CN113904096A - 一种小型化抗干扰天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型化抗干扰天线阵列，包括圆锥形弹载结构体，圆锥形弹载结构体中部的圆台为有源天线阵子的布阵区域，有源天线阵子是集成了包括天线辐射体、天线辐射贴片、天线馈电网络板、低噪放PCB板、屏蔽罩、天线罩和金属压块在内的多功能器件，实现了有源天线阵子减少物理尺寸的同时，增加了集成度，提高了天线性能；有源天线阵子采用“3+1”的布阵形式安装在圆锥形弹载结构体上且与圆锥形弹载结构体表面共形设计，有效的降低了该结构下有源天线阵子布阵所需的空间范围，解决或者部分解决了了圆锥形弹载结构下抗干扰天线阵子由于载体遮挡必须进行自适应选择的问题，对类似应用场景下的布阵方式的研究具有深远意义。

Description

一种小型化抗干扰天线阵列
技术领域
本发明涉及天线阵列技术领域，尤其是一种小型化抗干扰天线阵列。
背景技术
随着国内北斗卫星导航系统的不断完善和卫星应用技术的日趋成熟，天线阵列技术领域也在不断创新。其中抗干扰天线阵列技术应用也越来越广泛，应用场景也越来越多元化、复杂化和小型化，这对于抗干扰阵列天线性能的实现带来巨大的挑战，同时随着安装应用场景复杂度的增加，天线单阵子对抗干扰天线性能的影响也逐渐加深。尤其对于各种狭小空间或者非常规的结构中提出的抗干扰要求，更是对天线单阵子性能和布阵形式要求极其严格，因此在紧凑、不对称等非常规环境下的抗干扰天线性能的保证成为一项潜力巨大的科研技术。
在所有抗干扰算法中天线阵子辐射方向图为理想的半球形，且各阵子间远场性能完全一致。由于结构不对称性、互耦效用等因素的存在，阵中各个阵子之间不可能完全等效为理想情况下幅相一致的状态。更加严重的情况是，由于有些结构对天线阵子的遮挡情况，抗干扰算法上不得不通过自适应阵子选择的手段，来提高零陷的深度和对准方向，增大了计算复杂度，提高了公式实现难度。对于通常的天线阵列，其抗干扰性能主要由天线阵子、布阵方式及安装结构环境所决定，由于天线阵间耦合的存在，在天线布阵设计时，需要通过布阵形式和安装结构特点来平衡一部分阵间耦合效果，对阵间一致性起到补偿或者修正的作用，这对于天线设计来说也增加了设计难度。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种小型化抗干扰天线阵列，目的在于解决实际应用中圆锥形弹载紧凑结构下抗干扰天线布阵空间不足的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种小型化抗干扰天线阵列，包括圆锥形弹载结构体，所述圆锥形弹载结构体中部的圆台为有源天线阵子的布阵区域，所述圆台轴线的水平切线上半部分设置有呈等腰三角形布置的3个有源天线阵子，所述圆台轴线的水平切线下半部分设置有1个有源天线阵子，4个有源天线阵子均安装圆锥形弹载结构体上且与圆锥形弹载结构体外表面共形设计，所述有源天线阵子包括固定在圆锥形弹载结构体上呈倒置“凸”字型的屏蔽罩和位于屏蔽罩上方呈 “凸”字型的天线罩，所述屏蔽罩和天线罩之间设置有天线馈电网络板，所述屏蔽罩内部设置有低噪放PCB板且低噪放PCB板上表面和天线馈电网络板下表面焊接相连，所述天线罩底部中心开有横截面为正方形的槽且槽内密接设置有天线辐射体，所述天线辐射体为完全陷入槽内的长方体，所述天线辐射体上部外表面设置有天线辐射贴片，所述天线罩上部与圆锥形弹载结构体外表面采取共面设计，所述天线罩两个短边处开槽且开槽处设置有金属压块，所述金属压块、天线罩、天线馈电网络板通过螺钉和屏蔽罩一起固定于圆锥形弹载结构体上。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述圆台的上台面半径为41.3mm、下台面半径为54.5mm，所述圆台上台面和下台面之间的高度为55mm。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述圆台轴线的水平切线上半部分设置的3个有源天线阵子分别为第一有源天线阵子、第二有源天线阵子和第三有源天线阵子，所述第三有源天线阵子放置于靠近上台面位置，所述第一有源天线阵子和第二有源天线阵子放置于靠近下台面位置，所述第一有源天线阵子和第二有源天线阵子的主辐射方向形成的角度在圆台横截面上的投影成90°直角，所述第一有源天线阵子和第二有源天线阵子关于圆台轴线对称放置。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述圆台轴线的水平切线下半部分设置的有源天线阵子为第四有源天线阵子，所述第四有源天线阵子与第三有源天线阵子上下对称放置，所述第四有源天线阵子与第三有源天线阵子的主辐射方向形成的角度在圆台纵截面上的投影成29.2°。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述天线馈电网络板输入端的探针焊接在低噪放PCB板上预留的焊接孔位处。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述天线辐射贴片的四个边分别开槽，两组平行边上的开槽分别采取对称式开槽，互相垂直的两条边上的开槽采取非对称式开槽。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述天线辐射贴片上设置有多个馈针且多个馈针位于以天线辐射贴片中心为圆心且半径相等的圆上，天线辐射贴片中心和任意相邻两个馈针位置扫过的扇形区域角度为90°，同时天线辐射贴片中心和任一馈针连线分别垂直于相对应的天线辐射贴片的边。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述天线馈电网络板采用微带线设计的3dB电桥，输出端口的输出信号为幅度相等、相位相差90°的正交信号，并且通过馈针将信号传输到天线辐射贴片，在天线辐射贴片表面形成正交90°的等幅信号。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述天线辐射体介质的介电常数为22。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
1、本发明有源天线阵子是集成了包括天线辐射体、天线辐射贴片、天线馈电网络板、低噪放PCB板、屏蔽罩、天线罩和金属压块在内的多功能器件，实现了有源天线阵子减少物理尺寸的同时，增加了集成度，提高了天线性能；有源天线阵子采用“3+1”的布阵形式安装在圆锥形弹载结构体上且与圆锥形弹载结构体表面共形设计，有效的降低了该结构下有源天线阵子布阵所需的空间范围，解决或者部分解决了了圆锥形弹载结构下抗干扰天线阵子由于载体遮挡必须进行自适应选择的问题，对类似应用场景下的布阵方式的研究具有深远意义；
2、本发明的圆锥形弹载结构体上的有源天线阵子采用“3+1”的布阵形式，布阵形式以过圆锥形弹载结构体旋转对称轴线的水平面为界限，上半部分正面包括3个天线阵子以特定的排列方式组成抗干扰阵列接收来自结构载体正面的卫星信号并完成抗干扰功能，并通过调零算法对干扰信号进行抑制，圆锥形弹载结构体下半部分背面包括一个天线阵子其作用在于接收来自结构背面的卫星信号。其中第一有源天线阵子和第二有源天线阵子的主辐射方向形成的角度在圆台横截面上的投影成90°直角，拉大了阵元间距，抑制了天线阵子间的耦合作用，同时保证了抗干扰算法的适配性，接收来自下半部分的卫星信号的是第四有源天线阵子，第四有源天线阵子与第三有源天线阵子的主辐射方向形成的角度在圆台纵截面上的投影成29.2°；
3、本发明的天线阵子辐射体安装天线罩内部的设计，可以在紧凑环境下进一步缩小天线辐射体尺寸；天线罩外部表面和锥形弹载结构外表面共面设计，极大的优化了“3+1”抗干扰阵列天线的布阵空间；
4、本发明的天线馈电网络板输入端的探针焊接在低噪放PCB板上预留的焊接孔位处，使得天线阵子接收到的信号能够进入低噪放实现放大、滤波等功能，而且低噪放PCB板可以通过下方的屏蔽罩2抑制有源部分链路的电磁干扰；
5、本发明天线辐射贴片开槽设计在不增加辐射贴片空间尺寸情况下，增大了有效谐振长度 ，通过控制天线辐射贴片的覆铜区域开槽长度达到设计所需求的频率得目的；
6、本发明采用两个金属压块将天线罩、低噪放PCB板和屏蔽罩固定在圆锥形弹载结构体表面，金属压块除了固定作用外，还可以调节结构不对称性对两路正交信号幅度相位和频率的不一致性，这样可以使天线阵子具有更好的圆极化特性。
附图说明
图1是本发明圆锥形弹载结构体竖直放置时有源天线阵子在圆锥形弹载结构体上的布阵形式图；
图2是本发明圆锥形弹载结构体水平放置时有源天线阵子在圆锥形弹载结构体上的布阵形式图；
图3是本发明4有源天线阵子位置关系图一；
图4是本发明4有源天线阵子位置关系图二；
图5是本发明有源天线阵子结构示意图；
图6是本发明有源天线阵子分解结构示意图；
图7是本发明天线辐射贴片结构示意图；
其中，1、圆锥形弹载结构体，1-1、圆台，2、屏蔽罩，3、天线罩，4、天线馈电网络板，5、天线辐射体，6、天线辐射贴片，7、金属压块，8、第一有源天线阵子，9、第二有源天线阵子，10、第三有源天线阵子，11、第四有源天线阵子，12、馈针。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
一种小型化抗干扰天线阵列，包括圆锥形弹载结构体1，圆锥形弹载结构体1中部的圆台1-1为有源天线阵子的布阵区域，圆台1-1的上台面半径为41.3mm、下台面半径为54.5mm，所述圆台1-1上台面和下台面之间的高度为55mm。本发明为降低该结构下有源天线阵子布阵所需的空间范围，有源天线阵子采用“3+1”的布阵形式安装在圆锥形弹载结构体上且与圆锥形弹载结构体表面共形设计，有效的降低了该结构下有源天线阵子布阵所需的空间范围，解决或者部分解决了了圆锥形弹载结构下抗干扰天线阵子由于载体遮挡必须进行自适应选择的问题，对类似应用场景下的布阵方式的研究具有深远意义。
有源天线阵子具体的布阵形式如图1～图2所示，在圆台1-1轴线水平放置情况下，圆台1-1轴线的水平切线上半部分设置有呈等腰三角形布置的3个有源天线阵子，接收来自圆锥形弹载结构体1正面的卫星信号，并通过调零算法对干扰信号进行抑制，圆台1-1轴线的水平切线下半部分设置的有源天线阵子为第四有源天线阵子11，接收圆锥形弹载结构体1背面的卫星信号。
圆台1-1轴线的水平切线上半部分的3个有源天线阵子分别为第一有源天线阵子8、第二有源天线阵子9和第三有源天线阵子10，第三有源天线阵子10放置于靠近圆台1-1上台面位置，第一有源天线阵子8和第二有源天线阵子9放置于靠近圆台1-1下台面位置。
如图3所示，第一有源天线阵子8和第二有源天线阵子9的主辐射方向形成的角度在圆台1-1横截面上的投影成90°直角，拉大了阵元间距，抑制了天线阵子间的耦合作用，同时保证了抗干扰算法的适配性。第一有源天线阵子8和第二有源天线阵子9关于圆台1-1轴线对称放置。
如图4所示，第四有源天线阵子11与第三有源天线阵子10上下对称放置，所述第四有源天线阵子11与第三有源天线阵子10的主辐射方向形成的角度在圆台1-1纵截面上的投影成29.2°。
如图5～图6所示，第一有源天线阵子8、第二有源天线阵子9、第三有源天线阵子10和第四有源天线阵子11均为独立的有源天线阵子，有源天线阵子包括固定在圆锥形弹载结构体1上呈倒置“凸”字型的屏蔽罩2和位于屏蔽罩2上方呈 “凸”字型的天线罩3，屏蔽罩2和天线罩3之间设置有天线馈电网络板4，所述屏蔽罩2内部设置有低噪放PCB板且低噪放PCB板上表面和天线馈电网络板4下表面焊接相连保证共地，具体的，天线馈电网络板4输入端的探针焊接在低噪放PCB板上预留的焊接孔位处，使得天线阵子接收到的信号能够进入低噪放实现放大、滤波等功能，而且低噪放PCB板可以通过下方的屏蔽罩2抑制有源部分链路的电磁干扰。
天线罩3上部与圆锥形弹载结构体1外表面采取共面设计，极大的优化了“3+1”抗 干扰阵列天线的布阵空间。天线罩3底部中心开有横截面为正方形的槽且槽内密接设置有 天线辐射体5，天线辐射体5为完全陷入槽内的长方体，可以在紧凑环境下进一步缩小天线 辐射体5尺寸；一般天线罩3和天线辐射体5之间有一定间隙，起到保护天线的作用。本专利 中天线罩3密贴天线辐射体5，增大了天线罩3对天线的频率特性的影响，天线辐射体5介质 的介电常数22，是TP系列介电常数最大的一款板材，由微带天线尺寸理论公式
Figure 36947DEST_PATH_IMAGE001
可知，有源天线阵子尺寸和介质的有效介电常数
Figure 353527DEST_PATH_IMAGE002
成反比，极大的缩小了天 线辐射板的尺寸。在具体实现中，采用合适的调试方法后，可以起到降低天线辐射频率的作 用，通过上述微带天线尺寸理论公式反推可知，在一定程度上也对天线的尺寸起到减小的 作用。
天线辐射体5上部外表面设置有正方形的天线辐射贴片6，天线辐射贴片6的覆铜区域开槽设计，四个边分别开槽，两组平行边上的开槽分别采取对称式开槽，即开槽长度相同，互相垂直的两条边上的开槽采取非对称式开槽，即开槽长度不同。在不增加辐射贴片空间尺寸情况下，增大了有效谐振长度 ，通过控制天线辐射贴片6的覆铜区域开槽长度达到设计所需求的频率得目的。
如图7所示，天线辐射贴片6上设置有多个馈针12且多个馈针12位于以天线辐射贴片6中心为圆心且半径相等的圆上，通过调整该圆的半径调整天线的输入阻抗，通常天线的输入阻抗为50欧姆。天线辐射贴片6中心和任意相邻两个馈针12位置扫过的扇形区域角度为90°，同时天线辐射贴片6中心和任一馈针12连线分别垂直于相对应的天线辐射贴片6的边。天线多馈点设计，通过天线馈电网络板4实现圆极化，相较于单馈电点的设计，具有更高的相位中心稳定度、更对称的方向图、更宽波瓣宽度和驻波带宽。
天线馈电网络板4，既起到天线接收信号传输到低噪放的作用，而且由于其位于天线辐射体5下方、低噪放PCB板上方，也起到固定天线和低噪放的作用，天线馈电网络板4采用微带线设计的3dB电桥，输出端口的输出信号为幅度相等、相位相差90°的正交信号，并且通过馈针12将信号传输到天线辐射贴片6，在天线辐射贴片6表面形成正交90°的等幅信号，通过控制相位的超前和滞后将天线阵子发射出去的场的传播方式调节为右旋圆极化。
天线罩3两个短边处开槽且开槽处设置有金属压块7，采用两个金属压块7将天线罩3、低噪放PCB板和屏蔽罩2固定在圆锥形弹载结构体1表面，并通过四个M2.5的盘头螺钉固定在圆锥形弹载结构体1上。除了固定作用外，加上金属压块7可以调节结构不对称性对两路正交信号幅度相位和频率的不一致性，这样可以使天线阵子具有更好的圆极化特性。
本发明有源天线阵子是集成了包括天线辐射体5、天线辐射贴片6、天线馈电网络板4、低噪放PCB板、屏蔽罩2、天线罩3和金属压块7在内的多功能器件，实现了有源天线阵子减少物理尺寸的同时，增加了集成度，提高了天线性能；有源天线阵子采用“3+1”的布阵形式安装在圆锥形弹载结构体上且与圆锥形弹载结构体表面共形设计，有效的降低了该结构下有源天线阵子布阵所需的空间范围，解决或者部分解决了了圆锥形弹载结构下抗干扰天线阵子由于载体遮挡必须进行自适应选择的问题，对类似应用场景下的布阵方式的研究具有深远意义。

Claims (9)

1.一种小型化抗干扰天线阵列，其特征在于：包括圆锥形弹载结构体（1），所述圆锥形弹载结构体（1）中部的圆台（1-1）为有源天线阵子的布阵区域，所述圆台（1-1）轴线的水平切线上半部分设置有呈等腰三角形布置的3个有源天线阵子，所述圆台（1-1）轴线的水平切线下半部分设置有1个有源天线阵子，4个有源天线阵子均安装圆锥形弹载结构体（1）上且与圆锥形弹载结构体（1）外表面共形设计，所述有源天线阵子包括固定在圆锥形弹载结构体（1）上呈倒置“凸”字型的屏蔽罩（2）和位于屏蔽罩（2）上方呈 “凸”字型的天线罩（3），所述屏蔽罩（2）和天线罩（3）之间设置有天线馈电网络板（4），所述屏蔽罩（2）内部设置有低噪放PCB板且低噪放PCB板上表面和天线馈电网络板（4）下表面焊接相连，所述天线罩（3）底部中心开有横截面为正方形的槽且槽内密接设置有天线辐射体（5），所述天线辐射体（5）为完全陷入槽内的长方体，所述天线辐射体（5）上部外表面设置有天线辐射贴片（6），所述天线罩（3）上部与圆锥形弹载结构体（1）外表面采取共面设计，所述天线罩（3）两个短边处开槽且开槽处设置有金属压块（7），所述金属压块（7）、天线罩（3）、天线馈电网络板（4）通过螺钉和屏蔽罩（2）一起固定于圆锥形弹载结构体（1）上。
2.根据权利要求1所述的一种小型化抗干扰天线阵列，其特征在于：所述圆台（1-1）的上台面半径为41.3mm、下台面半径为54.5mm，所述圆台（1-1）上台面和下台面之间的高度为55mm。
3.根据权利要求2所述的一种小型化抗干扰天线阵列，其特征在于：所述圆台（1-1）轴线的水平切线上半部分设置的3个有源天线阵子分别为第一有源天线阵子（8）、第二有源天线阵子（9）和第三有源天线阵子（10），所述第三有源天线阵子（10）放置于靠近圆台（1-1）上台面位置，所述第一有源天线阵子（8）和第二有源天线阵子（9）放置于靠近圆台（1-1）下台面位置，所述第一有源天线阵子（8）和第二有源天线阵子（9）的主辐射方向形成的角度在圆台（1-1）横截面上的投影成90°直角，所述第一有源天线阵子（8）和第二有源天线阵子（9）关于圆台（1-1）轴线对称放置。
4.根据权利要求3所述的一种小型化抗干扰天线阵列，其特征在于：所述圆台（1-1）轴线的水平切线下半部分设置的有源天线阵子为第四有源天线阵子（11），所述第四有源天线阵子（11）与第三有源天线阵子（10）上下对称放置，所述第四有源天线阵子（11）与第三有源天线阵子（10）的主辐射方向形成的角度在圆台（1-1）纵截面上的投影成29.2°。
5.根据权利要求1所述的一种小型化抗干扰天线阵列，其特征在于：所述天线馈电网络板（4）输入端的探针焊接在低噪放PCB板上预留的焊接孔位处。
6.根据权利要求1所述的一种小型化抗干扰天线阵列，其特征在于：所述天线辐射贴片（6）的四个边分别开槽，两组平行边上的开槽分别采取对称式开槽，互相垂直的两条边上的开槽采取非对称式开槽。
7.根据权利要求6所述的一种小型化抗干扰天线阵列，其特征在于：所述天线辐射贴片（6）上设置有多个馈针（12）且多个馈针（12）位于以天线辐射贴片（6）中心为圆心且半径相等的圆上，天线辐射贴片（6）中心和任意相邻两个馈针（12）位置扫过的扇形区域角度为90°，同时天线辐射贴片（6）中心和任一馈针（12）连线分别垂直于相对应的天线辐射贴片（6）的边。
8.根据权利要求7所述的一种小型化抗干扰天线阵列，其特征在于：所述天线馈电网络板（4）采用微带线设计的3dB电桥，输出端口的输出信号为幅度相等、相位相差90°的正交信号，并且通过馈针（12）将信号传输到天线辐射贴片（6），在天线辐射贴片（6）表面形成正交90°的等幅信号。
9.根据权利要求1所述的一种小型化抗干扰天线阵列，其特征在于：所述天线辐射体（5）介质的介电常数为22。
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