CN104393399A - 一种新型复合伞形微带振子 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型复合伞形微带振子，伞形振子臂（3）与接地平面（6）构成夹角，伞形振子臂（3）对称设置于垂直振子臂（2）两侧；寄生杆（4）垂直于接地平面（6），两个寄生杆（4）对称设置于垂直振子臂（2）两侧；伞形振子臂（3）、垂直振子臂（2）和寄生杆（4）均位于介质基片（1）的一侧表面上，巴仑阻抗变换器（5）位于另一侧表面；垂直振子臂（2）和巴仑阻抗变换器（5）分别与同轴接头（7）连接。本发明将伞形振子与复合振子结合，并采用微带形式来实现，既能实现宽带最佳匹配又能满足宽角覆盖；在25%的相对带宽内，输入驻波VSWR小于1.3，方向图能够满足天线扫描需要；E面波束宽度95.3°，H面波束宽度115.6°，完全满足技术要求。

Description

一种新型复合伞形微带振子

技术领域

本发明涉及一种雷达微带印刷振子天线，特别是涉及一种新型复合伞形微带振子。

背景技术

二维相控阵体制雷达中的辐射单元波束宽，结构尺寸小，匹配困难，其性能的优劣会直接对雷达天线的性能产生影响。辐射单元的宽带宽角匹配为实现雷达低副瓣和较小的扫描增益损失创造了条件。

目前主要的振子辐射单元形式主要包括伞形振子和复合振子两种。

伞形振子形式如图1所示，伞形半波振子是将振子臂垂向接地平面构成一定夹角的半波振子，它具有宽角的方向图覆盖性能。在设计过程中，振子臂的倾角α和振子臂的高度H均能展宽E面的波束宽度，但随着振子臂倾角及振子臂高度的增加，天线单元的阻抗带宽也会随之变窄。

通常展宽半波振子波束宽度还有增加寄生杆的方式，即复合振子形式，如图2所示。此种方式可通过调整寄生杆的高度来控制辐射特性，阻抗特性和耦合特性，根据文献的研究结果，取h≈1/7λ时，即可保持简单振子原有的阻抗特性，又能改善振子的E面波束宽度。但此类辐射单元E面波束宽度展宽有限，无法适应天线方位扫描±45°时增益损失最小的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种既能实现宽带最佳匹配又能满足宽角覆盖的新型复合伞形微带振子，通过将伞形振子形式与复合振子形式相结合，构成一种新型的复合伞形振子结构，并采用微带形式来实现，在25％的相对带宽内，输入驻波VSWR小于1.3，方向图能够满足天线扫描需要。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种新型复合伞形微带振子，包括介质基片、垂直振子臂、伞形振子臂、寄生杆、巴仑阻抗变换器、接地平面和同轴接头，伞形振子臂与接地平面之间构成夹角，伞形振子臂设置有两个，对称设置于垂直振子臂顶端的两侧；寄生杆设置有两个，分别垂直于接地平面设置，且两个寄生杆对称设置于垂直振子臂的两侧；伞形振子臂、垂直振子臂和寄生杆均位于介质基片的一侧表面上，巴仑阻抗变换器位于介质基片的另一侧表面上；垂直振子臂和巴仑阻抗变换器分别与同轴接头连接。

所述寄生杆的高度h＝1/7λ，λ为雷达信号波长。

所述的介质基片采用介电常数ε为2.8、厚度为0.8毫米的双面聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔层压板。

本发明的有益效果是：将伞形振子形式与复合振子形式相结合，构成一种新型的复合伞形振子结构，并采用微带形式来实现，既能实现宽带最佳匹配又能满足宽角覆盖问题；在25％的相对带宽内，输入驻波VSWR小于1.3，方向图能够满足天线扫描需要；E面波束宽度95.3°，H面波束宽度115.6°，完全满足技术要求。

附图说明

图1为传统伞形半波振子结构示意图；

图2为传统复合振子结构示意图；

图3为本发明微带振子结构示意图；

图4为复合伞形微带振子仿真S参数图；

图5为复合伞形微带振子仿真E面方向图；

图6为复合伞形微带振子仿真H面方向图；

图7为对称振子坐标系示意图；

图8为不同倾角振子E面方向图；

图中，1-介质基片，2-垂直振子臂，3-伞形振子臂，4-寄生杆，5-巴仑阻抗变换器，6-接地平面，7-同轴接头。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图3所示，一种新型复合伞形微带振子，包括介质基片1、垂直振子臂2、伞形振子臂3、寄生杆4、巴仑阻抗变换器5、接地平面6和同轴接头7，伞形振子臂3与接地平面6之间构成夹角，伞形振子臂3设置有两个，对称设置于垂直振子臂2顶端的两侧；寄生杆4设置有两个，分别垂直于接地平面6设置，且两个寄生杆4对称设置于垂直振子臂2的两侧；伞形振子臂3、垂直振子臂2和寄生杆4均位于介质基片1的一侧表面上，巴仑阻抗变换器5位于介质基片1的另一侧表面上；垂直振子臂2和巴仑阻抗变换器5分别与同轴接头7连接。

所述寄生杆4的高度h＝1/7λ，λ为雷达信号波长。

通过理论计算及优化仿真，新型复合伞形微带振子性能优异，在25％的相对带宽内，输入驻波VSWR小于1.3，如图4所示，方向图能够满足天线扫描需要。

根据技术要求，辐射单元的波束宽度应满足E面波束宽度大于90°，H面波束宽度大于70°。通过复合伞形振子优化设计，仿真方向图如图5、6所示，E面波束宽度约104.9°，H面波束宽度约131.9°，完全满足技术要求。

根据理论分析和工程实现考虑，复合伞形微带振子采用介电常数ε为2.8、厚度为0.8毫米的双面聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔层压板作为微带振子的基材，通过理论计算确定仿真模型，再进行大量计算和优化设计，即可满足技术要求。

倾斜振子的方向性理论分析如下所述：

对于倾斜对称振子，坐标系如图7所示，理论分析如下：

假定倾斜对称振子是沿Z轴方向放置的基本电流元(I为常数)，其产生的远区场为：

$E_{\mathrm{\θ}}=\frac{j{Z}_{0}I}{2\mathrm{\λr}}\sin \mathrm{\θ}\·e^{-\mathrm{jk}\widehat{\mathrm{\θ}}}---\left(1\right)$

式中Z₀为自由空间波阻抗，Z₀＝120πΩ，λ为自由空间波长，波数k＝2π/λ。

设对称振子两臂与Z轴夹角为β，该振子产生的场可以看作由无数个电流为长为dL′的电基本振子串连组成的。利用线形媒质中电磁场叠加定理，振子的辐射场是这些基本振子辐射场之和。

取振子的电流分布近似为：

I(L′)＝I_Msink(L-|L′|),-L＜L′＜0,0＜L′＜L   (2)

式中波数L为振子臂长度，I_M为常数。而电流方向为：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{L}}^{\&prime;}=\hat{z}\cos \mathrm{\&beta;}+\hat{x}\sin \mathrm{\&beta;},-L<L^{\&prime;}<0\\ {\hat{L}}^{\&prime;}=\hat{z}\cos \mathrm{\&beta;}-\hat{x}\sin \mathrm{\&beta;},0<L^{\&prime;}<L\end{array}\right.---\left(3\right)$

考虑到天线的观察点足够远，各单元电基本振子到观察点的射线可以看成是相互平行的，有：

$\left\{\begin{array}{c}{\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_1\&ap;{\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_2\&ap;\widehat{\mathrm{\&theta;}}\\ {\mathrm{\&theta;}}_1\&ap;{\mathrm{\&theta;}}_2\&ap;\mathrm{\&theta;}\\ r_1=r+\left|L^{\&prime;}\right|\cos (\mathrm{\&theta;}-\mathrm{\&beta;})\\ r_2=r-\left|L^{\&prime;}\right|\cos (\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&beta;})\end{array}\right.---\left(4\right)$

将(2)、(3)、(4)式代入(1)有XOZ面内振子辐射场为：

$\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{\&theta;}}=\underset{-L}{\overset{0}{\&Integral;}}\frac{{\mathrm{jZ}}_0{I}_M\sin k(L-|L^{\&prime;}\left|\right)}{2\mathrm{\&pi;\&lambda;}}{e}^{-{\mathrm{jkr}}_1}{\mathrm{dL}}^{\&prime;}\&CenterDot;(\sin \mathrm{\&theta;}\cos \mathrm{\&theta;}-\cos \mathrm{\&theta;}\sin \mathrm{\&theta;})+\underset{0}{\overset{L}{\&Integral;}}\frac{{\mathrm{jZ}}_0{I}_M\sin k(L-|L^{\&prime;}\left|\right)}{2\mathrm{\&pi;\&lambda;}}{e}^{{-\mathrm{jkr}}_2}{\mathrm{dL}}^{\&prime;}\&CenterDot;\\ (\sin \mathrm{\&theta;}\cos \mathrm{\&theta;}+\cos \mathrm{\&theta;}\sin \mathrm{\&theta;})=\frac{{\mathrm{jZ}}_0{I}_M{e}^{-\mathrm{jkr}}}{2\mathrm{\&lambda;}r\sin (\mathrm{\&theta;}-\mathrm{\&beta;})}\&CenterDot;[j\cos (\mathrm{\&theta;}-\mathrm{\&beta;})\sin \mathrm{kL}-\cos \mathrm{kL}+e^{-\mathrm{jkl}\cos (\mathrm{\&theta;}-\mathrm{\&beta;})}]+\\ \frac{{\mathrm{jZ}}_0{I}_M{e}^{-\mathrm{jkr}}}{2\mathrm{\&lambda;}\mathrm{rk}\sin (\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&beta;})}\&CenterDot;[j\cos (\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&beta;})\sin \mathrm{kL}-\cos \mathrm{kL}+e^{\mathrm{jkl}\cos (\mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&beta;})}]\end{array}---\left(5\right)$

如果取对称振子总长度为半波长，即L＝λ/4，取不同倾斜角，并通过公式(5)计算可得如图8所示的XOZ面方向图。

由图8可以看出在β＝0°方向辐射场总是为零，这是由于串联成对称振子的所有电基本振子在轴向都没有辐射的缘故。随着振子臂夹角β增大，在θ＝0°方向辐射场逐渐增大，同时波束宽度逐渐增加。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种新型复合伞形微带振子，其特征在于：包括介质基片（1）、垂直振子臂（2）、伞形振子臂（3）、寄生杆（4）、巴仑阻抗变换器（5）、接地平面（6）和同轴接头（7），伞形振子臂（3）与接地平面（6）之间构成夹角，伞形振子臂（3）设置有两个，对称设置于垂直振子臂（2）顶端的两侧；寄生杆（4）设置有两个，分别垂直于接地平面（6）设置，且两个寄生杆（4）对称设置于垂直振子臂（2）的两侧；伞形振子臂（3）、垂直振子臂（2）和寄生杆（4）均位于介质基片（1）的一侧表面上，巴仑阻抗变换器（5）位于介质基片（1）的另一侧表面上；垂直振子臂（2）和巴仑阻抗变换器（5）分别与同轴接头（7）连接。

2.根据权利要求1所述的一种新型复合伞形微带振子，其特征在于：所述寄生杆（4）的高度h=1/7λ，λ为雷达信号波长。

3.根据权利要求1所述的一种新型复合伞形微带振子，其特征在于：所述的介质基片（1）采用介电常数ε为2.8、厚度为0.8毫米的双面聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔层压板。