CN110391505A - 一种水平波束的全向扫描端射阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水平波束的全向扫描端射阵天线，包括多个单元模块，多个单元模块呈轴线共圆心放射性均匀排布；所述单元模块包括两个端射阵天线子阵，两个端射阵天线子阵呈“V”字形状构成单元模块；所述单元模块的“V”字形夹角朝向圆心或开口朝向圆形；所述端射阵天线子阵包括天线单元，同一单元模块中的两个端射阵天线子阵天线单元相对设置。与现有技术相比，本发明提供一种结构简单、高增益，并且具有水平波束、在方位面可以实现360°全向扫描的端射阵天线，呈“V”字形结构的单元模块，通过端射阵天线子阵倾斜后波束叠加，实现水平辐射的端射波束，可以有效的解决端射阵波束上翘的问题，为端射阵的工程应用提供了一种很好的解决方案。

Description

一种水平波束的全向扫描端射阵天线

技术领域

本发明属于端射阵天线技术领域，具体涉及一种水平波束的全向扫描端射阵天线。

背景技术

相控阵天线由于其所具备的电扫描特性，被广泛的应用于雷达和通信领域。在现有的相控阵天线的研究中大多集中在侧射阵的研究，其辐射方向为阵列排布的法向方向，垂直于金属地板，最大波束指向不会受金属地板的影响而产生偏转，侧射阵的技术研究已经相对较为成熟。与侧射阵不同的是，端射阵天线的最大辐射方向是沿着阵列排布的轴向而不是法向，其理论上的最大辐射方向是平行于金属地板的，但是受金属地板的影响端射阵的波束会产生上翘，导致最大波束指向发生偏转。

目前端射阵天线的研究应用中，国外对于端射阵的研究较早，目前已经有成熟的技术并且付诸于实践，最具代表性的为美国诺斯罗普-格鲁门公司研制的用于美国空军E-737预警机的端射阵天线(陈富生.“国外预警与控制系统飞机的发展状况”，国防科工委情报研究所,1989.)，现有的资料中对该端射阵天线的具体形式并没有详细的介绍。国内关于端射阵天线也具有一定的研究基础，北京理工大学薛正辉教授团队采用八木天线作为端射阵的天线单元，可以实现高增益设计，但是不具备扫描能力；电子科技大学杨仕文教授团队申请过一个关于全向扫描的端射阵天线的专利，但是其研究点主要一种新颖的低剖面端射阵天线单元，并没有涉及有限大端射阵的波束上翘问题的解决(姚国伟,薛正辉,李伟明,任武.“端射相控阵天线设计”，北京：中国电子科学研究院学报,2010；杨仕文,王放,陈益凯,肖仕伟,刘坤宁,屈世伟.一种低剖面全向扫描端射天线阵列，中国发明专利，2017.4，申请号：201710236613.9.)。

综上所述，在现有的端射阵天线的应用和技术研究中，并没有给出端射阵在工程应用中波束上翘的一种很好的解决方案，而波束上翘问题的有效解决是端射阵天线实现成熟化工程应用的关键。

发明内容

本发明要解决的技术问题是端射阵天线应用中受金属地板影响波束上翘问题。

本发明通过以下技术方案来解决上述技术问题：

一种水平波束的全向扫描端射阵天线，包括多单元模块，多个单元模块呈轴线共圆心放射性均匀排布；所述单元模块包括两个端射阵天线子阵，两个端射阵天线子阵呈“V”字形状构成单元模块；所述单元模块的“V”字形夹角朝向圆心或开口朝向圆心；所述端射阵天线子阵包括天线单元，同一单元模块中的两个端射阵天线子阵天线单元相对设置。

本发明提供一种结构简单、高增益，并且具有水平波束、在方位面可以实现360°全向扫描的端射阵天线，呈“V”字形结构的单元模块，通过端射阵天线子阵倾斜后波束叠加，实现水平辐射的端射波束，可以有效的解决端射阵波束上翘的问题，为端射阵的工程应用提供了一种很好的解决方案。

优选的，所述单元模块的最小数量为360°除以单元模块方位面波束的3dB波束宽度，不能整除时向上取整。

优选的，所述端射阵天线子阵为一维线阵、二维的平面阵、共形阵。

优选的，多个单元模块的“V”形角平分线共面。

优选的，所述的端射阵天线子阵包括多个端射阵天线单元、与端射阵天线单元数量相同的馈电结构、金属地板；所述馈电结构的接头穿过所述金属底板与天线单元连接。

优选的，所述端射阵天线单元为单极子、八木天线、螺旋天线、对数周期天线、表面波天线、平面倒F天线。

优选的，所述馈电结构为SMA接头直接馈电，或者SMA接巴伦变换进行馈电。

优选的，所述金属地板为普通金属地板、带有电磁带隙结构、人工磁导体、超材料、频率选择表面金属地板。

本发明的优点在于：

1、本发明提供一种结构简单、高增益，并且具有水平波束、在方位面可以实现360°全向扫描的端射阵天线，呈“V”字形结构的单元模块，通过端射阵天线子阵倾斜后波束叠加，实现水平辐射的端射波束，可以有效的解决端射阵波束上翘的问题，为端射阵的工程应用提供了一种很好的解决方案。

2、本发明提出的端射阵天线技术解决途径具有普适性，可以适用于所有端射阵天线单元。

3、本发明提出的端射阵天线具有高增益、架构简单等特点。

附图说明

图1为本发明端射阵天线子阵及最大波束指向示意图；；

图2为本发明端射阵天线子阵根据波束上翘角度倾斜示意图；

图3为本发明单元模块及最大波束指向示意图；

图4为本发明端射阵天线子阵俯仰面波束仿真结果；

图5为本发明端射阵天线子阵倾斜后俯仰面波束仿真结果；

图6为本发明单元模块俯仰面波束仿真结果；

图7为本发明一种水平波束的全向扫描端射阵天线布阵示意图；

图8为本发明一种水平波束的全向扫描端射阵天线方位面360°范围内波束覆盖示意图。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

如图1、图2、图3所示，一种水平波束的全向扫描端射阵天线由轴线共圆心的多个单元模块放射性均布而成，其包含的单元模块数量≥1，具体需要的单元模块最小数量为360°除以单元模块方位面波束的3dB波束宽度，不能整除时向上取整。单元模块包含两个端射阵天线子阵，两个端射阵天线子分别根据端射阵天线子阵波束上翘的角度进行倾斜，阵呈“V”字形状构成单元模块；所述单元模块的“V”字形夹角朝向圆心或开口朝向圆心；端射阵天线子阵包括天线单元，同一单元模块中的两个端射阵天线子阵天线单元相对设置。单元模块通过端射阵天线子阵倾斜后波束叠加，实现水平辐射的端射波束；其方位面波束扫描通过控制单元模块来实现，同时工作的单元模块数≥1，并不超过单元模块的总数。

端射阵天线子阵可以是一维线阵、二维的平面阵、共形阵等形式；包含有端射阵天线单元1，馈电结构2，以及金属地板3。端射阵天线单元1可以是单极子、八木天线、螺旋天线、对数周期天线、表面波天线、平面倒F天线等；馈电结构2可以是SMA接头直接馈电，或者SMA接巴伦变换进行馈电；金属地板3可以是普通金属地板、带有电磁带隙结构、人工磁导体、超材料、频率选择表面等结构的金属地板；

下面以S波段的端射阵天线子阵为例进行详细描述。

图1所示为工作于S波段的端射阵天线子阵，该端射阵天线子阵为一维线阵，包括有15个端射阵天线单元1，馈电结构2为SMA接头，金属地板3为普通的金属反射板。本实施例中，端射阵天线单元1为单极子天线，长度为25mm，直径为1mm，垂直金属地板3放置；金属地板3的尺寸为长600mm，宽40mm；馈电结构2的SMA接头内芯穿过金属地板3与端射阵天线单元1底端焊接。

对本实施例中的端射阵天线子阵在3GHz处进行仿真考察其方向图结果。如图1所示的端射阵天线子阵，其3GHz处的俯仰面子阵方向图如图4所示，端射阵天线子阵受金属地板的影响端射阵波束最大辐射方向的指向为73°，波束上翘17°，最大增益为13.94dBi；如图2所示，根据波束上翘的角度，将本实施例中的端射阵天线子阵在俯仰向向下倾斜17°，仿真得到的3GHz处的俯仰面子阵方向图如图5所示，该子阵波束与图4所示的子阵波束最大增益、波束形状完全一致，不同的是通过俯仰向倾斜，将波束最大辐射方向的指向调整为90°；将图2所示的端射阵天线子阵通过镜像复制，得到图3所示的单元模块，图6所示为单元模块在3GHz处的仿真得到单元模块俯仰面的方向图，方向图结果为图2所示的两个端射阵天线子阵方向图叠加的结果，单元模块在俯仰面的最大波束指向为90°，增益为16.85dBi，相对于单个端射阵天线子阵增益提升2.91dBi。

本实施例中，单元模块在3GHz处方位面3dBi波束宽度为34°，根据其方位面波束宽度，端射阵覆盖水平面360°范围需要的单元模块最小数量为360°除以34°向上取整，则本实施例中若要端射阵天线在方位面实现360°全向扫描最少需要11个单元模块。如图7为本发明一种水平波束的全向扫描端射阵天线布阵示意图，单元模块数选择为12个，每个单元模块的波束可覆盖30度的扇形区域范围，在所有模块均工作的情况下，方位面波束覆盖如图8所示，通过控制每个单元模块的工作即可实现方位面360°全向扫描。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种水平波束的全向扫描端射阵天线，其特征在于：包括多单元模块，多个单元模块呈轴线共圆心放射性均匀排布；所述单元模块包括两个端射阵天线子阵，两个端射阵天线子阵呈“V”字形状构成单元模块；所述单元模块的“V”字形夹角朝向圆心或开口朝向圆心；所述端射阵天线子阵包括天线单元，同一单元模块中的两个端射阵天线子阵天线单元相对设置。

2.根据权利要求1所述的一种水平波束的全向扫描端射阵天线，其特征在于：所述单元模块的最小数量为360°除以单元模块方位面波束的3dB波束宽度，不能整除时向上取整。

3.根据权利要求1或2所述的一种水平波束的全向扫描端射阵天线，其特征在于：所述端射阵天线子阵为一维线阵、二维的平面阵、共形阵。

4.根据权利要求1或2所述的一种水平波束的全向扫描端射阵天线，其特征在于：多个单元模块的“V”形角平分线共面。

5.根据权利要求1或2所述的一种水平波束的全向扫描端射阵天线，其特征在于：所述的端射阵天线子阵包括多个端射阵天线单元、与端射阵天线单元数量相同的馈电结构、金属地板；所述馈电结构的接头穿过所述金属底板与天线单元连接。

6.根据权利要求5所述的一种水平波束的全向扫描端射阵天线，其特征在于：所述端射阵天线单元为单极子、八木天线、螺旋天线、对数周期天线、表面波天线、平面倒F天线。

7.根据权利要求5所述的一种水平波束的全向扫描端射阵天线，其特征在于：所述馈电结构为SMA接头直接馈电，或者SMA接巴伦变换进行馈电。

8.根据权利要求5所述的一种水平波束的全向扫描端射阵天线，其特征在于：所述金属地板为普通金属地板、带有电磁带隙结构、人工磁导体、超材料、频率选择表面金属地板。