CN208045702U - 一种正交合成斜极化有源相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种正交合成斜极化有源相控阵天线，包括：M*N个有源天线单元、多个虚天线单元和包括M*N个端口的馈电网络；M*N个有源天线单元中每个有源天线单元均包括：两个正交的Vivaldi天线和一分二功率分配器，每个一分二功率分配器的输入端口连接馈电网络的一个端口，M*N个有源天线单元中相邻两个Vivaldi天线之间通过单个金属栅条连接；多个虚天线单元中每个虚天线单元包括：两个正交的Vivaldi天线，多个虚天线单元中相邻两个Vivaldi天线之间通过正交双金属栅条连接。本实用新型的有益效果是：工作频带宽达4个倍频，波束扫描角度较宽，天线单元有源驻波低，可承受200W连续波功率，天线口径辐射效率高，天线辐射方向图及极化方向在全频段、全波束范围内变化较小。

Description

一种正交合成斜极化有源相控阵天线

技术领域

本实用新型涉及电子对抗技术领域，特别涉及一种正交合成斜极化有源相控阵天线。

背景技术

由于现代高新技术的飞速发展，现代战争条件下电磁信号环境日趋复杂。现有常用技术中的单输出端口天线系统或单波束系统由于存在等效辐射功率低、波束机械扫描的扫描速度慢、波束覆盖范围窄等诸多缺点，已不满足现代战争对于电子对抗装备的要求。为适应现代电子战条件的变化，提高电子干扰装备的作用距离与实现对不同方位雷达辐射源的实时干扰，可采用有源相控阵天线。有源相控阵天线具有有效辐射功率高、波束扫描速度快(电子扫描技术)、波束形成方式灵活、系统可靠性高等特点，在电子对抗领域具有重要的应用价值。电子干扰装备的有源相控阵天线比较特殊，设计难度非常大，具体如下:

1、天线工作带宽

电子干扰装备工作带宽至少要大于倍频程，而相控阵天线工作带宽很窄，一般不会超过一个倍频。因为相控阵天线单元间距受波束扫描角度限制，特别是宽角度扫描天线，单元间距一般小于最高工作频率的，对于宽带相控阵天线(4倍频)，单元间距是最低工作频率的，单元间距电长度非常小，单元间互耦很强，使单元输入阻抗恶化严重(导致有源相控阵天线单元后端的功率放大器烧毁或失效)，天线辐射方向图发生变化，天线极化特性变坏等。因此4倍频宽带相控阵天线设计难度大，且没有装备使用。

2、天线45°线极化

相控阵天线的极化方式由天线单元决定，天线单元一般选用线极化单元，为了实现45°线极化，天线单元需在阵列中45°方向放置，同时其他电性能指标也要满足要求。因为单元间距小，这使天线单元的设计难度很大。

实用新型内容

本实用新型提供了一种正交合成斜极化有源相控阵天线，解决了现有技术的技术问题。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

一种正交合成斜极化有源相控阵天线，包括：M*N个有源天线单元、多个虚天线单元和包括M*N个端口的馈电网络；所述M*N个有源天线单元为均匀排列的矩形阵列，其中，M和N为正整数；所述M*N个有源天线单元中每个有源天线单元均包括：两个正交的Vivaldi天线和一分二功率分配器，每两个正交的Vivaldi天线的端口分别连接一个一分二功率分配器的两个输出端口，每个一分二功率分配器的输入端口连接所述馈电网络的一个端口，所述M*N个有源天线单元中相邻两个Vivaldi天线之间通过单个金属栅条连接；所述多个虚天线单元均匀排列在所述矩形阵列周围，所述多个虚天线单元中每个虚天线单元包括：两个正交的Vivaldi天线，所述多个虚天线单元中相邻两个Vivaldi天线之间通过正交双金属栅条连接。

本实用新型的有益效果是：工作频带宽达4个倍频，波束扫描角度较宽，天线单元有源驻波低，可承受200W连续波功率，天线口径辐射效率高，天线辐射方向图及极化方向在全频段、全波束范围内变化较小。

1、针对天线45°线极化问题。天线单元采用两个相互垂直的Vivaldi天线组成(即水平与垂直极化两个天线)，通过功率合成器进行合成，形成一个45°极化的天线单元。与单个天线45°放置相比，该方法提高了天线单元的口径效率(部分频段增益提高1dB)。

2、针对宽带相控阵天线单元间距电长度很小，互耦强烈。在天线阵口面，用金属栅条连接两两正交的天线单元，且金属栅条的方向与天线阵的极化方向相垂直。这样，使极化方向相垂直的两个天线单元的边缘电流相互抵消或接地，单元间的互耦减小，有源驻波大大改善，小于等于2.5；同时，金属栅条的连接方向与天线阵的极化方向相垂直，对整个天线阵的辐射方向图与极化方向影响很小，满足电性能指标要求。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

优选地，所述馈电网络包括：一分M功率分配器、M个移相器、M个一分N功率分配器和M*N个功率放大器，所述一分M功率分配器的M个输出端口中的每个输出端口连接一个移相器的输入端口，每个移相器的输出端口连接一个一分N功率分配器的输入端口，每个一分N功率分配器的N个输出端口中的每个输出端口连接一个功率放大器的输入端口，每个功率放大器的输出端口连接一个有源天线单元的一分二功率分配器的输入端口。

优选地，每个有源天线单元还包括：单元支架，所述两个正交的Vivaldi天线和所述一分二功率分配器均通过连接件固定安装在所述单元支架上。

优选地，每个虚天线单元还包括：单元支架，所述两个正交的Vivaldi天线通过连接件固定安装在所述单元支架上，每个虚天线单元的端口接50欧负载。

优选地，所述连接件包括：螺纹联接件。

优选地，所述正交合成斜极化有源相控阵天线的工作频率范围为0.5GHz～2GHz。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种正交合成斜极化有源相控阵天线的结构示意图；

图2为本实用新型另一实施例提供的一种正交合成斜极化有源相控阵天线的立体图；

图3为本实用新型另一实施例提供的一种正交合成斜极化有源相控阵天线的俯视图；

图4为本实用新型另一实施例提供的一种正交合成斜极化有源相控阵天线的分解图；

图5为本实用新型另一实施例提供的有源天线单元的结构示意图；

图6为本实用新型另一实施例提供的有源天线单元的结构示意图；

图7为本实用新型另一实施例提供的虚天线单元的结构示意图；

图8为本实用新型另一实施例提供的虚天线单元的结构示意图；

图9为本实用新型另一实施例提供的6×6×2+12单元阵列天线仿真结果图；

图10为本实用新型另一实施例提供的6×6×2+12单元阵列天线仿真结果图；

图11为本实用新型另一实施例提供的6×6×2+12单元阵列天线仿真结果图；

图12为本实用新型另一实施例提供的6×6×2+12单元阵列天线仿真结果图；

图13为本实用新型另一实施例提供的6×6×2+12单元阵列天线仿真结果图；

图14为本实用新型另一实施例提供的6×6×2+12单元阵列天线仿真结果图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1所示，一种正交合成斜极化有源相控阵天线，包括：M*N个有源天线单元1、多个虚天线单元2和包括M*N个端口的馈电网络3；M*N个有源天线单元1为均匀排列的矩形阵列，其中，M和N为正整数；M*N个有源天线单元1中每个有源天线单元均包括：两个正交的Vivaldi天线和一分二功率分配器，每两个正交的Vivaldi天线的端口分别连接一个一分二功率分配器的两个输出端口，每个一分二功率分配器的输入端口连接馈电网络3的一个端口，M*N个有源天线单元1中相邻两个Vivaldi天线之间通过单个金属栅条连接；多个虚天线单元2均匀排列在矩形阵列周围，多个虚天线单元2中每个虚天线单元包括：两个正交的Vivaldi天线，多个虚天线单元2中相邻两个Vivaldi天线之间通过正交双金属栅条连接。

紧密的单元间距有利于实现宽频带、宽角扫描特性。但对于超宽带有限阵列天线，阵列边缘单元不再满足周期边界条件，需要进行适当的处理，可以通过添加金属壁或增添寄生单元的方法，减少边缘的截断效应。对于大型阵列，边缘截断效应的影响并不严重，可以方便地使用无限阵列的分析方法进行设计。

如图2，图3和图4所示，有源天线单元有128个，均匀排列成一个矩形阵列(8×16)，阵列口面有金属栅条(金属栅条的连接方向与天线阵的极化方向相垂直)，底部有功率合成器；虚天线单元有52个，均匀排列在有源天线单元四周。工程实践中，有源天线单元由两个正交的Vivaldi天线(PCB印制板形式)、一个功率合成器与单元支架组成，Vivaldi天线与功率合成器通过连接件(螺纹联接件)固定安装在单元支架上，如图5和图6所示。有源天线单元的端口连接馈电网络，阵列口面(128个有源天线单元)用金属栅条连接相邻的Vivaldi天线；虚天线单元由两个正交的Vivaldi天线(PCB印制板形式)与单元支架组成，Vivaldi天线通过连接件固定(螺纹联接件)安装在单元支架上，如图7和图8所示。两个Vivaldi天线输出端口接50欧负载，口面(52个虚天线单元)用正交双金属栅条连接。

对于工作频段大于4个倍频的锥削缝隙阵列，首先需要根据设计要求确定阵元的几何结构、单元间距和激励系数等参数；其次在阵列环境中考虑单元间的相互影响，确定阵中单元的具体参数；最后设计宽带的馈电网络，构建超宽带阵列天线。

具有阵元彼此连接的锥削缝隙阵列可以通过电流片模型进行分析，其设计方法与传统的窄带阵列天线有所不同，尤其是在单元间距的选取方面。对于传统的窄带阵列天线，首先应选取恰当的单元结构(如微带天线单元)，在仅需实现定向辐射时，单元间距的选取范围是λ0/2～λ0之间(λ0约为最高工作频率在真空中的波长)。但对于二维锥削缝隙阵列，由于周期波纹结构可以激励出“表面波”，单元间距尽量选择小于λ0/2。对于大规模锥削缝隙阵列(直线阵或平面阵)，大多数阵元与阵列边缘相距较远，电性能均与无限阵列的单元相似，可以通过分析无限阵列单元的阻抗匹配特性和辐射特性，近似评估有限阵列中多数阵元的特性。模式匹配法或积分方程法可用于分析无限阵列的单元特性。商业电磁仿真软件(HFSS和CST)使用基于周期边界条件的单位元胞(Unite Cell)，也可准确地分析无限阵列单元的电性能。

紧密的单元间距有利于实现宽频带、宽角扫描特性。但对于超宽带有限阵列天线，阵列边缘单元不再满足周期边界条件，需要进行适当的处理，可以通过添加金属壁或增添寄生单元的方法，减少边缘的截断效应。对于大型阵列，边缘截断效应的影响并不严重，可以方便地使用无限阵列的分析方法进行设计。

1、天线单元设计

天线单元采用微带线馈电，使用单层介质基板，介质两侧分别是微带线-槽线巴伦和采用指数渐变线的辐射臂。

天线单元采用两个垂直交叉的线极化(水平和垂直极化)单元等功率合成，需要天线底板之后增加一个功分器。

2、相控阵天线设计

相控阵天线为一平面阵，且在一个方向(16单元轴向)实现波束扫描，另一方向波束固定。因此在阵列的两个方向可以通过线阵进行分析。

若有N个天线单元沿Z轴排成线阵。

天线模拟仿真6×6×2+12(双线极化合成)单元的天线子阵列，其中子阵列边缘12个为虚单元，端口接50欧负载，不馈电。仿真结果如图9-14所示。

0.5GHz～2GHz正交合成斜极化有源相控阵天线，具有以下电性能特性：1、工作频带宽，达4个倍频；2、波束扫描角度较宽，达30°；3、有源天线单元驻波低，全频段内小于等于2.5，可承受200W连续波功率；4、天线口径辐射效率高；5、天线辐射方向图及极化方向在全频段、全波束范围内变化较小。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种正交合成斜极化有源相控阵天线，其特征在于，包括：M*N个有源天线单元、多个虚天线单元和包括M*N个端口的馈电网络；所述M*N个有源天线单元为均匀排列的矩形阵列，其中，M和N为正整数；所述M*N个有源天线单元中每个有源天线单元均包括：两个正交的Vivaldi天线和一分二功率分配器，每两个正交的Vivaldi天线的端口分别连接一个一分二功率分配器的两个输出端口，每个一分二功率分配器的输入端口连接所述馈电网络的一个端口，所述M*N个有源天线单元中相邻两个Vivaldi天线之间通过单个金属栅条连接；所述多个虚天线单元均匀排列在所述矩形阵列周围，所述多个虚天线单元中每个虚天线单元包括：两个正交的Vivaldi天线，所述多个虚天线单元中相邻两个Vivaldi天线之间通过正交双金属栅条连接。

2.根据权利要求1所述的一种正交合成斜极化有源相控阵天线，其特征在于，所述馈电网络包括：一分M功率分配器、M个移相器、M个一分N功率分配器和M*N个功率放大器，所述一分M功率分配器的M个输出端口中的每个输出端口连接一个移相器的输入端口，每个移相器的输出端口连接一个一分N功率分配器的输入端口，每个一分N功率分配器的N个输出端口中的每个输出端口连接一个功率放大器的输入端口，每个功率放大器的输出端口连接一个有源天线单元的一分二功率分配器的输入端口。

3.根据权利要求1所述的一种正交合成斜极化有源相控阵天线，其特征在于，每个有源天线单元还包括：单元支架，所述两个正交的Vivaldi天线和所述一分二功率分配器均通过连接件固定安装在所述单元支架上。

4.根据权利要求3所述的一种正交合成斜极化有源相控阵天线，其特征在于，每个虚天线单元还包括：单元支架，所述两个正交的Vivaldi天线通过连接件固定安装在所述单元支架上，每个虚天线单元的端口接50欧姆的负载。

5.根据权利要求4所述的一种正交合成斜极化有源相控阵天线，其特征在于，所述连接件包括：螺纹联接件。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种正交合成斜极化有源相控阵天线，其特征在于，所述正交合成斜极化有源相控阵天线的工作频率范围为0.5GHz～2GHz。