嵌入式端射阵元和天线制造技术

本发明专利技术公开了嵌入式端射阵元和天线，本发明专利技术在提高天线的带宽方面，使用了三种技术：(1)采用梯形波导腔，实现在极宽的频带内仅出现纯的TE10模式；(2)辐射贴片末端形成光滑加载的延伸部B，如椭圆结构，但不仅限于椭圆，降低了末端电流反射，改善了阻抗匹配；(3)采用指数弧面或线性斜面的脊形成具有脊的H面喇叭形波导结构，可控制TE10模式在极宽的频带范围内能工作。为了提高天线的增益，选用低成本、低介电常数的特氟龙材料作为楔形介质棱镜，材料的介电常数为2.2，厚度最大8毫米，底表面为从8毫米变化到0毫米的任意曲线形式，而表面与金属载体表面齐平。实现TE波向漏波辐射转换，提高天线的辐射增益。

Embedded End-fire Array Element and Antenna

The invention discloses embedded end-emitting array elements and antennas. Three techniques are used in improving the bandwidth of antennas: (1) using trapezoidal waveguide cavity to realize pure TE10 mode in extremely wide frequency band; (2) forming smooth loaded extension B at the end of radiation patch, such as ellipse structure, but not limited to ellipse, which reduces end current reflection and improves impedance matching. (3) The H-plane horn waveguide structure with ridges is formed by exponential arc or linear inclined ridges, which can control the TE10 mode to work in a wide frequency band. In order to improve the gain of antenna, Teflon material with low cost and low dielectric constant is selected as wedge dielectric prism. The dielectric constant of the material is 2.2 and the thickness is up to 8 mm. The bottom surface is an arbitrary curve from 8 mm to 0 mm, while the surface is flat with the surface of the metal carrier. The radiation conversion from TE wave to leaky wave is realized to improve the radiation gain of antenna.

【技术实现步骤摘要】
嵌入式端射阵元和天线
本专利技术涉及端射天线领域，具体涉及嵌入式端射阵元和天线。
技术介绍
端射天线是指主波束方向与天线结构排列或延伸末端方向一致的天线，由于其具有方向性强、增益高等特点，在飞机、导弹、无人机等高速移动载体平台上的应用得到了广泛地发展。然而，由于弹体空气动力学特性和隐身性能的需求，通常要求天线能低剖面与载体平台嵌入式共形。近年来，基于高速载体平台的宽带、小型的端射天线/天线阵已获得了大量的研究。结构基本有三种类型：(1)介质表面波天线。该天线通过采用高介电常数的陶瓷材料制备而成，天线特性严重依赖陶瓷材料各部分介质厚度，一旦陶瓷材料加工产生误差就会引起辐射场和匹配特性恶化。另外，其频带通常限制在3:1的带宽内，这是由于介质厚度的增加会激励起TM高阶模，恶化了天线的辐射场。(2)单极对数周期天线阵。虽已有相关资料报道了2-18GHz频率覆盖，剖面尺寸约为8毫米，但是该天线尺寸较大，结构复杂。加工和组装时，高频振子的高度难于控制，误差会恶化馈电网络的特征阻抗，难以在实际环境中广泛应用。(3)H面波导喇叭天线。该天线结构简单，易于加工，辐射场和阻抗匹配受加工误差较小，但已出版的文献只能实现小于3:1的带宽，增益也偏小。研究宽带低剖面共形端射天线阵在高速飞行器载体平台上的应用至少会获得四点优势：1、低剖面端射结构：可以降低飞行器载体的整体雷达散射特性，提高隐身效果。也会降低天线占用的容积，为其他设备的使用提供了更多空间。2、端射辐射波束，能增加天线的孔径，有效提高天线的孔径效率。3、能实现大方位的波束可控特性。4、随着飞行器系统的工作任务日益增多以及应用环境的日趋复杂，需要电子系统具有多目标分辨、目标分类/识别/属性判别、抗电磁干扰、低截获率、电子支援、电子对抗、通信等功能。设计研制一款具有超100％阻抗带宽的宽带低剖面端射天线/天线阵，将其低剖面贴合在飞行器金属载体表面，势必是一种行之有效的方法，能大量减少飞行器上的天线数量，也降低了额外的重量。另外，已有资料调研表明：所有的论文和专利都未考虑嵌入载体平台的布局，因而这些天线势必会破坏弹体表面的空气动力学特性和降低弹体的隐身性能，也会影响天线的辐射场。因此，结合以上五点要求和弹体电磁环境，研究一种高增益、超宽带、低剖面、嵌入式的端射阵列天线具有重要科学意义和工程实用价值。
技术实现思路
目前，已公开发表的端射天线，要么结构复杂，成本较高，误差影响较大，难于实现大规模应用，要么带宽和增益不足，限制了其应用范围。同时，没考虑嵌入式低剖面共形，影响弹体空气动力学特性和隐身性，缺乏实用性。本专利技术属于天线工程
，目的在于提供嵌入式端射阵元和天线，涉及的是一种高增益、超宽带、低剖面、嵌入式端射阵列天线，具体说是一种利用楔形介质棱镜、加脊波导和H面喇叭天线组合而成的天线，并经过均匀旋转组阵，实现高增益、嵌入式端射性能的阵列天线，具有超宽带、低剖面、端射波束的特点。该天线阵元可在导弹、无人机、飞机和卫星等高速移动飞行器载体平台上共形，灵活应用于测向、远距离通信、雷达探测、电子对抗等领域。本专利技术的具体技术方案为：首先，本专利技术需要在导弹、无人机、飞机和卫星等高速移动飞行器载体的表面内嵌入的方式构建一种性能良好的端射阵元，然后在端射阵元的基础上形成阵列天线。嵌入式端射阵元的构造为：嵌入式端射阵元，包括波导腔、H面喇叭天线腔、过渡腔、楔形腔，波导腔左侧封闭，波导腔的右侧开口与H面喇叭天线腔的小端口连通，H面喇叭天线腔的大端口与过渡腔连通、过渡腔远离H面喇叭天线腔的一侧与楔形腔连通；楔形腔与过渡腔连通的一面为竖直方向设置的矩形面，楔形腔的正面为水平面，楔形腔的底面为一斜面；楔形腔内嵌入有一与楔形腔形状相同成楔形结构的楔形介质棱镜；楔形腔的斜面使得所述楔形腔的厚度在过渡腔指向楔形腔的方向上逐渐减少；H面喇叭天线腔正上方覆盖有天线辐射贴片，该天线辐射贴片具有一延伸到波导腔正上方的延伸部A，该延伸部A作为波导腔的盖板贴片对波导腔全覆盖；天线辐射贴片具有一延伸到过渡腔上方的延伸部B；延伸部B为天线辐射贴片右侧末端自然连续光滑突出延伸而成；延伸部B与过渡腔的腔内底面之间设置有短路探针；天线辐射贴片的底面设置有天线脊；天线脊面向H面喇叭天线腔内底面的一面为一斜面；该斜面使得所述天线脊的厚度在波导腔指向过渡腔的方向上逐渐减少；所述波导腔、H面喇叭天线腔、过渡腔、楔形腔嵌入到一金属载体上，使得延伸部A、天线辐射贴片、延伸部B、过渡腔、楔形介质棱镜的正面与金属载体正面齐平；还包括SMA连接头，SMA连接头从金属载体底部向上同时插入到波导腔和H面喇叭天线腔内，且在SMA连接头插入到腔内的部分套设有金属探针。本专利技术的嵌入式端射阵元，是利用波导腔、H面喇叭天线、介质棱镜组合而成，其要求嵌入到金属载体内，同时将介质棱镜构造成楔形，H面喇叭天线加入具有斜面的脊结构，这样就可以实现超宽带、低剖面、端射特性，可以使得主波束指向偏离端射方向30度左右。同时本专利技术能够在工作在2.5-20GHz，实现8:1的带宽范围内满足驻波比VSWR<2.5，剖面高度低于0.066λL，其中λL是最低频点所对应的真空中波长。该专利技术优点是能够在极宽的频带内实现低剖面端射垂直极化方向图，所有介质材料为同一介质材料，并能一体化成型，具有成本低、结构简单、易于生成和安装、仿真设计简单等特点。其设计方法和结果能为高速载体平台上共形要求的天线及阵列设计提供理论基础和设计方法，解决通常抗金属性困难的问题。其工作时，SMA接头的内心先连接到金属探针，顺次连接天线脊所在的H面喇叭天线，产生TE波。最后，TE波经过楔形介质棱镜提高辐射的增益。天线辐射贴片的底面设置有具有斜面的天线脊，可以改善天线的阻抗匹配，能够在极宽的频率范围内实现纯TE10模；天线辐射贴片具有一延伸到过渡腔上方的延伸部B；延伸部B为天线辐射贴片右侧末端自然连续光滑突出延伸而成，延伸部B的设置，使得辐射口径面从喇叭口径(末端)就转换为沿着延伸部B边缘线的口径面，口径面增加，实现口径面场重新分布，进而改善阻抗匹配和辐射场的前后比值，实现更佳的带宽和端射辐射方向图；延伸部B的设置，使得光滑了天线辐射贴片末端电流，减小边缘电流的反射，从而达到改善天线的阻抗匹配。延伸部B的形成可以理解为将天线辐射贴片右侧原本平整的端面向右侧拉伸，在拉伸过程中，延伸部的边缘连续、不能形成突变，一般优选成弧线变化，例如圆形或椭圆形等类似构造都可以满足对减小边缘电流的反射。同时在增益方面，采用楔形介质棱镜让TE波转换成漏波模式，提高天线的辐射增益。更进一步，整个天线嵌入到金属载体内，能有效解决载体机械与电气参数间的矛盾；能有效解决载体气动性与空间探测范围间的矛盾；能显著促进共形天线的概念；能在多个平台上进行推广应用。整个天线被嵌入到载体平台金属体内，而天线辐射贴片、延伸部A、延伸部B可与载体平台整体加工，提高了天线在整个系统内的结构稳定性。更进一步的，波导腔具有梯形正面的空腔结构，其右侧开口为梯形正面下底边所在的开口，梯形正面下底边所在的开口与H面喇叭天线腔的小端口连通。梯形波导腔的设计相当于波导腔被削成梯形结构，抑制了TE11、TE30和TE50高阶模式，提高了天线工作带宽。同时，避本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.嵌入式端射阵元，其特征在于，包括波导腔(5)、H面喇叭天线腔(4)、过渡腔(3)、楔形腔(2)，波导腔左侧封闭，右侧开口与H面喇叭天线腔(4)的小端口连通，H面喇叭天线腔(4)的大端口与过渡腔连通、过渡腔远离H面喇叭天线腔(4)的一侧与楔形腔(2)连通；楔形腔(2)与过渡腔(3)连通的一面为竖直方向设置的矩形面，楔形腔的正面为水平面，楔形腔的底面为一斜面；楔形腔内嵌入有一与楔形腔形状相同成楔形结构的楔形介质棱镜(21)；楔形腔(2)的斜面使得所述楔形腔(2)的厚度在过渡腔指向楔形腔(2)的方向上逐渐减少；H面喇叭天线腔(4)正上方覆盖有天线辐射贴片(44)，该天线辐射贴片(44)具有一延伸到波导腔正上方的延伸部A，该延伸部A作为波导腔的盖板贴片对波导腔全覆盖；天线辐射贴片(44)具有一延伸到过渡腔(3)上方的延伸部B；延伸部B为天线辐射贴片(44)右侧末端自然连续光滑突出延伸而成，延伸部B与过渡腔的腔内底面之间设置有短路探针(32)；天线辐射贴片(44)的底面设置有天线脊(41)；天线脊(41)面向H面喇叭天线腔(4)内底面的一面为一斜面；该斜面使得所述天线脊(41)的厚度在波导腔指向过渡腔的方向上逐渐减少；所述波导腔、H面喇叭天线腔(4)、过渡腔(3)、楔形腔(2)嵌入到一金属载体内(1)，使得延伸部A、天线辐射贴片(44)、延伸部B、过渡腔、楔形介质棱镜(21)的正面与金属载体正面齐平；还包括SMA连接头(7)，SMA连接头从金属载体底部向上同时插入到波导腔和H面喇叭天线腔(4)内，且在SMA连接头插入到腔内的部分套设有金属探针(6)。...

【技术特征摘要】
1.嵌入式端射阵元，其特征在于，包括波导腔(5)、H面喇叭天线腔(4)、过渡腔(3)、楔形腔(2)，波导腔左侧封闭，右侧开口与H面喇叭天线腔(4)的小端口连通，H面喇叭天线腔(4)的大端口与过渡腔连通、过渡腔远离H面喇叭天线腔(4)的一侧与楔形腔(2)连通；楔形腔(2)与过渡腔(3)连通的一面为竖直方向设置的矩形面，楔形腔的正面为水平面，楔形腔的底面为一斜面；楔形腔内嵌入有一与楔形腔形状相同成楔形结构的楔形介质棱镜(21)；楔形腔(2)的斜面使得所述楔形腔(2)的厚度在过渡腔指向楔形腔(2)的方向上逐渐减少；H面喇叭天线腔(4)正上方覆盖有天线辐射贴片(44)，该天线辐射贴片(44)具有一延伸到波导腔正上方的延伸部A，该延伸部A作为波导腔的盖板贴片对波导腔全覆盖；天线辐射贴片(44)具有一延伸到过渡腔(3)上方的延伸部B；延伸部B为天线辐射贴片(44)右侧末端自然连续光滑突出延伸而成，延伸部B与过渡腔的腔内底面之间设置有短路探针(32)；天线辐射贴片(44)的底面设置有天线脊(41)；天线脊(41)面向H面喇叭天线腔(4)内底面的一面为一斜面；该斜面使得所述天线脊(41)的厚度在波导腔指向过渡腔的方向上逐渐减少；所述波导腔、H面喇叭天线腔(4)、过渡腔(3)、楔形腔(2)嵌入到一金属载体内(1)，使得延伸部A、天线辐射贴片(44)、延伸部B、过渡腔、楔形介质棱镜(21)的正面与金属载体正面齐平；还包括SMA连接头(7)，SMA连接头从金属载体底部向上同时插入到波导腔和H面喇叭天线腔(4)内，且在SMA连接头插入到腔内的部分套设有金属探针(6)。2.根据权利要求1所述的嵌入式端射阵元，其特征在于，波导腔为梯形波导腔(5)，梯形波导腔(5)为具有梯形正面的空腔结构，其右侧开口为梯形正面下底边所在的开口，梯形正面下底边所在的开口与H面喇叭天线腔(4)的小端口连通。3.根据权利要求1所述的嵌入式端射阵元，其特征在于，延伸部B为天线辐射贴片(44)右侧末端自然连续光滑突出延伸成具有部分椭圆形边界的椭圆形贴片(42)，该椭圆形贴片(42)包括右半长轴所在部和过渡部，过渡部位于天线辐射贴片(44)右侧与右半长轴所在部之间。4.根据权利要求1所述的嵌入式端射阵元，其特征在于，所述天线脊(41)的斜面为...

【专利技术属性】
技术研发人员：王平，陈秋作，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50