大型K波段共形天线阵面及其制备方法技术

本发明专利技术公开的一种大型K波段共形天线阵面，旨在提供一种不会产生频偏和较大反旋分量，具有良好宽带宽角扫描增益特性和宽带宽角扫描圆极化特性的共形相控阵天线阵面。本发明专利技术通过下述技术方案予以实现：导体贴片以象限顺序旋转阵的形式，分成四组排布在下介质基板的上表面上，且微带贴片天线的馈电点在平面板上的投影呈三角形排布；上介质基板与下介质基板将导体贴片夹于其间，射频同轴连接器顺次穿越平面板、金属锥体和下介质基板，共同构成了微带贴片天线，射频同轴连接器对微带贴片天线进行同轴探针馈电，在导体贴片上激励起一对幅度相等，相位相差90度的正交极化简并模，形成辐射右旋圆极化电磁波的共形相控阵天线阵面。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种口径大于或等于16个工作波长的大型K波段共形天线阵面及其制备方法。
技术介绍
大型面天线具有高增益、低噪声辐射、高可靠性及较强的数据传输能力,因此在现代卫星通讯系统、空间科学等领域中有着广泛应用。随着现代无线通信的飞速发展，对于天线性能的要求也越来越高。无论是在军事国防还是民用通信领域，对于天线的阻抗带宽、方向图、极化、增益特性及天线系统的可靠性都提出了更加严格的要求。采用不同形式的阵列天线则较容易获得这些特性。由于传统的固定波束机械扫描阵列天线，在天线波束指向转换时具有惯性，由此对天线系统的能力造成了限制。因此机扫天线已经不大符合当今一些先进平台无线系统的设计思路。相控阵天线的技术特点能解决这些问题。在天线的设计中，相控阵天线由多个辐射单元共同组阵构成。每个天线单元的馈电电流幅度和相位由T/R组件控制。共形阵因其可以在不破坏载体的外形结构及空气动力学特性的同时，仍能满足天线的工作性能，成为天线领域的一个研究热点。共形阵列的主要优点表现在，扩大波束扫描范围，具有低剖面特性，不影响载体的空气动力学性能。共形天线优于普通平面天线的另一个优势在于，它不会增加飞机的雷达反射截面积。鉴于这些优势，相控阵天线已经由最早的平面相控阵天线逐渐向共形相控阵天线过渡，而共形相控阵天线又向着轻、薄、低可探测性的方向发展。一个先进的载体平台对天线的要求主要有：尽可能与载体外形一致，尽可能实现低轮廓，不破坏载体平台原有的气动特性并获得较好的电气性能指标；尽最大可能减轻重量，以降低载体平台的重量。从严格意义上来讲，现在广泛使用的平面阵列天线也是一种特殊的共形阵列，我们通常所指的共形阵列大都是一些简单的形状，如圆柱形，圆锥形等，随着共形阵列天线以及搭载平台的发展和不断变化，共形阵列已经不仅仅局限于简单的形状，而是向着更复杂的弯曲表面拓展，其辐射单元安装在复杂的物体表面或集成物体之中，由成千上万个分布在弯曲表面的单独的天线单元组成。锥面圆环微带天线阵、锥面圆形微带天线阵和锥面矩形微带天线阵是常见的锥面共形微带阵列。飞行器的工作环境要求圆锥共形阵既能提供优良的天线电气性能，又不影响飞行器的气动性能，并且能在恶劣的环境下可靠的工作。所谓共形天线，是指附着于载体，完全与载体贴合的天线，这里的载体可以是飞机、轮船、以及其它一些高速运动的物体。即需要将阵列天线共形安装在一个固定形状的表面上，从而形成非平面的共形天线。适用于共形相控阵天线的单元形式一般有微带天线和缝隙天线。比较两种天线的特性不难发现，缝隙天线在用同轴馈电时存在困难，必须采用相应的匹配措施。微带天线近年来愈来愈受到人们的重视，因为它具有很多天线所没有的特点：便于获得圆极化，容易实现双频段和双极化，尺寸小、重量轻、价格低，尤其是它有很小的剖面高度，易附着于任何金属物体表面，最适于某些高速运转的物体，如飞机、火箭、导弹等。微带天线的缺点是工作频带很窄，具有明显的谐振特性，当工作频率偏离谐振点后，其输入阻抗急剧减小，在馈电点产生强烈的反射，使天线不能正常工作。一直以来，微带天线的理论虽已日渐成熟，也有一些简单的设计公式可以参考，但始终都没有一套准确有效的设计方法，只能依靠全波仿真软件，如HFSS，来达到最佳设计效果。尽管微带共形天线有如此多的优良特性，但由于其形状的复杂，人们对微带共形天线的研究还是集中在微带天线阵上面。共形阵列的综合问题是一个复杂的系统问题，考虑到阵列综合中众多因素的影响，对该问题很难有一个严格而精确的解决方法。传统的共形天线大都是圆柱型的共形天线，这方面的技术已经基本成熟。对于其它形状的载体，天线单元位于曲面上的位置不同，其辐射方向图不同，并且位置不同，单元之间的耦合也造成单元的方向图不同。即使各个单元的方向图完全一致，但是由于天线阵中各单元的轴向不一致，破坏了方向图乘积定理的条件。共形阵中的各个单元的方向图的不一致性造成了较大的交叉极化分量。同时，在某些天线的应用场合，需要相控阵天线进行宽带宽角圆极化扫描，即当天线扫描到大角度时需能获得较高的增益特性和极化特性。现有技术通常采用圆极化天线单元作为相控阵天线阵列单元，阵列排布往往采用一些规则的形式，例如矩形排布，然后通过子阵顺序旋转的方式来达到宽带宽角扫描，这样的设计使得相控阵天线在阵面的对角线剖面上，当扫描角度较大时，相控阵天线会出现较为严重的反旋分量。中国专利申请号为200710144432.X，名称为“一种毫米波段圆锥共形4x4微带天线及其设计方法”的专利技术专利涉及了一种天线及设计方法。该天线波束不能进行扫描且为线极化，其设计方法是将平面阵列拉伸到锥面层上，利用相交功能取出两者的交集将平面阵共形到锥面上，其方法适用于较小规模的阵列。若将其应用于大型相控阵天线，随着天线规模的增大，此方法得到的贴片单元大小存在一定差异，部分贴片可能产生频偏。对天线阵面的整体性能产生一定的影响。中国专利申请号为200710144626.X，名称为“一种毫米波段4x4圆锥共形双频微带天线及其设计方法”的专利技术专利申请涉及了一种天线及设计方法。其设计方法与上面专利的设计方法存在同样的缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述技术的不足之处，提供一种不会产生频偏和较大反旋分量，具有良好宽带宽角扫描增益特性和宽带宽角扫描圆极化特性，易于飞行器气动电性能一体化设计和工程化实现的一种大型K波段共形相控阵天线阵面及其制备方法。本专利技术解决技术问题所采用的技术方案是：本专利技术提供的一种大型K波段共形天线阵面，包括：作为金属地板的金属锥体4，与锥体母线2平行的平面板3、设置在导体贴片6天线下介质基板1上的上介质基板7、对导体贴片6进行同轴探针馈电的射频同轴连接器5，其特征在于，导体贴片6以象限顺序旋转阵的形式，分成四组排布在下介质基板1的上表面上，且导体贴片6的馈电点在平面板3上的投影呈三角形排布；射频同轴连接器5外导体连接金属锥体4，射频同轴连接器5内导体以焊接的方式连接导体贴片6，上介质基板7层叠于下介质基板1之上，上介质基板7与下介质基板1将导体贴片6夹于其间，下介质基板1的背面粘接于金属锥体4的锥面上，其中，射频同轴连接器5顺次穿越平面板3、金属锥体4和下介质基板1，通过下介质基板1上用光刻腐蚀方法制成的多边形形状的导体贴片6的层叠结构，共同构成了微带贴片天线，射频同轴连接器5对微带贴片天线进行探针馈电，在导体贴片6上激励起一对幅度相等，相位相差90度的正交极化简并模，形成辐射右旋圆极化电磁波的共形相控阵天线阵面。一种制备所述大型K波段共形天线阵面的方法，其特征在于包括如下步骤：首先建立载体平台锥面的方程，通过编写Matlab程序，将平面板3上三角形排布的馈电点投影到载体平台的锥面上，得到锥面上馈电点的坐标位置；再将锥面展开成平面，利用锥面与展开平面的映射关系，得到展开平面上的馈电点位置；再将四组导体贴片6，分别按0°、90°、180°、270°四种角度绕各自馈电点进行旋转，然后按每个象限一种旋向，以导体贴片6上的馈电点为基准，将旋转后的导体贴片6平移到展开平面上的馈电点位置上，采用象限顺序旋转阵的形式来构建圆极化天线阵面。若以第一象限导体贴片为基准，第二象限导体贴片、第三象限导体贴片及第四象限导体贴片分别绕着各自的馈电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大型K波段共形天线阵面，包括：作为金属地板的金属锥体(4)，与锥体母线(2)平行的平面板(3)、设置在微带贴片天线下介质基板(1)上的上介质基板(7)、对导体贴片(6)进行同轴探针馈电的射频同轴连接器(5)，其特征在于，导体贴片(6)以象限顺序旋转阵的形式，分成四组排布在下介质基板(1)的上表面上，且导体贴片(6)的馈电点在平面板(3)上的投影呈三角形排布；射频同轴连接器(5)外导体连接金属锥体(4)，射频同轴连接器(5)内导体以焊接的方式连接导体贴片(6)，上介质基板(7)层叠于下介质基板(1)之上，上介质基板(7)与下介质基板(1)将导体贴片夹于其间，下介质基板(1)的背面粘接于金属锥体(4)的锥面上，其中，射频同轴连接器(5)顺次穿越平面板(3)、金属锥体(4)和下介质基板(1)，通过下介质基板(1)上用光刻腐蚀方法制成的多边形形状的导体贴片(6)的层叠结构，共同构成了微带贴片天线，射频同轴连接器(5)对微带贴片天线进行探针馈电，在导体贴片(6)上激励起一对幅度相等，相位相差90度的正交极化简并模，形成辐射右旋圆极化电磁波的共形相控阵天线阵面。

【技术特征摘要】
1.一种大型K波段共形天线阵面，包括：作为金属地板的金属锥体(4)，与锥体母线(2)平行的平面板(3)、设置在微带贴片天线下介质基板(1)上的上介质基板(7)、对导体贴片(6)进行同轴探针馈电的射频同轴连接器(5)，其特征在于，导体贴片(6)以象限顺序旋转阵的形式，分成四组排布在下介质基板(1)的上表面上，且导体贴片(6)的馈电点在平面板(3)上的投影呈三角形排布；射频同轴连接器(5)外导体连接金属锥体(4)，射频同轴连接器(5)内导体以焊接的方式连接导体贴片(6)，上介质基板(7)层叠于下介质基板(1)之上，上介质基板(7)与下介质基板(1)将导体贴片夹于其间，下介质基板(1)的背面粘接于金属锥体(4)的锥面上，其中，射频同轴连接器(5)顺次穿越平面板(3)、金属锥体(4)和下介质基板(1)，通过下介质基板(1)上用光刻腐蚀方法制成的多边形形状的导体贴片(6)的层叠结构，共同构成了微带贴片天线，射频同轴连接器(5)对微带贴片天线进行探针馈电，在导体贴片(6)上激励起一对幅度相等，相位相差90度的正交极化简并模，形成辐射右旋圆极化电磁波的共形相控阵天线阵面。2.如权利要求1所述的大型K波段共形天线阵面，其特征在于：上介质基板(7)与下介质基板(1)大小相同，覆盖于导体贴片(6)上。3.如权利要求1所述的大型K波段共形天线阵面，其特征在于：射频同轴转接器(5)是1024个推入式射频同轴转接器。4.如权利要求1所述的大型K波段共形天线阵面，其特征在于：射频同轴连接器(5)对微带贴片天线进行探针馈电并根据导体贴片(6)旋转一定角度后所产生的相位滞后方向进行相位补偿。5.如权利要求1所述的大型K波段共形天线阵面，其特征在于：导体贴片(6)是...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹继亮，任思，王彪，蓝海，张云，何海丹，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51