CN108039562A - 一种应用于无人机平台的有源共形阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于无人机平台的有源共形阵列天线，由外至内依次包括集成共形的天线阵面、机身蒙皮、多功能板、瓦片式TR组件，所述天线阵面上采用贴片作为辐射单元并与机身蒙皮的结构共形，所述天线阵面包括依次由外至内的天线辐射层、热控与支撑层，所述天线阵面采用SMP盲配连接器穿过热控与支撑层、多功能板与瓦片式TR组件连接。本发明采用刚柔印制板相结合的方式实现了有源模块和天线阵列以及机身蒙皮的一体化集成，避免了传统设计无法实现有源模块与机身一体化集成的缺点，同时其占用的空间小、有更强的抗电磁干扰能力，而且满足飞行器的空气动力学要求。

Description

一种应用于无人机平台的有源共形阵列天线

技术领域

本发明涉及雷达天线技术领域，尤其涉及一种应用于无人机平台的有源共形阵列天线。

背景技术

现代飞行器上采用大量单功能天线，安装在飞行器周身，主要为雷达、电子战用的接收机、干扰机、导弹来袭预警设备、导航设备、雷达高度表等电子设备服务，这些天线一般分布于飞行器头部、前上方或下方，并采用天线罩进行覆盖。随着未来飞行器向微型化、轻质化、无人化等方向发展，其对电子系统的体积、重量、性能的要求越来越严格，特别是机载、星载、以及各类武器系统所需要的电子组件、部件更向着短、小、轻、薄、高可靠性的方向快速发展。在性能方面,迫切需要电磁兼容性好、不易受电子干扰、雷达散射截面小、具有隐身/反隐身性能的阵列天线，对于天空飞行器，天线系统的设计必须满足空气动力学的要求，同时又要具有很高的电磁性能,这是现代天线设计中的一个难题。如果取消传统的外露天线，将飞行器上的各种天线与机翼、机身蒙皮结合起来，可以有效地利用飞行器的表面积、减轻飞行器重量、降低飞行器空气阻力，减少RCS，既提高了飞行性能又改善了隐身性能。

共形天线还为天线形状和阵列的根本改变提供了可能，通过分配整个飞机的天线阵列单元，可以极大的增强高频波段有源相控阵雷达(AESA)系统的性能，而低频雷达系统可以通过在飞机下表面合理分配阵列单元来实现。这样，用很少的天线阵列就可以代替比较多的突出飞机表面的天线，不仅可以减少重量，还可以节省体积，为安装实现其它功能的元件提供空间。由于传统的天线和传感器安装是在机身上挖洞，这样会大大的降低机身结构的刚度。共形天线由于是和机身一体化，可以避免附加层，可以预期在相同的外部环境下，共形天线对结构的不利影响要远小于传统的突出蒙皮表面的天线。

另外一方面，随着信息技术的发展，作战空域的电磁环境变得越来越复杂，电磁干扰威胁变得越来越严重，双方对电磁控制权的争夺，可以导致无线电电子设备不能正常工作、通信指挥失灵、雷达迷盲、电子制导失控等。因此，机载雷达系统必须拥有更强大的抗电子干扰、抗反辐射导弹、抗雷达探测、抗高速反导导弹的低空和超低空打击能力。共形天线技术由于充分利用了载体表面积，所以能够增大天线口径，提高天线增益；同时它还可以大大降低雷达系统乃至整个载体的RCS，能有效地设计出具有低副瓣电平的共形阵列天线。因此，共形天线技术能够大大提高飞行器雷达的“四抗”性能，从而极大地提高飞行器的生存力、战斗力。

随着未来飞行器向微型化、轻质化的方向发展，共形天线有着极其广泛的应用空间。其不仅可以减轻天线结构的重量，还可以很好的与结构一体化集成，而且方便天线结构的卷曲和展开，为其它的元器件提供了有利空间。在未来小型无人机等平台中将会有着更广泛的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的占空间大、易受电磁干扰的不足，提供了一种应用于无人机平台的有源共形阵列天线。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种应用于无人机平台的有源共形阵列天线，由外至内依次包括集成共形的天线阵面、机身蒙皮、多功能板、瓦片式TR组件，所述天线阵面上采用贴片作为辐射单元并与机身蒙皮的结构共形，所述天线阵面包括依次由外至内的天线辐射层、热控与支撑层，所述天线阵面采用SMP盲配连接器穿过热控与支撑层、多功能板与瓦片式TR组件连接。

作为本发明的优选方式之一，所述热控与支撑层与天线辐射层固定连接为一体支撑天线阵面并形成散热通道。

作为本发明的优选方式之一，所述瓦片式TR组件包括四通道TR组件以及包裹四通道TR组件的封装结构。

作为本发明的优选方式之一，所述多功能板包括由外至内的SMP盲配接口层、第一隔离层、功分网络地层、功分合成网络层、低频分配网络层、电源波控电路层。

作为本发明的优选方式之一，所述电源波控电路层包括TR焊接层以及集成在TR焊接层的电源波控电路。

作为本发明的优选方式之一，所述四通道TR组件集成了2×2通道的发射功率放大器芯片、接收低噪声放大器芯片和具有移相、衰减及收发控制功能的多功能芯片并形成一个2×2阵列的平面子阵；封装结构则将该各个芯片封装成一个SMT模块，其外部预留一个输入口、四个输出口以及电源波控接口。

作为本发明的优选方式之一，所述电源波控电路包括波控电路、电源电路和射频总口，波控电路接收计算机控制指令，并通过电源控制信号线控制电源电路的开关，并通过波控信号埋孔与低频分配网络层连接，电源电路通过电源埋孔与低频分配网络层连接；电源波控电路层预留个矩阵排列的芯的电源波控分口，并通过低频分配网络层上将电源和波控信号分配到16个TR组件。

作为本发明的优选方式之一，所述多功能板采用的是刚柔结合的方式，并采用多层PCB工艺加工而成，其中电源波控板采用FR4材料，厚度为0.5mm；射频刚性板采用的是CLTE-XT，厚度为0.254mm；射频柔性板采用的是Dupon AP-8525R，厚度为0.2mm；不同层的射频板采用粘接片Fastrise进行压合，其厚度为0.12mm；多功能板包括依次垂直互连的电源波控电路层、低频分配网络层、功分合成网络层、功分网络地层、第一隔离层和SMP盲配接口层。

作为本发明的优选方式之一，所述瓦片式TR组件以16个四通道TR组件组成8×8个矩阵排列的收发通道，每个四通道TR组件集成2×2通道的发射功率放大芯片、接收低噪声芯片和具有移相衰减及收发控制功能的多功能芯片并形成一个2×2阵列的平面子阵；每个四通道TR组件的上表面安装有四个四通道TR组件射频分口，整个阵面共有8×8个矩阵排列的射频分口并与64个SMP盲配连接器一一对应连接。

本发明相比现有技术的优点在于：

1.本发明采用刚柔印制板相结合的方式实现了有源模块和天线阵列以及机身蒙皮的一体化集成，避免了传统设计无法实现有源模块与机身一体化集成的缺点，同时其占用的空间小，而且满足飞行器的空气动力学要求、有更强的抗电磁干扰能力；

2.本发明采用了六层高集成的瓦片结构，刚性板之间采用柔性电路板进行互联，避免了射频线缆以及连接器的使用，能够有效减小互联损耗，有益于降低系统的功耗；

3.本发明中的多功能版采用多层PCB工艺设计，其集成了功分馈电网络、电源电路、波控电路及相互间的垂直互联，纵向尺寸与普通多层PCB板一样，避免了现有技术方案不能集成电源以及波控模块的缺点，同时能保持低剖面特性，有益于减小占用的空间体积；

4.本发明的瓦片式TR组件采用4通道平面子阵作为天线阵面的基本单元，每个组件包含2×2通道的功率放大器芯片、低噪声放大器芯片和具有移相衰减及收发控制多功能芯片，并采用模块化封装，天线阵列所需TR组件数量只有传统技术方案的四分之一；

5.本发明天线阵面的辐射结构采用贴片单元，方便与机身的共形，其辐射板采用背腔微带结构来拓宽带宽；辐射层和热控与支撑层焊接在一起并与瓦片式TR组件堆叠形成散热通道；TR组件与天线辐射单元之间的射频盲配连接器内嵌在热控与支撑层中，实现天线阵面在辐射电磁波的同时向外辐射热，简化了散热设计。

附图说明

图1是本发明实施例的有源共形阵列天线的原理示意图；

图2是本发明实施例的有源共形阵列天线的侧视图；

图3是图1中的天线阵面的透视分解示意图；

图4是图1中的瓦片式TR组件的透视分解示意图；

图5是8GHz本发明天线的接收方位向-45度扫描测试方向图；

图6是10GHz本发明天线的接收方位向-45度扫描测试方向图；

图7是11GHz本发明天线的接收方位向-45度扫描测试方向图；

图8是8GHz本发明天线的发射方位向+45度扫描测试方向图；

图9是10GHz本发明天线的发射方位向+45度扫描测试方向图；

图10是11GHz本发明天线的发射方位向+45度扫描测试方向图。

图中：1为天线阵面，11为天线贴片单元，12为天线辐射层，13为热控和支撑层，14为SMP盲配孔，2为多功能板，21为SMP盲配接口层，22为第一隔离层，23为功分网络地层，24为功分合成网络层，25为低频分配网络层，26为电源波控电路层，27为低频网络垂直过孔，28为功分网络与天线相连接的垂直互联过孔，211为射频总口，212为电源总口，213为波控总口，214为电源控制信号线，3为瓦片式TR组件，4为柔性板。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-4所示，本实施例以一种有源共形阵列天线工作在8-11GHz为例，阵列规模取为8×8，具体包括机身蒙皮(图中未标示)、天线阵面1、多功能板2以及瓦片式TR组件3。

天线阵面1包括天线贴片单元11、天线辐射层12、热控和支撑层13、SMP盲配孔14，所述天线贴片单元11与机身蒙皮的结构共形，所述天线阵面1采用SMP盲配连接器穿过热控与支撑层13、多功能板2与瓦片式TR组件3连接；

多功能板2包括由外至内的SMP盲配接口层21、第一隔离层22、功分网络地层23、功分合成网络层24、低频分配网络层25、电源波控电路层27，其中电源波控电路层27包括TR焊接层以及集成在TR焊接层的电源波控电路；

瓦片式TR组件3包括四通道TR组件以及包裹四通道TR组件的封装结构(图中未标示)；

天线阵面1以8×8个矩阵排列的背腔微带单元组成天线辐射层12，以0.52个波长作为背腔微带单元间距，实现±45度波束扫描；天线辐射层12采用激光焊接的方式焊接在热控与支撑层213上形成一个整体的层状瓦片结构，热控与支撑层13上加工有8×8个矩阵排列的热控结构过孔14，过孔位置与背腔微带单元一一对应；64个SMP盲配连接器为双阴连接器，内嵌在热控结构过孔14中与背腔微带单元一一对应相连接。

天线阵面1的热控与支撑层13与瓦片式TR组件2紧贴在一起，以热传导的方式将TR组件产生的热量传导到天线辐射层12，再由天线辐射层12以热辐射的形式将热量辐射到空间，实现天线阵面在辐射电磁波的同时向外辐射热。

多功能板2采用的是刚柔结合的方式，并采用多层PCB工艺加工而成，其中电源波控板采用FR4材料，厚度为0.5mm；射频刚性板采用的是CLTE-XT，厚度为0.254mm；射频柔性板采用的是Dupon AP-8525R，厚度为0.2mm；不同层的射频板采用粘接片Fastrise进行压合，其厚度为0.12mm。多功能板2包括依次垂直互连的电源波控电路层26、低频分配网络层25、功分合成网络层24、功分合成网络地层23、第一隔离层21、和盲配接口层20。

多功能板2的电源波控电路层26包括波控电路213、电源电路212和射频总口211，波控电路213接收计算机控制指令，并通过电源控制信号线214控制电源电路212的开关，并通过波控信号埋孔27与低频分配网络层25连接，电源电路212通过电源埋孔27与低频分配网络层25连接；电源波控电路层26预留16个矩阵排列的14芯的电源波控分口215，并通过低频分配网络层25上将电源和波控信号分配到16个TR组件。

多功能板2的第一隔离层22为射频总口211提供参考地平面，第一隔离层22上除了盲孔过孔位置27为空以外，其余部分为金属接地层，起到隔离射频大信号层与小信号层的作用。

多功能板2的功分合成网络层23上刻蚀4个有1：4的功分合成网络，这些网络的信号来自于1:4功分电路216。

多功能板2的盲配接口层21上加工有16个功分合成网络分口，同时加工有与16个穿过隔离层和功分地层的过孔28，实现与射频总口的连接。

多功能板2的射频总口211与射频总口第一层地25共同组成50欧姆射频信号输入输出总口。

瓦片式TR组件3以16个四通道TR组件组成8×8个矩阵排列的收发通道，每个四通道TR组件3集成2×2通道的发射功率放大芯片、接收低噪声芯片和具有移相衰减及收发控制功能的多功能芯片并形成一个2×2阵列的平面子阵。每个四通道TR组件3的上表面安装有四个四通道TR组件射频分口28，整个阵面共有8×8个矩阵排列的射频分口并与64个SMP盲配连接器21一一对应连接；

计算机发出的波控指令通过波控计算机接口(212-215)进入波控电路产生收发开关、移相和衰减波控信号，由波控信号埋孔27到低频分配网络层25分配到16个四通道TR组件，完成TR组件收发开关、移相、衰减的控制，实现收发射频信号的功率合成与波束扫描的功能。

外接+48伏直流电源通过电源接口进入电源电路215产生+8伏、+5伏和-5伏直流电，4个14芯的电源波控分口通过电源埋孔27到低频分配网络层25分配到16个四通道TR组件3，完成对64路TR组件内功率放大芯片、低噪声芯片和多功能芯片的供电。

发射过程：信号源发出的射频信号由射频总口211进入功分合成网络216分配成4路射频信号，再通过射频信号盲孔217进入16个四通道TR组件3，每个组件内部再分成4路射频信号经移相器移相和功率放大芯片放大后输出，再由四通道TR组件射频分口28输出，16个TR组件输出的64路发射信号经SMP盲配连接器14进入8×8个矩阵排列的背腔微带单元组成的天线辐射层12，实现射频信号的发射，其发射的时序和波束指向则由电源和波控电路调制实现，完成波束的扫描。

接收过程：空间的射频信号经由贴片天线11接收，然后通过SMP盲配连接器14穿过天线辐射层12和热控和支撑层13，进入64路TR组件3，由TR组件内集成的低噪声放大芯片放大、移相器移相和衰减器衰减后合并成16路输出，再通过射频信号盲孔128进入功分合成网络24以及216合并成1路信号经射频总口211输出，实现射频信号的接收。接收时序及波束成形由波控和电源电路进行调制，实现空间波束的扫描。

图5给出了有源共形阵列天线在8GHz处接收方位向-45度扫描测试方向图。图6给出了有源共形阵列天线在10GHz处接收方位向-45度扫描测试方向图。图7给出给出了有源共形阵列天线在12GHz处接收方位向-45度扫描测试方向图。比较这几个曲线图形，在8GHz～12GHz带宽内，接收方向图无明显恶化，接收能实现45度扫描。

图8给出了有源共形阵列天线在8GHz处的发射方位向+45度扫描测试方向图。图9给出了有源共形阵列天线在10GHz处的发射方位向+45度扫描测试方向图。图10给出了有源共形阵列天线在12GHz处的发射方位向+45度扫描测试方向图。比较这几个曲线图形，在8GHz～12GHz带宽内，发射方向图无明显恶化，发射能实现45度扫描。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于无人机平台的有源共形阵列天线，其特征在于，由外至内依次包括集成共形的天线阵面、机身蒙皮、多功能板、瓦片式TR组件，所述天线阵面上采用贴片作为辐射单元并与机身蒙皮的结构共形，所述天线阵面包括依次由外至内的天线辐射层、热控与支撑层，所述天线阵面采用SMP盲配连接器穿过热控与支撑层、多功能板与瓦片式TR组件连接。

2.根据权利要求1所述的应用于无人机平台的有源共形阵列天线，其特征在于，所述热控与支撑层与天线辐射层固定连接为一体支撑天线阵面并形成散热通道。

3.根据权利要求1所述的应用于无人机平台的有源共形阵列天线，其特征在于，所述瓦片式TR组件包括四通道TR组件以及包裹四通道TR组件的封装结构。

4.根据权利要求1所述的应用于无人机平台的有源共形阵列天线，其特征在于，所述多功能板包括由外至内的SMP盲配接口层、第一隔离层、功分网络地层、功分合成网络层、低频分配网络层、电源波控电路层。

5.根据权利要求4所述的应用于无人机平台的有源共形阵列天线，其特征在于，所述电源波控电路层包括TR焊接层以及集成在TR焊接层的电源波控电路。

6.根据权利要求3所述的应用于无人机平台的有源共形阵列天线，其特征在于，所述四通道TR组件集成了2×2通道的发射功率放大器芯片、接收低噪声放大器芯片和具有移相、衰减及收发控制功能的多功能芯片并形成一个2×2阵列的平面子阵；封装结构则将该各个芯片封装成一个SMT模块，其外部预留一个输入口、四个输出口以及电源波控接口。

7.根据权利要求5所述的应用于无人机平台的有源共形阵列天线，其特征在于，所述电源波控电路包括波控电路、电源电路和射频总口，波控电路接收计算机控制指令，并通过电源控制信号线控制电源电路的开关，并通过波控信号埋孔与低频分配网络层连接，电源电路通过电源埋孔与低频分配网络层连接；电源波控电路层预留个矩阵排列的芯的电源波控分口，并通过低频分配网络层上将电源和波控信号分配到每个TR组件。

8.根据权利要求7所述的应用于无人机平台的有源共形阵列天线，其特征在于，所述TR组件为16个。

9.根据权利要求1所述的应用于无人机平台的有源共形阵列天线，其特征在于，所述多功能板采用的是刚柔结合的方式，并采用多层PCB工艺加工而成，其中电源波控板采用FR4材料，厚度为0.5mm；射频刚性板采用的是CLTE-XT，厚度为0.254mm；射频柔性板采用的是Dupon AP-8525R，厚度为0.2mm；不同层的射频板采用粘接片Fastrise进行压合，其厚度为0.12mm；多功能板包括依次垂直互连的电源波控电路层、低频分配网络层、功分合成网络层、功分网络地层、第一隔离层和SMP盲配接口层。

10.根据权利要求1所述的应用于无人机平台的有源共形阵列天线，其特征在于，所述瓦片式TR组件以16个四通道TR组件组成8×8个矩阵排列的收发通道，每个四通道TR组件集成2×2通道的发射功率放大芯片、接收低噪声芯片和具有移相衰减及收发控制功能的多功能芯片并形成一个2×2阵列的平面子阵；每个四通道TR组件的上表面安装有四个四通道TR组件射频分口，整个阵面共有8×8个矩阵排列的射频分口并与64个SMP盲配连接器一一对应连接。