无人飞机地面多波束电控扫描测控天线的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种测控天线，具体来讲是一种无人飞机地面多波束电控扫描测控天线，属于多波束天线阵技术领域。
【背景技术】
[0002]传统波束扫描天线，一般是通过反射面或者馈源在机械上的移动或转动实现。这种扫描形式存在两个主要问题:首先，波束扫描的速度受到移动的机械惯性的限制，这将导致整个系统不能实现快速的空域扫描:其次，机械上的移动带来的磨损将会大大降低整个系统的寿命。
[0003]与机械扫描天线相对应的是电扫描天线。最典型的电扫描天线就是相控阵天线。相控阵天线的扫描性能好、扫描角度范围大、机动性强、抗干扰能力强并且能同时形成多波束。传统的无源相控阵天线实现方式是以移相网络和功率分配网络为核心，并通过控制天线阵列的几何形状及天线口径激励信号的幅相分布控制波束的形状及波束指向，因此无源相控阵天线有以下缺点:①设备庞大，不利于小型化集成化；②功率分配网络及移相网络的功率损失十分惊人；③由于实时性及波束形成算法复杂性要求，波束控制计算机必须采用高性能计算机，设备昂贵；④工作频率升高时由于缺乏高效的移相器而限制了相控阵天线的应用。
[0004]虽然近年来国内外许多学者致力于研宄基于T / R组件的有源相控阵，但高频段缺乏有效的移相器等瓶颈问题仍没有得到彻底解决，限制了相控阵天线在星载、机载以及车载等小型设备中的广泛应用。另一种的设计波束扫描的方法是结合反射面天线和相控阵天线的优点，在固定反射面和馈源的情况下实现电扫描的功能。主要应用于星载天线和卫星通信系统中。但总的来说，目前电控波束扫描研宄的重点都倾向于大型相控阵天线或者波束形成器。
【发明内容】
[0005]针对现有技术存在的问题，本发明提出一种无人飞机地面多波束电控扫描测控天线，针对目前多目标无人机测控的技术空白，利用射频开关对覆盖低仰角区域天线阵的多波束和覆盖过顶高仰角区域波束赋形的全向天线进行电控扫描，从而实现对多目标无人机全空间的跟踪测控。
[0006]本发明解决以上技术问题的技术方案:提供一种无人飞机地面多波束电控扫描测控天线，包括水平低仰角电控多波束高增益定向天线阵、高仰角波束赋形的全向天线以及为波束控制连接的射频开关阵列，
所述水平低仰角电控多波束高增益定向天线阵水平面采用微带馈电，设有了 26个波束，波束交叉点的天线增益为15?17dB，每个波束由4X4的阵列组成，天线的水平面3 dB波瓣宽度为16°，垂直面3 dB波瓣宽度为16° ;
所述高仰角波束赋形的全向天线采用波束赋形的垂直极化全向天线，最大福射方向上翘指向40°仰角，全向天线垂直面3 dB波瓣宽度为36°，全向天线垂直面OdB波瓣宽度为60。；
所述射频开关阵列包括四个单刀八掷开关和一个单刀四掷开关，所述开关矩阵由5位TTL电平来控制，其中2位控制单刀四掷开关，3位控制单刀八掷开关。
[0007]本发明进一步限定的技术方案为:前述的无人飞机地面多波束电控扫描测控天线，所述水平低仰角电控多波束高增益定向天线阵的波束分为上下两层安装，每层设有13个波束。
[0008]前述的无人飞机地面多波束电控扫描测控天线，所述高仰角波束赋形的全向天线包括天线底板、天线下辐射体以及天线上辐射体，所述天线下辐射体为锥形空心腔体，锥形空心腔体的宽口端通过螺栓安装在所述天线底板上，所述天线上辐射体为锥形体与圆柱体结合的空心腔体，所述天线上辐射体的锥形体尖端与所述天线下辐射体的尖端固定连接；且所述天线底板、天线下辐射体以及天线上辐射体的中心轴线重合。
[0009]本发明的有益效果:本发明针对目前多目标无人机测控的技术空白，提出利用电控多波束扫描天线系统，提供半空间波束整体覆盖，对多目标无人机的进行跟踪测控的技术方案。为节省成本，兼顾性能，降低系统复杂度，利用射频开关对覆盖低仰角区域天线阵的多波束和覆盖过顶高仰角区域波束赋形的全向天线进行电控扫描，从而实现对多目标无人机全空间的跟踪测控。
【附图说明】
[0010]图1是水平低仰角单波束天线阵结构图。
[0011]图2是图1的后视图。
[0012]图3是图2的A-A剖视图。
[0013]图4是单波束天线的S11。
[0014]图5是单波束4.6 GHz水平面仿真测试方向图对比。
[0015]图6是单波束4.6 GHz垂直面仿真测试方向图对比。
[0016]图7是水平低仰角天线多波束覆盖方向图。
[0017]图8是水平低仰角多波束天线装配图。
[0018]图9是水平低仰角多波束天线的俯视图。
[0019]图10是全向天线结构图。
[0020]图11是全向天线Sll图。
[0021]图12是全向天线水平面方向图。
[0022]图13是全向天线垂直面方向图。
[0023]图14是开关矩阵原理框图。
[0024]图15是设备原理组成框图。
【具体实施方式】
[0025]实施例1
本实施例提供一种无人飞机地面多波束电控扫描测控天线，结构如图8所示，该天线系统由三部分组成，其一为水平低仰角电控多波束高增益定向天线阵1，实现无人机远距离的测控；其二为高仰角波束赋形的全向天线2，实现无人机高仰角近距离的测控；其三为波束控制的射频开关阵列，完成波束的选择控制。
[0026]水平低仰角高增益定向天线阵:
本实施例采用微带圆形贴片背腔天线作为辐射阵元，通过调整背腔的深度可以调节天线的带宽；通过调节背腔的半径等参数调节天线单元的增益。
[0027]为了满足系统对天线增益的要求，每个波束由4X4的阵列组成，其结构如图1至3所示。采用微带馈电，便于功分网络与天线阵的一体化设计。单波束天线的Sll如图2所示，Sll在4.3~4.9GHz频段范围内小于-10 dB ;天线增益可以达到19.12 dB，并且由于天线的整体对称性，纵轴和横轴天线单元数目相同，所以每个波束水平面和垂直面的方向图基本一致；天线的水平面3 dB波瓣宽度为16度，垂直面3 dB波瓣宽度为16度。为了实现远距离测控，通过延长上部振元的馈电微带长度，使其馈入的相位滞后，实现波束的最大辐射方向在垂直面上上翘5度，单波束天线的剖面方向图如图5和图6所示。
[0028]为了实现水平方向远距离的良好覆盖，在水平面设计了 26个波束，波束交叉点的天线增益大约为16.5 dB，水平远距离天线波束覆盖如图7所示。同时为了减小天线的水平尺寸，分2层对天线进行安装，上下各13个波束，并且上下两层波束交叉，以减小相邻波束间的影响，其装配图如图8和图9所示。
[0029]高仰角波束赋形的全向天线:
为保证近距离测控，高仰角采用波束赋形的垂直极化全向天线，其最大辐射方向上翘，指向40度仰角，与水平多波束天线共同实现半空间的覆盖。此全向天线括天线底板4、天线下辐射体5以及天线上辐射体6，结构如图10所示，天线下辐射体为锥形空心腔体，锥形空心腔体的宽口端通过螺栓安装在所述天线底板上，天线上辐射体为锥形体与圆柱体结合的空心腔体，天线上辐射体的锥形体尖端与天线下辐射体的尖端固定连接；且天线底板、天线下辐射体以及天线上辐射体的中心轴线重合构，天线简单，易于加工。
[0030]全向天线最大增益6.71 dB，天线最大方向上翘，最大增益方向仰角50°，实现了天线辐射的低仰角要求。天线垂直面3 dB波瓣宽度为36度，天线垂直面OdB波瓣宽度达到60度，全向天线的方向图如图11-13所示。
[0031]射频开关阵列:
整个开关矩阵由5位TTL电平来控制，其中2位控制单刀四掷开关，3位控制单刀八掷开关，另外还需要一个控制位来控制4个单刀八掷开关哪个处于可控状态，这个功能可与单刀四掷开关的4路同步，即可由单刀四掷开关的2位控制位来控制，这样可确保32路中只有I路处于导通状态。其他路都处于完全截止状态，这样就确保各相邻两路之间的隔离度都一致。其原理框图如图14和15所示。
[0032]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。
【主权项】
1.无人飞机地面多波束电控扫描测控天线，包括水平低仰角电控多波束高增益定向天线阵、高仰角波束赋形的全向天线以及为波束控制连接的射频开关阵列，其特征在于: 所述水平低仰角电控多波束高增益定向天线阵水平面采用微带馈电，设有了 26个波束，波束交叉点的天线增益为15?17dB，每个波束由4X4的阵列组成，天线的水平面3 dB波瓣宽度为16°，垂直面3 dB波瓣宽度为16° ; 所述高仰角波束赋形的全向天线采用波束赋形的垂直极化全向天线，最大福射方向上翘指向40°仰角，全向天线垂直面3 dB波瓣宽度为36°，全向天线垂直面OdB波瓣宽度为60。； 所述射频开关阵列包括四个单刀八掷开关和一个单刀四掷开关，所述开关矩阵由5位TTL电平来控制，其中2位控制单刀四掷开关，3位控制单刀八掷开关。
2.根据权利要求1所述的无人飞机地面多波束电控扫描测控天线，其特征在于:所述水平低仰角电控多波束高增益定向天线阵的波束分为上下两层安装，每层设有13个波束。
3.根据权利要求1所述的无人飞机地面多波束电控扫描测控天线，其特征在于:所述高仰角波束赋形的全向天线包括天线底板、天线下辐射体以及天线上辐射体，所述天线下辐射体为锥形空心腔体，锥形空心腔体的宽口端通过螺栓安装在所述天线底板上，所述天线上辐射体为锥形体与圆柱体结合的空心腔体，所述天线上辐射体的锥形体尖端与所述天线下辐射体的尖端固定连接；且所述天线底板、天线下辐射体以及天线上辐射体的中心轴线重合。
【专利摘要】本发明涉及一种无人飞机地面多波束电控扫描测控天线，包括水平低仰角电控多波束高增益定向天线阵、高仰角波束赋形的全向天线以及为波束控制连接的射频开关阵列。本发明针对目前多目标无人机测控的技术空白，提出利用电控多波束扫描天线系统，提供半空间波束整体覆盖，对多目标无人机的进行跟踪测控的技术方案。为节省成本，兼顾性能，降低系统复杂度，利用射频开关对覆盖低仰角区域天线阵的多波束和覆盖过顶高仰角区域波束赋形的全向天线进行电控扫描，从而实现对多目标无人机全空间的跟踪测控。
【IPC分类】H01Q1-28, H01Q21-29, H01Q1-50
【公开号】CN104868255
【申请号】CN201510223709
【发明人】许鸣, 张颖松, 戴勇, 钱祖平, 夏炎, 项阳, 辛海洋, 张建国, 杨红图, 郑泽宇, 蔡洋
【申请人】中国人民解放军总参谋部第六十研究所
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月5日