CN116470285A - 一种产生宽带强脉冲调制辐射场的近场聚焦相控阵天线 - Google Patents
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Abstract
本发明属于天线与电磁兼容技术领域，具体涉及一种产生宽带强脉冲调制辐射场的近场聚焦相控阵天线。包括宽带天线单元、发射组件、发射功分网络、驱动放大器、脉冲调制信号生成模块、接收合成网络、自检接收机、激励器、波控模块、电源模块、冷板和阵面结构，脉冲调制信号生成模块、驱动放大器和发射功分网络依次相接，发射功分网络分别与多个发射组件相接，多个发射组件和多组宽带天线单元连接；多个发射组件的返回端与依次相接的接收合成网络、自检接收机和波控模块连接；波控模块分别与脉冲调制信号生成模块、自检接收机、激励器、驱动放大器相连接，激励器与多个发射组件相连接。本发明能够在3m距离产生数千乃至上万V/m、占空比大于10%的脉冲调制辐射场，能够实现3m距离近场聚焦和自动波束电扫描。
Description
技术领域：
本发明属于天线与电磁兼容技术领域，具体涉及一种产生宽带强脉冲调制辐射场的近场聚焦相控阵天线。
背景技术：
舰载、机载雷达和通信发射机等大功率辐射源所形成的强脉冲调制辐射场对武器装备构成了严重的电磁威胁，多型装备将抗电磁辐射效能提升至战技指标高度对装备进行考核。装备抗电磁辐射效能评估的主要依据是GJB1389A-2005规定的外部射频电磁环境要求，根据标准规定，需要在很宽的频段产生强脉冲调制辐射场。尤其是S波段需要产生的脉冲调制辐射场，其电场峰值可达数千乃至上万V/m量级，且占空比大于10％。
截至目前，国内并没有能够同时满足该电场峰值和占空比要求的实验装置。国内现有的辐射场试验装置多采用“信号源+单一功率放大器+天线”方式，然而单一的微波频段脉冲调制功率放大器输出能力有限，难以满足数千乃至上万V/m电场生成需求；采用磁控管发射机的方式生成强脉冲辐射场，虽场强能够满足要求，但占空比只能达到0.12％，仍无法满足标准辐射场生成需求。
经研究，应用近场聚焦相控阵天线可以生成宽带强脉冲调制辐射场。目前的近场聚焦相控阵天线多为微带天线阵或开槽天线阵，主要包括天线单元、信号生成模块、功率放大模块、功分网络、波控模块、电源组件；该类型天线阵带宽窄，天线阵主要工作在连续波、小功率模式，缺乏散热和电磁防护设计，多应用于医疗、安防、无线能量传输等领域。因此，目前的近场聚焦相控阵天线带宽窄、功率容量低、不适应脉冲调制模式、散热差、电磁防护能力弱，难以适用于3m工作平面上产生数千乃至上万V/m、占空比大于10％的脉冲调制辐射场的应用场景。
发明内容：
本发明要克服现有技术存在的带宽窄、功率容量低、不适应脉冲调制模式、散热差、电磁防护能力弱的问题，提供一种产生宽带强脉冲调制辐射场的近场聚焦相控阵天线。
为了达到本发明的目的，本发明提供的技术方案是：一种产生宽带强脉冲调制辐射场的近场聚焦相控阵天线，包括宽带天线单元、发射组件、发射功分网络、驱动放大器、脉冲调制信号生成模块、接收合成网络、自检接收机、激励器、波控模块、电源模块、冷板和阵面结构，所述脉冲调制信号生成模块、驱动放大器和发射功分网络依次相接，发射功分网络分别与多个发射组件相接，多个发射组件和多组宽带天线单元连接，作为信号发射通道；所述多个发射组件的返回端与依次相接的接收合成网络、自检接收机和波控模块连接，作为自检接收通道；所述波控模块分别与脉冲调制信号生成模块、自检接收机、激励器、驱动放大器相连接，激励器与多个发射组件相连接，作为控制通道；所述电源模块分别与脉冲调制信号生成模块、驱动放大器、自检接收机、激励器和多个发射组件相连接，作为供电通道。
进一步的，上述发射组件内部的末级功放后配置隔离器、耦合器和大功率负载。
进一步的，上述阵面结构包括阵列底座和阵面外壳，多组宽带天线单元组成天线阵列固定于阵列底座上，阵列底座通过***的挡板与阵面外壳连接，形成“凹”型完全屏蔽体，在“凹”型口位置设置有天线罩，天线罩的***为连接区，中间为透波区。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明所述宽带天线单元具有宽频带、高增益、高功率容量的特点，设计参数：工作频带内驻波比＜1.5，典型频点增益＞6.5dBi，功率容量不低于60W；所述脉冲调制信号生成模块5可生成***所需的宽带、大占空比脉冲调制信号；所述驱动放大器4和发射组件2可对信号进行放大，单个发射组件2的额定输出功率不低于60W；所述发射功分网络3的功分单元带内驻波比＜2，插损＜3.3dB。以上组部件是相控阵天线宽频带、高功率容量和大占空比设计的基础。
2、本发明所述相控阵天线能够在3m距离产生数千乃至上万V/m、占空比大于10％的脉冲调制辐射场，能够实现3m距离近场聚焦和自动波束电扫描。3m距离对于相控阵整体而言属于近场，但对于单独天线单元而言属于远场，因此发明利用各天线单元远场同相位叠加的思路设计聚焦相控阵。利用发明点三所述方法，通过软件控制各发射组件的相位，令各天线单元所产生的辐射场在近场聚焦场点同相位叠加实现。相控阵的天线单元和发射组件数目根据不同的辐射场强要求变化，场强越强所需的单元和发射组件数目越多。
3、本发明所述相控阵天线受试***多为电大尺寸***，因此常面临数千乃至上万V/m反射场，因此采取以下措施进行电磁防护：a)发射组件2内部的末级功放后配置隔离器、耦合器和大功率负载，以隔离并吸收从天线耦合进入发射组件2内部的电磁能量，以保护发射组件2的末级功放；b)阵面结构为屏蔽体，阵面底座通过金属挡板与阵面外壳相连接，有效形成完整的屏蔽体；反射场被阵面外壳、挡板和阵面底座形成的完整屏蔽体阻挡，整个屏蔽体具有不低于20dB屏蔽效能。该结构不影响天线通过透波区对外辐射，而通过天线耦合进入发射组件2的能量又被隔离器、耦合器和大功率负载吸收。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为阵面屏蔽设计的结构示意图；
图中：1-宽带天线单元，2-发射组件，3-发射功分网络，4-驱动放大器，5-脉冲调制信号生成模块，6-接收合成网络，7-自检接收机，8-激励器，9-波控模块，10-电源模块，11-冷板，12-阵面结构，13-阵列底座，14-阵面外壳，15-挡板，16-连接区，17-透波区，18-螺钉，19-天线阵列。
具体实施方式：
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
一种产生宽带强脉冲调制辐射场的近场聚焦相控阵天线，包括宽带天线单元1、发射组件 2、发射功分网络 3、驱动放大器 4、脉冲调制信号生成模块 5、接收合成网络 6、自检接收机 7、激励器 8、波控模块 9、电源模块 10、冷板11和阵面结构12。所述脉冲调制信号生成模块5、驱动放大器4和发射功分网络3依次相接，发射功分网络3分别与多个发射组件2相接，多个发射组件2和多组宽带天线单元1连接，作为信号发射通道；所述多个发射组件2的返回端与依次相接的接收合成网络6、自检接收机7和波控模块9连接，作为自检接收通道；所述波控模块9分别与脉冲调制信号生成模块5、自检接收机7、激励器8、驱动放大器4相连接，激励器8与多个发射组件2相连接，作为控制通道；所述电源模块10分别与脉冲调制信号生成模块5、驱动放大器4、自检接收机7、激励器8和多个发射组件2相连接，作为供电通道。
所述发射组件2内部的末级功放后配置隔离器、耦合器和大功率负载，以隔离并吸收从天线耦合进入发射组件2内部的电磁能量，以保护发射组件2的末级功放；
所述阵面结构12包括阵列底座和阵面外壳，多组宽带天线单元1组成天线阵列固定于阵列底座上，阵列底座通过***的金属挡板与阵面外壳连接，形成“凹”型完全屏蔽体，在“凹”型口位置设置有天线罩，天线罩通过螺栓与阵面外壳连接，天线罩的***为连接区，中间为透波区。天线阵列所产生的电磁波可通过该区域向外辐射，而反射场被“凹”型屏蔽体屏蔽，具有20dB屏蔽效能。反射场仅通过天线单元接收。
本发明所述相控阵天线的工作原理为：外置主控计算机向天线阵面上的波控模块9下发脉冲调制信号生成、近场聚焦发射和波束扫描指令；波控模块9解算信号生成指令后控制脉冲调制信号生成模块5产生所需的宽带、大占空比的脉冲调制射频信号；经驱动放大器4放大后进入发射功分网络3，进行功率等分后进入相应的发射组件2；与此同时，波控模块9解散近场聚焦发射和波束扫描指令，通过激励器8控制各发射组件2的相位分布和功率，经放大和相位控制后的射频信号馈入宽带天线单元1，并向空间发射，进行空间功率合成，实现指定距离、角度、信号类型和照射区域的辐射电场。为实现相控阵天线的自检，每个发射组件2返回一路自检信号，经接收合成网络6后合成为一路信号，返回自检接收机7；自检接收机7将合成自检信号变频至中频，并进行IQ解调，形成含有幅度和相位信息的中频信号，送至波控模块9；波控模块9将该信号进行数字化后上传至外置主控计算机，供测试人员检查射频输出信号、射频链路功能、发射组件移相和功率输出、天线波控参数是否正确。相控阵内部集成多条冷板11，用于发射组件2和电源模块10的冷却。阵面结构12用于安装天线阵面的所有设备和组部件。
多组宽带天线单元1所产生的辐射场在近场聚焦场点同相位叠加，具体的同相叠加方法为：a)确定近场聚焦场点P(x',y')，计算阵面相位中心O到场点的距离r；b)计算天线单元(i,j)(i＝1,2,...,M,j＝1,2,...,N)至场点的距离ri,j，其中M和N为相控阵所包含天线单元的行、列总数；c)计算Δi,j＝ri,j-r(i＝1,2,...,M,j＝1,2,...,N)，分别控制天线单元(i,j)对应发射组件的发射通路相位，对Δi,j进行相位补偿。
下面通过一个具体的实施例对本发明进行详细地描述：
一种用于产生S波段3GHz～3.5GHz、3m远距离场强3700V/m、占空比10％～50％脉冲调制辐射场的近场聚焦相控阵天线。包括设置于阵面结构12上的S波段频率综合器1、驱动放大器2、1分64发射功分单元3、64个发射组件4、64合1接收合成网络6、自检接收机7、12个电源模块 8、波控模块 9、激励器10和256个电磁偶极子天线5，所述冷板11包括包括8条发射组件冷板和3条电源冷板。还包括温度、姿态等传感器。
(1)S波段频率综合器：用于生成S波段3GHz～3.5GHz、占空比10％～50％的脉冲调制信号，信号幅度、脉冲重复频率和占空比可程控调节；为自检接收机提供3.24GHz～3.74GHz的本振信号；为波控模块9采集和同步提供100MHz连续波时钟信号；能够输出***时序信号。
(2)驱动放大器：能够对S波段频率综合器输出的脉冲调制信号进行放大，增益≥20dB，增益可程控调节。
(3)1分64功分网络：功分器采用3dB电桥结构，单级功分器***损耗<3.3dB，1分64功分网络实现S波段频率综合器到64个发射组件的等功率分配；
(4)发射组件：总共64个发射组件，能够对3GHz～3.5GHz或8GHz～12GHz脉冲调制信号进行功率放大输出；每个发射组件内置1分4功分器，可实现1路输入到4路输出，各路信号间隔离度大于30dB；每个发射组件连接四个天线单元，发射组件每通路最大输出功率不低于65W；发射组件可提供通道自检信号，每路信号耦合部分发射功率，4合1后返回接收合成单元；发射组件的每路通道末级安装耦合器，对于反向耦合进入T组件的信号具有25dB的隔离度；发射组件通过串口与激励器通讯，接收到激励器下发的配相码后放大和移相。
(5)电磁偶极子天线单元：天线单元采用电磁偶极子形式，工作频率3GHz～3.5GHz范围内驻波比小于2,典型频点增益大于6.5dBi；天线单元垂直极化；最大口径尺寸≤45mm；
(6)64合1接收合成单元：合成器采用3dB电桥结构，单级***损耗<3.3dB，64合1接收合成单元实现64个发射组件抽取的自检信号到自检接收机的功率合成；
(7)自检接收机：可将输入的自检射频信号变频至240MHz中频，具有限幅功能，本振信号由S波段频率综合器提供，具备中频信号输出测试功能。
(8)电源模块：包括11个28V直流电源模块和1个12V直流电源模块，其中28V电源模块为发射组件等用电设备供电；12V直流电源模块为波控模块9和激励器等控制模块供电。
(9)波控模块9：与主控计算机通信，接收主控计算机下发的256个通道移相码和通道电源码，并分发成16个数据包，并行下发到16个激励器中；与S波段频率综合器通信，配合S波段频率综合器完成整个相控阵工作时序信号的产生和执行，完成***自检、通道自检、扫描等工作；与自检接收机通信，接收自检接收机的中频模拟自检信号，计算出发射信号的幅度和相移，供主控计算机进行发射延时的补偿修正；与激励器通信，通过激励器控制发射的移相和功率放大输出，接收发射上报的故障信息，上传主控计算机；
(10)激励器：将波控模块9下发的16个通道的相移码和电源码配置到4个发射组件中。
(11)冷板：包括8条发射组件冷板和3条电源冷板，其中1条发射组件冷板两侧安装8个发射组件，1条电源冷板两侧安装4个电源模块，冷板内有循环液冷通道，可对发射组件和电源模块进行液冷降温。
(12)温度、姿态等传感器：温度传感器用于对发射组件和电源模块等易发射设备进行温度监控，姿态传感器用于监测阵面的俯仰和方位位置。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (3)
1.一种产生宽带强脉冲调制辐射场的近场聚焦相控阵天线，包括宽带天线单元（1）、发射组件（2）、发射功分网络（3）、驱动放大器（4）、脉冲调制信号生成模块（5）、接收合成网络（6）、自检接收机（7）、激励器（8）、波控模块（9）、电源模块（10）、冷板（11）和阵面结构（12），其特征在于：所述脉冲调制信号生成模块（5）、驱动放大器（4）和发射功分网络（3）依次相接，发射功分网络（3）分别与多个发射组件（2）相接，多个发射组件（2）和多组宽带天线单元（1）连接，作为信号发射通道；所述多个发射组件（2）的返回端与依次相接的接收合成网络（6）、自检接收机（7）和波控模块（9）连接，作为自检接收通道；所述波控模块（9）分别与脉冲调制信号生成模块（5）、自检接收机（7）、激励器（8）、驱动放大器（4）相连接，激励器（8）与多个发射组件（2）相连接，作为控制通道；所述电源模块（10）分别与脉冲调制信号生成模块（5）、驱动放大器（4）、自检接收机（7）、激励器（8）和多个发射组件（2）相连接，作为供电通道。
2.根据权利要求1所述的一种产生宽带强脉冲调制辐射场的近场聚焦相控阵天线，其特征在于：所述发射组件（2）内部的末级功放后配置隔离器、耦合器和大功率负载。
3.根据权利要求2所述的一种产生宽带强脉冲调制辐射场的近场聚焦相控阵天线，其特征在于：所述阵面结构（12）包括阵列底座和阵面外壳，多组宽带天线单元（1）组成天线阵列固定于阵列底座上，阵列底座通过***的挡板与阵面外壳连接，形成“凹”型完全屏蔽体，在“凹”型口位置设置有天线罩，天线罩的***为连接区，中间为透波区。
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