专利名称：一种毫米波段宽带圆柱共形4×4微带天线及其设计方法
技术领域：
本发明涉及一种天线及其设计方法。
技术背景现代军事装备高新技术应用不断增多，机载、星载及各类武器系统所需要 的电子组件部件向着短、小、轻、薄、高可靠性、高速度的方向快速发展。在 性能方面，迫切需要电磁兼容性好、不易受电子干扰、雷达散射截面(RCS)小、 具有隐身/反隐身特性的高性能阵列天线。尤其作为毫米波制导技术的一个重 要发展方向，能够与载体共形的天线系统即共形天线的研究近年来日益得到重 扭，共形天线是将原来平面结构的相控阵变为曲面结构，并且进行了薄型设计、 降低了天线的自身质量。它不仅可以提供原来所需要的天线性能，而且不影响 载体本身的机动特性。微带天线单元具有剖面薄、重量轻、共形性好、成本低 等优点，可以制成与弹体表面共形的结构，充分地利用弹体表面空间，安装时 不影响弹体的结构强度，便于实现设备的小型化。由于微带天线有其独特的优 点，特别适合用来做共形天线。天线共形化具有如下优点可安装在具有复杂表面的各种航空、航天、舰船及地面车辆上，不影响载体的空气动力性能，并可充分利用其表面积，增加 天线有效孔径面积，通过方位面波束的开关切换，可以实现该空间区域的连续扫描；并且在满足增益要求的前提下，共形阵通过展宽波束，减少了空间的波 束数目，因此共形阵天线在军事系统中具有良好的特性，由于共形微带天线具 有不额外占用空间和对飞行姿态影响小等优点，其在航空、制导等领域具有很 大的吸引力，因此对共形微带天线阵的研究具有重要的工程价值和国防意义。 但是共形微带天线的设计与分析还存在诸多困难载体(尤其是金属载体)的 曲率会影响天线的性能，大部分的计算方法处理共形天线时显得繁琐且耗时 长，尤其在毫米波频段天线阵元的间距非常小，阵元布局不合理或者尺寸的稍 微偏差等问题将会对天线性能造成极大的影响，为了保证设计结果的精度，在 设计过程中必须精心考虑阵元的各个参数。因此在毫米波段下设计共形天线阵是具有挑战性的课题。毫米波引信系统是无线电引信的重要发展方向之一，而与弹体共形的毫米 波相控阵天线是毫米波制导系统的关键技术，开展该项目的研究具有重要的工 程价值和国防意义。根据国内外的研究现状，毫米波段的共形相控阵技术在军 事上的应用逐渐引人注目。随着毫米波固态器件、超大规模集成电路和超高速 集成电路的发展，将使毫米波导引头和弹载信号处理机体积更小，灵活性和实 用性更强。这必然导致各种"灵巧"导弹、"末敏"炮弹大量出现在现代战场上。 而对付这种"近身"威胁的办法就是发展装有毫米波共形相控阵天线、具有快速反应能力的电子对抗设备。另外，毫米波电子战(EW)技术发展的状况是毫 米波对抗落后于毫米波雷达技术，具体表现在毫米波雷达和毫米波制导技术经 过数十年的发展已趋于成熟，世界性的毫米波雷达市场已初具规模，而毫米波 对抗技术刚刚起步。毫米波雷达器件的体积小、波束窄、旁瓣低，这给EW造 ^截获和干扰的困难，而对付这种威胁的最有效途径就是相控阵干扰技术。因 此，开发毫米波共形相控阵天线是当务之急。圆柱共形阵列具有扫面波束宽、雷达散射截面(RCS)低等良好空气动力学 性能，其在飞机、火箭和导弹导引头等各种飞行器载体上具有广泛的应用价值。 而由于毫米波段共形天线的设计存在以下困难毫米波电路尺寸集成度高，天 线与电路之间耦合严重，设计困难；共形天线的复杂结构使天线性能的准确分 析十分困难，且要求结构精细、精度要求高、加工工艺复杂，因此目前国内尚 未有公开的较成熟和完善的圆柱共形天线。发明内容t 本发明的目的是为了将圆柱共形微带天线阵列能够方便地安装在具有复 杂表面的各种航空、航天、舰船及地面车辆上，且能够提供原来所需要的天线 性能，而且不影响载体本身的机动特性，更重要的是要求其能在35GHz这样 高的频率下稳定工作而提供一种毫米波段宽带圆柱共形4x4微带天线及其设 计方法。本发明的天线由十六个天线单元和圆柱形载体组成；所述十六个天线单元 分成四组，每组四个天线单元呈矩形设置，四组天线单元整体呈矩形设置在圆 柱形载体的表面上，所述天线单元由第一介质层、中间地板、第二介质层、贴组成，所述馈电网络层的内表面与圆柱形载体的表面固接， 馈电网络层的外表面与第一介质层的内表面固接，第一介质层的外表面与中间 地板的内表面固接、中间地板的外表面与第二介质层的内表面固接，第二介质层的外表面与贴片层的内表面固接，中间地板上设置有H形槽，H形槽的槽深与中间地板的厚度一致。本发明的天线的设计方法是这样完成的利用H 形槽耦合馈电微带天线单元在CST中设计一个带有H形槽的平面4x4微带天 线阵列，画出不同半径、不同材料的圆柱体，然后利用"substrate"功能减出 不同厚度的圆柱形载体，分别将平面天线的馈电网络层、第一介质层、中间地 板、第二介质层和贴片层拉伸到圆柱形载体上，利用"intersect"功能取出两 者的交集即可将平面阵列共形到圆柱形载体上。本发明具有以下有益效果本发明的天线能够方便地安装在具有复杂表面 的各种航空、航天、舰船及地面车辆上，并且可以提供原来所需要的天线性能， 而且不影响载体本身的机动特性，更重要的是其能在35GHz这样高的频率下 稳定工作。本发明利用CST有限积分电磁仿真软件设计出了一个中心频率为 35GHz。本发明采用一种不同于传统的较为简单的微带馈电方式——耦合馈电 方式设计矩形微带天线单元，利用该单元构成圆柱面共形微带天线阵列。本发 明为了将微带天线的带宽展宽，设计了一种新型的H形槽耦合馈电微带天线 单元，其具有许多独特的优势，例如避免了馈电网络层对天线阵列的辐射干扰， 增加天线设计自由度，便于同有源电路集成，此外还能改善天线的带宽和耦合 效率。本发明通过H形槽耦合对外层的贴片层进行馈电，能够有效地改善带 宽、降低反射损耗、提高天线的耦合效率，同时，由于介质层的存在，有效地 减少了馈电对辐射单元的影响。本发明设计的带有H形槽耦合馈电天线单元 具有更宽的带宽(可达到11%)，更好的极化纯度，寄生辐射小，便于与微波电 路集成等优点。本发明的设计方法简单，利用本发明的设计方法设计出来的天 线阵列，其谐振频率正好在35GHz，增益分别达到6.54dB和18.5dB，相对于 以往的微带馈电和共形阵列，本设计方法不仅建模简单、条理清晰、逻辑严密， 而且仿真结果相对理想，尤其是天线的带宽达到10%左右，此外，其加工工艺 简单，成本低廉，适合安装在具有复杂表面的各种航空、航天飞行器、舰船及 地面车辆等载体上。
图1是本发明的圆柱共形4x4微带天线阵列的模型示意图，图2是天线单 元主视展开图(省略了圆柱形载体2)，图3是图2的俯视图，图4是天线单 元的Su仿真图，图5是天线单元的二维辐射方向图，图6是圆柱共形4x4阵 列的Su仿真图，图7是圆柱共形4x4二维辐射方向图，图8是贴片层5的主 视图，图9是设置有H形槽7的中间地板10的主视图，图10是馈电网络层6 的主视图。
具体实施方式
具体实施方式
一结合图1~图3和图8 图10说明本实施方式，本实施方 式的微带天线由十六个天线单元1和圆柱形载体2组成；所述十六个天线单元 1分成四组，每组四个天线单元1呈矩形设置，四组天线单元1整体呈矩形设 置在圆柱形载体2的表面上，所述天线单元1由第一介质层3、第二介质层4、 中间地板IO、贴片层5、馈电网络层6组成，所述馈电网络层6的内表面与圆 柱形载体2的表面固接，馈电网络层6的外表面与第一介质层3的内表面固接， 第一介质层3的外表面与中间地板10的内表面固接、中间地板10的外表面与 第二介质层4的内表面固接，第二介质层4的外表面与贴片层5的内表面固接， 中间地板10上设置有H形槽7， H形槽7的槽深与中间地板10的厚度一致， 第一介质层3和第二介质层4的介质常数均为2.2，中间地板10的介质为理想 导体(PEC)。采用耦合馈电的方式，能量通过中间地板10上的H形槽7耦合 到贴片层5上。
具体实施方式
二结合图l和图3说明本实施方式，本实施方式的第一介 质层3的厚度h为0.25mm，所述第二介质层4的厚度hl为0.50mm，中间地 板10和贴片层5的厚度h3均为0.018 mm， H型槽7的横向槽8的长度Ls为 1Jmm， H型槽7的横向槽8的宽度Ws为0.2mm; H型槽7的纵向槽9的长 度h2为0.5mm， H型槽7的纵向槽8的宽度wh为0.25mm，天线单元1的长 度X宽度《XW-2mmX3.6mm。本实施方式确定的性能参数可使天线的谐振 频率正好为35GHz，附图4中显示该天线的带宽超过10.9%(33.3 37.1 GHz)， 附图5显示天线增益达6.S4dB，辐射方向一E面和H面非常接近，说明馈线 对方向图的影响比较小，这对于共形阵获得均匀的远场辐射方向图是有利的。
具体实施方式
三本实施方式的微带天线的设计方法是这样完成的利用H形槽7耦合馈电微带天线单元在CST中设计一个带有H形槽7的平面4x4 微带天线阵列，画出不同半径、不同材料的圆柱体，然后利用"substrate"功 能减出不同厚度的圆柱形载体2，分别将平面天线的馈电网络层6、第一介质 层3、中间地板IO、第二介质层4和贴片层5拉伸到圆柱形载体2上，利用 "intersect"功能取出两者的交集即可将平面阵列共形到圆柱形载体2上。从 仿真结果可以看出(见附图6和附图7)，天线的谐振频率正好在35GHz，天 线的带宽(VSWR=2)约为3.05GHz (接近10%)，天线的增益达到了 18.5dB， 副瓣电平为-12.7dB (参见图1~图3和图8~图10)。
权利要求
1、一种毫米波段宽带圆柱共形4×4微带天线，它由十六个天线单元(1)和圆柱形载体(2)组成；其特征在于所述十六个天线单元(1)分成四组，每组四个天线单元(1)呈矩形设置，四组天线单元(1)整体呈矩形设置在圆柱形载体(2)的表面上，所述天线单元(1)由第一介质层(3)、第二介质层(4)、中间地板(10)、贴片层(5)、馈电网络层(6)组成，所述馈电网络层(6)的内表面与圆柱形载体(2)的表面固接，馈电网络层(6)的外表面与第一介质层(3)的内表面固接，第一介质层(3)的外表面与中间地板(10)的内表面固接、中间地板(10)的外表面与第二介质层(4)的内表面固接，第二介质层(4)的外表面与贴片层(5)的内表面固接，中间地板(10)上设置有H形槽(7)，H形槽(7)的槽深与中间地板(10)的厚度一致。
2、 根据权利要求l所述的一种毫米波段宽带圆柱共形4x4微带天线，其 特征在于所述第一介质层(3)的厚度h为0.25mm，所述第二介质层(4)的厚度 hl为0.50mm。
3、 根据权利要求1或2所述的一种毫米波段宽带圆柱共形4x4微带天线， 其特征在于所述H型槽(7)的横向槽(8)的长度Ls为1.3mm， H型槽(7)的横向 槽(8)的宽度Ws为0.2mm; H型槽(7)的纵向槽(9)的长度h2为0.5mm， H型槽 (7)的纵向槽(8)的宽度wh为0.25mm。
4、 根据权利要求l所述的一种毫米波段宽带圆柱共形4x4微带天线，其 特征在于所述天线单元(l)的长度X宽度L X W=2mmX 3.6mm。
5、 根据权利要求l所述的一种毫米波段宽带圆柱共形4x4微带天线，其 特征在于所述第一介质层(3)和第二介质层(4)的介质常数均为2.2。
6、 一种毫米波段宽带圆柱共形4x4微带天线的设计方法，其特征在于所 述方法是这样完成的利用H形槽(7)耦合馈电微带天线单元在CST中设计一 个带有H形槽(7)的平面4x4微带天线阵列，画出不同半径、不同材料的圆柱 体，然后利用"substrate"功能减出不同厚度的圆柱形载体(2)，分别将平面天 线的馈电网络层(6)、第一介质层(3)、中间地板(IO)、第二介质层(4)和贴片层(5) 拉伸到圆柱形载体(2)上，利用"intersect"功能取出两者的交集即可将平面阵 列共形到圆柱形载体(2)上。
全文摘要
一种毫米波段宽带圆柱共形4×4微带天线及其设计方法，它涉及一种天线及其设计方法。为了使圆柱共形微带天线在航空、航天、舰船及地面车辆上能在35GHz频率下稳定工作。天线设置有贴片层(5)、第一、二介质层，中间地板(10)和馈电网络层(6)，中间地板(10)上设有H形槽(7)。方法是利用H形槽(7)耦合馈电微带天线单元在CST中设计一个带有H形槽(7)的平面4×4微带天线阵列，画出不同半径、不同材料的圆柱体，利用“substrate”功能减出不同厚度的圆柱形载体(2)，将两个介质层、馈电网络层(6)、中间地板(10)和贴片层(5)拉伸到圆柱形载体(2)上，利用“intersect”取出两者的交集将平面阵列共形到圆柱形载体(2)上。本发明在航空、航天、舰船及地面车辆上可在35GHz频率下稳定工作，且设计方法简单。
文档编号H01Q13/08GK101281998SQ20071014446
公开日2008年10月8日 申请日期2007年10月19日 优先权日2007年10月19日
发明者傅佳辉, 冯子睿, 敏 刘, 群 吴, 孙凤林, 孟繁义, 杨国辉 申请人:哈尔滨工业大学