CN103033644A - 一种二维相控阵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维相控阵，所述相控阵从下自上依次包括外壳、后匹配层、正极、去藕泡沫基阵架、基元、负极和聚氨酯胶，所述相控阵为相控时可以有效地减小波束旁瓣的椭圆形基阵。所述基元的正极采用印制板电路连接，形成4路输出来进行相控，所有基元负极共地设计。本发明的有益效果是：基阵的阻抗匹配设计：为了展宽换能器的带宽和减小换能器的瞬态响应，进行前后匹配层设计，既简化了电连接工艺，保证了平整性，还可以拓展工作带宽。后匹配层则通过高阻抗设计来降低换能器的瞬态响应。相控式的换能器基阵，相控时，在相同工作频率和相同的声源级下，基阵的尺寸和重量要比分体式的小很多。这对于测流仪安装和维护方便很多。相控声源级高。

Description

一种二维相控阵

技术领域

本发明涉及一种相控阵，更具体说，它涉及一种二维相控阵。

背景技术

相控阵主要应用于测流仪。测流仪是测量船速、流速流向和计程的优良水声设备，是关于舰船、潜艇和水下航行器的底跟踪、航速测量、海流测量和自身水下定位的水声设备。二维相控阵分为两类：分体式和相控式。分体式是由2只独立的收发两用换能器构成，它们分别在左、右2个方向形成2个波束，这种分体式测流仪的优点是结构简单，缺点是基阵的发射和接收的旁瓣较大，而且基阵的体积大、重量重；二维相控阵是由多条收发共用的陶瓷颗粒条构成的一体式基阵，，通过相位控制的方法得到2个波束，它的优点是体积小、重量轻，而且发射和接收的旁瓣较小，缺点就是制作工艺较复杂。目前，国内只有为数不多的海港使用了国外的海流测量设备，而国内用于航道海流测量的海流剖面仪还处于起步阶段。因此，国内军港使用国产测流设备来测量航道内海流，还是一片空白。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构合理，可靠性高，指标好，体积小，重量轻的二维相控阵。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：这种二维相控阵，所述相控阵从下自上依次包括外壳、后匹配层、正极、去藕泡沫基阵架、基元、负极和聚氨酯胶。所述相控阵为相控时可以有效地减小波束旁瓣的椭圆形基阵。所述基元的正极采用印制板电路连接，形成4路输出来进行相控，所有基元负极共地设计。

作为优选：所述基元为陶瓷颗粒。

作为优选：所述基元的正极面为相控面，负极作为辐射面，将相同相位的基元排放在一条直线上，并联联接，负极面共负，正极面粘接印制板电路最终形成4路信号输出。

作为优选：所述基阵的上下两面分别设有前匹配层和后匹配层，前匹配层为印制板电路将基元的负极并联连接，后匹配层则为降低换能器瞬态响应的高阻抗设计。

作为优选：所述相控阵由1048个基元组成，形成56行24列。

作为优选：所述基元的谐振频率为150kHz。

作为优选：所述相控方向的基元之间的中心距离为7.07mm。

本发明的有益效果是：（1）独特的布阵技术：椭圆形的平面阵，利用每列的基元个数不同来改善基阵相控时的波束旁瓣级。成阵工艺设计上，24列基元按照一定间距布阵，基元的正极为一个面，负极为一个面，通过印制板电路连接的方式，将基元的正极简单有效地将1048个基元的正极面最终形成4路信号来实现相控，电路连接方式见图2，所有基元负极共地设计。采用印制板来进行电连接，不仅简单，更加能保证基阵表面的平整性，相控阵的平整性决定着相控波束的旁瓣级大小以及两个波束的对称性，所以基阵表面的平整性越高越好。选用陶瓷颗粒拼接为一列而不是陶瓷条，是为了拓展基阵的带宽和去除基元之间的耦合效应。

（2）基阵的阻抗匹配设计：为了展宽换能器的带宽和减小换能器的瞬态响应，进行前后匹配层设计，前匹配层是由印制板将基元的负极并联连接，既简化了电连接工艺，保证了平整性，还可以拓展工作带宽，而工作带宽的宽度以及谐振频率大小的控制可以调整印制板的厚度和材料来实现。后匹配层则通过高阻抗设计来降低换能器的瞬态响应。

（3）尺寸小、重量轻：相控式的换能器基阵，相控时，在相同工作频率和相同的声源级下，基阵的尺寸和重量要比分体式的小很多。这对于测流仪安装和维护方便很多。

（4）相控声源级高：相控阵工作谐振频率为150kHz，带宽为：150kHz±5kHz。相控角度为±20°。相控方向在200W电功率情况下声源级可以达到214dB。全阵相控指向性半功率开角为3.3°，最大旁瓣为21.1%。

附图说明

图1相控阵外形尺寸图；

图2电路连接示意图；

图3去耦泡沫基阵架；

图4相控阵的剖视图；

图5相控阵的波束图。

附图标记说明：外壳1、去藕泡沫基阵架2、基元3、负极4、后匹配层5、正极6、聚氨酯胶7。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。虽然本发明将结合较佳实施例进行描述，但应知道，并不表示本发明限制在所述实施例中。相反，本发明将涵盖可包含在有附后权利要求书限定的本发明的范围内的替换物、改进型和等同物。

如图1至图5所示，首先，布阵工艺，相控换能器阵内部由1048个陶瓷颗粒的基元3组成，形成56行24列，布放成椭圆形基阵，陶瓷颗粒安装在去耦泡沫基阵架中，见图3。通过优化设计，确定耦合振动较小的换能器基元尺寸，压电陶瓷颗粒的谐振频率为150kHz。计算基元的布阵间距，进行布阵设计，确定相控方向的陶瓷颗粒之间的中心距离为7.07mm，每个换能器的安装定位用数控机床加工，定位精度高于0.1mm，每个基元3的辐射面在同一平面内，起伏不超过0.1mm。

其次，电连接工艺，压电陶瓷颗粒的正极6面为相控面，负极4作为辐射面，将相同相位的陶瓷颗粒排放在一条直线上，并联联接，负极4面共负设计，正极6面粘接印制板最终形成4路信号输出，再粘接后匹配层5。这种电联接的方式非常简单且可靠。

再次，阻抗匹配工艺，负极4共负并联后，选取与水负载特性阻抗相接近的材料作为前匹配层，拓展带宽。后匹配层5则采用高阻抗设计，降低瞬态响应。

最后，硫化成型工艺，相控阵的辐射面采用聚氨酯胶7层包覆成型。

从相控阵的剖视图图4可看出，相控阵的整体为平面实芯式，基阵可以耐高静水压力。相控阵的水中测得谐振频率为150kHz，相控角度为±20°，半功率开角为3.3°，最大旁瓣为21.1%，相控指向性图见图5。相控方向在200W电功率情况下声源级可以达到214dB。二维相控阵为椭圆形基阵，工作频率为150kHz，基阵由1048颗陶瓷颗粒组成，采用独特的布阵设计，形成4路输出来进行相控，简化了工艺，提高了基阵的可靠性。采取阻抗匹配设计提高了相控阵的性能。

所述的独特的布阵设计是将24列基元3按照一定间距布阵，基元3的正极6采用印制板电路连接的方式，简单有效地将1048个基元3的正极6面最终形成4路信号来实现相控，所有基元负极4共地设计。另外，独特的布阵设计是将基阵布成椭圆形，相控时可以有效地减小波束的旁瓣。

所述的阻抗匹配设计含有前匹配层设计和后匹配层5设计，前匹配层是由印制板将基元3的负极4并联连接，既简化了电连接工艺，保证了平整性，还可以拓展工作带宽，后匹配层5则通过高阻抗设计来降低基元3的瞬态响应。

在相同工作频率和相同的声源级下，基阵的尺寸和重量要比分体式的小很多。这对于测流仪安装和维护方便很多。

Claims (7)

1.一种二维相控阵，其特征在于：所述相控阵从下自上依次包括外壳(1)、后匹配层(5)、正极(6)、去藕泡沫基阵架(2)、基元(3)、负极(4)和聚氨酯胶(7)，所述基元(3)的正极(6)采用印制板电路连接，形成4路输出来进行相控，所有基元负极(4)共地设置；所述相控阵为相控时能够有效地减小波束旁瓣的椭圆形基阵。

2.根据权利要求1所述的二维相控阵，其特征在于：所述基元(3)为陶瓷颗粒。

3.根据权利要求1所述的耐高压基阵，其特征在于：所述基元(3)的正极(6)面为相控面，负极(4)作为辐射面，将相同相位的基元(3)排放在一条直线上，并联联接，负极(4)面共负，正极(6)面粘接印制板电路最终形4路信号输出。

4.根据权利要求1所述的二维相控阵，其特征在于：所述基阵的上下两面分别设有前匹配层和后匹配层(5)，前匹配层为印制板电路将基元的负极(4)并联连接，后匹配层(5)则为降低换能器瞬态响应的高阻抗设置。

5.根据权利要求1所述的二维相控阵，其特征在于：所述相控阵由1048个基元(3)组成，形成56行24列。

6.根据权利要求1所述的二维相控阵，其特征在于：所述基元(3)的谐振频率为150kHz。

7.根据权利要求1所述的二维相控阵，其特征在于：所述相控方向的基元(3)之间的中心距离为7.07mm。

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