低剖面宽带共形天线单元及阵列

技术领域

本发明属于雷达与宽带无线通信技术领域，涉及一种低剖面宽带共形天线单元及阵列，可应用于宽带射频信号的收发。

背景技术

L型馈电天线具有小型化、剖面低、成本低、重量轻等微带天线的常见优点，同时还克服了常见微带天线带宽较窄的问题。目前L型馈电天线通常由水平探针和垂直探针以及一个位于探针上方的辐射贴片组成。L型探针垂直部分及水平部分可以和辐射贴片之间耦合馈电，且它们之间产生的感抗和容抗两者相互作用产生谐振，这可以使天线频带得到拓宽。因为以上的优点L型探针馈电天线在通信系统中得到了广泛的应用。然而，传统的L型馈电天线为平面结构且工作带宽受限，难以满足飞行器平台异形面安装约束下的宽角域波束覆盖要求。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明提供了一种低剖面宽带共形天线单元及阵列。

本发明的技术解决方案如下：

根据一方面，提供一种低剖面宽带共形天线单元，该低剖面宽带共形天线单元包括：

载体，所述载体上具有开口的腔体；

单元结构，所述单元结构包括：

矩形地，所述矩形地设置在所述腔体的内侧表面上；

L型馈电单元，所述馈电单元设置在所述腔体内，包括互相垂直设置的渐变型馈电贴片和渐变型馈电探针，其中，所述渐变型馈电探针垂直于所述腔体的底面；

馈电结构，所述馈电结构设置在所述腔体内，所述馈电结构分别与所述矩形地和渐变型馈电探针相连接；

天线罩，所述天线罩设置在所述腔体的开口处以覆盖所述开口，所述天线罩与所述载体共形；

共形辐射单元和寄生辐射单元，所述共形辐射单元和寄生辐射单元间隔设置且均贴合设置在所述天线罩的朝向腔体的一面，所述共形辐射单元和寄生辐射单元均与所述天线罩共形，共同用于高频电磁信号的辐射。

进一步地，所述渐变型馈电探针为圆台结构，圆台结构的轴线垂直于所述腔体的底面，所述圆台结构的顶面与馈电结构连接，所述圆台结构的底面与渐变型馈电贴片连接，其中，顶面靠近腔体的底面设置，顶面面积小于底面面积。

进一步地，所述渐变型馈电贴片为等腰梯形结构，等腰梯形结构的下底所在的一侧与所述圆台结构的底面相连接，所述下底在底面的投影与底面的直径完全重合。

进一步地，所述变型馈电贴片和渐变型馈电探针为一体化成型。

进一步地，所述天线罩采用透波材料制成。

进一步地，所述馈电结构为同轴线馈电结构，包括同轴设置的内导体和外导体，其中，所述内导体与渐变型馈电探针连接，外导体与矩形地连接。

进一步地，所述腔体为矩形金属腔体，和/或，所述共形辐射单元和寄生辐射单元在腔体底面的投影均为矩形。

根据另一方面，提供一种低剖面宽带共形天线阵列，该低剖面宽带共形天线阵列包括多个上述的低剖面宽带共形天线单元。

进一步地，所述天线阵列中，多个低剖面宽带共形天线单元的载体构成一体结构。

进一步地，所述天线阵列包括的多个单元结构划分为第一组和第二组，其中，第一组包括多个单元结构，第二组也包括多个单元结构，第一组的多个单元结构和第二组的多个单元结构均沿一体结构的第一方向间隔设置，第一组的多个单元结构和第二组的多个单元结构还相对设置在一体结构的两侧并一一对应设置。

上述技术方案通过设计L型馈电单元包括渐变结构的馈电探针和馈电贴片，由此能够改善阻抗匹配从而拓展带宽。同时，由于天线单元放置于金属腔体内部，使得增益增加但是驻波情况恶化，通过设计单元包括共形辐射单元和寄生辐射单元，且在两辐射贴片上设计天线罩也即介质匹配层，并令介质匹配层与载体表面共形，由此可以改善天线的驻波情况，同时提升天线在要求角度范围的增益，也即使天线的辐射方向图整体朝方位角向下的方向偏移，拓宽了天线的增益带宽。

本发明提供的天线单元为宽角域、高增益、小型化，且与载体表面共形的天线单元，其在所要求的频段内在特定侧向角度范围内满足低驻波和高增益、宽带宽的需求，本发明还进一步基于该天线单元构造了天线阵列，为高精度的测向奠定基础。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明低剖面宽带共形天线阵列的俯视图；

图2为图1的正视图；

图3为本发明低剖面宽带共形天线单元的分解图。

图4为本发明L型渐变探针馈电共形天线驻波图；

图5为本发明天线单元在低频f1时当方位角在45°-135°范围内，俯仰角选择75°、95°、105°三个角度时增益曲线。

图6为本发明天线单元在中频f2时当方位角在45°-135°范围内，俯仰角选择75°、95°、105°三个角度时增益曲线。

图7为本发明天线单元在高频f3时当方位角在45°-135°范围内，俯仰角选择75°、95°、105°三个角度时增益曲线。

附图标记：

1-天线罩；2-寄生辐射单元；3-共形辐射单元；4-渐变型馈电贴片；5-一体结构；5a-载体；6-渐变型馈电探针；7-矩形地；8-外导体；9-内导体；10-腔体；11-单元结构。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1-7所示，在本发明的一个实施例中，提供一种低剖面宽带共形天线单元，该低剖面宽带共形天线单元包括载体5a和单元结构11，所述载体5a上具有开口的腔体10；所述单元结构11包括矩形地7、L型馈电单元、馈电结构、天线罩1、共形辐射单元3和寄生辐射单元2，所述矩形地7设置在所述腔体10的内侧表面上；所述馈电单元设置在所述腔体10内，包括互相垂直设置的渐变型馈电贴片4和渐变型馈电探针6，其中，所述渐变型馈电探针6垂直于所述腔体10的底面；所述馈电结构设置在所述腔体10内，分别与所述矩形地7和渐变型馈电探针6相连接；所述天线罩1设置在所述腔体10的开口处以覆盖所述开口，所述天线罩1与所述载体5a共形；所述共形辐射单元3和寄生辐射单元2间隔设置且均贴合设置在所述天线罩1的朝向腔体10的一面，所述共形辐射单元3和寄生辐射单元2均与所述天线罩1共形，共同用于高频电磁信号的辐射。

举例来说，所述腔体10可以为矩形金属腔体10，腔体10深度可以为67.03mm，平面尺寸可以为150mm*150mm，作为单元结构11的安装环境。

举例来说，所述渐变型馈电贴片4和渐变型馈电探针6、所述共形辐射单元3和寄生辐射单元2均为贴片，也均为理想导体。其中，渐变型馈电探针6由馈电结构进行馈电激励，馈电贴片对上方的共形辐射单元3进行耦合馈电。

可见，上述技术方案通过设计L型馈电单元包括渐变结构的馈电探针和馈电贴片，由此能够改善阻抗匹配从而拓展带宽。同时，由于天线单元放置于金属腔体内部，使得增益增加但是驻波情况恶化，通过设计单元包括共形辐射单元和寄生辐射单元，且在两辐射贴片上设计天线罩也即介质匹配层，并令介质匹配层与载体表面共形，由此可以改善天线的驻波情况，同时提升天线在要求角度范围的增益，也即使天线的辐射方向图整体朝方位角向下的方向偏移，拓宽了天线的增益带宽。

也即，本发明实施例通过应用金属腔体、渐变形状的馈电单元以及天线罩和辐射单元的设计，使得天线单元在辐射单元共形的情况下保持小尺寸、宽频段、宽角域高增益波束覆盖的特点。

根据本发明一种实施例，为了实现侧向辐射的L频段天线方案，设计所述腔体10位于载体5a的侧面，也即，在载体5a的侧面上开设一个金属腔体10，并将馈电单元和辐射单元设置于腔体10内部形成L型探针馈电天线，满足在载体5a侧面的金属腔体10内实现侧向辐射的L频段天线方案。

在上述实施例中，为了更好改善阻抗匹配从而更好地拓展带宽：

所述渐变型馈电探针6为圆台结构，圆台结构的轴线垂直于所述腔体10的底面，所述圆台结构的顶面与馈电结构连接，所述圆台结构的底面与渐变型馈电贴片4连接，其中，顶面靠近腔体10的底面设置，顶面面积小于底面面积。

所述渐变型馈电贴片4为等腰梯形结构，等腰梯形结构的下底所在的一侧与所述圆台结构的底面相连接，所述下底在底面的投影与底面的直径完全重合。

也即，沿远离所述腔体10底面的方向，渐变型馈电探针6半径随高度增加而递增，呈现倒圆台形结构。渐变型馈电探针6上端部接有一渐变型馈电贴片4，宽度随着长度增加而减小，呈现等腰梯形形状。也即，本发明实施例基于L型探针馈电天线基本宽带原理，通过设计渐变型馈电探针6和渐变型馈电贴片4的具体渐变形状为位置关系，从而能够更好改善阻抗匹配从而更好地拓展带宽。

较佳地，所述变型馈电贴片和渐变型馈电探针6为一体化成型。

在上述实施例中，为了更好地改善金属腔体反射对驻波造成的影响，所述天线罩1采用透波材料制成。

也即，当L型探针馈电天线周围为理想电边界时，由于导体边界带来的强反射效应，其在中低频的性能将大幅恶化，针对这一问题，本发明实施例通过在两辐射贴片上方添加一层透波材料，令其与载体5a表面共形，从而改善金属腔体10反射对驻波造成的影响，最终实现了天线在中低频段驻波性能的改善，同时在不改变辐射单元形状的前提下改善天线的性能，实现共形效果。

根据本发明一种实施例，所述馈电结构为同轴线馈电结构，包括同轴设置的内导体9和外导体8，其中，所述内导体9与渐变型馈电探针6连接，外导体8与矩形地7连接。

也即，渐变型馈电探针6下端连接内导体9进行馈电激励，渐变型馈电贴片4对上方的共形辐射单元3进行耦合馈电。同轴线馈电结构的外导体8连接矩形地7。

本发明实施例中，同轴线馈电结构包括内导体9、外导体8和激励端口，外导体8依托于矩形地7部分，在矩形地7特定位置开孔，孔直径为9.2mm，同轴线外导体8与矩形地7相连接。内导体9上端与渐变型馈电探针6下端相连接，内导体9直径为4mm，长度为6mm，为预留给激励端口的长度，该长度不影响天线性能。同轴线馈电结构特性阻抗为50Ω。

较佳地，渐变型馈电探针6下端直径与内导体9直径同为4mm，渐变型馈电探针6的上端直径为12mm，高度为27.105mm。渐变型馈电贴片4连接渐变型馈电探针6端的宽度为12mm，远端宽度为3mm，长度为19mm。

较佳地，所述共形辐射单元3和寄生辐射单元2在腔体10底面的投影均为矩形。

在本实施例中，共形辐射单元3为理想导体，下方由渐变型馈电贴片4进行耦合馈电激励。共形辐射单元3与天线罩1共形，即共形辐射单元3的形状为矩形弧面，在沿金属腔体10方向上的投影面为矩形，其伸展后尺寸为55mm*35mm。

在本实施例中，寄生辐射单元2为理想导体，其水平高度与共形辐射贴片相同，二者中心距离为89.5mm。寄生辐射单元2与天线罩1共形，为矩形弧面，其伸展后尺寸为60mm*39mm。

此外，上述实施例中的矩形地7尺寸可以为150mm*150mm，可作为天线的参考地。

如图1-2所示，根据本发明另一实施例，提供一种低剖面宽带共形天线阵列，该低剖面宽带共形天线阵列包括多个上述的低剖面宽带共形天线单元。

也即，本发明实施例还进一步基于该天线单元构造了天线阵列，为高精度的测向奠定基础。

较佳地，所述天线阵列中，多个低剖面宽带共形天线单元的载体5a为一体结构5。

也即，多个低剖面宽带共形天线单元的多个载体5a均属于所述一体结构5的一部分，多个载体5a共同构成一体结构5，该一体结构5作为整个阵列的载体，如图1-2所示的，类圆柱的一体结构5，类圆柱的半径大致为300mm。

在上述实施例中，为了实现侧向天线阵，所述天线阵列包括的多个单元结构11划分为第一组和第二组，其中，第一组包括多个单元结构11，第二组也包括多个单元结构11，第一组的多个单元结构11和第二组的多个单元结构11均沿一体结构5的第一方向间隔设置，第一组的多个单元结构11和第二组的多个单元结构11还相对设置在一体结构5的两侧并一一对应设置。

也即，该天线阵列包括了一体结构5，该一体结构5上具有两组腔体10，每一组腔体10均包括多个沿一体结构5的第一方向间隔设置的多个腔体10，两组腔体10对称设置在一体结构5的两侧，其中一组腔体10的多个腔体10作为第一组的多个单元结构11的安装环境，另一组腔体10的多个腔体10作为第二组的多个单元结构11的安装环境，连接关系与上述天线单元保持一致。

举例来说，所述第一方向可以为一体结构5的轴线方向。

如图4所示，本发明L型渐变探针馈电共形天线单元在大于25％的相对带宽内驻波均小于3.0。

如图5所示，本发明L型渐变探针馈电共形天线单元在低频f1处俯仰角范围-15°-15°范围，方位角45-135°范围内，最小增益为0.78dBi。(三条曲线自上而下分别为俯15度、仰5度、仰15度)

如图6所示，本发明L型渐变探针馈电共形天线单元在中频f2处俯仰角范围-15°-15°范围，方位角45-135°范围内，最小增益为1.82dBi。(三条曲线自上而下分别为俯15度、仰5度、仰15度)

如图7所示，本发明L型渐变探针馈电共形天线单元在高频f3处俯仰角范围-15°-15°范围，方位角45-135°范围内，最小增益为0.76dBi。(三条曲线自上而下分别为俯15度、仰5度、仰15度)

综上，本发明的目的是提供了一种侧向单元宽角域、高增益、小型化，且与载体表面共形的侧向天线，在所要求的频段内在特定侧向角度范围内满足低驻波和高增益、宽带宽的需求，进一步基于该天线构造了天线阵，为高精度的测向奠定基础。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，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之内。