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CN112952406B - 一种空间功率合成天线及其信号收发方法 - Google Patents

一种空间功率合成天线及其信号收发方法 Download PDF

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CN112952406B
CN112952406B CN201911267253.4A CN201911267253A CN112952406B CN 112952406 B CN112952406 B CN 112952406B CN 201911267253 A CN201911267253 A CN 201911267253A CN 112952406 B CN112952406 B CN 112952406B
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Abstract

本发明涉及一种空间功率合成天线及其信号收发方法，属于微波射频领域，解决现有空间功率合成天线体积大，极化方式单一，制造工艺复杂成本高的问题。本发明包括SC天线和X天线，SC天线和X天线均为四阵元旋转馈电天线，四个天线单元中心对称，且相邻天线单元的馈电相位差为90°，天线单元包括固定在支撑架上的辐射体和底板，用于馈电的同轴线套在辐射体和底板内，同轴线内芯与圆锥喇叭状辐射体的内孔焊接，内芯顶端设置馈电端口，同轴线的外导体与底板焊接，天线喇叭口与竖直方向夹角为50°±5°。本发明的4个阵元天线和底板间辐射的电磁波合成叠加，形成左旋或右旋圆极化波束，提高了天线整体增益，同时使波束俯仰角覆盖可达60°。

Description

一种空间功率合成天线及其信号收发方法
技术领域
本发明涉及微波射频技术领域，尤其涉及一种空间功率合成天线及其信号收发方法。
背景技术
天线是在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。天线用作发射时，将传输线上的高频电流转换为自由空间中的电磁波；天线用作接收时，将自由空间中的电磁波转换为传输线上的高频电流。
在雷达和电子对抗等应用中，需要在宽频带内获得大功率的定向电磁辐射波束。当单个信号源的功率不够时，可以采用功率合成的方法，把多路较小功率的信号合成为较大功率的信号。功率合成的方法有两种：一是电路网络功率合成，例如合路器；二是空间功率合成，例如阵列天线。
空间功率合成实际上就是利用多个功率波源，发射频率相同、相位符合特定关系的辐射波，使之在空间传播过程中功率相互叠加，从在特定方向和特定距离处形成高能量密度电磁波束。空间功率合成技术是提高等效辐射功率的有效途径，阵列天线是实现高功率空间功率合成的重要技术之一。
现有的具有空间功率合成功能的功分喇叭天线及阵列，其功分喇叭天线由功率分配辐射口、匹配过度段、波导馈线一次无缝连接构成。该功分喇叭天线能有效避免出现栅瓣，提高天线增益，但该天线体积较大，极化方式单一，同时制造工艺复杂，成本较高。
鉴于上述的分析，对于空间功率合成天线来说，天线的增益、频率带宽、波束宽度、极化形式、体积和成本等都是制约其性能的重要指标。现有的技术要在多种因素限制条件下提高天线增益，获得更理想的宽频带、大角度波束，必须加大天线的口径尺寸。加大天线的口径尺寸需要更多的阵列单元或者更大的阵列单元间距。其中，增加阵列单元会大幅度提高系统的成本和增大体积。如果仅仅增大单个原来的喇叭的口径，加大喇叭阵列单元之间的间距，天线方向图可能会出现栅瓣，使功率在不需要的方向辐射，这一方面浪费能量，降低功率合成效率，另一方面会产生不必要的干扰。另外也有在空间功率合成器的设计上添加周期结构材料或特殊透镜结构来调节电磁波的相位和幅度以获得满足要求的大角度波束宽度，但其存在制造工艺复杂、成本较高及产品体积增加等缺点。
发明内容
本发明旨在提供一种空间功率合成天线及其信号收发方法，用以解决现有天线制造工艺复杂、成本高、体积大、天线方向图可能会出现栅瓣以及难以获得需要的大角度波束宽度的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种空间功率合成天线，包括SC天线、X天线和安装板；SC天线和X天线均为四阵元旋转馈电阵列天线，分别用于辐射SC波段和X波段射频信号；SC天线和X天线的结构相同，且SC天线和X天线均安装在安装板上。
具体地，SC天线包括：天线单元和第一支撑架，天线单元固设在第一支撑架上。
具体地，天线单元有四个，且中心对称分布，相邻单元天线的馈电相位差为90°。
具体地，天线单元包括：第一辐射体、第一底板和第一同轴线；第一底板接地，第一同轴线套设在第一辐射体和第一底板中。
具体地，第一辐射体为渐收型管状结构。
具体地，第一支撑架具有四个支腿，四个天线单元分别固设在四个支腿上；支腿与安装板的夹角为50°±5°；第一辐射体垂直于支腿安装；第一辐射体的轴线与SC天线的中心轴线的夹角为50°±5°。
具体地，第一辐射体为圆锥喇叭状，包括一个圆柱筒和一个锥台筒，锥台筒的大端部的内径、外径分别与圆柱筒的内径、外径相同。
具体地，第一同轴线的内芯下部与第一辐射体的内孔焊接固定，第一同轴线的内芯上端部设置用于发射射频信号的SMP馈电端口；第一同轴线的外导体与第一底板焊接固定。
具体地，天线单元的第一辐射体套设在支腿上的辐射体安装孔中，并通过第一锁紧螺钉固定。
具体地，第一支撑架与安装板固定连接。
进一步地，提供一种空间功率合成天线的信号收发方法，天线的信号接收方法是信号发射方法的逆过程，所述天线的发射方法包括以下步骤：
步骤S1：SC/X天线的四个天线单元的同轴线的馈电端口发出射频信号；
步骤S2：各个天线单元的辐射体的喇叭口将射频信号辐射到自由空间；
步骤S3：四个天线单元的馈电顺序是按照顺时针或者逆时针，每个相邻的天线单元的馈电的相位相差90°；四个天线单元分别输出四路相位分别为0°、90°、180°和270°的射频信号，四路信号在空间中合成左旋或右旋圆极化电磁波束。
本发明至少具有如下有益效果之一：
1、双向圆极化，提高增益。SC天线和X天线采用4个单元的旋转馈电阵列天线结构，SC天线和X天线均有4个馈电端口，采用旋转馈电阵列结构，即馈电顺序是按照顺时针或者逆时针，每个相邻的单元天线的馈电的相位相差90°，即同时输出四路相位分别为0°、90°、180°和270°的电磁信号，四路信号在空间中合成左旋或右旋圆极化电磁波束。本发明使用的空间功率合成技术是由倾斜一定角度的4个阵元天线和地板间辐射的电磁波合成叠加，能够合成左旋或右旋圆极化电磁波束，提高了天线整体增益，极大的改善了单个阵元大角度增益较弱的缺点。
2、辐射波束俯仰角大，覆盖范围更广。本发明的各天线单元之间呈中心对称分布，天线单元用圆锥形加圆柱形的喇叭口加底板实现，呈中心对称分布，向外与轴线成50°±5°倾斜，天线单元的辐射体的喇叭口的朝向与垂直于安装板3的轴线成50°±5°倾斜，使波束俯仰角覆盖可达60°。
3、带宽大：覆盖S、C、X波段。本发明包括SC天线和X天线，能够实现不同频率波段的射频信号的辐射，使用SC天线和X天线并通过数字电平信号切换SC波段和X波段以覆盖S、C、X波段，本发明的宽带高增益天线的辐射信号覆盖S波段、C波段和X波段，具有较大的带宽。
4、体积小，占用空间小。本发明的空间功率合成天线，采用中心对称结构，且天线单元的底板设置在支撑架的下方的空间中，使天线结构的集成度更高，体积更小，占用空间小，便于推广使用。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明的SC天线和X天线的顶视图；
图2为本发明的SC天线和X天线的右视图。
附图标记：
1-SC天线；2-X天线；3-安装板；11-第一支撑架；12-第一辐射体；13-第一锁紧螺栓；14-第一底板；15-第一固定螺栓；16-第一同轴线；21-第二支撑架；22-X天线单元。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例一
本发明的一个具体实施例，公开了一种空间功率合成天线，天线包括SC天线1和/或X天线2、安装板3和射频线缆，SC天线1和/或X天线2均安装在安装板3上，如图1所示。
SC天线1用于发射SC波段射频信号，X天线2用于发射X波段射频信号，本实施例使用SC天线1和X天线2并通过数字电平信号切换SC波段和X波段以覆盖S、C、X波段。本发明的SC天线1和X天线2均采用一组圆形旋转馈电阵列天线来实现，天线的微波端通过馈电的相位转换来切换SC波段和X波段的左右圆极化形式。
具体的，SC天线1和X天线2的结构形式相同，根据工作频率的不同对SC天线1和X天线2的大小进行调整。天线由四阵元圆锥喇叭、一体化天线底板、安装板3、支撑架及馈电天线组成。其中，四阵元圆锥喇叭为四个周向阵列的圆锥喇叭状辐射体。
本实施例的SC天线1和X天线2均具有四个中心对称分布的天线单元，发射信号时，每个相邻的天线单元的馈电的相位相差为90°，分别输出四路相位分别为0°、90°、180°和270°的放大后的信号，四路射频信号在空间中进行功率合成，提高天线增益。
具体的，本实施例的天线组件为收发共用天线，除了用于辐射干扰信号，还用于接收自由空间中的辐射信号。
进一步地，SC天线1和X天线2的结构形式相同，仅尺寸参数和馈电频率不同。因此，下面以SC天线1为例，介绍SC天线1和X天线2的具体结构。
具体地，SC天线1包括：四个中心对称分布(周向均匀阵列分布)的天线单元、第一支撑架11、第一锁紧螺栓13和第一固定螺栓15，其中，四个天线单元中心对称分布构成四阵元天线，四阵元天线安装在第一支撑架11上，并通过第一锁紧螺栓13固定。
具体地，每个天线单元均包括第一辐射体12、第一同轴线16和第一底板14。第一同轴线16作为发射SC波段射频信号的信号源，套设安装在第一辐射体12和第一底板14中。
具体地，第一底板14为板状结构，第一底板14为矩形板或者由矩形板和梯形板组成的异形板。
第一底板14有四块，相邻第一底板14之间通过焊接或粘接等方式固定连接。为了保持第一底板14的安装位置的稳定性，四块第一底板14的上方设置方形底板，方形底板的四周分别通过焊接或粘接等方式固定连接四块第一底板14。或者，四块第一底板14与其上端的方形底板一体制作构成SC天线1的一体化天线底板。
具体地，第一同轴线16穿过第一底板14和喇叭状的第一辐射体12。具体地，第一同轴线16内芯的下端与喇叭状的第一辐射体12的小端的内孔通过焊接固定，第一同轴线16内芯上端部具有一个SMP馈电端口，用于发射射频信号。第一底板14用于接地，且第一底板14上设有同轴线安装孔，第一同轴线16的外导体(屏蔽层)与第一底板14通过焊接固定。天线单元的结构参见图2。
本发明的喇叭状的辐射体是作为辐射端接同轴线内芯，底板接同轴线的屏蔽层作为参考地，能够实现更大范围的信号辐射。
具体的，第一支撑架11包括四个支腿，且四个支腿周向阵列分布，每个支腿上分别安装一个天线单元，且天线单元的第一辐射体与支腿垂直。也就是说，相邻支腿之间相互垂直，相邻的天线单元的角度也相互垂直。
进一步的，第一支撑架11的四个支腿分别与安装板3之间成50°±5°角，且相邻支腿间(水平方向)的夹角为90°，也就是说，各天线单元之间呈中心对称分布，且相对于水平方向倾斜一定角度，参见图1。即每个天线单元的第一辐射体12的喇叭口朝向(第一辐射体轴线方向)与垂直于安装板3的SC天线的中心轴线(竖直方向)的夹角(turn_SC)均成50°±5°倾斜，如图2所示，本发明的SC天线1或X天线2为中心对称结构，本发明的SC天线1或X天线2水平放置时，其中心轴线是竖直向上的，第一辐射体12的喇叭口朝向与竖直方向成50°±5°。
本实施例的SC天线1或X天线2均与干扰机和放大器连接，向外发射SC波段或X波段的射频信号，SC天线1和X天线2均有4个馈电端口，采用旋转馈电阵列结构，即馈电顺序是按照顺时针或者逆时针，每个相邻的天线单元的馈电的相位相差90°，这样可以合成左旋(逆时针旋转)或右旋(顺时针旋转)圆极化电磁波束，实现双圆极化辐射，圆极化电磁波束随时间360°旋转。
以下为SC天线的具体结构形状及安装方式：
第一辐射体12的形状为渐收型管状结构，即第一辐射体12一端口径大，另一端口径小。例如：第一辐射体12可以为圆台型管状、圆锥喇叭状、圆柱管和圆台管的组合型、棱台喇叭状(多边棱台型管)或半球形壳体等。
具体地，本实施例中第一辐射体12为圆锥喇叭状，包括一个圆柱筒和一个锥台筒，锥台筒的大端直径(内外径)与圆柱筒的直径(内外径)相同，圆柱筒和锥台筒通过焊接或一体成型得到圆锥喇叭状的第一辐射体12。
第一底板14和圆锥喇叭状的第一辐射体12均为黄铜材质，天线单元固定在聚酰亚胺材质的第一支撑架11上。
第一支撑架11的四个支腿，相邻支腿的上端之间通过焊接或螺栓连接等方式固定连接，支腿的下端通过第一固定螺栓15与安装板3固定连接，实现整个SC天线2与安装板3之间的安装固定。
具体地，第一支撑架11的四个支腿均为板状结构，支腿上设置有辐射体安装孔。天线单元安装在支撑架支腿的辐射体安装孔中，具体地，四个第一辐射体12分别安装在对应的第一支撑架11四个支腿上的辐射体安装孔中。安装完成后，第一辐射体12与第一支撑架11的支腿垂直，即辐射体轴线垂直于支腿平面，第一底板14与第一支撑架的支腿平行。
具体地，第一辐射体12与第一支撑架11之间通过第一锁紧螺丝13锁紧固定，固定方式为：第一锁紧螺栓13从第一支撑架11支腿的侧面开孔中拧入，抵在第一辐射体12上，将第一辐射体12卡在第一支撑架11上。第一支撑架11的每个支腿两侧均设置第一锁紧螺栓13，第一锁紧螺栓13抵在第一辐射体12的两侧，将第一辐射体12卡在支腿的辐射体安装孔中实现固定。
为了保证结构的稳定性，第一支撑架11上还设有方形顶板，第一支撑架11的四个支腿与方形顶板之间焊接、粘接固定或为一体结构。也就是说，SC天线的第一支撑架11包括四个支腿和一块方形顶板，四个支腿的上端分别与方形顶板的四个侧边通过焊接或粘接固定安装，四个支腿的下端通过第一固定螺栓15与安装板3固定为一体。
X天线2的结构与SC天线1的结构相同，仅辐射射频信号的波段和尺寸参数不同，且SC天线1与X天线2均安装在安装板3上。
具体地，X天线2包括：第二支撑架21、X天线单元22、第二锁紧螺栓、和第二固定螺栓。其中，X天线单元22包括：第二辐射体、第二底板和第二同轴线，第二同轴线能够辐射X波段的射频信号。
由于SC天线和X天线不同时工作，为了避免X天线工作时，SC天线对X天线产生遮挡影响其使用效果，可以将安装板3设计为阶梯结构，尺寸较大的SC天线安装在低台阶上，尺寸较小的X天线安装在高台阶上，降低SC天线的高度。也就是说，为了减小SC天线1对X天线2的遮蔽影响，调整安装版3上两个安装平面的高度差，将X天线2在规定高度尺寸的限制下整体抬高，具体形式如图2所示。或者，在X天线的底部安装高度调节装置，X天线通过高度调节装置与安装板3固定连接。
本发明的使用的空间功率合成技术的宽带高增益天线是由倾斜一定角度的4个天线单元的喇叭状辐射体和底板间辐射的电磁波合成叠加，能够有效避免出现栅瓣，提高了天线的整体增益以及信号辐射强度。
实施例二
本实施例为利用实施例一的空间功率合成天线进行信号接收或发射的信号收发方法，其特征在于，天线的信号接收方法(过程)是信号发射方法(过程)的逆过程，具体地，本发明的空间功率合成天线的信号发射方法包括以下步骤：
步骤S1：SC/X天线的四个天线单元的同轴线的馈电端口发出射频信号；具体地，天线单元能够发射S波段、C波段或X波段的射频信号。
步骤S2：各个天线单元的辐射体的喇叭口将射频信号辐射到自由空间；
步骤S3：四个天线单元的馈电顺序是按照顺时针或者逆时针，每个相邻的天线单元的馈电的相位相差90°；四个天线单元分别输出四路相位分别为0°、90°、180°和270°的射频信号，四路信号在空间中合成左旋或右旋圆极化电磁波束。
本发明的SC天线1和X天线2均采用上述的4个天线单元的旋转馈电阵列天线结构，为收发共用天线。本发明的SC天线1或X天线2工作时，分别将四路SC/X波段的分别为0°、90°、180°和270°相位的干扰信号辐射到自由空间，进行功率叠加。使波束覆盖范围内增益绝大部分大于等于-3dBi，极大的改善了单个阵元大角度增益较弱的缺点，使圆极化电磁波束的俯仰角覆盖范围可达0°-60°。
在HFSS中对天线进行建模和仿真，天线的喇叭口的大小、天线单元之间的相对距离、倾斜角度等都以变量参数表示，方便进行参数扫描和优化。表1列举了部分主要的模型参数以及优化值：
表1模型参数
根据仿真结果和产品实际测试结果显示，本发明的空间功率合成天线能够在宽频带和大角度内输出高增益的射频信号，本发明的SC天线和X天线能够合成左旋或右旋圆极化电磁波束，使波束覆盖范围内增益绝大部分大于等于-3dBi，波束覆盖俯仰角范围0°-60°。
根据系统健壮性要求，根据不同的馈电相位误差进行仿真，结果表明在±5°及±10°相位误差下增益最小值下降0.5dB和1dB，属于可接受范围。
与现有技术相比，本实施例提供的技术方案至少具有以下效果之一：
本发明通过设置四个中心对称分布的天线单元进行信号辐射，四个天线单元组成旋转馈电阵列结构，即馈电顺序是按照顺时针或者逆时针，每个相邻的天线单元的馈电的相位相差90°，能够合成左旋或右旋圆极化电磁波束，使波束覆盖范围内增益绝大部分大于等于-3dBi，波束覆盖俯仰角范围0°-60°。
本发明的空间功率合成天线还具有体积小的优势，根据表1的尺寸参数，本发明的SC天线的大小可以控制在φ150*33mm，具有相对较小的体积，占用空间小，便于安装使用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种空间功率合成天线，其特征在于，包括SC天线(1)、X天线(2)和安装板(3)；所述SC天线(1)和X天线(2)均为四阵元旋转馈电阵列天线，分别用于辐射SC波段和X波段射频信号；所述SC天线(1)和X天线(2)的结构相同，且所述SC天线(1)和X天线(2)均安装在安装板(3)上；
所述SC天线(1)包括：天线单元和第一支撑架(11)，所述天线单元固设在所述第一支撑架(11)上；
所述天线单元有四个，且中心对称分布，相邻单元天线的馈电相位差为90°；发射信号时，每个相邻的天线单元的馈电的相位相差为90°，分别输出四路相位分别为0°、90°、180°和270°的放大后的信号，四路射频信号在空间中进行功率合成；
所述天线单元包括：第一辐射体(12)、第一底板(14)和第一同轴线(16)；所述第一底板(14)接地，所述第一同轴线(16)套设在第一辐射体(12)和第一底板(14)中；
所述第一辐射体(12)为渐收型管状结构；
所述第一辐射体(12)为圆锥喇叭状，包括一个圆柱筒和一个锥台筒，所述锥台筒的大端部的内径、外径分别与圆柱筒的内径、外径相同；
所述第一支撑架(11)具有四个支腿，四个天线单元分别固设在四个支腿上；所述支腿与安装板(3)的夹角为50°±5°；所述第一辐射体(12)的轴线与所述SC天线的中心轴线的夹角为50°±5°；
所述天线单元的第一辐射体(12)套设在所述支腿上的辐射体安装孔中，并通过第一锁紧螺钉(13)固定；
第一支撑架(11)的四个支腿均为板状结构，支腿上设置有辐射体安装孔；天线单元安装在支撑架支腿的辐射体安装孔中；四个第一辐射体(12)分别安装在对应的第一支撑架(11)四个支腿上的辐射体安装孔中；安装完成后，第一辐射体(12)与第一支撑架(11)的支腿垂直，即辐射体轴线垂直于支腿平面，第一底板(14)与第一支撑架的支腿平行；
所述X天线(2)的结构与SC天线(1)的结构相同，仅辐射射频信号的波段和尺寸参数不同；
X天线(2)包括：第二支撑架(21)和X天线单元(22)；X天线单元(22)包括：第二辐射体、第二底板和第二同轴线，第二同轴线能够辐射X波段的射频信号；
所述SC天线(1)和X天线(2)不同时工作，所述安装板(3)为阶梯结构，尺寸较大的SC天线(1)安装在低台阶上，尺寸较小的X天线(2)安装在高台阶上。
2.根据权利要求1所述的空间功率合成天线，其特征在于，所述第一同轴线(16)的内芯下部与第一辐射体(12)的内孔焊接固定，所述第一同轴线(16)的内芯上端部设置用于发射射频信号的SMP馈电端口；所述第一同轴线(16)的外导体与第一底板(14)焊接固定。
3.根据权利要求2所述的空间功率合成天线，其特征在于，所述第一支撑架(11)与所述安装板(3)固定连接。
4.根据权利要求1-3任一项所述的空间功率合成天线的信号收发方法，其特征在于，所述天线的信号接收方法是信号发射方法的逆过程，所述天线的发射方法包括以下步骤：
步骤S1：SC/X天线的四个天线单元的同轴线的馈电端口发出射频信号；
步骤S2：各个天线单元的辐射体的喇叭口将所述射频信号辐射到自由空间；
步骤S3：四个天线单元的馈电顺序按照顺时针或者逆时针进行，每个相邻的天线单元的馈电的相位相差90°；四个天线单元分别输出四路相位分别为0°、90°、180°和270°的射频信号，四路射频信号在空间中合成左旋或右旋圆极化电磁波束。
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