CN104518275A - 一种x波段由梯形子阵组成的大间距新型环栅阵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种X波段由梯形子阵组成的大间距新型环栅阵，由90°插箱、30°插箱和15°插箱三种类型的插箱构成，采用空间馈电的方式给各单元馈电，分别利用均匀激励分布和圆口径泰勒激励分布来分析此新型环栅阵的辐射特性，且均匀激励时，由梯形子阵组成的大间距新型环栅阵的副瓣低于弧形环栅阵的副瓣，采用高效阵列有源方向图还可进一步压低栅瓣，并且整个天线阵阵面结构紧凑，易于安装。

Description

一种X波段由梯形子阵组成的大间距新型环栅阵

技术领域

本发明属于天线布阵工程技术领域，具体来说是一种大间距有限扫描相控阵天线。 

背景技术

早在上世纪七十年代，许多专家学者就开始研究大间距阵列的栅瓣抑制，当时主要是用于设计卫星地面站有限扫描相控阵天线。随着大型二维固态有源相控阵雷达的研制，发现移相器和T/R组件的成本几乎占了整个雷达的70％一80％，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。增大单元间距是减少单元数目降低成本的有效方法。众所周知，按常规方法设计的大间距周期性排列的阵列，是必定会出现栅瓣的。针对这个问题，许多专家学者及工程技术人员进行了大量的研究工作，研制过多种大间距相控阵天线，例如有子阵级周期结构八角阵和子阵级非周期结构八角阵、环栅阵、非周期结构矩形阵等等，采用多种方法来抑制栅瓣，并且在大间距阵列栅瓣的抑制方面卓有成果。 

根据相控阵天线的理论可知，当单元天线间距大于等于一个波长时，即使不扫描，阵列方向图也会出现栅瓣。但是可以通过一定的方法或措施来抑制大间距阵列的栅瓣。栅瓣抑制的方法大致有两种，一种是对子阵级或者单元级进行非周期结构布阵方式优化设计，将栅瓣能量分散；一种是利用单元方向图来压低阵列栅瓣；另外还可以在阵面背后加反射板来压低远栅瓣。非周期结构布阵方式可分为两类：单元级非周期排布和子阵级非周期排布。子阵非周期结构抑制栅瓣的基本原理是：使各个子阵的栅瓣在方向余弦空间中的位置不同，从而使各个子阵的栅瓣不能叠加，而各个子阵的主波束由于其指向在方向余弦空间中的位置相同而出现同相叠加，所以整个天线阵主波束的电平高度要远高于分散后的栅瓣高度。单元级非周期结构排列平面阵不仅不会出现栅瓣，而且其栅瓣电平可以做得很低，但是这种阵列会增大阵面的制造和加工难度，并使阵面的其他部分(例如波控和馈电方式的实现)变得十分复杂。因此，有人想到了采用子阵列非周期结构排列形式来抑制栅瓣，例如环栅阵。 

发明内容

本专利研究的是一种X波段由梯形子阵组成的大间距新型环栅阵，并给出阵列单元的具体结构排布形式。整个阵面分为三层，最里面一层为90°插箱，每个插箱为两个梯形叠加，且每个插箱有41个单元；中间层为30°插箱，每个梯形插箱有45个单元；最外层为15°插箱，每个梯形插箱有40个单元。三层插箱之间最小间距为67.2mm，在环栅阵的最大半径为1.2m的情况下，调整单元间距不小于40mm。梯形环栅阵是在弧形环栅阵的基础上改进而成，经过和改进之前的弧形环栅阵相比较可知，均匀激励时，由梯形子阵组成的大间距新型环栅阵的栅瓣更低，栅瓣出现的位置离主瓣更远(较弧形环栅阵的栅瓣位置远约10度)，而且寄生栅瓣(除栅瓣以外的次栅瓣)也很低。为了进一步抑制栅瓣，可采用高效阵列单元作为基本辐射单元。 

附图说明：

图1为本发明-由梯形子阵组成的大间距新型    环栅阵的结构图 

图2为90°插箱子阵示意图 

图3为30°插箱子阵示意图 

图4为15°插箱子阵示意图 

图5为X波段均匀激励时的由梯形子阵组成的大间距新型环栅阵辐射方向图 

图6为X波段均匀激励时的由梯形子阵组成的大间距新型环栅阵方位面局部方向图和扫描10°时的方向图 

图7为X波段圆口径泰勒激励时的由梯形子阵组成的大间距新型环栅阵辐射方向图 

图8为X波段圆口径泰勒激励时的由梯形子阵组成的大间距新型环栅阵的方位面局部方向图和扫描扫描10°的方向图 

具体实施方式

图1描述了本发明的具体实施方案。本发明工作在X波段内(带宽为8.5GHz-9.5GHz)，由梯形子阵组成的大间距新型环栅阵的建模是在AutoCAD软件中进行的，具体建立模型的方法为：(1)、先用三种插箱子阵排满第一象限，其他象限采用镜像对称排布即可。(2)、模型建好后，从最内层开始以逆时针方向读取每类插箱内环单元的坐标位置。(3)、根据第(2)步，用Matlab编程计算第一象限三层插箱各子阵中所有单元的位置坐标。(4)、由第一象限所有单元的位置坐标根据对称性计算得到其他三个象限中所有单元的位置坐标。 

本阵列是在由扇形子阵组成的弧形环栅阵基础上改进而成，取环栅阵的半径为1.2米，调整单元间距不小于40mm。整个梯形环栅阵分为三层，共计40个插箱子阵，且环向插箱子阵间距为50mm。为了更好的对这种由梯形子阵组成的大间距新型环栅阵进行更好的说明，在各个插箱里用虚拟的实线把环向单元连成线，且每条线相对应的垂直平分线重合，此外线上相邻单元间距为45mm。下面对布阵形式作具体的分析介绍： 

(1)、最里层为90°插箱子阵，共计4个，每个插箱为两个梯形叠加，包含41个单元。每个插箱子阵径向层数之间的间距为45.25mm，由内到外每层包含的单元数分别为2、4、6、8、10、7、4； 

(2)、中间层为30°梯形插箱子阵，共计12个，每个插箱包含45个单元，插箱子阵径向层数之间的间距为51.20mm，层数为8，由内到外每层包含的单元数分别为4、4、5、5、6、6、7、8。该中间层插箱子阵与90°插箱子阵之间的最近距离为45.12mm； 

(3)、最外层为15°梯形插箱子阵，共计24个，每个插箱包含40个单元，插箱子阵径向层数之间的间距为52.55mm，层数为8，由内到外每层包含的单元数分别为4、4、5、5、5、5、6、6。该15°插箱子阵与30°插箱子阵之间的最近距离为67.2mm。 

设第一象限的最里面的一个单元编号为1，逆时针一圈一圈地由里往外对单元天线编号，最后一个单元编号为N，并设编号为n的单元位置为(x_n，y_n)，一旦确定了各单元的坐标位置，就可利用相关公式分析环栅阵的辐射特性。 

图2是90°插箱子阵，环向单元间的间距为45mm，径向层数之间的间距为42.25mm。 

图3是30°插箱子阵，环向单元间的间距为45mm，径向层数之间的间距为51.20mm。 

图4是15°插箱子阵，环向单元间的间距为45mm，径向层数之间的间距为52.55mm。 

图5是在均匀激励时的由梯形子阵组成的大间距新型环栅阵辐射方向图，从所给辐射方向图不难看出，此新型环栅阵的栅瓣比较低，栅瓣出现的位置离主瓣较远(较弧形环栅阵的栅瓣位置远约10度)，而且寄生栅瓣(次级栅瓣)也很低。其原因是由梯形子阵组成的大间距新型环栅阵中各插箱中的单元排布更密些。该环栅阵的方位面和俯仰面方向图基本一致，这是由于阵面结构为旋转对称，且近寄生栅瓣低至-25dB，远栅瓣约为-18dB，距主瓣约50度。 

图6中，由(a)可见，采用均匀激励分布时副瓣电平约为-18.5dB，波束宽度约为1°；从图中(b)可以看出，方位面的主波束扫描10°时栅瓣位置出现在阵面法线30°以外区域，栅瓣移动速度快于主瓣。 

图7为圆口径泰勒激励时的由梯形子阵组成的大间距新型环栅阵辐射方向图，采用副瓣电平为-30dB的圆口径泰勒分布，从图中可以看出，该阵列的方位面和俯仰面基本一致。 

图8为圆口径泰勒激励时的由梯形子阵组成的大间距新型环栅阵的方位面局部方向图和扫描扫描10°的方向图，由图中(a)可见，采用泰勒激励分布时方位面副瓣压低至约-24.5dB，主波束约为1°但略微变宽；从图中(b)可以发现，主波束扫描10°时方位面在距离阵面法线60°附近出现一个接近-15.5dB的栅瓣。 

以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，自然也可以据以上所述对实施方案做一系列的变更。而且，本发明并不局限于梯形子阵，本发明的结构自然可以移植到其它不同的频段的相控阵天线。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。 

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。 

Claims (5)

1.一种X波段由梯形子阵组成的大间距新型环栅阵(1)，其特征在于：通过子阵非周期结构排列形式来抑制栅瓣，在泰勒口径分布的基础上结合高效阵列单元来抑制寄生栅瓣，子阵非周期排列结构大大减少了阵面及其他部分的设计难度，并且优化量也会减少。

2.根据权利要求1所述的一种X波段由梯形子阵组成的大间距新型环栅阵，整个阵面划分为三种类型的插箱结构，每个插箱为一个子阵，为了方便安装插箱间留有一定的空隙。

3.根据权利要求1所述的一种X波段由梯形子阵组成的大间距新型环栅阵，每个子阵的在径向以及环向均是等间距排列，因此可确定每个子阵的单元位置。

4.根据权利要求1所述的一种X波段由梯形子阵组成的大间距新型环栅阵，环栅阵分为三层，最里层为90°插箱(2)，每个插箱41个单元；中间层为30°插箱(3)，每个梯形插箱有45个单元；最外层为15°插箱(4)，每个梯形插箱有40个单元。三层插箱之间最小间距为67.2mm。在环栅阵的最大半径约为1.2m的情况下，调整单元间间距不小于40mm。

5.根据权利要求1所述的一种X波段由梯形子阵组成的大间距新型环栅阵，分别用均匀激励分布和泰勒激励分布两种激励情况分析梯形环栅阵的辐射特性。