CN202633520U - 一种全向多极化星载雷达天线 - Google Patents

Abstract

一种全向多极化星载雷达天线，包括对称振子天线(1)、单极子天线(2)、T型绝缘支架(3)、展开铰链(4)和根部展开铰链(5)；对称阵子天线(1)采用螺旋弹簧单元，与单极子天线(2)之间通过T型绝缘支架(3)连接固定，T型绝缘支架(3)为中空设计，其中空部分用于安装对称振子天线(1)的宽带匹配网络，该宽带匹配网络与对称振子天线(1)之间用短导线连接，宽带匹配网络的出口为TNC型连接器；单极子天线(2)采用折叠支杆结构，折叠支杆采用中空管，管内的馈电电缆上端连接TNC型连接器，馈电电缆的下端连接单极子天线的宽带匹配网络，单极子天线(2)底部与卫星平台之间通过根部展开铰链(5)连接，根部展开铰链(5)与卫星平台之间加绝缘垫块。

Description

一种全向多极化星载雷达天线

技术领域

本发明涉及一种紧凑型多极化星载雷达天线，特别是涉及偶极子天线与单极子天线的T型组合应用，支撑杆兼作单极子天线的使用方式，偶极子天线的螺旋弹簧展开方式，天线的折叠展开方式，属于天线技术领域。

背景技术

由于冰水与岩石土壤的介电常数明显不同，因此雷达波在其分界面上有明显的反射。识别这一反射是雷达探测星体分层结构的主要依据。

星体表层土壤和岩石是由硅酸盐、赤铁矿、钛铁矿等的金属含量的氧化物组成的混合物，为低损耗介质，电磁波在其中的穿透深度写为

$d_0=\frac{3\×{10}^8(m/s)}{\mathrm{\πf}\left(\mathrm{Hz}\right)}\frac{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r^{\′}}}{\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_r^{\′\′}}=\frac{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r^{\′}}}{\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_r^{\′\′}}\mathrm{\λ}=\frac{1}{\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r^{\′}}\tan \mathrm{\δ}}\text{\λ}$

其中ε′_r和ε″_r分别为星体土壤相对介电常数的实部和虚部，λ为真空中的入射波波长。

假设某星体表面土壤物质成份分别是安山石(Andesite)和玄武岩(Basalt)，其中安山石介电常数ε_r＝3.5，tanδ＝(ε″_r/ε′_r)＝0.005，玄武岩ε_r＝7.1，tanδ＝0.014。(对于50MHz，探测深度为50～200m；对20MHz，探测深度为120～500m。如果是冰水，则对应可到1km，假定冰水介电常数为1；在地球上，水的介电常数常选80。)

对于星体浅表层探测，频率越低，穿透深度越大，因此为了保证足够的穿透深度，星体浅表层探测一般选用较低的工作频率，频率太低时，星体表面和次表面将视为平坦面。相同极化(HH，VV)和交叉极化(HV，VH)的信息相比，可以显著增加雷达图像信息，因此多极化工作是SAR卫星的重要发展方向。

目前，对地观测的星载SAR天线的主要工作频段集中在L、S、C及X波段，在深空探测中，由于如上所说的频率与穿透深度的关系，所以HF频段作为兼顾电气与结构性能的最优工作频段，越来越受到人们的重视。

目前，欧空局火星快车的亚表面电离层先进雷达(MARSIS)，采用的工作频率选择在1～5MHz，这是建立在火星尘土、表面结构和电离层的研究基础上进行的；NASA火星侦察轨道器搭载的浅表层探测雷达(SHARAD)，系统工作于20MHz的载频上，采用CHIRP信号，带宽10MHz以获得高达15m的自由空间距离分辨力；为了提高强表面回波中亚表面弱回波信号的检测能力，采用了低距离压缩旁瓣技术(第6旁瓣＜-55dBc)，天线采用10m长的可折叠对称阵子天线。

螺旋弹簧是在与金属带轴线成一定角度的方向施加预加应力，通过交叠材料间的摩擦力及材料本身的特性实现天线的展开，并使展开后的天线具有一定的保持刚度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种紧凑型轻量化的能够满足星载环境安装及使用的HF频段多极化天线。

本发明的技术解决方案是：一种全向多极化星载雷达天线，包括对称振子天线、单极子天线、T型绝缘支架、展开铰链和根部展开铰链；

对称阵子天线采用螺旋弹簧单元，与单极子天线之间通过T型绝缘支架连接固定，T型绝缘支架为中空设计，其中空部分用于安装对称振子天线的宽带匹配网络，该宽带匹配网络与对称振子天线之间用短导线连接，宽带匹配网络的出口为TNC型连接器；单极子天线采用折叠支杆结构，折叠支杆采用中空管，管内的馈电电缆上端连接TNC型连接器，馈电电缆的下端连接单极子天线的宽带匹配网络，单极子天线底部与卫星平台之间通过根部展开铰链连接，根部展开铰链与卫星平台之间加绝缘垫块。

所述的单极子天线由3节辐射体组成，3节辐射体之间通过展开铰链连接。

所述的螺旋弹簧单元材料为铍青铜。

所述的折叠支杆为铝材表面镀银。

所述的绝缘垫块为聚四氟乙烯材料。

所述的根部展开铰链为铝材表面镀银。

所述的展开铰链为铝材表面镀银。

本发明的原理是：振子(包括对称阵子及单极子)天线是一种最易实现的线极化天线，是天线的最简单形式；在沿振子的径向形成等幅度的全向辐射场，在沿振子的轴线方向形成辐射0场。在其底部加反射地板可以实现侧向辐射，应用的频段范围很广，既可以作为独立天线，也可以作为反射器的初级馈源使用，还可以作为阵列天线的辐射单元。

本发明对传统的振子天线组阵方式进行改造，改变振子天线的组合形式形成特定的辐射场分布，并提出一种新型的振子天线展开方式。本发明通过对称振子天线与单极子天线的T型连接方式，减小了卫星壳体对天线辐射场的影响；并且偶极子天线与单极子天线的垂直放置，在空间上可以形成极化正交的两个辐射场，其组合使用便构成了一种多极化的雷达天线。

具体设计思路如下：在HF频段波长范围为10～100米，该频段范围的天线尺寸均比较大，为了适应星载的安装环境，天线必须具有较小的收拢尺寸。为此振子天线作为一种具有结构简单、性能稳定等优势的天线形式，成为最佳的天线选择形式。

设计要求天线能在空间产生极化正交的两种辐射电场，当选用振子天线作为辐射天线时，其可选的组合方式有如下三种：第一，两幅对称天线垂直放置；第二，两幅单极子天线垂直放置；第三，一幅对称振子天线与一幅单极子天线组合垂直放置。第一种方式，由于结构尺寸大、重量大而不能作为优选方案；第二种方式，虽然结构最为简单，重量也是最轻，但是由于将两幅单极子天线安装于卫星的两个正交面上时，在两幅天线同时工作时，就产生了两幅天线共地的相互影响，从而对天线的辐射场分布产生较大影响，不能满足系统的使用要求；第三种方式，整体重量与结构复杂度介于以上二者之间，但是可以完全满足系统的使用要求，通过仿真比较，最终成为获选方案。对于第三种方式的具体实施又存在两种实施方案“

”型及“T”型。在所要求的15～25MHz的工作范围内，能获得较佳辐射性能的对称振子天线的长度为7.5米，单极子天线的长度为4.2米。而卫星平台的尺寸约为2米×2米×2米。当采用“

”型结构时，卫星平台对对称振子天线的辐射性能的影响较大；采用“T”型结构时，由于单极子天线将对称振子天线支出了星体4.2米的高度，卫星星体对对称振子天线的影响可以忽略，故最终选用“T”型结构作为实施方案。

要求天线能够在15～25MHz的范围内获得指定的性能，而振子天线属于谐振性质的天线类型，难以在宽的频带范围内获得良好的匹配性能。为了能在指定的频带范围内获得较好的匹配性能，对称振子天线及单极子天线必须外接宽带匹配网络。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明通过对传统HF频段振子天线的组合使用方式进行改造，采用单极子天线与对称振子天线“T”组合方式，在空间产生两个独立的极化正交电场，并且由于“T”型结构的垂直方式方式，有效的减少了两幅天线之间的耦合，提高了极化隔离度；采用“T”型结构将对称振子天线支出星体一定的距离减小了星体对对称振子天线辐射性能的影响。

(2)本发明将螺旋弹簧展开结构引入到对称振子天线的展开方式中，有效的简化了对称振子天线的展开方式，减轻了天线整体的重量。

(3)本发明结构不仅可以用于作为HF频段多极化天线的设计，也可以用于频率较高的UHF频段或低于HF频段的其他频段等需要轻量化的多极化天线的设计。

(4)本发明原理简单，设计容易，具有应用方便、性能优良、结构紧凑等实用优点，回避了传统HF频段天线尺寸大的不利方面，具有相对小的收拢体积，适合星载的安装条件；所应用的基本技术较为成熟、便于工程化应用等特点，具有很强的竞争力。

附图说明

图1为本发明天线收拢状态结构示意图；

图2为本发明天线展开状态结构示意图；

图3为本发明对称振子天线展开局部放大图(含T型绝缘支架)；

图4为本发明对称振子天线中心频率辐射方向图仿真结果；

图5为本发明单极子天线中心频率辐射方向图仿真结果；

图6为本发明对称振子天线驻波比加匹配网络前后的对比；

图7为本发明单极子天线驻波比加匹配网络前后的对比；

具体实施方式

本发明结构不仅可以用于作为HF频段多极化天线的设计，也可以用于频率较高的UHF频段或低于HF频段的其他频段等需要轻量化的多极化天线的设计。下面以HF频段多极化天线的设计为例对本发明进行详细说明。

如图2、3所示，一种HF频段全向多极化星载雷达天线，由对称振子天线1、单极子天线2、T型绝缘支架3、展开铰链4和根部展开铰链5组成。

对称阵子天线1采用的是螺旋弹簧单元，与单极子天线2之间通过T型绝缘支架3连接固定，T型绝缘支架3通过加绝缘垫片实现结构的绝缘，中间为空腔设计，其中空部分用于安装对称振子天线1的宽带匹配网络，该匹配网络与对称振子天线之间用短导线连接，匹配网络的出口为TNC型连接器；为了减小收拢尺寸，单极子天线采用3节折叠支杆设计，即单极子天线2由3节辐射体组成，3节辐射体之间通过展开铰链4连接，其最顶端的一节与T型绝缘支架3连接，折叠支杆采用中空管设计，管内用于穿接对称振子天线的馈电电缆，即馈电电缆与上述TNC型连接器；单极子天线2底端的一节与星体通过铰链连接，铰链与星体间采用绝缘垫块隔离，并预留单极子天线宽带匹配网络的安装位置。

为使系统能够在给定的频带内功率传输最大，信号源和负载之间设计安装了一个耦合网络，称为宽带匹配网络。通常这样的网络由集总参数元件，如电容，电感和阻抗变换器等组成。

展开铰链为目前天线领域常用结构，不进行详细说明。

对称振子天线1的安装平行于地面，所以对称振子天线1的径向方向即星下点地面方向产生最强的辐射场，对称振子天线1的轴向将产生辐射0点；单极子天线2的安装垂直于星下点方向的地面，所以单极子天线2的轴向即星下点方向将产生辐射0点，单极子天线2的径向方向将产生最强辐射场。在除去两个0点方向的其他空域中将存在两个正交的辐射场分量。

上述部件的材料：螺旋弹簧单元材料为铍青铜。折叠支杆为铝材表面镀银。根部展开铰链5、展开铰链4为铝材表面镀银。用于绝缘的绝缘垫块或者绝缘垫片为聚四氟乙烯材料。

本发明的对称振子天线满足规定频率要求的对称振子天线长度的选取7.3米。在所要求的工作频带范围内，满足要求的单极子天线长度为4.2米，又要求天线的收拢长度小于1.5米，故将单极子天线分为3节，每节的长度为1.4米含展开铰链部分的尺寸。

收拢时的状态如图1所示，需要说明的是，对称振子天线1采用螺旋弹簧展开结构，初始通过包带锁紧，待单极子天线展开到位后，包带接收解锁指令解锁，对称阵子天线借助于收拢时的弹性势能及交叠材料间的摩擦力实现对称阵子天线的展开。

本发明的天线辐射性能设计结果见图4、图5，天线的驻波比在增加宽带匹配网络前后的对比见图6、图7。其中，图4为对称振子天线中心频率辐射方向图仿真结果；图5为单极子天线中心频率辐射方向图仿真结果。图6为对称振子天线驻波比在匹配前后的比较结果；图7为单极子天线驻波比在匹配前后的比较结果。

可以看到，两幅天线中心频率增益仿真结果均大于2dB，零点的深度均大于25dB。引入宽带匹配网络以后，在整个工作频带范围内，即50％的相对工作带宽内，电压驻波比小于3，达到了可工程应该的水平。整个天线在收拢以后的尺寸为1.4m，可以很好的适应卫星平台的安装。

本发明非常好地解决了HF频段多极化雷达天线在星载领域的小型化与轻量化问题，创造性地采用了螺旋弹簧展开方式进行对称振子天线的结构设计，有效地减少了天线的展开难度，减轻了天线的整体重量，最终整个天线的电气性能优良并且具有收拢体积小、重量轻的结构性能，使得HF频段的多极化天线星载成为可能。

本发明是一种很实用的轻量化、小型化HF频段多极化天线，可以广泛应用到对收拢尺寸要求较高的各种场合，该天线基于自身方案特点，具有原理简单和性能优良等应用特点，且其体积小便于在星上安装，在适用于深空探测的多极化天线中，具有很强的实用性和市场竞争力。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种全向多极化星载雷达天线，其特征在于：包括对称振子天线(1)、单极子天线(2)、T型绝缘支架(3)、展开铰链(4)和根部展开铰链(5)；

对称阵子天线(1)采用螺旋弹簧单元，与单极子天线(2)之间通过T型绝缘支架(3)连接固定，T型绝缘支架(3)为中空设计，其中空部分用于安装对称振子天线(1)的宽带匹配网络，该宽带匹配网络与对称振子天线(1)之间用短导线连接，宽带匹配网络的出口为TNC型连接器；单极子天线(2)采用折叠支杆结构，折叠支杆采用中空管，管内的馈电电缆上端连接TNC型连接器，馈电电缆的下端连接单极子天线的宽带匹配网络，单极子天线(2)底部与卫星平台之间通过根部展开铰链(5)连接，根部展开铰链(5)与卫星平台之间加绝缘垫块。

2.根据权利要求1所述的一种全向多极化星载雷达天线，其特征在于：所述的单极子天线(2)由3节辐射体组成，3节辐射体之间通过展开铰链(4)连接。

3.根据权利要求1所述的一种全向多极化星载雷达天线，其特征在于：所述的螺旋弹簧单元材料为铍青铜。

4.根据权利要求1所述的一种全向多极化星载雷达天线，其特征在于：所述的折叠支杆为铝材表面镀银。

5.根据权利要求1所述的一种全向多极化星载雷达天线，其特征在于：所述的绝缘垫块为聚四氟乙烯材料。

6.根据权利要求1所述的一种全向多极化星载雷达天线，其特征在于：所述的根部展开铰链(5)为铝材表面镀银。

7.根据权利要求2所述的一种全向多极化星载雷达天线，其特征在于：所述的展开铰链(4)为铝材表面镀银。

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