一种二维宽角度扫描的全金属相控阵雷达天线单元制造技术

本发明专利技术公开了一种二维宽角度扫描全金属相控阵雷达天线单元，其特征是：由立体结构的Vivaldi天线和金属反射板组成；Vivaldi天线包括：一对脊臂及其相连通的天线腔体、矩形槽、圆柱谐振腔、矩形同轴外导体、矩形同轴内导体、矩形同轴馈电接口。其中一对脊臂为辐射区，矩形槽为传输区，矩形同轴外导体、矩形同轴内导体和矩形同轴馈电接口为馈电区，利用辐射区、传输区和馈电区实现能量的接收和发送。本发明专利技术根据现代雷达技术对工作带宽、扫描角度等指标要求,设计出的单元具有宽频带、高隔离度、带内无扫描盲点等性能，同时具有小型化、结构简单、损耗低等优点，能实现二维宽角度(±60°)扫描，使得雷达扫描范围更广。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于雷达天线
，具体涉及一种二维宽角度扫描的全金属相控阵雷达天线单元。
技术介绍
相控阵天线在跟踪雷达、测相等领域中得到广泛的应用，主瓣随着通信的需要而不断地调整，可以快速精确地控制辐射波的指向。现阶段相控阵天线单元有以下几种结构形式，在性能上虽各有特点，但均存在某种不足。1、抛面天线，是一种面天线。一般来说天线直径越大，增益越高，易于实现，但其辐射效率通常比较低，这主要是因为由于辐射器发出的功率有相当一部分不能被反射面截获，反而从反射面边缘越过，造成能量的泄露损耗。2、波导缝隙天线，是一种口径天线。在波导壁上切开窄缝，常按一定规律开有多个缝隙，构成波导缝隙天线阵，电磁波通过缝隙向外空间辐射而形成。它的主要优点是口径分布便于控制，易于实现低旁瓣电平，效率高，结构紧凑，加工与安装简便，但其缺点是工作频带较窄，不易实现超宽带，实验调整性较差，尤其在各个缝隙尺寸方面，不容易修改，而且以目前的加工精度，需要综合考虑各种影响因素以及正确选择设计方法和精确计算缝隙参数，难度较大。3、传统Vivaldi天线，是一种渐变槽天线。由于采用平面印刷结构，具有宽频带、高增益以及良好的时域特性等优点，可以做成随频率变化但具有恒定增益的天线，由它组成的单极化和双极化阵列天线能够应用于宽带及宽频带扫描角的相控阵雷达。但由于介质板的馈线损耗会导致天线的辐射效率下降，并存在馈线的寄生辐射效应，阵列中天线单元互耦较大，介质结构需采用辅助件加以固定。
技术实现思路
本专利技术为克服现有技术存在的缺陷与不足之处，提供一种小型化、宽频带、高隔离、易加工，易安装固定的二维宽角度扫描的全金属相控阵雷达天线单元，以期能实现二维宽角度(±60°)扫描，从而使得雷达扫描范围更广。为实现上述技术指标，采用的技术方案为：本专利技术一种二维宽角度扫描的全金属相控阵雷达天线单元的特点是，所述全金属相控阵雷达天线单元是由立体结构的Vivaldi天线本体和金属反射板组成；所述Vivaldi天线本体包括：一对脊臂及其相连通的天线腔体、矩形槽、圆柱谐振腔、矩形同轴外导体、矩形同轴内导体、矩形同轴馈电接口；在所述一对脊臂的底部，且处于所述天线腔体的上表面设置有所述矩形槽，所述矩形槽与设置在所述天线腔体内的圆柱谐振腔相连通；在所述天线腔体的底面设置有所述矩形同轴馈电接口；所述矩形同轴外导体内套装有所述矩形同轴内导体，并设置在所述天线腔体内；所述矩形同轴外导体与矩形同轴内导体的一端分别与所述矩形同轴馈电接口相连通；所述矩形同轴外导体的另一端与所述一对脊臂中的第一脊臂边缘连通；所述矩形同轴内导体的另一端穿过所述一对脊臂的第一脊臂边缘，并与第二脊臂边缘连通；在所述Vivaldi天线本体的底部设置有所述金属反射板，且所述金属反射板与所述矩形同轴馈电接口相连通；所述全金属相控阵雷达天线单元是以所述一对脊臂为辐射区，以所述矩形槽为传输区，以所述矩形同轴外导体、矩形同轴内导体和矩形同轴馈电接口为馈电区；从而利用辐射区、传输区和馈电区实现能量的接收和发送。本专利技术所述的全金属相控阵雷达天线单元的特点也在于：所述一对脊臂中的任意一个脊臂均设置有内曲面和外曲面，且内曲面和外曲面之间通过矩形面相连接；所述一对脊臂的内曲面为e指数函数曲线，且相对而设形成喇叭状；所述一对脊臂的外曲面为圆弧面。所述一对脊臂(9)的内曲面为辐射区。所用立体结构的Vivaldi天线本体为金属材料。与现有技术相比，本专利技术有益效果体现在：1、本专利技术天线主体槽线设计弯曲程度大，以此实现小型化中对高度的要求，并通过选择合适的弧度达到最佳方向性，同时在两侧，考虑到表面电流的影响，各裁剪一个圆形弧线，提高了隐身效果。2、本专利技术加入圆柱谐振腔，提高了天线的方向性，使高频带宽更宽。3、通过仅使用全金属的材料的方式，而不是传统的通过介质板和印刷天线的模式，更有利于提高天线使用寿命及稳定性。4、使用金属为唯一材料，易加工，易安装固定、物理特性好，低损耗、更易实现小型化，易实现在两维的超宽带宽角度扫描。其中，所用材料均为金属结构。5、传统的Vivaldi天线，它的辐射槽为渐变型，意味着它有着更宽的带宽，相对于其他微带天线而言，所以，在此基础上，我们对此做出了一定的改进，想到了将印刷面构建成体，这样当天线辐射电磁波的时候，可以实现更宽的带宽，同时采用的同轴馈电，对带宽的影响也相应的有所减小。附图说明图1是本专利技术的三维结构示意图；图2是本专利技术的正视图；图3是本专利技术的驻波比图；图中标号：1矩形面；2外曲面；3内曲面；4圆柱谐振腔；5矩形同轴外导体；6矩形同轴内导体；7金属反射板；8矩形同轴馈电接口；9一对脊臂；10矩形槽。具体实施方式本实施例中，如图1所示，一种二维宽角度扫描的全金属相控阵雷达天线单元，是由立体结构的Vivaldi天线和金属反射板7组成。该立体型Vivaldi天线包括：一对脊臂9及其相连通的天线腔体、矩形槽10、圆柱谐振腔4、矩形同轴外导体5、矩形同轴内导体6、矩形同轴馈电接口8。所用立体结构的Vivaldi天线本体为金属材料，采用金属材料可以加强整个天线的物理强度，在恶劣条件下使用时间更加持久，并且可以提高反射信号的强度。选择全金属结构可以进一步降低天线高度，更容易实现小型化。一方面在保证了结构所必要的支撑强度下节省了材料，降低成本，另一方面单一加工材料降低了天线加工的复杂程度。如图1所示，一对脊臂9中的任意一个脊臂均设置有内曲面3和外曲面2，且内曲面3和外曲面2之间通过矩形面1相连接。该内曲面为e指数函数曲线，且相对而设形成喇叭状，电磁波通过内曲面将能量辐射出去。e指数函数的通式为y＝±(aebx+c)，其中a，b，c是常数，通过合理的设置，可以在兼顾效率和方向性等指标下扩展频带。该外曲面为圆弧面，减小了天线单元无效面积，并且通过对外曲面参数的修改，在不引起天线相关特性指标的巨大改变下微调天线表面的电流分布，从而改变磁场分布，用以提高天线辐射性能，减小天线阵元之间的互耦影响。如图1、图2所示，在脊臂9的底部，且处于天线腔体的上表面设置有矩形槽10，该矩形槽10与设置在天线腔体内的圆柱谐振腔4相连通。通过矩形槽10，可以将在圆柱谐振腔4里震荡得到加强的电磁波引导到脊臂，实现电磁波的传输。同时，采用圆柱谐振腔，与矩形、椭圆柱谐振相比，可以减少毛刺的产生，提高整体稳定性。同时，采用同轴馈电的方式，即为在矩形同轴外导体5内套装有矩形同轴内导体6，并设置在天线腔体内，避免了天线辐射的影响。采用矩形同轴馈电，减少了微带线或者带状线馈电结构中特性阻抗容易随频率的变化而发生改变的现象，易于匹配，也减少了产生的色散现象，而且加工也更加方便，同时寄生辐射也比较低。在天线腔体的底面设置有矩形同轴馈电接口8，用以连接馈线。如图2所示，矩形同轴外导体5与矩形同轴内导体6的一端分别与矩形同轴馈电接口8相连通；矩形同轴外导体5的另一端与一对脊臂9中的第一脊臂边缘连通；矩形同轴内导体6的另一端穿过一对脊臂9的第一脊臂边缘，并与第二脊臂边缘连通。能量通过馈线，馈进天线体内，再到辐射区。在Vivaldi天线本体的底部设置有金属反射板7，且金属反射板7与矩形同轴馈电接口8相连通；金属板的作用主要是用于提高增益和方向性，提高接收灵敏度，阻挡及屏蔽来自本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二维宽角度扫描的全金属相控阵雷达天线单元，其特征是，所述全金属相控阵雷达天线单元是由立体结构的Vivaldi天线本体和金属反射板(7)组成；所述Vivaldi天线本体包括：一对脊臂(9)及其相连通的天线腔体、矩形槽(10)、圆柱谐振腔(4)、矩形同轴外导体(5)、矩形同轴内导体(6)、矩形同轴馈电接口(8)；在所述一对脊臂(9)的底部，且处于所述天线腔体的上表面设置有所述矩形槽(10)，所述矩形槽(10)与设置在所述天线腔体内的圆柱谐振腔(4)相连通；在所述天线腔体的底面设置有所述矩形同轴馈电接口(8)；所述矩形同轴外导体(5)内套装有所述矩形同轴内导体(6)，并设置在所述天线腔体内；所述矩形同轴外导体(5)与矩形同轴内导体(6)的一端分别与所述矩形同轴馈电接口(8)相连通；所述矩形同轴外导体(5)的另一端与所述一对脊臂(9)中的第一脊臂边缘连通；所述矩形同轴内导体(6)的另一端穿过所述一对脊臂(9)的第一脊臂边缘，并与第二脊臂边缘连通；在所述Vivaldi天线本体的底部设置有所述金属反射板(7)，且所述金属反射板(7)与所述矩形同轴馈电接口(8)相连通；所述全金属相控阵雷达天线单元是以所述一对脊臂(9)为辐射区，以所述矩形槽(10)为传输区，以所述矩形同轴外导体(5)、矩形同轴内导体(6)和矩形同轴馈电接口(8)为馈电区；从而利用辐射区、传输区和馈电区实现能量的接收和发送。...

【技术特征摘要】
1.一种二维宽角度扫描的全金属相控阵雷达天线单元，其特征是，所述全金属相控阵雷达天线单元是由立体结构的Vivaldi天线本体和金属反射板(7)组成；所述Vivaldi天线本体包括：一对脊臂(9)及其相连通的天线腔体、矩形槽(10)、圆柱谐振腔(4)、矩形同轴外导体(5)、矩形同轴内导体(6)、矩形同轴馈电接口(8)；在所述一对脊臂(9)的底部，且处于所述天线腔体的上表面设置有所述矩形槽(10)，所述矩形槽(10)与设置在所述天线腔体内的圆柱谐振腔(4)相连通；在所述天线腔体的底面设置有所述矩形同轴馈电接口(8)；所述矩形同轴外导体(5)内套装有所述矩形同轴内导体(6)，并设置在所述天线腔体内；所述矩形同轴外导体(5)与矩形同轴内导体(6)的一端分别与所述矩形同轴馈电接口(8)相连通；所述矩形同轴外导体(5)的另一端与所述一对脊臂(9)中的第一脊臂边缘连通；所述矩形同轴内导体(6)的另一端穿过所述一对脊臂(9)的第一脊臂边缘，并与第二脊臂边缘...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜兆能，税明月，杨明武，黄英，欧阳一鸣，陈俊夫，张延孔，杨晓雨，瞿晨，李晓阳，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34