CN103022646A - 全空域覆盖高增益圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全空域覆盖高增益圆极化天线，包括赋形球面反射面(1)、绝缘支撑杆(2)和四臂螺旋天线，赋形球面反射面(1)通过绝缘支撑杆(2)安装在四臂螺旋天线前方；所述四臂螺旋天线为宽波束谐振式天线。本发明采用宽波束的谐振式四臂螺旋天线作为辐射器，并通过增加赋形球面反射面，进一步展宽天线波束宽度，提高低仰角增益，使天线的最大增益指向仰角0°附近，随着仰角的上升，增益逐步下降，最终实现了一种马鞍形的辐射方向图，其最高增益方向接近水平方向，仰角0°增益达到4.5dB左右，远远高于普通宽波束天线，大大降低了功率放大器的输出功率要求，符合目标跟踪与测控的实际使用要求。

Description

全空域覆盖高增益圆极化天线

技术领域

本发明属于飞行器目标跟踪与测控领域，特别涉及一种需要在水平方向具有最大增益的、可覆盖整个上半空间的地面圆极化发射天线。

背景技术

在进行飞行器目标的跟踪与测控时，地面测控站发射天线的增益主要由作用距离、飞行高度和目标角度决定。对于固定飞行高度，天线在最低仰角处的增益由最大作用距离决定，而天线在最低仰角以上的增益则与仰角呈余割平方关系。由此可知，为了达到全空域覆盖，要求天线波束宽度极宽，且在方位面上为全向，即需要天线具有一种低仰角增益高、高仰角增益低的近似“马鞍形”的方向图。

现阶段常见的余割平方天线一般采用偏馈赋形波束反射面天线，但是赋形波束反射面天线只能在俯仰面形成余割平方波束，方位面仍是窄波束，要达到多目标同时跟踪与测控，则需要多付反射面，且在方位面进行机械扫描。如此，则天线的体积、重量、成本、复杂度都大大增加。

若采用环形天线，即由若干辐射单元沿周向均布，可以实现仰角0°最大辐射，但是增益很低，一般在0dB以下，这就需要很大的发射功率才能实现较远的作用距离，而大功率放大器在体积、重量、功耗、散热、安全性等方面都存在问题；同时，环形天线仰角90°为深的零陷，形成了一个深锥形的盲区，无法达到全空域覆盖。

若采用一个宽波束天线作为发射天线，将大大降低系统的复杂程度。现阶段常见的宽波束天线形式有赋形阵子天线、带赋形反射底板的微带天线或花瓣天线等等。但是这几种天线的最大增益方向都在仰角90°(轴向)，仰角0°附近区域增益不能满足使用要求。

虽然锥螺旋和谐振式四臂螺旋天线可以比较方便的实现“马鞍形”的方向图，但是由于其辐射机理和结构的限制决定了这两种天线的最大辐射方向只能达到仰角10°以上，而无法达到仰角0°，不能满足全空域目标跟踪与测控的要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：天线宽波束问题(覆盖全空域)；高的低仰角增益问题；大功率发射问题。

本发明的技术解决方案为：全空域覆盖高增益圆极化天线，包括赋形球面反射面、绝缘支撑杆和四臂螺旋天线，赋形球面反射面通过绝缘支撑杆安装在四臂螺旋天线前方；所述四臂螺旋天线为宽波束谐振式天线，包括螺旋臂、短路支撑柱、金属底板、射频插座、馈电网络盒体、介质套和馈电网络印制板；其中，螺旋臂为四根相同的直径恒定、升角恒定的两圈单绕螺旋线，螺旋臂长度为2λ；四根螺旋臂在方位面呈90°分布，绕短路支撑柱两周；螺旋臂的短路端焊接于短路支撑柱的侧面，底端穿过介质套后通过金属底板焊接于馈电网络印制板的焊盘处；所述馈电网络印制板安装于馈电网络盒体中，馈电网络盒体固定于金属底板背面；射频插座安装于馈电网络盒体侧面，其中心馈针搭焊于馈电网络印制板相应的印制线上。

所述赋形球面反射面为球冠形状。

所述馈电网络印制板包括3个功分器、1个180°移相器和2个90°移相器。

所述馈电网络印制板上下各有设定厚度的空气层。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)由于本发明采用宽波束的谐振式四臂螺旋天线作为辐射器，并通过增加赋形球面反射面，进一步展宽天线波束宽度，提高低仰角增益，使天线的最大增益指向仰角0°附近，随着仰角的上升，增益逐步下降，最终实现了一种近似“马鞍形”的辐射方向图，其最高增益方向接近水平方向，仰角0°增益达到4.5dB左右，远远高于普通宽波束天线，大大降低了功率放大器的输出功率要求，完全符合目标跟踪与测控的实际使用要求。

(2)由于本发明采用的宽波束四臂螺旋天线波束范围极宽，只用一个单波束天线就可以解决全空域覆盖的问题，无需进行波束扫描、波束切换，就可以同时对多个不同方向的目标发射测控信号。

(3)本发明采用4点馈电形式实现圆极化辐射，具有优良的低仰角起伏和宽角度圆极化轴比特性。

(4)本发明采用功率容量大的悬置微带线形式设计4点馈电网络，解决了天线大功率发射问题。

附图说明

图1为天线整体结构示意图；

图2为天线沿轴线的轴向截面图；

图3为馈电网络印制板与螺旋臂的连接示意图；

图4为本天线实现的辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2所示，为本发明的全空域覆盖高增益圆极化天线，包括赋形球面反射面1、绝缘支撑杆2和四臂螺旋天线，赋形球面反射面1通过绝缘支撑杆2安装在四臂螺旋天线前方。

所述四臂螺旋天线为宽波束谐振式天线，包括螺旋臂3、短路支撑柱4、金属底板5、射频插座6、馈电网络盒体7、介质套8和馈电网络印制板9。

其中，螺旋臂3为四根相同的直径恒定、升角恒定的两圈单绕螺旋线，螺旋臂3长度为2λ(λ为自由空间波长)。四根螺旋臂3在方位面呈90°分布，绕短路支撑柱4两周；螺旋臂3的短路端焊接于短路支撑柱4的侧面，底端穿过介质套8后通过金属底板5焊接于馈电网络印制板9的焊盘处。通过调整螺旋臂3的升角，可以改变四臂螺旋天线的辐射方向图，升角越大，波束宽度越宽。

馈电网络印制板9安装于馈电网络盒体7中，馈电网络盒体7固定于金属底板5背面；射频插座6安装于馈电网络盒体7侧面，其中心馈针搭焊于馈电网络印制板9相应的印制线上。

如图3所示，为本发明馈电网络印制板9与螺旋臂3的连接示意图，馈电网络印制板9由3个功分器、1个180°移相器、2个90°移相器组成，输入口9e与射频插座6连接，发射射频信号由射频插座6输入后，经功分、移相形成4路等幅、依次相差90°的信号，由4个输出口9a、9b、9c、9d输出，分别与四个螺旋臂3a、3b、3c、3d连接，实现对本天线四个馈电端口的依次90°相差的等幅馈电。

本发明的赋形球面反射面1采用具有高电磁反射性能的良导体金属材料加工而成，本实施例中为铝。本发明的赋形球面反射面1为截取一定高度的球面的一部分，即球冠，通过绝缘支撑杆2固定在金属底板5上。通过调整赋形球面反射面1的球半径大小、球面高度以及球面顶点距离四臂螺旋天线的距离，可以调整四臂螺旋天线的辐射方向图。所截取的球冠口径不大于天线本身的底板大小，以免导致天线极化特性变差。在球冠口径一定的情况下，球半径越大(对应的拱高越小)，方向图越宽；球冠距离四臂螺旋天线越近，方向图越宽。但是，如果波束过宽，天线的峰值增益会下降，此时水平方向的增益反而不一定最高；且波束展宽后在天线主波束范围内除轴向以外还会出现其他凹点，波束越宽，凹点越深。因此，应综合考虑低仰角增益和主波束内凹点深度，合理设计天线的波束宽度。

本发明的馈电网络采用悬置微带线的形式，即馈电网络印制板9上下各有一定厚度的空气层，用以解决普通微带线和带状线功率容量过低的问题。通常，传输线线宽越宽，功率容量越大，但是如果线宽太宽，会导致馈电网络尺寸过大，因此，在设计馈电网络时，在满足功率容量的情况下，适当选择较小的线宽，并根据所需的线宽合理选择印制板介质材料和空气层的厚度。

经优化设计，本实施例的四臂螺旋天线螺旋臂3升角为56°，赋形球面反射面1的球半径为0.4λ，拱高为0.18λ，与四臂螺旋天线顶端的距离为0.168λ。本实施例天线实现的辐射方向图如图4所示，其最大增益方向为仰角3°，仰角0°增益大于4.5dB，俯仰0°～90°、方位0°～360°全空域轴比小于6dB。

以上内容是结合具体的优选实施案例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所述技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，对本发明的各组成部件、位置关系及连接方式在不改变其功能的情况下，进行的等效变换或替代，也落入本发明的保护范围。

本发明未公开的技术属本领域公知技术。

Claims (4)

1.全空域覆盖高增益圆极化天线，其特征在于：包括赋形球面反射面(1)、绝缘支撑杆(2)和四臂螺旋天线，赋形球面反射面(1)通过绝缘支撑杆(2)安装在四臂螺旋天线前方；所述四臂螺旋天线为宽波束谐振式天线，包括螺旋臂(3)、短路支撑柱(4)、金属底板(5)、射频插座(6)、馈电网络盒体(7)、介质套(8)和馈电网络印制板(9)；其中，螺旋臂(3)为四根相同的直径恒定、升角恒定的两圈单绕螺旋线，螺旋臂(3)长度为2λ；四根螺旋臂(3)在方位面呈90°分布，绕短路支撑柱(4)两周；螺旋臂(3)的短路端焊接于短路支撑柱(4)的侧面，底端穿过介质套(8)后通过金属底板(5)焊接于馈电网络印制板(9)的焊盘处；所述馈电网络印制板(9)安装于馈电网络盒体(7)中，馈电网络盒体(7)固定于金属底板(5)背面；射频插座(6)安装于馈电网络盒体(7)侧面，其中心馈针搭焊于馈电网络印制板(9)相应的印制线上。

2.根据权利要求1的全空域覆盖高增益圆极化天线，其特征在于：所述赋形球面反射面(1)为球冠形状。

3.根据权利要求1的全空域覆盖高增益圆极化天线，其特征在于：所述馈电网络印制板(9)包括3个功分器、1个180°移相器和2个90°移相器。

4.根据权利要求1的全空域覆盖高增益圆极化天线，其特征在于：所述馈电网络印制板(9)上下各有设定厚度的空气层。

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