本發(fā)明涉及一種超寬帶相控陣陣列天線。

背景技術(shù)：

偏置拋物面天線是一種常見的天線形式，空饋高效，不存在反射面天線的口徑遮擋，合理設(shè)計可以實現(xiàn)寬頻帶性能，非常適合在微波頻段的高端以上應(yīng)用。由此天線變形而來的偏置拋物柱面天線繼承了這些優(yōu)點，可以作為相控陣面使用。通常，拋物柱面天線配置線性饋源使用，可以實現(xiàn)相掃。但這種天線形式饋源復(fù)雜，線源對拋物柱面開放式照射口徑利用效率低，特別是大角度掃描情況下性能下降嚴(yán)重。對偏置拋物柱面加上隔板，形成偏置拋物柱面單元(拋物柱盒天線單元)，并由此構(gòu)成相控天線陣面，可以有效解決上述偏置拋物柱面線源照射存在的問題。設(shè)計單只拋物柱盒天線的設(shè)計相對較為簡單，如前所述，將一組拋物柱盒天線單元構(gòu)成陣面，其設(shè)計難度極大，存在尺寸大、組陣難、結(jié)構(gòu)剛性和整體重量要求綜合平衡困難等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于MIMO體制相控陣的一體化超寬帶偏置拋物柱面陣列天線，既滿足了電氣性能，又減輕了重量，還保證了天線的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，能夠提升相控陣?yán)走_(dá)的性能。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：包括若干個偏置拋物柱盒子陣，每個偏置拋物柱盒子陣包括上側(cè)板、下側(cè)板、側(cè)板、偏置拋物柱面和偏置饋電喇叭，所述的偏置拋物柱面的截面為半拋物線，垂直于拋物線的準(zhǔn)線的上側(cè)板和下側(cè)板連接在偏置拋物柱面兩端，構(gòu)成偏置拋物柱盒子陣的上端面和下端面，在上側(cè)板、下側(cè)板和偏置拋物柱面之間覆蓋側(cè)板，所述的偏置饋電喇叭安裝在拋物線的焦點位置；若干個偏置拋物柱盒子陣平行緊密排列且共用相鄰的側(cè)板。

所述的上側(cè)板、下側(cè)板、側(cè)板和偏置拋物柱面采用鎂鋰合金材料制成。

所述的偏置拋物柱盒子陣以17個為一組，共4組68個偏置拋物柱盒子陣平行緊密排列。

所述的上側(cè)板、下側(cè)板以及偏置拋物柱面底端的內(nèi)側(cè)鋪貼吸波材料。

所述的上側(cè)板、下側(cè)板、側(cè)板和偏置拋物柱面之間采用觸變型環(huán)氧膠粘劑連接。

本發(fā)明還包括玻璃纖維外殼，在玻璃纖維外殼和偏置拋物柱盒子陣之間采用環(huán)氧泡沫材料填充。

本發(fā)明的有益效果是：通過研制偏置拋物柱盒子陣，實現(xiàn)一體化設(shè)計，一方面減小了天線的尺寸，減輕了天線重量、增大了天線有效輻射孔徑；另一方面對天線整個陣面進(jìn)行一體化加工，并采用鎂鋰合金材料膠結(jié)復(fù)合制作拋物柱盒側(cè)壁，解決了原本天線陣列加工困難，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，笨重等問題，有限降低了生產(chǎn)加工難度，提高了加工成品率。

附圖說明

圖1是偏置拋物柱盒單元結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是偏置拋物柱面天線陣列示意圖；

圖3是中截線的坐標(biāo)系示意圖；

圖4是能量守恒定律的應(yīng)用示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實施例。

本發(fā)明提供的基于MIMO體制相控陣的一體化超寬帶偏置拋物柱面陣列天線，使用偏置拋物柱面作為天線單元，研制偏置拋物柱盒子陣，實現(xiàn)一體化設(shè)計，確保子陣各單元的波束性能。為了減小天線重量拋物柱盒側(cè)壁采用鎂鋰合金材料等輕質(zhì)材料復(fù)合而成。拋物柱盒體曲面采用并通過采用鎂鋰合金材料、電磁吸收材料等復(fù)合而成，既滿足了電氣性能又減輕了重量，還保證了天線的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)領(lǐng)域。

本發(fā)明包括若干個偏置拋物柱盒子陣，每個偏置拋物柱盒子陣包括上側(cè)板1、下側(cè)板4、側(cè)板、偏置拋物柱面2和偏置饋電喇叭3，所述的偏置拋物柱面的截面為半拋物線，垂直于拋物線的準(zhǔn)線的上側(cè)板和下側(cè)板連接在偏置拋物柱面兩端，構(gòu)成偏置拋物柱盒子陣的上端面和下端面，在上側(cè)板、下側(cè)板和偏置拋物柱面之間覆蓋側(cè)板，所述的偏置饋電喇叭安裝在拋物線的焦點位置；若干個偏置拋物柱盒子陣平行緊密排列且共用相鄰的側(cè)板。

本發(fā)明采用偏置拋物柱盒形式作為天線單元，減小天線縱向剖面尺寸。

設(shè)計拋物面反射器的基本方法如下：首先根據(jù)幾何光學(xué)來設(shè)計中截線，使得在垂直平面內(nèi)能產(chǎn)生所需波束；由于本發(fā)明為拋物柱盒，把中截線在水平方向進(jìn)行平移，便可形成我們所需的拋物柱盒。故中截線的弧度就是我們所求的拋物線。

在中截線內(nèi)，選取坐標(biāo)系如圖4所示，其中F點為點源的相位中心，ρ為F到中截線上任一點P的距離，ψ為入射線與水平線之間的夾角，并規(guī)定水平線以上的ψ角為正，水平線以下的ψ角為負(fù)。

根據(jù)反射定律，中截線ρ＝ρ(ψ)可由下面的微分方程來確定

假設(shè)饋源功率方向圖為I(ψ)，理想的遠(yuǎn)區(qū)功率方向圖為G(θ)，并且在仰角為θ的橫截面內(nèi)所有的反射線是平行的，那么由能量守恒定律可知，在仰角寬度為dψ、方位寬度為的小錐體內(nèi)的入射功率，與反射后含于對應(yīng)的楔形內(nèi)功率成比例，即

KI(ψ)dψdφ＝G(θ)dθdφ(2)

或者

式中k為比例系數(shù)。于是利用邊界條件，可將此式寫成

其中

于是可由下式確定中截線

容易看出，(1)式中含有未知函數(shù)ρ(ψ)，一種簡單有效的辦法是：

a.首先假定等求的函數(shù)的初始函數(shù)為ρ＝ρ(ψ)，它的曲線之上半部是拋物線，下半部是園孤，即

式中

ρ₀＝oo′

b.將此初始函數(shù)代入(1)，求出θ和ψ的關(guān)系；θ＝θ(1)(ψ)；

c.將θ＝θ(1)(ψ)代入(2)式，求出ρ和ψ之間的關(guān)系，記作ρ＝ρ(2)(ψ)；

d.將ρ＝ρ(2)(ψ)代入(1)，求出θ和ψ的關(guān)系，記作θ＝θ(2)(ψ)；

這樣的疊代步驟一直進(jìn)行下去，直到ρ＝ρ(n)(ψ)達(dá)到所要求的精度為止，或者k(n-1)與k(n)是否相差很小，若是，即可停止疊代過程。

關(guān)于ρ₀的確定，近似等于拋物線面的焦距。關(guān)于拋物面垂直高度H的確定大約為(10～20)λ。當(dāng)H一定時，若ρ₀選擇較大時，不僅使天線縱向尺寸加大而且由于ψ、2ψ1相應(yīng)減小而使饋源口徑尺寸加大，使遮擋增加。如ρ₀過小，使水平焦距過短，照射不夠均勻，影響增益。通過優(yōu)化ρ₀及高度H，來使拋物弧達(dá)到我們所需的形狀。

這種天線單元沿橫向排列構(gòu)成天線陣列，共包含68個拋物柱盒形式的天線單元，由四個子陣組成。每個子陣元由17個拋物柱盒體組成，相鄰盒體共用側(cè)壁板。設(shè)計上，為了減小天線重量，采用鎂鋰合金材料、電磁吸收材料等復(fù)合制作拋物柱盒側(cè)壁，拋物柱盒體曲面采用膜狀金屬層和輕質(zhì)高強(qiáng)的結(jié)構(gòu)泡沫材料復(fù)合而成。拋物柱盒體的上下端面以及曲面的底端，會產(chǎn)生寄生輻射，成型前鋪貼吸波材料以保證天線的波束性能。

本發(fā)明首先對天線單元及饋電形式進(jìn)行分析，天線單元需要在俯仰面實現(xiàn)窄波束(方向波束寬度，通常在10°以內(nèi)為窄波束，在10°以上為寬波束)，方位面實現(xiàn)寬波束。拋物柱盒是一種較好滿足帶寬、損耗要求的單元形式。

就拋物柱盒天線單元來說，偏置饋電拋物柱盒是偏置拋物面天線的一種變形，將其在方位面縮小的窄口徑的柱狀，設(shè)計的重點在于優(yōu)化拋物柱的弧度、偏置饋電喇叭的位置以及最小偏置拋物柱面的縱向尺寸等參數(shù)，減小天線縱向剖面尺寸。天線陣面采用偏置拋物柱面陣列形式，共包含68個拋物柱盒形式的天線單元，由四個子陣組成。每個子陣元由17個拋物柱盒體組成，相鄰盒體共用側(cè)壁板。這種設(shè)計思路，一方面減輕了天線重量、增大了天線有效輻射孔徑；另一方面相對于天線陣面整體加工，有限降低了生產(chǎn)加工難度，提高了加工成品率。

設(shè)計上，為了減小天線重量，拋物柱盒體側(cè)壁采用密度為1.4的鎂鋰合金材料，拋物柱盒體底部反射層采用0.2毫米厚的耐久鋁薄膜，拋物柱盒腔體內(nèi)邊緣采用環(huán)氧導(dǎo)電膠作為防電磁屏蔽材料，它們相互之間采用觸變型環(huán)氧膠粘劑連接，拋物柱盒體除結(jié)構(gòu)連接部位外采用高密度纖維粉增強(qiáng)的環(huán)氧泡沫材料填充，結(jié)構(gòu)泡沫表面有致密的玻璃纖維復(fù)合材料耐環(huán)境防護(hù)外殼，完全滿足產(chǎn)品的整機(jī)環(huán)境要求；既滿足了電氣性能又減輕了重量，還保證了天線的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

為了充分發(fā)揮各組分結(jié)構(gòu)的特性，工藝過程采用專用的組合式工裝夾具，從拋物柱盒體的腔體組裝開始，逐層分步實施、填充固化，直至最終成為具有結(jié)構(gòu)功能一體化、具有三防功能的拋物柱盒體；多個組合體連接后再裝配偏置饋電喇叭，通過一體式調(diào)試工裝，綜合電性能匹配后形成一體化超寬帶偏置拋物柱面陣列天線。