CN103367875A - 半波阵子阵元及其组成的微带阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种半波阵子阵元及其组成的微带阵列天线，所述阵元包括覆铜的基板，所述基板上设有两个半波阵子，半波阵子的正面设有阻抗匹配开孔和阻抗匹配开槽，半波阵子的背面设有传输微带线，传输微带线上端穿过阻抗匹配开孔之后与阻抗匹配开槽相连，传输微带线下端与馈电接口相连，传输微带线下端还连有匹配电阻。本方案中，通过处理器完成天线采样信号的合成，并利用数字信号处理技术，调整若干微带阵列中个微带阵元的幅度及相位，在空间形成所需的方向图，不再需要机械转动系统。

Description

半波阵子阵元及其组成的微带阵列天线
技术领域
本发明涉及一种无线电波接受装置，具体涉及一种天线。
背景技术
天线（antenna)是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。
传统的机械扫描式或相控阵中各个天线的幅度不可控，无源探测天线不灵活、增益低、方向性差。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种幅度可控、探测灵活、方向性好的半波阵子阵元，并介绍了该半波阵子阵元组成的微带阵列天线。
本发明的技术方案是以下述方式实现的：一种半波阵子阵元，包括覆铜的基板，所述基板上设有两个半波阵子，半波阵子的正面设有阻抗匹配开孔和阻抗匹配开槽，半波阵子的背面设有传输微带线，传输微带线上端穿过阻抗匹配开孔之后与阻抗匹配开槽相连，传输微带线下端与馈电接口相连，传输微带线下端还连有匹配电阻。
一种微带阵列天线，包括框架，框架内装有若干半波阵子阵元，相邻两个半波阵子阵元之间设有两个反射器。
所述框架是铝合金框架，所述反射器是铝合金反射器。
所述框架内装有八个半波阵子阵元。
一种微带阵列天线获取方向图的方法，其特征在于是按照下述方式进行的：
微带阵列天线中每个半波阵子阵元将接收的目标信号经电缆独立传输给接收机；
接收机对接收到的信号在零频或者低中频采样，并将采样信号传输至处理器；
处理器完成采样信号的合成，并利用数字信号处理技术，调整若干微带阵列中个微带阵元的幅度及相位，在空间形成所需的方向图。
机械扫描式天线是采用机械动力改变天线的方位角和仰角来探测目标空间位置，传统相控阵得到的数据没有经过相控权重处理而方向性差。本方案中，通过处理器完成天线采样信号的合成，并利用数字信号处理技术，调整若干微带阵列中个微带阵元的幅度及相位，在空间形成所需的方向图，不再需要机械转动系统。
附图说明
图1是半波阵子阵元的正面结构示意图。
图2是半波阵子阵元的背面结构示意图。
图3是微带阵列天线的平面结构示意图。
图4是微带阵列天线的立体结构示意图。
图5是微带阵列天线工作示意图。
图6是微带贴片天线的原理图。
图7是单隙缝辐射的几何关系。
具体实施方式
如附图1~4所示，一种半波阵子阵元，包括覆铜的基板3，所述基板3上设有两个半波阵子4，半波阵子4的正面设有阻抗匹配开孔1和阻抗匹配开槽2，半波阵子4的背面设有传输微带线5，传输微带线5上端穿过阻抗匹配开孔1之后与阻抗匹配开槽2相连，传输微带线5下端与馈电接口7相连，传输微带线5下端还连有匹配电阻6。
 一种微带阵列天线，包括框架8，框架8内装有若干半波阵子阵元，相邻两个半波阵子阵元10之间设有两个反射器9。
所述框架8是铝合金框架，所述反射器9是铝合金反射器。
所述框架8内装有八个半波阵子阵元。
本发明中，微带阵列天线获取方向图的方法，是按照下述方式进行的：
微带阵列天线中每个半波阵子阵元将接收的目标信号经电缆独立传输给接收机；
接收机对接收到的信号在零频或者低中频采样，并将采样信号传输至处理器；
利用计算机完成采样信号的合成，并利用数字信号处理技术，调整若干微带阵列中个微带阵元的幅度及相位，在空间形成所需的方向图。
如图3所示，本发明中，半波阵子阵元的阵元面垂直于安装平面、均匀排布。每个阵元接受的目标信号分别经过电缆独立传送给接收机进行处理，用数字方法合成的波束取代在射频单元的模拟波束，即对阵列输出信号在零频或低中频采样，用计算机或数字信号处理芯片 （DSP：Digital Signal Processor）完成接收的空间信号的合成，同时采用数字信号处理技术，来调整若干独立天线阵元组成的天线阵列中各阵元的幅度及相位，即可在空间形成需要的方向图。
在校正网络作用下，即可得到所需要的增益，同时由于是电扫描方式，天线的转动精度和灵活性也大大提高。表一是天线的测试指标：
表一
Figure 447338DEST_PATH_IMAGE002
 下述是对每个半波阵子阵元的微带线的工作原理的描述：本发明中，天线由8个半波阵子阵元组成一个阵列。每个阵元由两个完全一样的半波阵子构成。一般地，微带天线是在带有导体接地板的介质基片上采用蚀刻等工艺做出一定形状的导体贴片而形成的天线。通常采用某种馈电方式激励导体贴片和导体接地板之间的电磁场，并通过贴片四周和接地板间的缝隙向外辐射能量。
为便于说明，采用图6所示的矩形微带进行解释：导体贴片的长为L，宽为W，介质基片厚度为h，它可视为一段长为h的低阻抗微带传输线，它的辐射场被认为是由传输线两端开路处的缝隙形成的。因此，矩形微带天线等效为长W、宽h、间距L的两个缝隙天线，间距为L的二元阵场看作矩形微带天线的电磁辐射场。
图7 所示的坐标系，缝隙内沿x方向的电场为常数，为缝隙孔径场。根据等效原理，缝隙孔径场
Figure 990577DEST_PATH_IMAGE004
产生的辐射场与相应的磁偶极子所产生的场是相等的，等效磁流密度为
Figure 2012104706895100002DEST_PATH_IMAGE005
。即
Figure 832631DEST_PATH_IMAGE006
                             （1）
Figure 2012104706895100002DEST_PATH_IMAGE007
                           （2）
考虑到地板导体影响后，源的磁流密度为
Figure 851010DEST_PATH_IMAGE008
                                            （3）
则隙缝天线的辐射电场为: 
Figure 2012104706895100002DEST_PATH_IMAGE009
        （4）
式( 4)中， 跨缝隙电压
Figure 727699DEST_PATH_IMAGE010
。则可以得到单个缝隙天线的方向性函数
Figure 2012104706895100002DEST_PATH_IMAGE011
             （5）
实际应用中主要关心H面(
Figure 612478DEST_PATH_IMAGE012
)和E面(
Figure 2012104706895100002DEST_PATH_IMAGE013
)方向图。由式(5 )得E、H面方向函数分别为：
Figure 505610DEST_PATH_IMAGE014
                                （6）
H面方向函数为
                          （7）
  考虑二元阵的阵因子影响后，得到最终微带天线的方向函数：
 （8）
 当
Figure 2012104706895100002DEST_PATH_IMAGE017
时得到式（9）和式（10）的E、H面方向图
                               （9）
                             （10） 

Claims (5)

1. 一种半波阵子阵元，包括覆铜的基板（3），其特征在于：所述基板（3）上设有两个半波阵子（4），半波阵子（4）的正面设有阻抗匹配开孔（1）和阻抗匹配开槽（2），半波阵子（4）的背面设有传输微带线（5），传输微带线（5）上端穿过阻抗匹配开孔（1）之后与阻抗匹配开槽（2）相连，传输微带线（5）下端与馈电接口（7）相连，传输微带线（5）下端还连有匹配电阻（6）。
2. 一种微带阵列天线，包括框架（8），其特征在于：框架（8）内装有若干半波阵子阵元，相邻两个半波阵子阵元之间设有两个反射器（9）。
3. 根据权利要求2所述的微带阵列天线，其特征在于：所述框架（8）是铝合金框架，所述反射器（9）是铝合金反射器。
4. 根据权利要求3所述的微带阵列天线，其特征在于：所述框架（8）内装有八个半波阵子阵元。
5. 一种微带阵列天线获取方向图的方法，其特征在于是按照下述方式进行的：
微带阵列天线中每个半波阵子阵元将接收的目标信号经电缆独立传输给接收机；
接收机对接收到的信号在零频或者低中频采样，并将采样信号传输至处理器；
处理器完成采样信号的合成，并利用数字信号处理技术，调整若干微带阵列中个微带阵元的幅度及相位，在空间形成所需的方向图。
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