CN109244630A - 螺旋反射天线及其构成的高功率容量阵列和发射系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及螺旋天线技术。本发明公开了一种螺旋反射天线及其构成的高功率容量阵列和发射系统。本发明的螺旋反射天线，用于反射电磁波，包括反射面、螺旋天线和旋转机构；所述螺旋天线置于所述反射面前方，并固定在支撑轴上；所述螺旋天线与所述支撑轴同轴，其起始点位于所述支撑轴轴线上；所述支撑轴与旋转机构连接；所述旋转机构用于驱动支撑轴旋转，调整反射电磁波的相位。本发明的高功率容量螺旋反射天线阵列，由上述螺旋反射天线排列成阵列构成。本发明的高功率容量螺旋反射天线发射系统，由上述高功率容量螺旋反射天线阵列和馈源构成。本发明提高了高功率微波辐射天线的带宽，同时具有布阵灵活且易于共形等性能。

Description

螺旋反射天线及其构成的高功率容量阵列和发射系统
技术领域
本发明涉及螺旋天线技术，特别涉及螺旋天线馈电技术，具体而言，涉及一种螺旋反射天线及其构成的高功率容量阵列和发射系统。
背景技术
螺旋天线可以分为平面螺旋天线和立体螺旋天线等。立体螺旋天线根据绕制形状又可以分为圆柱形螺旋天线、圆锥形螺旋天线等。本发明主要涉及立体螺旋天线，以下统称为螺旋天线。
螺旋天线应用非常广泛，特别是在大功率微波发射领域，各种螺旋天线构成的微波天线系统，是构成高功率容量微波发射系统的核心。为了扩大功率容量通常可以把若干螺旋天线组合起来，构成螺旋天线阵列。
高功率容量微波天线是高功率微波系统的核心组成部分之一，其性能直接关系到能否将高功率微波源输出的能量有效作用到目标上，是高功率微波应用的关键技术。高功率容量阵列天线是近年来提出并逐渐发展起来的新型高功率微波辐射天线，根据有关文献报道，阵列天线基本已适合于高功率微波天线的发展需求。目前，比较有代表性的高功率阵列天线有：高功率径向线螺旋阵列天线、高功率径向线缝隙阵列天线、高功率波束扫描传输透镜天线、高功率漏波波导天线等。
分析发现，现有技术高功率阵列天线的馈电方式多采用强制馈电，阵列中每个螺旋天线通过功分网络与信号源连接。申请人2017年8月23号提交的《螺旋天线系统》专利申请(公开号CN107482311A)，公开了一种螺旋天线阵列馈电系统。该专利采用波导馈电，阵列中每个螺旋天线都通过馈电探针从波导中传输的电磁波提取信号。
强制馈电方式在阵列规模增大时，馈电网络会变得特别复杂，馈电损耗等问题会极为突出，特别是在高频段，严重限制了其带宽性能，造成天线的利用率极低。
随着高功率微波技术和通信技术的深入发展，高功率微波天线在军用和民用领域具有越来越强的应用价值，对宽带高功率容量微波天线的研究需求越来越迫切。
发明内容
本发明利用具有高功率容量、宽带性能的螺旋天线作为辐射单元，采用空间馈电以摆脱强制馈电的限制，较大程度地提高了高功率微波辐射天线的带宽，同时具有布阵灵活且易于共形等性能。
为了实现上述目的，根据本发明具体实施方式的一个方面，提供了一种螺旋反射天线，用于反射电磁波，其特征在于：
包括反射面、螺旋天线和旋转机构；
所述螺旋天线置于所述反射面前方，并固定在支撑轴上；
所述螺旋天线与所述支撑轴同轴，其起始点位于所述支撑轴轴线上；
所述支撑轴与旋转机构连接；
所述旋转机构用于驱动支撑轴旋转，调整反射电磁波的相位。
进一步的：
所述螺旋天线包括第一螺旋单元和第二螺旋单元，第一螺旋单元和第二螺旋单元与所述支撑轴同轴，其起始点位于所述支撑轴轴线上；
所述第一螺旋单元和第二螺旋单元起始点位于相同初始方向；
所述第一螺旋单元位于第二螺旋单元和反射面之间，所述第二螺旋单元位于所述支撑轴顶端；
所述支撑轴底端穿过反射面与旋转机构连接。
进一步的：
第一螺旋单元和第二螺旋单元具有相同线径；
第一螺旋单元圆周角大于第二螺旋单元圆周角；
第一螺旋单元基圆半径大于第二螺旋单元基圆半径。
进一步的：
所述反射面为顶面开放的圆柱形；
所述圆柱形底面半径大于第一螺旋单元基圆半径。
进一步的：
所述旋转机构包括电动机、减速机构和控制系统；
电动机转轴通过减速机构与所述支撑轴连接，所述电动机与控制系统电连接。
为了实现上述目的，根据本发明具体实施方式的另一个方面，提供了一种高功率容量螺旋反射天线阵列，其特征在于：
由上述螺旋反射天线排列成阵列构成。
进一步的：
所述阵列为平面阵列或曲面阵列。
进一步的：
所述平面阵列为N×M矩阵或环形阵列；
N、M为螺旋反射天线的数量；
N、M为整数，N≥1，M≥1。
进一步的：
每个螺旋反射天线的电动机与同一个控制系统电连接。
为了实现上述目的，根据本发明具体实施方式的另一个方面，提供了一种高功率容量螺旋反射天线发射系统，其特征在于：
由上述高功率容量螺旋反射天线阵列和馈源构成，所述馈源用于向所述螺旋反射天线阵列辐射电磁波。
进一步的：
所述馈源由辐射圆极化波的天线构成，用于向所述螺旋反射天线阵列辐射圆极化波。
进一步的：
所述馈源辐射波束形状为笔形波束或其他赋形波束。
进一步的：
所述馈源馈电方式为正馈或偏馈。
本发明的有益效果是，采用空间馈电方式，克服了传统天线由于强制馈电而造成的带宽限制，其可以在较宽频带内实现高功率微波辐射；阵列单元的排布方式不受馈电系统的限制，其布阵灵活且易于共形；摆脱由于插入损耗而造成天线效率的限制，其效率较高。与传统反射阵列天线相比，在整个天线系统中没有介质存在，而是通过金属螺旋天线单元的旋转来实现相移，克服由于介质存在而造成的功率容量限制，其功率容量较高。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的具体实施方式、示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为实施例1螺旋反射天线结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3实施例2高功率容量螺旋反射天线阵列结构示意图；
图4为实施例3高功率容量螺旋反射天线阵列结构示意图；
图5为实施例4高功率容量螺旋反射天线阵列结构示意图；
图6为实施例5高功率容量螺旋反射天线发射系统结构示意图；
图7为实施例6高功率容量螺旋反射天线发射系统结构示意图；
图8为实施例7螺旋天线结构示意图；
图9为图8的俯视图；
图10为实施例7所示螺旋反射天线数字模拟示意图，其中：
图10(a)为共极化和交叉极化的幅度响应曲线；
图10(b)为不同入射角度的反射相位随角度转动的响应曲线；
图10(c)为不同频率反射相位随角度转动的响应曲线；
图10(d)为不同频率下的幅度响应曲线；
图11为实施例7所示螺旋反射天线构成的高功率容量螺旋反射天线阵列及其发射系统数字模拟示意图，其中：
图11(a)为不同频率下的远场方向图；
图11(b)为不同频率下的增益和口径效率曲线；
图11(c)为主波束方向为20°远场方向图；
图11(d)为不同扫描角度对应的远场方向图；
图11(e)为不同扫描角度对应的增益和口径效率曲线；
图11(f)为螺旋反射天线阵列的场强分布示意图；
附图中：
10为馈源；
20为螺旋反射天线阵列；
30为螺旋反射天线；
31为螺旋天线；
31a为第一螺旋单元；
31b为第二螺旋单元；
32为反射面；
33为支撑轴；
34为旋转机构；
35为匹配球；
D为螺旋单元线径或支撑轴直径；
H1为第一螺旋单元与反射面的距离；
H2为第一螺旋单元与第二螺旋单元之间的距离；
H3为反射面圆柱高度；
R1为第一螺旋单元螺旋半径；
R2为第二螺旋单元螺旋半径；
R3为反射面圆柱底面半径；
OP为支撑轴轴线；
e为馈源辐射方向；
n为螺旋反射天线阵列阵面法线方向
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式、实施例以及其中的特征可以相互组合。现将参考附图并结合以下内容详细说明本发明。
为了使本领域技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明具体实施方式、实施例中的附图，对本发明具体实施方式、实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的具体实施方式、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方式、实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的螺旋反射天线由反射面、螺旋天线和旋转机构构成。
由于是一种反射天线，本发明的螺旋反射天线螺旋天线置于反射面前方(相对于反射方向)，螺旋天线与馈源没有机械连接。
本发明中螺旋天线固定在支撑轴上，螺旋天线与支撑轴同轴，其起始点位于所述支撑轴轴线上，支撑轴与旋转机构连接。
这种结构配置，便于通过旋转螺旋天线调整反射波相位。
本发明通过旋转机构驱动支撑轴旋转，可以非常方便地调整反射电磁波的相位，实现定向辐射或扫描辐射。
本发明的高功率容量螺旋反射天线阵列，由上述螺旋反射天线排列成阵列构成，可以是平面阵列也可以是非平面阵列，如与各种载体共形的曲面等。
本发明的高功率容量螺旋反射天线发射系统，由高功率容量螺旋反射天线阵列和馈源构成。
本发明的馈源可以采用各种电磁波发射天线，特别是具有定向波束的发射天线，如喇叭天线、抛物面天线等，用于向高功率容量螺旋反射天线阵列辐射电磁波。
实施例1
本例螺旋反射天线30结构如图1和图2所示，包括反射面32、螺旋天线31和旋转机构34。
本例反射面32为顶面开放的圆柱形，圆柱形底面半径大于螺旋天线基圆半径，螺旋天线31置于反射面前方，使螺旋天线一部分置于圆柱形腔体中。
这种反射面可以提高反射系数，并且组成阵列后可以降低螺旋反射天线之间的相互干扰。
本例螺旋天线31采用两段式结构，螺旋天线31与支撑轴33同轴，如图1中轴线OP所示。
本例螺旋天线31起始点位于支撑轴轴线OP上，并通过匹配球35固定在支撑轴33上.参见图1和图2所示。
本例旋转机构34包括电动机、减速机构和控制系统(图1中未示出)。
支撑轴33穿过反射面32的底面与旋转机构34中的减速机构连接，减速机构由电动机驱动，带动螺旋天线31旋转，从而对反射电磁波的相位进行调整。
实施例2
如图3所示，本例高功率容量螺旋反射天线阵列20为6×6的平面矩阵，由36个螺旋反射天线30作为阵元构成，其中36个阵元旋转机构中的电动机由同一个控制系统进行协调和控制，可以实现螺旋反射天线阵列的电磁波定向辐射或扫描辐射。
本例螺旋反射天线结构参见实施例1的描述。
实施例3
本例高功率容量螺旋反射天线阵列20采用的螺旋反射天线与实施例2相同，本例也是一个由36个螺旋反射天线30构成的平面阵列。
本例高功率容量螺旋反射天线阵列的不同之处在于阵列中螺旋反射天线排列方式不同，本例阵列中螺旋反射天线采用的是一种间隔排列的方式，具有阵列中螺旋反射天线排列更加紧密的特点，如图4所示。
实施例4
如图5所示，本例螺旋反射天线阵列20是一种平面环形阵列，具有阵元排列紧凑，单位辐射功率密度大的特点。
本例其他结构参见上述实施例的描述。
实施例5
如图6所示，本例高功率容量螺旋反射天线发射系统由实施例2所示的螺旋反射天线阵列20和馈源10组成。
馈源10采用喇叭天线，用于向所述螺旋反射天线阵列辐射电磁波，如图6所示。
本例馈源10辐射的电磁波为圆极化波，辐射方向e与螺旋反射天线阵列20的阵面法线方向n之间的夹角为0，这种馈电方式为正馈。
本例馈源10辐射波束形状可以为笔形波束或其他赋形波束。
本例各个螺旋反射天线发射系统具有反射率高，系统结构紧凑的特点。
实施例6
本例高功率容量螺旋反射天线发射系统采用的馈电方式是偏馈，馈源10辐射的电磁波也是圆极化波，辐射方向e与螺旋反射天线阵列20的阵面法线方向n之间的夹角为α，0＜α＜90°，如图7所述。
本例其他结构参见实施例6的描述。本例这种偏馈馈电方式，布阵灵活，可以避开馈源的遮挡。
实施例7
参见图8，本例螺旋天线30包括第一螺旋单元31a和第二螺旋单元31b，第一螺旋单元31a和第二螺旋单元1b与支撑轴33同轴，他们的起始点都位于支撑轴轴线OP上。
由图8和图9可见，第一螺旋单元31a和第二螺旋单元31b起始点位于相同初始方向。
第一螺旋单元31a位于第二螺旋单元31b和反射面32之间，第二螺旋单元31b位于支撑轴33顶端。
支撑轴33底端穿过反射面32与旋转机构34连接。
本例螺旋反射天线30第一螺旋单元31a和第二螺旋单元31b具有相同线径D，如图8所示。
本例螺旋反射天线具体尺寸如图8和图9所示：
第一螺旋单元与反射面的距离H1为3.1mm，第一个螺旋单元螺旋半径R1为6.6mm，第一螺旋单元圆周角为290°，第一螺旋单元节距为1.5mm，第一螺旋单元与第二螺旋单元之间的距离H2为4.5mm，第二螺旋单元螺旋半径R2为3.4mm，第二螺旋单元圆周角为250°，第二螺旋单元节距为1.3mm，反射面32圆柱高度H3为3mm，圆柱底面半径R3为9.5mm，螺旋线直径D为2mm，支撑轴直径也是2mm。
本例螺旋反射天线30工作频率范围为8.5GHz～10GHz，根据数字模拟，其结果如下：
利用端口输入圆极化波激励螺旋天线单元，在正入射(正馈)和30°斜入射(偏馈)时，共极化和交叉极化的幅度响应随角度转动变化的结果如图10(a)所示，在360°旋转范围内，共极化波(左旋圆极化波)的反射损耗不大于0.14dB，交叉极化波(右旋圆极化波)的幅度保持低于-15dB。单元天线的相位响应如图10(b-c)所示，反射相位延迟量与旋转角度呈二倍关系线性变化，且在不同入射角度时的变化规律一致，同时，在一定频带范围内，反射相位延迟量随旋转角度变化规律一致。图10(d)为单元天线在不同频率的共极化和交叉极化的幅度响应曲线，在8.5GHz-10GHz频带范围内，满足共极化波的反射损耗不大于0.06dB，交叉极化反射幅度低于-18.6dB。以上结果表明该反射天线单元具有宽带、低损耗、可精确相控的特性。
本例这种双层螺旋天线结构可以更好的抑制反射波的交叉极化反射幅度，同时对共极化反射波的损耗较小。
在本实施例中，利用上述螺旋反射天线30为阵元，阵元之间间距为21mm，构造15×15矩形栅格螺旋反射天线阵列，以工作于X波段的圆极化喇叭天线作为馈源，采用馈源20°偏馈(即α＝20°)的方式对阵列天线进行馈电。通过旋转螺旋反射天线30进行相位补偿，得到不同频率下主波束指向为20°的远场方向图和增益及口径效率结果如图11(a-c)所示，天线的增益随频率的增大而增加，在8.5GHz～10GHz内，增益变化量不超过1.6dB，口径效率保持在50％左右，并且副瓣电平和交叉极化电平均保持在较低水平，充分验证了本例螺旋反射天线阵列的宽带性能，其相对带宽达到16.2％。
在本实施例中，在工作频率9.3GHz对天线进行波束扫描，得到螺旋反射阵列天线在xoz平面内扫描角度在-30°～30°范围内的结果如图11(d-e)所示，其增益和口径效率均随波束扫描角度的增大而先增大后减小，在主波束方向为20°时得到天线的最大增益为28dB，最大口径效率为52.6％。结果验证了该反射阵列天线具有较好的波束扫描性能。
在本实施例中，在工作频率为9.3GHz，螺旋反射阵列天线的场强分布如图11(f)所示，阵列天线的截获功率约为0.81W，最大场强为4960V/m，最大场强主要集中在正对馈源的螺旋反射天线单元的螺旋线端点位置。利用在9.3GHz下真空中的击穿场强为79.37MV/m计算，得到螺旋反射阵列天线在真空中所能承受的最大功率约为207MW，验证了该反射阵列天线可应用于高功率容量微波辐射技术领域。
综上可见，本发明的螺旋反射阵列天线具有宽带、高功率容量、布阵灵活且易于共形、高效率、波束扫描灵活等特性。

Claims (10)

1.螺旋反射天线，用于反射电磁波，其特征在于：
包括反射面、螺旋天线和旋转机构；
所述螺旋天线置于所述反射面前方，并固定在支撑轴上；
所述螺旋天线与所述支撑轴同轴，其起始点位于所述支撑轴轴线上；
所述支撑轴与旋转机构连接；
所述旋转机构用于驱动支撑轴旋转，调整反射电磁波的相位。
2.根据权利要求1所述的螺旋反射天线，其特征在于：
所述螺旋天线包括第一螺旋单元和第二螺旋单元，第一螺旋单元和第二螺旋单元与所述支撑轴同轴，其起始点位于所述支撑轴轴线上；
所述第一螺旋单元和第二螺旋单元起始点位于相同初始方向；
所述第一螺旋单元位于第二螺旋单元和反射面之间，所述第二螺旋单元位于所述支撑轴顶端；
所述支撑轴底端穿过反射面与旋转机构连接。
3.根据权利要求2所述的螺旋反射天线，其特征在于：
第一螺旋单元和第二螺旋单元具有相同线径；
第一螺旋单元圆周角大于第二螺旋单元圆周角；
第一螺旋单元基圆半径大于第二螺旋单元基圆半径。
4.根据权利要求2所述的螺旋反射天线，其特征在于：
所述反射面为顶面开放的圆柱形；
所述圆柱形底面半径大于第一螺旋单元基圆半径。
5.根据权利要求1所述的螺旋反射天线，其特征在于：
所述旋转机构包括电动机、减速机构和控制系统；
电动机转轴通过减速机构与所述支撑轴连接，所述电动机与控制系统电连接。
6.高功率容量螺旋反射天线阵列，其特征在于：
由上述任意一项权利要求所述的螺旋反射天线排列成阵列构成。
7.根据权利要求6所述的高功率容量螺旋反射天线阵列，其特征在于：
所述阵列为平面阵列或曲面阵列。
8.根据权利要求7所述的高功率容量螺旋反射天线阵列，其特征在于：
所述平面阵列为N×M矩阵或环形阵列；
N、M为螺旋反射天线的数量；
N、M为整数，N≥1，M≥1。
9.根据权利要求6所述的高功率容量螺旋反射天线阵列，其特征在于：
每个螺旋反射天线的电动机与同一个控制系统电连接。
10.高功率容量螺旋反射天线发射系统，其特征在于：
由权利要求6～9任意一项所述的高功率容量螺旋反射天线阵列和馈源构成，所述馈源用于向所述高功率容量螺旋反射天线阵列辐射电磁波。
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