WO2018010259A1 - 一种共形天线阵列 - Google Patents

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WO2018010259A1
WO2018010259A1 PCT/CN2016/096413 CN2016096413W WO2018010259A1 WO 2018010259 A1 WO2018010259 A1 WO 2018010259A1 CN 2016096413 W CN2016096413 W CN 2016096413W WO 2018010259 A1 WO2018010259 A1 WO 2018010259A1
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skeleton
antenna
frame
conformal
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兰伟
燕标
吴亚飞
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成都泰格微波技术股份有限公司
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061Two dimensional planar arrays
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12Supports; Mounting means
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart

Definitions

  • the present invention relates to a conformal antenna, and in particular to a conformal antenna array.
  • a conformal (elliptical) spherical antenna array can achieve a full range of hemispherical radiation. It has unparalleled advantages in many antenna systems. It can be used in ground communication systems, airborne and vehicle-mounted mobile systems, and can also be applied to radar, positioning and navigation.
  • conformal antenna arrays such as a cone array, a spherical array, a cylindrical array, and the like. It has the characteristics of a conventional planar antenna array, and there are many differences in its peers.
  • Planar arrays have been well established in many fields, but their scan angles are generally up to about 60°.
  • the spherical array can be covered in all directions. This works well in areas such as satellite tracking and communications. Conformal spherical arrays have great advantages in terms of size, power consumption, and cost under the same wide radiation angle.
  • the design of the spherical array is very demanding.
  • the array elements are not evenly distributed, and the pattern analysis becomes complicated. For an array with a large radius of curvature to obtain a low sidelobe pattern, the position of each element must be assigned so that all elements can effectively point to the specified direction.
  • the non-planar elements of the same plane are not neatly radiated, which may result in high cross-polarization.
  • a conformal antenna array comprising a first layer of bone a frame, a second layer skeleton, a third layer skeleton, an antenna, and a positioning device, wherein the first layer skeleton, the second layer skeleton, and the third layer skeleton are all in the same ellipsoidal surface, and each layer has different inclination angles
  • the first layer skeleton and the second layer skeleton are tangent to the ellipsoid surface, and the third layer skeleton and the spherical tangential line of the second layer skeleton have a tangent angle a, the first layer skeleton and the second layer skeleton, a plurality of antenna mounting holes are disposed on the third layer of the skeleton, and a plurality of antenna supporting columns are disposed on the skeleton around the antenna mounting hole, and the antenna is provided with a mounting hole corresponding to the antenna supporting column.
  • the antenna is mounted on the antenna support post by screws, and the antenna is located
  • the first layer of the skeleton is uniformly mounted with four antennas, the second layer of the skeleton is evenly mounted with eight antennas, and the third layer of the skeleton is evenly mounted with eleven antennas.
  • the top of the first layer skeleton is further provided with a positioning device mounting hole, and four positioning device positioning posts for mounting the positioning device are further disposed on the skeleton around the mounting device mounting hole.
  • the top of the first layer skeleton is a dome structure.
  • the first layer skeleton and the second layer skeleton are connected to each other, and the second layer skeleton and the third layer skeleton are connected to each other with a weight reducing hole.
  • the outer side wall of the bottom of the third layer skeleton is provided with a plurality of evenly distributed antenna frame mounting seats, and the antenna frame mounting seat is provided with a threaded through hole.
  • the tangential angle a is 10°.
  • the present invention has the following advantages:
  • the conformal antenna array of the present invention is divided into three layers of skeletons, and 23 antenna mounting holes for implementing an antenna spherical array are arranged on the skeleton, and each layer has a different skeleton.
  • the inclination angle improves the uniformity of the radiation of the antenna, that is, the gain flatness within the scanning range, and the skeleton adopts a hollow structure, which ensures the performance of the skeleton and reduces the cost and weight of the skeleton.
  • the first layer of the skeleton adopts a circle.
  • the top structure ensures the uniformity of the force of the antenna mounting skeleton, thereby improving the stability of the antenna mounting skeleton, and the pitch angle of the antenna is adjustable, so that the pitch angle of the antenna can be adjusted according to actual needs, and the antenna array can be improved. Sex.
  • FIG. 2 is a schematic view showing the connection of a first layer skeleton, a second layer skeleton, and a third layer skeleton according to the present invention
  • FIG. 3 is a schematic structural view of an antenna
  • a conformal antenna array includes a first layer skeleton 1, a second layer skeleton 2, a third layer skeleton 3, an antenna 11 and a positioning device 10,
  • the first layer skeleton 1, the second layer skeleton 2 and the ellipsoid surface are all in the same ellipsoidal plane, and the inclination angle of each layer is different.
  • Tangent, the third layer skeleton 3 and the spherical tangent of the second layer skeleton 1 have a tangent angle a.
  • the angle ⁇ of the tangent line is 10°. In this way, the uniformity of the radiation of the antenna can be improved, that is, within the scanning range.
  • the gain flatness, in the actual process, the first layer skeleton 1, the second layer skeleton 2 and the third layer skeleton 3 are not limited to the ellipsoidal surface, but may also be a spherical surface, the first layer skeleton 1, the second layer A plurality of antenna mounting holes 4 are disposed on the skeleton 2 and the third layer skeleton 3, and a plurality of antenna supporting columns 6 are disposed on the skeleton around the antenna mounting holes 4.
  • the antenna supporting columns 6 are provided.
  • the antenna 11 is provided with a mounting hole 12 corresponding to the antenna support column 6, and In one step, the outer circumference of the antenna 11 is provided with four bumps, and the mounting hole 12 is correspondingly disposed on the bump.
  • the antenna 11 is mounted on the antenna support column 6 by screws. After installation, the antenna support column The height of 6 can be changed, so that the elevation angle of the antenna unit can be changed by changing the height of the antenna support column 6. To satisfy the adjustment of the antenna support column 6, the antenna support column 6 and the first layer skeleton 1 and the second layer skeleton can be used. 2. The third layer of the skeleton is connected by means of a threaded connection. The height of the antenna support column 6 is adjusted by adjusting the amount of screwing of the antenna support column 6. The antenna 11 is located in the corresponding antenna mounting hole 4, and the positioning is performed. The device 10 is mounted on the top of the first layer skeleton 1. In the embodiment, the first layer skeleton 1, the second layer skeleton 2, and the third layer skeleton 3 are manufactured by using 3D printing technology, and the conventional Compared with the process, it has high processing efficiency, high processing precision and low production cost.
  • antennas 11 are evenly mounted on the first layer skeleton 1, and eight antennas are evenly mounted on the second layer skeleton 2, and the third layer skeleton 3 is Ten antennas 11 are evenly mounted on the top, so the total number of antennas 11 is 23, and 23 antennas are the minimum number of units that meet the requirements.
  • the number of small units is required by the overall index, the number of units is Position, position, etc. are variables, cell spacing, ellipsoid size, etc. are constraints, and the unit pattern is equivalent to the point source pattern optimized by genetic algorithm. The specific ideas are as follows:
  • the antenna array operates in the S-band with a bandwidth of 10% and a scan range of -75° to 75° and an azimuth of 0°-360°.
  • the antenna array has a gain greater than 13dBi in the scan range and a gain flatness less than ldB.
  • the antenna array can support dual circular polarization mode at the same time, and its axial ratio is less than 3dB. Peer antennas should be able to simultaneously receive the capability of more than three satellites.
  • the antenna gain optimization must be greater than 13 dBi and the gain flatness is less than 1 dB over the entire upper half of the airspace.
  • the top of the first layer skeleton 1 is further provided with a positioning device mounting hole 5
  • the positioning mechanism of the positioning device 10 is further provided with four positioning device positioning posts 9 for mounting the positioning device 10.
  • the positioning device 10 is positioned by GPS.
  • the top of the first layer skeleton 1 is a dome.
  • the structure, the dome-shaped shape of the dome mechanism has the characteristics of surrounding force transmission, so that the wall thickness of the bracket can be minimized on the basis of satisfying the same force, thereby reducing the weight of the antenna mounting skeleton.
  • the connecting rings of the first layer skeleton 1 and the second layer skeleton 2 and the connecting rings of the second layer skeleton 2 and the third layer skeleton 3 are each provided with a reduction
  • the heavy hole 8, that is, the first layer skeleton 1, the second layer skeleton 2, and the third layer skeleton 3 adopt a hollow design, which can not only reduce the weight of the antenna mounting skeleton, but also ensure the uniformity of the force of the antenna mounting skeleton. Thereby improving the stability of the antenna mounting skeleton.
  • a plurality of evenly distributed antenna frame mounts 7 are disposed on the outer sidewall of the bottom of the third layer frame 3, and the antenna frame mounts 7 are provided with threaded through holes for facilitating Installation of the antenna mounting skeleton.
  • the mechanisms of the first layer skeleton 1, the second layer skeleton 2, and the third layer skeleton 3 are relatively complicated, and the processing precision is not satisfied by the conventional processing method, and the processing difficulty is very large. Therefore, the skeleton of the present invention is processed by a 3D processing technique.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本发明公开了一种共形天线阵列,它包括第一层骨架、第二层骨架、第三层骨架、天线和定位装置,第一层骨架、第二层骨架、第三层骨架均在同一椭球面内,且每一层的倾角均不相同,第一层骨架、第二层骨架与椭球面相切,第三层骨架与第二层骨架的球面切线具有切线夹角a,第一层骨架、第二层骨架、第三层骨架上均开设有多个天线安装孔,天线安装孔周围的骨架上设置有多个天线支撑柱,天线上设置有与天线支撑柱对应的安装孔,天线通过螺钉安装在天线支撑柱上,且天线位于对应的天线安装孔内,定位装置安装在第一层骨架的顶部。本发明的有益效果是:它具有天线辐射均匀度高、安装方便和天线俯仰角可调的优点。

Description

一种共形天线阵列 技术领域
[0001] 本发明涉及共形天线, 特别是一种共形天线阵列。
背景技术
[0002] 共形 (椭) 球面天线阵可实现半球面全方位的辐射。 在众多天线系统中具有不 可比拟的优势。 可用于地面通信系统, 机载、 车载动中通系统, 同吋也能应用 于雷达、 定位、 导航领域。
[0003] 共形天线阵有很多种类, 有锥形阵, 球面阵, 圆柱阵等。 它具备常规平面天线 阵的特性, 同吋也有很多不同之处。
[0004] 平面阵已经很成熟应用于多个领域, 但其扫描角一般最多到 60°左右。 而球面 阵可以全方位覆盖。 这在卫星跟踪, 通信等领域能很好发挥作用。 在达到同样 宽辐射角度的条件下, 共形球面阵在体积、 功耗、 成本方面有很大的优势。 但 是球面阵的设计要求很高。 相对于平面阵, 其阵元分布不均匀, 方向图分析变 得复杂。 对于较大曲率半径的阵列要想获得低副瓣的方向图, 必须分配好各个 阵元的位置, 以使得所有阵元能够有效指向制定的方向。 同吋非平面的的阵元 辐射极化不整齐, 因此可能导致交叉极化很高。
[0005] (椭) 球面结构在加工方面难度较大, 且成本很高, 其设计难点主要有以下几 点: 1、 (椭) 球面共形天线单元特性及单元间的互耦分析困难, 2、 共形阵列 天线方向图综合困难, 3、 共形阵列天线极化控制困难, 4、 波束形成和控制复 杂, 5、 测试 (校准) 困难。
技术问题
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术的缺点, 提供一种天线辐射均匀度高、 安装方 便和天线俯仰角可调的共形天线阵列。
问题的解决方案
技术解决方案
[0007] 本发明的目的通过以下技术方案来实现: 一种共形天线阵列, 它包括第一层骨 架、 第二层骨架、 第三层骨架、 天线和定位装置, 所述的第一层骨架、 第二层 骨架、 第三层骨架均在同一椭球面内, 且每一层的倾角均不相同, 所述的第一 层骨架、 第二层骨架与椭球面相切, 第三层骨架与第二层骨架的球面切线具有 切线夹角 a, 所述的第一层骨架、 第二层骨架、 第三层骨架上均幵设有多个天线 安装孔, 所述的天线安装孔周围的骨架上设置有多个天线支撑柱, 所述的天线 上设置有与天线支撑柱对应的安装孔, 所述的天线通过螺钉安装在天线支撑柱 上, 且天线位于对应的天线安装孔内, 所述的定位装置安装在第一层骨架的顶 部。
[0008] 所述的第一层骨架上均匀安装有四个天线, 所述的第二层骨架上均匀安装有八 个天线, 所述的第三层骨架上均匀安装有十一个天线。
[0009] 所述的第一层骨架的顶部还幵设有一定位装置安装孔, 在定位装置安装孔周围 的骨架上还设置有四个用以安装定位装置的定位装置定位柱。
[0010] 所述的第一层骨架的顶部为圆顶结构。
[0011] 所述的第一层骨架和第二层骨架的相接环上以及第二层骨架和第三层骨架的相 接环上均幵设有减重孔。
[0012] 所述的第三层骨架底部的外侧壁上设置有多个均匀分布的天线骨架安装座, 天 线骨架安装座上幵设有螺纹通孔。
[0013] 所述的切线夹角 a为 10°。
发明的有益效果
有益效果
[0014] 本发明具有以下优点: 本发明的共形天线阵列分为三层骨架, 在骨架上幵设有 实现天线球面布阵的 23个天线安装孔, 且每一层骨架之间具有不同的倾角, 从 而改善了天线辐射的均匀性即扫描范围内的增益平坦度, 且骨架采用缕空结构 , 即保证了骨架的性能, 又降低了骨架的用料成本和重量; 第一层骨架采用圆 顶结构, 从而保证了天线安装骨架的受力均匀性, 从而提高了天线安装骨架的 稳定性, 并且天线的俯仰角度可调, 从而可根据实际需求, 调节天线的俯仰角 , 提高天线阵列的通用性。
对附图的简要说明 附图说明
[0015] 图 1为本发明的结构示意图;
[0016] 图 2为本发明第一层骨架、 第二层骨架、 第三层骨架的连接示意图;
[0017] 图 3为天线的结构示意图;
[0018] 图中, 1-第一层骨架, 2-第二层骨架, 3-第三层骨架, 4-天线安装孔, 5-定位装 置安装孔, 6-天线支撑柱, 7-天线骨架安装座, 8-减重孔, 9-定位装置定位柱, 1 0-定位装置, 11-天线, 12-安装孔。
本发明的实施方式
[0019] 下面结合附图对本发明做进一步的描述, 本发明的保护范围不局限于以下所述
[0020] 如图 1〜图 3所示, 一种共形天线阵列, 它包括第一层骨架 1、 第二层骨架 2、 第 三层骨架 3、 天线 11和定位装置 10, 所述的第一层骨架 1、 第二层骨架 2、 第三层 骨架 3均在同一椭球面内, 且每一层的倾角均不相同, 所述的第一层骨架 1、 第 二层骨架 2与椭球面相切, 第三层骨架 3与第二层骨架 1的球面切线具有切线夹角 a , 优选的, 切线夹角 a为 10°, 通过这种方式, 可以改善天线辐射的均匀性即扫描 范围内的增益平坦度, 在实际过程中, 第一层骨架 1、 第二层骨架 2和第三层骨 架 3并不仅限于椭球面, 也可以是球面, 所述的第一层骨架 1、 第二层骨架 2、 第 三层骨架 3上均幵设有多个天线安装孔 4, 所述的天线安装孔 4周围的骨架上设置 有多个天线支撑柱 6, 在本实施例中, 天线支撑柱 6为四个, 所述的天线 11上设 置有与天线支撑柱 6对应的安装孔 12, 进一步的, 天线 11的外圆上幵设有四个凸 块, 安装孔 12对应幵设在凸块上, 所述的天线 11通过螺钉安装在天线支撑柱 6上 , 在安装吋, 天线支撑柱 6的高度可以改变, 从而可以通过改变天线支撑柱 6的 高度来改变天线单元的俯仰角, 为满足天线支撑柱 6的调节, 可采用天线支撑柱 6与第一层骨架 1、 第二层骨架 2、 第三层骨架 3螺纹连接的方式安装, 通过调整 天线支撑柱 6的旋入量来调节天线支撑柱 6的高度, 所述的天线 11位于对应的天 线安装孔 4内, 所述的定位装置 10安装在第一层骨架 1的顶部, 在本实施例中, 所述的第一层骨架 1、 第二层骨架 2、 第三层骨架 3采用 3D打印技术制作, 与传统 工艺相比, 其加工效率高、 加工精度高和生产成本低。
[0021] 在本实施例中, 所述的第一层骨架 1上均匀安装有四个天线 11, 所述的第二层 骨架 2上均匀安装有八个天线, 所述的第三层骨架 3上均匀安装有十一个天线 11 , 因此天线 11总计 23个, 而 23个天线, 是满足要求下得到的最小单元数, 而这 个虽小单元数是在整体指标的要求下, 以单元个数、 位置等为变量, 单元间距 、 椭球大小等为约束条件, 将单元方向图等效成点源方向图用遗传算法进行优 化而得到的, 其具体思路如下:
[0022] 首先从系统指标出发, 分解出共形天线所需达到的指标要求。 然后, 从天线的 指标要求分析所需的天线单元特性以及共形天线阵列的拓扑结构。 进而通过优 化算法确定所需的单元方向图, 然后进一步对共形阵列拓扑结构布局进行优化 。 天线阵列工作在 S波段, 带宽为 10%, 扫描范围为俯仰角 -75°到 75°, 方位角 0°- 360°。 天线阵列在扫描范围内的增益要大于 13dBi, 增益平坦度小于 ldB。 天线 阵列能同吋支持双圆极化工作模式, 且其轴比小于 3dB。 同吋天线应该能同吋接 受多于三个卫星情报的能力。
[0023] 显然, 对一个共形相控阵来说, 其首先应该被限制在一定的空间上, 在这里我 们限定其范围在一个直径小于 300mm的半球内。 同吋为了节约共形相控阵天线 的成本, 单元数和其位置是我们优化的一个重要变量。 其增益和增益平坦度是 非常重要的优化目标。 首先, 拟定一个天线单元方向图, 现在有两个变量: 每 个单元的位置坐标 (x, y, z)和天线单元的总数 N。 阵列的每个单元不能相交, 其大 小在限定在半球的半径必须小于 R, 也就是说, 每一个单元的坐标控制在一定的 范围之内。 另外, 在整个上半空域, 天线增益的优化结果必须大于 13 dBi, 并且 增益平坦度小于 1 dB。 我们使用遗传算法对单元的分布以及单元数量进行优化。 如果这个拟定的单元方向图不能优化出满足要求的结构, 对单元天线的方向图 进行调整, 选择一个新的方向图重新进行优化。 在优化目标达到我们要求之后 , 我们按着拟定的方向图去设计我们所需的单元方向图, 将此设计好的天线单 元按照优化的拓扑结构进行排布, 最后利用全波分析软件进行整体分析和优化
[0024] 在本实施例中, 所述的第一层骨架 1的顶部还幵设有一定位装置安装孔 5, 在定 位装置安装孔 5周围的骨架上还设置有四个用以安装定位装置 10的定位装置定位 柱 9, 定位装置 10采用 GPS定位, 进一步的, 所述的第一层骨架 1的顶部为圆顶结 构, 其圆顶机构的穹拱式的造型具有四周传力的特点, 这样能在满足相同受力 的基础上将支架的壁厚尽量减薄, 从而降低天线安装骨架的重量。
[0025] 在本实施例中, 所述的第一层骨架 1和第二层骨架 2的相接环上以及第二层骨架 2和第三层骨架 3的相接环上均幵设有减重孔 8, 即第一层骨架 1、 第二层骨架 2和 第三层骨架 3采用缕空设计, 这样不仅可以降低天线安装骨架的重量, 而且还可 保证天线安装骨架的受力均匀性, 从而提高了天线安装骨架的稳定性。
[0026] 在本实施例中, 所述的第三层骨架 3底部的外侧壁上设置有多个均匀分布的天 线骨架安装座 7, 天线骨架安装座 7上幵设有螺纹通孔, 以便于天线安装骨架的 安装。
[0027] 在本实施例中, 第一层骨架 1、 第二层骨架 2、 第三层骨架 3的机构较为复杂, 采用传统的加工方式, 其加工精度得不到满足, 而且加工难度非常大, 因此本 发明的骨架均采用 3D加工技术加工而成。

Claims

权利要求书
[权利要求 1] 一种共形天线阵列, 其特征在于: 它包括第一层骨架 (1) 、 第二层 骨架 (2) 、 第三层骨架 (3) 、 天线 (11) 和定位装置 (10) , 所述 的第一层骨架 (1) 、 第二层骨架 (2) 、 第三层骨架 (3) 均在同一 椭球面内, 且每一层的倾角均不相同, 所述的第一层骨架 (1) 、 第 二层骨架 (2) 与椭球面相切, 第三层骨架 (3) 与第二层骨架 (1) 的球面切线具有切线夹角 a, 所述的第一层骨架 (1) 、 第二层骨架 ( 2) 、 第三层骨架 (3) 上均幵设有多个天线安装孔 (4) , 所述的天 线安装孔 (4) 周围的骨架上设置有多个天线支撑柱 (6) , 所述的天 线 (11) 上设置有与天线支撑柱 (6) 对应的安装孔 (12) , 所述的 天线 (11) 通过螺钉安装在天线支撑柱 (6) 上, 且天线 (11) 位于 对应的天线安装孔 (4) 内, 所述的定位装置 (10) 安装在第一层骨 架 (1) 的顶部。
[权利要求 2] 根据权利要求 1所述的一种共形天线阵列, 其特征在于: 所述的第一 层骨架 (1) 上均匀安装有四个天线 (11) , 所述的第二层骨架 (2) 上均匀安装有八个天线, 所述的第三层骨架 (3) 上均匀安装有十一 个天线 (11) 。
[权利要求 3] 根据权利要求 1所述的一种共形天线阵列, 其特征在于: 所述的第一 层骨架 (1) 的顶部还幵设有一定位装置安装孔 (5) , 在定位装置安 装孔 (5) 周围的骨架上还设置有四个用以安装定位装置 (10) 的定 位装置定位柱 (9) 。
[权利要求 4] 根据权利要求 1所述的一种共形天线阵列, 其特征在于: 所述的第一 层骨架 (1) 的顶部为圆顶结构。
[权利要求 5] 根据权利要求 1所述的一种共形天线阵列, 其特征在于: 所述的第一 层骨架 (1) 和第二层骨架 (2) 的相接环上以及第二层骨架 (2) 和 第三层骨架 (3) 的相接环上均幵设有减重孔 (8) 。
[权利要求 6] 根据权利要求 1所述的一种共形天线阵列, 其特征在于: 所述的第三 层骨架 (3) 底部的外侧壁上设置有多个均匀分布的天线骨架安装座 (7) , 天线骨架安装座 (7) 上幵设有螺纹通孔。
[权利要求 7] 根据权利要求 1所述的一种共形天线阵列, 其特征在于: 所述的切线 夹角 a为 10°。
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