CN104518290A - 一种用于l波段宽角扫描的相控阵雷达天线 - Google Patents
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Abstract
本发明属于雷达天线技术领域,具体涉及一种用于L波段宽角扫描的相控阵雷达天线,包括金属反射板,所述金属反射板上设置有若干排L型支撑件,所述支撑件上设置有若干寄生柱,相邻两寄生柱之间设置有振子单元,所述振子单元按三角形阵列排布。本发明特殊的三角形阵列结构,再通过对天线单元的寄生结构以及检测环天线的巧妙设计,使其具有宽频带,宽波束,高隔离,宽扫描范围,带内无扫描盲点等优越的电气性能,天线的结构简便,重量轻巧,制造方便,易于进行大型雷达天线阵列的生产和实验。
Description
技术领域
本发明属于雷达天线技术领域,具体涉及一种用于L波段宽角扫描的相控阵雷达天线。
背景技术
在现代雷达技术中,具有大瞬时带宽、大角扫描特性(10%带宽,±60°扫描范围)的相控阵天线在未来的防空武器和测控***中具有重大作用,但是宽角扫描有两个技术难点,即存在扫描盲点和大角度扫描时会使增益降低。同时这种天线测试、维护难度也很高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷和不足,提供一种用于L波段宽角扫描的相控阵雷达天线,该天线宽频带,宽波束,高隔离,宽扫描范围,并且结构简单。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:包括金属反射板,所述金属反射板上设置有若干排L型支撑件,所述支撑件上设置有若干寄生柱,相邻两寄生柱之间设置有振子单元,所述振子单元按三角形阵列排布。
进一步的,所述振子单元正面为两臂下折的微带对称振子,所述振子长度为中心频率波长的0.4~0.5倍,宽度为中心频率波长的0.1~0.2倍,下折角度为30°。
进一步的,所述微带对称振子采用FR4型双面覆铜介质板,介电常数εr=4.4,介质损耗角正切tanδ=0.02,介质板厚度2mm,介质板双面覆着铜箔的厚度为36μm。
进一步的,所述振子单元背面设置有用于耦合馈电的渐变巴伦,所述渐变巴伦包括渐变匹配部分和耦合馈电部分,渐变匹配部分呈梯形,底部宽度为中心频率波长的0.02~0.03倍,顶部宽度为中心频率波长的0.01~0.02倍,渐变部分长度为中心频率波长的0.15~0.20倍;耦合馈电部分呈倒U型,U型部分宽度一致为中心频率波长的0.01~0.02倍,总长度为中心频率波长的0.36~0.38倍。
进一步的,所述振子单元背面对称设置有检测小环天线,所述检测小环天线通过同轴线与振子单元连接。
进一步的,所述检测小环天线为微带形式,其蚀刻于振子单元两臂的背面,小环周长约为中心频率波长的0.1倍。
进一步的,所述检测小环天线的输出端分别串接高阻电阻,再与匹配电阻并接,然后与阵子天线连接,所述高阻电阻的阻值为470Ω~520Ω,所述匹配电阻的阻值为47~55Ω。
进一步的,所述振子单元按三角形阵列排布,平行阵子方向阵间距为中心频率波长的0.5~0.6倍,垂直振子方向阵间距为中心频率波长的0.4~0.5倍。
进一步的,所述寄生柱为矩形金属柱,高度为中心频率波长的0.2~0.3倍,垂直于振子单元面方向的宽度为中心频率波长的0.06~0.08倍,所述寄生柱距相邻振子单元中心间距为中心频率波长的0.5~0.6倍。
进一步的,所述的金属反射板,宽度为中心频率波长的2.4~2.6倍,长度为中心频率波长的3.1~3.4倍,金属反射板到振子单元顶端的距离为中心频率波长的0.25-0.35倍。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:利用寄生技术有效的展宽振子单元方向图,并应用三角形阵列展宽振子单元的阵中方向图,保证振子单元方形图半功率波束宽度能够覆盖整个扫描范围,这种特性能够保证将扫描盲点排除在扫描范围之外,同时保证大角扫描时天线的增益足够高。三角形阵列在相同的有效面积下,阵列单元数可相对减少13%,但阵列性能保持不变。通过设置寄生柱,可将单元方向图从60°展宽到120°以上,同时,寄生柱放在振子单元之间会起到隔离的作用。
进一步的,通过设置两臂下折的微带对称振子,保证振子单元H面方向图的波束宽度。
进一步的,通过设置渐变巴伦的馈电结构,保证天线在宽带范围内的匹配特性。
进一步的,通过设置检测小环检测天线,通过计算小环检测天线的输出数据,即可得到振子臂上的电流分布,进而通过远场计算得到振子单元的远场方向图,对方向图数据进行分析,即可判定振子单元是否工作正常,实现监控。
附图说明
图1为本发明俯视图;
图2为本发明侧视图;
图3为本发明振子单元示意图;
图4为阵列中心振子单元的驻波曲线;
图5为阵列中心振子单元的方向图;
图6为检测小环天线匹配时的驻波曲线;
图7为阵列中心振子单元与检测小环天线的互耦曲线;
图8为检测小环天线示意图;
其中:1为振子单元;2为寄生柱;3为金属反射板;4为检测小环天线;5为L型件;6为高阻电阻;7为匹配电阻。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
参见图1、2、8,本发明包括金属反射板3,所述金属反射板3上设置有若干排L型支撑件5,所述支撑件5上设置有若干寄生柱2,相邻两寄生柱2之间设置有振子单元1,所述振子单元1按三角形阵列排布,平行阵子方向阵间距为中心频率波长的0.5~0.6倍,垂直振子方向阵间距为中心频率波长的0.4~0.5倍。上述三角形阵列在相同的有效面积下,阵列单元数可相对减少13%,但阵列性能保持不变。
振子单元1正面为两臂下折的微带对称振子,所述振子长度为中心频率波长的0.4~0.5倍,宽度为中心频率波长的0.1~0.2倍,下折角度为30°。所述微带对称振子采用FR4型双面覆铜介质板,介电常数εr=4.4,介质损耗角正切tanδ=0.02,介质板厚度2mm,介质板双面覆着铜箔的厚度为36μm。
振子单元1背面设置有用于耦合馈电的渐变巴伦,所述渐变巴伦包括渐变匹配部分和耦合馈电部分,渐变匹配部分呈梯形,底部宽度为中心频率波长的0.02~0.03倍,顶部宽度为中心频率波长的0.01~0.02倍,渐变部分长度为中心频率波长的0.15~0.20倍;耦合馈电部分呈倒U型,U型部分宽度一致为中心频率波长的0.01~0.02倍,总长度为中心频率波长的0.36~0.38倍。所述微带对称阵子天线的两臂下折,下折的两臂能够展宽微带对称振子天线的H面方向图波束宽度,展宽宽度约为15°;所述巴伦对微带振子天线进行平衡馈电,可以起到宽带匹配的作用。
振子单元1背面对称设置有检测小环天线4,所述检测小环天线4通过同轴线与振子单元1连接。检测小环天线4为微带形式,其蚀刻于振子单元1两臂的背面,小环周长约为中心频率波长的0.1倍。检测小环天线4的输出端分别串接高阻电阻6,再与匹配电阻7并接,然后与阵子天线1连接,所述高阻电阻6的阻值为470Ω~520Ω,所述匹配电阻7的阻值为47~55Ω。
所述寄生柱2为矩形金属柱,高度为中心频率波长的0.2~0.3倍,垂直于振子单元1面方向的宽度为中心频率波长的0.06~0.08倍,所述寄生柱2距相邻振子单元1中心间距为中心频率波长的0.5~0.6倍。寄生柱可将单元方向图从60°展宽到120°以上,同时,寄生柱放在振子天线之间会起到隔离的作用。金属反射板3,宽度为中心频率波长的2.4~2.6倍,长度为中心频率波长的3.1~3.4倍,金属反射板3到振子单元1顶端的距离为中心频率波长的0.25-0.35倍。振子单元的正面向下倾斜部分为振子臂,中间部分为微带巴伦,底部横条为振子单元与L型件的焊接部。L型件5的高度为20mm。所述振子单元1用铆钉固定在L型件5上,L型件5采用铆钉固定在金属反射板3上。
参见图3,小环检测天线馈电端通过两个金属化过孔连接到正面的振子臂1上,在正面振子臂1上有一个小金属焊盘,焊盘周围的一圈金属蚀刻掉,以此来与振子臂绝缘,焊盘上有一个与背面小环检测天线相连的金属化过孔、焊盘之外的天线臂上也有同样的金属化过孔与小环检测天线相连,焊盘上的金属化过孔连接同轴线的芯线,振子臂上的金属化过孔连接同轴线外皮。同轴线的外皮一直沿着振子单元表面向下焊接至金属反射板附近,再通过射频接头连接到金属反射板上。通过计算小环检测天线的输出数据,即可得到振子臂上的电流分布,进而通过远场计算得到振子天线的远场方向图,对方向图数据进行分析,即可判定振子天线是否工作正常,实现监控。
参见图4-7,阵列中心振子单元的驻波在设计频段VSWR≤1.35;阵列中心单元在中心频率E面、H面方向图的半功率波束宽度分别为133°和117°,这就能够保证±60°扫描范围内无扫描盲点;阵列中心单元上蚀刻的检测小环天线在匹配状态下的VSWR≤1.3,检测小环天线与阵列中心单元之间的互耦约为-55dB。
本天线为相控阵天线,为保证阵列天线和检测小环天线的正常使用,需要对振子单元和检测小环进行初始校准。这一过程需要配置一种屏蔽环探头,通过探头检测每一个单元上电流的初始幅度和相位(存在加工误差和材料的公差,即使给相同的馈电模式,每个单元辐射端电流的初始幅度、相位也都不一样),根据探头检测到的数据,通过后端馈电设备的调整,以阵列中心单元为基准,使每个单元辐射端的幅度和相位一致,这就完成的了对振子天线的校准;之后,在前一步校准的基础上,再通过检测环天线检测振子天线上的电流,检测数据同样是存在误差的,由于振子天线的辐射已经调成等副同相状态,所以将数据中的误差输入到检测小环天线后端的处理程序中,作为初始值进行归零,这样程序再处理检测小环天线输出的数据就是一致的,也即完成了检测小环天线的校准,然后整个阵列天线即可正常进行扫描使用和实时监控。阵列校准过之后,以后使用不需再进行校准,如果阵列更换单元,则需要重新进行校准。本天线扫描工作时,通过对每个单元馈电相位的控制实现扫描功能——以某一个单元为基准,相邻单元间依次相差固定差值的相位差。
本发明采用特殊的三角形阵列结构,再通过对天线单元的寄生结构以及检测环天线的巧妙设计,使其具有宽频带,宽波束,高隔离,宽扫描范围,带内无扫描盲点等优越的电气性能,天线的结构简便,重量轻巧,制造方便,易于进行大型雷达天线阵列的生产和实验。
Claims (10)
1.一种用于L波段宽角扫描的相控阵雷达天线,其特征在于,包括金属反射板(3),所述金属反射板(3)上设置有若干排L型支撑件(5),所述支撑件(5)上设置有若干寄生柱(2),相邻两寄生柱(2)之间设置有振子单元(1),所述振子单元(1)按三角形阵列排布。
2.根据权利要求1所述的一种用于L波段宽角扫描的相控阵雷达天线,其特征在于,所述振子单元(1)正面为两臂下折的微带对称振子,所述振子长度为中心频率波长的0.4~0.5倍,宽度为中心频率波长的0.1~0.2倍,下折角度为30°。
3.根据权利要求2所述的一种用于L波段宽角扫描的相控阵雷达天线,其特征在于,所述微带对称振子采用FR4型双面覆铜介质板,介电常数εr=4.4,介质损耗角正切tanδ=0.02,介质板厚度2mm,介质板双面覆着铜箔的厚度为36μm。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于L波段宽角扫描的相控阵雷达天线,其特征在于,所述振子单元(1)背面设置有用于耦合馈电的渐变巴伦,所述渐变巴伦包括渐变匹配部分和耦合馈电部分,渐变匹配部分呈梯形,底部宽度为中心频率波长的0.02~0.03倍,顶部宽度为中心频率波长的0.01~0.02倍,渐变部分长度为中心频率波长的0.15~0.20倍;耦合馈电部分呈倒U型,U型部分宽度一致为中心频率波长的0.01~0.02倍,总长度为中心频率波长的0.36~0.38倍。
5.根据权利要求1所述的一种用于L波段宽角扫描的相控阵雷达天线,其特征在于,所述振子单元(1)背面对称设置有检测小环天线(4),所述检测小环天线(4)通过同轴线与振子单元(1)连接。
6.根据权利要求5所述的一种用于L波段宽角扫描的相控阵雷达天线,其特征在于,所述检测小环天线(4)为微带形式,其蚀刻于振子单元(1)两臂的背面,小环周长约为中心频率波长的0.1倍。
7.根据权利要求4所述的一种用于L波段宽角扫描的相控阵雷达天线,其特征在于,所述检测小环天线(4)的输出端分别串接高阻电阻(6),再与匹配电阻(7)并接,然后与阵子天线(1)连接,所述高阻电阻(6)的阻值为470Ω~520Ω,所述匹配电阻(7)的阻值为47~55Ω。
8.根据权利要求1所述的一种用于L波段宽角扫描的相控阵雷达天线,其特征在于,所述振子单元(1)按三角形阵列排布,平行阵子方向阵间距为中心频率波长的0.5~0.6倍,垂直振子方向阵间距为中心频率波长的0.4~0.5倍。
9.根据权利要求1所述的一种用于L波段宽角扫描的相控阵雷达天线,其特征在于,所述寄生柱(2)为矩形金属柱,高度为中心频率波长的0.2~0.3倍,垂直于振子单元(1)面方向的宽度为中心频率波长的0.06~0.08倍,所述寄生柱(2)距相邻振子单元(1)中心间距为中心频率波长的0.5~0.6倍。
10.根据权利要求1所述的一种用于L波段宽角扫描的相控阵雷达天线,其特征在于,所述的金属反射板(3),宽度为中心频率波长的2.4~2.6倍,长度为中心频率波长的3.1~3.4倍,金属反射板(3)到振子单元(1)顶端的距离为中心频率波长的0.25-0.35倍。
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