CN109921196A - 一种具有超宽带大角度扫描功能的相控阵天线结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有超宽带大角度扫描功能的相控阵天线结构，包括天线发射器以及设置在天线发射器上的天线阵列，所述天线发射器为外形呈类似金字塔的四面体结构，该四面体结构具有四象限旋转对称特征，四面体结构的四个面大体为三角形，形成天线发射器的四个象限的反射面，所述反射面与水平面形成固定倾角。采用本发明的方案，拓展了天线阵列最大扫描角度，最大扫描角度可实现65°以上，大角度扫描带宽可覆盖1～3倍频程。
Description
技术领域
本发明属于雷达天线技术领域，具体涉及一种用于SCX波段的小型超宽带宽角度扫描相控阵雷达天线。
背景技术
传统宽带相控阵通常是先设计出单个宽带的天线单元，再将这些天线单元进行组阵。为了减小阵元间互耦对阵元性能的影响，在组阵时，希望尽可能增大阵元间距。然而，受阵列栅瓣的限制，为了实现大角度扫描的要求，阵列单元间距必须小于一定范围，且阵元个数要求达到一定的量级。因此，相控阵带宽和扫描范围的拓展受到了很大限制。并且受阵元间互耦效应影响，当扫描范围超过±45°以后，阵列增益下降非常显著。
因此，采用传统方法设计宽角扫描相控阵天线，当最大扫描角对应的增益满足要求时，零度扫描角对应的增益则会出现很大的冗余，而这种冗余增益往往是以更大的阵列尺寸、重量，更复杂的天线结构，以及更大的功耗作为代价获取的，这与实际应用中的各种限制形成尖锐的矛盾。如何同时满足宽带宽角度扫描和特定小口径尺寸范围内天线个数限制，是相控阵天线研究领域中一个重要课题。
中国专利文献CN 108539435A公开了一种基于开槽天线及频率选择表面的宽带宽角扫描相控阵天线，其利用开槽天线单元及交指结构实现天线阵列单元之间的耦合效果，采用由介质基板及周期性排列的矩形金属贴片组合而成的频率选择表面结构改善天线单元的阻抗匹配，从而降低天线的有源电压驻波比，使天线同时具有宽带特性和大角度扫描能力。然而，该天线阵列前端加载多层FSS结构，加工工艺以及结构复杂；该结构虽然降低了阻抗匹配特性，但是由于在天线阵列前段引入多层介质及金属结构，引入额外介质与金属损耗，降低了天线辐射效率，导致大角度情况下天线增益降低。
中国专利文献CN 205178013U公开了一种宽角度波束扫描的超材料相控阵天线，其通过在天线阵面上设置超材料覆层，起到宽角度波束扫描范围内阻抗匹配的作用，从而使该天线可以在宽角度范围内实现电磁信号的收发，改善了天线宽角扫描增益。然而，该结构带宽受限，无法实现倍频程量级大带宽情况下大角度扫描功能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种具有超宽带大角度扫描功能的相控阵天线结构，以解决在特定中小口径尺寸范围内，天线个数受限的情况下，如何实现宽带宽角度扫描功能的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种具有超宽带大角度扫描功能的相控阵天线结构，包括天线发射器以及设置在天线发射器上的天线阵列，所述天线发射器为外形呈类似金字塔的四面体结构，该四面体结构具有四象限旋转对称特征，四面体结构的四个面大体为三角形，形成天线发射器的四个象限的反射面，所述反射面与水平面形成固定倾角。
进一步地，所述天线阵列包括多个结构相同的宽带天线振子单元，各天线阵子单元由垂直交叉组装的第一基板和第二基板组成。
进一步地，所述天线阵子单元设置在各反射面上，且天线阵子单元的第一基板与所在的反射面基本垂直。
进一步地，每个反射面上设有3-10个所述天线阵子单元。
进一步地，第一对处于相对位置的反射面上的天线振子单元在沿反射面底边向天线反射器顶点延伸的方向上排列，第二对处于相对位置的反射面上的天线振子单元沿水平方向上排列。
进一步地，第一对处于相对位置的反射面上的天线振子单元的第一基板与所在反射面的底边平行，第二对处于相对位置的反射面上的天线振子单元的第一基板与所在反射面的底边垂直。
进一步地，所述反射面上设有用于安装所述天线振子单元的开窗。
进一步地，所述开窗周围设有定位孔，所述天线振子单元的第二基板通过所述定位孔安装在所述反射面上，并遮盖所述开窗。
进一步地，所述天线振子单元还包括射频连接器，用于实现第一基板、第二基板与后端设备进行信号连接，当第一基板安装在所述反射面上时，该射频连接器穿过所述开窗。
进一步地，所述天线发射器还包括圆形或圆环形底板，所述四面体结构设置在该底板上。
相比于传统的平面相控阵列，本发明利用固定反射腔体结构引入固定方向图辐射倾角θ0，将传统平面阵列需要达到的0°±65°大扫描范围转换为θ0±30°以及-θ0±30°两个区域覆盖，从而极大的拓展了天线阵列最大扫描角度，以及对天线阵列单元组阵间距以及个数的要求，从而在特定中小口径尺寸范围内天线个数受限情况下，实现了宽带宽角度扫描功能。天线阵列整体口径尺寸不大于λ0～10λ0，天线单元个数受限于4～20量级，最大扫描角度可实现65°以上，大角度扫描带宽可覆盖1～3倍频程。
附图说明
图1是根据本发明实施例的相控阵天线结构整体结构示意图；
图2是根据本发明实施例的相控阵天线侧视结构示意图；
图3是根据本发明实施例的相控阵天线俯视结构示意图；
图4是本发明中的超宽带天线振子单元结构示意图；
图5是本发明在多个工作频段的方向图最大角度扫描仿真结果。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行更加详细地描述。
本发明提供的具有超宽带大角度扫描功能的相控阵天线是通过在特殊形状的反射腔体结构上安装天线阵列来实现的。
如图1所示，本发明提供的相控阵天线结构包括天线发射器1以及设置在天线发射器1上的天线阵列。
所述天线发射器1为一特殊形状的金属体。具体而言，所述天线发射器1由上下两部分组成。上部为外形呈类似金字塔的四面体结构，该四面体结构具有四象限旋转对称特征。四面体的四个面大体为三角形，形成天线发射器的四个象限的反射面。所述四个反射面的结构相同，且所述反射面与水平面形成固定倾角。
所述四个反射面上均形成有重复周期开窗3。根据本发明的实施例，每个发射面上设置的开窗3的数量为3-10个。如图1所示，所述开窗3大体上为“凸”字形，包括开口较小的第一开窗和开口较大的第二开窗。所述开窗3周围设置有多个定位孔。根据本发明优选的实施方式，所述定位孔设置在第一开窗周围，数量为4个。
其中，相对设置的第一、三象限反射面(或第二、四象限反射面)上的多个开窗3在沿三角形反射面的底边向天线反射器顶点延伸的方向上排列，相对设置的第二、四象限反射面(或第一、三象限反射面)上的多个开窗3沿水平方向上排列，并且从俯视视角观察，各所述开窗3的第一开窗朝向相同。采用上述结构，有效避免了天线阵子单元安装方向错误的问题，并且提高了组装效率。
所述天线发射器1下部为圆形或圆环形底板，所述上部和下部利用紧固件或机械连接工艺，如焊接等组装成为一具有空心腔体的结构体。
所述天线阵列包括多个结构相同的宽带天线振子单元2。根据本发明的实施例，与所述开窗3的数量对应，每个发射面上安装的天线振子单元2数量也为3-10个。
参照图4，所述天线振子单元2由垂直交叉组装第一基板21和第二基板22组成。所述基板为微波基板，或其他形式的基板，如塑料电镀结构等。所述第一基板21与第二基板22可以通过焊接、插接、卡接等方式组装为一体。
所述第一基板21上设有多个安装孔，通过固定连接件4可以将该第一基板21安装在天线发射器1各反射面的开窗3上。根据本发明优选的实施方式，所述连接件为可拆卸连接件，如螺纹连接件，该螺纹连接件穿过第一基板21上的安装孔、开窗3周围的定位孔，以将所述第一基板21安装在反射面上，并且所述开窗3被所述第一基板21遮盖封闭。
参照图2、图3所示，所述天线阵列在天线发射器1的各反射面上以如下方式排列：安装在第一、三象限反射面(或第二、四象限反射面)上的第二基板22与所在反射面的底边平行设置，安装在第二、四象限反射面(或第一、三象限反射面)上的第二基板22与所在反射面的底边垂直设置。
所述天线振子单元2还包括射频连接器23，用于实现第一基板21、第二基板22与后端设备的信号连接。所述射频连接器23设置在所述第一基板21的下表面，当第一基板21安装在反射面上时，该射频连接器23穿过所述开窗3。所述后端设备至少部分地容置在所述天线反射器1形成的空心腔体中。
所述天线振子单元2的馈电线缆也通过与该天线振子单元2对应的开窗3向下延伸，进入所述天线反射器1形成的空心腔体中。
本发明由于采用外形呈类似金字塔的四面体结构作为反射器，在单独激励每个天线单元时，天线辐射具有固定倾角35度，因此天线单元在构成阵列扫描时所达到的最大扫描角度65度相当于平面阵列30度的扫描角度，因此具有其特有结构优势。
图5展示了本发明提供的具有超宽带大角度扫描功能的相控阵天线在工作频段的方向图最大角度扫描仿真结果。从图中可以看出，从验证实例结果可以看出同时激励12个单元天线情况下，通过设置相同的相位变量，低频段和高频段两种场景下方向图波束最大指向方向均能够覆盖到65度最大倾角。
与此同时，在低频段情况下5度、35度、65度方向图覆盖三种情况下整个三倍频程通带范围内最小增益大于3dBc；高频段情况下最小增益大于6dBc。
由此可见，本发明提供的相控阵天线的阻抗带宽<2.5以内覆盖SCX三频段，带宽达到300％以上，达到大于±65°阵列扫描角度，边缘点增益不小于3dBi。
Claims (10)
1.一种具有超宽带大角度扫描功能的相控阵天线结构，包括天线发射器以及设置在天线发射器上的天线阵列，其特征在于：所述天线发射器为外形呈类似金字塔的四面体结构，该四面体结构具有四象限旋转对称特征，四面体结构的四个面大体为三角形，形成天线发射器的四个象限的反射面，所述反射面与水平面形成固定倾角。
2.根据权利要求1所述的相控阵天线结构，其特征在于：所述天线阵列包括多个结构相同的宽带天线振子单元，各天线阵子单元由垂直交叉组装的第一基板和第二基板组成。
3.根据权利要求2所述的相控阵天线结构，其特征在于：所述天线阵子单元设置在各反射面上，且天线阵子单元的第一基板与所在的反射面基本垂直。
4.根据权利要求3所述的相控阵天线结构，其特征在于：每个反射面上设有3-10个所述天线阵子单元。
5.根据权利要求3所述的相控阵天线结构，其特征在于：第一对处于相对位置的反射面上的天线振子单元在沿反射面底边向天线反射器顶点延伸的方向上排列，第二对处于相对位置的反射面上的天线振子单元沿水平方向上排列。
6.根据权利要求3所述的相控阵天线结构，其特征在于：第一对处于相对位置的反射面上的天线振子单元的第一基板与所在反射面的底边平行，第二对处于相对位置的反射面上的天线振子单元的第一基板与所在反射面的底边垂直。
7.根据权利要求2-6任一项所述的相控阵天线结构，其特征在于：所述反射面上设有用于安装所述天线振子单元的开窗。
8.根据权利要求7所述的相控阵天线结构，其特征在于：所述开窗周围设有定位孔，所述天线振子单元的第二基板通过所述定位孔安装在所述反射面上，并遮盖所述开窗。
9.根据权利要求7所述的相控阵天线结构，其特征在于：所述天线振子单元还包括射频连接器，用于实现第一基板、第二基板与后端设备进行信号连接，当第一基板安装在所述反射面上时，该射频连接器穿过所述开窗。
10.根据权利要求1所述的相控阵天线结构，其特征在于：所述天线发射器还包括圆形或圆环形底板，所述四面体结构设置在该底板上。
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