專利名稱：一種二維相控陣的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種相控陣，更具體說，它涉及一種二維相控陣。
背景技術：
相控陣主要應用于測流儀。測流儀是測量船速、流速流向和計程的優(yōu)良水聲設備，是關于艦船、潛艇和水下航行器的底跟蹤、航速測量、海流測量和自身水下定位的水聲設備。二維相控陣分為兩類分體式和相控式。分體式是由2只獨立的收發(fā)兩用換能器構成，它們分別在左、右2個方向形成2個波束，這種分體式測流儀的優(yōu)點是結(jié)構簡單，缺點是基陣的發(fā)射和接收的旁瓣較大，而且基陣的體積大、重量重；二維相控陣是由多條收發(fā)共用的陶瓷顆粒條構成的一體式基陣，，通過相位控制的方法得到2個波束，它的優(yōu)點是體積小、重量輕，而且發(fā)射和接收的旁瓣較小，缺點就是制作工藝較復雜。目前，國內(nèi)只有為數(shù)不多的海港使用了國外的海流測量設備，而國內(nèi)用于航道海流測量的海流剖面儀還處于起步階段。因此，國內(nèi)軍港使用國產(chǎn)測流設備來測量航道內(nèi)海流，還是一片空白。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種結(jié)構合理，可靠性高，指標好，體積小，重量輕的二維相控陣。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的這種二維相控陣，所述相控陣從下自上依次包括外殼、后匹配層、正極、去藕泡沫基陣架、基元、負極和聚氨酯膠。所述相控陣為相控時可以有效地減小波束旁瓣的橢圓形基陣。所述基元的正極采用印制板電路連接，形成4路輸出來進行相控，所有基元負極共地設計。作為優(yōu)選所述基元為陶瓷顆粒。作為優(yōu)選所述基元的正極面為相控面，負極作為輻射面，將相同相位的基元排放在一條直線上，并聯(lián)聯(lián)接，負極面共負，正極面粘接印制板電路最終形成4路信號輸出。作為優(yōu)選所述基陣的上下兩面分別設有前匹配層和后匹配層，前匹配層為印制板電路將基元的負極并聯(lián)連接，后匹配層則為降低換能器瞬態(tài)響應的高阻抗設計。作為優(yōu)選所述相控陣由1048個基元組成，形成56行24列。作為優(yōu)選所述基元的諧振頻率為150kHz。作為優(yōu)選所述相控方向的基元之間的中心距離為7. 07mm。本發(fā)明的有益效果是(1)獨特的布陣技術橢圓形的平面陣，利用每列的基元個數(shù)不同來改善基陣相控時的波束旁瓣級。成陣工藝設計上，24列基元按照一定間距布陣，基元的正極為一個面，負極為一個面，通過印制板電路連接的方式，將基元的正極簡單有效地將1048個基元的正極面最終形成4路信號來實現(xiàn)相控，電路連接方式見圖2，所有基元負極共地設計。采用印制板來進行電連接，不僅簡單，更加能保證基陣表面的平整性，相控陣的平整性決定著相控波束的旁瓣級大小以及兩個波束的對稱性，所以基陣表面的平整性越高越好。選用陶瓷顆粒拼接為一列而不是陶瓷條，是為了拓展基陣的帶寬和去除基元之間的耦合效應。(2)基陣的阻抗匹配設計為了展寬換能器的帶寬和減小換能器的瞬態(tài)響應，進行前后匹配層設計，前匹配層是由印制板將基元的負極并聯(lián)連接，既簡化了電連接工藝，保證了平整性，還可以拓展工作帶寬，而工作帶寬的寬度以及諧振頻率大小的控制可以調(diào)整印制板的厚度和材料來實現(xiàn)。后匹配層則通過高阻抗設計來降低換能器的瞬態(tài)響應。(3)尺寸小、重量輕相控式的換能器基陣，相控時，在相同工作頻率和相同的聲源級下，基陣的尺寸和重量要比分體式的小很多。這對于測流儀安裝和維護方便很多。(4)相控聲源級高相控陣工作諧振頻率為150kHz，帶寬為150kHZ±5kHZ。相控角度為±20°。相控方向在200W電功率情況下聲源級可以達到214dB。全陣相控指向性半功率開角為3. 3°，最大旁瓣為21. 1%。


酯膠7。
圖1相控陣外形尺寸2電路連接意3去耦泡沫基陣架圖4相控陣的剖視5相控陣的波束圖。
附圖標記說明外殼1、去藕泡沫基陣架2、基元3、負極4、后匹配層5、正極6、聚氨
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步描述。雖然本發(fā)明將結(jié)合較佳實施例進行描述，但應知道，并不表示本發(fā)明限制在所述實施例中。相反，本發(fā)明將涵蓋可包含在有附后權利要求書限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)的替換物、改進型和等同物。如圖1至圖5所示，首先，布陣工藝，相控換能器陣內(nèi)部由1048個陶瓷顆粒的基元3組成，形成56行24列，布放成橢圓形基陣，陶瓷顆粒安裝在去耦泡沫基陣架中，見圖3。通過優(yōu)化設計，確定耦合振動較小的換能器基元尺寸，壓電陶瓷顆粒的諧振頻率為150kHz。計算基元的布陣間距，進行布陣設計，確定相控方向的陶瓷顆粒之間的中心距離為7. 07mm,每個換能器的安裝定位用數(shù)控機床加工，定位精度高于O.1mm,每個基元3的福射面在同一平面內(nèi)，起伏不超過O. 1mm。其次，電連接工藝，壓電陶瓷顆粒的正極6面為相控面，負極4作為輻射面，將相同相位的陶瓷顆粒排放在一條直線上，并聯(lián)聯(lián)接，負極4面共負設計，正極6面粘接印制板最終形成4路信號輸出，再粘接后匹配層5。這種電聯(lián)接的方式非常簡單且可靠。

再次，阻抗匹配工藝，負極4共負并聯(lián)后，選取與水負載特性阻抗相接近的材料作為前匹配層，拓展帶寬。后匹配層5則采用高阻抗設計，降低瞬態(tài)響應。最后，硫化成型工藝，相控陣的輻射面采用聚氨酯膠7層包覆成型。從相控陣的剖視4可看出，相控陣的整體為平面實芯式，基陣可以耐高靜水壓力。相控陣的水中測得諧振頻率為150kHz，相控角度為±20°，半功率開角為3. 3°，最大旁瓣為21. 1%，相控指向性圖見圖5。相控方向在200W電功率情況下聲源級可以達到214dB。二維相控陣為橢圓形基陣，工作頻率為150kHz，基陣由1048顆陶瓷顆粒組成，采用獨特的布陣設計，形成4路輸出來進行相控，簡化了工藝，提高了基陣的可靠性。采取阻抗匹配設計提高了相控陣的性能。所述的獨特的布陣設計是將24列基元3按照一定間距布陣，基元3的正極6采用印制板電路連接的方式，簡單有效地將1048個基元3的正極6面最終形成4路信號來實現(xiàn)相控，所有基元負極4共地設計。另外，獨特的布陣設計是將基陣布成橢圓形，相控時可以有效地減小波束的旁瓣。所述的阻抗匹配設計含有前匹配層設計和后匹配層5設計，前匹配層是由印制板將基元3的負極4并聯(lián)連接，既簡化了電連接工藝，保證了平整性，還可以拓展工作帶寬，后匹配層5則通過高阻抗設計來降低基元3的瞬態(tài)響應。在相同工作頻率和相同的聲源級下，基陣的尺寸和重量要比分體式的小很多。這對于測流儀安裝和維護方便很多。
權利要求
1.一種二維相控陣，其特征在于所述相控陣從下自上依次包括外殼(I)、后匹配層(5)、正極(6)、去藕泡沫基陣架(2)、基元(3)、負極(4)和聚氨酯膠(7)，所述基元(3)的正極(6)采用印制板電路連接，形成4路輸出來進行相控，所有基元負極(4)共地設置；所述相控陣為相控時能夠有效地減小波束旁瓣的橢圓形基陣。
2.根據(jù)權利要求1所述的二維相控陣，其特征在于所述基元(3)為陶瓷顆粒。
3.根據(jù)權利要求1所述的耐高壓基陣，其特征在于所述基元(3)的正極(6)面為相控面，負極(4)作為輻射面，將相同相位的基元(3)排放在一條直線上，并聯(lián)聯(lián)接，負極(4)面共負，正極(6)面粘接印制板電路最終形4路信號輸出。
4.根據(jù)權利要求1所述的二維相控陣，其特征在于所述基陣的上下兩面分別設有前匹配層和后匹配層(5)，前匹配層為印制板電路將基元的負極(4)并聯(lián)連接，后匹配層(5)則為降低換能器瞬態(tài)響應的高阻抗設置。
5.根據(jù)權利要求1所述的二維相控陣，其特征在于所述相控陣由1048個基元(3)組成，形成56行24列。
6.根據(jù)權利要求1所述的二維相控陣，其特征在于所述基元(3)的諧振頻率為150kHz ο
7.根據(jù)權利要求1所述的二維相控陣，其特征在于所述相控方向的基元(3)之間的中心距離為7. 07mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種二維相控陣，所述相控陣從下自上依次包括外殼、后匹配層、正極、去藕泡沫基陣架、基元、負極和聚氨酯膠，所述相控陣為相控時可以有效地減小波束旁瓣的橢圓形基陣。所述基元的正極采用印制板電路連接，形成4路輸出來進行相控，所有基元負極共地設計。本發(fā)明的有益效果是基陣的阻抗匹配設計為了展寬換能器的帶寬和減小換能器的瞬態(tài)響應，進行前后匹配層設計，既簡化了電連接工藝，保證了平整性，還可以拓展工作帶寬。后匹配層則通過高阻抗設計來降低換能器的瞬態(tài)響應。相控式的換能器基陣，相控時，在相同工作頻率和相同的聲源級下，基陣的尺寸和重量要比分體式的小很多。這對于測流儀安裝和維護方便很多。相控聲源級高。
文檔編號G01P5/24GK103033644SQ201210550250
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月17日 優(yōu)先權日2012年12月17日
發(fā)明者鐘琴琴, 唐義政, 董銘鋒, 仲林建, 唐軍, 張秋玉 申請人:中國船舶重工集團公司第七一五研究所