CN108832249B - 一种用于宽域覆盖的可拼接天线模块 - Google Patents

一种用于宽域覆盖的可拼接天线模块 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于宽域覆盖的可拼接天线模块，包括辐射单元、射频连接器、N边形拼接基板、角度可调拼接连接件、散热模块、TR模块，其中角度可调拼接连接件包括拼接连接件1、拼接连接件2和转动锁定机构。本发明提出了一种可拼接式机电热一体化设计天线模块，N边形拼接基板既是辐射单元、角度可调拼接连接件和散热模块的安装固定基板，又是天线模块拼接成平面或共形阵列天线的拼接构形基础，通过调整角度可调拼接连接件的夹角a，可以实现阵列天线拼接角度要求。本发明实现了无骨架平面和共形阵列天线的快速拼接，以及共形天线角度可调的功能。该天线模块可以根据需求调整尺寸，从而实现拼接后阵列天线整机尺寸大小可调，具有通用性。

Description

一种用于宽域覆盖的可拼接天线模块
技术领域
本发明涉及一种宽域覆盖的天线结构领域，特别是一种用于宽域覆盖的可拼接天线。
背景技术
本发明来源于曲面共形天线。曲面阵天线是将各个离散单元共形在一个曲面结构上，不同位置处的单元具有不同的朝向，能够有效地确保波束宽角覆盖能力，并且在整个扫描区域内，增益变化也相对均衡。
根据任务要求，天线波束覆盖范围大于±75°时，具有低仰角通信能力。对于平面阵而言，当扫描范围大于±45°时，波束指向将会出现较大的偏差，且扫描角度越大，指向偏差就会越大。并且当扫描角度大于±60°时，波束增益相比正前方波束增益将下降6～7dB。因此，平面阵对于大覆盖角度的应用而言是不适合的。
相比而言，共形阵列天线是将各个离散辐射单元共形在一个近似曲面结构上，不同位置处单元具有不同的朝向，因此能够有效地确保宽角覆盖能力，并且在整个扫描区域内，增益变化也相对均衡。
传统的共形阵列天线结构一般采用一体化骨架加工，加工复杂，共形难度大，成本高，并且有源模块和热控组件需要适应天线骨架设计及装配，整机集成度低，灵活性差。
目前共形阵列天线在机电热一体化、快速实现、轻质方面有很高的要求。本专利提出一种用于宽域覆盖的可拼接天线模块，可以很好的解决天线的共形阵列要求，并且可拼接天线模块共形组合形式多变，易于集成，具有结构连接巧妙、质轻、快速拆装、连接可靠等特点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种用于宽域覆盖的可拼接天线模块，实现了阵列天线的无骨架快速拼接和共形角度可调的功能。该天线模块可以根据需求，调整天线模块的尺寸大小，从而满足拼接后阵列天线整机尺寸大小和共形角度可调，具有通用性。
本发明的技术解决方案是：
提供一种用于宽域覆盖的可拼接天线模块，包括辐射单元、射频连接器、N边形拼接基板、拼接连接件、散热模块以及TR模块；
辐射单元装配固定于N边形拼接基板上方，拼接连接件用于不同的N边形拼接基板之间的拼接固定，散热模块装配在N边形拼接基板下方，TR模块贴合地装配在散热模块下方，射频连接器穿过N边形拼接基板和散热模块，一端与辐射单元连接，另一端与TR模块连接。
优选的，采用拼接连接件连接的两个N边形拼接基板之间的夹角可调。
优选的，拼接连接件包括第一连接件和第二连接件以及紧固螺钉，第一连接件和第二连接件分别连接至两个N边形拼接基板，第一连接件的凸部与第二连接件的凹部匹配，调整好角度后，紧固螺钉旋入凸部和凹部轴向的螺纹孔实现定位。
优选的，拼接连接件包括第一连接件和第二连接件，第一连接件和第二连接件分别连接至两个N边形拼接基板，第一连接件和第二连接件通过转轴连接，调整夹角a后再通过螺钉锁定角度。
优选的，拼接连接件包括夹角固定的第一连接件和第二连接件，第一连接件和第二连接件分别连接至两个N边形拼接基板。
优选的，N边形边长等长或不等长。
提供一种平面阵列天线，采用所述的用于宽域覆盖的可拼接天线模块拼接而成，采用两种可拼接天线模块拼接，两种可拼接天线模块的N边形拼接基板边数不同，或者采用同一种可拼接天线模块拼接。
提供一种共形阵列天线，采用两种所述的用于宽域覆盖的可拼接天线模块拼接而成，其特征在于：采用两种可拼接天线模块拼接，两种可拼接天线模块的N边形拼接基板N的数量不同，或者采用同一种可拼接天线模块拼接。
提供一种所述的用于宽域覆盖的可拼接天线模块拼接的方法，步骤如下：
(1)根据用户要求的工作频段f1～f2和增益G大小，确定曲面阵列天线的投影半径，
Figure BDA0001673331420000031
其中，R表示曲面阵列投影半径；f表示频率，f＝1/2(f1+f2)；G为天线增益，η为天线口面效率；
(2)通过电磁仿真软件设计辐射单元(1)，辐射单元(1)的尺寸为0.3～0.4λ，λ为工作波长，工作波长与频率的关系如下：
Figure BDA0001673331420000032
(3)在半径为R的半球结构或全球结构上沿天线单元相切的方向均匀排列单元，排列准则为在单元间距接近0.5λ的前提下，选择辐射单元数目x最多的排列方式；
(4)使用三维建模软件对辐射单元的排列方式进行调整，使得整个天线的尺寸最小，按照建模后的天线阵列确定N边形拼接基板(3)的类型和每种类型的数量；
(5)计算天线阵列在工作频段f1～f2，是否满足增益G，如果满足则确定该天线；如果不满足增益G，则进入步骤(6)；
(6)增大天线单元与曲面切线和天线单元初始位置法向的夹角β，使用三维建模软件对天线阵列重新建模，按照建模后的天线阵列确定N边形拼接基板(3)的类型和每种类型的数量，返回步骤(5)。
优选的，步骤(6)中减小天线模块的法向与天线阵列的对称轴的夹角β，具体为将β减小0.1°～0.5°。
提供一种所述的用于宽域覆盖的可拼接天线模块拼接的方法，其特征在于，步骤如下：
(1)根据用户要求的工作频段f1～f2和增益G大小，确定曲面阵列天线的投影半径，
Figure BDA0001673331420000041
其中，R表示曲面阵列投影半径；f表示频率，f＝1/2(f1+f2)；G为天线增益，η为天线口面效率；
(2)通过电磁仿真软件设计辐射单元(1)，辐射单元(1)的尺寸为0.3～0.4λ，λ为工作波长，工作波长与频率的关系如下：
Figure BDA0001673331420000042
(3)在半径为R的半球结构或全球结构上沿天线单元相切的方向均匀排列单元，排列准则为在单元间距接近0.5λ的前提下，选择辐射单元数目x最多的排列方式；
(4)使用三维建模软件按照辐射单元的排列方式对天线阵列进行建模，按照建模后的天线阵列确定N边形拼接基板(3)的类型和每种类型的数量；
(5)减小夹角天线单元与曲面切线和天线单元初始位置法向的夹角β每次减小K1；使用三维建模软件对天线阵列重新建模，按照建模后的天线阵列确定N边形拼接基板(3)的类型和每种类型的数量；
(6)计算天线阵列拼接后，在工作频段f1～f2，是否满足增益G，如果满足则返回步骤(5)；如果不满足增益G，则进入步骤(7)；
(7)增大夹角β，每次增大K2，使用三维建模软件对天线阵列重新建模，按照建模后的天线阵列确定N边形拼接基板(3)的类型和每种类型的数量；
(8)计算天线阵列拼接后，在工作频段f1～f2，是否满足增益G，如果满足则确定该天线；如果不满足增益G，则返回步骤(7)。
优选的，K1大于K2。
优选的，K1为0.5°，K2为0.1°。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明针对现有共形天线存在的缺陷，创新提出一种用于宽域覆盖的可拼接天线模块。使用该天线模块，可以解决现有共形天线骨架加工难、成本高、装配难和机电热集成度低等问题；使用该天线模块，可以快速拼接成无骨架平面阵列天线、共形阵列天线，天线模块结构件加工简单、成本低、装配容易。
(2)本发明天线模块机电热一体化集成度高，具有连接方式巧妙，结构合理紧凑等特点，组成阵列天线拆装简便、结构强度可靠，具有较强的实用性。且该天线模块具有通用性，可以根据需求，调整天线模块的尺寸大小，从而满足拼接后阵列天线的整机尺寸大小。
(3)本发明同时给出了可拼接天线模块拼接的方法，根据设计要求确定出所需的可拼接天线模块，一方面节约了可拼接天线模块的数量，同时保证了阵列天线的性能指标。
附图说明
图1为本发明可拼接天线模块拆分图；
图2为本发明可拼接天线模块示意图；
图3为本发明角度可调拼接连接件示意图；
图4(a)为本发明采用三角形天线模块拼接成平面阵列天线示意图；图4(b)为本发明采用正方形天线模块拼接成平面阵列天线示意图；图4(c)为本发明采用三角形天线模块及五边形天线模块拼接成平面阵列天线示意图；图4(d)为本发明采用六边形天线模块拼接成平面阵列天线示意图；
图5(a)为本发明采用三角形天线模块拼接成共形阵列天线示意图；图5(b)为本发明采用三角形天线模块和正方形天线模块拼接成共形阵列天线示意图；图5(c)为本发明采用五边形天线模块和六边形天线模块拼接成共形阵列天线示意图；图5(d)为本发明采用三角形天线模块拼接成共形阵列天线示意图；
图6为本发明天线单元与曲面切线和天线单元初始位置法向的夹角示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为可拼接天线模块拆分图，由图可知，用于宽域覆盖的可拼接天线模块，包括辐射单元1、射频连接器2、N边形拼接基板3、角度可调拼接连接件4、散热模块5、TR模块6；其中，辐射单元1装配固定于N边形拼接基板3上方，角度可调拼接连接件4装配在N边形拼接基板3下方，散热模块5装配在N边形拼接基板3下方，TR模块6装配在散热模块5下方，并与散热模块5紧密贴合，射频连接器2穿过N边形拼接基板3和散热模块，一端与辐射单元1连接，另一端与TR模块6连接。
如图2所示N边形拼接基板3既是辐射单元1、角度可调拼接连接件4和散热模块5的安装固定基板，又是天线模块拼接成平面或共形阵列天线的拼接构形基础，N边形边长可以等长也可以不等长，所述的N≥3。
如图3所示，拼接连接件4包括第一连接件401和第二连接件402以及紧固螺钉403。第一连接件401和第二连接件402分别通过螺钉固定在两个待连接的N边形拼接基板3的下方，调整夹角a，通过紧固螺钉403连接并锁定，可以实现阵列天线拼接角度要求，所述的a为0°～180°。在一个实施例中，第一连接件401具有凸部与第二连接件402的凹部匹配，紧固螺钉403旋入凸部和凹部轴向的螺纹孔实现定位，转轴上标记有旋转角度的刻度值，便于确定夹角角度。在另一个实施例中，第一连接件401和第二连接件402可以通过转轴连接，调整夹角a后再通过螺钉锁定第一连接件401于转轴的相对位置、第二连接件402与转轴的相对位置。本领域技术人员能够理解，第一连接件401和第二连接件402能够相对转动的目的是方便调整夹角，如果在事先设计好夹角a的情况下，第一连接件401和第二连接件402可以设计为仅能以夹角a相互连接，不能相对转动。
如图4、图5所示，天线模块可以无骨架拼接成平面阵列天线、共形阵列天线，不同位置处的天线模块具有不同的朝向，能够有效地确保天线波束宽域覆盖能力；天线模块之间的拼接方式可以由M边形天线模块进行组装，如图4(a)所示，采用四个3边形(三角形)天线模块进行组装形成三角形结构的平面阵列天线。如图4(b)所示，采用9个四边形天线模块进行组装，形成正方形结构的平面阵列天线，可以理解的是，如果需要的为长方形结构的天线，可以将每个天线模块设计成为长方形进行组装，这样会需要两种不同长度型号的拼接连接件4；也可以通过正方形组合出需要的长方形，这样仅需要一种长度型号的拼接连接件4。如图4(d)所示，采用七个6边形天线模块进行组装形成平面阵列结构的天线。如图5(a)所示，采用5个三角形天线模块依次连接进行组装形成共形阵列天线，天线波束覆盖宽度θ为90°。如图5(d)所示，采用20个三角形天线模块依次连接进行组装形成共形阵列天线，天线波束实现全空间覆盖。
根据需求，天线模块之间的拼接方式可以由M边形天线模块与P边形天线模块组合拼接，所述的M≥3，P≥3。如图4(c)所示，采用6个5边形和五个三角形天线模块进行组装形成五边形结构的平面阵列天线。如图5(b)所示，采用5个正方形和4个三角形天线模块连接进行组装形成共形阵列天线，天线合成波束实现半球覆盖。如图5(c)所示，采用6个六边形和10个五边形天线模块连接进行组装，并将底面修正为平齐，形成共形阵列天线，天线合成波束实现半球覆盖。根据实际的任务要求的工作频段f1～f2和增益大小G来确定如何确定天线模块，如何进行拼接。
在一个实施例中，基于可拼接天线模块设计和进行拼接的方法如下：
1、根据用户要求的工作频段f1～f2和增益G大小，可以确定曲面阵列天线的投影半径(曲率)，由于后续拼接会导致尺寸减小，增益损失，因此增益G应留有余量，余量大小为经验值。
Figure BDA0001673331420000081
其中，R表示曲面阵列投影半径，单位mm；f表示频率，f＝1/2(f1+f2)，单位GHz；G为天线增益，单位dB；η表示天线口面效率，通常取0.75。
2、通过电磁仿真软件设计辐射单元(1)，辐射单元(1)的尺寸通常约为0.3～0.4λ，λ为工作波长，工作波长与频率的关系如下：
Figure BDA0001673331420000082
3、按照用户要求选择全球或半球结构，排列辐射单元。在半径为R的半球结构或全球结构上沿天线单元相切的方向均匀排列单元，排列准则为在单元间距接近0.5λ的前提下，选择辐射单元数目x最多的排列方式；
4、使用三维建模软件对曲面结构划天线模块的拼接组合方式。能够完成整机的构型拼合即可，优先选择整个天线的尺寸小的方案。直接按照辐射单元的方向进行拼接可能导致整个阵列天线结构发散，因此优先选择整个天线的尺寸小的方案。如图6所示，天线单元与曲面切线和天线单元初始位置法向的夹角β(β1、β2)越小，R越小，整个阵列天线的尺寸越小，但由于移动了步骤3确定的辐射单元，因此后续还要判断所设计的阵列天线是否满足增益G的要求。拼接板可能为一种，两种或多种，优先保证相接的边长相等，考虑到加工方便优选类型为一种或两种。
在一个实施例中，拼接板为M边形天线模块与P边形天线模块，M边形天线模块与P边形天线模块相接边长相等，所述的M≥3，P≥3，M边形天线模块的数量y1、P边形天线模块的数量y2，x＝y1+y2；可拼接天线模块之间的拼接夹角a通过相接多边形拼接基板之间的夹角决定。
5、计算通过步骤4中设计的天线阵列拼接后(M边形天线模块与P边形天线模块的拼接后)在工作频段f1～f2，是否满足增益G，如果满足则确定该天线；如果不满足增益G，则进入步骤6。
6、调整夹角β(天线单元与曲面切线和天线单元初始位置法向的夹角)，使得β增大，返回步骤5直至拼接后的天线在工作频段f1～f2，满足增益G的余量。调整夹角β应当步进式的调整，β的增大会导致天线阵列尺寸的增大。这里优选夹角β每次减小0.1°。β的减小会导致R尺寸减小(R减小增益就会减小)，因此在电磁仿真计算中适当留有余量(R与用户要求的增益大小相关，增益的余量过大会导致尺寸、重量、成本增加)。
本实施例中，首先将天线阵列的体积调整为最小，当无法满足增益要求时，逐渐β，增大R，提升增益，满足增益要求。当然也可以首先满足增益要求，再去减小体积，寻找到满足增益要求的最小体积。
在一个实施例中，基于可拼接天线模块设计和进行拼接的方法如下：
1、根据用户要求的工作频段f1～f2和增益G大小，可以确定曲面阵列天线的投影半径(曲率)，由于后续拼接会导致尺寸减小，增益损失，因此增益G应留有余量，余量大小为经验值。
Figure BDA0001673331420000091
其中，R表示曲面阵列投影半径，单位mm；f表示频率，f＝1/2(f1+f2)，单位GHz；G为天线增益，单位dB；η表示天线口面效率，通常取0.75。
2、通过电磁仿真软件设计辐射单元(1)，辐射单元(1)的尺寸通常约为0.3～0.4λ，λ为工作波长，工作波长与频率的关系如下：
Figure BDA0001673331420000092
3、按照用户要求选择全球或半球结构，排列辐射单元。在半径为R的半球结构或全球结构上沿天线单元相切的方向均匀排列单元，排列准则为在单元间距接近0.5λ的前提下，选择辐射单元数目x最多的排列方式；
4、使用三维建模软件按照步骤3中确定的辐射单元排列方式，对曲面结构划天线模块的拼接组合方式。不改变辐射单元的位置和角度。如图6所示，天线单元与曲面切线和天线单元初始位置法向的夹角β(β1、β2)为90°，整个阵列天线的尺寸偏大，此时的天线阵列满足增益G的要求。
5、减小夹角β(天线单元与曲面切线和天线单元初始位置法向的夹角)，进行体积粗调，这里优选夹角β每次减小0.5°。使用三维建模软件对天线阵列重新建模，按照建模后的天线阵列确定N边形拼接基板(3)的类型和每种类型的数量。
6、计算天线阵列拼接后，在工作频段f1～f2，是否满足增益G，如果满足则返回步骤5；如果不满足增益G，则进入步骤7。
7、增大夹角β，进行体积精调，这里优选夹角β每次增大0.1°，使用三维建模软件对天线阵列重新建模，按照建模后的天线阵列确定N边形拼接基板(3)的类型和每种类型的数量。
8、计算天线阵列拼接后，在工作频段f1～f2，是否满足增益G，如果满足则确定该天线；如果不满足增益G，则返回步骤7。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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 (10)

1.一种用于宽域覆盖的可拼接天线模块，其特征在于，包括辐射单元(1)、射频连接器(2)、N边形拼接基板(3)、拼接连接件(4)、散热模块(5)以及TR模块(6)；
辐射单元(1)装配固定于N边形拼接基板(3)上方，拼接连接件(4)用于不同的N边形拼接基板(3)之间的拼接固定，散热模块(5)装配在N边形拼接基板(3)下方，TR模块(6)贴合地装配在散热模块(5)下方，射频连接器(2)穿过N边形拼接基板(3)和散热模块，一端与辐射单元(1)连接，另一端与TR模块(6)连接；
其中：
拼接连接件(4)包括第一连接件(401)和第二连接件(402)以及紧固螺钉(403)；第一连接件(401)和第二连接件(402)分别通过螺钉固定在两个待连接的N边形拼接基板(3)的下方，调整夹角a，通过紧固螺钉403连接并锁定，以实现阵列天线拼接角度要求。
2.根据权利要求1所述的用于宽域覆盖的可拼接天线模块，其特征在于：采用拼接连接件(4)连接的两个N边形拼接基板(3)之间的夹角可调。
3.根据权利要求2所述的用于宽域覆盖的可拼接天线模块，其特征在于：第一连接件(401)的凸部与第二连接件(402)的凹部匹配，调整好角度后，紧固螺钉(403)旋入凸部和凹部轴向的螺纹孔实现定位。
4.根据权利要求1所述的用于宽域覆盖的可拼接天线模块，其特征在于：拼接连接件(4)包括夹角固定的第一连接件(401)和第二连接件(402)，第一连接件(401)和第二连接件(402)分别连接至两个N边形拼接基板(3)。
5.根据权利要求1所述的用于宽域覆盖的可拼接天线模块，其特征在于：N 边形边长等长或不等长。
6.一种权利要求1-5之一所述的用于宽域覆盖的可拼接天线模块拼接的方法，其特征在于，步骤如下：
(1)根据用户要求的工作频段f1～f2和增益G大小，确定曲面阵列天线的投影半径，
Figure FDA0002842360680000021
其中，R表示曲面阵列投影半径；f表示频率，f＝1/2(f1+f2)；G为天线增益，η为天线口面效率；
(2)通过电磁仿真软件设计辐射单元(1)，辐射单元(1)的尺寸为0.3～0.4λ，λ为工作波长，工作波长与频率的关系如下：
Figure FDA0002842360680000022
(3)在半径为R的半球结构或全球结构上沿天线单元相切的方向均匀排列单元，排列准则为在单元间距接近0.5λ的前提下，选择辐射单元数目x最多的排列方式；
(4)使用三维建模软件对辐射单元的排列方式进行调整，使得整个天线的尺寸最小，按照建模后的天线阵列确定N边形拼接基板(3)的类型和每种类型的数量；
(5)计算天线阵列在工作频段f1～f2，是否满足增益G，如果满足则确定该天线；如果不满足增益G，则进入步骤(6)；
(6)增大天线单元与曲面切线和天线单元初始位置法向的夹角β，使用三维建模软件对天线阵列重新建模，按照建模后的天线阵列确定N边形拼接基板(3)的类型和每种类型的数量，返回步骤(5)。
7.根据权利要求6所述的可拼接天线模块拼接的方法，其特征在于，步骤(6)中减小天线模块的法向与天线阵列的对称轴的夹角β，具体为将β减小0.1°～0.5°。
8.一种权利要求1-5之一所述的用于宽域覆盖的可拼接天线模块拼接的方法，其特征在于，步骤如下：
(1)根据用户要求的工作频段f1～f2和增益G大小，确定曲面阵列天线的投影半径，
Figure FDA0002842360680000031
其中，R表示曲面阵列投影半径；f表示频率，f＝1/2(f1+f2)；G为天线增益，η为天线口面效率；
(2)通过电磁仿真软件设计辐射单元(1)，辐射单元(1)的尺寸为0.3～0.4λ，λ为工作波长，工作波长与频率的关系如下：
Figure FDA0002842360680000032
(3)在半径为R的半球结构或全球结构上沿天线单元相切的方向均匀排列单元，排列准则为在单元间距接近0.5λ的前提下，选择辐射单元数目x最多的排列方式；
(4)使用三维建模软件按照辐射单元的排列方式对天线阵列进行建模，按照建模后的天线阵列确定N边形拼接基板(3)的类型和每种类型的数量；
(5)减小夹角天线单元与曲面切线和天线单元初始位置法向的夹角β每次减小K1；使用三维建模软件对天线阵列重新建模，按照建模后的天线阵列确定N边形拼接基板(3)的类型和每种类型的数量；
(6)计算天线阵列拼接后，在工作频段f1～f2，是否满足增益G，如果满足则返回步骤(5)；如果不满足增益G，则进入步骤(7)；
(7)增大夹角β，每次增大K2，使用三维建模软件对天线阵列重新建模，按照建模后的天线阵列确定N边形拼接基板(3)的类型和每种类型的数量；
(8)计算天线阵列拼接后，在工作频段f1～f2，是否满足增益G，如果满足则确定该天线；如果不满足增益G，则返回步骤(7)。
9.根据权利要求8所述的可拼接天线模块拼接的方法，其特征在于，K1大于K2。
10.根据权利要求9所述的可拼接天线模块拼接的方法，其特征在于，K1为0.5°，K2为0.1°。
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