CN114566811B - 一种模块化可拼接高环境适应性天线子阵 - Google Patents

一种模块化可拼接高环境适应性天线子阵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模块化可拼接高环境适应性天线子阵，属于天线技术领域；所述天线子阵包括多个天线单元、反射网、天线骨架，所述反射网设置在所述天线单元与所述天线骨架之间。本发明采用独立式阵元组装方式，可根据不同需求对天线单元进行设计和替换实现不同阵列性能；采用带孔反射网，大大提高了大型平面阵列天线对雨雪环境的适应性；整体上具有可拼接和可扩充特性，便于天线阵面问题阵元的检测和维修，以及子阵面更换和阵地移动；可独立工作，独立工作时可实现两维±60°扫描不出现栅瓣，天线单元的有源驻波小于3。

Description

一种模块化可拼接高环境适应性天线子阵
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种模块化可拼接高环境适应性天线子阵。
背景技术
在射电天文学发展过程中，国际上多采用反射面天线，为获得高增益特性，采用大功率发射机和大口径天线。当反射面天线口径面较大时，波束扫描不够灵活且存在机械磨损。国内建设的FAST射电望远镜可实现高增益，天线阵列工作时阵面结构和平面阵列略有不同。平面相控阵天线阵面结构固定，具有高可靠性，适用于大型室外雷达，比反射面雷达具有更大的应用空间。在地面大型相控阵雷达方面，国际上以美俄弹道导弹防御系统的骨干装备为代表，美国先后研制了以AN/FPS-85、SN/FPS-108、AN/FPS-115铺路爪、GBR-P、XBR为代表的固定站式大型相控阵雷达。俄罗斯先后部署了以沃罗涅日-M、沃罗涅日-M(增强型)、沃罗涅日-DM等为代表的米波段或分米波段大型相控阵雷达。
另外，在非相干散射雷达领域，此前的雷达形式多为反射面，近年来国际上发展了基于相控阵体制的新型非相干散射雷达，最典型的是美国先进模块化非相干散射雷达(AMISR)和最先进的是欧洲的非相干散射雷达(EISCAT_3D)，EISCAT_3D属于多基地(一发五收)相控阵雷达系统，主要分布在北欧的挪威、瑞典和芬兰。正是由于他们独特的地理位置，EISCAT非相干散射雷达是研究极区空间环境的最有效手段之一。
上述情形对大型平面相控阵雷达均有重要需求，这些大型阵列天线为一体化骨架结构，经常面临移动性、维修性、环境适应性等问题。为此，提出一种模块化可拼接高环境适应性天线子阵。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何实现在严酷环境下大型平面阵列天线的高精度可拼接、可拆卸需求，提供了一种模块化可拼接高环境适应性天线子阵。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括一种天线子阵T0；所述天线子阵包括多个天线单元、反射网、天线骨架，所述反射网设置在所述天线单元与所述天线骨架之间，所述天线骨架与天线子阵下方支撑结构连接。
更进一步地，所述天线子阵形状为可拼接多边形，可拼接多边形为正六边形，正六边形的六个顶点的编号分别为A0～F0。
更进一步地，所述天线单元形式为金属对称振子，所述天线单元与所述反射网之间设置有金属底座，所述天线单元与所述反射网通过所述金属底座可拆卸连接，单元按三角栅格排布，水平方向间距为dx，垂直方向间距为dy，在两维±60°扫描时有源驻波小于3。
更进一步地，所述反射网上设置有多个用于提高抗雨雪能力的通孔。
更进一步地，所述通孔为规则形状，规则形状为圆形、正方形、正六边形中任一种，形状的选择与入射波的极化相关，当入射波包含多个极化时，优先考虑采用中心对称形状的通孔以保证不同极化波穿过反射网的透射特性；当需要屏蔽特定极化的入射波时，选择特定形状的通孔使通孔在极化方向上的尺寸较小。
更进一步地，所述通孔与相邻通孔之间形成格栅，格栅厚度和相邻格栅间距决定反射网透波性能及电磁屏蔽性能。格栅厚度越厚，相邻格栅间距越小，穿过反射网的电磁能量衰减越大，透波性能越差，对反射网下方器件的屏蔽性能越好。
更进一步地，所述天线子阵拼接时每个顶点与另外两个天线子阵(T1和T2)相邻，假设天线子阵T1六个顶点的编号分别为A1～F1，天线子阵T2六个顶点的编号分别为A2～F2；相邻顶点的组合为：A0-C1-E2、B0-D1-F2、C0-E1-A2、D0-F1-B2、E0-A1-C2、F0-B1-D2；每个组合中的三个顶点水平错位0.5*dx，垂直方向错位0.5*dy，形成一个等边三角形。顶点错位是为了使天线子阵边缘处的单元间距仍保持为水平方向相距dx，垂直方向相距dy。
本发明相比现有技术具有以下优点：该模块化可拼接高环境适应性天线子阵，采用独立式阵元组装方式，可根据不同需求对天线单元进行设计和替换实现不同阵列性能；采用带孔反射网，大大提高了大型平面阵列天线对雨雪环境的适应性；整体上具有可拼接和可扩充特性，便于天线阵面问题阵元的检测和维修，以及子阵面更换和阵地移动；可独立工作，独立工作时可实现两维±60°扫描不出现栅瓣，单元的有源驻波小于3，值得被推广使用。
附图说明
图1是本发明实施例二中模块化可拼接高环境适应性天线子阵的整体结构示意图；
图2是本发明实施例二中模块化可拼接高环境适应性天线子阵的俯视结构示意图；
图3是本发明实施例二中模块化可拼接高环境适应性天线子阵的拼接示意图；
图4是本发明实施例二中天线子阵方位扫描60°时电压驻波比示意图；
图5是本发明实施例二中天线子阵在350MHz频点上法向状态下的方位面方向图；
图6是本发明实施例二中天线子阵在350MHz频点上法向状态下的俯仰面方向图；
图7是本发明实施例二中天线子阵在350MHz频点上的方位扫描60°状态下的方位面方向图；
图8是本发明实施例二中天线子阵在350MHz频点上的俯仰扫描60°状态下的俯仰面方向图。
图1～2中：1、天线子阵；11、天线单元；12、反射网；13、天线骨架。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
本实施例提供一种技术方案：一种模块化可拼接高环境适应性天线子阵，包括一种天线子阵T0；所述天线子阵包括多个天线单元、反射网、天线骨架，所述反射网设置在所述天线单元与所述天线骨架之间，所述天线骨架与天线子阵下方支撑结构连接。
在本实施例中，所述天线子阵形状为可拼接多边形，可拼接多边形为正六边形，正六边形的六个顶点的编号分别为A0～F0。
在本实施例中，所述天线单元形式为金属对称振子，所述天线单元与所述反射网之间设置有金属底座，所述天线单元与所述反射网通过所述金属底座可拆卸连接，单元按三角栅格排布，水平方向间距为dx，垂直方向间距为dy，在两维±60°扫描时有源驻波小于3。
在本实施例中，所述反射网上设置有多个用于提高抗雨雪能力的通孔。
在本实施例中，所述通孔为规则形状，规则形状为圆形、正方形、正六边形中任一种，形状的选择与入射波的极化相关，当入射波包含多个极化时，优先考虑采用中心对称形状的通孔以保证不同极化波穿过反射网的透射特性；当需要屏蔽特定极化的入射波时，选择特定形状的通孔使通孔在极化方向上的尺寸较小。
在本实施例中，所述通孔与相邻通孔之间形成格栅，格栅厚度和相邻格栅间距决定反射网透波性能及电磁屏蔽性能。格栅厚度越厚，相邻格栅间距越小，穿过反射网的电磁能量衰减越大，透波性能越差，对反射网下方器件的屏蔽性能越好。
在本实施例中，所述天线子阵拼接时每个顶点与另外两个天线子阵(T1和T2)相邻，假设天线子阵T1六个顶点的编号分别为A1～F1，天线子阵T2六个顶点的编号分别为A2～F2；相邻顶点的组合为：A0-C1-E2、B0-D1-F2、C0-E1-A2、D0-F1-B2、E0-A1-C2、F0-B1-D2；每个组合中的三个顶点水平错位0.5*dx，垂直方向错位0.5*dy，形成一个等边三角形。顶点错位是为了使天线子阵边缘处的单元间距仍保持为水平方向相距dx，垂直方向相距dy。
实施例二
如图1所示，本实施例提供一种技术方案：一种模块化可拼接高环境适应性天线子阵，天线子阵1包括天线单元11、反射网12和天线骨架13；
天线单元11位于反射网12的上方，用于辐射和接收电磁波；天线单元11的个数为91个，共排列成11行，整体外形呈正六边形，正六边形的六个顶点的编号分别为A0～F0；
反射网12位于天线单元11与天线骨架13之间，用于提高天线阵列增益以及起到支撑、固定天线单元11的作用；反射网12外形为正六边形；
天线单元11形式为金属对称振子，天线单元11与反射网12之间设置有金属底座，天线单元11与反射网12通过金属底座可拆卸连接，天线单元11按三角栅格排布，水平方向间距为dx，垂直方向间距为dy，在两维±60°扫描时有源驻波小于3。
反射网12上设置有多个用于提高抗雨雪能力的通孔，通孔为规则形状，规则形状为圆形、正方形、正六边形中任一种，形状的选择与入射波的极化相关，当入射波包含多个极化时，优先考虑采用中心对称形状的通孔以保证不同极化波穿过反射网的透射特性；当需要屏蔽特定极化的入射波时，选择特定形状的通孔使通孔在极化方向上的尺寸较小。
所述通孔与相邻通孔之间形成格栅，格栅厚度和相邻格栅间距决定反射网透波性能及电磁屏蔽性能。格栅厚度越厚，相邻格栅间距越小，穿过反射网的电磁能量衰减越大，透波性能越差，对反射网下方器件的屏蔽性能越好。
天线子阵1拼接时每个顶点与另外两个天线子阵(T1和T2)相邻，假设天线子阵T1六个顶点的编号分别为A1～F1，天线子阵T2六个顶点的编号分别为A2～F2；相邻顶点的组合为：A0-C1-E2、B0-D1-F2、C0-E1-A2、D0-F1-B2、E0-A1-C2、F0-B1-D2；每个组合中的三个顶点水平错位0.5*dx，垂直方向错位0.5*dy，形成一个等边三角形。顶点错位是为了使天线子阵边缘处的单元间距仍保持为水平方向相距dx，垂直方向相距dy。
图2为模块化可拼接高环境适应性天线子阵的俯视图。图3为模块化可拼接高环境适应性天线子阵拼接示意图。
天线子阵面1的工作频率为300MHz～400MHz，极化方式为水平极化，天线单元11呈三角形栅格排布，天线单元11间距分别为Dx和Dy，取值分别为690mm和600mm，天线子阵1可以根据实际需要进行扩展，通过增加天线子阵1扩大天线阵面面积，将扩展阵面按上述顶点拼接规律拼接起来形成一个新的阵面。
天线单元11包括两个伞状圆柱形金属臂，伞状设计可展宽天线单元11的波束宽度，进而提高天线阵面的扫描范围和保证天线阵面大角度扫描时增益下降较小，金属臂长为240mm，直径为40mm；天线单元11高为347mm，通过馈电巴伦进行馈电。反射网12上所挖圆孔呈矩形排布，圆孔直径为50mm，相邻圆孔间距为100mm，反射网12厚度为20mm。天线骨架13位于反射网12下方，由多根金属条组成。
天线子阵的拼接过程为：天线子阵1拼接前需准备金属连接片及相关调平装置，金属连接片为矩形，用于实现相邻天线子阵的电连接；拼接前需保证待拼接区域的地面具有一定硬度以保证天线子阵放置后不会下陷。拼接时将待拼接天线子阵1调整至与相邻天线子阵姿势一致，此时相邻天线子阵天线单元11的放置姿态完全一致。六边形拼接按上述拼接方式进行。确定待拼接天线子阵的放置姿态与位置后，接着在相邻子阵综合体的接缝处焊接金属连接片，实现相邻天线子阵的电连接。
如图4所示，在300MHz～400MHz范围内天线子阵面方位扫描60°时电压驻波比均小于3，实现了低回波损耗的宽角扫描过程。
图5和图6分别为天线子阵面在350MHz频点上法向状态下的方位面和俯仰面方向图；图7和图8分别为天线子阵面在350MHz频点上的方位扫描60°状态下的方位面和俯仰面方向图。由图5～图8可得，天线子阵面可实现方位60°的宽角扫描。
综上所述，本实施例的模块化可拼接高环境适应性天线子阵，采用反射网，大大提高了大型平面阵列天线对雨雪环境的适应性；整体上具有可拼接和可扩充特性，便于天线阵面问题阵元的检测和维修，以及天线子阵更换和阵地移动。该天线子阵可独立工作，独立工作时可实现两维±60°扫描不出现栅瓣，天线单元的有源驻波小于3，值得被推广使用。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种模块化可拼接高环境适应性天线子阵，其特征在于：所述天线子阵包括多个天线单元、反射网、天线骨架，所述反射网设置在所述天线单元与所述天线骨架之间，所述天线骨架与天线子阵下方支撑结构连接；
所述天线子阵形状为可拼接多边形，可拼接多边形为正六边形，正六边形的六个顶点的编号分别为A0~F0；
所述天线单元形式为金属对称振子，所述天线单元与所述反射网之间设置有金属底座，所述天线单元与所述反射网通过所述金属底座可拆卸连接，单元按三角栅格排布，水平方向间距为dx，垂直方向间距为dy，在两维±60°扫描时有源驻波小于3；
所述天线子阵拼接时每个顶点与另外两个天线子阵T1、T2相邻，假设天线子阵T1六个顶点的编号分别为A1~F1，天线子阵T2六个顶点的编号分别为A2~F2；相邻顶点的组合为：A0-C1-E2、B0-D1-F2、C0-E1-A2、D0-F1-B2、E0-A1-C2、F0-B1-D2；每个组合中的三个顶点水平错位0.5*dx，垂直方向错位0.5*dy，形成一个等边三角形；
天线单元包括两个伞状圆柱形金属臂，伞状设计能够展宽天线单元的波束宽度，进而提高天线阵面的扫描范围和保证天线阵面大角度扫描时增益下降较小；反射网上所挖的通孔呈矩形排布；天线骨架位于反射网下方，由多根金属条组成。
2.根据权利要求1所述的一种模块化可拼接高环境适应性天线子阵，其特征在于：所述反射网上设置有多个用于提高抗雨雪能力的通孔。
3.根据权利要求2所述的一种模块化可拼接高环境适应性天线子阵，其特征在于：所述通孔为规则形状，规则形状为圆形、正方形、正六边形中任一种。
4.根据权利要求3所述的一种模块化可拼接高环境适应性天线子阵，其特征在于：所述通孔与相邻通孔之间形成格栅。
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