CN105846111B - 一种用于uhf散射测试的阵列天线 - Google Patents

一种用于uhf散射测试的阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于UHF散射测试的阵列天线，包括：双极化辐射系统、列馈系统、T/R系统及行馈系统；其中，双极化辐射系统包括M行N列共M*N个天线振子；列馈系统包括与N列天线振子一一相连的N个列馈单元，每个列馈单元包括M个列馈端口，用于为与所述列馈单元相连的一列天线振子中的每一个馈电；T/R系统包括与N个列馈单元一一相连的N个T/R组件，每个T/R组件用于控制其所在链路信号的发射与接收；行馈系统包括与N个T/R组件一一相连的N个行馈端口，每个行馈端口用于为与其相连的T/R组件馈电。本发明提供的阵列天线辐射增益高、辐射旁瓣低、照射均匀度好，满足UHF散射测试要求。

Description

一种用于UHF散射测试的阵列天线
技术领域
本发明涉及隐身技术领域，尤其涉及一种用于UHF散射测试的阵列天线。
背景技术
天线是室外实验场中电磁特性测量系统的关键组成部分，由于电磁特性测量系统的工作环境较为特殊，受到场地建筑物和实验场设施的影响，故上述系统天线部分的技术要求与常见的空间目标测量系统存在很大的差异。
常见的空间目标测量系统所测量的目标一般都在较宽阔的自由空间内，天线主瓣只照射被测量的目标，且主瓣的仰角高于三倍波束宽度，仅有离主瓣较远的副瓣照射到地物形成多路径反射，而一般抛物面天线的远区副瓣(第三及以外的副瓣)电平都在低于-30dB，考虑双程则低于-60dB，因此副瓣的照射及多路径效应对测量系统的影响很小。
对于实验场中的电磁特性测量系统而言，场地中被照射的各类建筑物和各类设施的反射会对测量结果造成明显的影响。为了最大限度地减小这种影响，就要求天线的副瓣、特别是近区副瓣(第一、二副瓣)尽可能的低，且主瓣照射尽量均匀。而这种设计需求在UHF波段采用常规的设计方法实现难度较大，原因在于此波段电磁波长较大，对单辐射源天线结构的小幅改变不足以带来其指标的改善；如果采用阵列天线，其集成的辐射单元总数较少但规模较大，若采用无源馈电网络，则优化设计裕量有限；若采用全有源馈电网络，则天线成本高且重量大，实用性较低。
因此，亟需一种辐射旁瓣低、照射均匀度好、有源无源馈电网络相结合的阵列天线用于UHF散射测试，以解决上述问题。
发明内容
本发明提供了一种用于UHF散射测试的阵列天线，采用大规模阵列结构配合部分有源馈电网络的设计，通过控制各组件的功率分布实现方位面与俯仰面的低副瓣分布，达到辐射增益高、辐射旁瓣低、照射均匀度好的技术效果。同时，本发明提供的阵列天线重量较轻，成本较低，在室外大功率散射测试系统中具有较强的实用价值。
本发明提供一种用于UHF散射测试的阵列天线，包括：双极化辐射系统、列馈系统、T/R系统及行馈系统；其中，双极化辐射系统包括M行N列共M*N个天线振子，用于发射或接收水平极化信号或垂直极化信号；列馈系统包括与N列天线振子一一相连的N个列馈单元，每个列馈单元包括M个列馈端口，用于为与所述列馈单元相连的一列天线振子中的每一个馈电；T/R系统包括与N个列馈单元一一相连的N个T/R组件，每个T/R组件用于控制其所在链路信号的发射与接收；行馈系统包括与N个T/R组件一一相连的N个行馈端口，每个行馈端口用于为与其相连的T/R组件馈电；所述M个列馈端口的权值为根据第一预设规则设置的不等权值，所述N个行馈端口的权值为相等权值，M、N为大于3的整数。
优选地，所述阵列天线工作在发射状态或接收状态；其中，
在发射状态时：行馈系统接收根据第二预设规则设置的输入信号，将输入信号以所述相等权值分配到N个行馈端口后，发送到与行馈端口相连的T/R组件；每个T/R组件处于发射模式，将接收的信号进行处理后发送到与其相连的列馈单元；每个列馈单元通过其M个列馈端口对接收的信号进行所述不等权值的分配后，发送到与列馈端口相连的天线振子；每个天线振子将接收的信号转换为水平极化信号或垂直极化信号进行发射；
在接收状态时：每个天线振子接收水平极化信号或垂直极化信号，并发送到与其相连的列馈端口；每一列馈单元将其M个列馈端口接收的信号以所述不等权值合成后发送到与所述列馈单元相连的T/R组件；每个T/R组件处于接收模式，通过其内部的衰减器及第三预设规则对接收的信号进行衰减后发送到与所述T/R组件相连的行馈端口；行馈系统将每个行馈端口接收的信号以所述相等权值合成后输出。
优选地，列馈系统为无源系统；T/R系统及行馈系统为有源系统。
优选地，天线振子包括可折叠的水平极化单元及垂直极化单元、为水平极化单元馈电的水平极化馈线、为垂直极化单元馈电的垂直极化馈线、安装于天线振子顶端的寄生单元及安装于天线振子底部的反射板；其中，水平极化单元用于发射或接收水平极化信号；垂直极化单元用于发射或接收垂直极化信号；寄生单元用于展宽阵列天线的驻波带宽；天线振子的各馈电连接处采用环氧树脂板结合环氧树脂胶处理。
优选地，第一预设规则为：将同一列馈单元M个列馈端口按照列馈端口序号分为K个等级；同一等级列馈端口的权值相同，相邻等级列馈端口的电平差不大于3dB；其中，K为大于3的整数。
优选地，所述第二预设规则为：以行馈端口序号为自变量，构建行馈端口接收信号的电平的函数；所述函数由中心向两端递减。
优选地，不同天线振子在同一时间发射或接收的信号的极化方式相同；所述阵列天线工作在VV/HH双极化模式。
优选地，所述阵列天线的综合方法采用泰勒分布。
优选地，所述阵列天线包括与行馈系统连接的单刀双掷开关，用于控制所述阵列天线工作在发射状态或接收状态。
优选地，所述阵列天线为平面阵，其方位面的口径为8460mm，俯仰面的口径为6440mm；M为14，N为18。
由上述技术方案可知，本发明能够实现辐射增益高、辐射旁瓣低、照射均匀度好的技术效果。同时，本发明提供的阵列天线重量较轻，成本较低，在室外大功率散射测试系统中具有较强的实用价值。
附图说明
图1是本发明的用于UHF散射测试的阵列天线示意图；
图2是本发明的用于UHF散射测试的阵列天线实物图；
图3是本发明的天线振子结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
本发明考虑到在UHF散射测试系统中，实验场地中被照射的各类建筑物和各类设施的反射会对测量结果造成明显的影响。为了最大程度地减小这种影响，测试系统要求天线的副瓣尽可能的低，且主瓣照射尽量均匀。而单辐射源天线的指标无法满足测试要求，必须采用阵列天线。阵列天线若采用无源馈电网络，则设计裕量有限；若采用全有源馈电网络，则天线成本高且重量大，实用性较低。
基于上述考虑，本发明提供一种采用大规模阵列结构结合部分有源馈电网络设计的阵列天线，通过调节列馈网络各端口的权值实现俯仰面的低副瓣分布；通过控制行馈网络各端口的发射功率及T/R组件的衰减量实现方位面的低副瓣分布。同时，本发明提供的阵列天线辐射增益高、照射均匀度好、重量较轻，成本较低，在室外大功率散射测试系统中具有较强的实用价值。
图1示出了本发明的用于UHF散射测试的阵列天线示意图，如图1所示，阵列天线包括：双极化辐射系统1、列馈系统2、T/R系统3及行馈系统4。
上述双极化辐射系统1包括M行N列共M*N个天线振子，用于发射或接收水平极化信号或垂直极化信号。M、N为大于3的整数。
图3示出了本发明的天线振子结构示意图，如图3所示，天线振子包括可折叠的、用于发射或接收水平极化信号的水平极化单元11，可折叠的、用于发射或接收垂直极化信号的垂直极化单元12，为水平极化单元11馈电的水平极化馈线13、为垂直极化单元12馈电的垂直极化馈线14、安装于天线振子顶端的寄生单元15及安装于天线振子底部的反射板16。水平、垂直极化单元12采用可折叠形式是为了减小天线结构尺寸。寄生单元15用于展宽阵列天线的驻波带宽。天线振子的各个馈电连接处采用环氧树脂板结合环氧树脂胶的方法进行处理，能够增加各天线振子之间的信号隔离度，并且具有防雨水、耐侵蚀、防震动的优点。为了减小风阻，水平、垂直极化单元12和反射板16上均打有通孔。
在本发明优选实施例中，阵列天线为平面阵，其方位面的口径为8460mm，俯仰面的口径为6440mm；方位面的单元间距为470mm，单元数为18个，俯仰面的单元间距为460mm，单元数为14个。即M取14，N取18，天线阵为14*18。
较佳的，在本发明的实施例中，每个天线振子都能够通过开关同步地在水平极化与垂直极化之间切换，即不同的天线振子在同一时间发射或接收的信号的极化方式相同。
在本发明优选实施例中，阵列天线工作在VV/HH双极化模式，即既可以发射、接收水平极化信号，又可以发射、接收垂直极化信号。本发明在网络的输出端采用单刀双掷开关，将开关的输出端分别与天线振子的水平极化单元11、垂直极化单元12相接，通过开关切换即可实现VV/HH的双极化工作模式。
本发明的阵列天线包括列馈系统2，列馈系统2包括与N列天线振子一一相连的N个列馈单元，每个列馈单元包括M个列馈端口，用于为与列馈单元相连的一列天线振子中的每一个天线振子馈电。
在本发明优选实施例中，列馈系统2包括18个列馈单元，每个列馈单元包括14个列馈端口。
作为一个优选方案，同一列馈单元的列馈端口幅度分布包含不同的权值，上述权值根据第一预设规则设置。第一预设规则为：将同一列馈单元M个列馈端口按照列馈端口序号从大到小或从小到大分为K个等级(K为大于3的整数)，即同一等级的列馈端口为相邻端口。同一等级列馈端口的权值相同，相邻等级列馈端口的电平差不大于3dB。上述设计通过不等权值的列馈网络使得阵列天线在俯仰面实现符合指标要求的低副瓣性能，同时采用上述多级级联形式能够增加阵列天线的带宽。
较佳的，列馈系统2为无源系统，能够控制阵列天线的成本，并使阵列天线重量较小，实用性较强。
本发明的阵列天线包括T/R系统3，T/R系统3包括与N个列馈单元一一相连的N个T/R组件，每个T/R组件用于控制其所在链路信号的发射与接收。每个T/R组件都同步地随阵列天线的发射、接收处于发射模式或接收模式，即阵列天线处于发射状态时，每个T/R组件都处于发射模式；阵列天线处于接收状态时，每个T/R组件都处于接收模式。T/R组件处于发射模式时，将从行馈系统4接收的信号处理后发送到列馈单元；处于接收模式时，通过其内部的衰减器根据第三预设规则对信号进行衰减，之后发送到行馈系统4。上述第三预设规则为预先设置，以此控制每个T/R组件链路的衰减量使阵列天线在接收状态实现方位面的低副瓣性能。
在本发明优选实施例中，T/R系统3包括18个T/R组件，T/R组件以一维方式实现分布式馈电。
作为一个优选方案，T/R组件皆为有源器件，能够确保阵列天线的辐射增益、辐射旁瓣、照射均匀度等指标满足测试要求。
本发明的阵列天线包括行馈系统4，行馈系统4包括与N个T/R组件一一相连的N个行馈端口，每个行馈端口用于为与其相连的T/R组件馈电。
在本发明优选实施例中，行馈系统4包括18个行馈端口。行馈系统4各行馈端口的权值相等。行馈系统4接收终端发送的符合第二预设规则的输入信号。第二预设规则为预先设置，其具体表述为：以行馈端口序号为自变量，构建行馈端口接收信号的电平的函数，此函数由中心向两端递减。即序号居中的端口接收的信号较强，两端的端口接收的信号较弱。此种设计能够使阵列天线在发射状态实现方位面的低副瓣性能。
较佳的，行馈系统4为有源系统，能够使阵列天线具有较好的指标性能。
在本发明优选实施例中，阵列天线工作在发射状态或接收状态。
在发射状态时：行馈系统4接收根据第二预设规则设置的输入信号，将输入信号以相等权值分配到N个行馈端口后，发送到与行馈端口相连的T/R组件；每个T/R组件处于发射模式，将接收的信号进行处理后发送到与其相连的列馈单元；每个列馈单元通过其M个列馈端口对接收的信号进行不等权值的分配后，发送到与列馈端口相连的天线振子；每个天线振子将接收的信号转换为水平极化信号或垂直极化信号进行发射。
在上述过程中，输入信号根据第二预设规则进行设置，能够实现阵列天线处于发射状态时方位面的低副瓣性能。列馈单元对接收信号进行不等功分能够实现阵列天线处于发射状态时俯仰面的低副瓣性能。
在接收状态时：每个天线振子接收水平极化信号或垂直极化信号，并发送到与其相连的列馈端口；每一列馈单元将其M个列馈端口接收的信号以不等权值合成后发送到与列馈单元相连的T/R组件；每个T/R组件处于接收模式，首先通过低噪声放大器对信号放大，再通过其内部的衰减器及第三预设规则对信号进行衰减后发送到与T/R组件相连的行馈端口；行馈系统4将每个行馈端口接收的信号以相等权值合成后输出。
在上述过程中，控制T/R组件中衰减器的衰减量能够实现阵列天线处于接收状态时方位面的低副瓣性能。列馈单元对接收信号进行不等功分能够实现阵列天线处于接收状态时俯仰面的低副瓣性能。
作为一个优选方案，阵列天线包括与行馈系统4连接的单刀双掷开关，用于控制阵列天线工作在发射状态或接收状态。
较佳的，在本发明实施例中，阵列天线的综合方法采用泰勒分布。泰勒口径分布是阵列天线中最常用的一种分布形式，能够实现很低的副瓣电平。本发明实施例中，阵列天线的副瓣电平应小于-20dB，考虑到天线生产安装中的各种误差影响，在选择天线口径分布时，天线的副瓣电平必须留有5dB左右的设计余量。因此，阵列天线的口径分布按-25dB泰勒分布进行设计，才能够实现小于-20dB的副瓣要求。
本发明通过列馈无源功分馈电网络实现俯仰面的低副瓣口径分布，通过行网络和TR组件组成的有源馈电网络形成方位面的低副瓣口径分布，同时具有辐射增益高、照射均匀度好、实用性强的优点。
图2示出了本发明的阵列天线的实物图，如图2所示，本发明的阵列天线的辐射单元为252个，双线极化，全频带增益高于25dB，能够实现UHF频带内31％的带宽覆盖。在天线辐射方向性方面，3dB主波束宽度在俯仰面内为6°～9°，在方位面内为4°～7°，远场均匀区域内的增益起伏优于0.5dB，工作频带内副瓣低于-20dB。上述阵列天线能够在UHF散射测试中提供较好的电磁照射条件，有力地保证了测试结果的准确性。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于UHF散射测试的阵列天线，其特征在于，包括：双极化辐射系统、列馈系统、T/R系统及行馈系统；其中，
双极化辐射系统包括M行N列共M*N个天线振子，用于发射或接收水平极化信号或垂直极化信号；
列馈系统包括与N列天线振子一一相连的N个列馈单元，每个列馈单元包括M个列馈端口，用于为与所述列馈单元相连的一列天线振子中的每一个馈电；
T/R系统包括与N个列馈单元一一相连的N个T/R组件，每个T/R组件用于控制其所在链路信号的发射与接收；
行馈系统包括与N个T/R组件一一相连的N个行馈端口，每个行馈端口用于为与其相连的T/R组件馈电；
所述M个列馈端口的权值为根据第一预设规则设置的不等权值，所述N个行馈端口的权值为相等权值，M、N为大于3的整数；
其中，所述阵列天线工作在发射状态或接收状态；
在发射状态时：行馈系统接收根据第二预设规则设置的输入信号，将输入信号以所述相等权值分配到N个行馈端口后，发送到与行馈端口相连的T/R组件；每个T/R组件处于发射模式，将接收的信号进行处理后发送到与其相连的列馈单元；每个列馈单元通过其M个列馈端口对接收的信号进行所述不等权值的分配后，发送到与列馈端口相连的天线振子；每个天线振子将接收的信号转换为水平极化信号或垂直极化信号进行发射；其中，所述第二预设规则为：以行馈端口序号为自变量，构建行馈端口接收信号的电平的函数；所述函数由中心向两端递减；
在接收状态时：每个天线振子接收水平极化信号或垂直极化信号，并发送到与其相连的列馈端口；每一列馈单元将其M个列馈端口接收的信号以所述不等权值合成后发送到与所述列馈单元相连的T/R组件；每个T/R组件处于接收模式，通过其内部的衰减器根据第三预设规则对接收的信号进行衰减后发送到与所述T/R组件相连的行馈端口；行馈系统将每个行馈端口接收的信号以所述相等权值合成后输出。
2.如权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，列馈系统为无源系统；T/R系统及行馈系统为有源系统。
3.如权利要求2所述的阵列天线，其特征在于，天线振子包括可折叠的水平极化单元及垂直极化单元、为水平极化单元馈电的水平极化馈线、为垂直极化单元馈电的垂直极化馈线、安装于天线振子顶端的寄生单元及安装于天线振子底部的反射板；其中，
水平极化单元用于发射或接收水平极化信号；
垂直极化单元用于发射或接收垂直极化信号；
寄生单元用于展宽阵列天线的驻波带宽；
天线振子的各馈电连接处采用环氧树脂板结合环氧树脂胶处理。
4.如权利要求3所述的阵列天线，其特征在于，第一预设规则为：将同一列馈单元M个列馈端口按照列馈端口序号分为K个等级；同一等级列馈端口的权值相同，相邻等级列馈端口的电平差不大于3dB；其中，K为大于3的整数。
5.如权利要求4所述的阵列天线，其特征在于，不同天线振子在同一时间发射或接收的信号的极化方式相同；所述阵列天线工作在VV/HH双极化模式。
6.如权利要求5所述的阵列天线，其特征在于，所述阵列天线的综合方法采用泰勒分布。
7.如权利要求6所述的阵列天线，其特征在于，所述阵列天线包括与行馈系统连接的单刀双掷开关，用于控制所述阵列天线工作在发射状态或接收状态。
8.如权利要求1-7任一所述的阵列天线，其特征在于，所述阵列天线为平面阵，其方位面的口径为8460mm，俯仰面的口径为6440mm；M为14，N为18。
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