一种用于阵列天线监测的天线及其应用的制作方法

本发明涉及雷达、通信、测控及遥感技术领域，具体涉及一种用于阵列天线监测的天线及其应用。

背景技术：

阵列天线在投入运行之后，在每次开机过程中，要对各天线单元之间的幅相误差进行监测，以便在不停机工作状态下监测出失效的微波器件并及时维修更换，使得大量天线单元的阵天线保证得到高的工作可靠度。阵列天线监测中，按照阵列单元采样或测试信号注入路径的不同，分为内监测和外监测两种。其中，阵列天线阵面外监测通道是一种基于单元互耦理论用于相控阵天线外部监测的信道。在天线阵面的合适位置，安置一定数量的监测天线单元，该监测天线单元辐射的电磁波会耦合到邻近的阵面单元，依次选通阵面单元测得接收信号的幅相值，通过比较就可以判断接收通道的幅相误差。

中国电子科技集团公司第十研究所在专利“具有内校准网络的有源相控阵天线”(公开号：CN105390814A)中提出了一种具有内校准网络的有源相控阵天线，这种天线将每个天线阵元通道的幅相信息，通过封闭于多层带状线印制板内的一体化热压合成型内校准网络耦合提取出来，送入信号终端校准。内校准网络为带状线耦合器从阵面射频前端的馈电传输线耦合出各通道的能量，通过多个可以调谐的T型结进行功率合成为一个总的收发校准信号，该收发校准信号在经由信号处理模块对天线各通道进行幅度和相位的补偿。这种方法具有硬件设备需求量少，校准精度高，受外部环境影响小的优点；但是此专利用于校准的监测天线和阵面辐射单元天线形式相同，对各天线通道耦合能量不是很均匀，会给后续的信号处理带来一定的麻烦。中国船舶重工集团公司第七二四研究所在专利“一种用于数字相控阵列天线的内监测网络模块”(公开号：CN104934725A)中提出了一种内监测网络模块，这种网络由上下两层带状线以及耦合孔组成；通过在天线公共地上开双耦合孔，缩短了天线主路的馈电路径长度，从而减小了能量损耗。但此种内监测网络无法监测天线单元以及互耦，所监测到的幅相数据和实际数据有一定差别；且这种内监测网络不能监测天线的安装误差，以及阵元方向图的幅相不一致性。西安电子工程研究所在专利“一种相控阵雷达发射通道远场校准方法及系统”(公开号：CN104360328A)中提出了一种相控阵雷达发射通道远场校准方法，在远场设置两个极化相互垂直的天线，在天线阵面上安装一个极化与阵面垂直的辅助天线，接收远场天线的信号，在雷达信号处理机中对信号进行处理；这种方法相对传统方法省去了在远端架设频谱仪，示波器等信号测量设备，以及省去了在远端传送参考时钟；虽然此专利在天线阵列相位校准方面具有优势，但是并未提及对天线阵列幅度校准的方法。2012年8月《微波学报》公开的文献《基于近场测试的相控阵天线自动化校准与阵面检测方法》针对小型化相控阵平台，通过硬连接将相控阵天线的波控系统与测试设备相结合，提出了一种简便的自动化近场逐点校准方法和外监测方法；这种方法具有速度快，校准精度高，对设备要求少的优点，但是对于大型相控阵二维相扫的情况，校准与监测效果将会恶化。2008年南京理工大学公开的硕士学位论文《相控阵天线监测技术研究》中详细的介绍了应用于相控阵雷达的内外监测技术，并提出了一种实用相控阵内外监测技术的实现，在外监测方案的实现中，为了保证耦合到各通道能量均一性，用了4个单元天线作为监测天线，虽然耦合能量均一性好，但是多个监测天线的使用对阵面辐射特性影响更大，也增大了系统复杂度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于阵列天线监测的天线及其应用，其是一种轴向宽波速天线，置于阵列天线的中心位置，在天线阵面的平面具有水平全向的辐射方向图，此种天线本身结构简单，体积小，造价低廉，可靠性高；本天线应用于相控阵雷达监测时，对各天线通道的能量耦合有着很好的均一性，使得监测天线单元辐射的电磁波会耦合到邻近的阵列单元的幅度和相位均匀，利于天线监测功能的实现。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种用于阵列天线监测的天线，该天线为一轴向宽波束天线，其包含：

单极子辐射体，为金属柱体；

辐射体保护介质套，包裹在单极子辐射体外，与单极子辐射体等长；

介质支撑柱体，支撑单极子辐射体，用于增强天线整体的结构强度，保证单极子辐射体不变形；

同轴馈电装置，其顶部伸出一内导体，内导体外套设所述的介质支撑柱体组成阻抗过渡段，单极子辐射体直径与该内导体直径相同；

固定基座，用于固定天线整体，同轴馈电装置和介质支撑柱体的连接体由该固定基座底部插入并镶嵌在固定基座中，同轴馈电装置起到电路中地的作用。

上述的用于阵列天线监测的天线，其中：

单极子辐射体长度与辐射的电磁波波长满足以下关系式：l≈(0.18λ～0.22λ)，式中，l为单极子辐射体长度，λ为辐射的电磁波波长。

上述的用于阵列天线监测的天线，其中：

所述辐射体保护介质套采用聚四氟乙烯材料制成。

上述的用于阵列天线监测的天线，其中：

辐射体保护介质套直径与单极子辐射体直径满足以下关系式：式中，ε_r为辐射体保护介质套的相对介电常数，Z₀为辐射体保护介质套的辐射阻抗，a为单极子辐射体的直径，b为辐射体保护介质套直径。

上述的用于阵列天线监测的天线，其中：

同轴馈电装置为一SMP射频接插件。

所述的用于阵列天线监测的天线在相控阵雷达上作为监测天线的应用。

上述的用于阵列天线监测的天线在相控阵雷达上作为监测天线的应用，其中：

天线通过固定基座固定在相控阵列雷达天线阵列中心位置。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、结构简单，体积小，造价低廉，可靠性高；

2、置于阵列天线的中心位置，在天线阵面的平面具有水平全向的辐射方向图；

3、本天线应用于相控阵雷达监测时，对各天线通道的能量耦合有着很好的均一性，使得监测天线单元辐射的电磁波会耦合到邻近的阵列单元的幅度和相位均匀，利于天线监测功能的实现

附图说明

图1为本发明的整体结构模型爆炸图；

图2为本发明的整体结构模型立体图；

图3为本发明的整体结构模型主视图；

图4为本发明的天线全向辐射增益方向图；

图5为无线大地面上单极子天线辐射示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1～3所示，一种用于阵列天线监测的天线，该天线为一轴向宽波束天线，其包含：单极子辐射体1，为金属柱体；辐射体保护介质套2，可采用聚四氟乙烯材料制成，其包裹在单极子辐射体1外，与单极子辐射体1等长；介质支撑柱体3，可采用聚四氟乙烯材质，支撑单极子辐射体1，用于增强天线整体的结构强度，保证单极子辐射体1不变形；同轴馈电装置4，位于单极子辐射体1的后部，其顶部伸出一内导体，内导体用于给单极子辐射体1馈电，使其能够辐射电磁波，内导体外套设介质支撑柱体3组成阻抗过渡段，单极子辐射体1直径与该内导体直径相同，阻抗过渡段的作用是确保把内导体直径减小到和单极子辐射体1同样大小的情况下保持阻抗匹配；固定基座5，采用铝金属材质，作为相控阵天线的底座，用于固定天线整体，同轴馈电装置4和介质支撑柱体3的连接体由固定基座5底部插入镶嵌在固定基座5中，同轴馈电装置4起到电路中“地”的作用，本实施例中，同轴馈电装置4通过螺纹固定在固定基座5里，同轴馈电装置4为一SMP射频接插件，其包含同轴插座以及阻抗匹配过渡段。

所述的包裹辐射体保护介质套2的单极子辐射体1是本发明所述天线的关键，其长度与波束指向与轴向波束宽度有关，本发明所述天线的辐射部分即单极子辐射体1可以看做是一种单极子天线，如图5所示，以下，运用单极子天线理论来解释本发明天线的相关物理特性：

假定有效损耗为0，无限大地面上电场强度与单极子天线仰角α和距离r的函数关系满足公式1：

式中，P为输入功率，R为辐射阻抗，l为单极子辐射体长度，λ为辐射的电磁波波长即天线工作对应频率电磁波的波长。根据公式1，条件为输入功率P＝1W，距离r＝1609m，α＝0°，可以得到当l≈0.28λ与l≈0.64λ时，天线辐射阻抗R为50Ω，可以与多数内导体即射频接插件匹的阻抗配；而l≈0.64λ时，在α＝60°位置有较大的电场辐射，而对于监测天线，要求在α＝0°方向有更大辐射，明显是不利的，而且l≈0.64λ对于辐射体来说长度过长，会占用较大的空间；l≈0.28λ时不仅波束指向在轴向上全向辐射，而且俯仰面波束宽度展宽至78°，可以覆盖更大的空间。

所述单极子辐射体1的直径a与辐射体保护介质套2直径b与辐射阻抗Z₀关系如式2所示：

式中，辐射体保护介质套2为聚四氟乙烯，相对介电常数ε_r＝2.2，单极子辐射体1内径与射频接插件内径相同，单极子辐射体1辐射阻抗为50Ω，根据式2可以确定辐射体保护介质套2的外径；聚四氟乙烯的辐射体保护介质套2不仅具有保护单极子辐射体1结构强度，透波性能好，损耗小等优点，而且理论上可以让单极子辐射体1的长度减小到根据公式(1)的计算，并经过软件仿真优化设计后，单极子辐射体长度与波长大约满足公式3的关系：

l≈0.2λ (3)

值得注意的是，辐射体保护介质套2的直径是可以根据实际需求调节的；增加辐射体保护介质套2的直径会缩短单极子辐射体1的长度，减小辐射体保护介质套2的直径会增加单极子辐射体1的长度；对仿真实验得到的结果分析，最后单极子辐射体长度与波长的关系为：

l≈(0.18λ～0.22λ) (4)

常规用做相控阵雷达外监测天线单元一般和相控阵阵列天线单元相同，这种单元一般为单向辐射，辐射方向与阵列口径面垂直；这种天线不仅因为要安装在阵面正前方，对阵面辐射效率由遮挡，而且电磁场传播方向上平行于电场的平面E面，电磁场传播方向上垂直于电场的平面H面波束宽度往往不同，对阵面辐射单元的耦合强度也不同，在阵中心位置与阵边缘位置的天线增益耦合至少差3dB，这种均一性较差的耦合对外监测是不利的；如图4所示，本发明中提出的作为相控阵外监测天线具有单极天线的辐射特性，将其通过固定基座5固定在相控阵列雷达天线阵列中心位置，在与天线阵列口径平行的平面上是全向的，不仅具有超宽波束，且各个方向辐射强度均一性好，理论上该平面各个方向上增益差为0，实测阵中心位置与阵边缘增益差小于1dB；此种辐射特性的天线用于相控阵系统外监测，对各个位置辐射单元的耦合系数均一性好于常规用作相控阵系统外监测的天线；非常适合用于各种相控阵雷达的外监测系统。

本发明的一实施例中，单极子辐射体1长度为0.2λ；辐射体保护介质,2为相对介电常数ε_r为2.2的聚四氟乙烯介质柱，套在单极子辐射体1外部，与单极子辐射体1长度相等，单极子辐射，1直径与辐射体保护介质套2直径关系满足公式2；介质支撑柱体3的高度为1mm，镶嵌在金属固定基座5内；同轴馈电装置4为SMP射频接插件，内外导体直径关系满足公式2，以选择合适的内外导体直径可以得到50Ω的特性阻抗，和单极子天线的辐射阻抗相匹配，其高度为3.5mm。金属固定基座5是尺寸为8.8mm×8.8mm×4.5mm的金属立方体，固定在相控阵雷达天线阵列中心位置。天线整体结构模型如图2所示，该天线具有结构简单，易于制作，体积小，可靠性高的优点。图3为该天线在与相控阵天线口径面平行的平面(H面)上辐射增益方向图，在360°范围内增益最大差值为0.05dB，实际测试增益最大差值为0.92dB；对周围相控阵天线辐射单元的耦合系数在稳定性与均一性上都具有明显的优势；这是一种适合于相控阵雷达外监测系统的监测天线。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。