CN116154464B - 一种耐高温共口径宽波束天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐高温共口径宽波束天线，包括共口径端射天线和防热天窗，共口径端射天线包括集成于同一双层陶瓷覆铜板上的覆盖S‑C‑X频段的超宽带波段第一天线和K波段第二天线，第一天线和第二天线工作在同一口径下，其中，双层陶瓷覆铜板包括上层基板和下层基板，上层基板的上表面和下层基板的下表面均覆有铜金属面，第一天线和第二天线均具有相连接的辐射结构和馈电结构，本发明将防隔热层与共口径端射天线作为整体进行一体化设计，有效利用空间，破解防隔热层的“喇叭效应”，实现波束展宽，并能够在持续1000s，表面温度保持1200度的情况下，馈电端口温度低于150度。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其是一种耐高温共口径宽波束天线。
背景技术
针对高速飞行器，由于长时间高速飞行，与气流摩擦产生大量的热，飞行器表面受气动加热影响，存在极高的温度，而这样恶劣的工作环境会极大限制靠近表面安装的天线正常工作。目前针对应用功能场景越来越丰富复杂的飞行器天线，天线窗开窗结构尺寸限制性越来越高，同时耐高温天线也需考虑直接将防热盖板辐射面与飞行器表面共形，因此，对小型化、可与高速飞行器共形的耐高温天线研制成为趋势。另一方面，论文一种遥测外测安控一体化火箭天基测控***设计中，为实现覆盖多频段的多功能飞行器测控通信，传统的飞行器天馈布局需在舱体上开多个天线窗口，这对于飞行器舱体结构和天线布局都具有一定的困难，现有技术中，公开号为CN115276838A的专利文献公开了一种面向多任务的遥外安一体化综合测控站专利可以将工作在不同频段的遥外安天线置于同一天线窗口内。然而，小型化多波段共口径耐高温天线由于其安装结构的限制，如何提高多频道之间的隔离度，并在尺寸有限的天线辐射窗口情况下实现宽波束性能是急需破解难题。
由于安装空间、高温工作环境所限，传统的金属天线如八木天线、对数周期天线以及其它的端射天线等很难满足要求。由于其尺寸很难容纳在非常狭小的空间内，其重量也不易满足要求，同时金属材料具有良好的导热性能也难以实现良好的隔热性能。另一方面，低剖面的平面天线可置于隔热底部，虽然不受高温影响，但会复杂安装环境及有限尺寸的天线窗口极大破坏其电性能，难以进行天线方向图赋形设计。
发明内容
发明目的：本发明针对高速飞行器天线的小型化、可共形、耐高温、多频段等方面需求，提供了一种在有限辐射窗口下能够覆盖S-C-X频段的超宽带波段天线和K波段天线的共口径耐高温宽波束天线，并具有良好的频道隔离性能。
本发明的一种耐高温共口径宽波束天线，包括共口径端射天线和防热天窗，共口径端射天线包括集成于同一双层陶瓷覆铜板上的覆盖S-C-X频段的超宽带波段第一天线和K波段第二天线，第一天线和第二天线工作在同一口径下，其中，双层陶瓷覆铜板包括上层基板和下层基板，上层基板的上表面和下层基板的下表面均覆有铜金属面，第一天线和第二天线均具有相连接的辐射结构和馈电结构，辐射结构均置于上层基板和下层基板的金属面，防热天窗包括隔热层，辐射结构嵌入隔热层，且位于防热天窗中心位置。
优选的，还包括金属底板，所述防热天窗还包括防热盖板，所述防热盖板、隔热层和金属底板依中心线叠层设置并固定连接，隔热层开有用于嵌入共口径端射天线的槽结构，共口径端射天线下部安装于金属底板且下端部伸出金属底板下方。
优选的，在共口径端射天线上位于金属底板下方的双层陶瓷覆铜板处安装有第一射频连接器和第二射频连接器，双层陶瓷覆铜板通过天线固定连接器固定连接于金属底板。
优选的，所述第一天线的辐射结构为印刷在双层陶瓷覆铜板上下表面的两条指数渐变的曲线与双层陶瓷覆铜板边缘沿直线闭合形成的金属面，两条指数渐变的曲线之间呈喇叭形开口，印刷在双层陶瓷覆铜板上下表面的第一天线辐射结构位置相同。
优选的，所述第二天线的辐射结构为印刷在双层陶瓷覆铜板上下表面的直角梯形金属面，印刷在双层陶瓷覆铜板上下表面的第二天线辐射结构位置相互对称。
优选的，所述第一天线的馈电结构包括第一射频连接器、带状线和双面槽线，第一射频连接器和带状线组成同轴-带状线转换器，带状线和双面槽线组成带状线-双面槽线转换器，所述第二天线的馈电结构包括相连接的第二射频连接器和基片集成波导，第二射频连接器和基片集成波导组成同轴-基片集成波导转换器。
优选的，带状线位于上层基板和下层基板之间，呈倒“L”型，两侧加载有均匀分布的金属化过孔，带状线终端通过过渡段加载有扇形结构，过渡段为渐进的阶梯形状，带状线结构另一端连接第一射频连接器。
优选的，双面槽线设置在上层基板的上表面和下层基板的下表面，其前端与第一天线的辐射结构连接，末端加载有扇形槽。
优选的，同轴-基片集成波导转换器具有开路端，开路端与第二天线的辐射结构相连接，形成端射天线。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明采用了不同的天线形式集成在同一高介电常数的陶瓷基板上，减小天线尺寸，通过合理的布局和馈电设计，保证了不同频段跨度大的两个天线在狭小空间内独立工作，互不干扰，提高空间利用率。本发明的天线整体设计选用耐高温和低导热率的氧化铝陶瓷覆铜基板，使天线能耐受从防热层传导的高温，能有效的兼顾电性能和热性能的问题。并且将共口径天线结构融入到天线罩中，整体形成新的天线形式，使二者融为一体，既展宽了波束，又保证天线具有耐热性能的同时能够在高温条件下长时间正常工作，总体上实现了原天线罩防热、天线传输信号、飞行器外表面赋形承力的所有功能。此外，高温天线罩能通过采用与高速飞行器共形的结构设计，满足高速飞行器的空气动力学性能要求。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为陶瓷覆铜基板正面图；
图3为陶瓷覆铜基板背面图；
图4为陶瓷覆铜基板中间层图；
图5为陶瓷覆铜基板侧视图；
图6为陶瓷覆铜基板正面尺寸图；
图7为陶瓷覆铜基板中间层尺寸图；
图8为陶瓷覆铜基板侧面尺寸图；
图9为同轴探针即射频连接器正向结构尺寸图；
图10为第一天线驻波比图；
图11为第二天线驻波比图；
图12为天线在低频部分隔离度图；
图13为天线在高频部分隔离度图；
图14为本发明样机加热500s仿真温度分布图；
图15为本发明样机加热1000s仿真温度分布图；
图16为本发明样机加热1500s仿真温度分布图；
图17为本发明样机加热2000s仿真温度分布图；
图18为陶瓷基板顶部温升曲线图和馈电同轴处温升曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本发明中，多频段耐高温共口径天线主要由共口径天线和防热天窗结构构成，天线安装在防热天窗内。天线具有两个频段，不同频段的跨度较大，且需要保证两个天线单元工作在同一口径下，此外还要保证天线的耐热性能。考虑天线耐高温、多频段和宽频带的需求，对基于两个宽带天线单元的共口径天线设计展开研究。将不同频段的天线集成于同一介质板上，通过合理布局以及馈电结构的设计，实现不同天线单元共用一个辐射口径。将第一天线和第二天线集成在同一耐高温陶瓷覆铜板上进行设计，满足天线的热性能的同时减小天线的整体体积，保证整个天线结构的两个辐射天线单元同时工作且不相互影响。
如图1所示的一种耐高温共口径天线，包括共口径天线，共口径天线包括集成于同一陶瓷覆铜板3上的覆盖S-C-X频段的第一天线1和K波段的第二天线2，即共口径天线的辐射结构。耐高温共口径天线所用的介质板为两个厚0.8mm，相对介电常数9.4的耐高温氧化铝陶瓷覆铜板3，第二天线2位于第一天线1的右侧，超宽带频段的第一天线1和K波段的第二天线2工作在同一口径下；共口径天线的辐射结构部分的尺寸为：50mm*53.5mm，陶瓷覆铜板3为双层，包括上层基板301和下层基板302。
本发明是在小面积防热层窗口下方的狭小空间内，将两种频段的天线(两个宽带天线单元)集成于同一基板，工作在同一口径中，且相互独立。同时两个天线能够在高温条件下长时间正常工作。本发明的设计的两个频段跨度大，第一天线1设计在覆盖S-C-X频段频段，第二天线2设计频段在K波段，第二天线2摆放在不影响第一天线1辐射性能的位置。因此，在狭小的安装环境中，多频段热天线能够在同一口径下共同工作互不干扰，实现符合要求的方向图与激励装置良好匹配。
此外，如图8所示，陶瓷覆铜板3双层宽度W1＝1.6mm；陶瓷覆铜板3单层宽度W2＝0.8mm；如图6所示，陶瓷覆铜板3固定通孔半径R1＝1mm。
第一天线1和第二天线2均具有辐射结构和馈电结构，共口径天线的辐射结构位于上层基板301的上金属面和下层基板302的下金属面，馈电结构与辐射结构利用相同的介质板制作，第一天线的馈电结构的部分结构位于上层基板301和下层基板302的中间，此外，本实施例中陶瓷覆铜板3的金属层厚度为0.018mm。
天线***还具有防热天窗，即高温天线罩，其含有隔热层，共口径天线上部特别是天线的辐射结构部分嵌入隔热层，且位于防热天窗中央位置。
天线***包括金属底板5，其为一方形的金属法兰，共口径天线下部安装于该金属底板5且其最下端部伸出该金属底板5下方，法兰盘固定通孔半径R3＝1.3mm。
如图1所示，防热天窗还包括防热盖板401，防热盖板401、隔热层402和金属底板5依中心线叠层设置并固定连接，隔热层402开有用于嵌入共口径天线的槽结构。隔热层402材料的相对介电常数为1.4，防热盖板401相对介电常数为3.4。
如图1和图5所示，位于金属底板5下方的陶瓷覆铜板3处安装有两个射频连接器6，陶瓷覆铜板3通过天线固定连接器7固定连接于金属底板5。
如图3所示，第一天线1的辐射结构为两条指数渐变曲线与陶瓷覆铜板3边缘沿直线闭合而成，两条指数曲线之间呈喇叭形开口，陶瓷覆铜板3上表面和下表面印刷相同的辐射结构。第一天线1的指数曲线UL1和UL2为：y＝±0.158exp(0.16x)±0.092。
第二天线2的辐射结构为一直角梯形金属面，如图3所示，其上表面辐射金属面与下表面辐射金属面相互对称。
在陶瓷覆铜板3的上表面和下表面上，第一天线中作为辐射结构金属层部分与第二天线作为辐射结构的金属层部分边缘处印刷在一起，通过集成设计，减小天线尺寸。
如图6所示，天线单元的总长度为L1＝53.5mm；天线单元的总宽度L2＝50mm；第二天线的长度L3＝10mm；第二天线2的宽度L4＝4.3mm；第二天线2辐射结构直角梯形金属面窄边宽度L5＝1.7mm；第二天线2辐射结构直角梯形金属面底边宽度L6＝5.6mm；第一天线1辐射结构开口距离L7＝29.95mm；槽线宽度L8＝0.5mm；第一天线1辐射结构长度L9＝29.95mm。
第一天线1的馈电结构包括依次连接的射频连接器、带状线和扇形结构9，还包括能够与带状线电磁耦合的双面槽线结构，双面槽线结构连接一扇形槽，其中，射频连接器和带状线构成同轴-带状线转换器101，带状线和双面槽线结构构成带状线-双面槽线转换器102。
第二天线的馈电结构包括射频连接器和基片集成波导202，其共同构成同轴-基片集成波导转换器201。
同轴-带状线转换器101和带状线-双面槽线转换器102的下端为各自天线的射频连接器6。
带状线-双面槽线转换器102的功能是将带状线的不平衡传输模式转换至双面槽线的平衡传输模式。辐射结构位于上下两面的第一天线共用射频连接器、带状线和扇形结构9，带状线-双面槽线转换器102的带状线结构位于上层基板301和下层基板302的中间，呈倒“L”型，在两侧位置的陶瓷覆铜板上加载有均匀分布的金属化过孔8，以抑制高介电常数基板在上下金属面间引入的平行平板波导模式，金属化过孔下方加载条带，避免能量泄漏，保证上下基板在连接时的一致性，如图4所示，带状线终端加载扇形结构9，带状线与扇形结构9的过渡段为渐进的阶梯形状，以提高匹配带宽。
如图7所示，带状线103长度L18＝14.3mm，L19＝7.54mm；带状线103末端扇形结构9的半径R4＝3.1mm；带状线103末端扇形结构9半径角度θ2＝130°。
如图2-4和图6所示，带状线-双面槽线转换器102的双面槽线结构在上层基板301的上表面和下层基板302的下表面，其前端与第一天线的辐射段连接，末端加载扇形槽用来提高匹配带宽，槽线与扇形槽连接之间无过渡，辐射段即为第一天线的辐射结构。此外，扇形槽半径R2＝5.09mm，扇形半径角度θ1＝110°。
如图6所示，带状线103左侧金属化过孔8长度L10＝18.43mm；带状线103右侧金属化过孔8长度L11＝16.15mm；带状线103顶部金属化过孔8长度L12＝7.6mm；带状线103底部金属化过孔8长度L13＝3.88mm。
辐射结构位于上下两面的第二天线共用射频连接器和基片集成波导202所构成的同轴-基片集成波导转换器201作为馈电结构，同轴-基片集成波导转换器201具有开路端，其中，开路端与第二天线的辐射结构相连，形成基于SIW的端射天线，另一端连接有一个射频连接器6。如图6所示，同轴-基片集成波导转换器201包括相连接的基片集成波导202和同轴探针，其中，上基板的基片集成波导202由贯穿上层基板301及其上金属表面的金属化过孔8构成，与之对称的，贯穿下层基板302及其下金属表面的金属化过孔8构成下基板的基片集成波导202，金属化过孔下方均加载条带，基片集成波导202长度L14＝44.55mm；基片集成波导202宽度L15＝3.7mm；如图8所示，同轴外导体的长度L16＝2.4mm；如图9所示，同轴内导体直径D1＝0.64mm；同轴外导体内直径D2＝2.1mm；同轴外导体外直径D3＝4mm。
如图14-图17所示，为了验证该天线样机的耐热性，利用了商业软件软件CSTStudio Suite进行热仿真测试。其中，在外部加温1200℃，持续加热1000秒后，温度的分布情况如图15所示。典型部位的温升曲线图如图18所示，显示了陶瓷基板顶部和馈电同轴处的温升曲线，可以看出样机能够在高温下正常工作，减缓热量的传递，使馈电端温度不超过150℃。
由上可知，本发明在允许的小面积防热层下方的狭小空间内，阻断外部高温传导至天线馈电端，保证天线长时间正常工作在高温环境。两个宽带天线单元集成于同一口径，并完成了辐射方向图的赋形设计。通过采用陶瓷覆铜板，提高天线承热能力，将天线部分嵌入到隔热层中，有利于与防热天窗进行一体化设计时，减弱热量传导，破解防隔热层带来“喇叭效应”，实现宽波束方向图。
本发明能够在持续1000s，表面温度保持1200度的情况下，使馈电端口温度低于150度。采用平面集成同轴线，有效利用空间，降低周围环境对匹配性能的影响。
由图10和图11可知，覆盖S-C-X频段的超宽带波段天线驻波比小于2的频率范围为2-10GHz，K波段天线的驻波比在23-27GHz范围内小于2，第一天线与第二天线均具有宽带特性，有利于高速飞行器的精确制导、提高隐蔽性与抗干扰能力。此外，图12和图13给出覆盖S-C-X频段的超宽带波段天线和K波段天线间的隔离度，在低频时的隔离度低于60dB，而高频时均在20dB下，结果表明对高低频天线的合理布局使得两天线之间有良好的隔离度，多频段热天线能够在同一口径下共同工作互不干扰。
由于本发明的设计为电、热一体化，该天线形式具有易于实现天线***小型化，多频段工作、与飞行器表面共形、相位中心靠近辐射口从而减少烧蚀影响的优点。为了使天线能耐受从防热层传导的高温，天线整体设计采用了耐高温的氧化铝陶瓷覆铜板，能有效的兼顾电性能和热性能的问题，基板的高介电常数也能在一定程度减小天线整体尺寸，提高空间利用率，使其更容易在狭小的空间内使用。
针对高速飞行器天线的小型化、可共形、耐高温、多频段等方面需求，本发明能够覆盖S-C-X频段的超宽带波段天线和K波段天线的共口径耐高温宽波束天线设计展开研究。将两个不同波段的Vivaldi天线和渐变槽端射天线集成于同一高介电常数陶瓷覆铜板，减小天线尺寸，有效地降低端射天线的高度，极大地保留了隔热层的隔热厚度，提高了隔热性能。通过控制天线顶端与防热盖板间距离，调整波束宽度，获得宽波束性能，进一步合理布局以及馈电结构的设计，实现不同波段天线单元位于防热天窗中心位置，共用一个辐射口径。这样，在满足天线的防、隔热性能的同时也能够减小整体耐高温天线***的尺寸，并保证两个波段天线单元同时工作且不相互影响，实现多频段的要求，从而减少高速飞行器天线的数量。
Claims (7)
1.一种耐高温共口径宽波束天线，其特征在于，包括共口径端射天线和防热天窗，共口径端射天线包括集成于同一双层陶瓷覆铜板上的覆盖S-C-X频段的超宽带波段第一天线和K波段第二天线，第一天线和第二天线工作在同一口径下，其中，双层陶瓷覆铜板包括上层基板和下层基板，上层基板的上表面和下层基板的下表面均覆有铜金属面，第一天线和第二天线均具有相连接的辐射结构和馈电结构，辐射结构均置于上层基板和下层基板的金属面，防热天窗包括隔热层，辐射结构嵌入隔热层，且位于防热天窗中心位置；第一天线的辐射结构为印刷在双层陶瓷覆铜板上下表面的两条指数渐变的曲线与双层陶瓷覆铜板边缘沿直线闭合形成的金属面，两条指数渐变的曲线之间呈喇叭形开口，印刷在双层陶瓷覆铜板上下表面的第一天线辐射结构位置相同；第二天线的辐射结构为印刷在双层陶瓷覆铜板上下表面的直角梯形金属面，印刷在双层陶瓷覆铜板上下表面的第二天线辐射结构位置相互对称。
2.如权利要求1所述的一种耐高温共口径宽波束天线，其特征在于，还包括金属底板，所述防热天窗还包括防热盖板，所述防热盖板、隔热层和金属底板依中心线叠层设置并固定连接，隔热层开有用于嵌入共口径端射天线的槽结构，共口径端射天线下部安装于金属底板且下端部伸出金属底板下方。
3.如权利要求2所述的一种耐高温共口径宽波束天线，其特征在于，在共口径端射天线上位于金属底板下方的双层陶瓷覆铜板处安装有第一射频连接器和第二射频连接器，双层陶瓷覆铜板通过天线固定连接器固定连接于金属底板。
4.如权利要求1所述的一种耐高温共口径宽波束天线，其特征在于，所述第一天线的馈电结构包括第一射频连接器、带状线和双面槽线，第一射频连接器和带状线组成同轴-带状线转换器，带状线和双面槽线组成带状线-双面槽线转换器，所述第二天线的馈电结构包括相连接的第二射频连接器和基片集成波导，第二射频连接器和基片集成波导组成同轴-基片集成波导转换器。
5.如权利要求4所述的一种耐高温共口径宽波束天线，其特征在于，带状线位于上层基板和下层基板之间，呈倒“L”型，两侧加载有均匀分布的金属化过孔，带状线终端通过过渡段加载有扇形结构，过渡段为渐进的阶梯形状，带状线结构另一端连接第一射频连接器。
6.如权利要求4所述的一种耐高温共口径宽波束天线，其特征在于，双面槽线设置在上层基板的上表面和下层基板的下表面，其前端与第一天线的辐射结构连接，末端加载有扇形槽。
7.如权利要求4所述的一种耐高温共口径宽波束天线，其特征在于，同轴-基片集成波导转换器具有开路端，开路端与第二天线的辐射结构相连接，形成端射天线。
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