分节组合式船载地波雷达宽带发射天线、天线阵及方法与流程

1.本发明涉及一种分节组合式船载地波雷达宽带发射天线、天线阵及方法，属于雷达天线技术领域。


背景技术：

2.作为一种新型的海洋雷达，地波雷达系统具有对海面目标的超视距探测能力，因此得到了越来越多国家的关注，并开展了岸基地波雷达海态遥感和船只目标监视监测的应用。将该系统集成至船载平台，能够进一步扩展其探测范围和提高机动性。然而，现代雷达及通信等电子信息系统在舰船上得到了广泛应用，舰载天线数量和种类越来越多，船体上层建筑分布着各种装置，除探测、通信和电子对抗系统的天线之外，还有桅杆、舰桥、烟囱以及升降索等其他设施和装置。因而留给架设船载地波雷达天线的空间范围有限，常规短波天线如三线/四线构架天线、多振子天线、锥形天线、柱笼形天线等也难以作为船载地波雷达的宽带发射天线。
3.这对船载地波雷达天线的设计提出了更高的要求，同时还存在如下问题有待解决：1.海洋及船体环境恶劣，对天线体的强度及安装要求更加苛刻，甚至天线结构本身也需要重新设计；2.天线需满足不同的雷达发射频率的宽频带发射，但其高度及体积受限使得天线在短波低频端时电长度很小，单纯依靠天线阻抗加载，还难以在整个频段内满足宽带性能要求；3.常规在海岸开阔地带匹配良好的天线上船之后驻波变差，使得匹配网络匹配性能大幅下降。


技术实现要素：

4.本发明针对上述问题，提出了一种以液压实现倒伏的分节组合式船载地波雷达宽带发射天线、天线阵及方法，以克服现有技术的不足。
5.1、分节组合式船载地波雷达宽带发射天线，其特征是包括固定在甲板上的水平支撑平台22、多个拉线地锚23和匹配网络21，水平支撑平台22上设有液压摆动缸，液压摆动缸上设有天线基座20，并有分节组合式发射天线杆18安装在所述天线基座20上；所述液压摆动缸26用于实现对分节组合式发射天线杆18在0-90
°
区间的翻转，液压摆动缸配有手动换向阀，用于切换液压摆动缸转动方向；当天线杆18竖起之后，液压摆动缸进行自锁锁紧以保持直立状态，同时侧面以销轴27固定；竖起的分节组合式发射天线杆18由位于基座20上的可拆卸式钢管19进行支撑、并以拉绳与各个拉线地锚23连接；所述分节组合式发射天线杆18采用上下插接的组合方式，各分节均采用碳纤维材质，通过分节组合同时兼顾了船载发射天线的结构强度和强抗拉力，也大幅度降低了天线的总体重量；馈线与分节组合式发射天线杆18底部的馈电点连接，分节组合式发射天线杆
18作为整个辐射体在收到射频输入后将短波信号辐射出去；所述射频输入具有多种频段，所述匹配网络21包含与射频输入强度数对应的多个陶瓷高压真空继电器24、用于切换继电器的调节旋钮25、可多通道切换的宽带lc电路；通过调节旋钮25选择不同高压真空继电器24加电吸合，从而选择所需频段通道。
6.2、如权利要求1所述的分节组合式船载地波雷达宽带发射天线，其特征是所述分节组合式发射天线杆18具有三个分节，自下而上分别是碳纤维复合管一4、碳纤维复合管二8和碳纤维复合管三12，还包括一个用于与所述天线基座20连接的、带有插槽的底座1，所述插槽插有连接件一2，在二者插接处套有压环二17，所述碳纤维复合管一4插在连接件一2的上端，在二者插接处套有压环一3；所述碳纤维复合管一4上端插有连接件三16，所述碳纤维复合管二8插在连接件三16的上端，碳纤维复合管一4上部外侧面设有带外螺纹的轴端档圈一5，碳纤维复合管二8下部外侧面设有轴端档圈二6，碳纤维复合管一4、连接件三16以及碳纤维复合管二8相互组装后，轴端档圈一5上端面和轴端档圈二6下端面相互接触，并以具有内螺纹的锁紧压环一7与轴端档圈一5和轴端档圈二6相互锁紧；所述碳纤维复合管二8上端插有连接件二14，所述碳纤维复合管三12插在连接件二14的上端，碳纤维复合管二8上部外侧面设有带外螺纹的轴端档圈三9，碳纤维复合管三12下部外侧面设有轴端档圈四10，碳纤维复合管二8、连接件二14以及碳纤维复合管三12相互组装后，轴端档圈三9上端面和轴端档圈四10下端面相互接触，并以具有内螺纹的锁紧压环二10与轴端档圈三9和轴端档圈四10相互锁紧；锁紧压环采用钛合金材料，钛合金单位强度高、刚性优良、重量轻、抗蚀性好，所以链接碳纤维管的连接件均采用钛合金材料；所述碳纤维复合管二8外侧设有多个拉绳固定件15，所述碳纤维复合管三12顶端设有端盖13。
7.3、如权利要求1所述的分节组合式船载地波雷达宽带发射天线，其特征是所述匹配网络21的射频接口为标准50欧姆n-k，输入电压为24v；液压摆动缸26采用液压驱动，液压装置电源接口为输入380v，功率1.5kw。
8.4、如权利要求3所述的分节组合式船载地波雷达宽带发射天线，其特征是所述的匹配网络21，使用移动充电电源28为继电器提供24v电压；调节旋钮25有3个档位，1档对应的输入频段为4.40-4.61mhz，2档频段为4.61-4.76mhz，3档频段为4.76-4.92mhz，通过转换开关调整到想要的频率段即可获得满足要求的电气指标，匹配网络21与水平支撑平台22采用螺栓链接，水平支撑平台22再与甲板焊接。
9.分节组合式船载地波雷达宽带发射天线使用时，节数越少频率越高，节数越多频率越低，配合匹配箱不同的档位切换，可以实现跨度更大的谐振发射频率的调节。
10.5、分节组合式船载地波雷达宽带发射天线阵，其特征在于包含两个权利要求1-4所述的任意一种分节组合式船载地波雷达宽带发射天线，且两个发射天线分立于两侧船舷，并错位排列。
11.6、权利要求5所述的发射天线阵的应用，其特征在于所述的发射天线阵用于将辐射能量定向发射与增强。
12.7、利用权利要求5所述的分节组合式船载地波雷达宽带发射天线阵实现端射的方
法，其特征在于首先设定输入第一部天线的激励信号的相位；连续调节第二部天线的激励信号的相位，在远场测量辐射能量的强度；通过连续调节第二部天线的激励信号相位的方式，获得最大辐射能量强度，最大辐射能量强度的指向即端射方向。
13.本发明采用体积较小、外观相对简单的鞭天线形式，通过分节组合式设计和高强度组件及固定方式设计，实现在船载平台有限空间内的布放，并适应海洋及船体恶劣环境。
14.通过逐节加粗天线主体振子、可调节匹配网络设计以及根据雷达频率分段组装的组合方式，补偿天线阻抗随频率变化引起的变化，达到展宽阻抗带宽的目的，以实现良好的阻抗匹配以及各雷达频率的有效辐射。
15.通过上述技术途径实现船载地波雷达宽频发射天线整体结构紧凑，并以较小的尺寸实现了宽带发射特性；连接可靠、安装与更换简捷方便，作为船载地波雷达的发射天线具有较好的匹配性且环境适应性较好。
附图说明
16.图1是分节组合式船载地波雷达宽带发射天线示意图。
17.图2分节组合式发射天线杆示意图。
18.图3天线基座示意图，图3a竖起时，图3b倒伏时。
19.图4匹配网络内部多通道切换宽带lc匹配示意图。
20.图5匹配网络外观示意图。
21.图6匹配网络第2档位实测驻波比曲线。
22.图7分节组合式船载地波雷达宽带发射天线阵在船头的倒伏状态示意图。
23.图8分节组合式船载地波雷达宽带发射天线阵在船头的竖起状态示意图。
24.图9阵元端射2d方向图。
25.图10阵元端射3d方向图。
26.图11阵元非端射2d方向图。
27.图12阵元非端射3d方向图。
28.其中，底座1，连接件一2，压环一3，碳纤维复合管一4，轴端档圈一5，轴端档圈二6，锁紧压环一7，碳纤维复合管二8，轴端档圈三9，轴端档圈四10，锁紧压环二11，碳纤维复合管三12，端盖13，连接件二14，拉绳固定件15，连接件三16，压环二17，分节组合式发射天线杆18，支撑钢管19，天线基座20，匹配网络21，水平支撑平台22，拉线地锚23，陶瓷高压真空继电器24，调节旋钮25，液压摆动缸26，定位销轴27，移动充电电源28，转换开关电源接口29，发射线缆30，保护盒31，n形馈线口32。
具体实施方式
29.1.单根分节组合式船载地波雷达宽带发射天线构造首先，构造单根分节组合式船载地波雷达宽带发射天线，其整体结构如图1所示。分节组合式发射天线杆18作为天线辐射主体，向外界发射信号通过逐节加粗天线主体振子设计以及根据雷达频率分段组装的组合式，以实现各雷达频率的有效辐射。支撑钢管19、天线基座20、水平支撑平台22、拉线地锚23对天线杆18起固定作用，提高天线杆抗风等级，通过高强度组件及固定方式设计，实现在船载平台有限空间内布放，并适应海洋及船体恶劣
环境。匹配网络21调节天线输入阻抗，使其达到宽带匹配状态，通过可调节匹配网络设计，补偿天线阻抗随频率变化引起的变化，达到展宽阻抗带宽的目的，以实现良好的阻抗匹配以及各雷达频率的有效辐射。由于船体甲板是非水平的，天线杆支撑架无法正常放置在斜面上，故设计天线底座支撑水平安装平台22，保持天线水平。各组成部件的具体构造方式及功能如下：
ø
分节组合式发射天线杆18作为天线主体，天线杆各分节均采用碳纤维材质，通过分节组合兼顾船载发射天线的结构强度和强抗拉力的同时，大幅度降低了天线的总体重量，它的比重比铝还要轻，不到钢的1/4，比强度是铁的20倍。
30.以三节为例，具体结构如图2所示，碳纤维天线组合起来长度约为11米，每段不超过4米，采用三节碳纤维杆，第二节插入第一节内径，三节插入第二节内径，每两节通过高强度环丝扣结构去连接。环丝扣结构部分所用的结构件采用钛合金材料，钛合金单位强度高、刚性优良、重量轻、抗蚀性好，所以链接碳纤维管结构部分的结构件都采用钛合金材料。
31.组装时将连接件三16插入碳纤维复合管一4中，锁紧压环一7的内螺纹与轴端档圈一5的外螺纹配合用扳手锁紧；轴端档圈二6圆柱面上有固定螺丝，穿过碳纤维复合管二8、连接件三16作为一个整体，同时轴端档圈二6也起到一个锁紧压环一7防脱的作用。
32.连接件二14插入碳纤维复合管二8中，锁紧压环二11内螺纹与轴端档圈三9的外螺纹配合用扳手锁紧，碳纤维复合管三12作为天线辐射体一个重要的高度保证，对电气指标的影响至关重要。端盖13防止下雨时雨水落入内孔中，在内孔中形成很多的积雨，拉绳固定件15作为拉绳方位固定件，通过圆柱面上的螺丝与碳纤维复合管二8固定。压环二17起保护加强的作用，防止连接件一2在摇摆中从底座1上边缘处折断，它是通过圆柱面上螺丝和环氧胶与底座1、连接件一2实现连接的。经过如上操作就将整根天线杆组装起来了，通过第一节底座1上的安装孔，用螺栓锁紧在载体平台上，馈线与3号压环外圆柱面上馈电点连接，天线杆作为整个辐射体将短波信号辐射出去。
33.天线杆材料的主体是碳纤维，采用碳纤维杆作为天线辐射体用于减轻重量同时其强度得以很好的保障。其由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经过碳化及石墨化处理，含碳量超过百分之九十五，强度比较高，质量只有钢的四分之一，强度却是钢的7到9倍，抗拉弹性模量也比钢要强，具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性。辅助材料主要为s31603和tc4，其中s31603是不锈钢316l，tc4是钛合金。所涉及的材料如下表1，表1分节组合式发射天线杆材料编号名称材料所属分节1底座不锈钢316l第1节2连接件一碳纤维-t300第1节3压环一s31603（gb/t20878）第1节4碳纤维复合管一（
∅
130-115）碳纤维-t300第1节5轴端档圈一tc4（gb/t3620.1）第1节6轴端档圈二tc4（gb/t3620.1）第2节7锁紧压环一tc4（gb/t3620.1）第2节
8碳纤维复合管二（
∅
115-100）碳纤维-t300第2节9轴端档圈三tc4（gb/t3620.1）第2节10轴端档圈四tc4（gb/t3620.1）第3节11锁紧压环二tc4（gb/t3620.1）第3节12碳纤维复合管三（
∅
100-80）碳纤维-t300第3节13端盖tc4（gb/t3620.1）第3节14连接件二tc4（gb/t3620.1）第3节15拉绳固定件s31603（gb/t20878）第2节16连接件三碳纤维-t300第2节17压环二s31603（gb/t20878）第1节该天线碳纤维杆应力的最大点为底部固定部分，具备承受至少10级狂风的能力。在船载平台的最大摇摆幅度不小于45度，最小摇摆周期不大于6秒（单程3秒）的情况下，船载天线最终承受的底部摇摆力（按最大受力分析计算），小于该天线的拉伸/剪切力许用应力。经相关理论计算和实际摇摆实验，已证明此结构满足恶劣环境下船载地波雷达发射天线的应用需求。在10级狂风以上的海况条件下，处于天线保护的考虑，利用设计的天线倒伏措施和装置将天线放倒。
34.ø
支撑钢管19：整根天线的三角固定方式由三根q235b钢管和对应的钣金件固定。将钢管一端和钣金件采用螺栓连接固定在距离地面为天线高度1/5处的天线部位。钢管另一端与另外三个金属件用螺栓连接，然后与水平基座焊接。为了防止钢管把天线接地导通，在三个钣金件与碳纤维管接触中间加上玻璃钢件绝缘。钢管两端用外径与钢管相等的实心钢柱与钢管焊接，圆柱开槽然后把钣金件插进槽中用螺栓连接，钣金件再与甲板焊接。固定天线三根钢管成120
°
夹角均布，与甲板焊接位置在已天线轴为圆心的圆上。
35.ø
天线基座20：具体如图3所示，执行机构采用液压摆动缸26，实现0-90
°
区间的翻转，手动换向阀则用于切换液压摆动缸26转动方向。当天线要工作时，需要将天线杆竖立起来，待天线杆竖立起来后，液压摆动缸26进行自锁锁紧直立状态，同时侧面以固定销轴27进行锁定，船舷有类似抱箍的装置固定，每根天线周围还有缆绳拉环可用缆绳拉住天线杆。当天线不工作或要进港时，可以将天线杆放倒，放倒后液压倒伏装置上有两个锁紧定位销，液压摆动缸26进行自锁，防止出现意外上紧两个锁紧定位销，同时天线杆刚好卧倒在天线杆支撑座上。
36.ø
宽带匹配网络21：本船载地波雷达宽带发射天线采用加粗阵子和加匹配网络的混合方法，使天线的电性能达到最佳。对于电振子天线，为了展宽频带，通常可以采用有较大截面的振子，即降低振子的长度直径比，又叫长细比，此举能明显的改善天线频带内的阻抗特性。本天线的分节组合式设计，天线底端直径增大，往顶端直径逐渐降低，天线底端较顶端的直径在3倍以上。但由于实际应用中不能无限加粗振子，因此在后端增加了宽带匹配网络。
37.对于端射鞭天线而言，在陆基上，由于大地环境接近天线理论上的无限大地，采用双鞭二元阵列天线，一个固定的匹配的网络可以相对轻松的实现想要频段内的驻波及增益要求。而对于船载的端射鞭天线，受船上狭小安装空间、船载已有天线及船所处环境等影
响，但在4.4～4.9mhz频段内传统的固定匹配网络很难在狭窄的频段内获得想要的电气指标（驻波比：小于2.5，增益：大于等于2dbi），为此我们提出通过多个匹配网络手动转换开关来获得想要频段内的电气指标。
38.匹配网络的内部电路如图4所示，通过陶瓷高压真空继电器，设计出多通道切换的宽带lc匹配网络，实现宽频匹配。继电器加电吸合，选择所需频段通道。在匹配网络空间内器件分布分散，高频之间的互耦和内部噪声减少，传统的宽带匹配在整个频带内驻波比不能做到3以内，而现在改进的多通道匹配网络在每个分频段内驻波比可以做到2.5以内，指标优化良好，损耗低，增益也有所提高。较传统低效率多级复合π型宽带匹配lc网络，在降低系统复杂度的同时，驻波较宽带更低、效率更高也更加接近于工程应用。
39.匹配网络的外部如图5所示，射频接口为标准50欧姆n-k，移动电源输入电压为220v，移动电源输出电压为24v，匹配网络电磁阀输入电压为24v。液压站电源接口为输入380v，功率1.5kw。匹配网络21外侧设有保护盒31、n形馈线口32，并连接有发射线缆30。保护盒31内装有转换开关电源接口29和，转换开关25，考虑到保护盒31为室外安装，经受风吹雨淋，故选用抗老化的工程塑料，为合页加金属搭扣结构，方便需要时打开和闭合。在使用时，打开防水盒，使用移动充电电源28为转换开关电路提供24v电源，转换开关25有3个档位，1档频率为4.40-4.61mhz，2档频率为4.61-4.76mhz，3档频率为4.76-4.92mhz，通过转换开关调整到想要的频率段即可获得满足要求的电气指标。匹配箱与甲板连接方式采用钢板与匹配箱螺栓链接，钢板再与甲板焊接。
40.接着给出匹配网络实测结果如图6，为匹配网络第2档位的船载地波雷达宽带天线的实测驻波比曲线。可见，本设计在4.61至4.76mhz的宽带内很好的适应了海上船载环境，驻波在2以下。此外，结合本专利的匹配网络档位1和档位3，将进一步拓展发射天线的带宽，同时天线增益能够保持在2dbi以上。
41.ø
水平支撑平台22：保证天线处于水平状态，在天线主体下面放置天线杆支撑平台。该支撑平台顶面与天线底座相连接，底面与9个等间隔分布的柱状体铁柱焊接，铁柱高度可调。随船体斜面而相应不同，保持天线水平。
42.ø
拉线地锚23：在船体一侧边缘和船宽方向上焊接辅助固定拉绳的地锚环，在发射天线主体高度2/3处的地方连接3根拉绳，2根在船边缘桅杆上固定，1根在船宽度方向甲板上固定，固定的角度以120
°
为间隔。
43.2.分节组合式船载地波雷达宽带发射天线阵形成下一步，在按照上述流程完成两根分节组合式船载地波雷达宽带发射天线后，再按照下述步骤形成分节组合式船载地波雷达宽带发射天线阵。构造完成后，其在船头的倒伏与竖起架构如图7、8所示。具体构造步骤如下：在船的两侧位置架设两根分节组合式船载地波雷达宽带发射天线，注意两个天线水平方向错开放置，两个天线垂直间距≥12m，左右中心间距300mm，保证天线倒下时不发生碰撞，天线卧倒过程及完全倒下后，天线杆下无物体。需要设计和制作两个天线底座支撑平台，此支撑平台与天线底座相连接，且能够支撑天线，底座支撑平台有25个高70mm的m24地脚螺栓，螺栓强度为12.9，表面为热镀锌，每个螺栓配套1个弹垫、1个平垫、2个强度12.9螺
母，20-m6螺孔深度为10mm。
44.天线高约11米，为多节结构，基座高约0.5米，天线杆加基座高约11.6米；匹配网络外部长*宽为430*430mm，重量约30kg；发射天线为1组共2根，每个发射天线的馈线直径约为16mm，馈线随用随打开，不用盘起，单根发射天线的峰值功率为1kw。液压倒伏机构自带的液压站重量约为120kg，电压为380v，功率为约1.5kw。
45.3.分节组合式船载地波雷达宽带发射天线及天线阵运转进而，该分节组合式船载地波雷达宽带发射天线阵的运转工作过程如下：第一步，开启动力电源预热液压倒伏装置15~30分钟，再来控制液压缸升起天线，插好保险销，并关闭动力电源；第二步，在确定天线的工作频率，在两个匹配箱上选择对应的档位，并且连接馈线；第三步，开启发射机预热并做发射前的准备工作；第四步，发射机工作发射相应的功率，天线开始工作；第五步，更换频点时发射机停止工作，作业人员到匹配箱上选择对应的频点档位，并重复第四步；第六步，发射任务完成，发射机停止工作并关机，开启动力电源，拔起保险销，控制液压缸把天线放倒。
46.4.天线阵辐射能量的定向发射与增强最终，通过分节组合式船载地波雷达宽带发射天线阵实现雷达发射信号的端射，达到辐射的定向与能量的增强。首先设定输入第一部天线的雷达发射机激励信号的相位；连续调节第二部天线的雷达发射机激励信号的相位，在远场测量辐射能量的强度，通过连续调节第二部天线的雷达发射机激励信号相位的方式，获得最大辐射能量强度，最大辐射能量强度的指向即端射方向，进而实现可变方向的端射。在应用中，如端射方向固定不变，也可通过两根分节组合式船载地波雷达宽带发射天线的馈电线缆长度差，等效实现雷达发射机输入天线间的相位差。
47.以沿天线阵中间轴线方向端射为例，两根分节组合式船载地波雷达宽带发射天线所在的工作频段均需满足90
°
相位差，从相位超前天线指向相位滞后天线。如天线一相位较天线二超前90
°
，则端射方向为沿中间轴线方向，从天线一指向天线二。按照雷达中心频率为4.7mhz计算，波长为63.83米，考虑到实际舰上安装环境，如等效输入两根分节组合式船载地波雷达宽带发射天线相位差90
°
依靠馈电线缆长度差实现，两根馈电线缆长度需相差四分之一波长（15.96米）。短馈电线缆连接的发射天线比长馈电线缆连接的发射天线相位超前90
°
，天线阵向长馈线连接的发射天线端辐射。天线阵的端射2d方向图、端射3d方向图、非端射2d方向图、非端射3d方向图分别如图9-12所示。可以看出，端射较非端射，能量集中于端射辐射方向，而非全向分布，辐射能量的定向性更好，更有利于将能量集中于雷达探测方向。