基于MIMO体制相控阵的一体化超宽带偏置抛物柱面阵列天线的制作方法

本发明涉及一种超宽带相控阵阵列天线。

背景技术：

偏置抛物面天线是一种常见的天线形式，空馈高效，不存在反射面天线的口径遮挡，合理设计可以实现宽频带性能，非常适合在微波频段的高端以上应用。由此天线变形而来的偏置抛物柱面天线继承了这些优点，可以作为相控阵面使用。通常，抛物柱面天线配置线性馈源使用，可以实现相扫。但这种天线形式馈源复杂，线源对抛物柱面开放式照射口径利用效率低，特别是大角度扫描情况下性能下降严重。对偏置抛物柱面加上隔板，形成偏置抛物柱面单元(抛物柱盒天线单元)，并由此构成相控天线阵面，可以有效解决上述偏置抛物柱面线源照射存在的问题。设计单只抛物柱盒天线的设计相对较为简单，如前所述，将一组抛物柱盒天线单元构成阵面，其设计难度极大，存在尺寸大、组阵难、结构刚性和整体重量要求综合平衡困难等问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于MIMO体制相控阵的一体化超宽带偏置抛物柱面阵列天线，既满足了电气性能，又减轻了重量，还保证了天线的结构强度，能够提升相控阵雷达的性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括若干个偏置抛物柱盒子阵，每个偏置抛物柱盒子阵包括上侧板、下侧板、侧板、偏置抛物柱面和偏置馈电喇叭，所述的偏置抛物柱面的截面为半抛物线，垂直于抛物线的准线的上侧板和下侧板连接在偏置抛物柱面两端，构成偏置抛物柱盒子阵的上端面和下端面，在上侧板、下侧板和偏置抛物柱面之间覆盖侧板，所述的偏置馈电喇叭安装在抛物线的焦点位置；若干个偏置抛物柱盒子阵平行紧密排列且共用相邻的侧板。

所述的上侧板、下侧板、侧板和偏置抛物柱面采用镁锂合金材料制成。

所述的偏置抛物柱盒子阵以17个为一组，共4组68个偏置抛物柱盒子阵平行紧密排列。

所述的上侧板、下侧板以及偏置抛物柱面底端的内侧铺贴吸波材料。

所述的上侧板、下侧板、侧板和偏置抛物柱面之间采用触变型环氧胶粘剂连接。

本发明还包括玻璃纤维外壳，在玻璃纤维外壳和偏置抛物柱盒子阵之间采用环氧泡沫材料填充。

本发明的有益效果是：通过研制偏置抛物柱盒子阵，实现一体化设计，一方面减小了天线的尺寸，减轻了天线重量、增大了天线有效辐射孔径；另一方面对天线整个阵面进行一体化加工，并采用镁锂合金材料胶结复合制作抛物柱盒侧壁，解决了原本天线阵列加工困难，结构复杂，笨重等问题，有限降低了生产加工难度，提高了加工成品率。

附图说明

图1是偏置抛物柱盒单元结构示意图；

图2是偏置抛物柱面天线阵列示意图；

图3是中截线的坐标系示意图；

图4是能量守恒定律的应用示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供的基于MIMO体制相控阵的一体化超宽带偏置抛物柱面阵列天线，使用偏置抛物柱面作为天线单元，研制偏置抛物柱盒子阵，实现一体化设计，确保子阵各单元的波束性能。为了减小天线重量抛物柱盒侧壁采用镁锂合金材料等轻质材料复合而成。抛物柱盒体曲面采用并通过采用镁锂合金材料、电磁吸收材料等复合而成，既满足了电气性能又减轻了重量，还保证了天线的结构强度。应用于相控阵雷达领域。

本发明包括若干个偏置抛物柱盒子阵，每个偏置抛物柱盒子阵包括上侧板1、下侧板4、侧板、偏置抛物柱面2和偏置馈电喇叭3，所述的偏置抛物柱面的截面为半抛物线，垂直于抛物线的准线的上侧板和下侧板连接在偏置抛物柱面两端，构成偏置抛物柱盒子阵的上端面和下端面，在上侧板、下侧板和偏置抛物柱面之间覆盖侧板，所述的偏置馈电喇叭安装在抛物线的焦点位置；若干个偏置抛物柱盒子阵平行紧密排列且共用相邻的侧板。

本发明采用偏置抛物柱盒形式作为天线单元，减小天线纵向剖面尺寸。

设计抛物面反射器的基本方法如下：首先根据几何光学来设计中截线，使得在垂直平面内能产生所需波束；由于本发明为抛物柱盒，把中截线在水平方向进行平移，便可形成我们所需的抛物柱盒。故中截线的弧度就是我们所求的抛物线。

在中截线内，选取坐标系如图4所示，其中F点为点源的相位中心，ρ为F到中截线上任一点P的距离，ψ为入射线与水平线之间的夹角，并规定水平线以上的ψ角为正，水平线以下的ψ角为负。

根据反射定律，中截线ρ＝ρ(ψ)可由下面的微分方程来确定

假设馈源功率方向图为I(ψ)，理想的远区功率方向图为G(θ)，并且在仰角为θ的横截面内所有的反射线是平行的，那么由能量守恒定律可知，在仰角宽度为dψ、方位宽度为的小锥体内的入射功率，与反射后含于对应的楔形内功率成比例，即

KI(ψ)dψdφ＝G(θ)dθdφ(2)

或者

式中k为比例系数。于是利用边界条件，可将此式写成

其中

于是可由下式确定中截线

容易看出，(1)式中含有未知函数ρ(ψ)，一种简单有效的办法是：

a.首先假定等求的函数的初始函数为ρ＝ρ(ψ)，它的曲线之上半部是抛物线，下半部是园孤，即

式中

ρ₀＝oo′

b.将此初始函数代入(1)，求出θ和ψ的关系；θ＝θ(1)(ψ)；

c.将θ＝θ(1)(ψ)代入(2)式，求出ρ和ψ之间的关系，记作ρ＝ρ(2)(ψ)；

d.将ρ＝ρ(2)(ψ)代入(1)，求出θ和ψ的关系，记作θ＝θ(2)(ψ)；

这样的叠代步骤一直进行下去，直到ρ＝ρ(n)(ψ)达到所要求的精度为止，或者k(n-1)与k(n)是否相差很小，若是，即可停止叠代过程。

关于ρ₀的确定，近似等于抛物线面的焦距。关于抛物面垂直高度H的确定大约为(10～20)λ。当H一定时，若ρ₀选择较大时，不仅使天线纵向尺寸加大而且由于ψ、2ψ1相应减小而使馈源口径尺寸加大，使遮挡增加。如ρ₀过小，使水平焦距过短，照射不够均匀，影响增益。通过优化ρ₀及高度H，来使抛物弧达到我们所需的形状。

这种天线单元沿横向排列构成天线阵列，共包含68个抛物柱盒形式的天线单元，由四个子阵组成。每个子阵元由17个抛物柱盒体组成，相邻盒体共用侧壁板。设计上，为了减小天线重量，采用镁锂合金材料、电磁吸收材料等复合制作抛物柱盒侧壁，抛物柱盒体曲面采用膜状金属层和轻质高强的结构泡沫材料复合而成。抛物柱盒体的上下端面以及曲面的底端，会产生寄生辐射，成型前铺贴吸波材料以保证天线的波束性能。

本发明首先对天线单元及馈电形式进行分析，天线单元需要在俯仰面实现窄波束(方向波束宽度，通常在10°以内为窄波束，在10°以上为宽波束)，方位面实现宽波束。抛物柱盒是一种较好满足带宽、损耗要求的单元形式。

就抛物柱盒天线单元来说，偏置馈电抛物柱盒是偏置抛物面天线的一种变形，将其在方位面缩小的窄口径的柱状，设计的重点在于优化抛物柱的弧度、偏置馈电喇叭的位置以及最小偏置抛物柱面的纵向尺寸等参数，减小天线纵向剖面尺寸。天线阵面采用偏置抛物柱面阵列形式，共包含68个抛物柱盒形式的天线单元，由四个子阵组成。每个子阵元由17个抛物柱盒体组成，相邻盒体共用侧壁板。这种设计思路，一方面减轻了天线重量、增大了天线有效辐射孔径；另一方面相对于天线阵面整体加工，有限降低了生产加工难度，提高了加工成品率。

设计上，为了减小天线重量，抛物柱盒体侧壁采用密度为1.4的镁锂合金材料，抛物柱盒体底部反射层采用0.2毫米厚的耐久铝薄膜，抛物柱盒腔体内边缘采用环氧导电胶作为防电磁屏蔽材料，它们相互之间采用触变型环氧胶粘剂连接，抛物柱盒体除结构连接部位外采用高密度纤维粉增强的环氧泡沫材料填充，结构泡沫表面有致密的玻璃纤维复合材料耐环境防护外壳，完全满足产品的整机环境要求；既满足了电气性能又减轻了重量，还保证了天线的结构强度。

为了充分发挥各组分结构的特性，工艺过程采用专用的组合式工装夹具，从抛物柱盒体的腔体组装开始，逐层分步实施、填充固化，直至最终成为具有结构功能一体化、具有三防功能的抛物柱盒体；多个组合体连接后再装配偏置馈电喇叭，通过一体式调试工装，综合电性能匹配后形成一体化超宽带偏置抛物柱面阵列天线。