本發(fā)明涉及一種螺旋天線陣列，特別涉及一種具有收攏及展開功能的固定多波束螺旋天線立體陣。

背景技術：

螺旋天線是一種在宇航領域得到廣泛應用的天線，與陣列天線中常用的微帶天線相比，多圈的軸向模單線螺旋天線在方向圖帶寬、圓極化度、方向圖對稱性和方向性上都明顯占優(yōu)。因此，以單線螺旋天線為陣元可以在保持陣列天線增益不變的情況下大大減少小型天線陣的陣元數(shù)量。為了提高增益，單線螺旋天線通常圈數(shù)較多，因而高度較高，采用壓緊-釋放裝置可以大大降低天線在非工作狀態(tài)下的高度，尤其適合低頻時的大尺寸應用。

在要求陣列天線以固定波束實現(xiàn)大視角覆蓋的應用中，如果按照平面天線陣設計，掃描至大角度時增益下降很快，為提高增益，則需要增加陣元數(shù)量，進而會導致陣列波束變窄。在這種情況下則需要更多數(shù)量的波位才能覆蓋所要求視角范圍，從而導致饋電網(wǎng)絡數(shù)量的幾何級增長。若將天線陣設計為立體結構，通過改變陣面的物理指向，使天線陣在無掃描角或小掃描角下工作，則可以避免陣元數(shù)量的過多增加、降低饋電網(wǎng)絡的規(guī)模。

一副單線螺旋天線可在至少10％的帶寬內達到不低于10dB的增益，對于要求在較大覆蓋范圍內(比如±65°)實現(xiàn)增益覆蓋在8dB以上的固定多波束天線的需求，采用單線螺旋天線為陣元的立體結構天線陣方案就非常的合適。根據(jù)具體的增益覆蓋要求進行立體陣列的結構設計，使每副天線指向不同的方位，通過在結構上排布一系列指向不同的天線來實現(xiàn)最終的波束覆蓋要求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種具有收攏及展開功能的固定多波束螺旋天線立體陣，以解決現(xiàn)有的平面螺旋天線陣所存在的掃描至大角度時增益下降很快，而增加陣元數(shù)量導致陣列波束變窄的問題。

本發(fā)明的第二目的在于提供一種具有收攏及展開功能的固定多波束螺旋天線立體陣，以實現(xiàn)具有寬視場覆蓋的固定多波束天線的設置滿足天線的功能需求，并引入天線收攏展開功能，以便實現(xiàn)對天線的尺寸包絡、重量等進行有效控制。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種固定多波束螺旋天線立體陣，包括螺旋天線單元及錐臺結構，所述錐臺結構包括一頂面及若干個側面，所述側面的上端與所述頂面的邊緣相連接，所述側面的側邊與相鄰的側面的側邊相連接，所述頂面及側面上分別設有所述螺旋天線單元，所述螺旋天線單元包括螺旋天線及柔性支撐絲，各螺旋天線單元的螺旋天線的底部分別安裝在所述頂面及側面上，多個并聯(lián)設置的所述柔性支撐絲均布在所述螺旋天線周圍，且所述柔性支撐絲沿所述螺旋天線的軸向設置以支撐所述螺旋天線。

較佳地，所述頂面為正多邊形，所述側面為等腰梯形，所述側面的上端與所述頂面的邊緣相連接，所述側面的側邊與相鄰的側面的側邊相連接，其中，所述頂面的外接圓的直徑約為所述螺旋天線單元的天線工作波長的0.7～0.8倍。

較佳地，還包括一底面，所述底面的形狀與所述頂面相同的正多邊形，但其面積大于所述頂面，所述底面的各個邊分別與側面的底邊相連接。

較佳地，相鄰的兩個側面通過側支架連接，側面與頂面通過上支架連接，側面的下邊設有下支架，所述上支架、側支架及下支架構成所述錐臺結構的支撐框架。

較佳地，所述螺旋天線單元還包括介質板，所述螺旋天線的底部安裝在所述介質板上，所述介質板設于所述頂面及側面上，所述介質板的材料為絕緣材料。

較佳地，所述螺旋天線單元還包括螺距微調裝置，所述柔性支撐絲與所述螺旋天線的每層之間通過所述螺距微調裝置連接。

較佳地，所述頂面與側面相連接的棱邊上以及每兩個相鄰的側面相連接的棱邊上分別設有波束隔離板，所述波束隔離板為金屬板或金屬網(wǎng)。

較佳地，所述波束隔離板的高度為所述螺旋天線單元的天線工作波長的0.3～0.4倍。

較佳地，所述波束隔離板傾斜安裝于所述棱邊上，且等分所述棱邊所在的錐臺結構兩個面之間的空間。

較佳地，當波束隔離板設置為金屬板時，所述波束隔離板上開設有減重孔，其中，所述減重孔的直徑不大于螺旋天線單元的天線工作波長的0.1倍；當所述波束隔離板為金屬網(wǎng)時，所述波束隔離板具有若干金屬網(wǎng)孔，其中，所述金屬網(wǎng)孔的直徑不大于螺旋天線單元的天線工作波長的0.1倍。

本發(fā)明由于采用以上技術方案，具有以下的優(yōu)點和積極效果：

1)本發(fā)明利用立體錐臺結構實現(xiàn)天線波束的指向偏轉，從而實現(xiàn)對較寬視角內空域的波束覆蓋，與常規(guī)的相控陣天線相比，該設計無需使用移相饋電網(wǎng)絡，可大大節(jié)約成本；

2)本發(fā)明利用立體錐臺結構實現(xiàn)天線的高增益多波束覆蓋，從而在保證廣域空域全覆蓋的情況下實現(xiàn)空域分割，減小單個波束內的目標數(shù)量，與常規(guī)天線相比，大大減輕了單個通道的處理容量，提高了檢測概率；

3)本發(fā)明利用波束隔離板降低各天線單元間的互耦，與單純依靠空間隔離的方式相比，可大大減小立體錐臺結構的尺寸；隔離板開減重孔，可在不影響電性能的前提下降低重量；

4)本發(fā)明利用螺旋天線自身回復力和柔性絲的單向支撐特性實現(xiàn)對螺旋天線螺距及剛度的控制，從而實現(xiàn)螺旋天線的柔性支撐，與常規(guī)的螺旋天線硬支撐裝置相比，該設計結構極大的降低了螺旋天線裝置的重量，并可實現(xiàn)螺旋壓緊釋放，從而極大的減少了螺旋天線的安裝空間；

5)本發(fā)明使用的單線螺旋天線可在12％的帶寬內實現(xiàn)±25°波束內8dB增益覆蓋，從電性能、成本及重量上均優(yōu)于常規(guī)的微帶天線陣方案；

6)本發(fā)明所述裝置結構簡單，裝配方便，具有很高的推廣價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的固定多波束螺旋天線立體陣在一個7波束應用中的錐臺結構示意圖；

圖2為本發(fā)明的固定多波束螺旋天線立體陣在一個7波束應用中展開狀態(tài)的結構示意圖；

圖3為的固定多波束螺旋天線立體陣在一個7波束應用中收攏狀態(tài)的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明的固定多波束螺旋天線立體陣在一個7波束應用中的波束覆蓋仿真圖，其中等高線為8dB增益，工作頻率為f₁；

圖5為本發(fā)明的固定多波束螺旋天線立體陣在一個7波束應用中的波束覆蓋仿真圖，其中等高線為8dB增益，工作頻率為f₂，f₁≈1.1f₂。

具體實施方式

以下將結合本發(fā)明的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述和討論，顯然，這里所描述的僅僅是本發(fā)明的一部分實例，并不是全部的實例，基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。

為了便于對本發(fā)明實施例的理解，下面將結合附圖以具體實施例為例作進一步的解釋說明，且各個實施例不構成對本發(fā)明實施例的限定。

如圖1、2所示，本實施例提供了一種多波束螺旋天線立體陣，該多波束螺旋天線立體陣包括一個錐臺結構10及多個螺旋天線單元20。其中，錐臺結構10包括一頂面11及若干個側面12，側面12的上端與頂面11的邊緣相連接，側面12的側邊與相鄰的側面12的側邊相連，錐臺結構10的頂面11及側面12上分別設置有螺旋天線單元20，螺旋天線單元20分別固定安裝在頂面及側面上。其中，螺旋天線單元20包括螺旋天線21及柔性支撐絲23，各螺旋天線單元的螺旋天線21的底部分別安裝在錐臺結構10的頂面及側面上，多個并聯(lián)設置的柔性支撐絲23均布在螺旋天線21周圍，且柔性支撐絲23沿螺旋天線21的軸向設置以支撐螺旋天線21。這里當錐臺結構的側面及頂面為金屬材料制成時，螺旋天線在安裝至錐臺結構的頂面及側面上時，可根據(jù)需要通過一絕緣介質板安裝在錐臺結構表面，或者安裝時螺旋天線與錐臺結構相接觸的表面處直接涂覆一層絕緣材料，或者整個錐臺結構的外表面涂覆有絕緣層，以避免錐臺結構本身干擾或影響螺旋天線的工作；若錐臺結構的側面及頂面為非金屬材料，則螺旋天線21的底部可直接安裝在錐臺結構的側面及頂面上。應當理解，上述幾種螺旋天線與錐臺結構間安裝形式的變形示例均包含在本發(fā)明范圍之內。

本實施例中的頂面11和側面12所構成的錐臺結構10是支撐各個螺旋天線單元20的主要結構，同時由于錐臺結構20自身的各個面之間相對的角度不同，因此使得安裝于頂面及側面上的螺旋天線單元的天線波束指向不同。因此，該多波束螺旋天線立體陣利用立體的錐臺結構實現(xiàn)了螺旋天線單元的天線波束的指向偏轉，從而實現(xiàn)了對較寬視角內空域的波束覆蓋，與常規(guī)的相控陣天線相比，該天線立體陣無需使用移相饋電網(wǎng)絡，可大大節(jié)約成本。

進一步優(yōu)選的實施例中，上述的頂面11設置為正多邊形，參見圖1所示，本實施例中的頂面11為正六邊形。相應地，側面12設置為為等腰梯形，側面12的上端與頂面11的一個邊的邊緣相連接，側面12的側邊與相鄰的側面的側邊相連接。這樣，正六邊形的頂面11配合六個等腰梯形的側面12連接構成一個錐臺結構，該具有六個側棱邊及六個上棱邊的錐臺結構的整體結構穩(wěn)定，可以穩(wěn)固地支撐各個螺旋天線單元。當然，在其他優(yōu)選實施例中，頂面不限制為正六變形，還可根據(jù)需要設置為正四邊形、五邊形、七邊形、八邊形等其他的多邊形。這種正多邊形的頂面配合等腰梯形的側面可組成一個各側邊相同的均勻錐臺結構，使得各個側面上的螺旋天線單元的天線波束相對于頂面的螺旋天線單元具有均勻相同的指向偏轉，且各個側面上的螺旋天線單元的天線波束之間的指向偏轉也相同，可以實現(xiàn)均勻的較寬視角內空域的波束覆蓋。

其中，正多邊形的頂面的外接圓的直徑設置為螺旋天線單元的天線工作波長的0.7倍、0.8倍或0.7～0.8倍之間的任意一值。這里優(yōu)選設置為螺旋天線單元的天線工作波長的0.75倍。這種尺寸的頂面可使得各個側面上的螺旋天線單元的天線波束相對于頂面的螺旋天線單元之間的指向偏轉適合各個螺旋天線單元的波束覆蓋范圍，便于各天線單元的波束均勻擴展以覆蓋較大視角內的空域。

在另一優(yōu)選實施例中，上述的錐臺結構10還包括一底面，該底面的形狀與頂面相同的正多邊形，但該底面的面積大于頂面，底面的各個邊分別與各個側面的底邊相連接。該底面配合側面及頂面形成該錐臺結構的一個內部空間，以便使得錐臺結構的內部空間可以安裝低噪放等各種測控單機。因此，具有底面的錐臺結構可以根據(jù)需要做密封處理，實現(xiàn)對錐臺結構的內部工作環(huán)境的控制。其中，錐臺結構的各個面由低密度的金屬材料制成，以滿足錐臺結構的剛度及強度要求。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，相鄰的兩個側面通過側支架14連接，側面12與頂面11通過上支架13連接，側面的下邊設有下支架15，上支架13、側支架14及下支架15構成錐臺結構10的支撐框架。錐臺結構是該天線立體陣的主支撐結構，通過支撐框架的設置可進一步滿足剛度及強度要求。其中，上支架13為與頂面11相匹配的正多邊形結構，對應地，下支架15也為正多邊形結構。上支架13、側支架14及下支架15支架通過緊固件固定連接。上支架13、側支架14及下支架15起到連接及固定頂面與側面，以及連接及固定側面與側面的作用。而在具有底面的實施例中下支架15為與底面相匹配的正多邊形結構，下支架15還起到連接及固定側面與底面的作用。各面之間支架的設置起到對錐臺結構更好的固定成型以及對各個面上的螺旋天線單元的良好支撐及固定的作用。且在不同的具體實施例中，通過改變上支架13、側支架14及下支架15的尺寸以及對應連接的頂面與側面的尺寸，可以實現(xiàn)改變該錐臺結構所構成的立體陣面的各個面之間的相對位置及角度的目的，從而調節(jié)各個面上的螺旋天線單元的波束的角度，使得該天線陣對各種性能要求不同的場合的適用性更加良好。

進一步的，參見圖2，本發(fā)明提供的多波束螺旋天線立體陣中的螺旋天線單元除了包括螺旋天線21、多個并聯(lián)設置的柔性支撐絲23之外，還包括介質板22，螺旋天線21的底部安裝在介質板22上，其中，此時的介質板22為絕緣材料制成，則螺旋天線可通過介質板22直接安裝在上述的金屬材料制成的錐臺結構上。則整個天線立體陣的各個螺旋天線單元分別通過絕緣的介質板安裝在多波束螺旋天線立體陣的錐臺結構的頂面及側面上。本實施例的螺旋天線單元通過柔性支撐絲和介質板配合，實現(xiàn)了對螺旋天線的支撐固定，相對于現(xiàn)有技術中的螺旋天線支撐裝置，其結構簡單、重量輕，操作方便，具有很高的推廣價值。

在螺旋天線單元的另一優(yōu)選實施例中，還包括螺距微調裝置24，多個柔性支撐絲23均布在螺旋天線21的周圍，且各個柔性支撐絲23沿螺旋天線21的軸向設置，柔性支撐絲23與螺旋天線21的每層之間通過螺距微調裝置24連接。這里的柔性支撐絲也為絕緣材料制成。

參見圖3，柔性支撐絲僅提供拉力，因此螺旋天線單元的各個螺旋天線可以很方便的壓縮到波束隔離板30以下甚至更低，從而減小天線收攏包絡。螺旋天線單元在無外部約束時，螺旋天線在其自身回復力和柔性支撐絲拉力相互作用下，實現(xiàn)螺旋天線的不完全展開。進一步通過柔性支撐絲與螺旋天線之間的螺距微調裝置，實現(xiàn)螺旋天線的螺距微調，從而實現(xiàn)對螺旋天線剛度及螺距的有效控制。

該螺旋天線單元具有收攏展開功能，結構簡單，質量輕，且能夠實現(xiàn)螺旋天線螺距的調節(jié)、剛性的調節(jié)。與常規(guī)的螺旋天線硬支撐裝置相比，該天線的支撐結構極大的降低了螺旋天線裝置的重量，并可實現(xiàn)螺旋壓緊釋放，從而極大的減少了螺旋天線的安裝空間。

其中，上述的螺旋天線21的底部是通過多個介質底座25安裝在介質板22上的，且多個介質底座25周向均勻分布，這里的介質底座25也為絕緣材料制成。介質底座的設置可以保證螺旋天線固定安裝在介質板上后的穩(wěn)定性，且由于螺旋天線的底部一圈各部不在同一水平面上，因此本發(fā)明中多個介質底座采用非等高的，各介質底座的高度根據(jù)其設置位置處螺旋天線距離介質板的高度來設定。而絕緣材料的介質底座和介質板不會影響螺旋天線的正常工作。

再次參考圖2，本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例中，頂面的邊緣上(也即頂面與側面相連接的棱邊上)以及每兩個相鄰的側面12相連的側邊上(也即每兩個相鄰的側面相連接的棱邊上)分別設有波束隔離板30，本實施例中的波束隔離板30為金屬板或金屬網(wǎng)。其中，頂面與側面相連接的棱邊上固定連接設置的為上波束隔離板31，每兩個相鄰的側面相連接的棱邊上固定連接設置的為側波束隔離板32。各個波束隔離板30通過緊固件固定在錐臺結構上，上波束隔離板與側波束隔離板之間也通過緊固件鎖緊固定，以使得各個波束隔離板緊固連接成為一個整體。在錐臺結構由上支架、側支架及下支架連接構成支撐框架的實施例中，上支架、側支架構成錐臺結構的棱邊，則上述的波束隔離板30固定設置在上支架及側支架上。當不同實施例中的錐臺結構的各個面之間的角度發(fā)生改變時，波束隔離板也隨著錐臺結構的棱邊的傾斜角度的改變而改變，從而適應不同角度的螺旋天線之間的波束隔離。該種多波束螺旋天線立體陣通過利用波束隔離板有效地降低各天線單元間的互耦，與單純依靠空間隔離的方式相比，可大大減小立體錐臺結構的尺寸。

其中，上述的波束隔離板30的高度設置為為螺旋天線單元的天線工作波長的0.3～0.4倍，其高度優(yōu)選設置為天線工作波長的0.375倍。

進一步地，上述的波束隔離板30傾斜安裝于上述的各個棱邊上，且其安裝角度設置為等分各個棱邊所在的錐臺結構10的兩個面之間的空間。特別注意，這里的棱邊不包括錐臺結構與底面相連的部分或下支架，也即錐臺結構底面的各邊無需再設置隔離裝置。

當波束隔離板30設置為金屬板時，波束隔離板上開設有減重孔，其中，減重孔的直徑不大于螺旋天線單元20的天線工作波長的0.1倍。當波束隔離板30為金屬網(wǎng)時，其具有若干金屬網(wǎng)孔，其中，金屬網(wǎng)孔的直徑不大于螺旋天線單元20的天線工作波長的0.1倍。在波束隔離板上開設減重孔或者將波束隔離板設置為具有金屬網(wǎng)孔的金屬網(wǎng)，可在不影響電性能的前提下降低重量。

參見圖4所示，本發(fā)明的固定多波束螺旋天線立體陣在一個7波束應用中的波束覆蓋仿真圖，其中等高線為8dB增益，工作頻率為f1。參見圖5，本發(fā)明的固定多波束螺旋天線立體陣在一個7波束應用中的波束覆蓋仿真圖，其中等高線為8dB增益，工作頻率為f₂，f₁≈1.1*f₂。由此可以看出，本發(fā)明提供的天線立體陣波束覆蓋范圍較大，且波束之間重疊區(qū)域較小，天線工作效果較好。本發(fā)明使用的單線螺旋天線可在12％的帶寬內實現(xiàn)±25°波束內8dB增益覆蓋，從電性能、成本及重量上均優(yōu)于常規(guī)的微帶天線陣方案。

本發(fā)明提供的具有收展功能的固定多波束螺旋天線立體陣，可用于同時接收來自大視角內的多路信號。與常規(guī)的通過相控陣技術實現(xiàn)多波束天線的方案相比，不僅具有成本低、重量輕，還具有收攏展開功能，此外，該天線立體陣實現(xiàn)對較寬視角內空域的波束覆蓋，具有很高的應用推廣價值。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何本領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，對本發(fā)明所做的變形或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應以所述的權利要求的保護范圍為準。