一種用於陣列天線監測的天線及其應用的製作方法

2023-07-24 02:02:56

本發明涉及雷達、通信、測控及遙感技術領域，具體涉及一種用於陣列天線監測的天線及其應用。

背景技術：

陣列天線在投入運行之後，在每次開機過程中，要對各天線單元之間的幅相誤差進行監測，以便在不停機工作狀態下監測出失效的微波器件並及時維修更換，使得大量天線單元的陣天線保證得到高的工作可靠度。陣列天線監測中，按照陣列單元採樣或測試信號注入路徑的不同，分為內監測和外監測兩種。其中，陣列天線陣面外監測通道是一種基於單元互耦理論用於相控陣天線外部監測的信道。在天線陣面的合適位置，安置一定數量的監測天線單元，該監測天線單元輻射的電磁波會耦合到鄰近的陣面單元，依次選通陣面單元測得接收信號的幅相值，通過比較就可以判斷接收通道的幅相誤差。

中國電子科技集團公司第十研究所在專利「具有內校準網絡的有源相控陣天線」(公開號：CN105390814A)中提出了一種具有內校準網絡的有源相控陣天線，這種天線將每個天線陣元通道的幅相信息，通過封閉於多層帶狀線印製板內的一體化熱壓合成型內校準網絡耦合提取出來，送入信號終端校準。內校準網絡為帶狀線耦合器從陣面射頻前端的饋電傳輸線耦合出各通道的能量，通過多個可以調諧的T型結進行功率合成為一個總的收發校準信號，該收發校準信號在經由信號處理模塊對天線各通道進行幅度和相位的補償。這種方法具有硬體設備需求量少，校準精度高，受外部環境影響小的優點；但是此專利用於校準的監測天線和陣面輻射單元天線形式相同，對各天線通道耦合能量不是很均勻，會給後續的信號處理帶來一定的麻煩。中國船舶重工集團公司第七二四研究所在專利「一種用於數字相控陣列天線的內監測網絡模塊」(公開號：CN104934725A)中提出了一種內監測網絡模塊，這種網絡由上下兩層帶狀線以及耦合孔組成；通過在天線公共地上開雙耦合孔，縮短了天線主路的饋電路徑長度，從而減小了能量損耗。但此種內監測網絡無法監測天線單元以及互耦，所監測到的幅相數據和實際數據有一定差別；且這種內監測網絡不能監測天線的安裝誤差，以及陣元方向圖的幅相不一致性。西安電子工程研究所在專利「一種相控陣雷達發射通道遠場校準方法及系統」(公開號：CN104360328A)中提出了一種相控陣雷達發射通道遠場校準方法，在遠場設置兩個極化相互垂直的天線，在天線陣面上安裝一個極化與陣面垂直的輔助天線，接收遠場天線的信號，在雷達信號處理機中對信號進行處理；這種方法相對傳統方法省去了在遠端架設頻譜儀，示波器等信號測量設備，以及省去了在遠端傳送參考時鐘；雖然此專利在天線陣列相位校準方面具有優勢，但是並未提及對天線陣列幅度校準的方法。2012年8月《微波學報》公開的文獻《基於近場測試的相控陣天線自動化校準與陣面檢測方法》針對小型化相控陣平臺，通過硬連接將相控陣天線的波控系統與測試設備相結合，提出了一種簡便的自動化近場逐點校準方法和外監測方法；這種方法具有速度快，校準精度高，對設備要求少的優點，但是對於大型相控陣二維相掃的情況，校準與監測效果將會惡化。2008年南京理工大學公開的碩士學位論文《相控陣天線監測技術研究》中詳細的介紹了應用於相控陣雷達的內外監測技術，並提出了一種實用相控陣內外監測技術的實現，在外監測方案的實現中，為了保證耦合到各通道能量均一性，用了4個單元天線作為監測天線，雖然耦合能量均一性好，但是多個監測天線的使用對陣面輻射特性影響更大，也增大了系統複雜度。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種用於陣列天線監測的天線及其應用，其是一種軸向寬波速天線，置於陣列天線的中心位置，在天線陣面的平面具有水平全向的輻射方向圖，此種天線本身結構簡單，體積小，造價低廉，可靠性高；本天線應用於相控陣雷達監測時，對各天線通道的能量耦合有著很好的均一性，使得監測天線單元輻射的電磁波會耦合到鄰近的陣列單元的幅度和相位均勻，利於天線監測功能的實現。

為了達到上述目的，本發明通過以下技術方案實現：

一種用於陣列天線監測的天線，該天線為一軸向寬波束天線，其包含：

單極子輻射體，為金屬柱體；

輻射體保護介質套，包裹在單極子輻射體外，與單極子輻射體等長；

介質支撐柱體，支撐單極子輻射體，用於增強天線整體的結構強度，保證單極子輻射體不變形；

同軸饋電裝置，其頂部伸出一內導體，內導體外套設所述的介質支撐柱體組成阻抗過渡段，單極子輻射體直徑與該內導體直徑相同；

固定基座，用於固定天線整體，同軸饋電裝置和介質支撐柱體的連接體由該固定基座底部插入並鑲嵌在固定基座中，同軸饋電裝置起到電路中地的作用。

上述的用於陣列天線監測的天線，其中：

單極子輻射體長度與輻射的電磁波波長滿足以下關係式：l≈(0.18λ～0.22λ)，式中，l為單極子輻射體長度，λ為輻射的電磁波波長。

上述的用於陣列天線監測的天線，其中：

所述輻射體保護介質套採用聚四氟乙烯材料製成。

上述的用於陣列天線監測的天線，其中：

輻射體保護介質套直徑與單極子輻射體直徑滿足以下關係式：式中，εr為輻射體保護介質套的相對介電常數，Z0為輻射體保護介質套的輻射阻抗，a為單極子輻射體的直徑，b為輻射體保護介質套直徑。

上述的用於陣列天線監測的天線，其中：

同軸饋電裝置為一SMP射頻接插件。

所述的用於陣列天線監測的天線在相控陣雷達上作為監測天線的應用。

上述的用於陣列天線監測的天線在相控陣雷達上作為監測天線的應用，其中：

天線通過固定基座固定在相控陣列雷達天線陣列中心位置。

本發明與現有技術相比具有以下優點：

1、結構簡單，體積小，造價低廉，可靠性高；

2、置於陣列天線的中心位置，在天線陣面的平面具有水平全向的輻射方向圖；

3、本天線應用於相控陣雷達監測時，對各天線通道的能量耦合有著很好的均一性，使得監測天線單元輻射的電磁波會耦合到鄰近的陣列單元的幅度和相位均勻，利於天線監測功能的實現

附圖說明

圖1為本發明的整體結構模型爆炸圖；

圖2為本發明的整體結構模型立體圖；

圖3為本發明的整體結構模型主視圖；

圖4為本發明的天線全向輻射增益方向圖；

圖5為無線大地面上單極子天線輻射示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖，通過詳細說明一個較佳的具體實施例，對本發明做進一步闡述。

如圖1～3所示，一種用於陣列天線監測的天線，該天線為一軸向寬波束天線，其包含：單極子輻射體1，為金屬柱體；輻射體保護介質套2，可採用聚四氟乙烯材料製成，其包裹在單極子輻射體1外，與單極子輻射體1等長；介質支撐柱體3，可採用聚四氟乙烯材質，支撐單極子輻射體1，用於增強天線整體的結構強度，保證單極子輻射體1不變形；同軸饋電裝置4，位於單極子輻射體1的後部，其頂部伸出一內導體，內導體用於給單極子輻射體1饋電，使其能夠輻射電磁波，內導體外套設介質支撐柱體3組成阻抗過渡段，單極子輻射體1直徑與該內導體直徑相同，阻抗過渡段的作用是確保把內導體直徑減小到和單極子輻射體1同樣大小的情況下保持阻抗匹配；固定基座5，採用鋁金屬材質，作為相控陣天線的底座，用於固定天線整體，同軸饋電裝置4和介質支撐柱體3的連接體由固定基座5底部插入鑲嵌在固定基座5中，同軸饋電裝置4起到電路中「地」的作用，本實施例中，同軸饋電裝置4通過螺紋固定在固定基座5裡，同軸饋電裝置4為一SMP射頻接插件，其包含同軸插座以及阻抗匹配過渡段。

所述的包裹輻射體保護介質套2的單極子輻射體1是本發明所述天線的關鍵，其長度與波束指向與軸向波束寬度有關，本發明所述天線的輻射部分即單極子輻射體1可以看做是一種單極子天線，如圖5所示，以下，運用單極子天線理論來解釋本發明天線的相關物理特性：

假定有效損耗為0，無限大地面上電場強度與單極子天線仰角α和距離r的函數關係滿足公式1：

式中，P為輸入功率，R為輻射阻抗，l為單極子輻射體長度，λ為輻射的電磁波波長即天線工作對應頻率電磁波的波長。根據公式1，條件為輸入功率P＝1W，距離r＝1609m，α＝0°，可以得到當l≈0.28λ與l≈0.64λ時，天線輻射阻抗R為50Ω，可以與多數內導體即射頻接插件匹的阻抗配；而l≈0.64λ時，在α＝60°位置有較大的電場輻射，而對於監測天線，要求在α＝0°方向有更大輻射，明顯是不利的，而且l≈0.64λ對於輻射體來說長度過長，會佔用較大的空間；l≈0.28λ時不僅波束指向在軸向上全向輻射，而且俯仰面波束寬度展寬至78°，可以覆蓋更大的空間。

所述單極子輻射體1的直徑a與輻射體保護介質套2直徑b與輻射阻抗Z0關係如式2所示：

式中，輻射體保護介質套2為聚四氟乙烯，相對介電常數εr＝2.2，單極子輻射體1內徑與射頻接插件內徑相同，單極子輻射體1輻射阻抗為50Ω，根據式2可以確定輻射體保護介質套2的外徑；聚四氟乙烯的輻射體保護介質套2不僅具有保護單極子輻射體1結構強度，透波性能好，損耗小等優點，而且理論上可以讓單極子輻射體1的長度減小到根據公式(1)的計算，並經過軟體仿真優化設計後，單極子輻射體長度與波長大約滿足公式3的關係：

l≈0.2λ (3)

值得注意的是，輻射體保護介質套2的直徑是可以根據實際需求調節的；增加輻射體保護介質套2的直徑會縮短單極子輻射體1的長度，減小輻射體保護介質套2的直徑會增加單極子輻射體1的長度；對仿真實驗得到的結果分析，最後單極子輻射體長度與波長的關係為：

l≈(0.18λ～0.22λ) (4)

常規用做相控陣雷達外監測天線單元一般和相控陣陣列天線單元相同，這種單元一般為單向輻射，輻射方向與陣列口徑面垂直；這種天線不僅因為要安裝在陣面正前方，對陣面輻射效率由遮擋，而且電磁場傳播方向上平行於電場的平面E面，電磁場傳播方向上垂直於電場的平面H面波束寬度往往不同，對陣面輻射單元的耦合強度也不同，在陣中心位置與陣邊緣位置的天線增益耦合至少差3dB，這種均一性較差的耦合對外監測是不利的；如圖4所示，本發明中提出的作為相控陣外監測天線具有單極天線的輻射特性，將其通過固定基座5固定在相控陣列雷達天線陣列中心位置，在與天線陣列口徑平行的平面上是全向的，不僅具有超寬波束，且各個方向輻射強度均一性好，理論上該平面各個方向上增益差為0，實測陣中心位置與陣邊緣增益差小於1dB；此種輻射特性的天線用於相控陣系統外監測，對各個位置輻射單元的耦合係數均一性好於常規用作相控陣系統外監測的天線；非常適合用於各種相控陣雷達的外監測系統。

本發明的一實施例中，單極子輻射體1長度為0.2λ；輻射體保護介質,2為相對介電常數εr為2.2的聚四氟乙烯介質柱，套在單極子輻射體1外部，與單極子輻射體1長度相等，單極子輻射，1直徑與輻射體保護介質套2直徑關係滿足公式2；介質支撐柱體3的高度為1mm，鑲嵌在金屬固定基座5內；同軸饋電裝置4為SMP射頻接插件，內外導體直徑關係滿足公式2，以選擇合適的內外導體直徑可以得到50Ω的特性阻抗，和單極子天線的輻射阻抗相匹配，其高度為3.5mm。金屬固定基座5是尺寸為8.8mm×8.8mm×4.5mm的金屬立方體，固定在相控陣雷達天線陣列中心位置。天線整體結構模型如圖2所示，該天線具有結構簡單，易於製作，體積小，可靠性高的優點。圖3為該天線在與相控陣天線口徑面平行的平面(H面)上輻射增益方向圖，在360°範圍內增益最大差值為0.05dB，實際測試增益最大差值為0.92dB；對周圍相控陣天線輻射單元的耦合係數在穩定性與均一性上都具有明顯的優勢；這是一種適合於相控陣雷達外監測系統的監測天線。

儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的權利要求來限定。