【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及天线，具体涉及一种双工宽波束热天馈系统。
技术介绍
1、作为飞行器电子通信设备前端的关键部件，天线的性能直接影响飞行器电子系统的整体性能。文献《运载火箭新一代测量系统发展设想与关键技术分析》提出，随着飞行器测控需求的不断增加，需要具备多功能和多频段的飞行器天线以支撑相应的测控数据获取与收发。若采用以往的单天线分布则要求多副弹载天线，并且在飞行器结构舱体上需要对应设计多个天线窗口，这对飞行器整体结构强度设计带来了较大的挑战与风险。并且，新型航天飞行器的舱体结构尺寸不断缩小，留给飞行器天线开窗的空间也非常有限。因此，将遥外安系统工作在不同频段且具备不同功能的多副天线集中安置在一个较小的天线窗口内成为了现实的需求。然而，在狭小的窗口内安置多个天线又面临着多天线之间隔离度、方向图赋形等电性能方面的挑战。
2、与工作在常规环境中的普通天线不同，耐高温天线本体安装于有限电磁透波窗口中，被隔热材料包裹，并被较厚的透波防热盖板覆盖来实现较好的防热性能。同时，将天线置于隔热层底部，又受到大面积的防/隔热层和电磁窗口等边界结构的影响，“波导效应”显著增强，复杂的辐射环境使得这些天线的电性能严重恶化，难以满足天线的宽波束辐射的性能要求。同样地，受安装空间和工作环境等因素所限，传统的金属天线如八木天线、对数周期天线以及其它各种端射天线阵、喇叭天线等均无法满足飞行器系统设计要求，其主要原因：1、这些天线的尺寸很难容纳在狭小的空间内，四周防热、隔热两层介质的覆盖也使得这些天线的电性能严重恶化；2、常规金属导体材料构成的天线难以承受
3、由于微波陶瓷介质材料具备介电常数高、损耗低、导热系数低、熔点高及温度稳定性好等优越性能，将微波陶瓷介质天线辐射本体直接嵌入到飞行器的隔热层内，并将防隔热层材料作为天线辐射体的一部分进行一体化设计，可提高整个天线的相位中心，提升辐射口面效率，从而破解了高温环境下方向图赋形等难题。
4、因此，本专利技术基于介质棒行波端射天线设计理论，综合考量安装环境所形成的“波导效应”，基于介质行波端射天线辐射理论及其馈电技术，设计了一款双工耐高温陶瓷介质天线，可以实现较宽的波瓣宽度。同时利用馈电结构上不同的极化方向以提高天线两个端口之间的隔离度，并尽量缩减天线窗口尺寸，同时提高端射天线本体的耐高温性能，能够阻断高温传导至馈电端和收发装置的天线系统。
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种飞行器狭小空间内单介质棒的双工宽波束热天馈系统。
2、技术方案：本专利技术的双工宽波束热天馈系统，包括金属波导和介质棒，介质棒下部连接该金属波导，介质棒为一个，该金属波导下端连接有微带转换结构，其中，所述微带转换结构包括：自下而上依次贴合的双微带金属馈线、下基板、金属地板、中间层介质基板、上基板和金属耦合贴片，该金属地板上蚀刻有两个垂直的“h”型耦合缝隙，金属耦合贴片上端贴合金属波导底部，该金属耦合贴片包括内部的矩形贴片和外围的矩形环状贴片。
3、上述的微带转换结构包括三层金属板和三层介质基板，整体结构贴合在一起，三层基板打孔，顶部和底部通过金属通孔连接，便于和金属波导连接时进行定位。金属波导与微带转换结构四周的金属通孔相连，确保了连接一致性。引入的多层基板，降低q值，增加了双工天线的阻抗带宽。
4、本专利技术将微带结构与介质棒天线进行融合设计，优势互补。在电性能上，微带贴片天线实现双工双极化功能，通过激励微带线的两个端口，电磁波从微带线金属地板的两个h型缝隙耦合到金属波导中，再通过金属波导过渡至介质棒进行辐射。既可以弥补微带天线在厚防隔热层下的劣势，也实现了单介质棒双工的功能。一般介质棒的导热系数也高于隔热层，在有限空间内减少介质棒的个数，可以缓解热传导，增强隔热性能。
5、微带天线置于介质棒天线底部，受到的高温影响较小。
6、具体的，所述双微带馈线包括水平极化馈线和垂直极化馈线，并与两个垂直的“h”型耦合缝隙一一对应。
7、底部馈电的微带转换结构通过金属地板上两个垂直蚀刻的“h”型缝隙耦合采用了不同的极化方式确保两个端口的隔离度，天线能实现收发一体和自双工。
8、具体的，所述双微带馈线四周设置有金属通孔。
9、微带结构的四周加入了以金属通孔替代的金属壁提高天线的定向性，抑制表面波的出现。
10、具体的，所述微带转换结构外部设有金属封装，金属波导下部固定连接该金属封装。微带转换结构外部周围的金属封装能够确保其辐射不会泄露。
11、具体的，介质棒为氧化铝陶瓷，包括匹配段和辐射段，辐射段下端固定连接匹配段上端，匹配段自上而下、辐射段自下而上呈宽度逐渐变窄的线性过渡锥形渐变状，且介质棒顶部和底部均为正方形。
12、热性能上，由于介质棒采用耐高温的氧化铝陶瓷制造，实现了承受高温和减缓热量传递的功能。
13、具体的，所述匹配段嵌入金属波导。
14、具体的，包括防隔热天线罩，所述辐射段嵌入安装该防隔热天线罩。
15、具体的，介质棒嵌入在天线罩内部中心位置。
16、具体的，所述防隔热天线罩包括防热盖板以及设置于该防热盖板内的隔热层。
17、热性能可通过对陶瓷介质基板顶部与防隔热天线罩距离来调整，且陶瓷介质基板横截面积较小，有效降低热传导；此外介质棒自身的耐高温材料加上调节介质棒顶部距离防热盖板的底部之间的距离能够实现高速飞行器在飞行时系统所需的防隔热性能。
18、具体的，在防热盖板的下端外缘固定连接有圆形金属法兰，所述金属波导顶部端口周围固定连接有金属平台，该金属平台固定连接圆形金属法兰。在本专利技术实施例中，防热盖板的下端向外延伸形成一个法兰结构，其结构上与圆形金属法兰相配合。
19、法兰位于隔热层下方，金属平台是通过焊接连接于波导顶部端口的。
20、具体的，所述隔热层设有用于嵌入安装辐射段的安装槽，其长度大于辐射段的长度。
21、本专利技术采用单天线实现双工效果，可以减小隔热层中介质棒定位开槽的加工难度，便于天线及防隔热层的整体设计。
22、有益效果：相对于现有技术，本专利技术具有如下优点：
23、(1)两个频段跨度大，天线体积小，且电磁波直接从防热层的窗口辐射，一方面避免了高频微带天线在厚防隔热层下出现“喇叭效应”的问题，另一方面也利用了介质棒天线的高辐射相位中心和耐高温性能；
24、(2)在不引入其他天线或扩大防热窗的场景下，利用单介质棒天线实现双端口收发一体的功能，降低了高温工作场景下所需要的天线数量，以减少防隔热设计时的热短路点；
25、(3)减少了隔热层定位开槽的数量，降低了加工难度，简化了天线及其防隔热层的整体设计和加工；
【技术保护点】
1.一种双工宽波束热天馈系统，包括金属波导(201)和介质棒(202)，介质棒(202)下部连接该金属波导(201)，其特征在于，介质棒(202)为一个，该金属波导(201)下端连接有微带转换结构(1)，其中，所述微带转换结构(1)包括：自下而上依次贴合的双微带金属馈线(101)、下基板(102)、金属地板(103)、中间层介质基板(104)、上基板(105)和金属耦合贴片(106)，该金属地板(103)上蚀刻有两个垂直的“H”型耦合缝隙，金属耦合贴片(106)上端贴合金属波导(201)底部，该金属耦合贴片(106)包括内部的矩形贴片和外围的矩形环状贴片。
2.根据权利要求1所述的双工宽波束热天馈系统，其特征在于：所述双微带馈线(101)包括水平极化馈线和垂直极化馈线，并与两个垂直的“H”型耦合缝隙一一对应。
3.根据权利要求1所述的双工宽波束热天馈系统，其特征在于：所述双微带馈线(101)四周设置有金属通孔。
4.根据权利要求1所述的双工宽波束热天馈系统，其特征在于：所述微带转换结构(1)外部设有金属封装，金属波导(201)下部固定连接该金属
5.根据权利要求1所述的双工宽波束热天馈系统，其特征在于：所述介质棒(202)为氧化铝陶瓷，包括匹配段和辐射段，辐射段下端固定连接匹配段上端，匹配段自上而下、辐射段自下而上呈宽度逐渐变窄的线性过渡锥形渐变状，且介质棒顶部和底部均为正方形。
6.根据权利要求5所述的双工宽波束热天馈系统，其特征在于：所述匹配段嵌入金属波导(201)。
7.根据权利要求5所述的双工宽波束热天馈系统，其特征在于：包括防隔热天线罩，所述辐射段嵌入安装该防隔热天线罩。
8.根据权利要求5所述的双工宽波束热天馈系统，其特征在于：所述防隔热天线罩包括防热盖板(301)以及设置于该防热盖板(301)内的隔热层(302)。
9.根据权利要求8所述的双工宽波束热天馈系统，其特征在于：在防热盖板(301)的下端外缘固定连接有圆形金属法兰(303)，所述金属波导(201)顶部端口周围固定连接有金属平台，该金属平台固定连接圆形金属法兰(303)。
10.根据权利要求8所述的双工宽波束热天馈系统，其特征在于：所述隔热层(302)设有用于嵌入安装辐射段的安装槽，其长度大于辐射段的长度。
...【技术特征摘要】
1.一种双工宽波束热天馈系统，包括金属波导(201)和介质棒(202)，介质棒(202)下部连接该金属波导(201)，其特征在于，介质棒(202)为一个，该金属波导(201)下端连接有微带转换结构(1)，其中，所述微带转换结构(1)包括：自下而上依次贴合的双微带金属馈线(101)、下基板(102)、金属地板(103)、中间层介质基板(104)、上基板(105)和金属耦合贴片(106)，该金属地板(103)上蚀刻有两个垂直的“h”型耦合缝隙，金属耦合贴片(106)上端贴合金属波导(201)底部，该金属耦合贴片(106)包括内部的矩形贴片和外围的矩形环状贴片。
2.根据权利要求1所述的双工宽波束热天馈系统，其特征在于：所述双微带馈线(101)包括水平极化馈线和垂直极化馈线，并与两个垂直的“h”型耦合缝隙一一对应。
3.根据权利要求1所述的双工宽波束热天馈系统，其特征在于：所述双微带馈线(101)四周设置有金属通孔。
4.根据权利要求1所述的双工宽波束热天馈系统，其特征在于：所述微带转换结构(1)外部设有金属封装，金属波导(201)下部固定连接该金属封装。
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【专利技术属性】
技术研发人员：蒋纪，刘箭言，杨新禹，邓宏伟，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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