CN104319488B - 一种左右旋圆极化可重构高功率微波相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明所属高功率微波发射天线技术领域，为了解决高功率微波发射天线同时具备二维相扫和极化重构的技术问题，提供了一种左右旋圆极化可重构的高功率相控阵天线，利用本发明提出的一种左右旋圆极化可重构贴片天线单元组成阵列，使得采用一个电机就可实现阵元的角相位旋转和极化重构，实现阵列同时具备波束二维相扫和极化在线实时重构的功能。可以广泛应用于高功率微波发射、大功率微波发射、电子对抗和相控阵雷达等领域。

Description

一种左右旋圆极化可重构高功率微波相控阵天线

技术领域

本发明涉及高功率微波发射天线领域，具体是指一种左右旋圆极化可重构相控阵天线。

背景技术

高功率微波技术（High Power Microwave）是核技术中衍生出的一门新兴学科领域，是脉冲功率技术、相对论电真空器件、天线技术等多学科相结合的综合学科。其中高功率微波天线的作用是将相对论电真空器件产生的高功率微波定向发射到空间，在高功率微波系统中起到了关键作用。

为了使高功率微波具有快速的波束扫描能力，西南交通大学提出了基于短螺旋天线的相控阵技术，但天线的圆极化方向一旦设计完成，就无法改变。而目前的极化可重构天线都是基于可控二极管技术，通过直流偏置电压控制二极管的导通与断路，改变天线电流分布，从而实现极化、方向图或频率重构，但在高功率微波领域，基于可控二极管的可重构技术远远不能满足高功率微波的功率容量要求，因此急需一种具备波束二维扫描和极化可重构的高功率相控阵天线。

发明内容

本发明的目的是提供一种左右旋圆极化可重构的高功率微波相控阵天线，采用一种新型的左右旋可重构圆极化辐射单元组成阵列，使用一个步进电机即可实现圆极化辐射单元的极化角相位旋转和左右旋重构，使得该天线阵可同时实现二维波束扫描能力和左右旋圆极化可重构，同时具有百兆瓦级的功率容量，解决目前高功率相控阵天线极化不可重构和现有可重构天线功率容量低和波束难以扫描的难题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种左右旋圆极化可重构相控阵天线，包括径向线功率分配网络、若干个贴在径向线功率分配网络正面上的圆极化贴片单元、以及罩在径向线功率分配网络上的天线罩；还包括若干个设置在径向线功率分配网络背面上的电机，每一个电机通过一根馈电杆穿过径向线功率分配网络连接到一个圆极化贴片单元；

所述馈电杆外形为“丩”形，包括长轴和短轴；所述长轴由共轴的内外两层组成，内层一端与圆极化贴片单元连接为一体，另一端与电机的转轴联动；短轴的一端与圆极化贴片单元接触，另一端通过横杆与长轴的外层连接为一体；

所述电机与径向线功率分配网络之间设置有单向轴承，长轴的外层与单向轴承联动使得外层只能向固定方向转动。

在上述技术方案中，所述长轴的内层与圆极化贴片单元的中心处连接。

在上述技术方案中，所述若干个圆极化贴片单元均匀排布在径向线功率分配网络上，且径向线功率分配网络的中心为馈电输入口。

在上述技术方案中，所述若干个圆极化贴片单元包括但不限于以矩形网格或边形网格排列在径向线功率分配网络上。

本发明还提供一种左右旋圆极化可重构相控阵天线，包括径向线功率分配网络、若干个贴在径向线功率分配网络正面上的圆极化贴片单元、以及罩在径向线功率分配网络上的天线罩；

包括若干个设置在径向线功率分配网络背面上的电机，每一个电机通过一根馈电杆穿过径向线功率分配网络连接到一个圆极化贴片单元；

所述馈电杆为“丩”形，包括长轴和短轴；所述长轴由共轴的内外两层组成，内层一端与圆极化贴片单元连接为一体，另一端与电机的转轴联动；短轴的一端与圆极化贴片单元接触，另一端通过横杆与长轴的外层连接为一体；

所述圆极化贴片单元与长轴连接的一面上设置有两个对称的挡块，馈电杆的短轴与圆极化贴片单元接触的区域为两个挡块之间。

本发明的工作原理为：初始时，“丩”形结构的短轴在贴片上的接触点位于位置一，天线单元的辐射场为右旋圆极化，当步进电机的转轴与“丩”形馈电结构的长轴内层顺时针转动时，带动外层一同转动，实现圆极化辐射单元的角相位旋转，当整个阵面上的辐射单元按一定策略各自旋转一定角度时，即可实现阵列天线波束的二维相控扫描。

当步进电机的转轴与“丩”形馈电结构的长轴内层逆时针转动时，外层由于单向轴承的作用并不更随一同转动，当“丩”形结构的短轴在贴片上的接触点由位置一转动到贴片的位置二时，天线单元的辐射场极化方向变为左旋圆极化，继续逆时针旋转使接触点到达位置一时，可重新回到右旋圆极化状态，以上动作过程实现了本发明相控阵的左右旋圆极化可重构。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明采用新型左右旋圆极化可重构贴片天线作阵元，解决了目前高功率相控阵天线辐射场极化特性固定的问题，实现了左右旋圆极化的在线重构，使得高功率微波辐射系统在使用过程中可根据要求在线实时变化辐射场的圆极化左右旋方向。

本发明中的新型左右旋圆极化可重构贴片天线阵元，采用机械式重构动作，如（包含但不仅限于）：本方案中采用“丩”形馈电结构与圆极化贴片馈点相对位置的机械式重构，实现左右旋圆极化的可重构，这种机械式的可重构结构相比电控通断二极管式的可重构天线具有更高的功率容量，更适合用于大功率微波和高功率微波应用领域。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的整体结构的正面示意图；

图2是本发明的整体结构的背面示意图；

图3是本发明中单个天线的结构示意图

图4是实现本发明目的又一实施方式；

图5是同轴馈入端口的反射系数曲线；

图6是波束扫描方向图；

其中：1是圆极化贴片单元，2是短轴，3是单向轴承，4是电机，5是长轴的外层，6是长轴的内层，7是挡块一，8是挡块二。

具体实施方式

如图1 、图2所示，本发明主要由径向线功率分配网络、24个左右旋可重构圆极化贴片单元、24个步进电机和天线罩组成，每一个步进电机对应一个左右旋可重构圆极化贴片单元。

本相控阵天线工作频率为1.575GHz（L波段，包含但不仅限于此波段），将一种新型的左右旋圆极化可重构贴片单元以一定方式（包含但不仅限于矩形网格或边形网格）排列于平面或载体共形曲面上，位于阵面下方的功分网络（如：径向线功率分配网络或波导行/驻波功率分配网络，包含但不仅限于）将馈入的高功率微波以一定权重分配到对应单元的同轴馈口，新型的左右旋圆极化可重构贴片单元采用一种独特的“丩”形金属结构馈电，如图3所示，“丩”形馈电结构的长轴在贴片上的投影位于贴片中心，长轴由共轴的内外两层组成，内层与圆极化贴片连接为一体，并与位于功分网络下方的步进电机转轴联动，外层与“丩”形馈电结构的短轴和横杆连为一体，外层与底座上的单向轴承接触并在其作用下只能单向旋转。

如图4所示，本发明为了实现同样的目的，采用另一种结构实现。在圆极化贴片单元的下表面上设置有两块挡块，两块挡块对称设置在圆极化贴片单元上。其工作原理为：当步进电机正向旋转时，连同“丩”形馈电结构内层正向转动，当限位挡块一触碰到“丩”形馈电结构外层的短轴时，带动外层一同转动，此时辐射为右旋圆极化，整体正向转动实现阵元角相位旋转；当步进电机逆向旋转时，连同“丩”形馈电结构内层逆向转动，当另限位挡块二触碰到“丩”形馈电结构外层的短轴时，带动外层一同转动，此时辐射为左旋圆极化，整体逆向转动实现阵元角相位旋转。

实施例

按上述发明方案设计一款工作频率f ₀=1.575GHz（L波段）的左右旋圆极化可重构高功率微波相控阵天线，其结构如图1、图2所示，该相控阵由24个辐射单元组成5×5阵列，位于中心的阵元空缺，阵元间距110mm×110mm，阵面尺寸为580mm×580mm。

功率为240MW的高功率微波从背面同轴馈入端口输入，同轴端口内外径尺寸分别为80mm和40mm（阻抗40Ω），微波转为径向线传播后等功率的耦合到24个辐射单元，每个单元功率为10MW。

辐射单元设计结构如图3所示：

圆形贴片直径72mm，厚度2mm，对称的矩形缺角宽15mm深18mm；

“丩”形馈电结构长轴长58mm、直径8mm，方形横梁长29mm、宽11mm、厚2mm，短轴长13mm、直径10mm；

采用内孔径8mm的单向轴承，使“丩”形馈电结构长轴外层只能逆时针旋转，不能顺时针旋转。

图5为同轴馈入端口的反射系数曲线，可以看到在工作频率1.575GHz的反射系数低于-25dB。当所有阵元的“丩”形馈电结构短轴均位于贴片的位置1时，相控阵波束的极化方向为右旋圆极化，当步进电机按口面所需的角度顺时针旋转各个阵元时，波束指向可从-44°~+44°扫描。当所有阵元的“丩”形馈电结构短轴均位于贴片上挡块二时，波束的极化特性变为左旋圆极化，波束扫描方向图与图6一致。

通过本发明，可以同时实现高功率微波相控阵天线的在线实时二维波束扫描和左右旋圆极化重构。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种左右旋圆极化可重构相控阵天线，包括径向线功率分配网络、若干个贴在径向线功率分配网络正面上的圆极化贴片单元、以及罩在径向线功率分配网络上的天线罩；其特征在于：

包括若干个设置在径向线功率分配网络背面上的电机，每一个电机通过一根馈电杆穿过径向线功率分配网络连接到一个圆极化贴片单元；

所述馈电杆外形为“丩”形，包括长轴和短轴；所述长轴由共轴的内外两层组成，内层一端与圆极化贴片单元连接为一体，另一端与电机的转轴联动；短轴的一端与圆极化贴片单元接触，另一端通过横杆与长轴的外层连接为一体；

所述电机与径向线功率分配网络之间设置有单向轴承，长轴的外层与单向轴承联动使得外层只能向固定方向转动。

2.根据权利要求1所述的一种左右旋圆极化可重构相控阵天线，其特征在于所述长轴的内层与圆极化贴片单元的中心处连接。

3.根据权利要求1所述的一种左右旋圆极化可重构相控阵天线，其特征在于所述若干个圆极化贴片单元均匀排布在径向线功率分配网络上，且径向线功率分配网络的中心为馈电输入口。

4.根据权利要求3所述的一种左右旋圆极化可重构相控阵天线，其特征在于所述若干个圆极化贴片单元以矩形网格或六边形网格排列在径向线功率分配网络上。

5.一种左右旋圆极化可重构相控阵天线，包括径向线功率分配网络、若干个贴在径向线功率分配网络正面上的圆极化贴片单元、以及罩在径向线功率分配网络上的天线罩；其特征在于：

包括若干个设置在径向线功率分配网络背面上的电机，每一个电机通过一根馈电杆穿过径向线功率分配网络连接到一个圆极化贴片单元；

所述馈电杆为“丩”形，包括长轴和短轴；所述长轴由共轴的内外两层组成，内层一端与圆极化贴片单元连接为一体，另一端与电机的转轴联动；短轴的一端与圆极化贴片单元接触，另一端通过横杆与长轴的外层连接为一体；

所述圆极化贴片单元与长轴连接的一面上设置有两个对称的挡块，馈电杆的短轴与圆极化贴片单元接触的区域为两个挡块之间。

6.根据权利要求5所述的一种左右旋圆极化可重构相控阵天线，其特征在于所述长轴的内层与圆极化贴片单元的中心处连接。

7.根据权利要求5所述的一种左右旋圆极化可重构相控阵天线，其特征在于所述若干个圆极化贴片单元均匀排布在径向线功率分配网络上，且径向线功率分配网络的中心为馈电输入口。

8.根据权利要求7所述的一种左右旋圆极化可重构相控阵天线，其特征在于所述若干个圆极化贴片单元以矩形网格或六边形网格排列在径向线功率分配网络上。