CN1094666C - 辐射元件阵列 - Google Patents

Abstract

本发明为在相控阵雷达天线中用作组件的辐射元件(1)的阵列，辐射元件由矩形截面的波导管构成。辐射元件沿公共基面(2)设置，使公共基面构成每一辐射元件的侧壁。辐射元件最好由槽状截面型材(3)构成。这样能够制出刚性结构而阵列只需数目有限的制造工序即可完成。

Description

辐射元件阵列

本发明涉及一种在相控阵雷达天线中用作组件的辐射元件阵列，辐射元件的形状如一四周被壁包围的基本上为矩形截面的波导管。

这样一种阵列从欧洲专利申请EP-A-0,544,378中即可知道。该专利申请描述过一种有源单脉冲相控阵系统用的天线组件具有一个壳体包括四个形状如矩形截面波导管的辐射元件。适当地堆积这些天线组件即可得到基本上为连续的天线面。

按照本发明提出的阵列，其目的是要就刚度和变形方面对所说专利申请作出改进。另一目的是要提供一种能够比较容易地并能以较低费用制造的阵列。

在两维相控阵天线中用作组件的矩形波导管辐射器的线性阵列，每一辐射器包括一单独的金属波导管，该波导管具有一矩形的横截面并具有一辐射能量的输入侧和一输出侧，上述辐射器大致相互平行地安装，其特征在于，所述线性阵列包括多个分立的至少具有一定长度的U形元件，该元件的平行壁的端部以其呈U形的整个长度安装到一公共基面上并与该基面平行，由此，每一安装到上述公共基面上的U形元件都构成一波导管辐射器。

阵列的一个较优实施例的特征在于，基面构成每一个辐射元件的最宽的侧壁。

如果这些辐射元件像一般的情况那样具有非正方形的截面，那么这些元件装在基面上的最好的办法是使这些元件的最宽的壁面向基面，结果基面就构成每一辐射元件的最宽的壁。当基面能够构成每一辐射元件的一个侧壁时便能节省材料费用并保证刚性结构，从中取得最大效益。

阵列的另一个较优实施例的特征在于，基面为片状元件。这种元件价格不贵、易于制造、还提供了良好地进行连接的可能。

阵列地另一个较优实施例的特征在于，辐射元件至少一部分为槽状截面型材，它是用两个垂直的槽状截面侧壁的底部装到基面上的。

这样做带来相当多的优点。首先，槽状截面易于制造，特别是比管状截面容易制造。前者通常可以通过辗轧过程取得，而后者一般要通过费用远为昂贵的挤压过程才能取得。另外槽状截面能够容易地固定到所说基面上，例如可将两个垂直的侧壁钎焊到其上，不会造成另外的能够有害地影响天线电性能的间隙或空腔。而且从力学的观点看，采用槽状截面按所说方式固定到基面上也比采用管状截面为优。用槽状截面构成辐射元件装在基面上同时还可带来基面能够用作辐射元件侧壁的效益。槽状截面须贯穿侧壁的全长装在基面上，不要留出任何空气间隙。

还可能在基面上开出相应于槽状截面型材整个长度的凹槽以便接纳型材的两个垂直侧壁。这样特别可使制造容易进行。槽状截面型材可配合在凹槽内随后用钎焊固定，不使移动到应占位置之外。

阵列的另一个较优实施例的特征在于，为至少一个在装配状态下的辐射元件可设置一个转换器元件以便用来至少基本上没有反射地将辐射能输送给所说辐射元件。

这样一种转换器元件使辐射元件有可能以极低的损耗与外部设置的发射机所产生的辐射能偶合起来。但鉴于各个辐射元件都是紧密地排列在一起，在辐射元件这一侧很难挤出空间来放置转换器元件以实现辐射能的偶合。结果就只好让辐射能从辐射元件的后面引入，为此目的特别适宜采用转换器元件。

阵列的另一个较优实施例的特征在于，至少有一个在装配状态下的转换器元件与基面成为一个整体。

这样可带来具体的效益，特别是在制造阵列时。基面例如片状的基面，可首先通过例如钎焊装上转换器元件，此后在下一道工序中可装上辐射元件。

阵列的另一个较优实施例的特征在于，至少有一个转换器元件与基面制成为一体。

分立的转换器元件的定位是一道很费时间的工序，一般都是这样的情况，因此建议转换器元件可与基面制成为一体。这样可减少许多工序，结果便可在总体上减少制造费用。当采用槽状截面型材作为辐射元件的组成部并与转换器结合时，由于转换器元件的存在，在基面上要有一突起部，因此要去掉一部分材料。槽状截面型材则以其原来状态覆盖着转换器元件。将槽状截面型材和与基面在一次过程中制造出来的转换器元件结合起来使用，具有独特的效益，不仅可使制造过程简单，而且可使结构重量轻而具有高度的刚性。当采用管状截面型材时，为每一辐射件配置转换器元件所化费的时间远比采用槽状截面型材按上述方式实施的化费来得多。

阵列的另一个较优实施例的特征在于，基面是结合至少一个转换器元件在至少一次挤压工序中制造出来的，在制造过程中至少有一个转换器元件的横截面形状初次被显示出来。

以片状基本截面为基础，有可能在一次挤压操作中制造出属于阵列的片状基面，其上完整地设置着所有转换器元件的片状基本截面。只要进一步进行机械加工如铣削、钻孔或拉削，便可制出转换器元件正常功能所需的各项细节。这样制出的基面的另一个优点是在转换器元件和基面之间的高强度连接是非常牢固的。

阵列的另一个较优实施例的特征在于，转换器具有一个基本上与基面平行的基本上为片状的导电体，该导电体在某一点与基面连接，而其余部分则在其本身与基面之间围成一个间隙状的空腔。这种转换器具有适宜的电性能；并且非常适合用挤压法制出，特别是在与基面结合在一起时。

另外，片状导电体可在一端设有插接口以便用来与辐射能传输线连结。这样便可通过每一条单独的传输线来单独控制每一个辐射元件。

阵列的另一个较优实施例的优点在于，辐射元件分别设在基面的两侧。这样，由于一个基面具有两个侧面，因此每一阵列能够应用数目最多的辐射元件，由此带来充分的效益。这样可造成一个较轻的和更紧凑的结构，因为只需较少的基面便可制成完整的天线。

阵列的另一个较优实施例的特征在于，位在基面一侧的一排辐射元件与位在基面另一侧的一排辐射元件相互错开。这样会在重量不变的情况下产生一个更为坚强的结构，另外还有一个优点是波束聚焦能得到显著的改善。

阵列的另一个较优实施例的特征在于，位在基面一侧的一排辐射元件与位在基面另一侧的一排辐射元件相互错开一段距离，该距离基本上等于在基面一侧的两个辐射元件的中心线之间的距离的一半。这样便可产生一个最佳的刚度和一个就波束聚焦性能来说为最佳的外形。

接下来能够将按照本发明的多个阵列毗连地设置来得到一个基本上连续的天线基面。在该基面的前方可装上一块所谓窗口板，该板一方面可有力地减少各个天线组件的相互干涉，另一方面可大大改善结构的刚性。窗口板可由具有导电性能的板构成，该板在辐射元件的位置上设有最好为矩形而面积小于辐射元件孔眼的孔。随后，可将一块后板放置在后面，该板在转换器的位置上设有孔眼可供一个接绕器配以一根传输线插入以便连接到转换器上。后板另外还提高结构的刚性。

现在结合附图对本发明的阵列作较详细的说明，其中：

图1A示出一个按照本发明的辐射元件阵列，它具有一个被设计为片状元件的基面，在该基面的两侧设置着多个辐射元件；

图1B示出图1A中沿A-A线的横截面；

图2示出多个按照本发明的辐射元件阵列，它们并排地放置着并设有窗口板和后板；

图3示出一个被采用在按照本发明的辐射元件阵列内的槽状截面型材；

图4示出一个被采用在按照本发明的辐射元件阵列内的片状元件。

有源单脉冲相控阵雷达天线基本上是由多个天线组件构成的。每一天线组件设有一个辐射元件，所有辐射元件组合起来构成天线基面。为了得到令人满意的性能价格比，组件的周密设计至关重要。

有源单脉冲相控阵雷达另外还具有能够安装天线组件的装置。为了动力供应的目的和为了RF(射频)传播信号还必须设有分布网络。另外，为了产生∑、ΔB和ΔF的输出信号还必须设有求和电路和求差电路。

正像一般装在船桅顶端那样，雷达天线最好具有较轻的重量。与重结构相比，轻结构多半还是费用低廉的。因此在相控阵雷达天线中采用金属波导管作为辐射元件时，材料的经济使用很重要。

相控阵雷达天线具有多个辐射元件。因此建议应该尽可能地限制每一辐射元件的零件数。从制造观点看，每一辐射元件所需的零件应有不复杂的设计。零件的设计最好应使大多数零件能以有限的制造工序数来完成。

而从装配的观点看，零件的数目最好较少。天线的设计应使大多数零件能以有限的装配工序数来安装。

为了使波束聚集能够准确地形成，重要的是各个辐射元件必须准确地定位，相互间的距离须相等。另外各辐射元件的定位必须在很高程度上不受外力影响。这就要求有一刚性的结构。

因此在相控阵天线中用作组件的按照本发明的辐射元件阵列有一个目的就是要满足所有上述这些要求。

图1A示出按照本发明的辐射元件阵列1的后部，该阵列具有一个设计成为片状元件2的基面，在其两侧安装着辐射元件。所谓后部是指从T/R(收发)元件(这里未画出)来的辐射能够被输送到相关的辐射元件内的那一侧。辐射元件由设有三个侧壁包括一个腹板4和两个垂直侧壁5的槽状截面型材3构成。垂直侧壁5通过底部6被连接到基面2上。这样，基面2就构成所有辐射元件的第四个侧壁。辐射元件在基面2上被设置得至少基本上互相平行。如果需要，辐射元件可在前侧延伸到超过片状元件2之外。将槽状元件安装在板上，这种结构比较不容易变形，这样就使波束聚焦过程能够较准确地形成。同时还能得到基面2能够构成辐射元件侧壁的效益。为此目的，基面必须具有导电性能。另外一个优点是基面还可起到各辐射元件之间机械连接的作用。

在各槽状截面型材3与片状元件2之间的连接最好为至少基本上覆盖底部6整个长度的钎焊连接。在所述实施例中，垂直侧壁5短于腹板4。腹板4的宽度应大于λ/2以便防止辐射元件进入截止模式。这样在所示实施例中，片状元件2就构成每一辐射元件的最宽的侧壁，但也可以是较窄的侧壁。转换器元件7装在基面2上。

图1B为图1A中沿A-A线的横剖面图。从该图可看到转换器元件7具有一个片状部8，该片状部8与片状基面2围成一条槽9，并通过中间部10与片状基面2在电路上和机械上连接。片状部8还设有一个形状如一孔的插接口11可与一形状如插销的传输线12匹配，通过该线12能将高频能施加到转换器元件7上。转换器元件7可供没有反射地与辐射元件1偶合以便传输辐射能。

另外图1B还示出一个后平面13，其上设有与转换器元件的片状部8上的孔11匹配的导入插销12，转换器元件在另一侧与一T/R(收发)组件连接。后平面13可在插销12的水平面上设有低矮的突出部(图中未画出)，该突出部可与辐射元件准确地配合。采用这种方式，可在最终装配之前将一个辐射元件阵列固定到后平面上。

在所示实施例中，转换器元件7与片状基面2被制造成为一个整体。转换器元件例如能用挤压法制出，利用该法一次操作便可制出转换器元件7的轮廓。随后，在槽状截面型材3的底部6与片状基面2连结的地方用铣削操作去除掉应去的材料。这个工作可这样做，使中间部10具有与槽状截面型材的腹板4内侧的相同宽度，这样槽状截面型材就能用钎焊固定而不会移动到应占位置之外。也可能在基面2上要设置槽状截面型材底部6的地方例如用铣削使中间部10制造得比腹板4的内侧窄从而形成凹槽，以便槽状截面型材能准确地配合在其内。显然关于槽状截面型材预固定的选择并不仅限于上面所述的那些，而是有许多可能方案，如采用可拆卸的定位夹具。为了清晰起见，在图上没有指出任何可供采用的选择。形成凹槽是较好的选择因为这是节省时间的和有效的预固定的方法。

转换器元件也可用从较厚板上机加工出转换器元件轮廓的方法制造出来。

与转换器结合的槽状截面型材和片状基面最好由同一材料种类例如铝制成。

在片状基面的两侧确定辐射元件的位置时，有利的做法是使在基面一侧的辐射元件与在基面另一侧的辐射元件错开一段距离，如图1A中用a2标出的距离，该距离基本上等于在两根辐射元件中心线之间的距离a1的一半。这样做就实现天线的型式和辐射元件阵列的机械刚度来说都是比较方便的。

图2示出按照本发明的多个辐射元件如何能装配在一起来获得在两个方向上伸展的天线基面。在后面，多个阵列被安装在后平面13上，其上设有许多孔14以便用来穿入传输线(未在图中示出)，这些传输线可分别连接到各自的转换器元件7上，由于槽状截面型材的存在，这些转换器元件未被显示。槽状截面型材3分别设置在片状基面2的两侧。有一窗口板15被安装在辐射元件的前面。该板可减少各个辐射元件的相互干涉并在较大程度上提供机构刚度。窗口板上的孔小于辐射元件孔眼的面积。窗口板可用钎焊连接来被固定。

图3示出可在按照本发明的阵列中用作辐射元件的槽状截面型材。各该分开部的标号与上两图中的标号相对应。槽状截面举例说可用辗轧或挤压法制造出来。在槽状截面3底部6的位置上，侧壁多少被加厚，这样可使槽状截面型材容易安装。

图4示出被设计成为具有多个转换器元件7的片状元件的基面2。在这里各该分开部的标号也与上两图中的标号对应。转换器元件7通过片状元件的挤压，被制造成为片状元件的整体部，该片状元件产生出转换器元件的细长轮廓。在槽状元件的底部6连续的地方，用铣削在少数地方16去除成条的材料。如果这样要求，那么转换器元件7也可单独制造并在随后例如用钎焊法安装在片状元件上。但这程序比上述方法较为麻烦而且费时。另一个解决方案是用铣削从一厚板上去除掉材料使成为转换器元件。这比挤压和随后的铣削操作需要较多的工时，但比单独制造和随后的安装需要较少的工时。

Claims (9)

1.在两维相控阵天线中用作组件的矩形波导管辐射器(1)的线性阵列，每一辐射器包括一单独的金属波导管，该波导管具有一矩形的横截面并具有一辐射能量的输入侧和一输出侧，上述辐射器大致相互平行地安装，其特征在于，所述线性阵列包括多个分立的至少具有一定长度的U形元件(3)，该元件(3)的平行壁的端部(6)以其呈U形的整个长度安装到一公共基面(2)上并与该基面平行，由此，每一安装到上述公共基面上的U形元件都构成一波导管辐射器。

2.如权利要求1所述的矩形波导管辐射器的线性阵列，其特征在于，每一波导管辐射器设有一个馈能器，该馈能器具有一个与公共基面成为一个整体的转换器元件(7)。

3.如权利要求2所述的矩形波导管辐射器的线性阵列，其特征在于，它还具有一个基本上与公用基面(2)垂直而装在上述波导管的输入侧的后平面(13)，该后平面上设有与转换器元件(7)协同作用的馈能传输线(12)。

4.如权利要求2所述的矩形波导管辐射器的线性阵列，其特征在于，转换器元件具有一个基本上与基面平行的片状的导电体(8)，并在其本身与公共基面之间围成一个间隙状的空腔(9)。

5.如以上权利要求中任一项所述的矩形波导管辐射器的线性阵列，其特征在于，公共基面(2)上设有凹槽，辐射元件U形部的平行壁(5)的端头(6)可与该凹槽配合。

6.如权利要求1或2所述的矩形波导管辐射器的线性阵列，其特征在于，辐射元件U形部的平行壁(5)的端头(6)和公共基面(2)之间为钎焊连接结构。

7.如以上权利要求中任一项的线性阵列，其特征在于，辐射元件分别设在公共基面的两侧。

8.如权利要求7所述的线性阵列，其特征在于，位在公共基面一侧的一排辐射元件与位在公共基面另一侧的一排辐射元件相互错开。

9.如权利要求8所述的线性阵列，其特征在于，位在公共基面一侧的一排辐射元件与位在公共基面另一侧的一排辐射元件相互错开一段距离，该距离基本上等于在公共基面一侧的两个辐射元件中心线之间距离的一半。

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