一种背腔膜式偶极子相控阵天线单元

技术领域

本发明属于微波天线领域，具体涉及一种背腔膜式偶极子相控阵天线单元。

背景技术

VHF/UHF等频段，是通信、导航等系统的常用频段。这些频段对应波长较大，系统接收或发送电磁波的天线尺寸巨大。相控阵天线本身包含了大量天线单元，系统整体尺寸与重量都十分庞大。因此，孔径需求较大的VHF/UHF等频段的相控阵天线在可移动式场景下，实施难度较大。

传统的VHF/UHF大多采用金属结构设计制备，金属结构具有较好的导电特性与结构强度，但在该频段下，金属体积大，重量大。随着复合材料技术不断提升，碳纤维等高强度轻量化材料逐渐成熟，工程应用范围越来越大。碳纤维杆件可用于制作各类大型物体的骨架。碳纤维骨架可外罩膜材，以符合一定的气动外形要求。膜材可压覆(或电镀)任意形状金属层。因此合理利用碳纤维骨架及膜结构，可以构造出相控阵天线所需的天线单元。

发明内容

为此，本发明提出了一种轻量化的VHF/UHF频段的相控阵天线单元，该相控阵天线单元以金属膜材构造偶极子辐射源，由立体微带探针激励，并结合碳纤维杆件及金属膜材构成的背腔，实现前向宽角域辐射。薄膜上的金属层具有特定外形，结构杆件提供必要的可靠支撑，在馈电网络与T/R组件等部件的配合下，该天线单元组成的相控阵天线具有20％以上带宽，120°以上的波束扫描范围。本发明给出的相控阵天线轻量化程度高，可以有效应用于大型移动平台，实现更加灵活多变的相控阵系统。

本发明的一种背腔膜式偶极子相控阵天线单元，包括支撑骨架(2)、薄膜背腔(3)、薄膜振子(4)以及立体探针(5)；薄膜背腔(3)和薄膜振子(4)由支撑骨架(2)支撑，立体探针(5)与薄膜背腔(3)和薄膜振子(4)紧密贴合，作为馈电结构激励天线单元。

支撑骨架(2)由高强度轻量化材料制成，支撑天线单元(1)的外形，使薄膜背腔(3)和薄膜振子(4)的保有固定的形状及确定的相对位置关系。高强度轻量化材料为碳纤维。

所述薄膜背腔(3)有五个面，每个面都有金属薄层，在支撑骨架(2)的支撑下形成金属腔体，薄膜背腔(3)的五个面的金属薄层在面交界处相连，薄膜背腔(3)的长、宽尺寸阵列排布周期一致，高度由电磁仿真优化得到。金属薄层由金属网制成，也可压覆或电镀于非金属薄膜上。

薄膜振子(4)由金属薄层构成，具有椭圆形轮廓，边缘延伸出椭圆形轮廓与薄膜背腔(3)的一个面相连，薄膜振子(4)中间开有一个槽，将椭圆形分为左右两个部分，等效为一对电偶极子。薄膜振子(4)由非金属薄膜承载，薄膜振子(4)的尺寸和开槽尺寸由电磁仿真确定，保证天线具有较好的匹配效果。

立体探针(5)为金属带条，由非金属材料(7)支撑，与薄膜背腔(3)和薄膜振子(4)的共同构成准微带型传输线。立体探针(5)一端与穿过薄膜背腔的同轴接口(6)相连，接收同轴端发送的电磁信号，另一端横跨薄膜振子(4)中间的槽，形成馈电巴伦，可激励薄膜振子(4)的偶极子，形成电磁辐射。

进一步地，天线单元可作为独立天线使用，也可沿一个或两个方向组成阵列。

本发明的有益效果在于

1、本发明的背腔膜式偶极子相控阵天线单元由金属薄层构成，由轻质高强度杆件支撑，可组成低频段，特别是VHF/UHF超轻相控阵天线阵列。

2、本发明的背腔膜式偶极子相控阵天线单元具有宽带宽扫功能，组成的相控阵具有20％以上的相对带宽，扫描范围为以阵面法向为中心60°范围内的圆锥空域。

附图说明

图1为本发明相控阵天线单元示意图。

图2为本发明相控阵天线单元周期延拓组成相控阵天线阵列示意图。

图3为本发明相控阵天线单元的支撑骨架示意图。

图4为本发明相控阵天线单元的薄膜背腔示意图。

图5为本发明相控阵天线单元的薄膜振子及立体探针示意图。

图6为本发明相控阵天线单元立体探针示意图。

图7为本发明相控阵天线单元有源驻波曲线示意图。

其中，1、天线单元，2、支撑骨架，3、薄膜背腔，4、薄膜振子，5、立体探针，6、同轴接口，7、非金属材料。

具体实施方式

下面将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做出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。

如图1所示，本发明中的背腔膜式偶极子相控阵天线单元(1)，包括支撑骨架(2)、薄膜背腔(3)、薄膜振子(4)以及立体探针(5)。薄膜背腔(3)和薄膜振子(4)由支撑骨架(2)支撑，立体探针(5)与薄膜背腔(3)和薄膜振子(4)紧密贴合，作为馈电结构激励天线单元。

如图2所示，天线单元(1)可作为独立天线使用，也可组成阵列。组阵方式为沿一个(z轴向或y轴向)或两个方向(z轴向和y轴向)周期延拓。单元周期dy和dz由高频栅瓣抑制条件确定，即dy<λh(1-1/(2Ny))/(1+|sin(θys)|),dz<λh(1-1/(2Nz))/(1+|sin(θzs)|)，其中Ny和Nz分别为阵列沿y方向和z方向的单元数，θys和θzs分别为阵列在xoy和xoz平面内最大扫描波束指向与阵面法向的夹角，λh为高频工作波长。

如图3所示，支撑骨架(2)由高强度轻量化材料制成，如碳纤维，以较小的重量代价支撑起天线单元(1)的外形，使薄膜背腔(3)和薄膜振子(4)的保有固定的形状及确定的相对位置关系。

如图4所示，薄膜背腔(3)有五个面，每个面都有金属薄层，在支撑骨架(2)的支撑下，形成轻薄的金属腔体，金属薄层可由金属网制成(网孔孔径小于十分之一工作波长)，也可压覆或电镀于非金属薄膜(如聚酰亚胺薄膜)上。薄膜背腔(3)的五个面的金属在面交界处相连。薄膜背腔(3)的尺寸dy和dz与阵列排布周期一致，dx由电磁仿真优化得到，确保天线匹配效果，dx约为0.12倍低频波长，0.16倍高频波长。

如图5所示，薄膜振子(4)由金属薄层构成，具有椭圆形轮廓，边缘金属延伸出椭圆形轮廓与薄膜背腔(3)的一个金属面相连，薄膜振子(4)中间开有一个槽，将椭圆分为两个部分，这两个部分等效为一对电偶极子，在适当的激励下，可作为辐射体，向自由空间辐射电磁波。薄膜振子(4)可由非金属薄膜(如聚酰亚胺)承载。薄膜振子(4)的尺寸和开槽尺寸由电磁仿真优化确定，以保障天线具有较好的匹配效果。椭圆长轴长Dipole_a约为0.345λl，λl为低频波长，椭圆短轴长Dipole_b约为0.34λl,槽长Slot_l约为0.34λl，槽宽Slot_w约为0.0075λl。

如图6所示，立体探针(5)为金属带条，由非金属材料(7)支撑，非金属材料(7)可选泡沫或其他介电材料，与薄膜背腔(3)和薄膜振子(4)的共同构成准微带型传输线。立体探针(5)一端与穿过薄膜背腔的同轴接口(6)相连，接收同轴端发送的电磁信号。立体探针(5)另一端横跨薄膜振子(4)中间的槽，形成馈电巴伦，可激励薄膜振子(4)的偶极子，形成电磁辐射。立体探针(5)的宽度Feed_w和非金属材料(7)的厚度Feed_t由同轴接口(6)的特性阻抗确定，由电磁仿真确定Feed_w和Feed_t使立体探针(5)的特性阻抗与同轴接口(6)的特性阻抗相同。

如图7所示，作为一个实施例，天线工作频段为fl至fh，其中fh＝1.333fl，天线单元(1)沿y轴周期延拓，θys＝60°，dy＝0.375λl，dz＝0.4875λl，dz＝0.12λl，Dipole_a＝0.345λl，Dipole_b＝0.34λl，Slot_l＝0.34λl，Slot_w＝0.0075λl，Feed_w＝0.143λl，Feed_t＝0.003λl。本发明的天线单元端口在0°至60°波束扫描范围内，在fl至fh频段内，源驻波小于2，相对带宽28.6％。

本发明不局限于上述具体的实施方式，本发明可以有各种更改和变化。凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。