专利名称：一种机械式相控扫描阵列天线及其波束指向控制方法
技术领域：
本发明涉及一种阵列天线及其波束指向控制方法，具体的说是一种机械式相控扫描阵列天线及其波束指向控制方法。
背景技术：
机械式相控扫描阵列天线是一种借助于机械控制圆极化天线单元的角度姿态，以其本身姿态所包含的初始相位信息，实现整个阵列的相位配置。功率分配器可以空间馈电 的形式，也可以强迫馈电的形式。该技术作为一种系统结构简单、形式多样可变、设计方便、实现方式多样的天线阵列技术，在各种微波和天线系统中都可以广泛应用。相控扫描阵列天线一般以电路的形式控制相位配置的方式实现波束指向控制，其电路复杂、造价高昂，而且相位的控制精度有限。对于反射阵列的一般不能实现相控波束扫描。在微波与天线系统中应用形式受限。现有的相控扫描阵列天线的实现波束指向控制的方法，主要以相位配置的实现方式进行区分。主要方式有模拟电压直接控制相位偏移量、数字式控制的电压控制相位偏移量、数字控制的相位偏移量以及机械位移或机械旋转控制传输线长度或相对介电常数的方式实现相位偏移量。模拟或数字的电压控制方式需要对应的微波电路和器件实现，因整个阵列的单元数多，所以成本很高；同时相位偏移量的精度有限，并与价格直接相关。机械位移或机械旋转控制传输线长度或相对介电常数的方式一般的结构比较大，不适合在大规模的阵列中给每个单元配置。现有的相控扫描阵列天线已经得到广泛的应用，但随着技术进步与生产生活的需要，对相控的精度要求、天线阵列的安装方式、造价等要求越来越高，同时满足这几方面的要求的很困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种机械式相控扫描阵列天线及其波束指向控制方法，结构简便，造价成本较低，相位控制精度高的相控扫描阵列天线，以简单的结构解决一般相控波束扫描阵列天线的复杂电路、相控精度有限、天线阵列形式不能任意设计、造价高昂等不足。本发明解决以上技术问题的技术方案是
一种机械式相控扫描阵列天线波束指向控制方法，所述机械式相控扫描阵列天线包括N根圆极化天线单元构成的天线阵列、功率分配器网络和同轴线，每个圆极化天线单元都架设在一个旋转设备上，通过旋转设备的旋转控制圆极化天线单元的角度姿态，以圆极化天线单元不同的角度姿态所对应的相位实现天线阵列的相位配置来控制天线阵列波束指向，实现天线阵列的相控波束扫描功能。机械式相控扫描阵列天线，包括N根圆极化天线单元构成的天线阵列、功率分配器网络和端口连接的同轴线，同轴线包括一根输入同轴线和N根输出同轴线，N为大于等于I的整数，输入同轴线和输出同轴线都具有内导体和外导体，输入同轴线和输出同轴线都具有连接功率分配器的连接端和连接外部设备的信号端，圆极化天线单元具有信号输入端；还包括N个旋转设备，每个圆极化天线单元都架设在一个旋转设备上，通过旋转设备的旋转控制每个圆极化天线单元的角度姿态；功率分配器网络为强迫馈电工作方式的功率分配器，其具有内腔、位于内腔一侧的输入侧金属壁以及与输入侧金属壁相对的位于内腔另一侧的输出侧金属壁，内腔内填充有介质；输入同轴线的连接端外导体连接至功率分配器的输入侧金属壁，输入同轴线的连接端内导体穿过功率分配器内腔连接功率分配器的输出侧金属壁；每一个圆极化天线单元的信号输入端都连接一个输出同轴线的连接端内导体，并穿过功率分配器内腔连接至功率分配器的输入侧金属壁，各输出同轴线的连接端外导体悬空。机械式相控扫描阵列天线，包括N根圆极化天线单元构成的天线阵列、功率分配器网络和端口连接的同轴线，还包括N个旋转设备，每个圆极化天线单元都架设在一个旋转设备上，通过旋转设备的旋转控制每个圆极化天线单元的角度姿态；功率分配器网络为空间馈电功率分配器网络，空间馈电功率分配器网络直接通过辐射以场耦合的方式与天线阵列的单元实现连接。圆极化天线单元的角度姿态，以其本身圆极化的工作方式，对相同的入射波体现与姿态所包含的初始相位信息，实现控制天线单元的角度姿态完成天线单元的相位控制。本发明进一步限定的技术方案是
前述的机械式相控扫描阵列天线波束指向控制方法，以天线阵列的某个圆极化天线单元为参考，其上下左右的相邻圆极化天线单元的角度以相同的幅度依次递增或递减，实现天线阵列的相位配置，整个天线阵列的一种相位配置对应了天线阵列的一种波束指向，实现天线阵列的相控波束扫描功能。前述的机械式相控扫描阵列天线波束指向控制方法，独立控制所有圆极化天线单元的角度姿态，通过配置不同的天线阵列相位分布，对应不同的天线阵列波束指向，实现天线阵列的相控波束扫描功能。前述的机械式相控扫描阵列天线波束指向控制方法，天线阵列同平面放置，圆极化天线单元的角度姿态全部相同，实现了同相位分布，对应了阵列法线方向的波束指向。前述的机械式相控扫描阵列天线波束指向控制方法，所有圆极化天线单元都是右旋圆极化天线单元，所有天线单元以等间隔排列成矩形阵列，每个天线单元与其上下左右相邻的天线单元之间都间隔半波长，波长为圆极化天线单元工作频率在自由空间中的波长，以矩形阵列左上角的那个天线单元的角度为参考，角度变化沿参考天线单元的右侧和下方逐个进行，位于参考天线单元右侧的每一个天线单元的角度都依次比位于其相邻左侧的那个天线单元的角度顺时针多转30度，位于参考天线单元下方的每一个天线单元的角度都依次比位于其相邻上方的那个天线单元的角度顺时针多转30度，用以实现相位向右向下偏离法线方向的相位分布，对应的天线波束指偏离法线向右向下的方向。本发明的有益效果是
本发明采用基于机械控制的圆极化天线角度姿态的方式实现相控波束扫描，无需采用价格相对高昂的有源电路，只采用机械角度控制的方式，以较低的成本、以多种具体的功率分配器电路形式、以任意的天线阵列的布置形式，可以大大扩展相控波束扫描阵列天线的应用领域。本发明采用机械控制的圆极化天线角度姿态的方式控制天线单元的相位，可以实现远高于一般相控阵相位控制精度。本发明采用机械控制的圆极化天线角度姿态的方式控制天线单元的相位，以机械旋转设备代替微波有源电路，可以以较低成本实现相控工作方式。本发明采用机械控制的圆极化天线角度姿态的方式控制天线单元的相位，对功率分配器网络的结构形式与电路形式没有具体的要求，从而大大提升了该技术的应用领域；同时以天线单元的相位单独控制，对天线阵列的排布形式没有要求，天线阵列结构可以简单灵活设计，可适应多种应用场合。
图I是本发明的圆极化天线单元示意图。图2是本发明的天线单元及旋转设备结构示意图。 图3是本发明的天线阵列结构示意图。图4是本发明实施例I空间馈电功率分配网络结构示意图。图5是本发明实施例2强迫馈电功率分配网络结构示意图。
具体实施例方式实施例I
本实施例的机械式相控扫描阵列天线，结构如图4所示，包括N根圆极化天线单元111、112、···11Ν构成的天线阵列、功率分配器网络13和端口连接的同轴线14，圆极化天线单元如图I所示，天线阵列如图3所示，还包括N个旋转设备，旋转设备如图2所示，每个圆极化天线单元都架设在一个旋转设备上，通过旋转设备的旋转控制每个圆极化天线单元的角度姿态；功率分配器网络13为空间馈电功率分配器网络，空间馈电功率分配器网络直接通过辐射以场耦合的方式与天线阵列的单元实现连接。本实施例的机械式相控扫描阵列天线波束指向控制方法，通过旋转设备的旋转控制圆极化天线单元的角度姿态，以圆极化天线单元不同的角度姿态所对应的相位实现天线阵列的相位配置来控制天线阵列波束指向，实现天线阵列的相控波束扫描功能。以天线阵列的某个圆极化天线单元为参考，其上下左右的相邻圆极化天线单元的角度以相同的幅度依次递增或递减，实现天线阵列的相位配置，整个天线阵列的一种相位配置对应了天线阵列的一种波束指向，实现天线阵列的相控波束扫描功能。本实施例所有圆极化天线单元都是右旋圆极化天线单元，所有天线单元间隔排列成矩形阵列，每个天线单元与其上下左右相邻的天线单元之间都间隔半波长(对应工作频率在自由空间中的波长)，以所述矩形阵列左上角的那个天线单元的角度为参考，角度变化沿参考天线单元的右侧和下方逐个进行，位于参考天线单元右侧的每一个天线单元的角度都依次比位于其相邻左侧的那个天线单元的角度顺时针多转30度，位于参考天线单元下方的每一个天线单元的角度都依次比位于其相邻上方的那个天线单元的角度顺时针多转30度(例如矩形阵列左上角的那个天线单元的角度为30度，则左上角的那个天线单元的右侧相邻的那个天线单元的角度为60度，这个60度角天线单元右侧相邻的那个天线单元的角度为90度，以此类推；例如矩形阵列左上角的那个天线单元的角度为30度，则左上角的那个天线单元的下方相邻的那个天线单元的角度为60度，这个60度角天线单元下方相邻的那个天线单元的角度为90度，以此类推；)，实现相位向右向下偏离法线方向的相位分布，对应的天线波束指偏离法线向右向下的方向。功率分配器13的结构形式与电路形式与相控扫描的功能无关，可以有多种应用。天线阵列的排布形式与相控扫描的功能无关，可以有多种形式。天线单元与机械旋转设备对应组装；机械转动设备独立控制。空间馈电功率分配网络结构以馈源天线的辐射方向图在阵列面的幅度与相位分布，完成阵列各单元接收信号的合成。实施例2
本实施例的机械式相控扫描阵列天线，结构如图5所示，包括N根圆极化天线单元111、112、···11Ν构成的天线阵列、功率分配器网络13和端口连接的同轴线14，圆极化天线单元如图I所示，天线阵列如图3所示，同轴线14包括一根输入同轴线和N根输出同轴线，N为大于等于I的整数，输入同轴线和输出同轴线都具有内导体和外导体，输入同轴线和输出同 轴线都具有连接功率分配器的连接端和连接外部设备的信号端，圆极化天线单元具有信号输入端；还包括N个旋转设备12，每个圆极化天线单元都架设在一个旋转设备12上，旋转设备如图2所示，通过旋转设备的旋转控制每个圆极化天线单元的角度姿态；功率分配器网络13为强迫馈电工作方式的功率分配器，其具有内腔、位于内腔一侧的输入侧金属壁以及与输入侧金属壁相对的位于内腔另一侧的输出侧金属壁，内腔内填充有介质；输入同轴线的连接端外导体连接至所述功率分配器的输入侧金属壁，输入同轴线的连接端内导体穿过功率分配器内腔连接功率分配器的输出侧金属壁；每一个圆极化天线单元111、112、…IlN的信号输入端都连接一个输出同轴线的连接端内导体，并穿过功率分配器内腔连接至功率分配器的输入侧金属壁，各输出同轴线的连接端外导体悬空。本实施例的机械式相控扫描阵列天线波束指向控制方法，通过旋转设备的旋转控制圆极化天线单元的角度姿态，以圆极化天线单元不同的角度姿态所对应的相位实现天线阵列的相位配置来控制天线阵列波束指向，实现天线阵列的相控波束扫描功能。将螺旋线形式的圆极化天线单元以其中心为转轴的角度姿态，表征了天线单元初始相位的信息。本实施例天线阵列同平面放置，圆极化天线单元的角度姿态全部相同，实现了同相位分布，对应了阵列法线方向的波束指向。功率分配器13的结构形式与电路形式与相控扫描的功能无关，可以有多种应用。天线阵列的排布形式与相控扫描的功能无关，可以有多种形式。天线单元与机械旋转设备对应组装；机械转动设备独立控制。强迫馈电功率分配网络结构以具体的传输线形式实现具体电路，完成阵列各单元接收信号的合成。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
权利要求
1.一种机械式相控扫描阵列天线波束指向控制方法，所述机械式相控扫描阵列天线包括N根圆极化天线单元(111、112、…11N)构成的天线阵列、功率分配器网络(13)和同轴线(14)，其特征在于所述每个圆极化天线单元都架设在一个旋转设备(12)上，通过旋转设备(12)的旋转控制圆极化天线单元的角度姿态，以圆极化天线单元不同的角度姿态所对应的相位实现天线阵列的相位配置来控制天线阵列波束指向，实现天线阵列的相控波束扫描功能。
2.如权利要求I所述的机械式相控扫描阵列天线波束指向控制方法，其特征在于以天线阵列的某个圆极化天线单元为参考，其上下左右的相邻圆极化天线单元的角度以相同的幅度依次递增或递减，实现天线阵列的相位配置，整个天线阵列的一种相位配置对应了天线阵列的一种波束指向，实现天线阵列的相控波束扫描功能。
3.如权利要求I所述的机械式相控扫描阵列天线波束指向控制方法，其特征在于独立控制所有圆极化天线单元的角度姿态，通过配置不同的天线阵列相位分布，对应不同的天线阵列波束指向，实现天线阵列的相控波束扫描功能。
4.如权利要求I所述的机械式相控扫描阵列天线波束指向控制方法，其特征在于 天线阵列同平面放置，圆极化天线单元的角度姿态全部相同，实现了同相位分布，对应了阵列法线方向的波束指向。
5.如权利要求I所述的机械式相控扫描阵列天线波束指向控制方法，其特征在于所有圆极化天线单元都是右旋圆极化天线单元，所有天线单元以等间隔排列成矩形阵列，每个天线单元与其上下左右相邻的天线单元之间都间隔半波长，所述波长为圆极化天线单元工作频率在自由空间中的波长，以所述矩形阵列左上角的那个天线单元的角度为参考，角度变化沿参考天线单元的右侧和下方逐个进行，位于参考天线单元右侧的每一个天线单元的角度都依次比位于其相邻左侧的那个天线单元的角度顺时针多转30度，位于参考天线单元下方的每一个天线单元的角度都依次比位于其相邻上方的那个天线单元的角度顺时针多转30度，用以实现相位向右向下偏离法线方向的相位分布，对应的天线波束指偏离法线向右向下的方向。
6.用于权利要求1-5中任一权利要求所述控制方法的机械式相控扫描阵列天线,包括N根圆极化天线单元(111、112、…11N)构成的天线阵列、功率分配器网络(13)和端口连接的同轴线(14)，所述同轴线(14)包括一根输入同轴线和N根输出同轴线，所述N为大于等于I的整数，所述输入同轴线和输出同轴线都具有内导体和外导体，所述输入同轴线和输出同轴线都具有连接功率分配器的连接端和连接外部设备的信号端，所述圆极化天线单元具有信号输入端；其特征在于还包括N个旋转设备(12)，所述每个圆极化天线单元都架设在一个旋转设备(12)上，通过旋转设备的旋转控制每个圆极化天线单元的角度姿态；所述功率分配器网络(13)为强迫馈电工作方式的功率分配器，其具有内腔、位于内腔一侧的输入侧金属壁以及与输入侧金属壁相对的位于内腔另一侧的输出侧金属壁，所述内腔内填充有介质；所述输入同轴线的连接端外导体连接至所述功率分配器的输入侧金属壁，所述输入同轴线的连接端内导体穿过所述功率分配器内腔连接所述功率分配器的输出侧金属壁；所述每一个圆极化天线单元(111、112、…11N)的信号输入端都连接一个输出同轴线的连接端内导体，并穿过所述功率分配器内腔连接至所述功率分配器的输入侧金属壁，所述各输出同轴线的连接端外导体悬空。
7.用于权利要求1-5中任一权利要求所述控制方法的机械式相控扫描阵列天线，包括N根圆极化天线单元(111、112、…11N)构成的天线阵列、功率分配器网络(13)和端口连接的同轴线(14)，其特征在于还包括N个旋转设备(12)，所述每个圆极化天线单元都架设在一个旋转设备(12)上，通过旋转设备的旋转控制每个圆极化天线单元的角度姿态；所述功率分配器网络(13)为空间馈电功率分配器网络，空间馈电功率分配器网络直接通过辐射以场耦合的方式与天线阵列的单元实现连接。
全文摘要
本发明涉及一种阵列天线及其波束指向控制方法，是一种机械式相控扫描阵列天线及其波束指向控制方法，包括N根圆极化天线单元构成的天线阵列、功率分配器网络和同轴线，每个圆极化天线单元都架设在一个旋转设备上，通过旋转设备的旋转控制每个圆极化天线单元的角度姿态，以每个圆极化天线单元不同的角度姿态所对应的相位实现天线阵列的相位配置来控制天线阵列波束指向，实现天线阵列的相控波束扫描功能。本发明是基于设置圆极化天线单元自身角度姿态所携带的初始相位信息，通过天线阵列的相位配置实现相控的波束扫描。该设计能够实现天线阵列的相控波束扫描，工作方式简单灵活，可适应多种应用场合。
文档编号H01Q3/02GK102868028SQ20121035004
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月19日 优先权日2012年9月19日
发明者李平, 何英高, 王新怀, 邵娴 申请人:无锡创元电子科技有限公司