一種x波段由梯形子陣組成的大間距新型環(huán)柵陣的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種X波段由梯形子陣組成的大間距新型環(huán)柵陣，由90°插箱、30°插箱和15°插箱三種類型的插箱構(gòu)成，采用空間饋電的方式給各單元饋電，分別利用均勻激勵(lì)分布和圓口徑泰勒激勵(lì)分布來(lái)分析此新型環(huán)柵陣的輻射特性，且均勻激勵(lì)時(shí)，由梯形子陣組成的大間距新型環(huán)柵陣的副瓣低于弧形環(huán)柵陣的副瓣，采用高效陣列有源方向圖還可進(jìn)一步壓低柵瓣，并且整個(gè)天線陣陣面結(jié)構(gòu)緊湊，易于安裝。
【專利說(shuō)明】—種X波段由梯形子陣組成的大間距新型環(huán)柵陣

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于天線布陣工程【技術(shù)領(lǐng)域】，具體來(lái)說(shuō)是一種大間距有限掃描相控陣天線。

【背景技術(shù)】
[0002]早在上世紀(jì)七十年代，許多專家學(xué)者就開(kāi)始研究大間距陣列的柵瓣抑制，當(dāng)時(shí)主要是用于設(shè)計(jì)衛(wèi)星地面站有限掃描相控陣天線。隨著大型二維固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)的研制，發(fā)現(xiàn)移相器和T/R組件的成本幾乎占了整個(gè)雷達(dá)的70 % — 80 %，為了降低成本，在確保天線性能的前提下盡量減少單元數(shù)目在工程中顯得很有必要。增大單元間距是減少單元數(shù)目降低成本的有效方法。眾所周知，按常規(guī)方法設(shè)計(jì)的大間距周期性排列的陣列，是必定會(huì)出現(xiàn)柵瓣的。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，許多專家學(xué)者及工程技術(shù)人員進(jìn)行了大量的研究工作，研制過(guò)多種大間距相控陣天線，例如有子陣級(jí)周期結(jié)構(gòu)八角陣和子陣級(jí)非周期結(jié)構(gòu)八角陣、環(huán)柵陣、非周期結(jié)構(gòu)矩形陣等等，采用多種方法來(lái)抑制柵瓣，并且在大間距陣列柵瓣的抑制方面卓有成果。
[0003]根據(jù)相控陣天線的理論可知，當(dāng)單元天線間距大于等于一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，即使不掃描，陣列方向圖也會(huì)出現(xiàn)柵瓣。但是可以通過(guò)一定的方法或措施來(lái)抑制大間距陣列的柵瓣。柵瓣抑制的方法大致有兩種，一種是對(duì)子陣級(jí)或者單元級(jí)進(jìn)行非周期結(jié)構(gòu)布陣方式優(yōu)化設(shè)計(jì)，將柵瓣能量分散；一種是利用單元方向圖來(lái)壓低陣列柵瓣；另外還可以在陣面背后加反射板來(lái)壓低遠(yuǎn)柵瓣。非周期結(jié)構(gòu)布陣方式可分為兩類:單元級(jí)非周期排布和子陣級(jí)非周期排布。子陣非周期結(jié)構(gòu)抑制柵瓣的基本原理是:使各個(gè)子陣的柵瓣在方向余弦空間中的位置不同，從而使各個(gè)子陣的柵瓣不能疊加，而各個(gè)子陣的主波束由于其指向在方向余弦空間中的位置相同而出現(xiàn)同相疊加，所以整個(gè)天線陣主波束的電平高度要遠(yuǎn)高于分散后的柵瓣高度。單元級(jí)非周期結(jié)構(gòu)排列平面陣不僅不會(huì)出現(xiàn)柵瓣，而且其柵瓣電平可以做得很低，但是這種陣列會(huì)增大陣面的制造和加工難度，并使陣面的其他部分(例如波控和饋電方式的實(shí)現(xiàn))變得十分復(fù)雜。因此，有人想到了采用子陣列非周期結(jié)構(gòu)排列形式來(lái)抑制柵瓣，例如環(huán)柵陣。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本專利研究的是一種X波段由梯形子陣組成的大間距新型環(huán)柵陣，并給出陣列單元的具體結(jié)構(gòu)排布形式。整個(gè)陣面分為三層，最里面一層為90°插箱，每個(gè)插箱為兩個(gè)梯形疊加，且每個(gè)插箱有41個(gè)單元；中間層為30°插箱，每個(gè)梯形插箱有45個(gè)單元；最外層為15°插箱，每個(gè)梯形插箱有40個(gè)單元。三層插箱之間最小間距為67.2mm，在環(huán)柵陣的最大半徑為1.2m的情況下，調(diào)整單元間距不小于40mm。梯形環(huán)柵陣是在弧形環(huán)柵陣的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，經(jīng)過(guò)和改進(jìn)之前的弧形環(huán)柵陣相比較可知，均勻激勵(lì)時(shí)，由梯形子陣組成的大間距新型環(huán)柵陣的柵瓣更低，柵瓣出現(xiàn)的位置離主瓣更遠(yuǎn)(較弧形環(huán)柵陣的柵瓣位置遠(yuǎn)約10度)，而且寄生柵瓣(除柵瓣以外的次柵瓣)也很低。為了進(jìn)一步抑制柵瓣，可采用高效陣列單元作為基本輻射單元。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
:
[0005]圖1為本發(fā)明-由梯形子陣組成的大間距新型環(huán)柵陣的結(jié)構(gòu)圖
[0006]圖2為90°插箱子陣示意圖
[0007]圖3為30°插箱子陣示意圖
[0008]圖4為15°插箱子陣示意圖
[0009]圖5為X波段均勻激勵(lì)時(shí)的由梯形子陣組成的大間距新型環(huán)柵陣輻射方向圖
[0010]圖6為X波段均勻激勵(lì)時(shí)的由梯形子陣組成的大間距新型環(huán)柵陣方位面局部方向圖和掃描10°時(shí)的方向圖
[0011]圖7為X波段圓口徑泰勒激勵(lì)時(shí)的由梯形子陣組成的大間距新型環(huán)柵陣輻射方向圖
[0012]圖8為X波段圓口徑泰勒激勵(lì)時(shí)的由梯形子陣組成的大間距新型環(huán)柵陣的方位面局部方向圖和掃描掃描10°的方向圖

【具體實(shí)施方式】
[0013]圖1描述了本發(fā)明的具體實(shí)施方案。本發(fā)明工作在X波段內(nèi)(帶寬為8.5GHz-9.5GHz)，由梯形子陣組成的大間距新型環(huán)柵陣的建模是在AutoCAD軟件中進(jìn)行的，具體建立模型的方法為:(I)、先用三種插箱子陣排滿第一象限，其他象限采用鏡像對(duì)稱排布即可。(2)、模型建好后，從最內(nèi)層開(kāi)始以逆時(shí)針?lè)较蜃x取每類插箱內(nèi)環(huán)單元的坐標(biāo)位置。(3)、根據(jù)第(2)步，用Matlab編程計(jì)算第一象限三層插箱各子陣中所有單元的位置坐標(biāo)。(4)、由第一象限所有單元的位置坐標(biāo)根據(jù)對(duì)稱性計(jì)算得到其他三個(gè)象限中所有單元的位置坐標(biāo)。
[0014]本陣列是在由扇形子陣組成的弧形環(huán)柵陣基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，取環(huán)柵陣的半徑為1.2米，調(diào)整單元間距不小于40mm。整個(gè)梯形環(huán)柵陣分為三層，共計(jì)40個(gè)插箱子陣，且環(huán)向插箱子陣間距為50mm。為了更好的對(duì)這種由梯形子陣組成的大間距新型環(huán)柵陣進(jìn)行更好的說(shuō)明，在各個(gè)插箱里用虛擬的實(shí)線把環(huán)向單元連成線，且每條線相對(duì)應(yīng)的垂直平分線重合，此外線上相鄰單元間距為45mm。下面對(duì)布陣形式作具體的分析介紹:
[0015](I)、最里層為90°插箱子陣，共計(jì)4個(gè)，每個(gè)插箱為兩個(gè)梯形疊加，包含41個(gè)單元。每個(gè)插箱子陣徑向?qū)訑?shù)之間的間距為45.25mm，由內(nèi)到外每層包含的單元數(shù)分別為2、
4、6、8、10、7、4；
[0016](2)、中間層為30°梯形插箱子陣，共計(jì)12個(gè)，每個(gè)插箱包含45個(gè)單元，插箱子陣徑向?qū)訑?shù)之間的間距為51.20mm，層數(shù)為8，由內(nèi)到外每層包含的單元數(shù)分別為4、4、5、5、6、6、7、8。該中間層插箱子陣與90°插箱子陣之間的最近距離為45.12mm;
[0017](3)、最外層為15°梯形插箱子陣，共計(jì)24個(gè)，每個(gè)插箱包含40個(gè)單元，插箱子陣徑向?qū)訑?shù)之間的間距為52.55mm，層數(shù)為8，由內(nèi)到外每層包含的單元數(shù)分別為4、4、5、5、5、
5、6、6。該15°插箱子陣與30°插箱子陣之間的最近距離為67.2mm。
[0018]設(shè)第一象限的最里面的一個(gè)單元編號(hào)為1，逆時(shí)針一圈一圈地由里往外對(duì)單元天線編號(hào)，最后一個(gè)單元編號(hào)為N，并設(shè)編號(hào)為η的單元位置為(xn，yn)，一旦確定了各單元的坐標(biāo)位置，就可利用相關(guān)公式分析環(huán)柵陣的輻射特性。
[0019]圖2是90 °插箱子陣，環(huán)向單元間的間距為45mm，徑向?qū)訑?shù)之間的間距為42.25mm。
[0020]圖3是30 °插箱子陣，環(huán)向單元間的間距為45mm，徑向?qū)訑?shù)之間的間距為
51.20mmo
[0021]圖4是15 °插箱子陣，環(huán)向單元間的間距為45mm，徑向?qū)訑?shù)之間的間距為
52.55mm0
[0022]圖5是在均勻激勵(lì)時(shí)的由梯形子陣組成的大間距新型環(huán)柵陣輻射方向圖，從所給輻射方向圖不難看出，此新型環(huán)柵陣的柵瓣比較低，柵瓣出現(xiàn)的位置離主瓣較遠(yuǎn)(較弧形環(huán)柵陣的柵瓣位置遠(yuǎn)約10度)，而且寄生柵瓣(次級(jí)柵瓣)也很低。其原因是由梯形子陣組成的大間距新型環(huán)柵陣中各插箱中的單元排布更密些。該環(huán)柵陣的方位面和俯仰面方向圖基本一致，這是由于陣面結(jié)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，且近寄生柵瓣低至-25dB，遠(yuǎn)柵瓣約為-18dB，距主瓣約50度。
[0023]圖6中，由(a)可見(jiàn)，采用均勻激勵(lì)分布時(shí)副瓣電平約為-18.5dB，波束寬度約為1° ;從圖中(b)可以看出，方位面的主波束掃描10°時(shí)柵瓣位置出現(xiàn)在陣面法線30°以外區(qū)域，柵瓣移動(dòng)速度快于主瓣。
[0024]圖7為圓口徑泰勒激勵(lì)時(shí)的由梯形子陣組成的大間距新型環(huán)柵陣輻射方向圖，采用副瓣電平為-30dB的圓口徑泰勒分布，從圖中可以看出，該陣列的方位面和俯仰面基本一致。
[0025]圖8為圓口徑泰勒激勵(lì)時(shí)的由梯形子陣組成的大間距新型環(huán)柵陣的方位面局部方向圖和掃描掃描10°的方向圖，由圖中(a)可見(jiàn)，采用泰勒激勵(lì)分布時(shí)方位面副瓣壓低至約-24.5dB，主波束約為1°但略微變寬；從圖中(b)可以發(fā)現(xiàn)，主波束掃描10°時(shí)方位面在距離陣面法線60°附近出現(xiàn)一個(gè)接近-15.5dB的柵瓣。
[0026]以上是向熟悉本發(fā)明領(lǐng)域的工程技術(shù)人員提供的對(duì)本發(fā)明及其實(shí)施方案的描述，這些描述應(yīng)被視為是說(shuō)明性的，而非限定性的。工程技術(shù)人員可據(jù)此發(fā)明權(quán)利要求書(shū)中的思想做具體的操作實(shí)施，自然也可以據(jù)以上所述對(duì)實(shí)施方案做一系列的變更。而且，本發(fā)明并不局限于梯形子陣，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)自然可以移植到其它不同的頻段的相控陣天線。上述這些都應(yīng)被視為本發(fā)明的涉及范圍。
[0027]本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種X波段由梯形子陣組成的大間距新型環(huán)柵陣(I)，其特征在于:通過(guò)子陣非周期結(jié)構(gòu)排列形式來(lái)抑制柵瓣，在泰勒口徑分布的基礎(chǔ)上結(jié)合高效陣列單元來(lái)抑制寄生柵瓣，子陣非周期排列結(jié)構(gòu)大大減少了陣面及其他部分的設(shè)計(jì)難度，并且優(yōu)化量也會(huì)減少。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種X波段由梯形子陣組成的大間距新型環(huán)柵陣，整個(gè)陣面劃分為三種類型的插箱結(jié)構(gòu)，每個(gè)插箱為一個(gè)子陣，為了方便安裝插箱間留有一定的空隙。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種X波段由梯形子陣組成的大間距新型環(huán)柵陣，每個(gè)子陣的在徑向以及環(huán)向均是等間距排列，因此可確定每個(gè)子陣的單元位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種X波段由梯形子陣組成的大間距新型環(huán)柵陣，環(huán)柵陣分為三層，最里層為90°插箱(2)，每個(gè)插箱41個(gè)單元；中間層為30°插箱(3)，每個(gè)梯形插箱有45個(gè)單元；最外層為15°插箱(4)，每個(gè)梯形插箱有40個(gè)單元。三層插箱之間最小間距為67.2mm。在環(huán)柵陣的最大半徑約為1.2m的情況下，調(diào)整單元間間距不小于40mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種X波段由梯形子陣組成的大間距新型環(huán)柵陣，分別用均勻激勵(lì)分布和泰勒激勵(lì)分布兩種激勵(lì)情況分析梯形環(huán)柵陣的輻射特性。
【文檔編號(hào)】H01Q1/36GK104518275SQ201310447242
【公開(kāi)日】2015年4月15日 申請(qǐng)日期:2013年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】周增廣, 王建, 黃懈, 張寧, 邵凱 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)