CN103956585A - 具有平顶方向图特性的相控阵天线单元 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种具有平顶方向图特性的相控阵天线单元，包括金属波导区、和自由空间区。金属波导区由柱形筒体波导相连的圆锥筒体波导组成，在圆锥筒体波导端口上设有通过缝隙耦合来实现平顶波束单元方向图赋形设计的微带板层叠圆柱共形阵，每层微带板上刻蚀有按矩阵排列均布的同心圆金属片，在每片相邻微带板的级联叠加缝隙区设有轻质绝缘体，从而形成一个自由空间区多层共形阵单元体。本发明具有平顶方向图特性的相控阵天线单元体，结构简单，结构上具有旋转对称性，电气上方向图等化性能好，可以应用于线极化、也可以应用于圆极化。能效抑制阵列扫描过程中的外栅瓣，提高扫描边缘增益，可以用于扫描范围较宽的有限扫描二维相控阵天线单元的设计。

Description

具有平顶方向图特性的相控阵天线单元

技术领域

本发明涉及一种具有平顶方向图特性的高效率天线，尤其是可以组成有限扫描二维相控阵的天线单元。

背景技术

阵列单元、馈电网络、T/R组件、移相器和波控机是有源相控阵天线5个基本组成部分。大型二维固态有源相控阵雷达天线移相器和T/R组件的成本几乎占了整个雷达的70％～80％。为了降低成本，在确保天线性能的前提下尽量减少单元数目在工程中显得很有必要。采用有限扫描阵列天线，增大单元间距是减少单元数目降低成本的有效方法。而在有限扫描相控阵天线系统中，天线单元的设计特别关键。一方面因为天线的孔径效率为阵列的孔径效率和单元孔径效率的乘积，所以提高单元的孔径效率非常重要。另一方面由于天线单元间距较大，采用一般单元对栅瓣抑制效果较差，为了满足栅瓣的抑制要求和在扫描范围天线的增益要求，现有技术有限扫描相控阵通常利用扫描范围有限的特性,采用大口径、高增益的单元和大间距的阵列排列形式来减少单元的数量,降低设计的复杂程度和天线系统的成本。但这样的设计引起在扫描边缘的阵列增益跌落增大和扫描过程中会有栅瓣出现。为了解决有限扫描相控阵由于采用大间距设计时引起的扫描边缘增益跌落和栅瓣的问题。天线辐射单元方向图通常需要设计为类似变量Y随着变量X一起变化的σ函数的平顶形式，(σx＝σy＝σ为二维高斯函数沿两个坐标轴的标准方差)，即将阵元级方向图综合成平顶，在天线扫描范围内比较平，在扫描范围外迅速下降，单元间耦合综合扫描范围内等增益，扫描范围外增益为零的平顶单元方向图。利用缝隙耦合、馈电网络耦合、双模波导法、在单元口径面上加突出介质棒等方法实现平顶单元方向图，辐射单元至少可以满足10％的频带宽度。但馈电网络耦合设计一般过于复杂，而加介质棒的方法会增加相控阵的质量。有限扫描相控阵采用直射型相控阵的设计时,利用扫描范围有限的特性,采用大口径、高增益的单元和大间距的阵列排列形式来减少单元的数量,降低设计的复杂程度和天线系统的成本。但这样的设计将引起在扫描边缘的阵列增益跌落增大和扫描过程中会有栅瓣出现。为了克服上面的问题,可以利用单元间的耦合综合出扫描范围内等增益而扫描范围外增益为零的平顶单元方向图,利用平顶单元方向图达到提高扫描边缘增益和抑制扫描范围外栅瓣的目的。

发明内容

本发明的任务是提供一种结构简单，不会增加天线系统重量，可以有效抑制阵列扫描过程中的栅瓣，还可以改善扫描边缘的阵列增益，能够用于有限扫描二维相控阵的天线单元。

本发明目的可以通过下述技术方案予以实现：一种具有平顶方向图特性的相控阵天线单元，包括一个柱形筒体波导、若干圆形金属片、薄介质板和轻质绝缘体,其特征在于：柱形筒体波导上设有锥形直线渐变圆锥筒体圆喇叭，在圆喇叭上方，依次层叠有相隔一定间距平行排列的圆形金属片，圆形金属片贴附在薄介质板上，且圆形金属片的圆心都在圆喇叭的中轴线上；圆喇叭开口端与薄介质板以及薄介质板之间由低介电常数的轻质绝缘体进行支撑，依次层叠形成轻质绝缘体、薄介质板、轻质绝缘体相间柱形“三明治”结构。圆喇叭辐射或接收电磁波时，圆形金属片将会对电磁波产生一定的干扰，从而改变圆喇叭的方向图，通过对圆形金属片的数量、直径及间距进行调整，使圆喇叭的方向图具有平顶特性。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明的天线单元具有平顶方向图特性和较好的工程可实现性。本发明将圆形金属片贴附在薄介质板上，既可以保证圆形金属片的位置精度，又利于装配。天线单元方向图具有平顶特性，增益在设定范围内变化小，而在设定范围外迅速下降。

本发明是一种由圆喇叭、多块贴附有圆形金属片的薄介质板及起支撑作用的轻质绝缘体组成的具有平顶方向图特性的相控阵天线单元体，结构简单，具有旋转对称性，电气上方向图等化性能好，同时既可以应用于线极化、也可以应用于圆极化，不会增加天线系统重量。

本发明的天线单元应用于有限扫描二维相控阵时，利用圆形金属片对电磁场的干扰可以综合出扫描范围内增益起伏小而扫描范围外增益快速下降的平顶单元方向图，可以有效抑制阵列扫描过程中的栅瓣，改善扫描范围边缘的阵列增益。

本发明可以通过优化圆形金属片的数量、直径及间距来满足不同扫描范围的平顶方向图特性要求，解决了有限扫描相控阵由于采用大间距设计时引起的扫描范围边缘增益跌落和栅瓣的问题。

本发明相邻薄介质板之间采用低介电常数的轻质绝缘体(如泡沫材料)进行支撑，使结构更加紧凑合理，体积和重量大大减小，通过轻质绝缘体可以将外界环境与天线系统绝缘隔离，对天线有很好的保护作用，利于延长天线的使用寿命。

本发明的单元天线应用于阵列天线时，将若干相邻天线单元中同一高度上的薄介质板合成一整块，同理，同一高度上的绝缘体也合成整块，这样既利于控制整个天线阵面的精度控制，又便于加工和装配，同时也提高可天线的可维修性。

附图说明

图1是本发明具有平顶方向图特性的相控阵天线单元的结构示意图。

图2是图1的区域I局部放大示意图。

图3是图1的俯视图，其中薄介质板和轻质绝缘体被设为透明。

图4是由25个图1相控阵天线单元组成的5×5阵列阵面实施例示意图。

图5是图4中5×5阵列的中心天线单元仿真驻波图。

图6是水平极化激励时，图4中5×5阵列的中心天线单元低频有源仿真方向图。

图7是水平极化激励时，图4中5×5阵列的中心天线单元中频有源仿真方向图。

图8是水平极化激励时，图4中5×5阵列的中心天线单元高频有源仿真方向图。

图9是圆极化激励时，图4中5×5阵列的中心天线单元低频有源仿真方向图。

图10是圆极化激励时，图4中5×5阵列的中心天线单元中频有源仿真方向图。

图11是圆极化激励时，图4中5×5阵列的中心天线单元高频有源仿真方向图。

图中：1柱形筒体波导，2圆锥筒体波导，3圆形金属片，4薄介质板，5轻质绝缘体，6中心天线单元。

具体实施方式

无限阵法是分析大型相控阵的有效方法，主要分析阵列的辐射特性和单元处于阵列环境中的有源方向图。有源单元方向图可以反映出阵列扫描增益的变化、阵列的扫描盲点等许多阵列的辐射特性。在工程应用时，为降低分析模型的规模，常采用小阵法，小阵一般有奇数行和奇数列，当增加行或列而小阵中心单元的辐射特性几乎无变化时，小阵的规模就足够大，小阵中心单元的方向图即为有源单元方向图。当大型相控阵采用矩形栅格，行间距和列间距同为1.27个波长(中心频率)，有限扫描范围为±10°时，经计算栅瓣出现在偏离阵面法向±35°区域外，为了降低大型相控阵扫描范围内的增益起伏和抑制扫描过程中出现的栅瓣，要求有源单元方向图具有平顶特性，即在扫描范围内增益起伏较小，而在扫描范围外快速下降，特别是栅瓣出现区域。为了验证本发明天线单元的平顶性能，将25个本发明相控阵天线单元组成5×5(5行、5列)小阵，布阵方式与大型相控阵相同，在小阵中对金属圆片3的数量、直径及大小进行优化设计，天线单元的最终设计结果如图1所示。

参阅图1-图4，在以下描述的实施例中，具有平顶方向图特性的相控阵天线单元，包括圆波导区和干扰区。金属波导区是一个圆喇叭，由柱形筒体波导1及其相连的锥形直线渐变圆锥筒体波导2组成。干扰区固定在圆喇叭的开口上。干扰区由依次层叠的轻质绝缘体5、薄介质板4、轻质绝缘体5、薄介质板4……、轻质绝缘体5组成，每块薄介质板上都贴附有一个圆形金属片3且各薄介质板上圆形金属片3的圆心都在圆喇叭的中轴线上，在加工时，为了便于圆形金属片的定位及固定，将圆形金属片贴附在薄介质板上，圆喇叭与薄介质板以及薄介质板之间采用低介电常数的轻质绝缘体进行支撑，这样在喇叭开口上方就形成了轻质绝缘体、薄介质板、轻质绝缘体、薄介质板……、轻质绝缘体的“三明治”结构。利用圆形金属片3对电磁场的干扰，调整圆形金属片3的数量、直径及间距，使天线单元的方向图具有平顶特性。薄介质板4与轻质绝缘体5按电磁仿真设计方案组合在一起，置于圆锥筒体波导2端口的口面上。

图5给出了5×5小阵中心单元的仿真驻波特性，在10％的带宽内驻波小于1.26，具有良好的匹配性能。

图6～图8是水平极化激励时，5×5小阵中心单元在下边频、中心频率、上边频的仿真方向图，在偏离法向±10°范围内，增益起伏小于0.72dB，偏离法向±35°区域外，相对于最大点，增益下降大于11.4dB。

图9～图11是圆极化激励时，5×5小阵中心单元在下边频、中心频率、上边频的仿真方向图，由于单元天线结构上具有旋转对称性，单元方向图的两个主面基本重合，在偏离法向±10°范围内，增益起伏小于0.63dB，偏离法向±35°区域外，相对于最大点，增益下降大于12.3dB。

以上所述仅是本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，类似的同类结构的等效变换，均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种具有平顶方向图特性的相控阵天线单元，包括一个柱形筒体波导、若干圆形金属片、薄介质板和轻质绝缘体,其特征在于：柱形筒体波导上设有锥形直线渐变圆锥筒体圆喇叭，在圆喇叭上方，依次层叠有间距平行排列的圆形金属片，圆形金属片贴附在薄介质板上，且圆形金属片的圆心都在圆喇叭的中轴线上；圆喇叭口端与薄介质板以及薄介质板之间由低介电常数的轻质绝缘体进行支撑，依次层叠形成轻质绝缘体、薄介质板、轻质绝缘体相间柱形“三明治”结构；圆喇叭辐射或接收电磁波时，圆形金属片将会对电磁波产生一定的干扰，从而改变圆喇叭的方向图，通过对圆形金属片的数量、直径及间距进行调整，使圆喇叭的方向图具有平顶特性。

2.如权利要求1所述的具有平顶方向图特性的相控阵天线单元体，其特征在于，所述的轻质绝缘体是低介电常数的泡沫材料。

3.如权利要求1所述的具有平顶方向图特性的相控阵天线单元体，其特征在于，微带板(3)与支撑泡沫按电磁仿真设计方案组合在一起，多层共形阵单元体(5)置于圆锥筒体波导(2)端口的口面上。