CN106785437A - 固定多波束螺旋天线立体阵 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种固定多波束螺旋天线立体阵，包括螺旋天线单元及锥台结构，锥台结构包括一顶面及若干个侧面，侧面的上端与顶面边缘相连接，相邻的侧面的侧边相连接，顶面及侧面上分别设有螺旋天线单元。其中，锥台结构的顶面为正多边形，侧面为等腰梯形。各螺旋天线单元通过波束隔离板隔离，螺旋天线单元的螺旋天线安装在介质板上，螺旋天线具有收拢展开功能，通过柔性支撑丝及螺距微调装置实现螺旋天线螺距及刚度的有效控制。本发明利用立体锥台结构实现天线波束指向偏转，从而实现对较宽视角内空域的波束覆盖，无需使用移相馈电网络；利用波束隔离板降低各天线单元间的互耦，减小锥台结构的尺寸，该天线立体阵从电性能、成本及重量上均较好。

Description

固定多波束螺旋天线立体阵
技术领域
本发明涉及一种螺旋天线阵列，特别涉及一种具有收拢及展开功能的固定多波束螺旋天线立体阵。
背景技术
螺旋天线是一种在宇航领域得到广泛应用的天线，与阵列天线中常用的微带天线相比，多圈的轴向模单线螺旋天线在方向图带宽、圆极化度、方向图对称性和方向性上都明显占优。因此，以单线螺旋天线为阵元可以在保持阵列天线增益不变的情况下大大减少小型天线阵的阵元数量。为了提高增益，单线螺旋天线通常圈数较多，因而高度较高，采用压紧-释放装置可以大大降低天线在非工作状态下的高度，尤其适合低频时的大尺寸应用。
在要求阵列天线以固定波束实现大视角覆盖的应用中，如果按照平面天线阵设计，扫描至大角度时增益下降很快，为提高增益，则需要增加阵元数量，进而会导致阵列波束变窄。在这种情况下则需要更多数量的波位才能覆盖所要求视角范围，从而导致馈电网络数量的几何级增长。若将天线阵设计为立体结构，通过改变阵面的物理指向，使天线阵在无扫描角或小扫描角下工作，则可以避免阵元数量的过多增加、降低馈电网络的规模。
一副单线螺旋天线可在至少10％的带宽内达到不低于10dB的增益，对于要求在较大覆盖范围内(比如±65°)实现增益覆盖在8dB以上的固定多波束天线的需求，采用单线螺旋天线为阵元的立体结构天线阵方案就非常的合适。根据具体的增益覆盖要求进行立体阵列的结构设计，使每副天线指向不同的方位，通过在结构上排布一系列指向不同的天线来实现最终的波束覆盖要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有收拢及展开功能的固定多波束螺旋天线立体阵，以解决现有的平面螺旋天线阵所存在的扫描至大角度时增益下降很快，而增加阵元数量导致阵列波束变窄的问题。
本发明的第二目的在于提供一种具有收拢及展开功能的固定多波束螺旋天线立体阵，以实现具有宽视场覆盖的固定多波束天线的设置满足天线的功能需求，并引入天线收拢展开功能，以便实现对天线的尺寸包络、重量等进行有效控制。
为实现上述目的，本发明提供了一种固定多波束螺旋天线立体阵，包括螺旋天线单元及锥台结构，所述锥台结构包括一顶面及若干个侧面，所述侧面的上端与所述顶面的边缘相连接，所述侧面的侧边与相邻的侧面的侧边相连接，所述顶面及侧面上分别设有所述螺旋天线单元，所述螺旋天线单元包括螺旋天线及柔性支撑丝，各螺旋天线单元的螺旋天线的底部分别安装在所述顶面及侧面上，多个并联设置的所述柔性支撑丝均布在所述螺旋天线周围，且所述柔性支撑丝沿所述螺旋天线的轴向设置以支撑所述螺旋天线。
较佳地，所述顶面为正多边形，所述侧面为等腰梯形，所述侧面的上端与所述顶面的边缘相连接，所述侧面的侧边与相邻的侧面的侧边相连接，其中，所述顶面的外接圆的直径约为所述螺旋天线单元的天线工作波长的0.7～0.8倍。
较佳地，还包括一底面，所述底面的形状与所述顶面相同的正多边形，但其面积大于所述顶面，所述底面的各个边分别与侧面的底边相连接。
较佳地，相邻的两个侧面通过侧支架连接，侧面与顶面通过上支架连接，侧面的下边设有下支架，所述上支架、侧支架及下支架构成所述锥台结构的支撑框架。
较佳地，所述螺旋天线单元还包括介质板，所述螺旋天线的底部安装在所述介质板上，所述介质板设于所述顶面及侧面上，所述介质板的材料为绝缘材料。
较佳地，所述螺旋天线单元还包括螺距微调装置，所述柔性支撑丝与所述螺旋天线的每层之间通过所述螺距微调装置连接。
较佳地，所述顶面与侧面相连接的棱边上以及每两个相邻的侧面相连接的棱边上分别设有波束隔离板，所述波束隔离板为金属板或金属网。
较佳地，所述波束隔离板的高度为所述螺旋天线单元的天线工作波长的0.3～0.4倍。
较佳地，所述波束隔离板倾斜安装于所述棱边上，且等分所述棱边所在的锥台结构两个面之间的空间。
较佳地，当波束隔离板设置为金属板时，所述波束隔离板上开设有减重孔，其中，所述减重孔的直径不大于螺旋天线单元的天线工作波长的0.1倍；当所述波束隔离板为金属网时，所述波束隔离板具有若干金属网孔，其中，所述金属网孔的直径不大于螺旋天线单元的天线工作波长的0.1倍。
本发明由于采用以上技术方案，具有以下的优点和积极效果：
1)本发明利用立体锥台结构实现天线波束的指向偏转，从而实现对较宽视角内空域的波束覆盖，与常规的相控阵天线相比，该设计无需使用移相馈电网络，可大大节约成本；
2)本发明利用立体锥台结构实现天线的高增益多波束覆盖，从而在保证广域空域全覆盖的情况下实现空域分割，减小单个波束内的目标数量，与常规天线相比，大大减轻了单个通道的处理容量，提高了检测概率；
3)本发明利用波束隔离板降低各天线单元间的互耦，与单纯依靠空间隔离的方式相比，可大大减小立体锥台结构的尺寸；隔离板开减重孔，可在不影响电性能的前提下降低重量；
4)本发明利用螺旋天线自身回复力和柔性丝的单向支撑特性实现对螺旋天线螺距及刚度的控制，从而实现螺旋天线的柔性支撑，与常规的螺旋天线硬支撑装置相比，该设计结构极大的降低了螺旋天线装置的重量，并可实现螺旋压紧释放，从而极大的减少了螺旋天线的安装空间；
5)本发明使用的单线螺旋天线可在12％的带宽内实现±25°波束内8dB增益覆盖，从电性能、成本及重量上均优于常规的微带天线阵方案；
6)本发明所述装置结构简单，装配方便，具有很高的推广价值。
附图说明
图1为本发明的固定多波束螺旋天线立体阵在一个7波束应用中的锥台结构示意图；
图2为本发明的固定多波束螺旋天线立体阵在一个7波束应用中展开状态的结构示意图；
图3为的固定多波束螺旋天线立体阵在一个7波束应用中收拢状态的结构示意图；
图4为本发明的固定多波束螺旋天线立体阵在一个7波束应用中的波束覆盖仿真图，其中等高线为8dB增益，工作频率为f1；
图5为本发明的固定多波束螺旋天线立体阵在一个7波束应用中的波束覆盖仿真图，其中等高线为8dB增益，工作频率为f2，f1≈1.1f2。
具体实施方式
以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。
如图1、2所示，本实施例提供了一种多波束螺旋天线立体阵，该多波束螺旋天线立体阵包括一个锥台结构10及多个螺旋天线单元20。其中，锥台结构10包括一顶面11及若干个侧面12，侧面12的上端与顶面11的边缘相连接，侧面12的侧边与相邻的侧面12的侧边相连，锥台结构10的顶面11及侧面12上分别设置有螺旋天线单元20，螺旋天线单元20分别固定安装在顶面及侧面上。其中，螺旋天线单元20包括螺旋天线21及柔性支撑丝23，各螺旋天线单元的螺旋天线21的底部分别安装在锥台结构10的顶面及侧面上，多个并联设置的柔性支撑丝23均布在螺旋天线21周围，且柔性支撑丝23沿螺旋天线21的轴向设置以支撑螺旋天线21。这里当锥台结构的侧面及顶面为金属材料制成时，螺旋天线在安装至锥台结构的顶面及侧面上时，可根据需要通过一绝缘介质板安装在锥台结构表面，或者安装时螺旋天线与锥台结构相接触的表面处直接涂覆一层绝缘材料，或者整个锥台结构的外表面涂覆有绝缘层，以避免锥台结构本身干扰或影响螺旋天线的工作；若锥台结构的侧面及顶面为非金属材料，则螺旋天线21的底部可直接安装在锥台结构的侧面及顶面上。应当理解，上述几种螺旋天线与锥台结构间安装形式的变形示例均包含在本发明范围之内。
本实施例中的顶面11和侧面12所构成的锥台结构10是支撑各个螺旋天线单元20的主要结构，同时由于锥台结构20自身的各个面之间相对的角度不同，因此使得安装于顶面及侧面上的螺旋天线单元的天线波束指向不同。因此，该多波束螺旋天线立体阵利用立体的锥台结构实现了螺旋天线单元的天线波束的指向偏转，从而实现了对较宽视角内空域的波束覆盖，与常规的相控阵天线相比，该天线立体阵无需使用移相馈电网络，可大大节约成本。
进一步优选的实施例中，上述的顶面11设置为正多边形，参见图1所示，本实施例中的顶面11为正六边形。相应地，侧面12设置为为等腰梯形，侧面12的上端与顶面11的一个边的边缘相连接，侧面12的侧边与相邻的侧面的侧边相连接。这样，正六边形的顶面11配合六个等腰梯形的侧面12连接构成一个锥台结构，该具有六个侧棱边及六个上棱边的锥台结构的整体结构稳定，可以稳固地支撑各个螺旋天线单元。当然，在其他优选实施例中，顶面不限制为正六变形，还可根据需要设置为正四边形、五边形、七边形、八边形等其他的多边形。这种正多边形的顶面配合等腰梯形的侧面可组成一个各侧边相同的均匀锥台结构，使得各个侧面上的螺旋天线单元的天线波束相对于顶面的螺旋天线单元具有均匀相同的指向偏转，且各个侧面上的螺旋天线单元的天线波束之间的指向偏转也相同，可以实现均匀的较宽视角内空域的波束覆盖。
其中，正多边形的顶面的外接圆的直径设置为螺旋天线单元的天线工作波长的0.7倍、0.8倍或0.7～0.8倍之间的任意一值。这里优选设置为螺旋天线单元的天线工作波长的0.75倍。这种尺寸的顶面可使得各个侧面上的螺旋天线单元的天线波束相对于顶面的螺旋天线单元之间的指向偏转适合各个螺旋天线单元的波束覆盖范围，便于各天线单元的波束均匀扩展以覆盖较大视角内的空域。
在另一优选实施例中，上述的锥台结构10还包括一底面，该底面的形状与顶面相同的正多边形，但该底面的面积大于顶面，底面的各个边分别与各个侧面的底边相连接。该底面配合侧面及顶面形成该锥台结构的一个内部空间，以便使得锥台结构的内部空间可以安装低噪放等各种测控单机。因此，具有底面的锥台结构可以根据需要做密封处理，实现对锥台结构的内部工作环境的控制。其中，锥台结构的各个面由低密度的金属材料制成，以满足锥台结构的刚度及强度要求。
在本发明的一个优选实施例中，相邻的两个侧面通过侧支架14连接，侧面12与顶面11通过上支架13连接，侧面的下边设有下支架15，上支架13、侧支架14及下支架15构成锥台结构10的支撑框架。锥台结构是该天线立体阵的主支撑结构，通过支撑框架的设置可进一步满足刚度及强度要求。其中，上支架13为与顶面11相匹配的正多边形结构，对应地，下支架15也为正多边形结构。上支架13、侧支架14及下支架15支架通过紧固件固定连接。上支架13、侧支架14及下支架15起到连接及固定顶面与侧面，以及连接及固定侧面与侧面的作用。而在具有底面的实施例中下支架15为与底面相匹配的正多边形结构，下支架15还起到连接及固定侧面与底面的作用。各面之间支架的设置起到对锥台结构更好的固定成型以及对各个面上的螺旋天线单元的良好支撑及固定的作用。且在不同的具体实施例中，通过改变上支架13、侧支架14及下支架15的尺寸以及对应连接的顶面与侧面的尺寸，可以实现改变该锥台结构所构成的立体阵面的各个面之间的相对位置及角度的目的，从而调节各个面上的螺旋天线单元的波束的角度，使得该天线阵对各种性能要求不同的场合的适用性更加良好。
进一步的，参见图2，本发明提供的多波束螺旋天线立体阵中的螺旋天线单元除了包括螺旋天线21、多个并联设置的柔性支撑丝23之外，还包括介质板22，螺旋天线21的底部安装在介质板22上，其中，此时的介质板22为绝缘材料制成，则螺旋天线可通过介质板22直接安装在上述的金属材料制成的锥台结构上。则整个天线立体阵的各个螺旋天线单元分别通过绝缘的介质板安装在多波束螺旋天线立体阵的锥台结构的顶面及侧面上。本实施例的螺旋天线单元通过柔性支撑丝和介质板配合，实现了对螺旋天线的支撑固定，相对于现有技术中的螺旋天线支撑装置，其结构简单、重量轻，操作方便，具有很高的推广价值。
在螺旋天线单元的另一优选实施例中，还包括螺距微调装置24，多个柔性支撑丝23均布在螺旋天线21的周围，且各个柔性支撑丝23沿螺旋天线21的轴向设置，柔性支撑丝23与螺旋天线21的每层之间通过螺距微调装置24连接。这里的柔性支撑丝也为绝缘材料制成。
参见图3，柔性支撑丝仅提供拉力，因此螺旋天线单元的各个螺旋天线可以很方便的压缩到波束隔离板30以下甚至更低，从而减小天线收拢包络。螺旋天线单元在无外部约束时，螺旋天线在其自身回复力和柔性支撑丝拉力相互作用下，实现螺旋天线的不完全展开。进一步通过柔性支撑丝与螺旋天线之间的螺距微调装置，实现螺旋天线的螺距微调，从而实现对螺旋天线刚度及螺距的有效控制。
该螺旋天线单元具有收拢展开功能，结构简单，质量轻，且能够实现螺旋天线螺距的调节、刚性的调节。与常规的螺旋天线硬支撑装置相比，该天线的支撑结构极大的降低了螺旋天线装置的重量，并可实现螺旋压紧释放，从而极大的减少了螺旋天线的安装空间。
其中，上述的螺旋天线21的底部是通过多个介质底座25安装在介质板22上的，且多个介质底座25周向均匀分布，这里的介质底座25也为绝缘材料制成。介质底座的设置可以保证螺旋天线固定安装在介质板上后的稳定性，且由于螺旋天线的底部一圈各部不在同一水平面上，因此本发明中多个介质底座采用非等高的，各介质底座的高度根据其设置位置处螺旋天线距离介质板的高度来设定。而绝缘材料的介质底座和介质板不会影响螺旋天线的正常工作。
再次参考图2，本发明的另一个优选实施例中，顶面的边缘上(也即顶面与侧面相连接的棱边上)以及每两个相邻的侧面12相连的侧边上(也即每两个相邻的侧面相连接的棱边上)分别设有波束隔离板30，本实施例中的波束隔离板30为金属板或金属网。其中，顶面与侧面相连接的棱边上固定连接设置的为上波束隔离板31，每两个相邻的侧面相连接的棱边上固定连接设置的为侧波束隔离板32。各个波束隔离板30通过紧固件固定在锥台结构上，上波束隔离板与侧波束隔离板之间也通过紧固件锁紧固定，以使得各个波束隔离板紧固连接成为一个整体。在锥台结构由上支架、侧支架及下支架连接构成支撑框架的实施例中，上支架、侧支架构成锥台结构的棱边，则上述的波束隔离板30固定设置在上支架及侧支架上。当不同实施例中的锥台结构的各个面之间的角度发生改变时，波束隔离板也随着锥台结构的棱边的倾斜角度的改变而改变，从而适应不同角度的螺旋天线之间的波束隔离。该种多波束螺旋天线立体阵通过利用波束隔离板有效地降低各天线单元间的互耦，与单纯依靠空间隔离的方式相比，可大大减小立体锥台结构的尺寸。
其中，上述的波束隔离板30的高度设置为为螺旋天线单元的天线工作波长的0.3～0.4倍，其高度优选设置为天线工作波长的0.375倍。
进一步地，上述的波束隔离板30倾斜安装于上述的各个棱边上，且其安装角度设置为等分各个棱边所在的锥台结构10的两个面之间的空间。特别注意，这里的棱边不包括锥台结构与底面相连的部分或下支架，也即锥台结构底面的各边无需再设置隔离装置。
当波束隔离板30设置为金属板时，波束隔离板上开设有减重孔，其中，减重孔的直径不大于螺旋天线单元20的天线工作波长的0.1倍。当波束隔离板30为金属网时，其具有若干金属网孔，其中，金属网孔的直径不大于螺旋天线单元20的天线工作波长的0.1倍。在波束隔离板上开设减重孔或者将波束隔离板设置为具有金属网孔的金属网，可在不影响电性能的前提下降低重量。
参见图4所示，本发明的固定多波束螺旋天线立体阵在一个7波束应用中的波束覆盖仿真图，其中等高线为8dB增益，工作频率为f1。参见图5，本发明的固定多波束螺旋天线立体阵在一个7波束应用中的波束覆盖仿真图，其中等高线为8dB增益，工作频率为f2，f1≈1.1*f2。由此可以看出，本发明提供的天线立体阵波束覆盖范围较大，且波束之间重叠区域较小，天线工作效果较好。本发明使用的单线螺旋天线可在12％的带宽内实现±25°波束内8dB增益覆盖，从电性能、成本及重量上均优于常规的微带天线阵方案。
本发明提供的具有收展功能的固定多波束螺旋天线立体阵，可用于同时接收来自大视角内的多路信号。与常规的通过相控阵技术实现多波束天线的方案相比，不仅具有成本低、重量轻，还具有收拢展开功能，此外，该天线立体阵实现对较宽视角内空域的波束覆盖，具有很高的应用推广价值。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种固定多波束螺旋天线立体阵，其特征在于，包括螺旋天线单元及锥台结构，所述锥台结构包括一顶面及若干个侧面，所述侧面的上端与所述顶面的边缘相连接，所述侧面的侧边与相邻的侧面的侧边相连接，所述顶面及侧面上分别设有所述螺旋天线单元，所述螺旋天线单元包括螺旋天线及柔性支撑丝，各螺旋天线单元的螺旋天线的底部分别安装在所述顶面及侧面上，多个并联设置的所述柔性支撑丝均布在所述螺旋天线周围，且所述柔性支撑丝沿所述螺旋天线的轴向设置以支撑所述螺旋天线。
2.根据权利要求1所述的固定多波束螺旋天线立体阵，其特征在于，所述顶面为正多边形，所述侧面为等腰梯形，所述侧面的上端与所述顶面的边缘相连接，所述侧面的侧边与相邻的侧面的侧边相连接，其中，所述顶面的外接圆的直径约为所述螺旋天线单元的天线工作波长的0.7～0.8倍。
3.根据权利要求2所述的固定多波束螺旋天线立体阵，其特征在于，还包括一底面，所述底面的形状与所述顶面相同的正多边形，但其面积大于所述顶面，所述底面的各个边分别与侧面的底边相连接。
4.根据权利要求1或2所述的固定多波束螺旋天线立体阵，其特征在于，相邻的两个侧面通过侧支架连接，侧面与顶面通过上支架连接，侧面的下边设有下支架，所述上支架、侧支架及下支架构成所述锥台结构的支撑框架。
5.根据权利要求1所述的固定多波束螺旋天线立体阵，其特征在于，所述螺旋天线单元还包括介质板，所述螺旋天线的底部安装在所述介质板上，所述介质板设于所述顶面及侧面上，所述介质板的材料为绝缘材料。
6.根据权利要求1所述的固定多波束螺旋天线立体阵，其特征在于，所述螺旋天线单元还包括螺距微调装置，所述柔性支撑丝与所述螺旋天线的每层之间通过所述螺距微调装置连接。
7.根据权利要求1所述的固定多波束螺旋天线立体阵，其特征在于，所述顶面与侧面相连接的棱边上以及每两个相邻的侧面相连接的棱边上分别设有波束隔离板，所述波束隔离板为金属板或金属网。
8.根据权利要求7所述的固定多波束螺旋天线立体阵，其特征在于，所述波束隔离板的高度为所述螺旋天线单元的天线工作波长的0.3～0.4倍。
9.根据权利要求7所述的固定多波束螺旋天线立体阵，其特征在于，所述波束隔离板倾斜安装于所述棱边上，且等分所述棱边所在的锥台结构两个面之间的空间。
10.根据权利要求7所述的固定多波束螺旋天线立体阵，其特征在于，当波束隔离板设置为金属板时，所述波束隔离板上开设有减重孔，其中，所述减重孔的直径不大于螺旋天线单元的天线工作波长的0.1倍；当所述波束隔离板为金属网时，所述波束隔离板具有若干金属网孔，其中，所述金属网孔的直径不大于螺旋天线单元的天线工作波长的0.1倍。
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