【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于天线，涉及一种基于特征模理论的双极化背腔式机载阵列天线设计方法，利用金属体的特征模式综合出阵列天线的目标方向图，为背腔式机载平台双极化阵列天线研究提供重要理论、方法与技术支撑。
技术介绍
1、随着电子技术的飞速发展，隐身战机的功能和性能不断提高，狭小的空间里有大量的机载电子设备，天线作为电磁辐射重要的接收器和传感器，是无线通信系统的重要组成部分，小型化和宽频带天线成为一个重要的研究方向，尤其在宽带探测、定位和雷达系统中，还要求宽带天线具有较高的增益，定向辐射特性以及较低的后瓣。在各种宽带天线中，背腔天线因其增益高、方向图稳定、后瓣辐射小等优势可以被广泛应用。另外，由于单个天线单元最大增益有限，所以在实际工程应用中一般使用具备高增益的宽带阵列天线来提高通信质量和距离。因此研究以背腔高效阵列天线具有重要意义。
2、2009年，shiwei qu等人在ieee transactions on antennas and propagation发表的“ultrawideband composite cavity-backed folded sectorial bowtie antennawith stable pattern and high gain”，该论文提出了一种折叠扇形蝶形偶极子背腔天线，由圆柱形和锥形组成的腔体可以有效改善天线口径处的电场分布，从而使得该天线具有很好的辐射性能。但是该天线的尺寸大于半个甚至一个波长，不适合作为天线阵列中的阵元。
3、在申请号为cn201710516664.7
4、2020年，chenghui wang等人在ieee transactions on antennas andpropagation发表的“aircraft-integrated vhf band antenna array designs usingcharacteristic modes”，该论文中提出了利用特征模理论设计的一种可以实现波束扫描的甚高频机载集成天线阵列的方法，用16个宽带增强型三耦合线天线单元组成阵列。然而，馈电网络由功率分配器、移相器和微带传输线组成，该设计在天线系统一体化仿真和加工过程中较为复杂，在测试过程中由于过多的同轴线连接会增大天线阵列的损耗。
5、在申请号为cn202210079663.1的中国专利“基于特征模理论的飞艇平台米波共形相控阵天线”中，公开了一种采用29个天线单元实现高增益、低交叉极化和大角度扫描的米波共形相控阵天线。但是这种相控阵天线较多的天线单元会增大天线的加工成本以及复杂度。
6、以上研究概况表明，利用特征模理论可以高效的系统化设计天线，将此方法应用在背腔平台中可以有效解决天线尺寸与辐射性能之间的矛盾问题。本专利技术实现了基于背腔平台特征辐射模式的双极化阵列天线，同时在固定波束指向范围内双极化增益均大于0db。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是针对上述所提到的现有技术不足，提出一种基于特征模理论的双极化背腔式机载阵列天线，利用平台的特征模式对天线单元进行不规则布局，合理使用背腔平台结构作为辐射口径，获得高增益的同时，实现双极化和固定波束指向。天线阵列的设计方法也可以应用于其他形式平台的波束赋形的设计中。
2、为了实现上述目的，本专利技术的技术解决方案是：一种基于特征模理论的双极化背腔式机载阵列天线，包括金属圆柱背腔1、金属阶梯平台2、介质基板3、金属贴片4、同轴馈线5、单层介质基板6、金属贴片7、集总电容8、集总电阻9、匹配接头连接端口10，其特征在于：
3、所述金属贴片4由第一金属贴片4.1、第二金属贴片4.2、第三金属贴片4.3、第四金属贴片4.4、第五金属贴片4.5和第六金属贴片4.6组成；所述同轴馈线5由芯线5.1、外导体5.2和绝缘层5.3组成。
4、所述介质基板3表面蚀刻有金属贴片4；所述第一金属贴片4.1和第三金属贴片4.3蚀刻在介质基板3一侧；所述第二金属贴片4.2蚀刻在介质基板3一侧；所述第四金属贴片4.4和第五金属贴片4.5蚀刻在介质基板3一侧；所述第六金属贴片4.6蚀刻在介质基板3一侧；所述同轴馈电4上端部分位于所述金属阶梯平台2中，且芯线5.1上接第三金属贴片4.3和第四金属贴片4.4。
5、所述金属贴片7由第一金属贴片7.1、第二金属贴片7.2、第三金属贴片7.3和第四金属贴片7.4组成。所述第一金属贴片7.1蚀刻在第一单层介质基板6.1的正面；所述第三金属贴片7.3蚀刻在第一单层介质基板6.1的反面；所述第四金属贴片7.4蚀刻在第二单层介质基板6.2的正面；所述第二金属贴片7.2蚀刻在第二单层介质基板6.2的反面。
6、所述集总电容8焊接于单层介质基板6正面，且与第一金属贴片7.1和第三金属贴片7.3电连接在一起；所述集总电阻9焊接于单层介质基板6正面，且与集总电容8电连接在一起。
7、所述金属阶梯平台2开有凹槽，将介质基板3插入凹槽于金属阶梯平台2固定在一起；所述金属圆柱背腔1和金属阶梯平台2开有圆柱形孔位，将同轴馈线5穿过孔位进行馈电。
8、所述介质基板3采用fr4_epoxy，单层介质基板6采用rogers rt/duroid 5880。
9、对所述金属圆柱背腔1和金属阶梯平台2进行全金属结构特征模理论分析，在天线的工作频点及一定带宽内得出显著模式的电场和电流分布情况。通过优化算法综合得到辐射电流分布，确定天线单元于所述金属圆柱背腔1和金属阶梯平台2的摆放位置，激励结构选定为容性激励结构，提取单元方向图后，再根据优化目标再次综合，得到阵列各天线单元工作的幅度和相位，并实现双极化的工作性能。
10、所述优化算法是基于分解的多目标差分进化算法(moea/d)，设置三个优化目标：
11、目标一：约束电场最大值，使得该值出现在从theta角和phi角限定方向图最大指向；
12、目标二：主瓣范围内的交叉极化辐射场分量与整个球面上总场的能量比值；
13、目标三：主瓣范围内的主极化辐射场分量与整个球面上的总场的能量比值，取负值是因为多目标差分进化算法将目标函数值往最小化方向优化。
14、综上所述，本专利技术的优点为：
15、由于特征模独立于激励源，只与电磁结构本身的形状、尺寸以及材料特性相关，在设计的初始阶段就考虑了平台结构的影响，从理论扩展到结构设计，设计的平台对辐射特性带来有利影响。
16、采用多目标差分进化算法，对组合模式的方向图进行综合优化，实现了特定方向图的指向，满足特定的通信需求。
17、根据综合得出的组合模式电流分布，合理选择天线单元的位置和激励的幅度、相位，实现较高的天线之间的隔离度。...
【技术保护点】
1.一种基于特征模理论的双极化背腔式机载平台阵列天线，包括背腔式机载平台、双极化天线阵列和功率分配馈电网络；其特征在于：所述背腔式机载平台为天线阵列的载体，包括金属圆柱背腔(1)和金属阶梯平台(2)；所述双极化天线阵列包括8个双极化天线单元，天线单元结构包括：介质基板(3)、金属贴片(4)和同轴馈线(5)；其特征在于：所述金属贴片(4)由第一金属贴片(4.1)、第二金属贴片(4.2)、第三金属贴片(4.3)、第四金属贴片(4.4)、第五金属贴片(4.5)和第六金属贴片(4.6)组成；所述同轴馈线(5)由芯线(5.1)、外导体(5.2)和绝缘层(5.3)组成；其中，所述第一金属贴片(4.1)和第三金属贴片(4.3)印制在所述介质基板(3)一面；所述第四金属贴片(4.4)和第五金属贴片(4.5)印制在所述介质基板(3)一面；所述第二金属贴片(4.2)印制在第一金属贴片(4.1)和第三金属贴片(4.3)在介质基板(3)上的背面；所述第六金属贴片(4.6)印制在第四金属贴片(4.4)和第五金属贴片(4.5)在介质基板(3)上的背面；所述绝缘层(5.3)填充在芯线(5.1)和外导体(5.2
2.根据权利要求1所述的基于特征模理论的双极化背腔式机载平台阵列天线，其特征在于：所述介质基板(3)表面印制有金属贴片(4)；所述同轴馈线(5)通过焊接的方式与第三金属贴片(4.3)和第四金属贴片(4.4)电连接在一起；所述金属圆柱背腔(1)和金属阶梯平台(2)开有凹槽和孔位，将介质基板(3)插入凹槽与金属阶梯平台(2)固定在一起；所述同轴馈线(5)通过孔位穿过金属圆柱背腔(1)和金属阶梯平台(2)；所述匹配接头连接端口(10)通过焊接的方式与第一金属贴片(7.1)和第三金属贴片(7.3)电连接在一起。
3.根据权利要求1所述的基于特征模理论的双极化背腔式机载平台阵列天线，其特征在于：采用一种天线系统的设计方法，根据背腔式机载平台结构的特征模式，利用多目标差分进化算法进行方向图综合，获得目标方向图和高增益，该设计方法主要包括下列步骤：
4.根据权利要求1所述的基于特征模理论的双极化背腔式机载平台阵列天线，其特征在于：所述金属圆柱背腔(1)的外圈直径为200mm，外圈高度为100mm，内圈直径为160mm，内圈高度为80mm；所述金属阶梯平台(2)厚度为5mm，整体高度为52mm，金属阶梯平台(2)的方形凹槽长3mm，宽1mm，深3mm；所述金属圆柱背腔(1)和金属阶梯平台(2)圆柱形通孔直径为1.14mm；所述介质基板(3)厚度为1mm，高度为23mm，宽度为32.6mm；所述同轴馈线(5)的芯线(5.1)直径为0.29mm，外导体(5.2)直径为1.14mm，绝缘层(5.3)直径为0.88mm，露出芯线(5.1)长度为8mm；所述第一单层介质基板(6.1)厚度为0.508mm，宽度为60mm，长度为113.795mm；所述第二单层介质基板(6.2)厚度为0.508mm，宽度为80mm，长度为126.3mm；所述集总电容(8)型号用英制表示，第一集总电容(8.1)型号为0805、实际值为1.8pF，第二集总电容(8.2)型号为0805、实际值为0.9pF，第三集总电容(8.3)型号为0402、实际值为1.8pF，第四集总电容(8.4)型号为0402、实际值为0.9pF，第五集总电容(8.5)型号为1206、实际值为1.8p...
【技术特征摘要】
1.一种基于特征模理论的双极化背腔式机载平台阵列天线，包括背腔式机载平台、双极化天线阵列和功率分配馈电网络；其特征在于：所述背腔式机载平台为天线阵列的载体，包括金属圆柱背腔(1)和金属阶梯平台(2)；所述双极化天线阵列包括8个双极化天线单元，天线单元结构包括：介质基板(3)、金属贴片(4)和同轴馈线(5)；其特征在于：所述金属贴片(4)由第一金属贴片(4.1)、第二金属贴片(4.2)、第三金属贴片(4.3)、第四金属贴片(4.4)、第五金属贴片(4.5)和第六金属贴片(4.6)组成；所述同轴馈线(5)由芯线(5.1)、外导体(5.2)和绝缘层(5.3)组成；其中，所述第一金属贴片(4.1)和第三金属贴片(4.3)印制在所述介质基板(3)一面；所述第四金属贴片(4.4)和第五金属贴片(4.5)印制在所述介质基板(3)一面；所述第二金属贴片(4.2)印制在第一金属贴片(4.1)和第三金属贴片(4.3)在介质基板(3)上的背面；所述第六金属贴片(4.6)印制在第四金属贴片(4.4)和第五金属贴片(4.5)在介质基板(3)上的背面；所述绝缘层(5.3)填充在芯线(5.1)和外导体(5.2)中间；所述功率分配馈电网络包括x极化和y极化两个功分器，包括：单层介质基板(6)、金属贴片(7)、集总电容(8)、集总电阻(9)和匹配接头连接端口(10)；其特征在于：所述单层介质基板(6)由第一单层介质基板(6.1)和第二单层介质基板(6.2)组成；所述金属贴片(7)由第一金属贴片(7.1)、第二金属贴片(7.2)、第三金属贴片(7.3)和第四金属贴片(7.4)组成；所述集总电容(8)由第一集总电容(8.1)、第二集总电容(8.2)、第三集总电容(8.3)、第四集总电容(8.4)、第五集总电容(8.5)、第六集总电容(8.6)和第七集总电容(8.7)组成；所述集总电阻(9)由第一集总电阻(9.1)、第二集总电阻(9.2)、第三集总电阻(9.3)、第四集总电阻(9.4)和第五集总电阻(9.5)组成；其中，所述第一单层介质基板(6.1)正面印制有第一金属贴片(7.1)；所述第一单层介质基板(6.1)反面印制有第二金属贴片(7.2)；所述第二单层介质基板(6.2)正面印制有第三金属贴片(7.3)；所述第二单层介质基板(6.2)反面印制有第四金属贴片(7.4)；所述集总电容(8)和集总电阻(9)焊接于所述单层介质基板(6)正面，且与所述第一金属贴片(7.1)和第三金属贴片(7.3)电连接在一起。
2.根据权利要求1所述的基于特征模理论的双极化背腔式机载平台阵列天线，其特征在于：所述介质基板(3)表面印制有金属贴片(4)；所述同轴馈线(5)通过焊接的方式与第三金属贴片(4.3)和第四金属贴片(4.4)电连接在一起；所述金属圆柱背腔(1)和金属阶梯平台(2)开有凹槽和孔位，将介质基板(3)插入凹槽与金属阶梯平台(2)固定在一起；所述同轴馈...
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。