CN104466403B - 圆极化精密近进仰角天线的相控阵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及精密近进仰角天线及相控阵。包括翼板、喇叭天线单元、变台阶脊波导同轴变换器。翼板既能压缩波瓣宽度，又可以通过调整其长度和翼板间距实现圆极化。喇叭天线单元的馈电波导口的斜隔栅实现45°斜极化。非常适合应用于精密近进雷达仰角天线，或者应用于天线口径相差较大的场合，或者类似于精密近进雷达，需要方位和仰角天线分别测量两个方向角分辨率的场合。斜隔栅的角度并不是45°最优，可根据波导口径，隔栅的宽度、数量和间隔进行调整，需要考虑利用铣床加工时因为铣刀尺寸形成的圆弧对最终结果的影响。再加上变台阶脊波导同轴变换，就可以构成相控阵精密近进雷达仰角天线，无需任何合成或圆极化网络。同轴探针与脊的连接采用导电胶。

Description

圆极化精密近进仰角天线的相控阵

技术领域

本发明属于相控阵天线技术领域，具体涉及精密近进仰角天线及相控阵。

背景技术

相控阵圆极化精密近进仰角天线是机场精密近进雷达的关键部件，精密近进雷达是随着机场现代化发展，对安全性要求越来越高的情形下新发展的一种雷达，其作用是安装在飞机起飞/降落跑道的侧面，对飞机降落的高度、进场角等关键数据进行精密测量，作为飞机驾驶员的辅助资料，帮助飞机更加安全的降落。根据规定，一般精密近进雷达采用航向天线提供航向信息，下滑天线提供仰角信息。两个天线在对方扫描的区域保持覆盖，即下滑天线的方位覆盖需要包括航向天线全部的方位扫描区域，航向天线同样覆盖下滑天线仰角扫描的全部区域。下滑天线又称为仰角天线，一般仰角天线的方位覆盖±15°。仰角天线的仰角波瓣宽度0.6°。

最新的精密近进雷达的方位及仰角天线采用相控阵形式，相控阵天线的孔径由大量相同辐射单元组成，辐射单元可以是裂缝、偶极子或贴片。因为精密近进雷达仰角天线要求实现方位覆盖30°，一般单一天线单元的波瓣宽度在60°以上，所以一种实现方位30°覆盖的办法是采用多个单元合成。考虑精密近进雷达全天候实现功能的需要，要求精密近进雷达仰角天线为圆极化，因此单元阵列的网络的复杂性将大大增加，因此这种相控阵形式不适合实现精密近进雷达仰角天线。

考虑到平行板对电场垂直与板或电场平行与板的电磁场的波速的影响不同(两者在板间的电场分布分别是均匀分布和余弦分布)，因此适当调整平行板的间隔和延伸的距离就可以获得预想的相位差，当天线单元是45°线极化，可以提供垂直和平行的两个等幅电场分量，那么就可以实现圆极化，这样天线单元的结构就十分简单。而采用斜隔栅喇叭天线单元就可以便利地实现45°线极化，无需任何合成或圆极化网络。

发明内容

为了实现精密近进雷达的方位30°覆盖功能，本发明提出一种圆极化精密近进仰角天线及相控阵。

圆极化精密近进仰角天线由喇叭天线单元2、变台阶脊波导同轴变换器3和一对翼板1组成；所述喇叭天线单元2为具有斜隔栅的喇叭天线，实现固定倾斜角的斜极化；喇叭天线单元的馈电端连接着变台阶脊波导同轴变换器的传输端，喇叭天线单元的辐射端连接着一对翼板；所述一对翼板的一端相互平行，与喇叭天线单元的辐射喇叭连接，另一端具有张角α为10°～40°，两块翼板呈喇叭状；所述一对翼板既压窄天线水平波瓣宽度，同时实现圆极化。

圆极化精密近进仰角天线小阵由八个圆极化精密近进仰角天线并联连组成，为小型相控阵，工作在X波段，中心频率f₀为9.1GHz。

圆极化精密近进仰角天线大阵由128个圆极化精密近进仰角天线并联组成的大型相控阵，工作在X波段，中心频率f₀为9.1GHz，方位覆盖30°。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1、利用变张角翼板既压缩仰角天线水平波瓣宽度，同时实现圆极化；

电场垂直于翼板的电磁场在板间为均匀分布，其横向传输常数为0；电场平行于翼板的电磁场在板间为余弦分布(金属表面电场为0)，其横向传输常数为π/h，其中h为板间间距，因此两种电磁场的z向传输常数不同，经过一段距离后，两者之间将存在相位差，相位差由板间间距和传输距离决定，特别当采用变张角翼板，即h(z)为z的函数，也可以计算平行电场的传输常数β(z)，并对其积分获得累计的相位差。

β²(z)＝k²-(π/h(z))²

K＝2π/λ

变张角翼板最后的口径大小，由仰角天线的水平波瓣宽度决定。可以在喇叭口面起始段先不变间距延伸一段，最后再张开来，直到最后的口径，延伸段的长度，以及最后的张角由上述的相位差计算公式决定，在实现圆极化场合就要求在最后的口面两个电场的相位差为90°。

很显然，不存在惟一解，整个翼板的延伸长度，大张角对天线性能的影响都作为额外的考虑因素来决定采用哪个解。

2、斜隔栅喇叭天线单元

我们要实现圆极化，必须要提供一个45°斜极化的天线单元，提供等幅的两个正交电场的电磁场。利用斜隔栅在喇叭天线单元的波导馈电口改变喇叭天线单元的电场特性是在卫星电视天线领域常用的一种斜极化天线单元。一般用3段斜隔栅将波导口分割成四个部分，中间两个部分也相当于一种波导的截面，其长度应该满足工作频段传输TE₁₀模的要求，即大于λ/2。这种斜隔栅喇叭天线单元可以获得良好的匹配。

因为斜隔栅自身宽度的问题，以及原矩形波导口径的选择，特别在考虑若采用数控铣床加工天线单元，其在各个角的位置必然存在的圆弧段，因此并不是标准的45°隔栅就提供45°斜极化，其隔栅角度的选择需要根据最终的仿真结果决定。3、变台阶脊波导同轴变换

圆极化精密近进仰角天线大阵作为精密近进雷达仰角天线，是由128个圆极化精密近进仰角天线单元组成的相控阵，各个单元紧密排列，单元间距小于λ。其通过同轴传输线与后端的T/R连接。因此必须采用后向的波导同轴变换，即同轴接头既不是从波导宽边，也不是从波导窄边出来，而是从波导的端面出来，因此采用变台阶脊波导同轴变换就成为最佳选择。

附图说明

图1是圆极化精密近进仰角天线结构示意图。

图2是图1的侧视图。

图3是喇叭天线单元结构示意图。

图4是变台阶脊波导同轴变换器结构示意图。

图5是图1转90度示意图(圆极化精密近进仰角天线原理图)。

图6是圆极化精密近进仰角天线小阵结构示意图。

图7是图6的后视立体图。

图8是圆极化精密近进仰角天线大阵结构示意图。

图9是圆极化精密近进仰角天线小阵水平面方向图。

图10是圆极化精密近进仰角天线小阵驻波曲线图。

图11是圆极化精密近进仰角天线小阵圆极化轴比图。

图12是圆极化精密近进仰角天线小阵天线单元之间的耦合图。

图1-7中序号：翼板1、喇叭天线单元2、变台阶脊波导同轴变换器3、斜隔栅4、同轴馈线口5、匹配块6、变台阶阻抗变换器7。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

实施例1

参见图1、图2、图5，为应用于精密近进雷达的圆极化精密近进仰角天线，包括喇叭天线单元2、变台阶脊波导同轴变换器3和一对翼板1。

所述一对翼板1的一端相互平行，与喇叭天线单元2的辐射喇叭相连，另一端具有张角α，且翼板向喇叭天线单元2的两侧张开，两块翼板呈喇叭状，为变张角平行板。所述一对翼板的平行端的间距为h，平行端的翼板长度为L，与喇叭端相连翼板的平行段长度为L1。可以通过调整一对翼板的物理尺寸，来压窄圆极化精密近进仰角天线的水平波瓣宽度，同时实现圆极化。所述喇叭天线单元2的馈电波导与变台阶脊波导同轴变换器的传输端相连。本实施例优选尺寸为α＝30°、h＝0.78λ₀、L＝1.52λ₀、L1＝0.667λ₀、L2＝1.045λ₀。

参见图3，所述喇叭天线单元2为具有斜隔栅的喇叭天线。其由辐射喇叭、斜隔栅、馈电波导三部分组成。所述辐射喇叭不是旋转对称，其平行于翼板的口面呈喇叭状，垂直于翼板的口面为矩形截面。喇叭天线单元2用三段斜隔栅4将波导口分割成四个部分，中间两个部分也相当于一种波导的截面，保证电磁场的传输，其长度满足工作频段传输TE₁₀模的要求，即大于λ/2，其中λ＝c/f，λ为工作波长，c为自由空间光速，f为工作频率。调整斜隔栅的角度可以调整喇叭天线单元的极化角(线极化)；调整斜隔栅的宽度、间距以及波导的口径尺寸，可以调节喇叭天线单元的驻波特性。通常情况下在12GHz可以获得1GHz左右的带宽，带宽8％左右。

参见图4，是变台阶脊波导同轴变换器3。所述变台阶脊波导同轴变换器3是后向的波导同轴变换，同轴馈线口5从变换器的波导端面出来,匹配块6位于变台阶脊波导同轴变换器3的顶部端面腔内、变台阶阻抗变换器7连接变台阶脊波导同轴变换器3的底部和同轴馈线口5，其目的是形成一个环与靠近短路壁的磁流进行耦合，因此变台阶脊必须与波导壁良好接触，脊宽约为波导长边的1/3。在X波段，最后一段脊位于波导的中心，其厚度是有限的，因此很难利用螺纹孔紧固，采用导电胶可以比较好地实现探针和脊的连接。

参见图5，为图1转90度示意图，也是本发明所述变张角翼板实现圆极化的原理图。所述斜隔栅使得只有垂直于斜隔栅的场才能够通过，被斜隔栅分割的几个通道，中间最大的必须满足基模的传输条件。45°斜极化(线极化)代表其可以分成相等的垂直V和水平H分量，相位相等。但随着其沿着z向传输，因为垂直极化分量在翼板之间是均匀分布，其z向传输系数β与自由空间传输常数相同，β＝2π/λ；而水平极化分量在翼板之间是余弦分布，横向传输常数与翼板之间的间隔h有关，为kT＝π/h。而变张角的翼板之间的间隔是变化的，与z有关，为h(z)，因此H分量z向传输常数β²＝(2π/λ)²-(π/h)²，两者的传输常数不同，因此传输一段距离后相位不再相等，合适的距离后两者相差90°。很显然，h(z)越小，垂直分量与水平分量的传输常数相差越大，因此，为了不过分增加天线的厚度，翼板一般先平行延伸一段，再变张角。当然也不希望张角太大，增加口面相位差(垂直口径方向)。

本实施例所述圆极化精密近进仰角天线工作在X波段，中心频率f₀为9.1GHz。

实施例2

参见图6、图7，本实施例是由八个圆极化精密近进仰角天线构成的小型相控阵，其中每个圆极化精密近进仰角天线为一个单元。所述小型相控阵的单元间距与喇叭天线单元的口径大小相同，各个单元紧密排列，单元间距小于λ，八对翼板合成为一对，八个圆极化精密近进仰角天线的同轴馈线口互不干涉，分别与后端的T/R连接，没有任何合成或圆极化网络。通过调节斜隔栅的倾角，可以调节其圆极化轴比，同时调节波导口径使得驻波也达到最优化。

图9是圆极化精密近进仰角天线小阵水平面方向图，水平面主极化波瓣宽度

30°，圆极化轴比0.7dB，交叉极化达-30dB。

图10是圆极化精密近进仰角天线小阵驻波曲线图。

图11是圆极化精密近进仰角天线小阵圆极化轴比图。

图12是圆极化精密近进仰角天线小阵天线单元之间的耦合图，这种耦合会随着距离增加逐渐减小，最近的单元之间的耦合小于-20dB。

本实施例所述圆极化精密近进仰角天线的小型相控阵工作在X波段，中心频率f₀为9.1GHz。其圆极化精密近进仰角天线单元的尺寸与实施例1相同。

实施例3

参见图8，圆极化精密近进仰角天线的大型相控阵是由128个圆极化精密近进仰角天线并联组成，其中每个圆极化精密近进仰角天线为一个单元。与实施例2同理，各个单元紧密排列，单元间距小于λ，翼板合成为一对，各天线单元同轴馈线口互不干涉，分别与后端的T/R连接，无需任何合成或圆极化网络。

圆极化精密近进仰角天线的大型相控阵，其仰角天线预仰角可调，扫描角±10°，实现方位覆盖30°，工作于圆极化。因为精密近进雷达方位天线的水平扫描范围共30°，所以保证了精密近进雷达的全天候工作。

采用翼板结合45°斜极化的喇叭天线单元最简便地满足了精密近进雷达的要

求，采用馈电波导口增加斜隔栅的喇叭天线单元集合变台阶脊波导同轴变换，效率高，单元之间耦合小，整个阵列性能良好，无需任何合成或圆极化网络，实现形式简便。

圆极化精密近进仰角天线的大型相控阵，具有128个天线单元，其长度达到3.2m，分成了4段加工，每段32个单元，口径825mm，32个斜隔栅单元整体加工，波导同轴变换单独加工，翼板焊接固定。

本实施例所述圆极化精密近进仰角天线的大型相控阵工作在X波段，中心频率f₀为9.1GHz。其圆极化精密近进仰角天线单元的尺寸与实施例1相同。

以上所述内容是本发明所述的圆极化精密近进仰角天线及相控阵实施例，并不限于本发明，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做若干简单推演与替换，均包含在本发明的权利要求书所确定的发明保护范围之内。

Claims (3)

1.圆极化精密近进仰角天线的相控阵，其特征在于：由喇叭天线单元(2)、变台阶脊波导同轴变换器(3)和一对翼板(1)组成；所述喇叭天线单元(2)为具有斜隔栅的喇叭天线，实现固定倾斜角的斜极化；喇叭天线单元的馈电端连接着变台阶脊波导同轴变换器的传输端，喇叭天线单元的辐射端连接着一对翼板；所述一对翼板的一端相互平行，与喇叭天线单元连接，另一端具有张角α，两块翼板呈喇叭状；所述一对翼板既压窄天线水平波瓣宽度，同时实现圆极化；所述圆极化精密近进仰角天线工作于X频段；

所述喇叭天线单元(2)的辐射端为喇叭状，其馈电端由三根斜隔栅分成四个部分，中间两个部分相当于一种波导的截面，其长度满足工作频段内传输TE₁₀模的要求，即大于λ/2，其中λ＝c/f,其中λ为工作波长，c为自由空间光速，f为工作频率；

所述一对翼板平行端的两块翼板之间的间距h与喇叭天线单元口径相同，翼板张角α为10°～40°；

由两个以上所述圆极化精密近进仰角天线并联组成圆极化精密近进仰角天线的相控阵。

2.根据权利要求1所述的圆极化精密近进仰角天线的相控阵，其特征在于：由八个所述圆极化精密近进仰角天线并联组成圆极化精密近进仰角天线的小型相控阵，所述小型相控阵工作在X波段，中心频率f₀为9.1GHz。

3.根据权利要求1所述的圆极化精密近进仰角天线的相控阵，其特征在于：由128个所述圆极化精密近进仰角天线并联组成圆极化精密近进仰角天线的大型相控阵，所述大型相控阵工作在X波段，中心频率f₀为9.1GHz，方位覆盖30°。