一種天線結構及設計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種天線結構及設計方法，其中天線結構包括輻射單元和饋電網(wǎng)絡，饋電網(wǎng)絡的輸出端與輻射單元的輸入端相連，所述饋電網(wǎng)絡為軸對稱結構，所述饋電網(wǎng)絡包括一路分多路的基片集成波導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)絡的對稱軸為中心的對稱結構且連接在所述移相器的末端。本發(fā)明天線結構克服了采用較大規(guī)模微帶饋電網(wǎng)絡在毫米波頻段存在的較大輻射損耗、互耦等問題，該天線能夠同時滿足雷達中距和遠距測試的需求，消除了其他方案存在的切換時間，同時具有低成本，小尺寸等優(yōu)勢。
【專利說明】一種天線結構及設計方法
[0001]本發(fā)明涉及電子、微波射頻、雷達等領域，尤其涉及一種新型陣列天線的結構及設計方法。
【背景技術】
現(xiàn)有技術
[0002]陣列天線因其具有高增益、可波束賦形等優(yōu)勢被應用于很多的場合，例如雷達、通信、導航等，饋電網(wǎng)絡的設計是陣列天線設計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用，尤其是在一些陣列天線的饋電網(wǎng)絡設計中。在一些特殊的應用場合需要用到陣元數(shù)量較大的陣列形式以及比較復雜的饋電網(wǎng)絡，對于頻率較高的毫米波頻段，復雜的饋電網(wǎng)絡不僅會使得設計難度大幅度上升，而且大規(guī)模的使用微帶饋電形式會導致輻射損耗大幅度上升，并且存在互耦，會影響陣列天線的整體性能。
[0003]陣列天線在雷達系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，雷達系統(tǒng)采用的天線方案對雷達的整體作用以及整體性能指標有著重要的影響，雷達有多種分類方式，按照作用距離主要可以分為遠距雷達、中距雷達和近距雷達，由于電磁波在空氣中傳播的距離越遠，損耗越大，所以作用距離越遠的雷達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系統(tǒng)設計而言是最經(jīng)濟有效的方法，一般為了保證雷達探測距離的要求，遠距雷達需要高增益的天線，中距雷達對于天線增益要求次之，近距雷達要求相對最低。在有些應用場景中，希望能夠利用一部雷達設備同時滿足不同作用距離的應用要求，例如同時兼顧遠距和中距探測，為了達到這樣的應用目的，對于現(xiàn)有技術而言一般采用兩種方案，一種方案是采用射頻開關在不同增益的天線之間進行切換，一種方案是采用多個發(fā)射機多個接收機，不同作用距離的收發(fā)機獨立工作，構成一整個系統(tǒng)。
[0004]現(xiàn)有技術的缺點
對于應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)絡會使得輻射損耗大幅度上升，饋線之間的耦合也不容忽視，這都會導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(如波束成形網(wǎng)絡)，其設計難度也將大大提高。
[0005]針對于雷達系統(tǒng)兼顧遠距和中距探測的應用，目前的兩種技術均存在相關缺點，對于引入射頻開關來切換高、低增益天線的技術，射頻開關的切換時間的存在使得系統(tǒng)不能同時工作在遠距和中距探測的模式下，同時還將引入相應的開關插入損耗，系統(tǒng)電路板面積也會增加;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。

【發(fā)明內容】

[0006]發(fā)明目的
本發(fā)明所要解決的問題是: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，提出了一種能同時滿足雷達遠距和中距探測需求的天線結構，克服了現(xiàn)有技術解決此類問題時具有的切換時間、插入損耗、成本提升、系統(tǒng)電路板面積增大缺點，并且給出了該天線結構的設計方法。
[0007]技術方案
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術方案是這樣實現(xiàn)的:
一種天線結構包括輻射單元和饋電網(wǎng)絡，饋電網(wǎng)絡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)絡為軸對稱結構，所述饋電網(wǎng)絡包括一路分多路的基片集成波導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)絡的對稱軸為中心的對稱結構且連接在所述移相器的末端。
[0008]為同時滿足雷達遠距探測和中距探測的要求，所述基片集成波導功率分配器為一路分六路的結構，在每一個輸出端上連接一個所述輻射單元。
[0009]所述一路分六路的結構由一個一路分三路的功率分配器和兩級一路分兩路的功率分配器構成。
[0010]所述一路分三路的功率分配器由一段基片集成波導結構與一個基片集成波導大矩形腔的一條邊的中間部分相連組成，基片集成波導大矩形腔正中有一個有金屬化通孔組成的正交十字形狀，將輸入的一路信號分成兩路信號后，再通過后面的耦合窗口輸出，在基片集成波導大矩形腔與輸入信號開口相對的另一條邊上開有三個耦合窗口，其中兩側的耦合窗口分別通過彎折形的基片集成波導引出，中間的耦合窗口連接所述兩級一路分兩路的功率分配器，這樣的結構設計可以避免直接采用一路分三路功率分配結構所存在的功率分配嚴重失衡的問題;所述兩級一路分兩路的功率分配器包括一級一路分兩路的基片集成波導功率分配器和二級一路分兩路的基片集成波導功率分配器，所述一級一路分兩路的基片集成波導功率分配器連接在所述中間的耦合窗口，所述二級一路分兩路的基片集成波導功率分配器為兩個且連接在所述一級一路分兩路的基片集成波導功率分配器的兩路輸出端口上，六路基片集成波導通道的輸出端口通過連接所述的移相器后保持平行。
[0011]所述六路基片集成波導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。
[0012]所述輻射單元采用串饋微帶線陣的結構，每兩個輻射單元之間采用不等間距排布。
[0013]所述移相器由基片集成波導與微帶傳輸線混合而成。移相器將基片集成波導傳輸結構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，實現(xiàn)移相功能。
[0014]所述天線結構可以獲得能夠同時滿足雷達遠距和中距探測的應用水平方向圖，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，使整個天線水平面波束在法向左右一定角度內保持筆狀，使其能夠滿足遠距探測所需的增益要求;調節(jié)兩側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不存在零點(水平方向圖在遠距探測角度范圍之外和中距探測角度范圍之內的部分具有水平臺階的形狀或呈現(xiàn)緩慢下降的坡狀)，滿足中距探測的要求。
[0015]—種具有特殊方向圖的天線結構的設計方法，其特征在于，包括以下步驟:
步驟一:選擇合適的天線陣元結構，天線陣元結構應該滿足應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，調整天線陣元的相關結構參數(shù)，使其具有良好的駐波f生會K;
步驟二:確定陣元數(shù)目，陣元數(shù)目的確定需要結合雷達遠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每兩個天線陣元間的距離及每個天線陣元的激勵的幅度和相位，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構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、每個陣元激勵的幅度和相位變化時水平面方向圖的變化，確定合適的陣元距離以及每個天線陣元的激勵的幅度和相位，使得天線的水平面方向圖滿足遠距和中距探測的要求，且探測范圍內方向圖沒有明顯的零點；
步驟四:設計陣列天線饋電網(wǎng)絡，使得饋電網(wǎng)絡的每個通道間的距離，以及每個通道的輸出滿足步驟三中確定的陣元距離、已經(jīng)陣元激勵幅度和相位的要求，同時具有良好的駐波性能；
步驟五:將步驟一設計的天線陣元結構和步驟四設計的天線饋電網(wǎng)絡組合到一起去，組成一個天線整體，利用商業(yè)電磁仿真軟件進行仿真以及一些解雇參數(shù)的微調，獲得滿足要求的天線水平方向圖和駐波性能。
[0016]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明給出的天線結構無需引入射頻開關，無需采用多射頻通道的方法，不會引入額外插入損耗，消除了開關切換時間，減小了系統(tǒng)體積和制作成本，同時也不會引入射頻通道不一致性的問題，具有良好的應用前景。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明涉及的陣列天線的結構示意圖；
圖2為本發(fā)明涉及的陣列天線饋電網(wǎng)絡結構示意圖；
圖3為本發(fā)明涉及的陣列天線駐波性能的仿真和測試結果；
圖4為本發(fā)明涉及的陣列天線同時滿足遠距和中距探測的水平面方向圖仿真與測試結果;
圖5為本發(fā)明涉及的陣列天線垂直面方向圖仿真與測試結果。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖對本發(fā)明進一步的詳細描述:
如圖1所示，本發(fā)明涉及的陣列天線層次結構上包含上層金屬結構1、介質基片2和下層金屬結構3，其中金屬層用陰影表示。整個陣列天線的功能結構包括饋電網(wǎng)絡6，輻射單元5和基片集成波導到波導的轉接結構8，沿著X方向有六個輻射單元5進行組陣。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構形式，饋電網(wǎng)絡6包含了基片集成波導功率分配器7和移相器11，基片集成波導到波導的轉接結構可以將整個陣列天線結構和波導饋源連接起來。
[0019]如圖2所示，為本發(fā)明涉及的天線陣列中最關鍵的部分一一饋電網(wǎng)絡，饋電網(wǎng)絡整體上分為一路分六路基片集成波導功率分配器和移相器，其中一路分六路基片集成波導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一路分兩路的基片集成波導功率分配器21和22分成四路，和兩側的兩路一起構成六路。一路分六路基片集成波導功率分配器的具體結構為，首先一段基片集成波導與一個基片集成波導矩形腔10—條邊通過中間的窗口相連，基片集成波導矩形腔10正中有一個由金屬化通孔組成的正交十字形狀，在基片集成波導矩形腔與輸入端口相對的另一條邊上開有三個耦合窗口 23、24和25，以此形成了一個一路分三路的功率分配器9，其中兩側的耦合窗口 23和25分別通過彎折形的基片集成波導引出，中間的耦合窗口24連接兩級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通道，兩側通過彎折基片集成波導引出的通道的端口和中間四路相同的基片集成波導通道的端口保持平行。一分六路基片集成波導功率分配器的每個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)絡每路輸出幅度相位的要求，需要進行有移相器對相位進行控制，本發(fā)明中采用基片集成波導與微帶傳輸線混合的技術設計移相器11，為了保證組陣的每個陣元的中心處于同一水平線上，饋電網(wǎng)絡的輸出端口 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U。通過調整移相器11中基片集成波導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。
[0020]—種具有特殊方向圖的天線結構的設計方法，其特征在于，包括以下步驟:
步驟一:選擇合適的天線陣元結構，天線陣元結構應該滿足應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，調整天線陣元的相關結構參數(shù)，使其具有良好的駐波f生會K;
步驟二:確定陣元數(shù)目，陣元數(shù)目的確定需要結合雷達遠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每兩個天線陣元間的距離及每個天線陣元的激勵的幅度和相位，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構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、每個陣元激勵的幅度和相位變化時水平面方向圖的變化，確定合適的陣元距離以及每個天線陣元的激勵的幅度和相位，使得天線的水平面方向圖滿足遠距和中距探測的要求，且探測范圍內方向圖沒有明顯的零點；
步驟四:設計陣列天線饋電網(wǎng)絡，使得饋電網(wǎng)絡的每個通道間的距離，以及每個通道的輸出滿足步驟三中確定的陣元距離、已經(jīng)陣元激勵幅度和相位的要求，同時具有良好的駐波性能；
步驟五:將步驟一設計的天線陣元結構和步驟四設計的天線饋電網(wǎng)絡組合到一起去，組成一個天線整體，利用商業(yè)電磁仿真軟件進行仿真以及一些解雇參數(shù)的微調，獲得滿足要求的天線水平方向圖和駐波性能。
[0021]為了驗證該發(fā)明提供的陣列天線結構的性能，基于上述方法和結構并采用介電常數(shù)為2.2，厚度為0.254mm的微波板材加工了工作于W波段的用于驗證的陣列天線的實物，采用矢量網(wǎng)絡分析儀以及頻率擴展設備進行了天線駐波的測試，測試結果如圖3所示，測試結果與仿真結果均較好;利用遠場暗室對天線的方向圖進行了測試，分別如圖4和圖5所示，仿真與測試結果均達到了設計目標。對于陣列天線結構的相關仿真和測試結果均表明該發(fā)明所涉及的天線結構能夠滿足相關應用的需求。
[0022]以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內。
【主權項】
1.一種天線結構，包括輻射單元和饋電網(wǎng)絡，饋電網(wǎng)絡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)絡為軸對稱結構，所述饋電網(wǎng)絡包括一路分多路的基片集成波導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)絡的對稱軸為中心的對稱結構且連接在所述移相器的末端。2.根據(jù)權利要求1所述的天線結構，其特征在于:所述基片集成波導功率分配器為一路分六路的結構，在每一個輸出端上連接一個所述輻射單元。3.根據(jù)權利要求2所述的天線結構，其特征在于:所述一路分六路的結構由一個一路分三路的功率分配器和兩級一路分兩路的功率分配器構成。4.根據(jù)權利要求3所述的天線結構，其特征在于:所述一路分三路的功率分配器由一段基片集成波導結構與一個基片集成波導大矩形腔的一條邊的中間部分相連組成，基片集成波導大矩形腔正中有一個有金屬化通孔組成的正交十字形狀，將輸入的一路信號分成兩路信號后，再通過后面的耦合窗口輸出，在基片集成波導大矩形腔與輸入信號開口相對的另一條邊上開有三個耦合窗口，其中兩側的耦合窗口分別通過彎折形的基片集成波導引出，中間的耦合窗口連接所述兩級一路分兩路的功率分配器，所述兩級一路分兩路的功率分配器包括一級一路分兩路的基片集成波導功率分配器和二級一路分兩路的基片集成波導功率分配器，所述一級一路分兩路的基片集成波導功率分配器連接在所述中間的耦合窗口，所述二級一路分兩路的基片集成波導功率分配器為兩個且連接在所述一級一路分兩路的基片集成波導功率分配器的兩路輸出端口上，六路基片集成波導通道的輸出端口通過連接所述的移相器后保持平行。5.根據(jù)權利要求4所述的天線結構，其特征在于:所述六路基片集成波導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。6.根據(jù)權利要求3所述的天線結構，其特征在于:所述輻射單元采用串饋微帶線陣的結構，每兩個輻射單元之間采用不等間距排布。7.根據(jù)權利要求1所述的天線結構，其特征在于:所述移相器由基片集成波導與微帶傳輸線混合而成。8.—種如權利要求1至7任一所述天線結構的設計方法，其特征在于，通過控制每個陣列單元饋電的幅度和相位，可以使得天線的水平面方向圖在緊靠法向兩邊的一定角度范圍內的部分呈現(xiàn)筆狀，具有較高的增益，使其能夠滿足遠距探測所需的增益要求，而水平方向圖在遠距探測角度范圍之外和中距探測角度范圍之內的部分具有水平臺階的形狀或呈現(xiàn)緩慢下降的坡狀。9.根據(jù)權利要求8所述的設計方法，其特征在于，具體包括以下步驟: 步驟一:天線陣元結構根據(jù)垂直面的方向圖波束要求選擇來選擇確定，根據(jù)駐波性能要求調整天線陣元的相關結構參數(shù)； 步驟二:根據(jù)雷達遠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，確定陣元數(shù)目； 步驟三:根據(jù)天線的水平面方向圖滿足遠距和中距探測的要求，確定水平方向布陣時每兩個天線陣元間的距離及每個天線陣元的激勵的幅度和相位;具體操作如下:將調節(jié)好的天線陣元沿著水平方向進行排列組陣;整個天線陣列的饋電保持沿中心線對稱分布，保持中間幾路的陣元等幅同相饋電，使其能夠在法向上壓縮波束，使整個天線水平面波束在法向左右一定角度內保持筆狀;調節(jié)兩側的各路陣元的饋電的幅度和相位，相位與中間幾路相比存在一定的差值，并且兩側各路的相位超前于中間各路，且越靠近邊側的陣元饋電相位越超前，幅度與中間幾路相比不變或略有下降;借助于商用電磁仿真軟件，建立相關模型按照上述步驟調節(jié)后，進行相關仿真，使得天線水平面方向圖在需要的探測范圍內不存在零點，水平方向圖在遠距探測角度范圍之外和中距探測角度范圍之內的部分具有水平臺階的形狀或呈現(xiàn)緩慢下降的坡狀，如果不滿足則重復本步驟中的調節(jié)過程； 步驟四:設計陣列天線饋電網(wǎng)絡，使得饋電網(wǎng)絡的每個通道間的距離，以及每個通道的輸出滿足步驟三中確定的陣元距離、已經(jīng)陣元激勵幅度和相位的要求以及駐波性能； 步驟五:將步驟一設計的天線陣元結構和步驟四設計的天線饋電網(wǎng)絡組合到一起去，組成一個天線整體。
【文檔編號】H01Q23/00GK105914480SQ201610415505
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】洪偉, 徐俊, 張慧
【申請人】東南大學, 南京隼眼電子科技有限公司