CN106025578A - 一种共形球面天线阵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共形球面天线阵，它包括天线罩、天线阵、屏蔽罩、底板和支撑装置，天线阵安装在底板上，且屏蔽罩位于天线阵与底板之间，天线罩盖住天线阵，且底板上开设有一环形槽，天线罩的下边缘插入环形槽内，且通过锁紧定位机构定位，支撑装置安装在底板的底部，天线阵包括第一层骨架、第二层骨架、第三层骨架和天线，所述的第一层骨架、第二层骨架、第三层骨架均在同一椭球面内，且每一层骨架的倾角均不相同，所述的第一层骨架、第二层骨架与椭球面相切，第三层骨架与第二层骨架的球面切线具有切线夹角a，本发明的有益效果是：它具有天线辐射均匀度高、生产成本低和结构稳定性好的优点。

Description

一种共形球面天线阵

技术领域

本发明涉及共形天线阵，特别是一种共形球面天线阵。

背景技术

共形（椭）球面天线阵可实现半球面全方位的辐射。在众多天线系统中具有不可比拟的优势。可用于地面通信系统，机载、车载动中通系统，同时也能应用于雷达、定位、导航领域。

共形天线阵有很多种类，有锥形阵，球面阵，圆柱阵等。它具备常规平面天线阵的特性，同时也有很多不同之处。

平面阵已经很成熟应用于多个领域，但其扫描角一般最多到60°左右。而球面阵可以全方位覆盖。这在卫星跟踪，通信等领域能很好发挥作用。在达到同样宽辐射角度的条件下，共形球面阵在体积、功耗、成本方面有很大的优势。但是球面阵的设计要求很高。相对于平面阵，其阵元分布不均匀，方向图分析变得复杂。对于较大曲率半径的阵列要想获得低副瓣的方向图，必须分配好各个阵元的位置，以使得所有阵元能够有效指向制定的方向。同时非平面的的阵元辐射极化不整齐，因此可能导致交叉极化很高。

（椭）球面结构在加工方面难度较大，且成本很高，其设计难点主要有以下几点：1、（椭）球面共形天线单元特性及单元间的互耦分析困难，2、共形阵列天线方向图综合困难，3、共形阵列天线极化控制困难，4、波束形成和控制复杂，5、测试（校准）困难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种天线辐射均匀度高、生产成本低和结构稳定性好的共形球面天线阵。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种共形球面天线阵，它包括天线罩、天线阵、屏蔽罩、底板和支撑装置，所述的天线阵安装在底板上，且屏蔽罩位于天线阵与底板之间，所述的天线罩盖住天线阵，且底板上开设有一环形槽，所述的天线罩的下边缘插入环形槽内，且通过锁紧定位机构定位，所述的支撑装置安装在底板的底部，所述的天线阵包括第一层骨架、第二层骨架、第三层骨架和天线，所述的第一层骨架、第二层骨架、第三层骨架均在同一椭球面内，且每一层骨架的倾角均不相同，所述的第一层骨架、第二层骨架与椭球面相切，第三层骨架与第二层骨架球面切线具有切线夹角a，所述的第一层骨架、第二层骨架、第三层骨架上均开设有多个天线安装孔，所述的天线安装孔周围的骨架上设置有多个天线支撑柱，所述的天线上设置有与天线支撑柱对应的安装孔，所述的天线通过螺钉安装在天线支撑柱上。

所述的第一层骨架上均匀安装有四个天线，所述的第二层骨架上均匀安装有八个天线，所述的第三层骨架上均匀安装有十一个天线。

所述的第一层骨架的顶部为圆顶结构，在其上开设有一定位装置安装孔，所述的定位装置安装孔内安装有定位装置，且定位装置通过设置在定位安装孔上的四个定位装置定位柱定位。

所述的第一层骨架和第二层骨架的相接环上以及第二层骨架和第三层骨架的相接环上均开设有减重孔。

所述的第三层骨架底部的外侧壁上设置有多个均匀分布的天线骨架安装座，天线骨架安装座上开设有螺纹通孔，所述的底板上开设有与天线骨架安装座对应的天线骨架安装孔，第三次骨架通过安装在天线骨架安装座和天线骨架安装孔内的连接螺钉紧固连接。

所述的锁紧定位机构包括锁紧螺钉，所述的环形槽的侧壁上开设有多个螺纹通孔，所述的屏蔽罩的下边缘开设有与螺纹通孔的定位孔，所述的天线罩和底板之间通过锁紧在螺纹通孔和定位孔内的锁紧螺钉锁紧定位。

所述的支撑装置为支撑柱，支撑柱的上下两端均设置有连接法兰。

所述的支撑装置为L形安装座，L形安装座上开设有与底板连接的台阶孔以及用以固定L形安装座固定通孔。

所述的底板的底部还设置有接头座和防水透气阀，防水透气阀位于接头座的一侧。

本发明具有以下优点：本发明的共形球面天线阵，天线阵列分为三层骨架，骨架为缕空设计，即保证了结构强度，又降低了骨架的重量，同时也降低了骨架的耗材，而且骨架采用3D打印技术制作，与传统工艺相比，其加工效率高、加工精度高和生产成本低，在骨架上开设有实现天线球面布阵的23个天线安装孔，且每一层骨架之间具有不同的倾角，从而改善了天线辐射的均匀性即扫描范围内的增益平坦度，且骨架采用缕空结构，即保证了骨架的性能，又降低了骨架的用料成本和重量；第一层骨架采用圆顶结构，从而保证了天线安装骨架的受力均匀性，从而提高了天线安装骨架的稳定性，并且天线的俯仰角度可调，从而可根据实际需求，调节天线的俯仰角，提高天线阵列的通用性；天线阵通过支持装置安装，可根据不同的使用环境配合安装不同的安装附件实现车载、舰载以及地面工事的安装使用，从而提高了该球面天线阵的通用性。

附图说明

图1 为实施例一的结构示意图；

图2 为实施例二的结构示意图；

图3 为天线阵的结构示意图；

图4 为第一层骨架、第二层骨架、第三层骨架的连接示意图；

图5为天线的结构示意图；

图6 为实施例一底板的立体示意图；

图7 为实施例一底板的仰视示意图；

图8 为实施例二底板的立体示意图；

图9 为实施例二底板的仰视示意图；

图中，1-第一层骨架，2-第二层骨架，3-第三层骨架，4-天线安装孔，5-定位装置安装孔，6-天线支撑柱，7-天线骨架安装座，8-减重孔，9-定位装置定位柱，10-定位装置，11-天线，12-安装孔，13-天线罩，14-天线阵，15-屏蔽罩，16-底板，17-天线骨架安装孔，18-环形槽，19-锁紧螺钉，20-支撑柱，21-L形安装座，22-防水透气阀，23-接头座，。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

实施例一：

如图1、图3~图7所示，一种共形球面天线阵，它包括天线罩13、天线阵14、屏蔽罩15、底板16和支撑装置，所述的天线阵14安装在底板16上，且屏蔽罩15位于天线阵14与底板16之间，所述的天线罩13盖住天线阵14，且底板16上开设有一环形槽18，所述的天线罩13的下边缘插入环形槽18内，且通过锁紧定位机构定位，在本实施例中，所述的锁紧定位机构包括锁紧螺钉19，所述的环形槽18的侧壁上开设有多个螺纹通孔，所述的屏蔽罩13的下边缘开设有与螺纹通孔的定位孔，所述的天线罩13和底板16之间通过锁紧在螺纹通孔和定位孔内的锁紧螺钉锁紧定位，通过此种方式，改变了原有端面密封结构，从而使得天线罩13与底板16之间的密封性能得到保证，从而保证了屏蔽罩15的屏蔽效果，提高了天线阵的质量，所述的支撑装置安装在底板16的底部，所述的天线阵14包括第一层骨架1、第二层骨架2、第三层骨架3和天线11，所述的第一层骨架1、第二层骨架2、第三层骨架3均在同一椭球面内，且每一层骨架的倾角均不相同，所述的第一层骨架1、第二层骨架2与椭球面相切，第三层骨架3与第二层骨架1球面切线具有切线夹角a，，优选的，切线夹角a为10°，通过这种方式，可以改善天线辐射的均匀性即扫描范围内的增益平坦度，在实际过程中，第一层骨架1、第二层骨架2和第三层骨架3并不仅限于椭球面，也可以是球面，所述的第一层骨架1、第二层骨架2、第三层骨架3上均开设有多个天线安装孔4，所述的天线安装孔4周围的骨架上设置有多个天线支撑柱6，所述的天线11上设置有与天线支撑柱6对应的安装孔12，所述的天线11通过螺钉安装在天线支撑柱6上，在本实施例中，天线支撑柱6为四个，进一步的，天线11的外圆上开设有四个凸块，安装孔12对应开设在凸块上，在安装时，天线支撑柱6的高度可以改变，从而可以通过改变天线支撑柱6的高度来改变天线单元的俯仰角，为满足天线支撑柱6的调节，可采用天线支撑柱6与第一层骨架1、第二层骨架2、第三层骨架3螺纹连接的方式安装，通过调整天线支撑柱6的旋入量来调节天线支撑柱6的高度，在本实施例中，所述的第一层骨架1、第二层骨架2、第三层骨架3采用3D打印技术制作，与传统工艺相比，其加工效率高、加工精度高和生产成本低。

在本实施例中，所述的第一层骨架1上均匀安装有四个天线11，所述的第二层骨架2上均匀安装有八个天线，所述的第三层骨架3上均匀安装有十一个天线11，因此天线11总计23个，而23个天线，是满足要求下得到的最小单元数，而这个虽小单元数是在整体指标的要求下，以单元个数、位置等为变量，单元间距、椭球大小等为约束条件，将单元方向图等效成点源方向图用遗传算法进行优化而得到的，其具体思路如下：

首先从系统指标出发，分解出共形天线所需达到的指标要求。然后，从天线的指标要求分析所需的天线单元特性以及共形天线阵列的拓扑结构。进而通过优化算法确定所需的单元方向图，然后进一步对共形阵列拓扑结构布局进行优化。天线阵列工作在S波段，带宽为10%，扫描范围为俯仰角-75°到75°，方位角0°-360°。天线阵列在扫描范围内的增益要大于13dBi，增益平坦度小于1dB。天线阵列能同时支持双圆极化工作模式，且其轴比小于3dB。同时天线应该能同时接受多于三个卫星情报的能力。

显然，对一个共形相控阵来说，其首先应该被限制在一定的空间上，在这里我们限定其范围在一个直径小于300mm的半球内。同时为了节约共形相控阵天线的成本，单元数和其位置是我们优化的一个重要变量。其增益和增益平坦度是非常重要的优化目标。首先，拟定一个天线单元方向图，现在有两个变量：每个单元的位置坐标(x, y, z)和天线单元的总数N。阵列的每个单元不能相交，其大小在限定在半球的半径必须小于R，也就是说，每一个单元的坐标控制在一定的范围之内。另外，在整个上半空域，天线增益的优化结果必须大于13 dBi，并且增益平坦度小于1 dB。我们使用遗传算法对单元的分布以及单元数量进行优化。如果这个拟定的单元方向图不能优化出满足要求的结构，对单元天线的方向图进行调整，选择一个新的方向图重新进行优化。在优化目标达到我们要求之后，我们按着拟定的方向图去设计我们所需的单元方向图，将此设计好的天线单元按照优化的拓扑结构进行排布，最后利用全波分析软件进行整体分析和优化。

所述的第一层骨架1的顶部为圆顶结构，其圆顶机构的穹拱式的造型具有四周传力的特点，这样能在满足相同受力的基础上将支架的壁厚尽量减薄，从而降低天线安装骨架的重量，在第一层骨架1的顶部开设有一定位装置安装孔5，所述的定位装置安装孔5内安装有定位装置10，且定位装置10通过设置在定位安装孔5上的四个定位装置定位柱9定位。

在本实施例中，所述的第一层骨架1和第二层骨架2的相接环上以及第二层骨架2和第三层骨架3的相接环上均开设有减重孔8，即第一层骨架1、第二层骨架2和第三层骨架3采用缕空设计，这样不仅可以降低天线安装骨架的重量，而且还可保证天线安装骨架的受力均匀性，从而提高了天线安装骨架的稳定性。

所述的第三层骨架3底部的外侧壁上设置有多个均匀分布的天线骨架安装座7，天线骨架安装座7上开设有螺纹通孔，所述的底板16上开设有与天线骨架安装座7对应的天线骨架安装孔17，第三次骨架3通过安装在天线骨架安装座7和天线骨架安装孔17内的连接螺钉紧固连接。

在本实施例中，所述的底板16的底部还设置有接头座23和防水透气阀22，防水透气阀22位于接头座23的一侧，防水透气阀22内设置有防水透气膜，该防水透气膜为高分子材料制成，防水透气阀22解决了共形球面天线阵的呼吸效应。

在本实施例中，所述的支撑装置为支撑柱20，支撑柱20的上下两端均设置有连接法兰，通过连接法兰可实现支撑柱20与底板16之间的连接，同时也可满足底板16的支撑，安装时，将支撑柱20的底部安装在对应的位置上即可实现共形球面天线阵的稳固安装。

实施例二：

本实施例与实施例一结构基本相同，唯一不同点在于支撑装置结构不同，如图2、图8和图9所示，所述的支撑装置为L形安装座21，所述的L形安装座21为多个，且均匀分布在底板16的下表面上，进一步的，所述的L形安装座21上开设有与底板16连接的台阶孔以及用以固定L形安装座21固定通孔，安装时，将L形安装座21固定，就可实现共形球面天线阵的稳固安装。

在上述实施例中，可以根据不同的使用环境配合安装不同的安装附件实现车载、舰载以及地面工事的安装使用。

Claims (9)

1.一种共形球面天线阵，其特征在于：它包括天线罩（13）、天线阵（14）、屏蔽罩（15）、底板（16）和支撑装置，所述的天线阵（14）安装在底板（16）上，且屏蔽罩（15）位于天线阵（14）与底板（16）之间，所述的天线罩（13）盖住天线阵（14），且底板（16）上开设有一环形槽（18），所述的天线罩（13）的下边缘插入环形槽（18）内，且通过锁紧定位机构定位，所述的支撑装置安装在底板（16）的底部，所述的天线阵（14）包括第一层骨架（1）、第二层骨架（2）、第三层骨架（3）和天线（11），所述的第一层骨架（1）、第二层骨架（2）、第三层骨架（3）均在同一椭球面内，且每一层骨架的倾角均不相同，所述的第一层骨架（1）、第二层骨架（2）与椭球面相切，第三层骨架（3）与第二层骨架（1）球面切线具有切线夹角a，所述的第一层骨架（1）、第二层骨架（2）、第三层骨架（3）上均开设有多个天线安装孔（4），所述的天线安装孔（4）周围的骨架上设置有多个天线支撑柱（6），所述的天线（11）上设置有与天线支撑柱（6）对应的安装孔（12），所述的天线（11）通过螺钉安装在天线支撑柱（6）上。

2.根据权利要求1所述的一种共形球面天线阵，其特征在于：所述的第一层骨架（1）上均匀安装有四个天线（11），所述的第二层骨架（2）上均匀安装有八个天线，所述的第三层骨架（3）上均匀安装有十一个天线（11）。

3.根据权利要求2所述的一种共形球面天线阵，其特征在于：所述的第一层骨架（1）的顶部为圆顶结构，在其上开设有一定位装置安装孔（5），所述的定位装置安装孔（5）内安装有定位装置（10），且定位装置（10）通过设置在定位安装孔（5）上的四个定位装置定位柱（9）定位。

4.根据权利要求3所述的一种共形球面天线阵，其特征在于：所述的第一层骨架（1）和第二层骨架（2）的相接环上以及第二层骨架（2）和第三层骨架（3）的相接环上均开设有减重孔（8）。

5.根据权利要求4所述的一种共形球面天线阵，其特征在于：所述的第三层骨架（3）底部的外侧壁上设置有多个均匀分布的天线骨架安装座（7），天线骨架安装座（7）上开设有螺纹通孔，所述的底板（16）上开设有与天线骨架安装座（7）对应的天线骨架安装孔（17），第三次骨架（3）通过安装在天线骨架安装座（7）和天线骨架安装孔（17）内的连接螺钉紧固连接。

6.根据权利要求1或5所述的一种共形球面天线阵，其特征在于：所述的锁紧定位机构包括锁紧螺钉（19），所述的环形槽（18）的侧壁上开设有多个螺纹通孔，所述的屏蔽罩（13）的下边缘开设有与螺纹通孔的定位孔，所述的天线罩（13）和底板（16）之间通过锁紧在螺纹通孔和定位孔内的锁紧螺钉锁紧定位。

7.根据权利要求6所述的一种共形球面天线阵，其特征在于：所述的支撑装置为支撑柱（20），支撑柱（20）的上下两端均设置有连接法兰。

8.根据权利要求1所述的一种共形球面天线阵，其特征在于：所述的支撑装置为L形安装座（21），L形安装座（21）上开设有与底板（16）连接的台阶孔以及用以固定L形安装座（21）固定通孔。

9.根据权利要求1所述的一种共形球面天线阵，其特征在于：所述的底板（16）的底部还设置有接头座（23）和防水透气阀（22），防水透气阀（22）位于接头座（23）的一侧。