專利名稱：：一種毫米波段圓錐共形4×4微帶天線及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種天線及其設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)代軍事裝備中高新技術(shù)的應(yīng)用不斷增多，機(jī)載、星載及各類武器系統(tǒng)所需要的電子組件、部件向著短、小、輕、薄、高可靠性、高速度的方向快速發(fā)展。在性能方面迫切需要電磁兼容性好、不易受電子干擾、雷達(dá)散射截面(RCS)小、具有隱身/反隱身特性的高性能陣列天線。尤其作為毫米波制導(dǎo)技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向，-能夠與載體共形的天線系統(tǒng)即共形天線的研究近年來(lái)日益得到重視，共形天線是將原來(lái)平面結(jié)構(gòu)的相控陣變?yōu)榍娼Y(jié)構(gòu)，并且進(jìn)行了薄型設(shè)計(jì)、降低了自身質(zhì)量的天線。它不僅可以提供原來(lái)所需要的天線性能，而且不影響載體本身的機(jī)動(dòng)特性。微帶天線單元具有剖面薄、重量輕、共形性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以制成與彈體表面共形的結(jié)構(gòu)，充分地利用彈體表面空間，安裝時(shí)不影響彈體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，便于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化。由于微帶天線有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，特別適合用來(lái)做共形天線。天線共形化具有如下優(yōu)點(diǎn)可安裝在具有復(fù)雜表面的各種航空、航天、艦船及地面車輛上，不影響載體的空氣動(dòng)力性能，并可充分利用其表面積，增加天線有效孔徑面積，通過(guò)方位面波束的開關(guān)切換，可以實(shí)現(xiàn)該空間區(qū)域的連續(xù)掃描；并且在滿足增益要求的前提下，共形陣通過(guò)展寬波束，減少了空間的波束數(shù)目，因此共形陣天線在軍事系統(tǒng)中具有良好的特性，由于共形微帶天線具有不額外占用空間和對(duì)飛行姿態(tài)影響小等優(yōu)點(diǎn)，其在航空、制導(dǎo)等領(lǐng)域具有很大的吸引力，因此對(duì)共形微帶天線陣的研究具有重要的工程價(jià)值和國(guó)防意義。但是共形微帶天線的設(shè)計(jì)與分析還存在諸多困難載體(尤其是金屬載體)的曲率會(huì)影響天線的性能，大部分的計(jì)算方法處理共形天線時(shí)顯得繁瑣且耗時(shí)長(zhǎng)，尤其在毫米波頻段天線陣元的間距非常小，陣元布局不合理或者尺寸的稍微偏差等問(wèn)題將會(huì)對(duì)天線性能造成極大的影響，為了保證設(shè)計(jì)結(jié)果的精度，在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須精心考慮陣元的各個(gè)參數(shù)。因此在毫米波段下設(shè)計(jì)共形天線陣是具有挑戰(zhàn)性的課題。毫米波引信系統(tǒng)是無(wú)線電引信的重要發(fā)展方向之一，而與彈體共形的毫米波相控陣天線是毫米波制導(dǎo)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，開展該項(xiàng)目的研究具有重要的工程價(jià)值和國(guó)防意義。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，毫米波段的共形相控陣技術(shù)在軍事上的應(yīng)用逐漸引人注目。隨著毫米波固態(tài)器件、超大規(guī)模集成電路和超高速集成電路的發(fā)展，將使毫米波導(dǎo)引頭和彈載信號(hào)處理機(jī)體積更小，靈活性和實(shí)用性更強(qiáng)。這必然導(dǎo)致各種"靈巧"導(dǎo)彈、"末敏"炮彈大量出現(xiàn)在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上。而對(duì)付這種"近身"威脅的辦法就是發(fā)展裝有毫米波共形相控陣天線、具有快速反應(yīng)能力的電子對(duì)抗設(shè)備。另外，毫米波電子戰(zhàn)(EW)技術(shù)發(fā)展的狀況是毫米波對(duì)抗落后于毫米波雷達(dá)技術(shù)，具體表現(xiàn)在毫米波雷達(dá)和毫米波制導(dǎo)技術(shù)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展已趨于成熟，世界性的毫米波雷達(dá)市場(chǎng)己初具規(guī)模，而毫米波對(duì)抗技術(shù)剛剛起步。毫米波雷達(dá)器件的體積小、波束窄、旁瓣低，這給EW造成截獲和干擾的困難，而對(duì)付這種烕脅的最有效途徑就是相控陣干擾技術(shù)。因此，開發(fā)毫米波共形相控陣天線是當(dāng)務(wù)之急。錐面共形陣列具有掃面波束寬、雷達(dá)散射截面(RCS)低等良好空氣動(dòng)力學(xué)性能，其在飛機(jī)、火箭和導(dǎo)彈導(dǎo)引頭等各種飛行器載體上具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，而由于錐面幾何形狀相對(duì)較復(fù)雜，不但要求其能夠方便的安裝在具有復(fù)雜表面的各種航空、航天、艦船及地面車輛上，還要求其不僅可以提供原來(lái)所需要的天線性能，而且不影響載體本身的機(jī)動(dòng)特性，更重要的是要求其能在35GHz這樣高的頻率下穩(wěn)定工作。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對(duì)錐面幾何形狀相對(duì)較復(fù)雜，不但要求其能夠方便的安裝在具有復(fù)雜表面的各種航空、航天、艦船及地面車輛上，還要求其不僅可以提供原來(lái)所需要的天線性能，而且不影響載體本身的機(jī)動(dòng)特性，更重要的是要求其能在35GHz這樣高的頻率下穩(wěn)定工作的問(wèn)題，提供一種毫米波段圓錐共形4X4微帶天線及其設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明的毫米波段圓錐共形4X4微帶天線由介質(zhì)層l、十六個(gè)貼片單元2、八個(gè)饋線3、連接線4和錐面層5組成，十六個(gè)貼片單元2分成四組，每組四個(gè)貼片單元2呈矩形設(shè)置，四組貼片單元2整體呈矩形設(shè)置在介質(zhì)層1的表面上，介質(zhì)層i的背面與錐面層5的表面固定連接，每組的上下兩個(gè)貼片單元2之間固定連接有一個(gè)饋線3，八個(gè)饋線3由連接線4相互連接。本發(fā)明的毫米波段圓錐共形4X4微帶天線的設(shè)計(jì)方法是首先利用底邊饋電方式在CST設(shè)計(jì)一個(gè)平面4x4微帶天線陣列，利用拋物線方程畫出拋物線，然后利用拋物線旋轉(zhuǎn)形成拋物錐面，利用"objects"中的"transform-scale"功能畫出拋物面錐體，利用"substrate"功能減出不同厚度的錐面層，分別將平面天線的介質(zhì)層和貼片單元拉伸到錐面層上，禾U用"intersect"功能取出兩者的交集將平面陣列共形到錐面上。本發(fā)明的底邊饋電單元和錐面共形陣列均正好工作在35GHz，增益分別達(dá)到7.3dB和20.19dB，具有加工工藝簡(jiǎn)單，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，適合安裝在具有復(fù)雜表面的各種航空、航天飛行器、艦船及地面車輛等載體上。相對(duì)于以往的微帶饋電和共形陣列，本發(fā)明的毫米波段圓錐共形4X4微帶天線的設(shè)計(jì)方法具有建模簡(jiǎn)單、條理清晰、邏輯嚴(yán)密、仿真結(jié)果相對(duì)理想的優(yōu)點(diǎn)。圖1是底邊饋電單元示意圖，圖2是錐面共形4x4微帶天線陣列模型示意圖(正面)，圖3是錐面共形4x4微帶天線陣列模型示意圖(側(cè)面)，圖4是底邊饋電單元的Sll圖，圖5是底邊饋電單元的VSWR圖，圖6是底邊饋電單元的二維遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，圖7是4x4陣列的S11圖，圖8是4x4陣列的VSWR圖，圖9是4x4陣列的二維遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，圖10是錐面4x4陣列的三維遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。圖4中圖左側(cè)的數(shù)字是反射系數(shù)(Sll)，單位分貝(dB)，圖下側(cè)的數(shù)字表示的是頻率，單位GHz;圖5中圖左側(cè)的數(shù)字是電壓駐波比(VSWR)，圖下側(cè)的數(shù)字表示的是頻率，單位GHz;圖7中圖左側(cè)的數(shù)字是反射系數(shù)(Sll)、單位分貝(dB)，圖下側(cè)的數(shù)字表示的是頻率，單位GHz;圖8中圖左側(cè)的數(shù)字是電壓駐波比(VSWR)，圖下側(cè)的數(shù)字表示的是頻率，單位GHz;圖10表示的是增益(Gain)為20.28dB，頻率為35GHz。具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式一(參見圖1圖3)本實(shí)施方式的毫米波段圓錐共形4X4微帶天線由介質(zhì)層l、十六個(gè)貼片單元2、八個(gè)饋線3、連接線4和錐面層5組成，十六個(gè)貼片單元2分成四組，每組四個(gè)貼片單元2呈矩形設(shè)置，四組貼片單元2整體呈矩形設(shè)置在介質(zhì)層1的表面上，介質(zhì)層i的背面與錐面層5的表面固定連接，每組的上下兩個(gè)貼片單元2之間固定連接有一個(gè)饋線3，八個(gè)饋線3由連接線4相互連接。貼片單元2的長(zhǎng)(L2)寬(W2)比為1:1~1.5;貼片單元2的長(zhǎng)度(L2)與饋線3的寬度(W3)的比例為10:0.8-1.2。本實(shí)施方式的介質(zhì)層只要求其介電常數(shù)為2.2，具體是什么介質(zhì)沒什么特別要求。貼片單元和錐面層的材質(zhì)均為理想導(dǎo)體(PEC)。具體實(shí)施方式二(參見圖1)本實(shí)施方式貼片單元2的長(zhǎng)(L2)寬(W2)比為l:1.29;貼片單元2的長(zhǎng)度(L2)與饋線3的寬度(W3)的比例為10:0.98。具體實(shí)施方式三(參見圖1圖6)本實(shí)施方式采用底邊饋電方式(HFM)對(duì)微帶貼片單元進(jìn)行饋電。HFM的原理可用圖1所示的微帶貼片單元來(lái)說(shuō)明。由于在諧振邊饋電阻斷了貼片部分的輻射，饋線和貼片的接觸導(dǎo)致了輻射的降低，這一點(diǎn)在毫米波段上表現(xiàn)的尤為突出，所以采用了非諧振邊饋電方式。再加上天線工作在35GHz，50Q的饋線寬度與貼片尺寸相比太寬，對(duì)天線的輻射影響較大，且不利于天線陣饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，所以將貼片單元與IOOQ的饋線進(jìn)行匹配。由于饋線的位置被固定在非諧振邊的最底端，因此天線的諧振頻率只與貼片的長(zhǎng)和寬密切相關(guān)，設(shè)計(jì)中需要反復(fù)調(diào)整貼片的長(zhǎng)和寬使天線性能達(dá)到最優(yōu)。最后得到天線性能較好的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，具體參數(shù)如表l所示，表中Sy為介質(zhì)板的介電常數(shù)，H、"、Wi分別為其厚度、長(zhǎng)度和寬度，而L2、W2分別為貼片單元的長(zhǎng)度和寬度，Ws為IOOQ饋線的寬度。表l.平面貼片單元結(jié)構(gòu)參數(shù)<table><row><column>εyH</column><column>L1</column><column>L2</column><column>W1</column><column>W2</column><column>W3(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)</column></row><row><column>2.2</column><column>0.3</column><column>5.56</column><column>6.3</column><column>2.56</column><column>3.3</column><column>0.274</column></row><table>從仿真結(jié)果可以看出，天線的諧振頻率正好在35GHz，天線的帶寬(VSWR=2)達(dá)到了2.03GHz,天線的增益達(dá)到了7.3dB。具體實(shí)施方式四(參見圖1圖3、圖7~圖10)本實(shí)施方式的毫米波段圓錐共形4X4微帶天線的設(shè)計(jì)方法是首先利用底邊饋電方式在CST設(shè)計(jì)一個(gè)平面4x4微帶天線陣列，利用拋物線方程畫出拋物線，然后利用拋物線旋轉(zhuǎn)形成拋物錐面，利用"objects(對(duì)象)"中的"transform-scale(轉(zhuǎn)化比列)"功能畫出拋物面錐體，利用"substrate(相減)"功能減出不同厚度的錐面層，分別將平面天線的介質(zhì)層和貼片單元拉伸到錐面層上，利用"intersect(相交)"功能取出兩者的交集將平面陣列共形到錐面上。從仿真結(jié)果可以看出，天線的諧振頻率正好在35GHz，天線的帶寬(VSWR=2)達(dá)到了2.03GHz，天線的增益達(dá)到了7.3dB。該錐面共形4x4陣列的仿真結(jié)果如圖7圖10所示。從仿真結(jié)果可以看出，天線的諧振頻率正好在35GHz，天線的帶寬(VSWR=2)約為L(zhǎng)27GHz，天線的增益達(dá)到了20.19dB，副瓣電平為-12.5dB。權(quán)利要求1、一種毫米波段圓錐共形4×4微帶天線，它由介質(zhì)層(1)、十六個(gè)貼片單元(2)、八個(gè)饋線(3)、連接線(4)和錐面層(5)組成，其特征在于十六個(gè)貼片單元(2)分成四組，每組四個(gè)貼片單元(2)呈矩形設(shè)置，四組貼片單元(2)整體呈矩形設(shè)置在介質(zhì)層(1)的表面上，介質(zhì)層(1)的背面與錐面層(5)的表面固定連接，每組的上下兩個(gè)貼片單元(2)之間固定連接有一個(gè)饋線(3)，八個(gè)饋線(3)由連接線(4)相互連接。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種毫米波段圓錐共形4X4微帶天線，其特征在于貼片單元(2)的長(zhǎng)寬比為1:11.5;貼片單元(2)的長(zhǎng)度與饋線(3)的寬度的比例為10:0.8-1.2。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種毫米波段圓錐共形4X4微帶天線，其特征在于貼片單元(2)的長(zhǎng)寬比為l:1.29;貼片單元(2)的長(zhǎng)度與饋線(3)的寬度的比例為10:0.98。4、一種權(quán)利要求1毫米波段圓錐共形4X4微帶天線的設(shè)計(jì)方法，其特征是首先利用底邊饋電方式在CST設(shè)計(jì)一個(gè)平面4x4微帶天線陣列，用拋物線方程畫出拋物線，然后利用拋物線旋轉(zhuǎn)形成拋物錐面，利用objects中的transform-scale功能畫出拋物面錐體，利用substrate功能減出不同厚度的錐面層，分別將平面天線的介質(zhì)層和貼片單元拉伸到錐面層上，利用intersect功能取出兩者的交集將平面陣列共形到錐面上。全文摘要一種毫米波段圓錐共形4×4微帶天線及其設(shè)計(jì)方法，它涉及一種天線及其設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明的目的是針對(duì)錐面幾何形狀相對(duì)較復(fù)雜，以及能夠方便的安裝在具有復(fù)雜表面的各種航空、航天、艦船及地面車輛上，并且能在35GHz這樣高的頻率下穩(wěn)定工作的問(wèn)題。本發(fā)明的天線四組貼片單元整體呈矩形設(shè)置在介質(zhì)層的表面上，每組的上下兩個(gè)貼片單元之間固定連接有一個(gè)饋線；方法是將平面天線的介質(zhì)層和貼片單元拉伸到錐面層上，利用intersect功能取出兩者的交集將平面陣列共形到錐面上。本發(fā)明的天線正好工作在35GHz，增益分別達(dá)到7.3dB和20.19dB，適合安裝在具有復(fù)雜表面的各種航空、航天飛行器、艦船及地面車輛等載體上。設(shè)計(jì)方法具有建模簡(jiǎn)單、條理清晰、邏輯嚴(yán)密的優(yōu)點(diǎn)。文檔編號(hào)H01Q1/38GK101202374SQ20071014443公開日2008年6月18日申請(qǐng)日期2007年10月12日優(yōu)先權(quán)日2007年10月12日發(fā)明者傅佳輝,馮子睿,敏劉,群吳,孟繁義,楊國(guó)輝申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)