本實(shí)用新型涉及電子、微波射頻、雷達(dá)等領(lǐng)域，尤其涉及一種新型陣列天線的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法。

現(xiàn)有技術(shù)

陣列天線因其具有高增益、可波束賦形等優(yōu)勢被應(yīng)用于很多的場合，例如雷達(dá)、通信、導(dǎo)航等，饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是陣列天線設(shè)計(jì)中非常重要的一部分工作，微帶傳輸線作為一種傳統(tǒng)的傳輸線形式得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在一些陣列天線的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中。在一些特殊的應(yīng)用場合需要用到陣元數(shù)量較大的陣列形式以及比較復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，對于頻率較高的毫米波頻段，復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)不僅會(huì)使得設(shè)計(jì)難度大幅度上升，而且大規(guī)模的使用微帶饋電形式會(huì)導(dǎo)致輻射損耗大幅度上升，并且存在互耦，會(huì)影響陣列天線的整體性能。

陣列天線在雷達(dá)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，雷達(dá)系統(tǒng)采用的天線方案對雷達(dá)的整體作用以及整體性能指標(biāo)有著重要的影響，雷達(dá)有多種分類方式，按照作用距離主要可以分為遠(yuǎn)距雷達(dá)、中距雷達(dá)和近距雷達(dá)，由于電磁波在空氣中傳播的距離越遠(yuǎn)，損耗越大，所以作用距離越遠(yuǎn)的雷達(dá)需要越高的鏈路增益，通過不同的天線增益來獲得不同的鏈路增益對于雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言是最經(jīng)濟(jì)有效的方法，一般為了保證雷達(dá)探測距離的要求，遠(yuǎn)距雷達(dá)需要高增益的天線，中距雷達(dá)對于天線增益要求次之，近距雷達(dá)要求相對最低。在有些應(yīng)用場景中，希望能夠利用一部雷達(dá)設(shè)備同時(shí)滿足不同作用距離的應(yīng)用要求，例如同時(shí)兼顧遠(yuǎn)距和中距探測，為了達(dá)到這樣的應(yīng)用目的，對于現(xiàn)有技術(shù)而言一般采用兩種方案，一種方案是采用射頻開關(guān)在不同增益的天線之間進(jìn)行切換，一種方案是采用多個(gè)發(fā)射機(jī)多個(gè)接收機(jī)，不同作用距離的收發(fā)機(jī)獨(dú)立工作，構(gòu)成一整個(gè)系統(tǒng)。

現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)

對于應(yīng)用于毫米波頻段的陣列天線，采用大規(guī)模的微帶饋電網(wǎng)絡(luò)會(huì)使得輻射損耗大幅度上升，饋線之間的耦合也不容忽視，這都會(huì)導(dǎo)致陣列天線的整體性能變差。此外，對于具有特殊作用的饋電網(wǎng)絡(luò)（如波束成形網(wǎng)絡(luò)），其設(shè)計(jì)難度也將大大提高。

針對于雷達(dá)系統(tǒng)兼顧遠(yuǎn)距和中距探測的應(yīng)用，目前的兩種技術(shù)均存在相關(guān)缺點(diǎn)，對于引入射頻開關(guān)來切換高、低增益天線的技術(shù)，射頻開關(guān)的切換時(shí)間的存在使得系統(tǒng)不能同時(shí)工作在遠(yuǎn)距和中距探測的模式下，同時(shí)還將引入相應(yīng)的開關(guān)插入損耗，系統(tǒng)電路板面積也會(huì)增加；對于采用多發(fā)射通道的方案，成本、系統(tǒng)電路板面積將提升，此外，后端處理的壓力也將增大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的

本實(shí)用新型所要解決的問題是：克服陣列天線采用較大規(guī)模微帶饋電網(wǎng)絡(luò)在毫米波頻段存在較大輻射損耗、互耦等問題，提出了一種能同時(shí)滿足雷達(dá)遠(yuǎn)距和中距探測需求的天線結(jié)構(gòu)，克服了現(xiàn)有技術(shù)解決此類問題時(shí)具有的切換時(shí)間、插入損耗、成本提升、系統(tǒng)電路板面積增大缺點(diǎn)，并且給出了該天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。

技術(shù)方案

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種天線結(jié)構(gòu)包括輻射單元和饋電網(wǎng)絡(luò)，饋電網(wǎng)絡(luò)的輸出端與輻射單元的輸入端相連，其特征在于：所述饋電網(wǎng)絡(luò)為軸對稱結(jié)構(gòu)，所述饋電網(wǎng)絡(luò)包括一路分多路的基片集成波導(dǎo)功率分配器以及移相器，所述移相器連接在所述基片集成波導(dǎo)功率分配器的多路輸出端上，所述輻射單元為以所述饋電網(wǎng)絡(luò)的對稱軸為中心的對稱結(jié)構(gòu)且連接在所述移相器的末端。

為同時(shí)滿足雷達(dá)遠(yuǎn)距探測和中距探測的要求，所述基片集成波導(dǎo)功率分配器為一路分六路的結(jié)構(gòu)，在每一個(gè)輸出端上連接一個(gè)所述輻射單元。

所述一路分六路的結(jié)構(gòu)由一個(gè)一路分三路的功率分配器和兩級(jí)一路分兩路的功率分配器構(gòu)成。

所述一路分三路的功率分配器由一段基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與一個(gè)基片集成波導(dǎo)大矩形腔的一條邊的中間部分相連組成，基片集成波導(dǎo)大矩形腔正中有一個(gè)有金屬化通孔組成的正交十字形狀，將輸入的一路信號(hào)分成兩路信號(hào)后，再通過后面的耦合窗口輸出，在基片集成波導(dǎo)大矩形腔與輸入信號(hào)開口相對的另一條邊上開有三個(gè)耦合窗口，其中兩側(cè)的耦合窗口分別通過彎折形的基片集成波導(dǎo)引出，中間的耦合窗口連接所述兩級(jí)一路分兩路的功率分配器，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以避免直接采用一路分三路功率分配結(jié)構(gòu)所存在的功率分配嚴(yán)重失衡的問題；所述兩級(jí)一路分兩路的功率分配器包括一級(jí)一路分兩路的基片集成波導(dǎo)功率分配器和二級(jí)一路分兩路的基片集成波導(dǎo)功率分配器，所述一級(jí)一路分兩路的基片集成波導(dǎo)功率分配器連接在所述中間的耦合窗口，所述二級(jí)一路分兩路的基片集成波導(dǎo)功率分配器為兩個(gè)且連接在所述一級(jí)一路分兩路的基片集成波導(dǎo)功率分配器的兩路輸出端口上，六路基片集成波導(dǎo)通道的輸出端口通過連接所述的移相器后保持平行。

所述六路基片集成波導(dǎo)通道的中間四路保持等幅同相饋電，邊上的兩路與中間四路保持同幅度，相位超前50度饋電。

所述輻射單元采用串饋微帶線陣的結(jié)構(gòu)，每兩個(gè)輻射單元之間采用不等間距排布。

所述移相器由基片集成波導(dǎo)與微帶傳輸線混合而成。移相器將基片集成波導(dǎo)傳輸結(jié)構(gòu)和微帶傳輸線混合使用并通過改變兩者的長度獲得不同的相位差，實(shí)現(xiàn)移相功能。

所述天線結(jié)構(gòu)可以獲得能夠同時(shí)滿足雷達(dá)遠(yuǎn)距和中距探測的應(yīng)用水平方向圖,中間四路的陣元等幅同相饋電，使其能夠在法向上壓縮波束，使整個(gè)天線水平面波束在法向左右一定角度內(nèi)保持筆狀，使其能夠滿足遠(yuǎn)距探測所需的增益要求；調(diào)節(jié)兩側(cè)的陣元的饋電的幅度和相位，與中間四路保持同幅度，相位超前50度饋電，可以使得天線水平面方向圖在需要的探測范圍內(nèi)不存在零點(diǎn)（水平方向圖在遠(yuǎn)距探測角度范圍之外和中距探測角度范圍之內(nèi)的部分具有水平臺(tái)階的形狀或呈現(xiàn)緩慢下降的坡狀），滿足中距探測的要求。

一種具有特殊方向圖的天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：選擇合適的天線陣元結(jié)構(gòu)，天線陣元結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足應(yīng)用對于垂直面的方向圖波束要求，通過商業(yè)電磁場軟件仿真，調(diào)整天線陣元的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其具有良好的駐波性能；

步驟二：確定陣元數(shù)目，陣元數(shù)目的確定需要結(jié)合雷達(dá)遠(yuǎn)距和中距作用對天線增益的要求以及對水平探測范圍的要求；

步驟三：確定水平方向布陣時(shí)每兩個(gè)天線陣元間的距離及每個(gè)天線陣元的激勵(lì)的幅度和相位，借助于商業(yè)電磁場仿真軟件，按照步驟一確定的天線陣元結(jié)構(gòu)和步驟二確定的陣元數(shù)目建立水平方向組陣的電磁仿真模型，觀察不同天線陣元距離、每個(gè)陣元激勵(lì)的幅度和相位變化時(shí)水平面方向圖的變化，確定合適的陣元距離以及每個(gè)天線陣元的激勵(lì)的幅度和相位，使得天線的水平面方向圖滿足遠(yuǎn)距和中距探測的要求，且探測范圍內(nèi)方向圖沒有明顯的零點(diǎn)；

步驟四：設(shè)計(jì)陣列天線饋電網(wǎng)絡(luò)，使得饋電網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)通道間的距離，以及每個(gè)通道的輸出滿足步驟三中確定的陣元距離、已經(jīng)陣元激勵(lì)幅度和相位的要求，同時(shí)具有良好的駐波性能；

步驟五：將步驟一設(shè)計(jì)的天線陣元結(jié)構(gòu)和步驟四設(shè)計(jì)的天線饋電網(wǎng)絡(luò)組合到一起去，組成一個(gè)天線整體，利用商業(yè)電磁仿真軟件進(jìn)行仿真以及一些解雇參數(shù)的微調(diào)，獲得滿足要求的天線水平方向圖和駐波性能。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型給出的天線結(jié)構(gòu)無需引入射頻開關(guān)，無需采用多射頻通道的方法，不會(huì)引入額外插入損耗，消除了開關(guān)切換時(shí)間，減小了系統(tǒng)體積和制作成本，同時(shí)也不會(huì)引入射頻通道不一致性的問題，具有良好的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型涉及的陣列天線的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型涉及的陣列天線饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實(shí)用新型涉及的陣列天線駐波性能的仿真和測試結(jié)果；

圖4為本實(shí)用新型涉及的陣列天線同時(shí)滿足遠(yuǎn)距和中距探測的水平面方向圖仿真與測試結(jié)果；

圖5為本實(shí)用新型涉及的陣列天線垂直面方向圖仿真與測試結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型進(jìn)一步的詳細(xì)描述：

如圖1所示，本實(shí)用新型涉及的陣列天線層次結(jié)構(gòu)上包含上層金屬結(jié)構(gòu)1、介質(zhì)基片2和下層金屬結(jié)構(gòu)3，其中金屬層用陰影表示。整個(gè)陣列天線的功能結(jié)構(gòu)包括饋電網(wǎng)絡(luò)6，輻射單元5和基片集成波導(dǎo)到波導(dǎo)的轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)8，沿著x方向有六個(gè)輻射單元5進(jìn)行組陣。圖中4所示均為金屬化的通孔，其中輻射單元5采用了串饋微帶陣列的結(jié)構(gòu)形式，饋電網(wǎng)絡(luò)6包含了基片集成波導(dǎo)功率分配器7和移相器11，基片集成波導(dǎo)到波導(dǎo)的轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)可以將整個(gè)陣列天線結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)饋源連接起來。

如圖2所示，為本實(shí)用新型涉及的天線陣列中最關(guān)鍵的部分——饋電網(wǎng)絡(luò)，饋電網(wǎng)絡(luò)整體上分為一路分六路基片集成波導(dǎo)功率分配器和移相器，其中一路分六路基片集成波導(dǎo)功率分配器采用的方案為先一路分三路9，接著，中間一路再通過兩級(jí)一路分兩路的基片集成波導(dǎo)功率分配器21和22分成四路，和兩側(cè)的兩路一起構(gòu)成六路。一路分六路基片集成波導(dǎo)功率分配器的具體結(jié)構(gòu)為，首先一段基片集成波導(dǎo)與一個(gè)基片集成波導(dǎo)矩形腔10一條邊通過中間的窗口相連，基片集成波導(dǎo)矩形腔10正中有一個(gè)由金屬化通孔組成的正交十字形狀，在基片集成波導(dǎo)矩形腔與輸入端口相對的另一條邊上開有三個(gè)耦合窗口23、24和25，以此形成了一個(gè)一路分三路的功率分配器9，其中兩側(cè)的耦合窗口23和25分別通過彎折形的基片集成波導(dǎo)引出，中間的耦合窗口24連接兩級(jí)一路分兩路的功率分配器后分成四路相同的基片集成波導(dǎo)通道，兩側(cè)通過彎折基片集成波導(dǎo)引出的通道的端口和中間四路相同的基片集成波導(dǎo)通道的端口保持平行。一分六路基片集成波導(dǎo)功率分配器的每個(gè)輸出端口均接通過一段微帶漸變線14與50歐姆的微帶線（15~20）連接到一起，為了滿足組陣對饋電網(wǎng)絡(luò)每路輸出幅度相位的要求，需要進(jìn)行有移相器對相位進(jìn)行控制，本實(shí)用新型中采用基片集成波導(dǎo)與微帶傳輸線混合的技術(shù)設(shè)計(jì)移相器11，為了保證組陣的每個(gè)陣元的中心處于同一水平線上，饋電網(wǎng)絡(luò)的輸出端口15~20需要保持在同一水平面上，因此需要保持基片集成波導(dǎo)與微帶傳輸線混合的移相器11的總長度不變，根據(jù)組陣對饋電網(wǎng)絡(luò)的要求，中間四路16~19保持等幅同相饋電，邊上的兩路15和20與中間四路16~19保持同幅度，相位超前50度饋電，因此需要引入移相器11。通過調(diào)整移相器11中基片集成波導(dǎo)12和微帶傳輸線13的相對長度，便可以在保持移相器11長度不變的情況下得到不同的相位輸出。

一種具有特殊方向圖的天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：選擇合適的天線陣元結(jié)構(gòu)，天線陣元結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足應(yīng)用對于垂直面的方向圖波束要求，這里采用十單元的串饋微帶線陣作為天線陣元，以滿足垂直方向向±5°的波束寬度要求；通過商業(yè)電磁場軟件仿真，調(diào)整天線陣元的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其具有良好的駐波性能；

步驟二：確定陣元數(shù)目，陣元數(shù)目的確定需要結(jié)合雷達(dá)遠(yuǎn)距和中距作用對天線增益的要求以及對水平探測范圍的要求；

步驟三：確定水平方向布陣時(shí)每兩個(gè)天線陣元間的距離及每個(gè)天線陣元的激勵(lì)的幅度和相位，借助于商業(yè)電磁場仿真軟件，按照步驟一確定的天線陣元結(jié)構(gòu)和步驟二確定的陣元數(shù)目建立水平方向組陣的電磁仿真模型，觀察不同天線陣元距離、每個(gè)陣元激勵(lì)的幅度和相位變化時(shí)水平面方向圖的變化，確定合適的陣元距離以及每個(gè)天線陣元的激勵(lì)的幅度和相位，使得天線的水平面方向圖滿足遠(yuǎn)距和中距探測的要求，且探測范圍內(nèi)方向圖沒有明顯的零點(diǎn)；

步驟四：設(shè)計(jì)陣列天線饋電網(wǎng)絡(luò)，使得饋電網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)通道間的距離，以及每個(gè)通道的輸出滿足步驟三中確定的陣元距離、已經(jīng)陣元激勵(lì)幅度和相位的要求，同時(shí)具有良好的駐波性能；

步驟五：將步驟一設(shè)計(jì)的天線陣元結(jié)構(gòu)和步驟四設(shè)計(jì)的天線饋電網(wǎng)絡(luò)組合到一起去，組成一個(gè)天線整體，利用商業(yè)電磁仿真軟件進(jìn)行仿真以及一些解雇參數(shù)的微調(diào)，獲得滿足要求的天線水平方向圖和駐波性能。

為了驗(yàn)證該發(fā)明提供的陣列天線結(jié)構(gòu)的性能，基于上述方法和結(jié)構(gòu)并采用介電常數(shù)為2.2，厚度為0.254mm的微波板材加工了工作于W波段的用于驗(yàn)證的陣列天線的實(shí)物，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀以及頻率擴(kuò)展設(shè)備進(jìn)行了天線駐波的測試，測試結(jié)果如圖3所示，測試結(jié)果與仿真結(jié)果均較好；利用遠(yuǎn)場暗室對天線的方向圖進(jìn)行了測試，分別如圖4和圖5所示，仿真與測試結(jié)果均達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。對于陣列天線結(jié)構(gòu)的相關(guān)仿真和測試結(jié)果均表明該發(fā)明所涉及的天線結(jié)構(gòu)能夠滿足相關(guān)應(yīng)用的需求。

以上實(shí)施例僅為說明本實(shí)用新型的技術(shù)思想，不能以此限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，凡是按照本實(shí)用新型提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本實(shí)用新型保護(hù)范圍之內(nèi)。