一种基于透镜机理的机载平台低剖面全向阵列天线

技术领域

本发明属于机载天线技术领域，具体涉及一种基于透镜机理的机载平台低剖面全向阵列天线。

背景技术

测向天线是指用于空间测向系统的天线。测向系统作为一个无线电设备，天线是非常重要的一个部件，直接影响着整个无线电信号收发系统的工作质量。航空机载电子测向系统具有作用范围大、侦测距离远和可实现单机目标定位等优点，并且由于机载平台尺寸有限，正逐步向着紧凑测向阵列方向发展。

空间测向系统在接收空间无线电信号的过程中会受到其他无线电信号的干扰，目标设备以外的信号就相当于信号噪声。当被测辐射源距离测向系统距离过远时，目标信号的信噪比过低，甚至直接被噪声信号淹没，那么测向过程就会失败。为了提高接收信号的信噪比，可以通过提高测向天线的增益的方法实现。而当测向天线的增益提升，也能够有效地提升空间测向系统的有效工作半径，显著提高空间测向系统的工作效率。

同样地，由于通信信号的技术特征参数并不携带其属性标记，而它所传输的信息内容在加密条件下难以破解，要在复杂的无线电信号网络中实现对于通信信号的快速搜索，只有配合着快速精准的测向定位，然而采用通信、测向两套阵列又在紧凑的机载平台环境下不合理，所以实现通信、测向一体化设计显得尤为重要。

此外，测向天线阵列需要考虑到天线的剖面高度，过高的剖面会影响到飞机气动性能。通常，采用的天线都是大尺寸阵列，如果安装于载体表面，由于迎风面积较大，较大的风阻会导致天线结构不稳定。

综上所述，一般的测向天线阵列单元剖面高度在

专利申请CN113131178B公开了一种测向天线、测向天线系统及电子设备，该测向天线包括基板和天线辐射组件，基板具有相互背离的第一表面和第二表面，天线辐射组件包括高频辐射单元阵和低频辐射单元阵；其中：高频辐射单元阵包括至少一个高频辐射单元，高频辐射单元包括相互对称设置的第一高频辐射臂和第二高频辐射臂，第一高频辐射臂设置于第一表面，第二高频辐射臂设置于第二表面，第一高频辐射臂上连接有第一高频馈电线，第二高频辐射臂上连接有第二高频馈电线；低频辐射单元阵包括至少一个低频辐射单元，低频辐射单元包括相互对称设置的第一低频辐射臂和第二低频辐射臂。上述方案能解决目前的测向天线存在尺寸较大、频段单一及增益不足的问题。但尚不能实现机载一体化测向、通信系统的综合性能，检测精度不足。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种基于透镜机理的机载平台低剖面全向阵列天线，利用S频段微带贴片天线中TM

为了实现上述目的，本发明采用的技术手段为：

一种基于透镜机理的机载平台低剖面全向阵列天线，包括接地板28，所述接地板28上设有圆形的金属底腔29，金属底腔29中间设有中心天线32，金属底腔29圆周内且围绕中心天线32外周等距等角分布有边缘天线33，其中，中心天线32包括一个中心金属腔体902和中心金属腔体902内同轴设置的中心天线单元11，边缘天线33包括7个边缘金属腔体901，每个边缘金属腔体901内设有一个边缘天线单元18，边缘天线单元18相对于边缘金属腔体901为内接圆，且每个边缘天线单元18、边缘金属腔体901与中心金属腔体902及中心天线单元11的圆心在一条直线上。

所述中心天线单元11包括上层辐射结构和下层辐射结构，上层辐射结构包括上层介质基板8，上层介质基板8中间设置有馈电金属覆层1，馈电金属覆层1外周近上层介质基板8边缘设置有环形辐射金属覆层2；下层辐射结构包括下层介质基板6，下层介质基板6中间设置有圆形辐射金属覆层7；金属馈电探针5贯穿馈电金属覆层1、上层介质基板8、圆形辐射金属覆层7和下层介质基板6的中心，并对上层辐射结构和下层辐射结构同时进行馈电；多根金属短路柱3依次贯穿环形辐射金属覆层2、上层介质基板8和下层介质基板6对上层辐射结构和下层辐射结构形成支撑并起到短路的作用，且金属短路柱3之间等角等距分布。

所述馈电金属覆层1、环形辐射金属覆层2及圆形辐射金属覆层7均采用铜金属印刷。

所述下层辐射结构上贯穿设置有第一金属化通孔401和第二金属化通孔402，第一金属化通孔401和第二金属化通孔402与相对的两根金属短路柱3及金属馈电探针5位于同一条直线上。

所述馈电金属覆层1呈七瓣梅花形，瓣片等角等距分布。

所述边缘天线单元18与中心天线单元11结构相同所述边缘天线单元18与中心天线单元11结构相同；中心天线单元11的中心天线32正上方放置有介质透镜盖板12，介质透镜盖板12四周设置有介质支撑柱13，介质支撑柱13采用调节螺栓进行高度调节。

所述金属底腔29与边缘金属腔体901之间设有介质透镜天线罩30，金属底腔29中间挖有凹槽用于减轻自重。

所述介质透镜天线罩30包括天线罩内层27和天线罩外层26，天线罩外层26采用石英氰酸酯材料，天线罩内层27采用PMI泡沫材料。

所述边缘天线33的边缘金属腔体901内设有与边缘天线单元18的金属短路柱3相适配的第一短路柱安装沉孔14，中心金属腔体902内设有与中心天线单元11的金属短路柱3相适配的第二短路柱安装沉孔17。

相邻的所述边缘天线33之间分别布置有介质透镜单元31，介质透镜单元31包括椭圆形介质块25，椭圆形介质块25上设有椭圆形金属覆层24，介质螺钉2301分别穿过椭圆形金属覆层24与椭圆形介质块25两侧，将介质透镜单元31固定到接地板28的圆周内。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明中，环形辐射金属覆层2印刷在上层介质基板8的上表面；圆形辐射金属覆层7印刷在下层介质基板6的上表面，通过四根金属短路柱3，起到短路和支撑的作用，通过短路作用形成RLC谐振结构，并且降低低频截止频率；并且通过控制短路柱的高度，来调节上层和下层基板的耦合强度。在小尺寸的天线结构中，金属馈电探针5更便于加工焊接，此外通过改变贯穿于下层介质基板6第一金属化通孔401，第二金属化通孔402的间距，可调节天线阻抗来实现良好的阻抗匹配。

将中心天线单元和边缘天线单元分别埋入到中心金属腔体902及边缘金属腔体901的腔体内部。对于中心金属腔体902采用直腔的形式，边缘金属腔体901采用月牙形半外扩腔体的形式，改变了爬行波沿腔内的传播相位，使得边缘天线单元18具有更良好的辐射特性，并且作为边缘金属腔体901及中心金属腔体902，能够减弱传播到金属底腔29上的电流，起到隔离栅的作用，使天线具有更稳定的特性。

采用环形辐射金属覆层2印刷在上层介质基板8的上表面；圆形辐射金属覆层7印刷在下层介质基板6的上表面，这样双层垂直结构以垂直极化辐射方式，通过对第一金属化通孔401及第二金属化通孔402与中心天线单元11中心的距离调节设置，对TM

采用七个介质透镜单元31以等距等角均匀分布在金属底腔29上，这样的分布形式对于中心天线单元11相当于引入了等效哑元结构，对于电磁波存在引导的作用，使得在距离中心天线单元11相同的波前上电磁辐射的强度保持稳定，使天线具有更稳定的辐射特性。

综上所述，本发明上层辐射结构8和下层辐射结构6通过四根金属短路柱3起到支撑的作用并且调节双层辐射结构的间距，拓展了天线的工作带宽并且实现了双谐振特性，从而扩展机载平台通信系统的通信容量，双层辐射体之间的镂空处理，使天线横向尺寸减小，实现了天线的小型化，可以节省更多的机载平台空间资源。边缘金属腔体901采用月牙形半外扩腔体的形式和中心金属腔体902采用直腔的形式的使用，起到了隔离栅的作用，减弱了传播到腔体外部的电流，增强了机载平台天线的抗干扰性能。将7个介质透镜单元31等距等角分布在金属底腔29上，这样的分布形式对于中心天线单元11相当于引入了等效哑元结构，7个介质透镜单元31具有旋转对称的特性，对中心天线单元11辐射方向图具有调控的作用，从而增强了机载通信系统的辐射特性。本发明的单极子天线基于透镜机理的低剖面设计，工作只需0.15个低频波长，较传统单极子天线需要0.25个低频波长，在增加机载平台通信与导航系统信道容量和抵抗衰弱能力，提升系统综合性能，实现机载平台高性能通信与高精度导航上有较强的实际应用价值。

附图说明

图1为本发明天线阵列整体结构图。

图2为本发明中心天线单元与边缘天线单元辐射结构图。

图3为本发明中心天线单元与边缘天线单元辐射结构侧视图。

图4为本发明边缘天线33结构俯视图。

图5为本发明中心天线32结构俯视图。

图6为本发明中心天线单元介质透镜盖板12俯视图。

图7为本发明边缘天线单元18边缘金属腔体901的俯视图。

图8为本发明中心天线单元18中心金属腔体902的俯视图。

图9为本发明天线阵列介质透镜天线罩天线罩及介质透镜单元与金属底腔29的安装结构关系图。

图10为本发明介质透镜单元31结构图。

图11为本发明介质透镜天线罩30结构图。

图12是本发明天线阵列8个端口对应的电压驻波比曲线图。

图13是本发明天线端口1在3.35GHz的方位面方向图。

图14是本发明天线端口2在3.35GHz的方位面方向图。

图15是本发明天线端口3在3.35GHz的方位面方向图。

图16是本发明天线端口4在3.35GHz的方位面方向图。

图17是本发明天线端口5在3.35GHz的方位面方向图。

图18是本发明天线端口6在3.35GHz的方位面方向图。

图19是本发明天线端口7在3.35GHz的方位面方向图。

图20是本发明天线端口8在3.35GHz的方位面方向图。

图中：1、馈电金属覆层；2、环形辐射金属覆层；3、铜质金属短路柱；401、第一金属化通孔；402、第二金属化通孔；5、金属馈电探针；6、下层介质基板；7、圆形辐射金属覆层；8、上层介质基板；3、金属短路柱；901、边缘金属腔体；902、中心金属腔体；10、第一底部沉孔；11、中心天线单元；12、介质透镜盖板；13、介质支撑柱；14、第一短路柱安装沉孔；15、中心腔体法兰转接盘；16、第二底部沉孔；17、第二短路柱安装沉孔；18、边缘天线单元；19、边缘腔体法兰转接盘；23、介质螺钉；24、椭圆形介质覆盖层；25、椭圆形介质块；26、天线罩外层；27、天线罩内层；28、接地板；29、金属底腔；30、介质透镜天线罩；31、介质透镜单元；32、中心天线；33、边缘天线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明详细说明。

参见图1至图5，一种基于透镜机理的机载平台低剖面全向阵列天线，包括接地板28，所述接地板28上设有圆形的金属底腔29，金属底腔29中间设有中心天线32，金属底腔29圆周内且围绕中心天线32外周等距等角分布有边缘天线33，其中，中心天线32包括一个中心金属腔体902和中心金属腔体902内同轴设置的中心天线单元11，边缘天线33包括7个边缘金属腔体901，每个边缘金属腔体901内设有一个边缘天线单元18，边缘天线单元18相对于边缘金属腔体901为内接圆，且每个边缘天线单元18、边缘金属腔体901与中心金属腔体902及中心天线单元11的圆心在一条直线上。

所述中心天线单元11包括上层辐射结构和下层辐射结构，上层辐射结构包括上层介质基板8，上层介质基板8中间设置有馈电金属覆层1，馈电金属覆层1外周近上层介质基板8边缘设置有环形辐射金属覆层2；下层辐射结构包括下层介质基板6，下层介质基板6中间设置有圆形辐射金属覆层7；金属馈电探针5贯穿馈电金属覆层1、上层介质基板8、圆形辐射金属覆层7和下层介质基板6的中心，并对上层辐射结构和下层辐射结构同时进行馈电；四根金属短路柱3依次贯穿环形辐射金属覆层2、上层介质基板8和下层介质基板6对上层辐射结构和下层辐射结构形成支撑并起到短路的作用，且四根短路柱3等角等距分布。

所述馈电金属覆层1、环形辐射金属覆层2及圆形辐射金属覆层7均采用铜金属印刷。

所述下层辐射结构上贯穿设置有第一金属化通孔401和第二金属化通孔402，第一金属化通孔401和第二金属化通孔402与相对的两根金属短路柱3及金属馈电探针5位于同一条直线上，且距离下层辐射结构中心9.8mm，误差不超过正负0.2mm。

所述馈电金属覆层1的半径为3.6mm，误差不超过正负0.2mm环形辐射金属覆层2内半径10.5mm外半径12.1mm，误差不超过正负0.2mm；圆形辐射金属覆层7半径11.5mm，误差不超过正负0.2mm。

所述馈电金属覆层1呈七瓣梅花形，瓣片等角等距分布。

所述边缘天线单元18与中心天线单元11结构相同，边缘天线单元18的馈电金属覆层的半径为4.6mm，误差不超过正负0.2mm。

参见图5、图6，所述边缘天线单元18中心距金属底腔29中心105mm，误差不超过正负0.2mm，所述中心天线32正上方放置有介质透镜盖板12，介质透镜盖板12四周设置有介质支撑柱13，介质支撑柱13采用调节螺栓进行高度调节。

所述中心天线32的中心金属腔体902设置在金属底腔29中间；所述边缘天线33的边缘金属腔体901设置在接地板28圆周内。

参见图7至图11，所述金属底腔29与边缘金属腔体901之间设有介质透镜天线罩30，金属底腔29中间挖有凹槽用于减轻自重。

所述介质透镜天线罩30包括天线罩内层27和天线罩外层26，天线罩外层26采用石英氰酸酯材料，天线罩内层27采用PMI泡沫材料。

所述边缘天线33的边缘金属腔体901内设有与边缘天线单元18的金属短路柱3相适配的第一短路柱安装沉孔14，中心金属腔体902内设有与中心天线单元11的金属短路柱3相适配的第二短路柱安装沉孔17。

相邻的所述边缘天线33之间分别布置有介质透镜单元31，介质透镜单元31包括椭圆形介质块25，椭圆形介质块25上设有椭圆形金属覆层24，两根介质螺钉2301分别穿过椭圆形金属覆层24与椭圆形介质块25两侧，将介质透镜单元31固定到接地板28的圆周内；所述介质透镜单元31中心距离金属腔体中心110mm，误差不超过正负0.2mm。

本发明通过对S频段机载平台低剖面共口径全向阵列天线单元及其阵列的构建，在小尺寸下实现了其宽频阻抗特性，同时在高Q金属腔体的结构中，实现了天线的双频谐振特性。并且通过介质透镜加载调节了中心单元的辐射特性，通过异形金属腔体结构实现了均匀圆阵全向阵列多元天线解耦合问题。本发明不仅可以用于超分辨率测向，并且可以实现机载平台的通信。良好的端口特性和辐射特性也有利于提升通信与导航一体化系统的综合性能，从而实现高性能测向与通信。

1、仿真内容

利用仿真软件对上述实施例天线进行仿真实验，该天线的电压驻波比、辐射方向图如图12至图20。

2、仿真结果

图12是对实施例天线仿真得到的电压驻波比随工作频率变化的曲线。在电压驻波比小于1.5时，阵列天线的八个端口，即中心天线单元、7个边缘天线单元(边缘1号天线单元至边缘7号天线单元)。中心天线单元可工作于3.24GHz～3.46GHz，7个边缘天线单元都可工作于3.26GHz～3.43GHz的S频段，该结果表明本发明天线获得了良好的端口匹配特性。

图13是对实施例天线仿真得到的中心单元在方位面的增益方向图，在整个频段内该天线为垂直极化波束，图中给出的是俯仰角度为90°方向时的方向图，主极化最大增益为0.72dB，最小增益为0.11dB，交叉极化最大增益为-20.9dB，最小增益为-53.2dB。结果表明本发明天线具有较高的交叉极化隔离度和平稳的增益特性。

图14～图20是对实施例天线仿真得到的中心单元在方位面的增益方向图，在整个频段内该天线为垂直极化波束，图中给出的是俯仰角度为90°方向时的方向图，主极化最大增益为1.97dB，最小增益为-2.92dB，交叉极化最大增益为-20.3dB，最小增益为-50.9dB。结果表明本发明天线具有较高的交叉极化隔离度和平稳的增益特性。

以上仅为本发明的最佳实施例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，可以对本发明的结构、参数和频率进行修改，进而得到本发明天线的宽带特性、高隔离度特性(交叉极化隔离度)以及实现该天线的模块化和阵列化，但这些均在本发明的保护之列。