本發(fā)明涉及雷達(dá)、通信、測(cè)控及遙感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于陣列天線(xiàn)監(jiān)測(cè)的天線(xiàn)及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

陣列天線(xiàn)在投入運(yùn)行之后，在每次開(kāi)機(jī)過(guò)程中，要對(duì)各天線(xiàn)單元之間的幅相誤差進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便在不停機(jī)工作狀態(tài)下監(jiān)測(cè)出失效的微波器件并及時(shí)維修更換，使得大量天線(xiàn)單元的陣天線(xiàn)保證得到高的工作可靠度。陣列天線(xiàn)監(jiān)測(cè)中，按照陣列單元采樣或測(cè)試信號(hào)注入路徑的不同，分為內(nèi)監(jiān)測(cè)和外監(jiān)測(cè)兩種。其中，陣列天線(xiàn)陣面外監(jiān)測(cè)通道是一種基于單元互耦理論用于相控陣天線(xiàn)外部監(jiān)測(cè)的信道。在天線(xiàn)陣面的合適位置，安置一定數(shù)量的監(jiān)測(cè)天線(xiàn)單元，該監(jiān)測(cè)天線(xiàn)單元輻射的電磁波會(huì)耦合到鄰近的陣面單元，依次選通陣面單元測(cè)得接收信號(hào)的幅相值，通過(guò)比較就可以判斷接收通道的幅相誤差。

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所在專(zhuān)利“具有內(nèi)校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的有源相控陣天線(xiàn)”(公開(kāi)號(hào)：CN105390814A)中提出了一種具有內(nèi)校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的有源相控陣天線(xiàn)，這種天線(xiàn)將每個(gè)天線(xiàn)陣元通道的幅相信息，通過(guò)封閉于多層帶狀線(xiàn)印制板內(nèi)的一體化熱壓合成型內(nèi)校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)耦合提取出來(lái)，送入信號(hào)終端校準(zhǔn)。內(nèi)校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)為帶狀線(xiàn)耦合器從陣面射頻前端的饋電傳輸線(xiàn)耦合出各通道的能量，通過(guò)多個(gè)可以調(diào)諧的T型結(jié)進(jìn)行功率合成為一個(gè)總的收發(fā)校準(zhǔn)信號(hào)，該收發(fā)校準(zhǔn)信號(hào)在經(jīng)由信號(hào)處理模塊對(duì)天線(xiàn)各通道進(jìn)行幅度和相位的補(bǔ)償。這種方法具有硬件設(shè)備需求量少，校準(zhǔn)精度高，受外部環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)；但是此專(zhuān)利用于校準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)天線(xiàn)和陣面輻射單元天線(xiàn)形式相同，對(duì)各天線(xiàn)通道耦合能量不是很均勻，會(huì)給后續(xù)的信號(hào)處理帶來(lái)一定的麻煩。中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所在專(zhuān)利“一種用于數(shù)字相控陣列天線(xiàn)的內(nèi)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)模塊”(公開(kāi)號(hào)：CN104934725A)中提出了一種內(nèi)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)模塊，這種網(wǎng)絡(luò)由上下兩層帶狀線(xiàn)以及耦合孔組成；通過(guò)在天線(xiàn)公共地上開(kāi)雙耦合孔，縮短了天線(xiàn)主路的饋電路徑長(zhǎng)度，從而減小了能量損耗。但此種內(nèi)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法監(jiān)測(cè)天線(xiàn)單元以及互耦，所監(jiān)測(cè)到的幅相數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)有一定差別；且這種內(nèi)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)不能監(jiān)測(cè)天線(xiàn)的安裝誤差，以及陣元方向圖的幅相不一致性。西安電子工程研究所在專(zhuān)利“一種相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射通道遠(yuǎn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法及系統(tǒng)”(公開(kāi)號(hào)：CN104360328A)中提出了一種相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射通道遠(yuǎn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法，在遠(yuǎn)場(chǎng)設(shè)置兩個(gè)極化相互垂直的天線(xiàn)，在天線(xiàn)陣面上安裝一個(gè)極化與陣面垂直的輔助天線(xiàn)，接收遠(yuǎn)場(chǎng)天線(xiàn)的信號(hào)，在雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)中對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理；這種方法相對(duì)傳統(tǒng)方法省去了在遠(yuǎn)端架設(shè)頻譜儀，示波器等信號(hào)測(cè)量設(shè)備，以及省去了在遠(yuǎn)端傳送參考時(shí)鐘；雖然此專(zhuān)利在天線(xiàn)陣列相位校準(zhǔn)方面具有優(yōu)勢(shì)，但是并未提及對(duì)天線(xiàn)陣列幅度校準(zhǔn)的方法。2012年8月《微波學(xué)報(bào)》公開(kāi)的文獻(xiàn)《基于近場(chǎng)測(cè)試的相控陣天線(xiàn)自動(dòng)化校準(zhǔn)與陣面檢測(cè)方法》針對(duì)小型化相控陣平臺(tái)，通過(guò)硬連接將相控陣天線(xiàn)的波控系統(tǒng)與測(cè)試設(shè)備相結(jié)合，提出了一種簡(jiǎn)便的自動(dòng)化近場(chǎng)逐點(diǎn)校準(zhǔn)方法和外監(jiān)測(cè)方法；這種方法具有速度快，校準(zhǔn)精度高，對(duì)設(shè)備要求少的優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于大型相控陣二維相掃的情況，校準(zhǔn)與監(jiān)測(cè)效果將會(huì)惡化。2008年南京理工大學(xué)公開(kāi)的碩士學(xué)位論文《相控陣天線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究》中詳細(xì)的介紹了應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)的內(nèi)外監(jiān)測(cè)技術(shù)，并提出了一種實(shí)用相控陣內(nèi)外監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，在外監(jiān)測(cè)方案的實(shí)現(xiàn)中，為了保證耦合到各通道能量均一性，用了4個(gè)單元天線(xiàn)作為監(jiān)測(cè)天線(xiàn)，雖然耦合能量均一性好，但是多個(gè)監(jiān)測(cè)天線(xiàn)的使用對(duì)陣面輻射特性影響更大，也增大了系統(tǒng)復(fù)雜度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于陣列天線(xiàn)監(jiān)測(cè)的天線(xiàn)及其應(yīng)用，其是一種軸向?qū)挷ㄋ偬炀€(xiàn)，置于陣列天線(xiàn)的中心位置，在天線(xiàn)陣面的平面具有水平全向的輻射方向圖，此種天線(xiàn)本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，造價(jià)低廉，可靠性高；本天線(xiàn)應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)監(jiān)測(cè)時(shí)，對(duì)各天線(xiàn)通道的能量耦合有著很好的均一性，使得監(jiān)測(cè)天線(xiàn)單元輻射的電磁波會(huì)耦合到鄰近的陣列單元的幅度和相位均勻，利于天線(xiàn)監(jiān)測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種用于陣列天線(xiàn)監(jiān)測(cè)的天線(xiàn)，該天線(xiàn)為一軸向?qū)挷ㄊ炀€(xiàn)，其包含：

單極子輻射體，為金屬柱體；

輻射體保護(hù)介質(zhì)套，包裹在單極子輻射體外，與單極子輻射體等長(zhǎng)；

介質(zhì)支撐柱體，支撐單極子輻射體，用于增強(qiáng)天線(xiàn)整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，保證單極子輻射體不變形；

同軸饋電裝置，其頂部伸出一內(nèi)導(dǎo)體，內(nèi)導(dǎo)體外套設(shè)所述的介質(zhì)支撐柱體組成阻抗過(guò)渡段，單極子輻射體直徑與該內(nèi)導(dǎo)體直徑相同；

固定基座，用于固定天線(xiàn)整體，同軸饋電裝置和介質(zhì)支撐柱體的連接體由該固定基座底部插入并鑲嵌在固定基座中，同軸饋電裝置起到電路中地的作用。

上述的用于陣列天線(xiàn)監(jiān)測(cè)的天線(xiàn)，其中：

單極子輻射體長(zhǎng)度與輻射的電磁波波長(zhǎng)滿(mǎn)足以下關(guān)系式：l≈(0.18λ～0.22λ)，式中，l為單極子輻射體長(zhǎng)度，λ為輻射的電磁波波長(zhǎng)。

上述的用于陣列天線(xiàn)監(jiān)測(cè)的天線(xiàn)，其中：

所述輻射體保護(hù)介質(zhì)套采用聚四氟乙烯材料制成。

上述的用于陣列天線(xiàn)監(jiān)測(cè)的天線(xiàn)，其中：

輻射體保護(hù)介質(zhì)套直徑與單極子輻射體直徑滿(mǎn)足以下關(guān)系式：式中，ε_r為輻射體保護(hù)介質(zhì)套的相對(duì)介電常數(shù)，Z₀為輻射體保護(hù)介質(zhì)套的輻射阻抗，a為單極子輻射體的直徑，b為輻射體保護(hù)介質(zhì)套直徑。

上述的用于陣列天線(xiàn)監(jiān)測(cè)的天線(xiàn)，其中：

同軸饋電裝置為一SMP射頻接插件。

所述的用于陣列天線(xiàn)監(jiān)測(cè)的天線(xiàn)在相控陣?yán)走_(dá)上作為監(jiān)測(cè)天線(xiàn)的應(yīng)用。

上述的用于陣列天線(xiàn)監(jiān)測(cè)的天線(xiàn)在相控陣?yán)走_(dá)上作為監(jiān)測(cè)天線(xiàn)的應(yīng)用，其中：

天線(xiàn)通過(guò)固定基座固定在相控陣列雷達(dá)天線(xiàn)陣列中心位置。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，造價(jià)低廉，可靠性高；

2、置于陣列天線(xiàn)的中心位置，在天線(xiàn)陣面的平面具有水平全向的輻射方向圖；

3、本天線(xiàn)應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)監(jiān)測(cè)時(shí)，對(duì)各天線(xiàn)通道的能量耦合有著很好的均一性，使得監(jiān)測(cè)天線(xiàn)單元輻射的電磁波會(huì)耦合到鄰近的陣列單元的幅度和相位均勻，利于天線(xiàn)監(jiān)測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)模型爆炸圖；

圖2為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)模型立體圖；

圖3為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)模型主視圖；

圖4為本發(fā)明的天線(xiàn)全向輻射增益方向圖；

圖5為無(wú)線(xiàn)大地面上單極子天線(xiàn)輻射示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖，通過(guò)詳細(xì)說(shuō)明一個(gè)較佳的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。

如圖1～3所示，一種用于陣列天線(xiàn)監(jiān)測(cè)的天線(xiàn)，該天線(xiàn)為一軸向?qū)挷ㄊ炀€(xiàn)，其包含：?jiǎn)螛O子輻射體1，為金屬柱體；輻射體保護(hù)介質(zhì)套2，可采用聚四氟乙烯材料制成，其包裹在單極子輻射體1外，與單極子輻射體1等長(zhǎng)；介質(zhì)支撐柱體3，可采用聚四氟乙烯材質(zhì)，支撐單極子輻射體1，用于增強(qiáng)天線(xiàn)整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，保證單極子輻射體1不變形；同軸饋電裝置4，位于單極子輻射體1的后部，其頂部伸出一內(nèi)導(dǎo)體，內(nèi)導(dǎo)體用于給單極子輻射體1饋電，使其能夠輻射電磁波，內(nèi)導(dǎo)體外套設(shè)介質(zhì)支撐柱體3組成阻抗過(guò)渡段，單極子輻射體1直徑與該內(nèi)導(dǎo)體直徑相同，阻抗過(guò)渡段的作用是確保把內(nèi)導(dǎo)體直徑減小到和單極子輻射體1同樣大小的情況下保持阻抗匹配；固定基座5，采用鋁金屬材質(zhì)，作為相控陣天線(xiàn)的底座，用于固定天線(xiàn)整體，同軸饋電裝置4和介質(zhì)支撐柱體3的連接體由固定基座5底部插入鑲嵌在固定基座5中，同軸饋電裝置4起到電路中“地”的作用，本實(shí)施例中，同軸饋電裝置4通過(guò)螺紋固定在固定基座5里，同軸饋電裝置4為一SMP射頻接插件，其包含同軸插座以及阻抗匹配過(guò)渡段。

所述的包裹輻射體保護(hù)介質(zhì)套2的單極子輻射體1是本發(fā)明所述天線(xiàn)的關(guān)鍵，其長(zhǎng)度與波束指向與軸向波束寬度有關(guān)，本發(fā)明所述天線(xiàn)的輻射部分即單極子輻射體1可以看做是一種單極子天線(xiàn)，如圖5所示，以下，運(yùn)用單極子天線(xiàn)理論來(lái)解釋本發(fā)明天線(xiàn)的相關(guān)物理特性：

假定有效損耗為0，無(wú)限大地面上電場(chǎng)強(qiáng)度與單極子天線(xiàn)仰角α和距離r的函數(shù)關(guān)系滿(mǎn)足公式1：

式中，P為輸入功率，R為輻射阻抗，l為單極子輻射體長(zhǎng)度，λ為輻射的電磁波波長(zhǎng)即天線(xiàn)工作對(duì)應(yīng)頻率電磁波的波長(zhǎng)。根據(jù)公式1，條件為輸入功率P＝1W，距離r＝1609m，α＝0°，可以得到當(dāng)l≈0.28λ與l≈0.64λ時(shí)，天線(xiàn)輻射阻抗R為50Ω，可以與多數(shù)內(nèi)導(dǎo)體即射頻接插件匹的阻抗配；而l≈0.64λ時(shí)，在α＝60°位置有較大的電場(chǎng)輻射，而對(duì)于監(jiān)測(cè)天線(xiàn)，要求在α＝0°方向有更大輻射，明顯是不利的，而且l≈0.64λ對(duì)于輻射體來(lái)說(shuō)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，會(huì)占用較大的空間；l≈0.28λ時(shí)不僅波束指向在軸向上全向輻射，而且俯仰面波束寬度展寬至78°，可以覆蓋更大的空間。

所述單極子輻射體1的直徑a與輻射體保護(hù)介質(zhì)套2直徑b與輻射阻抗Z₀關(guān)系如式2所示：

式中，輻射體保護(hù)介質(zhì)套2為聚四氟乙烯，相對(duì)介電常數(shù)ε_r＝2.2，單極子輻射體1內(nèi)徑與射頻接插件內(nèi)徑相同，單極子輻射體1輻射阻抗為50Ω，根據(jù)式2可以確定輻射體保護(hù)介質(zhì)套2的外徑；聚四氟乙烯的輻射體保護(hù)介質(zhì)套2不僅具有保護(hù)單極子輻射體1結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，透波性能好，損耗小等優(yōu)點(diǎn)，而且理論上可以讓單極子輻射體1的長(zhǎng)度減小到根據(jù)公式(1)的計(jì)算，并經(jīng)過(guò)軟件仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)后，單極子輻射體長(zhǎng)度與波長(zhǎng)大約滿(mǎn)足公式3的關(guān)系：

l≈0.2λ (3)

值得注意的是，輻射體保護(hù)介質(zhì)套2的直徑是可以根據(jù)實(shí)際需求調(diào)節(jié)的；增加輻射體保護(hù)介質(zhì)套2的直徑會(huì)縮短單極子輻射體1的長(zhǎng)度，減小輻射體保護(hù)介質(zhì)套2的直徑會(huì)增加單極子輻射體1的長(zhǎng)度；對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果分析，最后單極子輻射體長(zhǎng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系為：

l≈(0.18λ～0.22λ) (4)

常規(guī)用做相控陣?yán)走_(dá)外監(jiān)測(cè)天線(xiàn)單元一般和相控陣陣列天線(xiàn)單元相同，這種單元一般為單向輻射，輻射方向與陣列口徑面垂直；這種天線(xiàn)不僅因?yàn)橐惭b在陣面正前方，對(duì)陣面輻射效率由遮擋，而且電磁場(chǎng)傳播方向上平行于電場(chǎng)的平面E面，電磁場(chǎng)傳播方向上垂直于電場(chǎng)的平面H面波束寬度往往不同，對(duì)陣面輻射單元的耦合強(qiáng)度也不同，在陣中心位置與陣邊緣位置的天線(xiàn)增益耦合至少差3dB，這種均一性較差的耦合對(duì)外監(jiān)測(cè)是不利的；如圖4所示，本發(fā)明中提出的作為相控陣外監(jiān)測(cè)天線(xiàn)具有單極天線(xiàn)的輻射特性，將其通過(guò)固定基座5固定在相控陣列雷達(dá)天線(xiàn)陣列中心位置，在與天線(xiàn)陣列口徑平行的平面上是全向的，不僅具有超寬波束，且各個(gè)方向輻射強(qiáng)度均一性好，理論上該平面各個(gè)方向上增益差為0，實(shí)測(cè)陣中心位置與陣邊緣增益差小于1dB；此種輻射特性的天線(xiàn)用于相控陣系統(tǒng)外監(jiān)測(cè)，對(duì)各個(gè)位置輻射單元的耦合系數(shù)均一性好于常規(guī)用作相控陣系統(tǒng)外監(jiān)測(cè)的天線(xiàn)；非常適合用于各種相控陣?yán)走_(dá)的外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

本發(fā)明的一實(shí)施例中，單極子輻射體1長(zhǎng)度為0.2λ；輻射體保護(hù)介質(zhì),2為相對(duì)介電常數(shù)ε_r為2.2的聚四氟乙烯介質(zhì)柱，套在單極子輻射體1外部，與單極子輻射體1長(zhǎng)度相等，單極子輻射，1直徑與輻射體保護(hù)介質(zhì)套2直徑關(guān)系滿(mǎn)足公式2；介質(zhì)支撐柱體3的高度為1mm，鑲嵌在金屬固定基座5內(nèi)；同軸饋電裝置4為SMP射頻接插件，內(nèi)外導(dǎo)體直徑關(guān)系滿(mǎn)足公式2，以選擇合適的內(nèi)外導(dǎo)體直徑可以得到50Ω的特性阻抗，和單極子天線(xiàn)的輻射阻抗相匹配，其高度為3.5mm。金屬固定基座5是尺寸為8.8mm×8.8mm×4.5mm的金屬立方體，固定在相控陣?yán)走_(dá)天線(xiàn)陣列中心位置。天線(xiàn)整體結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，該天線(xiàn)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作，體積小，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。圖3為該天線(xiàn)在與相控陣天線(xiàn)口徑面平行的平面(H面)上輻射增益方向圖，在360°范圍內(nèi)增益最大差值為0.05dB，實(shí)際測(cè)試增益最大差值為0.92dB；對(duì)周?chē)嗫仃囂炀€(xiàn)輻射單元的耦合系數(shù)在穩(wěn)定性與均一性上都具有明顯的優(yōu)勢(shì)；這是一種適合于相控陣?yán)走_(dá)外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)天線(xiàn)。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見(jiàn)的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來(lái)限定。