一种超低剖面槽缝阵列天线及制作方法

摘要

本发明公开一种超低剖面槽缝阵列天线，包括复杂载体和斜对角槽缝天线单元，斜对角槽缝天线单元设置在复杂载体上；复杂载体的表面为曲面；斜对角槽缝天线单元包括槽缝板、谐振腔、阻抗匹配块、谐振腔背板和馈电结构；槽缝板位于斜对角槽缝天线单元的最上方，且槽缝板上表面为与复杂载体的表面配合设置的曲面，槽缝板上设置槽缝，槽缝板下表面为平面；谐振腔位于槽缝板正下方；阻抗匹配块位于谐振腔内且处于槽缝板下方，阻抗匹配块紧贴槽缝板；谐振腔背板位于谐振腔底部；本发明实现了载体前向天线零剖面高度，将阵列天线对载体空气动力学等性能的影响降至最低，大幅度提高了飞行器等平台的动力性能和隐身性能。

权利要求

1.一种超低剖面槽缝阵列天线，其特征在于，包括复杂载体和斜对角槽缝天线单元，所述斜对角槽缝天线单元设置在所述复杂载体上；所述复杂载体的表面为曲面；

所述斜对角槽缝天线单元包括槽缝板、谐振腔、阻抗匹配块、谐振腔背板和馈电结构；

所述槽缝板位于所述斜对角槽缝天线单元的最上方，且所述槽缝板上表面为与所述复杂载体的表面配合设置的曲面，所述槽缝板上设置槽缝，所述槽缝板下表面为平面；所述谐振腔位于所述槽缝板正下方；所述阻抗匹配块位于所述谐振腔内且处于所述槽缝板下方，所述阻抗匹配块紧贴所述槽缝板；所述谐振腔背板位于所述谐振腔底部；所述谐振腔背板中央位置处设置背板通孔，所述阻抗匹配块中央设置阻抗通孔，所述馈电结构从所述背板通孔和所述阻抗通孔穿过并与所述槽缝板下表面连接；

所述槽缝包括一个类H形槽缝和两个相同的类L形槽缝，三个所述槽缝沿所述槽缝板的对角线排布，所述类H形槽缝位于所述槽缝板的中央位置处，且位于两个所述类L形槽缝的中间。

2.如权利要求1所述的超低剖面槽缝阵列天线，其特征在于，所述谐振腔为长方体，所述谐振腔侧壁位于所述复杂载体内。

3.如权利要求2所述的超低剖面槽缝阵列天线，其特征在于，所述阻抗匹配块上表面与所述槽缝板中央非槽缝处的下表面连接。

4.如权利要求3所述的超低剖面槽缝阵列天线，其特征在于，所述馈电结构包括内导体和外导体，所述内导体材质为金属，形状为圆柱形；所述外导体材质为金属，形状为圆环型；

所述内导体设置在所述外导体内，且所述内导体和所述外导体之间为空气；所述馈电结构的所述外导体固定于所述谐振腔背板上，所述内导体穿过所述背板通孔和所述阻抗通孔并与所述槽缝板下表面连接。

5.一种如权利要求4所述的超低剖面槽缝阵列天线的制作方法，其特征在于，包括步骤：S1，建模参数设置；

根据所需增益确定所述超低剖面槽缝阵列天线的口径，确定所述斜对角槽缝天线单元的排布栅格为矩形栅格，根据天线扫描范围确定所述斜对角槽缝天线单元的间距；根据所述间距对所述斜对角槽缝天线单元的参数进行优化，确定所述槽缝板、所述谐振腔、所述阻抗匹配块、所述谐振腔背板和所述馈电结构的尺寸；根据排布栅格和间距对所述复杂载体的表面进行网格划分，获得相应数量的曲面单体；

S2，复杂载体处理；

S3，馈电结构固定；

S4，完成阵列天线建模；

根据网格划分所得各所述槽缝天线单元的排布位置，重复步骤S3，完成所述斜对角槽缝天线单元的设计安装。

6.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于，在步骤S1中，网格划分时相邻所述谐振腔之间的壁厚大于5mm。

7.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于，在步骤S2中，根据网格划分结果获取各所述槽缝天线单元的中心位置，先根据各所述中心位置和所述谐振腔尺寸，从所述复杂载体的背面以所述中心位置处加工所述谐振腔，从所述复杂载体正面向所述谐振腔打通所述复杂载体形成所述槽缝，保持所述复杂载体外曲面形状不变；所述谐振腔上表面和所述复杂载体正面之间形成所述槽缝板。

8.如权利要求7所述的制作方法，其特征在于，在步骤S3中，将所述阻抗匹配块连接在所述槽缝板下表面的中心处，从所述复杂载体背面盖上所述谐振腔背板以形成密闭的所述谐振腔；所述馈电结构的内导体从背面穿过所述谐振腔背板上的所述背板通孔和所述阻抗匹配块中央处的所述阻抗通孔，外导体端部穿过所述谐振腔背板的所述背板通孔并固定于所述谐振腔背板的外侧。

9.如权利要求8所述的制作方法，其特征在于，在步骤S3中，所述阻抗匹配块上表面与所述槽缝板下表面重合，同时所述阻抗匹配块上表面的一边与中央的所述槽缝边界平行。

说明书

一种超低剖面槽缝阵列天线及制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及阵列天线技术领域，具体涉及一种超低剖面槽缝阵列天线及制作方法。

背景技术

[0002] 近年来，机载雷达、卫星雷达和弹载雷达的发展越来越成熟，在关注雷达性能的同时，业内已开始进行阵列天线对平台影响的研究。在载体平台上，除了天线自身性能要求高外，还要对天线的尺寸有所限制，天线的质量要尽可能轻，体积要尽可能小，进而学者们寄希望于将天线对平台的影响降至最低，因此低剖面天线得到了越来越多的关注。低剖面天线是在传统天线理论基础上通过采用新的思路实现低剖面，这些新思路包括新材料、新结构或新的布局方式等。对于平面阵列天线，实现低剖面的方法之一是通过优化天线的参数以降低天线单元的剖面，但该方法受限于天线的材质。由于微带天线常作为阵元，微带板和支撑物的厚度成了决定天线剖面高度的关键因素；另外，天线需增加天线罩，进一步增加了阵列天线的剖面高度。

[0003] 为了进一步降低阵列天线的剖面高度，共形阵列天线获得了关注。共形阵列天线的优点在于可实现天线对载体空气动力学等性能的较低影响，为不影响天线的辐射性能，共形阵列天线单元常贴合于平台表面，贴合方式与材料属性相关。当材料为柔性材料时，天线单元可实现与平台形状一致；当材料存在一定硬度时，天线单元放置于平面上。上述方式尽管实现了低剖面，但无法进一步实现超低剖面。

[0004] 鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

[0005] 为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种超低剖面槽缝阵列天线，包括复杂载体和斜对角槽缝天线单元，所述斜对角槽缝天线单元设置在所述复杂载体上；所述复杂载体的表面为曲面；

[0006] 所述斜对角槽缝天线单元包括槽缝板、谐振腔、阻抗匹配块、谐振腔背板和馈电结构；所述槽缝板位于所述斜对角槽缝天线单元的最上方，且所述槽缝板上表面为与所述复杂载体的表面配合设置的曲面，所述槽缝板上设置槽缝，所述槽缝板下表面为平面；所述谐振腔位于所述槽缝板正下方；所述阻抗匹配块位于所述谐振腔内且处于所述槽缝板下方，所述阻抗匹配块紧贴所述槽缝板；所述谐振腔背板位于所述谐振腔底部；所述谐振腔背板中央位置处设置背板通孔，所述阻抗匹配块中央设置阻抗通孔，所述馈电结构从所述背板通孔和所述阻抗通孔穿过并与所述槽缝板下表面连接。

[0007] 较佳的，所述槽缝包括一个类H形槽缝和两个相同的类L形槽缝，三个所述槽缝沿所述槽缝板的对角线排布，所述类H形槽缝位于所述槽缝板的中央位置处，且位于两个所述类L形槽缝的中间。

[0008] 较佳的，所述谐振腔为长方体，所述谐振腔侧壁位于所述复杂载体内。

[0009] 较佳的，所述阻抗匹配块上表面与所述槽缝板中央非槽缝处的下表面连接。

[0010] 较佳的，所述馈电结构包括内导体和外导体，所述内导体材质为金属，形状为圆柱形；所述外导体材质为金属，形状为圆环型；所述内导体设置在所述外导体内，且所述内导体和所述外导体之间为空气；所述馈电结构的所述外导体固定于所述谐振腔背板上，所述内导体穿过所述背板通孔和所述阻抗通孔并与所述槽缝板下表面连接。

[0011] 较佳的，所述超低剖面槽缝阵列天线的制作方法，包括步骤：

[0012] S1，建模参数设置；

[0013] 根据所需增益确定所述超低剖面槽缝阵列天线的口径，确定所述斜对角槽缝天线单元的排布栅格为矩形栅格，根据天线扫描范围确定所述斜对角槽缝天线单元的间距；根据所述间距对所述斜对角槽缝天线单元的参数进行优化，确定所述槽缝板、所述谐振腔、所述阻抗匹配块、所述谐振腔背板和所述馈电结构的尺寸；根据排布栅格和间距对所述复杂载体的表面进行网格划分，获得相应数量的曲面单体；

[0014] S2，复杂载体处理；

[0015] S3，馈电结构固定；

[0016] S4，完成阵列天线建模；

[0017] 根据网格划分所得各所述槽缝天线单元的排布位置，重复步骤S3，完成所述斜对角槽缝天线单元的设计安装。

[0018] 较佳的，在步骤S1中，网格划分时相邻所述谐振腔之间的壁厚大于5mm。

[0019] 较佳的，在步骤S2中，根据网格划分结果获取各所述槽缝天线单元的中心位置，先根据各所述中心位置和所述谐振腔尺寸，从所述复杂载体的背面以所述中心位置处加工所述谐振腔，从所述复杂载体正面向所述谐振腔打通所述复杂载体形成所述槽缝，保持所述复杂载体外曲面形状不变；所述谐振腔上表面和所述复杂载体正面之间形成所述槽缝板。

[0020] 较佳的，在步骤S3中，将所述阻抗匹配块连接在所述槽缝板下表面的中心处，从所述复杂载体背面盖上所述谐振腔背板以形成密闭的所述谐振腔；所述馈电结构的内导体从背面穿过所述谐振腔背板上的所述背板通孔和所述锁阻抗匹配块中央处的所述阻抗通孔，外导体端部穿过所述谐振腔背板的所述背板通孔并固定于所述谐振腔背板的外侧。

[0021] 较佳的，在步骤S3中，所述阻抗匹配块上表面与所述槽缝板下表面重合，同时所述阻抗匹配块上表面的一边与中央的所述槽缝边界平行。

[0022] 与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，本发明实现了载体前向天线零剖面高度，将阵列天线对载体空气动力学等性能的影响降至最低，大幅度提高了飞行器等平台的动力性能和隐身性能；2，该天线建模时将天线剖面高度下沉至载体内部，充分利用了载体向后的空间，提高了载体平台的空间利用率；3，该天线利用载体的全金属结构，在降低天线单元结构复杂性的同时大幅度提高了阵列天线的结构强度，提高了阵列天线抗腐蚀、抗震动等环境适应性，间接提高了天线的使用寿命；4，该天线阵元未发生形变，阵元间一致性高，相比于柔性材料在后期方向图性能优化方面具有明显优势；5，该天线建模方法适用于任意形状载体曲面，具有通用性，未来可应用于包括机载、舰载和弹载在内的众多平台。

附图说明

[0023] 图1为所述超低剖面槽缝阵列天线的结构视图；

[0024] 图2为所述斜对角槽缝天线单元的结构视图；

[0025] 图3为所述超低剖面槽缝阵列天线4.5GHz处的法向方位面方向图；

[0026] 图4为所述超低剖面槽缝阵列天线4.5GHz处的方位扫描45°方位面方向图。

[0027] 图中数字表示：

[0028] 1‑复杂载体；2‑斜对角槽缝天线单元；21‑槽缝板；22‑阻抗匹配块；23‑谐振腔；24‑谐振腔背板；25‑馈电结构。

具体实施方式

[0029] 以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

[0030] 实施例一

[0031] 本发明所述超低剖面槽缝阵列天线包括复杂载体1和斜对角槽缝天线单元2，所述斜对角槽缝天线单元2设置在所述复杂载体1上。

[0032] 所述复杂载体1的表面为任意曲面，该曲面一般具有两维曲率。由于所述斜对角槽缝天线单元2需下沉至所述复杂载体1内，所述复杂载体1表面被划分为众多形状相近的曲面单体，划定每个所述曲面单体向后延伸为槽缝天线提供空间。所述复杂载体1的材质一般设置为金属。

[0033] 所述斜对角槽缝天线单元2包括槽缝板21、谐振腔23、阻抗匹配块22、谐振腔背板24和馈电结构25；所述槽缝板21为所述复杂载体1一部分，位于所述斜对角槽缝天线单元2的最上方；所述槽缝板21上表面为曲面，所述槽缝板21上设置槽缝以进行辐射，所述槽缝板
21下表面为平面；所述谐振腔23位于所述槽缝板21正下方，嵌入在所述复杂载体1内，可提高天线单元的驻波性能；所述阻抗匹配块22位于所述谐振腔23内且处于所述槽缝板21下方，紧贴所述槽缝板21，所述阻抗匹配块22中央设置阻抗通孔便于所述馈电结构25穿过；所述谐振腔背板24位于所述谐振腔23底部，用来形成封闭所述谐振腔23，其形状为长方体，通过螺钉与所述复杂载体1固定；所述谐振腔背板24中央位置处设置背板通孔，所述通孔半径与所述馈电结构25外导体尺寸相同；所述馈电结构25从所述谐振腔背板24的所述背板通孔穿过，同时穿过所述阻抗匹配块22的所述阻抗通孔与所述槽缝板21下表面焊接。

[0034] 所述槽缝板21上表面为任意形状曲面，具体形状与所建模的所述复杂载体1表面相同；所述槽缝板21的主视图为近似矩形，不同所述槽缝板21的外围形状不同；所述槽缝板21在不同位置处的厚度不同，具体厚度由所在位置处上表面的曲率决定。

[0035] 较佳的，所述槽缝板21中心位置进行挖槽缝，所述槽缝包括一个类H形槽缝和两个相同的类L形槽缝，三个所述槽缝沿所述槽缝板21的对角线排布，所述类H形槽缝位于所述槽缝板21的中央位置处，且位于两个所述类L形槽缝的中间。

[0036] 较佳的，所述谐振腔23为长方体，长方体四条侧棱边进行倒角处理；所述谐振腔23侧壁位于所述复杂载体1内，所述谐振腔背板24为独立矩形金属板，在所述槽缝和所述谐振腔23加工完成后，将所述谐振腔背板24固定于所述复杂载体1上。

[0037] 所述阻抗匹配块22材质为金属，形状为设置有倒角的长方体，所述阻抗匹配块22上表面与所述槽缝板21中央非槽缝处的下表面焊接。

[0038] 所述馈电结构25包括内导体和外导体，所述内导体材质为金属，形状为圆柱形；所述外导体材质为金属，形状为一定厚度的圆环；所述内导体和所述外导体之间为空气；所述馈电结构25的所述外导体固定于所述谐振腔背板24上，所述内导体穿过所述背板通孔和所述阻抗通孔与所述槽缝板21下表面焊接。

[0039] 所述复杂载体1的曲面划分采用Cosmol软件，该曲面按一定尺寸划分为形状类似的曲面，曲面的主视图为近似矩形。

[0040] 基于所述复杂载体1和所述斜对角槽缝天线单元2进行建模，具体建模步骤为：

[0041] S1，建模参数设置；

[0042] 根据所需增益确定所述超低剖面槽缝阵列天线的口径，确定所述斜对角槽缝天线单元2的排布栅格为矩形栅格，根据天线扫描范围确定所述斜对角槽缝天线单元2的间距；根据所述间距对所述斜对角槽缝天线单元2的参数进行优化，确定所述槽缝板21、所述谐振腔23、所述阻抗匹配块22、所述谐振腔背板24和所述馈电结构25的尺寸；根据排布栅格和间距对所述复杂载体1的表面进行网格划分，获得相应数量的所述曲面单体；考虑到结构强度，网格划分时相邻所述谐振腔23之间的壁厚需大于5mm；

[0043] S2，复杂载体处理；

[0044] 根据上述网格划分结果获取各所述槽缝天线单元1的中心位置，先根据各所述中心位置和所述谐振腔23尺寸，从所述复杂载体1的背面以天线单元中心处挖出所述谐振腔23，保证所述谐振腔23上表面平整光滑，接着从所述复杂载体1正面向所述谐振腔23打通所述复杂载体1形成所述槽缝，保持所述复杂载体1外曲面形状不变；

[0045] S3，馈电结构固定；

[0046] 首先将所述阻抗匹配块22焊接于所述槽缝板21下表面的中心处，保证所述阻抗匹配块22上表面与所述槽缝板21下表面重合，同时保证所述阻抗匹配块22上表面的一边与中央的所述槽缝边界平行；然后从所述复杂载体1背面盖上所述谐振腔背板24以形成密闭的所述谐振腔23；最后所述馈电结构25的内导体从背面穿过所述谐振腔背板24上的所述背板通孔和所述锁阻抗匹配块22中央处的所述阻抗通孔，外导体穿过所述谐振腔背板24的所述背板通孔并通过法兰固定于所述谐振腔背板24的外侧；

[0047] S4，完成阵列天线建模；

[0048] 根据网格划分所得各所述槽缝天线单元1的排布位置，重复步骤S3，完成所述斜对角槽缝天线单元2的设计安装。

[0049] 实际加工时，首先根据网格划分后所得单元位置信息在复杂载体相应位置处从背面挖腔体形成谐振腔，然后从复杂载体正面打通孔以形成槽缝，接着将阻抗匹配块焊接在谐振腔顶部，将谐振腔背板固定于复杂载体上，最后将馈电结构穿过谐振腔背板和阻抗匹配块，并固定在谐振腔背板上。

[0050] 实施例二

[0051] 如图1所示，图1为所述超低剖面槽缝阵列天线的结构视图；在本实施例中，本发明所述超低剖面槽缝阵列天线由144个斜对角槽缝天线单元2组成，工作于4.5～4.7GHz，所述斜对角槽缝天线单元2按矩形栅格排布，使用Cosmol进行网格划分，所述复杂载体1截取自某飞行器机体，所述复杂载体1的曲面形状根据空气动力学性能进行设计，无法用参数进行表征，根据上述方法对该天线进行建模。

[0052] 如图2所示，图2为所述斜对角槽缝天线单元的结构视图；所述斜对角槽缝天线单元2包括所述槽缝板21、所述阻抗匹配块22、所述谐振腔23、所述谐振腔背板24和所述馈电结构25，所述槽缝板21外围尺寸为46.5mm*39.2mm，所述槽缝板21上有1个类H形槽缝和2个类L形槽缝；3个槽缝位于所述槽缝板21正面对角线上，2个类L形槽缝位于类H形槽缝两侧；槽缝宽度为1.96mm，槽缝倒角半径为0.5mm。所述阻抗匹配块22的形状为长方体，尺寸为
5.5mm*5.5mm*4.5mm，倒角半径为0.75mm，所述阻抗匹配块22的上表面与所述槽缝板21的下表面重合；所述阻抗匹配块22中央位置处打通孔便于所述馈电结构25穿过。所述谐振腔23形状为长方体，尺寸为43.8mm*33.8mm*8.3mm，所述谐振腔23倒角半径为2.4mm；腔体底部打通孔便于所述馈电结构24穿出。所述谐振腔背板24材质为金属，形状为长方体，尺寸与所述谐振腔23相同，背板中央位置处打通孔；所述馈电结构25包括内导体和外导体，所述内导体为圆柱形金属件，半径为0.45mm，长度为14mm；所述外导体外径为1.5mm，厚度为0.4mm，长度为7.2mm。所述馈电结构25穿过所述谐振腔背板24通孔，其内导体继续穿过所述阻抗匹配块
22中央通孔与所述槽缝板21下表面接触；所述馈电结构24外导体通过法兰固定于所述谐振腔背板24上。采用Cosmol软件对所述复杂载体1的曲面进行面网格划分，面网格形状为类似矩形，并获取所有面网格的位置信息(含网格节点坐标及法向矢量等)。根据网格信息和槽缝阵列天线单元的尺寸，完成在所述复杂载体1上阵列天线建模。

[0053] 基于所述复杂载体1和所述斜对角槽缝天线单元2进行建模，具体建模步骤为：

[0054] S1，建模参数设置；

[0055] 首先根据所需增益确定共形阵列天线的口径大致为900mm*450mm，根据阵列天线方向图性能要求确定微带腔体天线单元排布栅格为矩形栅格，排布间距为23mm*24.5mm；阵列天线的规模为18*8；天线单元参数经过优化获得，上述为槽缝板21、阻抗匹配块22、谐振腔23、谐振腔背板24和馈电结构25的尺寸；采用Cosmol软件对复杂载体1曲面进行面网格划分，获得所有单元的位置信息和矢量信息。

[0056] S2，复杂载体处理；

[0057] 根据上述网格划分结果获取槽缝天线单元的中心位置，先根据天线单元位置和谐振腔尺寸从复杂载体背面天线单元中心处挖出长方体腔体，保证谐振腔上表面平整光滑，接着从复杂载体正面打通孔形成辐射槽缝，保持复杂载体外曲面形状不变。

[0058] S3，馈电结构固定；

[0059] 首先将阻抗匹配块焊接于槽缝板下表面中心处，保证阻抗匹配块上表面与槽缝板下表面重合，同时保证阻抗匹配块其中一边与最中央的缝隙平行；

[0060] 然后从复杂载体背面盖上谐振腔背板以形成密闭腔体；

[0061] 最后馈电结构内导体从背面穿过谐振腔背板上的圆形通孔和阻抗匹配块中央处的圆形通孔，外导体穿过谐振腔背板的圆形通孔并通过法兰固定于谐振腔背板外侧。

[0062] S3，完成阵列天线建模；

[0063] 根据网格划分所得槽缝天线单元排布位置，重复S3，完成槽缝阵列天线的建模。

[0064] 经仿真计算，所述超低剖面槽缝阵列天线在4.5GHz处法向的方位面方向图如图3所示，可得这个频点方向图的副瓣为‑13.3dB。该天线在4.5GHz处方位扫描45°方位面方向图如图4所示，可得这个频点方向图的副瓣为‑12.4dB。上述天线实现完全不露出复杂载体曲面，同时共形阵列天线实现了扫描45°不出现栅瓣，不加权时方向图均在‑12dB以下。

[0065] 综上所述，上述实施例的超低剖面槽缝阵列天线，实现了载体前向天线零剖面高度，将阵列天线对载体空气动力学等性能的影响降至最低，大幅度提高了飞行器等平台的动力性能和隐身性能；该天线建模时将天线剖面高度下沉至载体内部，充分利用了载体向后的空间，提高了载体平台的空间利用率；该天线利用载体的全金属结构，在降低天线单元结构复杂性的同时大幅度提高了阵列天线的结构强度，提高了阵列天线抗腐蚀、抗震动等环境适应性，间接提高了天线的使用寿命。该天线建模方法适用于任意形状载体曲面，具有通用性，未来可应用于包括机载、舰载和弹载在内的众多平台。

[0066] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。