專利名稱：一種二維相控陣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種相控陣，更具體說，它涉及一種二維相控陣。
背景技術(shù)：
相控陣主要應(yīng)用于測(cè)流儀。測(cè)流儀是測(cè)量船速、流速流向和計(jì)程的優(yōu)良水聲設(shè)備，是關(guān)于艦船、潛艇和水下航行器的底跟蹤、航速測(cè)量、海流測(cè)量和自身水下定位的水聲設(shè)備。二維相控陣分為兩類分體式和相控式。分體式是由2只獨(dú)立的收發(fā)兩用換能器構(gòu)成，它們分別在左、右2個(gè)方向形成2個(gè)波束，這種分體式測(cè)流儀的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是基陣的發(fā)射和接收的旁瓣較大，而且基陣的體積大、重量重；二維相控陣是由多條收發(fā)共用的陶瓷顆粒條構(gòu)成的一體式基陣，，通過相位控制的方法得到2個(gè)波束，它的優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕，而且發(fā)射和接收的旁瓣較小，缺點(diǎn)就是制作工藝較復(fù)雜。目前，國(guó)內(nèi)只有為數(shù)不多的海港使用了國(guó)外的海流測(cè)量設(shè)備，而國(guó)內(nèi)用于航道海流測(cè)量的海流剖面儀還處于起步階段。因此，國(guó)內(nèi)軍港使用國(guó)產(chǎn)測(cè)流設(shè)備來測(cè)量航道內(nèi)海流，還是一片空白。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種結(jié)構(gòu)合理，可靠性高，指標(biāo)好，體積小，重量輕的二維相控陣。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的這種二維相控陣，所述相控陣從下自上依次包括外殼、后匹配層、正極、去藕泡沫基陣架、基元、負(fù)極和聚氨酯膠。所述相控陣為相控時(shí)可以有效地減小波束旁瓣的橢圓形基陣。所述基元的正極采用印制板電路連接，形成4路輸出來進(jìn)行相控，所有基元負(fù)極共地設(shè)計(jì)。作為優(yōu)選所述基元為陶瓷顆粒。作為優(yōu)選所述基元的正極面為相控面，負(fù)極作為輻射面，將相同相位的基元排放在一條直線上，并聯(lián)聯(lián)接，負(fù)極面共負(fù)，正極面粘接印制板電路最終形成4路信號(hào)輸出。作為優(yōu)選所述基陣的上下兩面分別設(shè)有前匹配層和后匹配層，前匹配層為印制板電路將基元的負(fù)極并聯(lián)連接，后匹配層則為降低換能器瞬態(tài)響應(yīng)的高阻抗設(shè)計(jì)。作為優(yōu)選所述相控陣由1048個(gè)基元組成，形成56行24列。作為優(yōu)選所述基元的諧振頻率為150kHz。作為優(yōu)選所述相控方向的基元之間的中心距離為7. 07mm。本發(fā)明的有益效果是(1)獨(dú)特的布陣技術(shù)橢圓形的平面陣，利用每列的基元個(gè)數(shù)不同來改善基陣相控時(shí)的波束旁瓣級(jí)。成陣工藝設(shè)計(jì)上，24列基元按照一定間距布陣，基元的正極為一個(gè)面，負(fù)極為一個(gè)面，通過印制板電路連接的方式，將基元的正極簡(jiǎn)單有效地將1048個(gè)基元的正極面最終形成4路信號(hào)來實(shí)現(xiàn)相控，電路連接方式見圖2，所有基元負(fù)極共地設(shè)計(jì)。采用印制板來進(jìn)行電連接，不僅簡(jiǎn)單，更加能保證基陣表面的平整性，相控陣的平整性決定著相控波束的旁瓣級(jí)大小以及兩個(gè)波束的對(duì)稱性，所以基陣表面的平整性越高越好。選用陶瓷顆粒拼接為一列而不是陶瓷條，是為了拓展基陣的帶寬和去除基元之間的耦合效應(yīng)。(2)基陣的阻抗匹配設(shè)計(jì)為了展寬換能器的帶寬和減小換能器的瞬態(tài)響應(yīng)，進(jìn)行前后匹配層設(shè)計(jì)，前匹配層是由印制板將基元的負(fù)極并聯(lián)連接，既簡(jiǎn)化了電連接工藝，保證了平整性，還可以拓展工作帶寬，而工作帶寬的寬度以及諧振頻率大小的控制可以調(diào)整印制板的厚度和材料來實(shí)現(xiàn)。后匹配層則通過高阻抗設(shè)計(jì)來降低換能器的瞬態(tài)響應(yīng)。(3)尺寸小、重量輕相控式的換能器基陣，相控時(shí)，在相同工作頻率和相同的聲源級(jí)下，基陣的尺寸和重量要比分體式的小很多。這對(duì)于測(cè)流儀安裝和維護(hù)方便很多。(4)相控聲源級(jí)高相控陣工作諧振頻率為150kHz，帶寬為150kHZ±5kHZ。相控角度為±20°。相控方向在200W電功率情況下聲源級(jí)可以達(dá)到214dB。全陣相控指向性半功率開角為3. 3°，最大旁瓣為21. 1%。


酯膠7。
圖1相控陣外形尺寸2電路連接意3去耦泡沫基陣架圖4相控陣的剖視5相控陣的波束圖。
附圖標(biāo)記說明外殼1、去藕泡沫基陣架2、基元3、負(fù)極4、后匹配層5、正極6、聚氨
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。雖然本發(fā)明將結(jié)合較佳實(shí)施例進(jìn)行描述，但應(yīng)知道，并不表示本發(fā)明限制在所述實(shí)施例中。相反，本發(fā)明將涵蓋可包含在有附后權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)的替換物、改進(jìn)型和等同物。如圖1至圖5所示，首先，布陣工藝，相控?fù)Q能器陣內(nèi)部由1048個(gè)陶瓷顆粒的基元3組成，形成56行24列，布放成橢圓形基陣，陶瓷顆粒安裝在去耦泡沫基陣架中，見圖3。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定耦合振動(dòng)較小的換能器基元尺寸，壓電陶瓷顆粒的諧振頻率為150kHz。計(jì)算基元的布陣間距，進(jìn)行布陣設(shè)計(jì)，確定相控方向的陶瓷顆粒之間的中心距離為7. 07mm,每個(gè)換能器的安裝定位用數(shù)控機(jī)床加工，定位精度高于O.1mm,每個(gè)基元3的福射面在同一平面內(nèi)，起伏不超過O. 1mm。其次，電連接工藝，壓電陶瓷顆粒的正極6面為相控面，負(fù)極4作為輻射面，將相同相位的陶瓷顆粒排放在一條直線上，并聯(lián)聯(lián)接，負(fù)極4面共負(fù)設(shè)計(jì)，正極6面粘接印制板最終形成4路信號(hào)輸出，再粘接后匹配層5。這種電聯(lián)接的方式非常簡(jiǎn)單且可靠。

再次，阻抗匹配工藝，負(fù)極4共負(fù)并聯(lián)后，選取與水負(fù)載特性阻抗相接近的材料作為前匹配層，拓展帶寬。后匹配層5則采用高阻抗設(shè)計(jì)，降低瞬態(tài)響應(yīng)。最后，硫化成型工藝，相控陣的輻射面采用聚氨酯膠7層包覆成型。從相控陣的剖視4可看出，相控陣的整體為平面實(shí)芯式，基陣可以耐高靜水壓力。相控陣的水中測(cè)得諧振頻率為150kHz，相控角度為±20°，半功率開角為3. 3°，最大旁瓣為21. 1%，相控指向性圖見圖5。相控方向在200W電功率情況下聲源級(jí)可以達(dá)到214dB。二維相控陣為橢圓形基陣，工作頻率為150kHz，基陣由1048顆陶瓷顆粒組成，采用獨(dú)特的布陣設(shè)計(jì)，形成4路輸出來進(jìn)行相控，簡(jiǎn)化了工藝，提高了基陣的可靠性。采取阻抗匹配設(shè)計(jì)提高了相控陣的性能。所述的獨(dú)特的布陣設(shè)計(jì)是將24列基元3按照一定間距布陣，基元3的正極6采用印制板電路連接的方式，簡(jiǎn)單有效地將1048個(gè)基元3的正極6面最終形成4路信號(hào)來實(shí)現(xiàn)相控，所有基元負(fù)極4共地設(shè)計(jì)。另外，獨(dú)特的布陣設(shè)計(jì)是將基陣布成橢圓形，相控時(shí)可以有效地減小波束的旁瓣。所述的阻抗匹配設(shè)計(jì)含有前匹配層設(shè)計(jì)和后匹配層5設(shè)計(jì)，前匹配層是由印制板將基元3的負(fù)極4并聯(lián)連接，既簡(jiǎn)化了電連接工藝，保證了平整性，還可以拓展工作帶寬，后匹配層5則通過高阻抗設(shè)計(jì)來降低基元3的瞬態(tài)響應(yīng)。在相同工作頻率和相同的聲源級(jí)下，基陣的尺寸和重量要比分體式的小很多。這對(duì)于測(cè)流儀安裝和維護(hù)方便很多。
權(quán)利要求
1.一種二維相控陣，其特征在于所述相控陣從下自上依次包括外殼(I)、后匹配層(5)、正極(6)、去藕泡沫基陣架(2)、基元(3)、負(fù)極(4)和聚氨酯膠(7)，所述基元(3)的正極(6)采用印制板電路連接，形成4路輸出來進(jìn)行相控，所有基元負(fù)極(4)共地設(shè)置；所述相控陣為相控時(shí)能夠有效地減小波束旁瓣的橢圓形基陣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維相控陣，其特征在于所述基元(3)為陶瓷顆粒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐高壓基陣，其特征在于所述基元(3)的正極(6)面為相控面，負(fù)極(4)作為輻射面，將相同相位的基元(3)排放在一條直線上，并聯(lián)聯(lián)接，負(fù)極(4)面共負(fù)，正極(6)面粘接印制板電路最終形4路信號(hào)輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維相控陣，其特征在于所述基陣的上下兩面分別設(shè)有前匹配層和后匹配層(5)，前匹配層為印制板電路將基元的負(fù)極(4)并聯(lián)連接，后匹配層(5)則為降低換能器瞬態(tài)響應(yīng)的高阻抗設(shè)置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維相控陣，其特征在于所述相控陣由1048個(gè)基元(3)組成，形成56行24列。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維相控陣，其特征在于所述基元(3)的諧振頻率為150kHz ο
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維相控陣，其特征在于所述相控方向的基元(3)之間的中心距離為7. 07mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種二維相控陣，所述相控陣從下自上依次包括外殼、后匹配層、正極、去藕泡沫基陣架、基元、負(fù)極和聚氨酯膠，所述相控陣為相控時(shí)可以有效地減小波束旁瓣的橢圓形基陣。所述基元的正極采用印制板電路連接，形成4路輸出來進(jìn)行相控，所有基元負(fù)極共地設(shè)計(jì)。本發(fā)明的有益效果是基陣的阻抗匹配設(shè)計(jì)為了展寬換能器的帶寬和減小換能器的瞬態(tài)響應(yīng)，進(jìn)行前后匹配層設(shè)計(jì)，既簡(jiǎn)化了電連接工藝，保證了平整性，還可以拓展工作帶寬。后匹配層則通過高阻抗設(shè)計(jì)來降低換能器的瞬態(tài)響應(yīng)。相控式的換能器基陣，相控時(shí)，在相同工作頻率和相同的聲源級(jí)下，基陣的尺寸和重量要比分體式的小很多。這對(duì)于測(cè)流儀安裝和維護(hù)方便很多。相控聲源級(jí)高。
文檔編號(hào)G01P5/24GK103033644SQ201210550250
公開日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月17日
發(fā)明者鐘琴琴, 唐義政, 董銘鋒, 仲林建, 唐軍, 張秋玉 申請(qǐng)人:中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所