CN110518370A - 一种多波段共口径宽角覆盖阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线电技术领域，公开了一种多波段共口径宽角覆盖阵列天线，包括6个工作于SC波段和6个工作于X波段的圆锥螺旋天线单元，其中：6个工作于SC波段的圆锥螺旋天线单元和6个工作于X波段的圆锥螺旋天线单元组成两个半径不同而圆心相同的圆环阵列天线，X波段阵列嵌套于SC波段阵列内部；工作于SC波段的天线单元的主体采用倾斜圆锥结构以展宽阵列的方向图带宽；所采用的天线单元均通过指数渐变巴伦为其馈电。本发明在有限的空间内使得天线阵列具有优越的宽带宽角覆盖圆极化辐射特性，结构简单，适用于小型化移动载体应用平台。

Description

一种多波段共口径宽角覆盖阵列天线

技术领域

本发明属于无线电领域，尤其涉及一种多波段共口径宽角覆盖阵列天线。

背景技术

随着无线通信技术的不断发展，天线被广泛应用于军事、民用中的方方面面。同时针对实际中的各种具体应用，对天线性能的要求越来越高，结构限制越来越严格。对于小型高速载体运动平台，为了减轻设备的重量，满足运动平台的发射要求及提高运动平台的性能，要求天线具有重量轻、功耗低、体积小、效率高等特点，电性能方面要求天线在宽频带、多波段工作条件下，实现大空间宽区域宽角度覆盖，同时还需要尽量减少整个系统的扫描周期，就必须将传统的实现宽角覆盖的阵列天线做得更小，采用更少、更宽的波束实现大空间宽区域宽角度覆盖。针对要求天线在多波段且波段跨度较大条件下工作的需求，必须分波段设计天线，且要在狭窄的空间内合理布局天线的结构，将各波段天线彼此影响降到最低，实现多波段天线正常稳定同时工作的目标。

现有的阵列天线，多采用高增益多波束的相控阵方案实现宽角覆盖，这种方案虽然增益高，但高增益带来阵元数目增多的缺陷是不可避免的，这不仅增大了阵列的空间尺寸，而且增加了馈电网络的复杂度；另外由于高增益多波束方案波束窄，实现大空域覆盖需要多次切换波束，大大延长了扫描周期。也有采用固定波束切换的方案实现宽角覆盖，这种方案阵列结构的复杂度虽然有所降低，扫描周期短，但阵列的增益也随之降低，且通过几个波束组合的波束切换方式较为复杂，不便于控制。因此，为了满足部分特殊应用领域的要求，迫切需要设计一款小规模的超宽带多波段宽角覆盖的相控阵天线。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有超宽带宽角覆盖阵列天线空间尺寸大、扫描周期长，波束切换方式复杂。

解决上述技术问题的难度：克服天线的尺寸限制，采用的小规模相控阵天线需要设计超宽带宽波束阵元，为缩短扫描周期而采用一个宽波束实现大空域一定的增益覆盖，同时要克服因超宽带阵列天线阵因子波束变窄而引起的阵列合成波束变窄的问题。

解决上述技术问题的意义：解决上述问题为超宽带宽角覆盖阵列天线技术提供了一种新的技术方案，更小、更紧凑的阵列天线为先进的小型化移动载体应用平台提供先进的硬件技术支持。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种多波段共口径宽角覆盖阵列天线。

本发明是这样实现的，一种多波段共口径宽角覆盖阵列天线，所述多波段共口径宽角覆盖阵列天线包括6个工作于SC波段的圆锥螺旋天线单元和6个工作于X波段的圆锥螺旋天线单元；

工作于SC波段内的圆锥螺旋天线单元是主体倾斜的双臂圆锥对数螺旋天线，倾角α∈[0°,15°]，SC波段内的工作频率范围为(fL1，fH1)，fL1，fH1满足2GHz≤fL1＜fH1≤8GHz；

工作于X波段的圆锥螺旋天线单元是主体非倾斜的双臂圆锥对数螺旋天线，X波段内的工作频率范围为(fL2，fH2)，fL2，fH2满足8GHz≤fL2＜fH2≤12GHz。

进一步，所述工作于SC波段的圆锥螺旋天线单元组成以RL为半径的圆环阵；6个工作于X波段的圆锥螺旋天线单元组成以RH为半径的圆环阵；两个圆环阵圆心相同，且X波段圆环阵嵌套于SC波段圆环阵内；圆环阵中每个天线单元以圆环阵圆心依次旋转60°放置，两圆环阵的起始单元处于过圆心的同一条直线上，且两圆环阵的顶面平齐。

进一步，所述工作于SC波段的圆锥螺旋天线单元包括：第一介质锥体、第一螺旋薄膜和第二螺旋薄膜、第一印制板巴伦、第一馈电同轴电缆；

第一介质锥体是以角度α向一侧倾斜的圆锥台异形结构体，α∈[0°,15°]；第一螺旋薄膜和第二螺旋薄膜为天线的两个螺旋臂，构成天线的辐射主体，第一螺旋薄膜和第二螺旋薄膜紧贴于第一介质锥体上，和介质锥体共形；

第一印制板巴伦上印制有第一微带线-平行双线巴伦，第一巴伦正面线路通过第一金属导体和第一螺旋薄膜相接，巴伦背面线路和第二螺旋薄膜相接；

巴伦下部通过金属化过孔将微带线变为共面形式，第一馈电同轴电缆的第一内导体和巴伦下部正面相接，第一馈电同轴电缆的外导体和巴伦下部反面相接。

进一步，所述工作于X波段的圆锥螺旋天线单元包括：第二介质锥体、第三螺旋薄膜和第四螺旋薄膜、第二印制板巴伦、第二馈电同轴电缆；

第二介质锥体为垂直的圆锥台结构体，第三螺旋薄膜和第四螺旋薄膜紧贴于第二介质锥体上，和第二介质锥体共形；第二印制板巴伦上印制有第二微带线-平行双线巴伦，第二巴伦正面线路通过第二金属导体和第三螺旋薄膜相接，巴伦背面线路和第四螺旋薄膜相接；

巴伦下部通过金属化过孔将微带线变为共面形式，第二馈电同轴电缆内的第二导体和巴伦下部正面相接，第二馈电同轴电缆的外导体和巴伦下部反面相接。

本发明的另一目的在于提供一种安装有所述多波段共口径宽角覆盖阵列天线的小型化移动载体应用平台。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明利用两个圆环阵嵌套的布局方式，提高了空间利用率，相比现有的采用固定波束切换形式的9单元阵列天线，本发明天线尺寸缩小了23％；本发明通过将螺旋主体设计成倾斜结构，利用螺旋天线的辐射原理，减小了SC波段高频部分的阵列间距，解决了高频波束变窄的问题；两个波段内天线在俯仰面5°～65°的圆极化增益值大于5dBic，即实现俯仰面5°～65°的覆盖仅需一个波束；本发明采用超宽带宽波束圆极化圆锥螺旋天线阵元组阵，俯仰面内具备优越的超宽带圆极化宽角覆盖能力，采用相控阵的形式，波束切换便捷，阵列结构简单轻便。

附图说明

图1是本发明实施例提供的多波段共口径宽角覆盖阵列天线的结构示意图；

图中：(a)工作于SC波段的圆锥螺旋天线单元；(b)工作于X波段的圆锥螺旋天线单元。

图2是本发明实施例提供的天线阵列的正视图。

图3是本发明实施例提供的天线阵列的俯视图。

图4是本发明实施例提供的天线单元的辐射方向图。

图5是本发明实施例提供的天线阵列的合成辐射方向图。

图6是本发明实施例提供的阵中天线单元的测试方向图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种多波段共口径宽角覆盖阵列天线，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的多波段共口径宽角覆盖阵列天线包括：包括6个工作于SC波段的圆锥螺旋天线单元和6个工作于X波段的圆锥螺旋天线单元。

工作于SC波段内的圆锥螺旋天线单元是一个主体倾斜的双臂圆锥对数螺旋天线，倾角α∈[0°,15°]，在保证天线单元性能的同时，最大化改善天线单元组阵后的特性；SC波段内的工作频率范围为(fL1，fH1)，相对带宽79％；

工作于X波段的圆锥螺旋天线单元是一个主体非倾斜的双臂圆锥对数螺旋天线，X波段内的工作频率范围为(fL2，fH2)，相对带宽40％；

如图1(a)所示，工作于SC波段的圆锥螺旋天线单元由四个部分组成：第一介质锥体1、第一螺旋薄膜2和第二螺旋薄膜3、第一印制板巴伦4和第一馈电同轴电缆9。第一介质锥体1是一个以角度α向一侧倾斜的圆锥台异形结构体，α∈[0°,15°]，它使得工作于SC波段的圆锥螺旋天线单元整体倾斜，在不影响天线性能的情况下，该设计适用于宽带圆环阵列设计，能够展宽阵列的宽波束方向图带宽，具有良好的应用前景。该天线单元高度为0.3λL～0.5λL，λL为频率fL1对应的自由空间波长螺旋。第一螺旋薄膜2和第二螺旋薄膜3即为天线的两个螺旋臂，构成天线的辐射主体，第一螺旋薄膜2和第二螺旋薄膜3紧贴于第一介质锥体1上，和介质锥体共形。第一印制板巴伦4上印制有微带线——平行第一双线巴伦5，第一巴伦正面线路6通过第一金属导体7和螺旋一个第一辐射臂2相接，巴伦背面线路和螺旋另一个辐射臂相接。巴伦下部通过金属化过孔10将微带线变为共面形式，第一馈电同轴电缆9的第一内导体8和巴伦下部正面相接，第一馈电同轴电缆9的外导体和巴伦下部反面相接。图4(a)、图4(b)分别为频率fL1、fH1对应的单元辐射方向图，可知整个频带内，该天线单元具有宽波束特性。

如图1(b)所示，工作于X波段的圆锥螺旋天线单元由四个部分组成：第二介质锥体11、第三螺旋薄膜12和第四螺旋薄膜13、第二印制板巴伦14和第二馈电同轴电缆19。第二介质锥体11为垂直的圆锥台结构体，与工作于SC波段的圆锥螺旋天线单元结构类似，该天线单元高度为0.4λH～0.6λH，λH为频率fL2对应的自由空间波长。第三螺旋薄膜12和第四螺旋薄膜13紧贴于第二介质锥体11上，和第二介质锥体11共形。第二印制板巴伦14上印制有微带线——平行第二双线巴伦15，第二巴伦正面线路16通过第二金属导体17和螺旋一个第二辐射臂12相接，巴伦背面线路和螺旋另一个辐射臂相接。巴伦下部通过金属化过孔10将微带线变为共面形式，第二馈电同轴电缆19内的第二导体18和巴伦下部正面相接，第二馈电同轴电缆19的外导体和巴伦下部反面相接。图4(c)、图4(d)分别为频率fL2、fH2对应的单元辐射方向图，可知整个频带内，该天线单元具有宽波束特性。

如图2和图3所示，6个工作于SC波段的圆锥螺旋天线单元和6个工作于X波段的圆锥螺旋天线单元分别组成两个同心圆环阵，阵列半径分别表示为RL和RH，RL∈[0.23λL，0.28λL]，RH∈[0.3λH，0.36λH]。X波段圆环阵嵌套于SC波段圆环阵内，两圆环阵的顶面平齐，X波段阵列单元由第二馈电同轴电缆19支撑，SC波段阵列单元置于金属地板21之上。阵列中每个阵列单元依次旋转60°放置，且SC波段阵列和X波段阵列的起始位置相同，以提高阵列的圆极化性能和单元方向图的一致性。图5为整个阵列的合成辐射方向图，俯仰面5°～65°增益大于5dBic。

如图6所示，该发明的阵中天线单元测试结果表明，阵中天线单元具有超过100°的波束宽度，与该发明的仿真设计结果吻合，说明该发明真实可靠，性能优越。

以上描述仅是本发明的一个实例，不构成对本发明的任何限制。例如，SC波段阵列和X波段阵列的起始位置可以间隔30°放置，这样可以减小两个阵列之间的相互影响；工作于X波段的天线单元可以做成倾斜结构，改善X波段方向图带宽。这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多波段共口径宽角覆盖阵列天线，其特征在于，所述多波段共口径宽角覆盖阵列天线包括6个工作于SC波段的圆锥螺旋天线单元和6个工作于X波段的圆锥螺旋天线单元；

工作于SC波段内的圆锥螺旋天线单元是主体倾斜的双臂圆锥对数螺旋天线，倾角α∈[0°,15°]，SC波段内的工作频率范围为(fL1，fH1)，fL1，fH1满足2GHz≤fL1＜fH1≤8GHz；

工作于X波段的圆锥螺旋天线单元是主体非倾斜的双臂圆锥对数螺旋天线，X波段内的工作频率范围为(fL2，fH2)，fL2，fH2满足8GHz≤fL2＜fH2≤12GHz。

2.如权利要求1所述的多波段共口径宽角覆盖阵列天线，其特征在于，所述工作于SC波段的圆锥螺旋天线单元组成以RL为半径的圆环阵；6个工作于X波段的圆锥螺旋天线单元组成以RH为半径的圆环阵；两个圆环阵圆心相同，且X波段圆环阵嵌套于SC波段圆环阵内；圆环阵中每个天线单元以圆环阵圆心依次旋转60°放置，两圆环阵的起始单元处于过圆心的同一条直线上，且两圆环阵的顶面平齐。

3.如权利要求1所述的多波段共口径宽角覆盖阵列天线，其特征在于，所述工作于SC波段的圆锥螺旋天线单元包括：第一介质锥体、第一螺旋薄膜和第二螺旋薄膜、第一印制板巴伦、第一馈电同轴电缆；

第一介质锥体是以角度α向一侧倾斜的圆锥台异形结构体，α∈[0°,15°]；第一螺旋薄膜和第二螺旋薄膜为天线的两个螺旋臂，构成天线的辐射主体，第一螺旋薄膜和第二螺旋薄膜紧贴于第一介质锥体上，和介质锥体共形；

第一印制板巴伦上印制有第一微带线-平行双线巴伦，第一巴伦正面线路通过第一金属导体和第一螺旋薄膜相接，巴伦背面线路和第二螺旋薄膜相接；

巴伦下部通过金属化过孔将微带线变为共面形式，第一馈电同轴电缆的第一内导体和巴伦下部正面相接，第一馈电同轴电缆的外导体和巴伦下部反面相接。

4.如权利要求1所述的多波段共口径宽角覆盖阵列天线，其特征在于，所述工作于X波段的圆锥螺旋天线单元包括：第二介质锥体、第三螺旋薄膜和第四螺旋薄膜、第二印制板巴伦、第二馈电同轴电缆；

第二介质锥体为垂直的圆锥台结构体，第三螺旋薄膜和第四螺旋薄膜紧贴于第二介质锥体上，和第二介质锥体共形；第二印制板巴伦上印制有第二微带线-平行双线巴伦，第二巴伦正面线路通过第二金属导体和第三螺旋薄膜相接，巴伦背面线路和第四螺旋薄膜相接；

巴伦下部通过金属化过孔将微带线变为共面形式，第二馈电同轴电缆内的第二导体和巴伦下部正面相接，第二馈电同轴电缆的外导体和巴伦下部反面相接。

5.一种安装有权利要求1所述多波段共口径宽角覆盖阵列天线的小型化移动载体应用平台。