CN108054495A - 一种耐高温微带天线 - Google Patents

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宋立伟
李勋
姜丽媛
周扬
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姚毅
刘永磊
黄松然
史婷婷
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Abstract

本发明公开了一种耐高温微带天线，其包括：贴片、介质基板、接地板和同轴连接器，贴片、接地板和同轴连接器均采用耐高温金属材料制成，介质基板采用耐高温非金属材料制成，其中，介质基板与接地板通过同轴连接器连接，并且介质基板与接地板之间留有空气层，贴片呈“E”字形，中间对称开出两个等腰梯形槽，贴片设置在介质基板的外表面上，信号通过同轴连接器的馈电端口馈入高频电流，该高频电流通过同轴连接器到达贴片，贴片将高频电流转化为电磁波向空间辐射出去。本发明的有益之处在于：在400℃以上甚至1500℃的高温环境下仍然能够稳定可靠的工作，满足电性能指标要求。

Description

一种耐高温微带天线
技术领域
本发明涉及一种微带天线，具体涉及一种耐高温微带天线，属于卫星导航天线技术领域。
背景技术
随着卫星导航技术的不断发展，有越来越多的卫星导航天线应用于高超声速飞行器中。然而，根据空气动力学理论，高超声速飞行器在飞行过程中会与大气发生摩擦，摩擦过程会产生几百甚至上千摄氏度的高温，这种特殊的高温环境对卫星导航天线无疑是巨大的考验。
微带天线由于具有重量轻、剖面小、易共形、设计灵活、成本低且易和MIC、MMIC等电路相集成等优点，所以得到了越来越广泛的应用，比如在导弹制导、雷达、卫星通信等方面的应用。由于微带天线独特的优势，使得其可作为卫星导航天线应用于高超声速飞行器上。
然而，普通微带天线的工作温度一般都低于150℃。当温度超过150℃时，随着温度的升高，微带天线的金属材料的电导率、非金属材料的介电常数和损耗角正切都会发生变化，微带天线受此影响电性能下降，甚至不能正常工作。
因此，研究微带天线的耐高温性能就显得尤为重要。
目前，对耐高温微带天线的研究主要分为两个方向：采用耐高温材料设计微带天线、对微带天线结构添加隔热材料。
对于采用耐高温材料设计微带天线：李方设计了一种双频共形耐高温导航天线，天线结构使用耐高温材料，在L波段天线中集成了C波段天线，使得天线在高于250℃的高温环境下能够连续工作30分钟以上；王菲、李方设计了一种C波段机载共形导航天线，采用耐高温材料作为天线介质板及天线罩，使用特殊焊接方法实测天线能够承受300℃的高温；刘胤廷等人设计了一种耐高温导航天线，能够长时间工作在400℃高温环境。
对于对微带天线结构添加隔热材料，通过隔热材料吸热降温保护天线正常工作：索钊对弹载耐高温斜波束天线进行了优化设计研究，采用耐高温陶瓷盖板和隔热气凝胶，将温度降至150℃以下，保证天线***的正常工作；詹大伟对高超声速飞行器天线安装与布局进行了研究，通过增加隔热瓦、隔热垫片等陶瓷基类的隔热材料结构，使高超声速飞行器内部的温度降低到天线材料可以承受的范围，进而使微带天线正常工作。
可以看出，目前，无论是采用耐高温材料设计的微带天线，还是在周围增加隔热材料的微带天线，它们所耐的温度限度都不是很高，最高只能够承受400℃高温。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能够承受更高温度(400℃以上)的耐高温微带天线。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种耐高温微带天线，其特征在于，包括：贴片、介质基板、接地板和同轴连接器，贴片、接地板和同轴连接器均采用耐高温金属材料制成，介质基板采用耐高温非金属材料制成，其中，
前述介质基板与接地板通过同轴连接器连接，并且介质基板与接地板之间留有空气层；
前述贴片呈“E”字形，中间对称开出两个等腰梯形槽，贴片设置在介质基板的外表面上，信号通过同轴连接器的馈电端口馈入高频电流，该高频电流通过同轴连接器到达贴片，贴片将高频电流转化为电磁波向空间辐射出去。
前述的耐高温微带天线，其特征在于，前述耐高温金属材料为钛合金。
前述的耐高温微带天线，其特征在于，前述耐高温非金属材料为氮化硅。
前述的耐高温微带天线，其特征在于，前述空气层的厚度为0.1mm～10mm，优选为1.42mm。
前述的耐高温微带天线，其特征在于，前述贴片长8.5mm、宽14.2mm、厚0.035mm，等腰梯形槽的上底长0.16mm、下底长0.68mm、高4.68mm，上底与贴片的边缘相齐，两个等腰梯形槽沿贴片的中线对称分布，且两等腰梯形中垂线相距4.5mm。
本发明的有益之处在于：
(1)采用耐高温的金属材料和非金属材料进行制作，同时通过展宽频带的设计方法来补偿金属材料的电导率、非金属材料的介电常数、损耗角正切随温度改变对微带天线电性能带来的频偏影响，使得本发明的微带天线在400℃以上甚至1500℃的高温环境下仍然能够稳定可靠的工作，满足电性能指标要求；
(2)通过在介质基板与接地板之间增加空气层，降低了等效介电常数，增加了频带；
(3)没有使用多余的隔热材料，节约成本的同时节省了整个微带天线占用的空间。
附图说明
图1是本发明的耐高温微带天线的一个具体实施例的结构示意图；
图2是图1中的耐高温微带天线的左视图；
图3是本发明的耐高温微带天线在不同温度下中心频率为10GHz时的S11仿真图；
图4是本发明的耐高温微带天线在不同温度下中心频率为10GHz时的H面方向图；
图5是本发明的耐高温微带天线在不同温度下中心频率为10GHz时的E面方向图。
图中附图标记的含义：1-贴片，2-介质基板，3-空气层，4-接地板，5-同轴连接器，6-馈电端口。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
参照图1和图2，本发明的耐高温微带天线包括：贴片1、介质基板2、接地板4和同轴连接器5。其中，贴片1、接地板4和同轴连接器5均采用耐高温金属材料制成，介质基板2采用耐高温非金属材料制成。
参照图1和图2，介质基板2与接地板4通过同轴连接器5连接，并且介质基板2与接地板4之间留有空气层3，空气层3可以降低等效介电常数、增加频带，其厚度一般为0.1mm～10mm。
参照图1，贴片1呈“E”字形，中间对称开出两个等腰梯形的槽，贴片1设置在介质基板2的外表面上。
在工作状态下，信号通过同轴连接器5的馈电端口6馈入高频电流，该高频电流通过同轴连接器5到达贴片1，贴片1将高频电流转化为电磁波向空间辐射出去。
我们都知道，耐高温金属材料虽然能够承受几百甚至上千摄氏度的高温，但是其电导率会随温度的改变而改变；耐高温非金属材料虽然也能够承受几百甚至上千摄氏度的高温，但是其介电常数、损耗角正切也都会随温度的改变而改变。耐高温金属材料电导率、耐高温非金属材料介电常数、损耗角正切的改变会使微带天线的谐振频率出现偏移，使微带天线电性能下降，甚至使微带天线不能正常工作。
不同温度的谐振频率不同，因而S11小于-15dB的频带宽度不同。由于微带天线窄带宽的特点，整个工作温度区间将没有S11小于-15dB的公共频带，因此微带天线就不能在整个工作温度区间正常稳定工作。鉴于此，我们对微带天线进行了展宽频带设计，具体是对贴片1进行开槽，开槽改变了微带天线表面的电流路径，通过增加谐振点来展宽不同温度下S11小于-15dB的频带宽度，进而增加整个工作温度范围内S11小于-15dB的公共频带宽度，这样一来，微带天线就可以在整个工作温度区间(即公共频带内)稳定正常的工作了。
下面以贴片1、接地板4和同轴连接器5均采用钛合金制成、介质基板2采用氮化硅制成为例，进一步对本发明的耐高温微带天线的电性能进行说明。
1、贴片
贴片1采用钛合金制成，其能够承受1500℃的高温，规格为：长8.5mm，宽14.2mm，厚0.035mm。
贴片1的中间对称的开出两个等腰梯形槽，使得整个贴片1呈“E”字形。等腰梯形槽的大小为：上底长0.16mm，下底长0.68mm，高4.68mm。两个等腰梯形槽的开设位置为：上底与贴片1的边缘相齐，两个等腰梯形槽沿贴片1的中线对称分布，且两等腰梯形中垂线相距4.5mm。
2、介质基板
介质基板2采用氮化硅制成，其能够承受1500℃的高温，规格为：长17mm，宽28.4mm，厚1.1218mm。
3、接地板
接地板4采用钛合金制成，其能够承受1500℃的高温，规格为：长17mm，宽28.4mm，厚0.1mm。
4、同轴连接器
同轴连接器5采用钛合金制成，其能够承受1500℃的高温，规格为：直径0.264mm，高2.5418mm。
在介质基板2与接地板4上分别进行开孔，将同轴连接器5***开孔中，把介质基板2与接地板4相连接，同轴连接器5与贴片1通过耐高温导电胶黏贴，同轴连接器5的馈电端口6位于接地板4的外表面上，并且介质基板2与接地板4之间留有空气层3，空气层3的厚度为1.42mm。
我们在不同温度下对该微带天线(中心频率为10GHz时)的S11、H面方向、E面方向分别进行了测试。测试结果见图3、图4和图5。
由图3、图4和图5可以看出：本发明的微带天线在400℃以上甚至1500℃的高温环境下仍然能够稳定可靠的工作，满足电性能指标要求。
需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种耐高温微带天线，其特征在于，包括：贴片(1)、介质基板(2)、接地板(4)和同轴连接器(5)，贴片(1)、接地板(4)和同轴连接器(5)均采用耐高温金属材料制成，介质基板(2)采用耐高温非金属材料制成，其中，
所述介质基板(2)与接地板(4)通过同轴连接器(5)连接，并且介质基板(2)与接地板(4)之间留有空气层(3)；
所述贴片(1)呈“E”字形，中间对称开出两个等腰梯形槽，贴片(1)设置在介质基板(2)的外表面上，信号通过同轴连接器(5)的馈电端口馈入高频电流，该高频电流通过同轴连接器(5)到达贴片(1)，贴片(1)将高频电流转化为电磁波向空间辐射出去。
2.根据权利要求1所述的耐高温微带天线，其特征在于，所述耐高温金属材料为钛合金。
3.根据权利要求1所述的耐高温微带天线，其特征在于，所述耐高温非金属材料为氮化硅。
4.根据权利要求1所述的耐高温微带天线，其特征在于，所述空气层(3)的厚度为0.1mm～10mm。
5.根据权利要求4所述的耐高温微带天线，其特征在于，所述空气层(3)的厚度为1.42mm。
6.根据权利要求1所述的耐高温微带天线，其特征在于，所述贴片(1)长8.5mm、宽14.2mm、厚0.035mm，等腰梯形槽的上底长0.16mm、下底长0.68mm、高4.68mm，上底与贴片(1)的边缘相齐，两个等腰梯形槽沿贴片(1)的中线对称分布，且两等腰梯形中垂线相距4.5mm。
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