CN115732926B - 一种改进型宽带相控阵天线辐射器 - Google Patents

一种改进型宽带相控阵天线辐射器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改进型宽带相控阵天线辐射器，属于宽带阵列天线技术领域。该辐射器的维瓦尔第天线单元由辐射段、金属隔板、隔离栅、馈电巴伦和同轴接头组成，辐射段为具有一定厚度的对称脊结构，隔离栅与金属隔板连接。本发明天线可以有效的解决常规维瓦尔第天线组阵后天线间互耦导致有源驻波比变差的问题，展宽相控阵的工作带宽，同时其功率容量大，适用于大功率发射。本发明天线可以用作超宽带相控阵的天线单元，提高大功率发射效率。

Description

一种改进型宽带相控阵天线辐射器
技术领域
本发明涉及宽带阵列天线领域，具体涉及一种适用于大功率发射的改进型宽带相控阵天线辐射器计。
背景技术
对于超宽带相控阵天线来说，由于其需要具备扫描的特性，所以在阵列排布设计和天线单元设计之间就存在矛盾，矛盾来源于“栅瓣”和“阵元尺寸”，对于宽角扫描阵列来说，单元间距一般小于半波长。如果该阵列要求是超宽带的，若其频率带宽约达到5：1，则单元间距要小于高频对应的半波长，那么在低频段单元间距要小于低频对应的波长的十分之一，而单元尺寸不会大于单元间距，因此在这种情况下单元尺寸要小于低频波长的十分之一，由天线的原理可知，如此小的电尺寸下天线单元效率和性能是极差的。同时，在高频处由于单元间电距离较大所以耦合相对较低，而在低频段处由于单元间距离很小而使耦合很强，强耦合导致阵中天线单元的有源驻波比变差，天线阵效率降低，在大功率发射时效率低下，同时容易损坏后端功放。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种改进型宽带相控阵天线辐射器。其可以有效降低阵列单元间的耦合，改善阵中天线单元有源驻波比，提高天线阵效率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种改进型宽带相控阵天线辐射器，包括以阵列方式排布的多个维瓦尔第天线单元，所述维瓦尔第天线单元主要由辐射段1、金属隔板2、隔离栅3、馈电巴伦4和同轴接头组成；
所述两个金属隔板正对且并立设置；两金属隔板的正对面上均设有脊结构，且两脊结构位于同一竖直面上形成辐射段1；
所述隔离栅设有两组；每组隔离栅均包含两根平行金属条，两组隔离栅分别平行放置于脊结构两侧，且每一金属条的两端分别连接在两个金属隔板上；
所述馈电巴伦由倒置梯形金属腔和平板阻抗变换装置两部分组成，平板阻抗变换装置位于倒置梯形金属腔内，平板阻抗变换装置的上端与辐射段连接，下端与倒置梯形腔底部不接触并与同轴接头内导体相连。
进一步的，所述脊结构的边缘线为三段直线组成的折线。
进一步的，所述脊结构所在的竖直面垂直于金属隔板2。
进一步的，所述金属条垂直于金属隔板。
进一步的，所述平板阻抗变换装置上开有倾斜的梯形槽结构，梯形槽上端间距与辐射段底部末端的间距相同，梯形槽下端一侧与倒置梯形金属腔连接，梯形槽下端另一侧为3～5阶台阶结构。
进一步的，同轴接头位于倒置梯形金属腔外侧的底部，其为圆锥形阻抗变换结构，同轴内导体上端外径与下端外径比大于4.5:1；同轴外导体上端内径与下端内径比大于5:1。
本发明通过上述技术方案和现有技术相比具有如下有益效果：
本发明采用开有梯形槽结构的金属腔、金属隔板和隔离栅，完成阻抗匹配的同时改变了天线单元的边界条件，通过优化倒置梯形金属腔的高度、金属隔板的宽度、隔离栅的宽度和位置，控制天线单元的辐射特性和单元间的耦合效应，改善天线单元全频段内的有源驻波比，使得本发明天线单元适用于大功率超宽带相控阵。同时，本发明天线单元结构简单，易于工程实现。
最终设计表明，该天线辐射器用作阵中单元具有良好的超宽带特性，在2个倍频甚至更宽带宽内有源驻波比小于1.5，辐射效率高，能适用于大功率发射。
附图说明
图1为本发明天线的结构示意图；
图2为本发明天线结构侧视图；
图3为本发明天线结构俯视图；
图4为本发明天线倒置梯形金属腔结构俯视图；
图5为本发明天线的阵中驻波曲线；
图6为本发明天线组阵的阵列结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的说明。
参见图1、图2、图3、图4，一种改进型宽带相控阵天线辐射器，由全金属维瓦尔第天线单元按一定阵列方式排布组成，维瓦尔第天线单元由辐射段1，金属隔板2，隔离栅3，馈电巴伦4和同轴接头5组成。辐射段1为具有一定厚度的对称脊结构，脊形状为三段直线组成的折线。金属隔板2为平行金属板结构，放置于脊结构外侧两侧。隔离栅3为两组包含两根平行金属条的金属结构，平行放置于脊结构两侧，与金属隔板连接。馈电巴伦4由包括倒置梯形金属腔和平板阻抗变换装置6两部分组成，平板阻抗变换装置放置于倒置梯形金属腔内，上端与辐射段连接，下端与金属腔底部有一定距离，与同轴接头内导体相连。平板阻抗变换装置为一金属平板，其上开有倾斜的梯形槽结构，梯形槽上端间距与辐射段下端间距相同，梯形槽下端一侧与金属腔连接、另一侧为3～5阶台阶结构。同轴接头5为圆锥形阻抗变换结构，同轴内导体7上端外径与下端外径比大于4.5:1。同轴外导体8上端内径与下端内径大于5:1。
本发明性能如下：
图5为本发明实施例的实测阵中驻波曲线，从图中可以看出全频段内有源驻波比均小于1.5，辐射效率很高，同时反射功率小，非常适用于大功率发射。
图6为本发明实施例中天线组阵的阵列结构图，从图中可以看出本发明实施例易于组阵，非常适用于相控阵天线阵列。
本发明工作原理：
本发明改进型宽带相控阵天线辐射器通过由三段直线组成的折线状的对称脊结构辐射电磁波。电磁波信号从底部同轴连接器馈入，经过平板阻抗变换装置和倒置梯形金属腔完成阻抗变换，然后经过金属平板上的梯形槽过渡段到达辐射段将电磁波辐射到空间中。倒置梯形金属腔可以有效减少馈电端电磁波向外的辐射，减小天线单元间互耦。金属隔板可以有效的抑制E面电流，减小E面天线单元间的互耦。隔离栅可以有效的抑制H面电流，减小H面天线单元间的互耦。通过优化金属腔的高度、金属隔板的宽度、隔离栅的宽度和位置，可以既保证天线单元的辐射特性，又能有效的控制单元间的耦合效应，进而改善天线单元的有源驻波比。
以上所述仅是本发明的一个实施例。应当指出，在不脱离本发明原理和构思的前提下，所做的修改、变化等，均应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种改进型宽带相控阵天线辐射器，包括以阵列方式排布的多个维瓦尔第天线单元，其特征在于，所述维瓦尔第天线单元包括辐射段（1）、金属隔板（2）、隔离栅（3）、馈电巴伦（4）和同轴接头；
所述两个金属隔板正对且并立设置；两金属隔板的正对面上均设有脊结构，且两脊结构位于同一竖直面上形成辐射段（1）；
所述隔离栅设有两组；每组隔离栅均包含两根平行金属条，两组隔离栅分别平行放置于脊结构两侧，且每一金属条的两端分别连接在两个金属隔板上；
所述馈电巴伦由倒置梯形金属腔和平板阻抗变换装置两部分组成，平板阻抗变换装置位于倒置梯形金属腔内，平板阻抗变换装置的上端与辐射段连接，下端与倒置梯形金属腔底部不接触并与同轴接头内导体相连。
2.根据权利要求1所述的一种改进型宽带相控阵天线辐射器，其特征在于，所述脊结构的边缘线为三段直线组成的折线。
3.根据权利要求1所述的一种改进型宽带相控阵天线辐射器，其特征在于，所述脊结构所在的竖直面垂直于金属隔板（2）。
4.根据权利要求1所述的一种改进型宽带相控阵天线辐射器，其特征在于，所述金属条垂直于金属隔板。
5.根据权利要求1所述的一种改进型宽带相控阵天线辐射器，其特征在于，所述平板阻抗变换装置上开有倾斜的梯形槽结构，梯形槽上端间距与辐射段底部末端的间距相同，梯形槽下端一侧与倒置梯形金属腔连接，梯形槽下端另一侧为3～5阶台阶结构。
6.根据权利要求1所述的一种改进型宽带相控阵天线辐射器，其特征在于，同轴接头位于倒置梯形金属腔外侧的底部，同轴接头为圆锥形阻抗变换结构，同轴内导体上端外径与下端外径比大于4.5:1；同轴外导体上端内径与下端内径比大于5:1。
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