CN115498404B - 一种宽带共形天线及天线阵面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带共形天线及天线阵面，包括天线辐射层、天线介质块、天线反射层及射频连接器，天线介质块包括天线基座、射频连接器基座和陷波结构体，天线基座的上表面贴附天线辐射层，天线基座下表面固定连接射频连接器基座，所述射频连接器基座中空且其边缘从下到上凹陷形成多个陷波结构体；天线反射层包括陷波腔体和陷波体金属层，天线介质块嵌入天线反射层内；所述射频连接器穿过天线基座与天线辐射层电连接，射频连接器还与天线反射层电连接；本发明的优点在于：天线带宽高且剖面高度低，陷波结构体及陷波体金属层不是设置在天线层上不会改变天线表面电流分布，不影响辐射波瓣图。

Description

一种宽带共形天线及天线阵面

技术领域

本发明涉及天线技术领域，更具体涉及一种宽带共形天线及天线阵面。

背景技术

对于通信及雷达探测系统，对天线阵面覆盖范围及工作带宽的要求越来越高。常见的共形天线可以解决覆盖范围的问题，但是若想提高天线阵面工作带宽，会增加天线阵面的剖面高度，对于气动要求高或者其它对剖面要求高的平台，高剖面高度是无法忍受的。因此，提高共形天线的工作带宽的同时还尽量保证剖面高度低是行业研究热点。

中国专利公开号CN106025578A，公开了一种共形球面天线阵，包括天线罩、天线阵、屏蔽罩、底板和支撑装置，天线阵安装在底板上，且屏蔽罩位于天线阵与底板之间，天线罩盖住天线阵，且底板上开设有一环形槽，天线罩的下边缘插入环形槽内，且通过锁紧定位机构定位，支撑装置安装在底板的底部，天线阵包括第一层骨架、第二层骨架、第三层骨架和天线，所述的第一层骨架、第二层骨架、第三层骨架均在同一椭球面内，且每一层骨架的倾角均不相同，所述的第一层骨架、第二层骨架与椭球面相切，第三层骨架与第二层骨架的球面切线具有切线夹角a。其属于一种半球形共形天线阵，每个天线单元独立加工，再通过安装孔安装在骨架上。目前3D打印天线在共形天线设计方面具有很大优势，可以实现复杂扭面的天线或天线基座加工。但是该共形球面天线阵的结构复杂，提高天线阵面工作带宽的同时会增加天线阵面的剖面高度。

中国专利公开号CN110165396A公开了基于3D打印的稀疏型介质棒天线，中的介质棒由3D打印技术实现，介质棒的横截面上周期性地分布着空气槽和空气孔。该介质棒采用3D打印加工成型，易于加工复杂结构及降低了加工成本，在天线工作频段内具有稳定的高增益辐射特性，可应用于X波段雷达与卫星通信等无线通信系统中。其通过3D打印技术实现天线加工，提升了天线及天线阵面一体化集成性，一定程度上降低了剖面高度，但是其不涉及共形天线设计及加工，无法提高共形天线的带宽的同时降低剖面高度。

另外，为了避开特定频段的干扰或解决宽/窄带系统间电磁兼容的问题，若通过增加滤波器来滤除某频段的干扰，不仅增加了器件的插入损耗，还增加了系统的成本及重量，因此陷波天线是比较优的解决方案。中国专利公开号CN 113964524 A、CN 114336057 A、CN110931971 A和CN 113036417 A公开的方案均是通过在地板或辐射天线或馈电分支上设置若干槽缝，实现若干频点的陷波；中国专利公开号CN 114336058 A公开的方案是在辐射天线上及馈电分支旁设置若干缝隙，并在缝隙中设计了若干二极管，通过控制二极管的通/断状态，实现天线单元的陷波频点的电调。上述这些在辐射天线或地板上设置缝隙实现陷波的方法，会改变其表面电流分布，影响辐射波瓣图。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于现有技术无法提高共形天线的带宽的同时降低剖面高度，并且容易改变天线表面电流分布，影响辐射波瓣图。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种宽带共形天线，包括天线辐射层（1）、天线介质块（2）、天线反射层（3）及射频连接器（4），所述天线介质块（2）包括天线基座（21）、射频连接器基座（22）和陷波结构体（23），所述天线基座（21）的上表面贴附天线辐射层（1），所述天线基座（21）下表面固定连接射频连接器基座（22），所述射频连接器基座（22）中空且其边缘从下到上凹陷形成多个陷波结构体（23）；天线反射层（3）包括陷波腔体（31）和陷波体金属层（32），所述陷波腔体（31）的底部排布多个陷波体金属层（32），多个陷波体金属层（32）围成的区域向上形成一个凸起，所述凸起嵌入射频连接器基座（22）的中空部，射频连接器基座（22）的边缘嵌入陷波腔体（31）内，陷波体金属层（32）嵌入陷波结构体（23）内，从而所述天线介质块（2）嵌入天线反射层（3）内；所述凸起为中空结构，所述射频连接器（4）内嵌于所述凸起中，所述射频连接器（4）穿过天线基座（21）与天线辐射层（1）电连接，射频连接器（4）还与天线反射层（3）电连接。

本发明天线介质块（2）嵌入天线反射层（3）内，射频连接器（4）内嵌于天线反射层（3）内，并且天线辐射层（1）贴附于天线基座（21）的上表面，所占的剖面高度很低，整体剖面高度相当于只有天线介质块（2）的高度，大大降低了天线剖面高度，同时，天线反射层（3）上形成陷波腔体（31），实现天线带宽的增加，整个天线带宽高且剖面低。另外，本发明中的陷波结构体（23）及陷波体金属层（32）不是设置在天线辐射层（1）上，不会改变原天线的电流分布及阻抗匹配，不会影响天线辐射层（1）的辐射波瓣图。

进一步地，所述射频连接器基座（22）为中空的圆柱体，圆柱体的边缘实体部位从下到上凹陷形成多个陷波结构体（23），多个陷波结构体（23）呈环形阵列排布。

更进一步地，所述陷波腔体（31）的底部环形阵列排布多个陷波体金属层（32），多个陷波体金属层（32）围成的圆形区域向上形成一个圆柱体的凸起，所述天线介质块（2）嵌入天线反射层（3）内，其中，圆柱体的凸起嵌在射频连接器基座（22）的中空圆柱体内，射频连接器基座（22）的中空圆柱体的实体部分嵌入陷波腔体（31）内，陷波体金属层（32）嵌入陷波结构体（23）内。

更进一步地，所述圆柱体的凸起内部中空，所述射频连接器（4）内嵌于圆柱体凸起的中空部，所述射频连接器（4）包括内导体和外导体，所述内导体穿过天线基座（21）与天线辐射层（1）电连接，所述外导体与天线反射层（3）电连接。所述射频连接器（4）通过射频电缆与后端有源收发组件连接。

进一步地，所述陷波腔体（31）的形状包括环形、方形、椭圆形、多边形。

进一步地，多个所述陷波结构体（23）不等间距和/或不等尺寸，实现双频/多频段陷波，多个所述陷波结构体（23）等间距等尺寸时，实现单个频段陷波。

进一步地，所述陷波腔体（31）的个数大于1时，其腔体类型包括相互独立的腔体以及部分交叠的连通腔体。

进一步地，所述天线介质块（2）通过3D打印技术一体成型，其材质包括ABS塑料、陶瓷、树脂、玻璃。

进一步地，所述天线介质块（2）的天线基座（21）的形状包括圆柱形、球形、锥台形、流线曲面形。

本发明还提供一种宽带共形天线阵面，包括上述任一项所述的宽带共形天线，所述宽带共形天线阵列排布。

本发明的优点在于：

（1）本发明天线介质块（2）嵌入天线反射层（3）内，射频连接器（4）内嵌于天线反射层（3）内，并且天线辐射层（1）贴附于天线基座（21）的上表面，所占的剖面高度很低，整体剖面高度相当于只有天线介质块（2）的高度，大大降低了天线剖面高度，同时，天线反射层（3）上形成陷波腔体（31），实现天线带宽的增加，整个天线带宽高且剖面低。另外，本发明中的陷波结构体（23）及陷波体金属层（32）不是设置在天线辐射层（1）上，不会改变原天线的电流分布及阻抗匹配，不会影响天线辐射层（1）的辐射波瓣图。

（2）本发明具有一体化集成性。传统的天线技术方案一般是单独设计微带天线，再将微带板固定于金属反射板，金属板后安装连接器，一体化集成性较差。本发明中天线介质块（2）是利用3D打印技术加工实现，提升了天线及天线阵面一体化集成性，直接将射频连接器（4）安装于射频连接器基座（22）即可，便于安装使用。

（3）本发明具有陷波功能。传统的陷波功能是在天线辐射层设置陷波结构。本发明充分利用陷波腔体（31），在其内部设置陷波结构体（23），陷波结构体（23）表面设置陷波体金属层（32），在不影响天线带宽的前提下，实现带内陷波的功能。而且本发明中的陷波结构体（23）设置在射频连接器基座（22）上，实现射频连接器基座（22）和射频连接器基座（22）一体化集成，不用额外增加空间。

（4）传统的背腔天线剖面高，再加上射频连接器的高度，整体的剖面高度较高，不便于系统安装集成。而本发明中将天线的背腔与射频连接器基座（22）合二为一，降低了天线剖面高度。

附图说明

图1为本发明实施例1所公开的一种宽带共形天线结构示意图；

图2为图1的分解示意图；

图3为本发明实施例1所公开的一种宽带共形天线中天线介质块结构示意图；

图4为图3中天线介质块沿AA’剖分后结构示意图；

图5为图3中天线介质块仰视结构示意图；

图6为本发明实施例1所公开的一种宽带共形天线中天线反射层剖面示意图；

图7为本发明实施例1所公开的一种宽带共形天线中天线反射层俯视结构示意图；

图8为本发明实施例1所公开的一种宽带共形天线中天线反射层仰视结构示意图；

图9为本发明实施例1所公开的一种宽带共形天线加工流程图；

图10为本发明实施例2所公开的一种宽带共形天线阵面结构示意图；

图11为本发明实施例2所公开的一种宽带共形天线阵面俯视图；

图12为本发明实施例3所公开的一种宽带共形天线阵面结构示意图；

图13为本发明实施例3所公开的一种宽带共形天线阵面另一角度的结构示意图；

图14为本发明实施例4所公开的一种宽带共形天线结构示意图；

图15为本发明实施例4所公开的一种宽带共形天线分解示意图；

图16为本发明实施例4所公开的一种宽带共形天线中天线介质块结构示意图；

图17为本发明实施例4所公开的一种宽带共形天线中天线介质块沿AA’剖分后结构示意图；

图18为本发明实施例4所公开的一种宽带共形天线中天线反射层结构示意图；

图19为本发明实施例4所公开的一种宽带共形天线中天线反射层沿AA’剖分后结构示意图；

图20为本发明实施例5所公开的一种宽带共形天线阵面结构示意图；

图21为本发明实施例5所公开的一种宽带共形天线阵面另一角度示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1-图9所示，本实施例提供一种宽带共形天线，包括天线辐射层1、天线介质块2、天线反射层3及射频连接器4，如图3至图5所示，所述天线介质块2包括天线基座21、射频连接器基座22和陷波结构体23，所述天线基座21的上表面贴附天线辐射层1，所述天线基座21下表面固定连接射频连接器基座22，所述射频连接器基座22为中空的圆柱体，圆柱体的边缘实体部位从下到上凹陷形成多个陷波结构体23，多个陷波结构体23呈环形阵列排布，陷波结构体23为半封闭结构。多个所述陷波结构体23不等间距和/或不等尺寸，实现双频/多频段陷波，多个所述陷波结构体23等间距等尺寸时，实现单个频段陷波，通过调节陷波结构体23的间距和尺寸从而实现陷波方式的调节，另外，陷波体金属层32的尺寸和间距与陷波结构体23匹配。

图6至图8所示，天线反射层3包括陷波腔体31和陷波体金属层32，所述陷波腔体31的形状包括环形、方形、椭圆形、多边形，本实施例中，陷波腔体31为环形，陷波腔体31的个数大于1且其腔体类型为相互独立的腔体。所述陷波腔体31的底部环形阵列排布多个陷波体金属层32，多个陷波体金属层32围成的圆形区域向上形成一个圆柱体的凸起，所述天线介质块2嵌入天线反射层3内，其中，圆柱体的凸起嵌在射频连接器基座22的中空圆柱体内，射频连接器基座22的中空圆柱体的实体部分嵌入陷波腔体31内，陷波体金属层32嵌入陷波结构体23内。所述天线反射层3与射频连接器基座22设置于天线介质块2的同一侧；所述天线辐射层1设置于天线介质块2另一侧。陷波腔体31位于天线辐射层1的下方，不仅增加了天线带宽，而且实现了带内的陷波功能。

所述圆柱体凸起内部中空，所述射频连接器4内嵌于圆柱体凸起的中空部，所述射频连接器4包括内导体和外导体，所述内导体穿过天线基座21与天线辐射层1电连接，所述外导体与天线反射层3电连接。所述射频连接器4通过射频电缆与后端有源收发组件连接。

结合图9，为本发明共形天线阵加工流程图。由实施例1中天线单元组成天线阵列时，天线介质块2利用3D打印技术加工实现。天线介质块2的天线基座21外形依据任务要求或平台形状确定，射频连接器基座22的位置依据单元之间的距离确定。所述天线介质块2的材质包括但不限于ABS塑料、陶瓷、树脂、玻璃。

天线介质块2的内外两侧表面涂覆金属层，即天线基座21的外表面涂覆一层金属，天线基座21的另一侧表面及射频连接器基座22的表面也涂覆一层金属。金属层的厚度一般要求5微米~40微米之间，要具有一定的抗剥离强度和耐腐蚀性要求。利用多轴加床将天线介质块2外侧的非金属区域进行剥离，保留天线阵面的金属区域，最终实现天线辐射层1的加工。

作为进一步改进的方案，所述天线介质块2的天线基座21的形状包括圆柱形、球形、锥台形、流线曲面形。

通过以上技术方案，本发明天线介质块2嵌入天线反射层3内，射频连接器4内嵌于天线反射层3内，并且天线辐射层1贴附于天线基座21的上表面，所占的剖面高度很低，整体剖面高度相当于只有天线介质块2的高度，大大降低了天线剖面高度，同时，天线反射层3上形成陷波腔体31，实现天线带宽的增加，整个天线带宽高且剖面低。

实施例2

如图10-图11所示，基于实施例1，本发明实施例2提供一种宽带共形天线阵面，天线介质块2的天线基座21的形状为圆柱形，所有的天线共用一个天线基座21，从而在天线基座21上阵列排布了很多实施例1所描述的天线结构，形成圆柱形共形天线阵面，该圆柱共形天线阵面可以实现方位360度全向覆盖。

实施例3

如图12-图13所示，基于实施例1，本发明实施例3提供一种宽带共形天线阵面，天线介质块2的天线基座21的形状为半球形，所有的天线共用一个天线基座21，从而在天线基座21上阵列排布了很多实施例1所描述的天线结构，形成半球形共形天线阵面，该半球形共形天线阵面可以实现上半空间全空域覆盖。

实施例4

如图14-图19所示，基于实施例1，本发明实施例4提供一种宽带共形天线，该天线为双极化天线形式，与实施例1的区别在于陷波腔体31的个数为2且其腔体类型为部分交叠的连通腔体或相互独立的两个腔体，本实施例中陷波腔体31是实施例1中两个陷波腔体31连通而成，对应的射频连接器基座22有两个，每个天线单元对应两个射频连接器4，并且分别固定安装于射频连接器基座22中，两个射频连接器基座22根据天线特性要求，可以相对独立，也可以有交叠部分。即所述射频连接器基座22与天线反射层3之间形成的介质填充型陷波腔体31可以是相互独立的两个腔体，也可以是有交叠的连通腔体。其他结构以及连接关系与实施例1相同，在此不做赘述。

实施例5

如图20-图21所示，基于实施例4，本发明实施例5提供一种宽带共形天线阵面，天线介质块2的天线基座21的形状为半球形，所有的天线共用一个天线基座21，从而在天线基座21上阵列排布了很多实施例4所描述的天线结构，形成半球形共形天线阵面，该半球状共形天线阵面具有双极化特性，并且可以实现上半空间全空域覆盖。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种宽带共形天线，其特征在于，包括天线辐射层（1）、天线介质块（2）、天线反射层（3）及射频连接器（4），所述天线介质块（2）包括天线基座（21）、射频连接器基座（22）和陷波结构体（23），所述天线基座（21）的上表面贴附天线辐射层（1），所述天线基座（21）下表面固定连接射频连接器基座（22），所述射频连接器基座（22）中空且其边缘从下到上凹陷形成多个陷波结构体（23）；天线反射层（3）包括陷波腔体（31）和陷波体金属层（32），所述陷波腔体（31）的底部排布多个陷波体金属层（32），多个陷波体金属层（32）围成的区域向上形成一个凸起，所述凸起嵌入射频连接器基座（22）的中空部，射频连接器基座（22）的边缘嵌入陷波腔体（31）内，陷波体金属层（32）嵌入陷波结构体（23）内，从而所述天线介质块（2）嵌入天线反射层（3）内；所述凸起为中空结构，所述射频连接器（4）内嵌于所述凸起中，所述射频连接器（4）穿过天线基座（21）与天线辐射层（1）电连接，射频连接器（4）还与天线反射层（3）电连接；

所述射频连接器基座（22）为中空的圆柱体，圆柱体的边缘实体部位从下到上凹陷形成多个陷波结构体（23），多个陷波结构体（23）呈环形阵列排布；

所述陷波腔体（31）的底部环形阵列排布多个陷波体金属层（32），多个陷波体金属层（32）围成的圆形区域向上形成一个圆柱体的凸起，所述天线介质块（2）嵌入天线反射层（3）内，其中，圆柱体的凸起嵌在射频连接器基座（22）的中空圆柱体内，射频连接器基座（22）的中空圆柱体的实体部分嵌入陷波腔体（31）内，陷波体金属层（32）嵌入陷波结构体（23）内；

所述圆柱体的凸起内部中空，所述射频连接器（4）内嵌于圆柱体凸起的中空部，所述射频连接器（4）包括内导体和外导体，所述内导体穿过天线基座（21）与天线辐射层（1）电连接，所述外导体与天线反射层（3）电连接，所述射频连接器（4）通过射频电缆与后端有源收发组件连接。

2.根据权利要求1所述的一种宽带共形天线，其特征在于，所述陷波腔体（31）的形状包括环形、方形、椭圆形、多边形。

3.根据权利要求1所述的一种宽带共形天线，其特征在于，所述陷波腔体（31）的个数大于1时，其腔体类型包括相互独立的腔体以及部分交叠的连通腔体。

4.根据权利要求1所述的一种宽带共形天线，其特征在于，所述天线介质块（2）通过3D打印技术一体成型，其材质包括ABS塑料、陶瓷、树脂、玻璃。

5.根据权利要求1所述的一种宽带共形天线，其特征在于，所述天线介质块（2）的天线基座（21）的形状包括圆柱形、球形、锥台形、流线曲面形。

6.一种宽带共形天线阵面，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的宽带共形天线，所述宽带共形天线阵列排布。