一种星载超宽带低剖面轻量化的阵列天线的制作方法

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1.本发明属于超宽带阵列天线领域，具体涉及一种星载超宽带低剖面轻量化的阵列天线。

背景技术：

2.阵列天线技术是当前的一个研究热点，被广泛应用于各种电子装备系统中。与此同时，星载无线设备朝着轻量化、一体化等方向发展，对阵列天线的工作带宽、体积、重量等方面提出了新的要求。
3.vivaldi天线是一种传统的超宽带天线形式，经常用于超宽带阵列天线单元设计中，主要采用微带形式或金属形式的结构。微带形式的传统vivaldi天线，在介质基板两侧覆铜，重量较轻，但物理强度较低，不能有效抵抗空间环境辐射。而传统的金属vivaldi天线存在剖面较高、重量大等问题，不利于在空间有限的载体平台上集成使用。目前，同时具有超宽带的阻抗匹配、小型化结构的vivaldi天线较少，这也是星载超宽带阵列天线急需解决的问题。
4.将紧耦合技术与经结构优化的金属vivaldi天线结合起来进行阵列天线设计，不仅具有超宽带、大扫描角度等特点，还具有低剖面、强结构稳定性、轻量小型化、易加工等特点，使其在星载平台上具备侦察、干扰、探测、通信等多功能电子系统中广泛应用。
5.对传统的金属vivaldi天线进行结构优化设计，可以实现超宽带天线的尺寸和重量的缩减。天线在辐射子单元表面开设梯形孔的方式，改变表面电流分布，增加耦合电容，使得等效口径增加，既降低天线剖面高度，又减小整体重量。

技术实现要素：

6.本发明提出了一种星载超宽带低剖面轻量化的阵列天线，在辐射子单元上加梯形孔，在不影响电性能的情况下降低了天线的整体重量；采用金属结构，使天线的整体结构强度增加，并且具有耐高温、不易形变等优点。
7.实现本发明的技术解决方案为：一种星载超宽带低剖面轻量化的阵列天线，包括金属反射地板和多个子阵列，每个子阵列由m
×
n个天线单元分别沿两个相互正交的方向在金属反射地板上进行排布。天线单元由两个正交放置的辐射子单元构成，两个辐射子单元呈l型排布，通过开槽对插方式的连接，同一个天线单元中的一个辐射子单元称为垂直极化天线子单元，另一个称为水平极化天线子单元；为降低天线剖面高度，考虑改变表面电流分布，增加耦合电容，在辐射子单元表面开设梯形孔，优化表面电流，实现加载电容的效果，使得等效口径增加，降低天线剖面高度，使得天线高度仅为0.227倍低频波长。
8.本发明与现有技术相比，其显著优点在于：本发明对传统的vivaldi天线进行结构优化设计，利用紧耦合阵列技术，实现了超宽带低剖面的正交双极化天线单元设计。在金属阵列天线边缘再加一圈相同的天线单元（虚元），实现对阵列边缘单元的截断处理，使边缘单元具有良好的阻抗匹配特性。本发明中的双极化阵列天线具有工作频带宽、增益高、剖面
低、重量轻、体积较小等特点，在星载平台上具有广泛的应用前景。
附图说明
9.图1是垂直极化天线子单元组的开槽方式示意图。
10.图2是水平极化天线子单元组的开槽方式示意图。
11.图3是双极化阵列天线单元示意图。
12.图4是10
×
10阵列天线模型。
13.图5是阵列天线单元有源驻波的仿真结果，其中(a)图为垂直极化，(b)图为水平极化。
14.图6是阵列天线有不同扫描角度下的方向图仿真结果，其中(a)图为0.8ghz，(b)图为1.4ghz，(c)图为2.0ghz。
15.图7是阵列天线方向图测试结果，其中(a)图为0.8ghz，(b)图为1.4ghz，(c)图为2.0ghz。
具体实施方式
16.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后
……
）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
18.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明地描述中，“多个”地含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体地限定。
19.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应作广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；“连接”可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
20.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围指内。
21.下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。
22.结合图1~图4，本发明所述的一种星载超宽带低剖面轻量化的阵列天线包括金属反射地板6和多个子阵列，每个子阵列由m
×
n个天线单元分别沿两个相互正交的方向在金属反射地板6上进行排布。
23.天线单元由两个正交放置的辐射子单元构成，两个辐射子单元呈l型排布，通过开
槽对插方式的连接，同一个天线单元中的一个辐射子单元称为垂直极化天线子单元3，另一个称为水平极化天线子单元5。
24.为降低天线剖面高度，考虑改变表面电流分布，增加耦合电容，本发明创新的提出在辐射子单元表面开设梯形孔，优化表面电流，实现加载电容的效果，使得等效口径增加，降低天线剖面高度。
25.位于同一排的m个垂直极化天线子单元3通过一体化加工的方式构成垂直极化天线子单元组，一共n列垂直极化天线子单元组。图1是垂直极化天线子单元3的开孔方式示意图，所述垂直极化天线子单元3采用vivaldi型天线，两个相邻的垂直极化天线子单元3的交界处自上向下开有第一槽口1，用于整体装配。为了在不影响天线单元电性能的情况下对结构进行减重，需要在每个垂直极化天线子单元3上对称开有两个第一梯形孔2，所述第一梯形孔2的高度不超过天线单元高度的二分之一。第一梯形孔2的四个尖角进行倒圆角处理，减少尖端放电对性能的影响。同时，垂直极化天线子单元3上对称开的两个第一梯形孔2能够改变天线表面电流分布，实现加载电容的效果，使天线剖面降低，实现天线的低剖面特性。
26.位于同一排的n个水平极化天线子单元5通过一体化加工的方式构成水平极化天线子单元组，一共m行水平极化天线子单元组。图2是水平极化天线子单元5的开孔方式示意图。所述水平极化天线子单元5采用vivaldi型天线，两个相邻的水平极化天线子单元5的交界处自下向上开有第二槽口4，用于整体装配。为了在不影响天线单元电性能的情况下对结构进行减重，需要在每个水平极化天线子单元5上对称开有两个第二梯形孔7，所述第二梯形孔7的高度不超过天线单元高度的二分之一。第二梯形孔7的四个尖角进行倒圆角处理，减少尖端放电对性能的影响。
27.n个垂直极化子单元组和m个水平极化子单元组通过第二槽口4与第一槽口1进行对插，水平极化天线子单元组插接在垂直极化天线子单元组上，呈l型排布，实现了m
×
n个双极化天线单元的装配。
28.图3是双极化阵列天线单元的示意图。为了加强天线的结构稳定性，通过在天线单元的底部正反两面增设凸台9实现拓宽。在凸台9上设有馈电孔8，采用简单的同轴馈电方式，每一个辐射子单元由一个smp连接器进行馈电。
29.天线高度仅为0.227倍低频波长。
30.由于天线单元从底部进行馈电，smp连接器通过法兰盘连接在金属反射地板6底面，smp连接器的馈电内芯向上穿过金属反射地板6。
31.图4是10
×
10阵列天线整体结构示意图。10
×
10的天线单元安装在金属反射地板6上，smp连接器安装在金属反射地板6底面，smp连接器的馈电内芯通过馈电孔8对天线子单元馈电。天线工作时，仅对中心8
×
8的阵元进行馈电，最边缘的一圈阵元为虚元，加载50欧姆的匹配负载。
32.图5是阵列天线单元不同极化端口有源驻波的仿真结果。(a)图为垂直极化，(b)图为水平极化。从图中可以看出扫描至
±
45
°
时，天线性能仍比较稳定，没有恶化。
33.图6是阵列天线有不同扫描角度下的方向图仿真结果，其中(a)图为0.8ghz，(b)图为1.4ghz，(c)图为2.0ghz，图7是阵列天线方向图测试结果，其中(a)图为0.8ghz，(b)图为1.4ghz，(c)图为2.0ghz，从图中可以看出在不同频点扫描至
±
45
°
时，天线增益没有大幅降
低，相对稳定，且增益较高。
34.本项目的主要发明点在于：采用金属结构，在天线单元上开设梯形孔的方式，降低天线的剖面高度和重量；采用紧耦合阵列技术，增强天线单元间的耦合效应，实现超宽带的阻抗匹配性能；采用阵列天线边缘加载虚元的方式，改善边缘单元的阻抗匹配特性；采用开槽对插的方式实现天线的装配，并且将天线底部拓宽，增强结构稳定性。
35.以上所述仅是本发明的具体实施方式。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种星载超宽带低剖面轻量化的阵列天线，其特征在于：包括金属反射地板（6）和多个子阵列，每个子阵列由m
×
n个天线单元分别沿两个相互正交的方向在金属反射地板（6）上进行排布；天线单元由两个正交放置的辐射子单元构成，两个辐射子单元呈l型排布，通过开槽对插方式的连接，同一个天线单元中的一个辐射子单元称为垂直极化天线子单元（3），另一个称为水平极化天线子单元（5）；为降低天线剖面高度，考虑改变表面电流分布，增加耦合电容，在辐射子单元表面开设梯形孔，优化表面电流，实现加载电容的效果，使得等效口径增加，降低天线剖面高度，使得天线高度仅为0.227倍低频波长。2.根据权利要求1所述的星载超宽带低剖面轻量化的阵列天线，其特征在于：位于同一排的m个垂直极化天线子单元（3）通过一体化加工的方式构成垂直极化天线子单元组，一共n列垂直极化天线子单元组；所述垂直极化天线子单元（3）采用vivaldi型天线，两个相邻的垂直极化天线子单元（3）的交界处自上向下开有第一槽口（1），用于整体装配；为了在不影响天线单元电性能的情况下对结构进行减重，需要在每个垂直极化天线子单元（3）上对称开有两个第一梯形孔（2），所述第一梯形孔（2）的高度不超过天线单元高度的二分之一；第一梯形孔（2）的四个尖角进行倒圆角处理，减少尖端放电对性能的影响；同时，垂直极化天线子单元（3）上对称开的两个第一梯形孔（2）能够改变天线表面电流分布，实现加载电容的效果，使天线剖面降低，实现天线的低剖面特性。3.根据权利要求2所述的星载超宽带低剖面轻量化的阵列天线，其特征在于：位于同一排的n个水平极化天线子单元（5）通过一体化加工的方式构成水平极化天线子单元组，一共m行水平极化天线子单元组；所述水平极化天线子单元（5）采用vivaldi型天线，两个相邻的水平极化天线子单元（5）的交界处自下向上开有第二槽口（4），用于整体装配；为了在不影响天线单元电性能的情况下对结构进行减重，需要在每个水平极化天线子单元（5）上对称开有两个第二梯形孔（7），所述第二梯形孔（7）的高度不超过天线单元高度的二分之一；第二梯形孔（7）的四个尖角进行倒圆角处理，减少尖端放电对性能的影响。4.根据权利要求3所述的星载超宽带低剖面轻量化的阵列天线，其特征在于：n个垂直极化子单元组和m个水平极化子单元组通过第二槽口（4）与第一槽口（1）进行对插，水平极化天线子单元组插接在垂直极化天线子单元组上，呈l型排布，实现了m
×
n个双极化天线单元的装配。5.根据权利要求4所述的星载超宽带低剖面轻量化的阵列天线，其特征在于：在天线单元的底部正反两面增设凸台（9）实现拓宽，在凸台（9）上设有馈电孔（8），采用同轴馈电方式，每一个辐射子单元由一个smp连接器进行馈电。6.根据权利要求4所述的星载超宽带低剖面轻量化的阵列天线，其特征在于：由于天线单元从底部进行馈电，smp连接器通过法兰盘连接在金属反射地板（6）底面，smp连接器的馈电内芯向上穿过金属反射地板（6）；天线工作时，最边缘的一圈阵元为虚元，加载50欧姆的匹配负载。

技术总结

本发明公开了一种星载超宽带低剖面轻量化的阵列天线，天线单元由两个正交放置的辐射子单元构成，两个辐射子单元呈L型排布，通过开槽对插方式的连接。在天线单元上开设梯形孔的方式，优化表面电流分布，实现加载电容的效果，同时采用紧耦合技术，既降低天线剖面高度，又减小整体重量。采用阵列天线边缘加载虚元的方式，实现对阵列边缘单元的截断处理，使边缘单元具有良好的阻抗匹配特性。本发明实现了实用双极化、低剖面、高增益、轻量化超宽带星载阵列天线设计。天线设计。天线设计。