，在中心频率2200MHz、下边频2125MHz 以及上边频2275MHz时增益分别为14dB、13.4dB和14.4dB(红色部分)，即天线增益最高可达14.4dB；
由天线知识可知，对阵元进行不同的相位输入，可以实现阵列方向图俯仰面扫描的目的，在此设置描相位差为130°。S频段四个单元摆放位置如图11所示，由于阵列扫频方向图及增益特性在中心频率及上下边频处无较大差异，所以图12-15中只给出了阵列方向图不同偏向时，中心频率处俯仰面(XOZ面)方向图。
阵列方向图偏向﹢X轴，四个单元初始馈电相位如表一所示，在此条件下仿真得到的中心频率XOZ面方向图如图12所示，其中XOZ面方向图偏向+X轴20°方向(m1点)，最大辐射方向θ＝20°时增益为13.5dB；
表一
单元 1 2 3 4
扫描(馈电)相位 130° 130° 0° 0°
阵列方向图偏向-X轴，四个单元初始馈电相位如表二所示，在此条件下仿真得到的中心频率XOZ面方向图如图13所示，其中XOZ面方向图偏向-X轴20°方向(m1点)，最大辐射方向θ＝-20°时增益为13.5dB；
表二
单元 1 2 3 4
扫描(馈电)相位 0° 0° 130° 130°
阵列方向图偏向﹢Y轴，四个单元初始馈电相位如表三所示，在此条件下仿真得到的中心频率YOZ面方向图如图14所示，其中YOZ面方向图偏向+Y轴20°方向(m1点)，最大辐射方向θ＝20°时增益为12.1dB；
表三
单元 1 2 3 4
扫描(馈电)相位 0° 130° 130° 0°
阵列方向图偏向-Y轴，四个单元初始馈电相位如表四所示，在此条件下仿真得到的中心频率XOZ面方向图如图15所示，其中YOZ面方向图偏向-Y轴20°方向(m1点)，最大辐射方向θ＝-20°时增益为12.2dB。
表四
单元 1 2 3 4
扫描(馈电)相位 0° 130° 130° 0°
在此只给出本申设计的天线的主要性能参数，其与参数对天线性能的影响较小，在这里不作详细讨论。
综上所述，本发明中的双频段共口径阵列天线中S频段天线的电压驻波比≤2的频带为2.2GHz±75MHz，阻抗带宽约为6.8％，在该频带内S频段阵列天线增益可达14.4dB，扫频角为20°时，频扫增益可达13.5dB；UHF频段天线的电压驻波比≤2的频带为350MHz±7MHz，阻抗带宽达到4％；UHF频段天线端口(端口5)与S频段每个阵元端口隔离度abs S5n≥36.6dB。因此，天线阻抗带宽、增益和隔离度都取得较好的结果。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.机载双频段共口径相控阵天线，包括天线本体,所述天线本体包括上下层设置的共口径微带天线,所述微带天线的天线单元由同轴探针馈电；其特征在于：
所述微带天线包括上层的S波频段微带天线和下层的UHF频段微带天线，所述S波频段微带天线含有介质板Ⅰ和贴片天线阵列，所述UHF频段微带天线包括介质板Ⅱ和介质板Ⅱ的辐射贴片，所述辐射贴片作为所述贴片天线阵列的金属地板。
2.根据权利要求1所述的机载双频段共口径相控阵天线，其特征在于：所述介质板Ⅰ的相对介质常数为2.65，厚度为7mm，长宽均为300mm。
3.根据权利要求2所述的机载双频段共口径相控阵天线，其特征在于：所述贴片天线阵列由2行2列的微带贴片天线组成，各阵元长为51.4mm，宽为38.6mm，相邻阵元水平间距为93.6mm，垂直间距为80mm。
4.根据权利要求1所述的机载双频段共口径相控阵天线，其特征在于：所述介质板Ⅱ的相对介质常数为4.4，厚度为13mm，长宽均为300mm。
5.根据权利要求4所述的机载双频段共口径相控阵天线，其特征在于：所述辐射贴片长为270mm，宽为188mm。
6.根据权利要求1所述的机载双频段共口径相控阵天线，其特征在于：所述同轴探针为50Ω的探针。
7.机载双频段共口径相控阵天线的布阵方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：选择介电常数为2.65，厚度为7mm，长和宽均为300mm的介质材料作为介质板Ⅰ，在介质板Ⅰ的正面印制贴片天线阵列；
S2：选择介电常数为4.4，厚度为13mm，长和宽均为300mm的介质材料作为介质板Ⅱ，在介质板Ⅱ的正面印制辐射贴片，反面附上接地板；
S3：将介质板Ⅱ正面的辐射贴片与介质板Ⅰ的反面相贴，此时介质板Ⅱ的辐射贴片作为介质板Ⅰ的地板；
S4：利用同轴探针对贴片天线阵列和辐射贴片馈电。
8.根据权利要求7所述的机载双频段共口径相控阵天线的布阵方法，其特征在于：所述介质板Ⅰ的正面印制2行2列的贴片天线阵列。
9.根据权利要求8所述的机载双频段共口径相控阵天线的布阵方法，其特征在于：印制的阵元长为51.4mm，宽为38.6mm，阵元水平间距为93.6mm，垂直间距为80mm。
10.根据权利要求7所述的机载双频段共口径相控阵天线的布阵方法，其特征在于：印制的辐射贴片长为270mm，宽为188mm。
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