一种一体化的宽带高功率贴片阵列天线的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种一体化的宽带高功率贴片阵列天线，包括宽带高功率同轴一分四功分器、天线地板、四个宽带辐射贴片、天线罩，所述天线罩罩住四个宽带辐射贴片并与天线地板面密封连接，所述天线地板上设置有进气口和出气口，天线罩内充满六氟化硫气体；本发明可以使瞬时功率容量达到数吉瓦（GW）量级，并可以提高辐射波束的定向性和场强，解决了目前宽谱高功率微波系统中发射天线体积大、重量大、增益低和难以组阵等难题；该阵列天线结构紧凑、重量轻、剖面低、增益高、功率容量高且易于组阵，可以广泛应用于宽谱高功率微波发射、强电磁脉冲研究等领域。
【专利说明】一种一体化的宽带高功率贴片阵列天线
【技术领域】
[0001]本发明涉及高功率微波发射天线领域，具体是指一种一体化的宽带高功率贴片阵列天线。
【背景技术】
[0002]高功率微波技术(High Power Microwave)是核技术中衍生出的一门新兴学科领域，是脉冲功率技术、相对论电真空器件、天线技术等多学科相结合的综合学科。其中高功率微波天线的作用是将高功率微波定向发射到空间，在高功率微波系统中起到了关键作用。
[0003]宽谱高功率微波(Mesoband High Power Microwave)由于其频谱较宽,功率密度比超宽谱高功率微波高，具有很大的应用潜力，在电磁脉冲模拟器、强电磁兼容试验及路边炸弹排爆等领域都有广泛应用。然而，由于宽谱高功率微波中心频率一般只有数百兆赫兹(10MHf 1000MHz)，如采用高功率反射面天线辐射则天线体积过大，难以组阵；而若采用线型天线，为了获得足够的功率容量，需要增加尼龙天线罩，使体积变得十分庞大，重量也大大增加，最终使得宽谱高功率微波辐射系统很难小型化，因此急需一种高功率容量、体积紧凑、重量轻、较高增益、易于组阵的宽谱高功率微波辐射天线。。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了解决目前宽谱高功率微波系统中发射天线体积大、重量大、增益低和难以组阵等难题，并提高辐射波束的定向性和场强，公布一种一体化的宽带高功率贴片阵列天线，采用一体化的天线地板和天线罩构成方盒结构，方盒内由4个辐射贴片组成2X2阵列，方盒内填充六氟化硫(SF6)气体以获得足够的功率容量，该阵列天线结构紧凑、重量轻、剖面低、增益高、功率容量高且易于组阵。可以广泛应用于宽谱高功率微波发射、强电磁脉冲研究等领域。
[0005]本发明采用如下技术方案:
一种一体化的宽带高功率贴片阵列天线，包括宽带同轴一分四功分器、天线地板、四个宽带辐射贴片；所述宽带同轴一分四功分器设置在天线地板的一面，天线地板的另一面设置有四个宽带辐射贴片；所述宽带同轴一分四功分器的四个馈电输出口穿过天线地板各自连接一个宽带辐射贴片；还包括天线罩，所述天线罩罩住四个宽带辐射贴片与天线地板面密封连接，所述天线地板上设置有进气口和出气口，天线罩内充满六氟化硫气体。
[0006]在上述技术方案中，所述宽带同轴一分四功分器包括外导体和内导体，所述都是外导体和内导体均为一路分支为四路的结构，四路同轴线在与天线地板平行的平面内呈“X”形射线分开。
[0007]在上述技术方案中，所述宽带同轴一分四功分器的四个输出口成90度与天线地板垂直。
[0008]在上述技术方案中，所述内导体的阻抗从输入端到输出端成逐渐减小。
[0009]在上述技术方案中，所述宽带辐射贴片的一个边缘中心设置有圆锥形金属块，所述圆锥形金属块左右对称处的宽带辐射贴片上各设置一个“L”形缺槽。
[0010]在上述技术方案中，所述宽带辐射贴片上的圆锥形金属块与宽带同轴一分四功分器的输出口轴线重合，且圆锥形金属块与内导体连接。
[0011]在上述技术方案中，所述宽带辐射贴片与天线地板之间设置有支撑柱，所述支撑柱为有机玻璃或其他绝缘介质制成。
[0012]在上述技术方案中，所述四个宽带辐射贴片以2X2阵列均匀排布在天线地板上。
[0013]在上述技术方案中，所述天线罩采用可穿透电磁波的材料。
[0014]本发明的工作原理:宽谱高功率微波由宽带同轴功分器输入端口馈入后，等功率的分配为四路，并将信号同步的馈给一体化天线地板前面的四个辐射贴片进行辐射，四个辐射贴片各自辐射的宽谱高功率微波穿透过一体化天线罩，在远场处相干合成，实现对宽谱高功率微波的高增益的定向辐射，天线罩内密封的SF6气体起到绝缘作用，防止辐射贴片附件因电场强度超过空气的射频击穿阈值而发生打火。
[0015]综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是:采用一体化的天线地板和天线罩构成方盒结构，方盒内由4个辐射贴片组成2X2阵列，方盒内填充六氟化硫(SF6)气体以获得足够的功率容量，可以轻松达到数吉瓦(GW)量级，并可以提高辐射波束的定向性和场强，解决了目前宽谱高功率微波系统中发射天线体积大、重量大、增益低和难以组阵等难题。该阵列天线结构紧凑、重量轻、剖面低、增益高、功率容量高且易于组阵，可以广泛应用于宽谱高功率微波发射、强电磁脉冲研究等领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中:
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是宽带同轴一分四功分器的外导体结构示意图；
图3是宽带同轴一分四功分器的内导体结构示意图；
图4是天线地板结构示意图；
图5是辐射贴片结构示意图；
图6是天线罩结构示意图；
图7是典型的600 MHz宽谱激励脉冲图；
图8是辐射场波形图；
图9是阵列天线在中心频率600MHz的E面方向图；
图10是阵列天线在中心频率600MHz的H面方向图；
其中:1是天线地板，2是宽带同轴一分四功分器，3是天线罩，4是辐射贴片。
【具体实施方式】
[0017]如图1所示，本发明由宽带同轴一分四功分器、一体化天线地板、四个宽带辐射贴片和一体化天线罩构成，在一体化天线地板和一体化天线罩围成的密闭空间内填充有SF6气体。
[0018]宽带同轴一分四功分器是一种同轴传输线分支，采用金属加工而成，由外导体和内导体两部分组成，用于将馈入的宽谱高功率微波等功率的分为四路。外导体和内导体结构分别如图2、图3所示，都是一路分支为四路的结构，四路同轴线在与天线地板平行的平面内呈“X”形射线分开，并通过4个90度弯管或弯杆变为与天线地板垂直，给所述阵列天线中的四个宽带辐射贴片馈电。为了能保证馈电功率，内导体的特性阻抗和传统的阻抗不变不一样，本发明中的内导体的特性阻抗由输入端到输出端呈逐渐变小的变化,这样做使得最终的馈电功率能更高。
[0019]如图4所示，一体化天线地板为金属制造，整体为具有一定厚度的金属平板，背面在偏上方位置开有四个孔，焊有四个带有连接法兰的金属筒，其作用是与宽带同轴一分四功分器的四路输出同轴端口连接，实现给位于地板前面的四个宽带辐射贴片馈电，天线地板的四个边缘开有若干螺孔，可将一体化的天线罩用紧固螺钉固定在天线地板上，形成密闭的盒形空间，右下角和左上角分别有一气孔，用于安装充气阀和放气阀。
[0020]宽带辐射贴片结构如图5所示，主体结构为一定厚度的金属板，左右对称，为了扩展贴片天线的工作带宽，开有左右对称的剪去了的“L”形的缺槽，上边缘中心焊接有一个圆锥形金属块，所述圆锥形金属块的轴线与一体化天线地板上的法兰孔的轴线重合，并与功分器内导体电连接。
[0021]如图6所示，一体化天线罩采用可穿透电磁波的材料，如(包含但不限于)尼龙、聚四氟乙烯、玻璃钢、塑料等介质以及其他人工电磁材料加工而成，形状为具有一定厚度的壳形方盒，其中一个面开放，开放面四周边缘有通孔，与一体化天线地板间用紧固螺钉连接，形成封闭的方盒形腔体，腔体内部填充六氟化硫SF6气体以提高功率容量到数吉瓦(GW)量级，为了提高结构强度，在一体化天线罩内表面增加了 “十”字形加强筋。
实施例
[0022]设计一款工作中心频率为600MHz的一体化宽带高功率贴片阵列天线。
[0023]功分网络输入同轴端口阻抗为20 Ω，内外导体直径分别为39.4mm和55mm，4路输出同轴端口为50 Ω，内外导体直径分别为10.9mm和25mm，四个端口水平间距为260mm，垂直间距为210mm。
[0024]一体化天线地板为航空铝材料制造，地板平面长520mm、宽420 mm,每个天线单元之间水平间距为260 mm，垂直间距为210 mm。
[0025]4个辐射贴片采用航空铝材料加工，矩形贴片长225mm，宽152mm，厚度为2mm ;上边缘的圆锥高41mm,下底半径21mm,上顶半径4.2mm ;“L”形开槽槽宽15mm,长槽中心距离中间对称轴130mm、长145mm,短槽长42mm。
[0026]—体化天线罩采用厚度为5mm的尼龙板材拼接而成，方盒高度为55mm,长度为520mm、宽度为 420 mm。
[0027]测试时馈入如图7所示的中心频率600 MHz宽谱脉冲波形，输入阻抗带宽达到47%，图8为辐射场时域波形。
[0028]图9为所述实例阵列天线在中心频率600MHz的E面和H面方向图，其中E面的3dB角宽为56.4°，H面的3 dB角宽为47.8°，增益达到11.8 dB，旁瓣和后瓣电平低于-22dB，具有非常好的定向辐射能力。
[0029]本发明并不局限于前述的【具体实施方式】。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
【权利要求】
1.一种一体化的宽带高功率贴片阵列天线，包括宽带同轴一分四功分器、天线地板、四个宽带辐射贴片；其特征在于所述宽带同轴一分四功分器设置在天线地板的一面，天线地板的另一面设置有四个宽带辐射贴片；所述宽带同轴一分四功分器的四个馈电输出口穿过天线地板各自连接一个宽带辐射贴片；还包括天线罩，所述天线罩罩住四个宽带辐射贴片与天线地板面密封连接，所述天线地板上设置有进气口和出气口，天线罩内充满六氟化硫气体。
2.根据权利要求1所述的一种一体化的宽带高功率贴片阵列天线，其特征在于所述宽带同轴一分四功分器包括外导体和内导体，所述都是外导体和内导体均为一路分支为四路的结构，四路同轴线在与天线地板平行的平面内呈“X”形射线分开。
3.根据权利要求2所述的一种一体化的宽带高功率贴片阵列天线，其特征在于所述宽带同轴一分四功分器的四个输出口成90度与天线地板垂直。
4.根据权利要求2所述的一种一体化的宽带高功率贴片阵列天线，其特征在于所述内导体的阻抗从输入端到输出端成逐渐减小。
5.根据权利要求1所述的一种一体化的宽带高功率贴片阵列天线，其特征在于所述宽带辐射贴片的一个边缘中心设置有圆锥形金属块，所述圆锥形金属块左右对称处的宽带辐射贴片上各设置一个“L”形缺槽。
6.根据权利要求1或2或5所述的一种一体化的宽带高功率贴片阵列天线，其特征在于所述宽带辐射贴片上的圆锥形金属块与宽带同轴一分四功分器的输出口轴线重合，且圆锥形金属块与内导体连接。
7.根据权利要求1所述的一种一体化的宽带高功率贴片阵列天线，其特征在于所述宽带辐射贴片与天线地板之间设置有支撑柱，所述支撑柱为有机玻璃或其他绝缘介质制成。
8.根据权利要求7所述的一种一体化的宽带高功率贴片阵列天线，其特征在于所述四个宽带辐射贴片以2X2阵列均匀排布在天线地板上。
9.根据权利要求1所述的一种一体化的宽带高功率贴片阵列天线，其特征在于所述天线罩采用可穿透电磁波的材料。
【文档编号】H01Q21/00GK104319465SQ201410607015
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月3日 优先权日:2014年11月3日
【发明者】徐刚, 杨周炳, 孟凡宝, 廖勇, 谢平, 张晋琪, 陆巍 申请人:中国工程物理研究院应用电子学研究所