CN104362438B - 一种整体式大扫描角波束合成移相器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种整体式大扫描角波束合成移相器,该整体式大扫描角波束合成移相器包括功分网络、移相器本体和移相器本体的传动机构；信号经功分网络对波束合成器的天线阵元进行馈电；功分网络和移相器本体采用一体化设计；功分网络包括数个独立的功分单元，移相器本体包括数个移相单元；数个功分单元平行设置在移相器本体内，第一功分单元位于中间位置，两边功分单元每两个相邻功分单元之间经移相单元后串联，再通过第一功分单元并联，且功分网络的末端为微带线连接；所述每个功分单元根据天线阵元的幅度设计功分比，传动机构对每个移相单元的电长度进行调节。本发明制造的波束合成器具有宽频带，低插损，结构简便，成本低，相控精度高，结构紧凑，伺服结构简单，安装使用方便等特点。

Description

一种整体式大扫描角波束合成移相器

技术领域

本发明涉及波束合成技术领域，尤其涉及一种整体式大扫描角波束合成移相器。

背景技术

相控扫描天线是从阵列天线发展起来的，通过改变阵列天线中每一个子阵的馈电幅度和相位来改变整个阵面的波束指向，宽带相控阵列天线在军事和民用领域都得到了广泛的重视和迅速发展。

相控扫描阵列天线的扫描方法分为机械式扫描和电扫描两种，电扫描方式因其电路复杂，造价高昂，而且相位的控制精度有限，使其应用形式受限。机械式相控扫描阵列天线是利用整个天线系统或其某一部分的机械运动来实现波束扫描，利用整个天线系统的机械运动来实现波束扫描，受到了天线阵列大小，安装方式，使用环境等的限制，对于大型阵列天线及安装、使用环境有特别要求的场景来说，其整个天线系统机械运动需要较大的转动空间和伺服功率，实现起来难度较大，且不能满足要求。

现有的相控扫描天线已经得到了广泛的应用，但随着技术进步与生产生活的需要，对相控的精度要求，天线带宽，天线阵列的安装方式，造价等要求越来越高，同时满足这几个方面的要求很困难。

申请号为“CN200910041973.9”的中国发明专利公开了一种一体化移相器，包括：金属腔体，金属腔体内固定安装有左右两根耦合管，该左右耦合管内分别嵌套有顶端相连的耦合杆，该耦合杆上连接有可推拉其在耦合管内前后运动的柄，金属腔体内部还设有功分网络，该功分网络由带状线构成，该左右耦合管分别通过该功分网络连接到馈电点。其将功分网络和移相器制作成了一体，使该移相器集成了功分网络的功能。但是该结构还明显存在以下缺点：1.结构不够紧凑，特别不适合天线阵元的馈电；2.传动机构和移相单元不够精准，不能保证移相器的移相精准；3.集成度不够高，无法缩小尺寸，减小设备体积；4.可靠性低，无法满足不同功率的分配。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种具有具有宽频带，低插损，结构简便，成本低，相控精度高，结构紧凑，伺服结构简单等特点的机械整体式大扫描角波束合成移相器。以解决一般相控波束扫描阵列天线的复杂电路、相控精度有限、天线阵形式不能任意设计、造价高昂等不足的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种整体式大扫描角波束合成移相器,该波束合成移相器包括功分网络、移相器本体、移相器本体的传动机构；信号经移相器本体后，再经功分网络对波束合成移相器的天线阵元进行馈电；所述功分网络和移相器本体采用一体化设计；所述功分网络包括数个独立的功分单元，所述移相器本体包括数个移相单元；所述数个功分单元并排平行设置在移相器本体内，其中，第一功分单元位于中间位置，两边的数个功分单元每两个相邻功分单元之间经一个所述移相单元后串联，再通过第一功分单元将两边的数个功分单元并联一起，且所述功分网络的末端为微带线连接；所述每个功分单元根据天线阵元的幅度设计功分比，传动机构对每个移相单元的电长度进行调节。

优选的技术方案，所述移相器本体整体呈盒状，其包括盒体和盖板；所述盒体内设有数个能够独立容纳每个移相单元的金属腔体；且该盒体内还对应金属腔体设有用于安装功分网络的平台。

进一步优选的技术方案，所述移相单元包括绝缘固定块A、绝缘固定块B、金属套管、内导体和拉杆；所述金属腔体内壁设有卡槽A、卡槽B和U型导槽；绝缘固定块A和绝缘固定块B分别安装在卡槽A和卡槽B内；所述绝缘固定块A和绝缘固定块B上均开有圆形阶梯通孔，金属套管通过所述圆形阶梯通孔安装在绝缘固定块A和绝缘固定块B上，金属套管一端伸出绝缘固定块A，与相应功分单元焊接连接；所述内导体一端可移动的套装在金属套管内，内导体另一端与拉杆一端连接，且内导体和金属套管同心；所述拉杆安装在U型导槽内，拉杆另一端与传动机构连接，且拉杆在传动机构的带动下可沿U型导槽移动。金属套管与内导体通过绝缘固定块A和绝缘固定块B将其安装在金属腔体内，保证了其在腔体内的相对位置的准确。

更进一步优选的技术方案，所述移相单元还包括塑料顶珠，所述拉杆上开有圆孔；塑料顶珠安装在该拉杆的圆孔内，且塑料顶珠与盖板底面相抵，使拉杆与U型导槽的表面贴合。

再更进一步优选的技术方案，所述拉杆和内导体上分别设有相互配合的卡槽，拉杆和内导体通过所述卡槽连接和定位。

所述内导体表面和金属套管内表面中至少有一个表面覆盖有绝缘材料。

所述功分网络的每个功分单元和天线阵元的每个天线子阵之间通过同轴连接器连接。

所述传动机构包括驱动电机、拉杆固定件、推拉杆、连杆和旋转固定块；所述拉杆固定件和除与第一功分单元相连外的移相单元的拉杆上分别设有相互配合的卡槽，除与第一功分单元相连外的移相单元的拉杆通过该卡槽垂直固定在拉杆固定件上，且每个拉杆相互平行；连杆一端铰接在拉杆固定件上，连杆另一端和与第一功分单元相连的移相单元的拉杆一起铰接在旋转固定块上；所述推拉杆一端固定在拉杆固定件上，另一端由驱动电机驱动。

所述连杆上设有一环形槽，连杆通过两个卡设在该环形槽内的两个轴位螺钉分别与所述拉杆固定件和所述与第一功分单元相连的移相单元的拉杆转动连接；所述连杆和所述拉杆固定件之间的连接位置在该环形槽内可调，所述连杆和所述与第一功分单元相连的移相单元的拉杆之间的连接位置在该环形槽内也可调；所述连杆和所述拉杆固定件和所述与第一功分单元相连的移相单元的拉杆之间的连接距离满足以下关系：当驱动电机转动，驱动推拉杆推动拉杆固定件运动时，拉杆固定件带动连杆转动，连杆再带动与第一功分单元相连的移相单元的拉杆运动距离等于拉杆固定件直接带动其它拉杆运动距离的一半。

所述带功分网络的一体式移相器采用双层结构，其中驱动电机为步进电机，旋转固定块两侧各分层设有两对步进电机、两对拉杆固定件和两对连杆；其中一对步进电机、一对拉杆固定件和一对连杆对上层一体式移相器本体进行调节，另一对步进电机、另一对拉杆固定件和另一对连杆对下层一体式移相器本体进行调节。

本发明的有益效果是：采用以上技术方案，信号经功分网络对天线阵元进行幅度与相位加权馈电，每两个相邻的功分单元通过移相单元串联在一起，使用传动机构对每个移相单元的电长度进行调节，使每个天线阵元间产生不同的相位差，从而调节天线波束倾角。移相器本体采用一体化设计，分别设置了功分网络安装平台，数个移相单元腔室，同轴连接器安装位置，可在同轴连接器得到相邻两个端口等相位差的电信号，保证了整体的可靠性与一致性。同时，可根据不同数量的子阵设计功分网络的数量，对不同数量的相控阵列天线进行馈电。移相单元采用空气隙同轴波导设计，通过调整腔体内壁与金属套管和内导体的距离，达到阻抗匹配，其具有宽频带，移相量大，低插损，移相过程中幅度变化小等优点。绝缘固定块A与绝缘固定块B对应安装在金属腔体内壁的卡槽A和卡槽B上，使整体物理结构固定。金属套管和内导体采用间隙配合，使之在相对移动过程中阻力小，减少驱动伺服系统的压力。金属套管内壁和内导体外壁至少有一个表面覆有绝缘材料，使内导体外壁与金属套管内壁绝缘，使两者之间的电信号相互耦合。塑料顶珠与盖板底面压合，使拉杆与金属腔体的U型导槽表面贴合，进一步保证拉杆调节时的精度。拉杆固定件用于固定拉杆，保证其等距离移动，从而保证两边的每个移相单元移相量一致。数个移相单元可以对应一个或者多个天线辐射单元，在两边的移相单元间均预设有功分单元，使得阵列辐射单元满足不同的功率分配；在移相器本体盒体内，对应金属腔体设有功分网络的安装平台，将功分网络和移相器本体合二为一，整体结构紧凑，可靠性及批量生产的一致性进一步得到提高；此外，所有组件都是一体化加工，减少了常规天线对相位较敏感区域的焊接和组装工序，可进一步提高天线的一致性和集成度，减小整体尺寸。其传动机构也可以采用精密丝杆与滑轨设计，整体模块化设计，可靠性进一步提高，可应用于不同场合使用，整体结构进行双层设计，可对双极化天线进行馈电。

附图说明

图1为本发明一种整体式大扫描角波束合成移相器的整体结构示意图；

图2为图1的俯视结构示意图；

图3为本发明的功分网络连接结构示意图；

图4为本发明一种整体式大扫描角波束合成移相器的内部结构示意图；

图5为本发明移相器本体的分解结构示意图；

图6为功分网络与移相器本体的连接结构放大示意图；

图7为本发明传动机构的整体结构示意图；

图8为本发明传动机构的分解结构示意图；

图9为本发明单个移相单元的结构示意图；

图10为本发明单个移相单元的内套体和金属套管连接结构示意图；

图11为图9中B-B的剖视结构示意图；

图12为本发明拉杆固定件A、拉杆固定件B和拉杆的安装分解结构示意图；

图13为本发明一种整体式大扫描角波束合成移相器运动到极限位置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1至图13所示，一种整体式大扫描角波束合成移相器包括功分网络1、移相器本体2、移相器本体2的传动机构3；其为一体化设计，且采用了双层结构设计，对双极化相控阵列天线(图中未画出)进行馈电。信号经移相器本体2后，再经功分网络1对波束合成移相器的天线阵元(图中未画出)进行馈电；功分网络1由数个独立功分单元101、102、103……和最末端的微带线104组成；每个独立功分单元101、102、103……根据阵元的幅度要求设计功分比，第一个功分单元101处于中间位置，两边的数个功分单元102、103……用移相单元201、202、203……串联起来，再通过第一个功分单元101并联在一起。

移相器本体2包括数个移相单元201，且移相器本体2整体呈盒状，盒体21上设有盖板201h；所述盒体21内设有数个能够独立容纳每个移相单元201的金属腔体201a；且该盒体21内还对应金属腔体201a设有用于安装功分网络1的平台201a1。每个移相单元201包括绝缘固定块A201b，绝缘固定块B201c，金属套管201d，内导体201e、拉杆201f和塑料顶珠201g；金属腔体内壁有卡槽A201a2、卡槽B201a3和一个U型导槽201a4,卡槽A201a2用于安装绝缘固定块A201b，卡槽B201a3用于安装绝缘固定块B201c，U型导槽201a4用于安装拉杆201f，并保证拉杆201f在腔体内沿U型导槽201a4滑动；金属套管201d上有两个焊接点如201d1、201d2，与功分网络1焊接在一起，把数个独立的功分单元102、103……与数个移相单元201、202、203……连成一个整体。绝缘固定块A上开有圆形阶梯通孔201b1，圆形阶梯通孔201b1用于安装金属套管201d，保证金属套管201d在金属腔体201a内的相对位置，同时金属套管201d一端伸出绝缘固定块A201b，焊接在功分网络1上。功网网络1一端与金属套管201d上的焊点201d1、201d2焊接，另一端与同轴连接器(图中未画出)连接，同轴连接器与天线阵元的每一个子阵连接，对相控阵列天线进行馈电。绝缘固定块B201c上也设有圆形阶梯通孔201c1，用于安装金属套管201d和内导体201e，并保证内导体201e与金属套管201d同心。拉杆201f上设有一个卡槽201f1，与内导体201e上开设的卡槽201e1对应配合，用于定位两个内导体201e和金属套管201d的相对位置。拉杆201f上设有一圆孔201f2，用于安装塑料顶珠201g，塑料顶珠201g与盖板201h底面压合，使拉杆201f与金属腔体201a的U型导槽201a4上表面贴合。内导体外201e表面或金属套管201d内表面至少有一个表面覆有绝缘材料，使内导体201e外壁与套管201d内壁绝缘。

传动机构3包括拉杆固定件A301，拉杆固定件B302，推拉杆303，导轨固定板304，导轨305，滑块306，步进电机307，步进电机固定块308，丝杆309，螺母310，螺母固定块311，传感器312，感应片313，旋转固定块314，旋转轴315，连杆316。拉杆固定件A301与拉杆固定件B302用于固定拉杆201f，拉杆固定件A301与拉杆固定件B302分别设有卡位301a，302a，分别对应拉杆201f上的卡位201f3，安装好后，拉杆201f与拉杆固定件A301和拉杆固定件B302垂直，每个拉杆201f相对平行，保证整体抽拉时顺畅。导轨固定板304上设有导轨安装壁304a，用于将导轨305准确定位在导轨固定板304上。导轨固定板304上设有传感器安装孔304b，用于安装传感器312。连杆316通过旋转轴315固定在旋转固定块314上，连杆316可绕旋转轴315转动。螺母310安装在螺母固定块311上，滑块306安装在螺母固定块311底部，当步进电机307带动丝杆309转动，推动螺母310，使拉杆201f整体移动，达到调节相位的目的。连杆316上设有一环形槽316a，在拉杆固定件A301与第一功分单元101连接的移相器本体的拉杆B201i上安装有两个轴位螺钉301a，201i1，两个轴位螺钉301a，201i1卡在连杆316的环形槽316a内，当拉杆固定件A301带动拉杆201f移动时，由连杆316带动的拉杆B201i移动的距离为其他拉杆201f移动距离的一半。导轨固定板304上安装有两个传感器312，传感器312与感应片313位置对应，用于对整个传动机构3进行初始位置校准和限位设置。通过驱动步进电机307带动丝杆309转动，使螺母310推动整个传动机构组件一起移动，从而推动移相器本体拉杆201f移动，达到调节移相单元相位。

本实施例中移相单元个数为16个，功分网络1包括15个功分单元101、102、103……和两个微带线104，每两个功分单元101、102、103……之间由移相单元201、202、203……连接起来，功分网络1输出17个端口，中间功分单元输出端口为总端口，其他各端口接16个天线子阵，对16个天线阵元的子阵进行馈电，当调节移相单元相位时，即可改变天线子阵的波束指向。同时，在本实施例中金属套管201d与内导体201e通过绝缘固定块A201b与绝缘固定块B201c固定在金属腔体201a内，通过拉杆201f推动内导体201e，使内导体201e可在金属套管201d内滑动。

本实施例中，对双极化天线馈电时，传动机构3分别调节至两个极限位置示意图，功分网络1与移相器本体2采用双层结构设计。本发明的工作原理为：其中步进电机307a与步进电机307d为一组同步驱动，实现对上层移相器本体2的调节；步进电机307b与步进电机307c为一组同步驱动，实现对下层移相器本体2的调节。当感应片313处于两个传感器312中心位置时，为本发明波束合成移相器的初始位置，在调节波束指向时，同组步进电机(如步进电机307a与步进电机307b)同步反向转动，由于位于两边的每个功分单元的相邻两个输出端口之间串联有一个移相单元，这样，在每两个相邻的输出端口可得到相同的移相量ΔΦ，但由于中间功分单元(第一功分单元)两个端口串联有两个移相单元，所以其两个端口得到的移相量为2倍ΔΦ，为使所有端口得到相同的移相量，本实施例通过旋转固定块314，旋转轴315，连杆316使中间两个移相单元(与第一功分单元相连的)的移动距离为其他移相单元移动距离的1/2，其移相量也为1/2倍ΔΦ，当两个移相量叠加起来后得移相量为ΔΦ。

容易看出，按照本发明制造的波束合成移相器具有宽频带，低插损，结构简便，成本低，相控精度高，结构紧凑，伺服结构简单，安装使用方便等特点。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (8)

1.一种整体式大扫描角波束合成移相器,该波束合成移相器包括功分网络、移相器本体、移相器本体的传动机构；信号经移相器本体后，再经功分网络对波束合成移相器的天线阵元进行馈电；所述功分网络和移相器本体采用一体化设计；所述功分网络包括数个独立的功分单元，所述移相器本体包括数个移相单元；所述数个功分单元并排平行设置在移相器本体内，其中，第一功分单元位于中间位置，两边的数个功分单元每两个相邻功分单元之间经一个所述移相单元后串联，再通过第一功分单元将两边的数个功分单元并联一起，且所述功分网络的末端为微带线连接；所述每个功分单元根据天线阵元的幅度设计功分比，传动机构对每个移相单元的电长度进行调节；所述移相器本体整体呈盒状，包括盒体和盖板；所述盒体内设有数个能够独立容纳每个移相单元的金属腔体；且该盒体内还对应金属腔体设有用于安装功分网络的平台；其特征在于：所述移相单元包括绝缘固定块A、绝缘固定块B、金属套管、内导体和拉杆；所述金属腔体内壁设有卡槽A、卡槽B和U型导槽；绝缘固定块A和绝缘固定块B分别安装在卡槽A和卡槽B内；所述绝缘固定块A和绝缘固定块B上均开有圆形阶梯通孔，金属套管通过所述圆形阶梯通孔安装在绝缘固定块A和绝缘固定块B上，金属套管一端伸出绝缘固定块A，与相应功分单元焊接连接；所述内导体一端可移动的套装在金属套管内，内导体另一端与拉杆一端连接，且内导体和金属套管同心；所述拉杆安装在U型导槽内，拉杆另一端与传动机构连接，且拉杆在传动机构的带动下可沿U型导槽移动。

2.根据权利要求1所述的一种整体式大扫描角波束合成移相器，其特征在于：所述移相单元还包括塑料顶珠，所述拉杆上开有圆孔；塑料顶珠安装在该拉杆的圆孔内，且塑料顶珠与盖板底面相抵，使拉杆与U型导槽的表面贴合。

3.根据权利要求1所述的一种整体式大扫描角波束合成移相器，其特征在于：所述拉杆和内导体上分别设有相互配合的卡槽，拉杆和内导体通过所述卡槽连接和定位。

4.根据权利要求1所述的一种整体式大扫描角波束合成移相器，其特征在于：所述内导体表面和金属套管内表面中至少有一个表面覆盖有绝缘材料。

5.根据权利要求1所述的一种整体式大扫描角波束合成移相器，其特征在于：所述功分网络的每个功分单元和天线阵元的每个天线子阵之间通过同轴连接器连接。

6.根据权利要求1所述的一种整体式大扫描角波束合成移相器，其特征在于：所述传动机构包括驱动电机、拉杆固定件、推拉杆、连杆和旋转固定块；所述拉杆固定件和除与第一功分单元相连外的移相单元的拉杆上分别设有相互配合的卡槽，除与第一功分单元相连外的移相单元的拉杆通过该卡槽垂直固定在拉杆固定件上，且每个拉杆相互平行；连杆一端铰接在拉杆固定件上，连杆另一端和与第一功分单元相连的移相单元的拉杆一起铰接在旋转固定块上；所述推拉杆一端固定在拉杆固定件上，另一端由驱动电机驱动。

7.根据权利要求6所述的一种整体式大扫描角波束合成移相器，其特征在于：所述连杆上设有一环形槽，连杆通过两个卡设在该环形槽内的两个轴位螺钉分别与所述拉杆固定件和所述与第一功分单元相连的移相单元的拉杆转动连接；所述连杆和所述拉杆固定件之间的连接位置在该环形槽内可调，所述连杆和所述与第一功分单元相连的移相单元的拉杆之间的连接位置在该环形槽内也可调；所述连杆和所述拉杆固定件和所述与第一功分单元相连的移相单元的拉杆之间的连接距离满足以下关系：当驱动电机转动，驱动推拉杆推动拉杆固定件运动时，拉杆固定件带动连杆转动，连杆再带动与第一功分单元相连的移相单元的拉杆运动距离等于拉杆固定件直接带动其它拉杆运动距离的一半。

8.根据权利要求7所述的一种整体式大扫描角波束合成移相器，其特征在于：所述带功分网络的一体式移相器采用双层结构，其中驱动电机为步进电机，旋转固定块两侧各分层设有两对步进电机、两对拉杆固定件和两对连杆；其中一对步进电机、一对拉杆固定件和一对连杆对上层一体式移相器本体进行调节，另一对步进电机、另一对拉杆固定件和另一对连杆对下层一体式移相器本体进行调节。