CN211376930U - 一种s波段双圆极化有源相控阵天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种S波段双圆极化有源相控阵天线，属于电力技术领域，包括接收主阵面、子阵接收合路模块和两个分路器，接收主阵面共有两组射频输出，这两组射频输出分别为左旋射频输出信号组和右旋射频输出信号组，左旋射频输出信号组包括36个左旋射频信号，右旋射频输出信号组包括36个右旋射频信号，解决了传统技术中后续升级工作繁琐复杂、体积大、重量重、跟踪精度低的技术问题，本实用新型采用微波泡沫作为天线介质，极大的减少了天线了质量，本实用新型采用6×6个子阵列的排布方式，使后续升级工作变得容易操作，本实用新型采用RF矢量调制结构的移相器，可以360度连续不间断移相，波束精细可调，精度高。
Description
技术领域
本实用新型属于雷达技术领域，特别涉及一种S波段双圆极化有源相控阵天线。
背景技术
S波段双圆极化有源相控阵天线主要应用场景为航天运载火箭飞行过程中遥测信号的接收，该天线可以依据火箭的飞行轨迹将天线的接收波束按程序跟踪或自动跟踪的模式对准飞行中的火箭，用以接收火箭设备舱发回的遥测信号。航天系统传统上采用抛物面固定波束天线来接收运载火箭飞行过程中遥测信号，通过调整天线机械结构的伺服机构的姿态来实现对火箭的跟踪，由于机械惯性的影响，此种跟踪方式的响应速度慢，跟踪精度低。而且机械伺服机构结构复杂，重量大，尤其是有信号跟踪功能要求的系统，其控制精度、响应速度都提出了更高的要求，制造成本也大大增加。
现有的S波段双圆极化有源相控阵天线在大角度上无法实现良好的追踪，其后续升级工作繁琐复杂、体积大、重量重、成本高。
传统的S波段双圆极化有源相控阵天线均采用数字移相器，其在360度内相移量不连续，会导致天线阵面的量化误差，降低天线增益，增大天线副瓣。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种S波段双圆极化有源相控阵天线，解决了传统技术中后续升级工作繁琐复杂、体积大、重量重、跟踪精度低的技术问题。
为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
一种S波段双圆极化有源相控阵天线，包括接收主阵面、子阵接收合路模块和两个分路器，接收主阵面共有两组射频输出，这两组射频输出分别为左旋射频输出信号组和右旋射频输出信号组，左旋射频输出信号组包括36个左旋射频信号，右旋射频输出信号组包括36个右旋射频信号；
子阵接收合路模块与接收主阵面电连接，子阵接收合路模块用于将左旋射频输出信号组中的36个左旋射频信号合并为一路左旋射频输出，同时，子阵接收合路模块还将右旋射频输出信号组中的36个右旋射频信号合并为一路右旋射频输出；
两个分路器均与子阵接收合路模块电连接，其中一个分路器用于接收左旋射频输出，并将左旋射频输出分成两路信号；另一个分路器用于接收右旋射频输出，并将右旋射频输出分成两路信号；
接收主阵面包括324个双旋圆极化天线和4个自校准天线，接收主阵面为矩形天线阵列面，矩形天线阵列面按照6×6个子阵列进行排布，每一个子阵列均包括3×3个双旋圆极化天线，4个自校准天线分布在矩形天线阵列面的4个顶角上；
双旋圆极化天线包括上PCB板和下PCB板，上PCB板的上表面设有极化天线、下表面设有90度电桥，90度电桥的两个输入端分别通过上PCB板上的两个过孔连接极化天线、输出端分别通过下PCB板上的两个过孔输出左旋极化信号和右旋极化信号；
上PCB板和下PCB板之间通过特氟龙柱以及螺丝进行连接，所有过孔中均采用黄铜柱进行导电。
优选的，所述子阵列包括微波硬质泡沫和T/R组件，T/R组件的上面设有所述微波硬质泡沫，所述微波硬质泡沫的上面贴片焊接所述双旋圆极化天线；
T/R组件包括T/R组件PCB板、T/R元件组、天线接口、功合器输出接口、功合器元件组、外屏蔽腔和内屏蔽腔，T/R组件PCB板设置在外屏蔽腔内，功合器元件组和T/R元件组均设置在T/R组件PCB板上，内屏蔽腔用于保护功合器元件组和T/R元件组不受外界干扰，天线接口用于将所述双旋圆极化天线与T/R元件组电连接，功合器输出接口电连接T/R组件PCB板，用于向外输出RF信号。
优选的，在所述双旋圆极化天线中，所述极化天线和所述上PCB板之间还设有介质层，介质层采用ROHACELL的微波泡沫作为介质，所述上PCB板和所述下PCB板均采用0.5mm的RF-30板材。
优选的，所述T/R组件包括左旋信号处理模块和右旋信号处理模块，功合器元件组包括左旋信号合成模块和右旋信号合成模块；
左旋信号处理模块包括一个低噪声放大器、一个滤波器、一个二次放大器和一个移相器，所述双旋圆极化天线输出的左旋极化信号被连接到左旋信号处理模块，通过低噪声放大器的放大，再经过滤波器滤波、再经过二次放大器放大、然后进入移相器移相、最后进入左旋信号合成模块进行合成并输出所述左旋射频输出；
右旋信号处理模块的电路原理与左旋信号处理模块的相同，右旋信号合成模块的电路原理与左旋信号合成模块的电路原理相同，右旋极化信号被连接到右旋信号处理模块上，右旋信号合成模块最终输出所述右旋射频输出。
优选的，所述功合器元件组采用微带合路技术设计制作，通过并馈方式，保证馈电电压等幅等相。
优选的，所述移相器为RF矢量调制结构的矢量调制器HMC631。
本实用新型所述的一种S波段双圆极化有源相控阵天线，解决了传统技术中后续升级工作繁琐复杂、体积大、重量重、跟踪精度低的技术问题，本实用新型采用微波泡沫作为天线介质，极大的减少了天线了质量，本实用新型采用6×6个子阵列的排布方式，使后续升级工作变得容易操作，降低了维护成本，本实用新型采用RF矢量调制结构的移相器，可以360度连续不间断移相，波束精细可调，精度高。
附图说明
图1是本实用新型的原理图方框图；
图2是本实用新型的接收主阵面的阵列示意图；
图3是本实用新型的子阵列的阵列示意图；
图4是本实用新型的子阵列的结构示意图；
图5是本实用新型的双旋圆极化天线的结构示意图；
图6是本实用新型的扫描边界上的天线方向图；
图7是本实用新型的法向上的天线方向图；
图8是本实用新型的T/R组件和功合器元件组的电路图方框图；
图9是本实用新型的矢量调制移相器；
图中：双旋圆极化天线1、天线接口2、微波硬质泡沫3、内屏蔽腔4、T/R组件PCB板5、外屏蔽腔6、功合器输出接口7、极化天线8、上PCB板9、下PCB板10、特氟龙柱以及螺丝11、过孔12、90度电桥13。
具体实施方式
如图1-图9所示的一种S波段双圆极化有源相控阵天线，包括接收主阵面、子阵接收合路模块和两个分路器，接收主阵面共有两组射频输出，这两组射频输出分别为左旋射频输出信号组和右旋射频输出信号组，左旋射频输出信号组包括36个左旋射频信号，右旋射频输出信号组包括36个右旋射频信号；
本实用新型根据相控阵天线单元放置的可实现性，采用80mm(0.6波长)做为天线间隔，整个天线采用矩形栅格式放置在正面上；
子阵接收合路模块与接收主阵面电连接，子阵接收合路模块用于将左旋射频输出信号组中的36个左旋射频信号合并为一路左旋射频输出，同时，子阵接收合路模块还将右旋射频输出信号组中的36个右旋射频信号合并为一路右旋射频输出；
两个分路器均与子阵接收合路模块电连接，其中一个分路器用于接收左旋射频输出，并将左旋射频输出分成两路信号；另一个分路器用于接收右旋射频输出，并将右旋射频输出分成两路信号；
接收主阵面包括324个双旋圆极化天线1和4个自校准天线，接收主阵面为矩形天线阵列面，矩形天线阵列面按照6×6个子阵列进行排布，每一个子阵列均包括3×3个双旋圆极化天线1，4个自校准天线分布在矩形天线阵列面的4个顶角上；
子阵列一共3行×3列，共有9个双旋圆极化天线1，子阵列的尺寸240mm×240mm。
子阵列输入24V电源，控制接口为J30J-7芯，输出为2路射频SMA接头。
双旋圆极化天线1包括上PCB板9和下PCB板10，上PCB板9的上表面设有极化天线8、下表面设有90度电桥13，90度电桥13的两个输入端分别通过上PCB板9上的两个过孔12连接极化天线8、输出端分别通过下PCB板10上的两个过孔12输出左旋极化信号和右旋极化信号；
上PCB板9和下PCB板10之间通过特氟龙柱以及螺丝11进行连接，所有过孔12中均采用黄铜柱进行导电。
本实用新型采用ROHACELL的微波泡沫ER＝1.07，H＝10mm，型号：51HF作为介质，上PCB板9和下PCB板10采用0.5mm的RF-30板材来实现低损耗的90度电桥13馈电。
本实用新型将双旋圆极化天线1的水平和垂直端口利用BALUN转换为同相和反相的信号，分别馈入相应的水平或垂直馈电点。平衡馈电可以实现约30dB左右的极化隔离度，同时具有非常对称的辐射方向图特性，水平垂直端口再分别由90度电桥13馈电，从而实现左旋极化与右旋极化两种极化特性，可以在实际使用中随意选择。
相控阵天线单元间距是影响阵列辐射特性的重要参数。对直线相控阵天线其最大单元间距为：
其中θm为最大扫描角。本系统最大扫描角为
则dmax＝0.8λ。
单元间距过小将导致单元间互耦强烈，影响各单元辐射特性和阻抗特性，间距过大又会出现栅瓣。依据相控阵天线工作频率和单元放置的可实现性，经过HFSS仿真组阵评估，本实用新型采用80mm2.25GHz时的0.6个波长做为天线单元间距。根据技术要求总的阵面大小为1500mm*1500mm，按照80mm单元的间隔排列一共可以放下18*18个单元，共计324个单元。接收主阵面总增益约为10log N+单元天线增益，N为天线数。
则总增益为：
10lg(324)＝25dB+3dB考虑一些天线的损耗＝28dB，则天线的增益在法向达到要求，侧向根据单元方向图下降2.5dB计算，可以得到增益为25.5dB，满足设计的要求大于24dB。
整体的阵列扫描方向图仿真如图6和图7所示，在扫描边界上天线的增益为28.8dB，在扫描的法向上天线的增益为30.7dB。
优选的，所述子阵列包括微波硬质泡沫3和T/R组件，T/R组件的上面设有所述微波硬质泡沫3，所述微波硬质泡沫3的上面贴片焊接所述双旋圆极化天线1；
T/R组件包括T/R组件PCB板5、T/R元件组、天线接口2、功合器输出接口7、功合器元件组、外屏蔽腔6和内屏蔽腔4，T/R组件PCB板5设置在外屏蔽腔6内，功合器元件组和T/R元件组均设置在T/R组件PCB板5上，内屏蔽腔4用于保护功合器元件组和T/R元件组不受外界干扰，天线接口2用于将所述双旋圆极化天线1与T/R元件组电连接，功合器输出接口7电连接T/R组件PCB板5，用于向外输出RF信号。
优选的，在所述双旋圆极化天线1中，所述极化天线8和所述上PCB板9之间还设有介质层，介质层采用ROHACELL的微波泡沫作为介质，所述上PCB板9和所述下PCB板10均采用0.5mm的RF-30板材。
优选的，所述T/R组件包括左旋信号处理模块和右旋信号处理模块，功合器元件组包括左旋信号合成模块和右旋信号合成模块；
左旋信号处理模块包括一个低噪声放大器、一个滤波器、一个二次放大器和一个移相器，所述双旋圆极化天线1输出的左旋极化信号被连接到左旋信号处理模块，通过低噪声放大器的放大，再经过滤波器滤波、再经过二次放大器放大、然后进入移相器移相、最后进入左旋信号合成模块进行合成并输出所述左旋射频输出；
右旋信号处理模块的电路原理与左旋信号处理模块的相同，右旋信号合成模块的电路原理与左旋信号合成模块的电路原理相同，右旋极化信号被连接到右旋信号处理模块上，右旋信号合成模块最终输出所述右旋射频输出。
优选的，所述功合器元件组采用微带合路技术设计制作，通过并馈方式，保证馈电电压等幅等相。
整个接收主阵面由324个双旋圆极化天线1组成，每个双旋圆极化天线1包含两个端口，每个端口上接一个低噪声放大器、一个滤波器、一个移相器、一个二次放大器，一共需要648个移相器、648个低噪声放大器、648个滤波器、648个二次放大器。
本实施例的低噪声放大器为MAAL-011078。
本实施例采用一种新RF矢量调制结构，可以利用微带90度电桥13将RF信号分为0度分量与90度分量，随后进入衰减器控制每一路的衰减量在+1～-1之间，随后通过合路器将两路信号合并，即过程矢量调制可以实现360度连续不间断移相。
只要通过两路模拟电压既可以控制幅度又可以控制相位，省去了数控衰减器，简化了通路设计。所以矢量调制器具有高度自由的设计，同时结构简单，精度高，是大规模阵面首选，具有波束精细可调能力，同时整机的发射副瓣也较低。
优选的，所述移相器为RF矢量调制结构的矢量调制器HMC631，工作在1.8-2.7GHz，完全覆盖S频段的通信要求，同时控制位数少，体积小巧，便于集成，优化电路设计。
本实用新型所述的一种S波段双圆极化有源相控阵天线，解决了传统技术中后续升级工作繁琐复杂、体积大、重量重、跟踪精度低的技术问题，本实用新型采用微波泡沫作为天线介质，极大的减少了天线了质量，本实用新型采用6×6个子阵列的排布方式，使后续升级工作变得容易操作，降低了维护成本，本实用新型采用RF矢量调制结构的移相器，可以360度连续不间断移相，波束精细可调，精度高。
Claims (6)
1.一种S波段双圆极化有源相控阵天线，其特征在于：包括接收主阵面、子阵接收合路模块和两个分路器，接收主阵面共有两组射频输出，这两组射频输出分别为左旋射频输出信号组和右旋射频输出信号组，左旋射频输出信号组包括36个左旋射频信号，右旋射频输出信号组包括36个右旋射频信号；
子阵接收合路模块与接收主阵面电连接，子阵接收合路模块用于将左旋射频输出信号组中的36个左旋射频信号合并为一路左旋射频输出，同时，子阵接收合路模块还将右旋射频输出信号组中的36个右旋射频信号合并为一路右旋射频输出；
两个分路器均与子阵接收合路模块电连接，其中一个分路器用于接收左旋射频输出，并将左旋射频输出分成两路信号；另一个分路器用于接收右旋射频输出，并将右旋射频输出分成两路信号；
接收主阵面包括324个双旋圆极化天线(1)和4个自校准天线，接收主阵面为矩形天线阵列面，矩形天线阵列面按照6×6个子阵列进行排布，每一个子阵列均包括3×3个双旋圆极化天线(1)，4个自校准天线分布在矩形天线阵列面的4个顶角上；
双旋圆极化天线(1)包括上PCB板(9)和下PCB板(10)，上PCB板(9)的上表面设有极化天线(8)、下表面设有90度电桥(13)，90度电桥(13)的两个输入端分别通过上PCB板(9)上的两个过孔(12)连接极化天线(8)、输出端分别通过下PCB板(10)上的两个过孔(12)输出左旋极化信号和右旋极化信号；
上PCB板(9)和下PCB板(10)之间通过特氟龙柱以及螺丝(11)进行连接，所有过孔(12)中均采用黄铜柱进行导电。
2.如权利要求1所述的一种S波段双圆极化有源相控阵天线，其特征在于：所述子阵列包括微波硬质泡沫(3)和T/R组件，T/R组件的上面设有所述微波硬质泡沫(3)，所述微波硬质泡沫(3)的上面贴片焊接所述双旋圆极化天线(1)；
T/R组件包括T/R组件PCB板(5)、T/R元件组、天线接口(2)、功合器输出接口(7)、功合器元件组、外屏蔽腔(6)和内屏蔽腔(4)，T/R组件PCB板(5)设置在外屏蔽腔(6)内，功合器元件组和T/R元件组均设置在T/R组件PCB板(5)上，内屏蔽腔(4)用于保护功合器元件组和T/R元件组不受外界干扰，天线接口(2)用于将所述双旋圆极化天线(1)与T/R元件组电连接，功合器输出接口(7)电连接T/R组件PCB板(5)，用于向外输出RF信号。
3.如权利要求1所述的一种S波段双圆极化有源相控阵天线，其特征在于：在所述双旋圆极化天线(1)中，所述极化天线(8)和所述上PCB板(9)之间还设有介质层，介质层采用ROHACELL的微波泡沫作为介质，所述上PCB板(9)和所述下PCB板(10)均采用0.5mm的RF-30板材。
4.如权利要求2所述的一种S波段双圆极化有源相控阵天线，其特征在于：所述T/R组件包括左旋信号处理模块和右旋信号处理模块，功合器元件组包括左旋信号合成模块和右旋信号合成模块；
左旋信号处理模块包括一个低噪声放大器、一个滤波器、一个二次放大器和一个移相器，所述双旋圆极化天线(1)输出的左旋极化信号被连接到左旋信号处理模块，通过低噪声放大器的放大，再经过滤波器滤波、再经过二次放大器放大、然后进入移相器移相、最后进入左旋信号合成模块进行合成并输出所述左旋射频输出；
右旋信号处理模块的电路原理与左旋信号处理模块的相同，右旋信号合成模块的电路原理与左旋信号合成模块的电路原理相同，右旋极化信号被连接到右旋信号处理模块上，右旋信号合成模块最终输出所述右旋射频输出。
5.如权利要求4所述的一种S波段双圆极化有源相控阵天线，其特征在于：所述功合器元件组采用微带合路技术设计制作，通过并馈方式，保证馈电电压等幅等相。
6.如权利要求4所述的一种S波段双圆极化有源相控阵天线，其特征在于：所述移相器为RF矢量调制结构的矢量调制器HMC631。
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|---|---|---|---|---|
| CN112332111A (zh) * | 2020-10-27 | 2021-02-05 | 重庆两江卫星移动通信有限公司 | 一种双圆极化可扩展有源子阵 |
| CN113922829A (zh) * | 2021-09-30 | 2022-01-11 | 中国船舶重工集团公司第七二四研究所 | 一种同时多频多功能发射组件 |
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