CN102593589B - 一种单脉冲宽角电扫描反射阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种单脉冲宽角电扫描反射阵天线，包括可重构反射阵面(1)、极化栅(2)、偏置电压电路(3)、波控机(4)、控制处理器(5)和馈源子系统(6)；极化栅(2)与可重构反射阵面(1)的口径等尺寸，位于可重构反射阵面(1)上方；馈源(61)的辐射口面与可重构反射阵面(1)平齐并位于反射阵面中心。本发明的天线采用空间馈电方式即馈源照射极化栅反射后对阵面进行馈电，将极化栅结构应用于可重构反射阵天线中，馈源、极化栅与反射阵面组成了双反射结构，使天线结构性能优异，便于天线馈源安装以及天线端口与雷达系统连接的天线结构，并使天线具有低剖面的紧凑结构特点。

Description

一种单脉冲宽角电扫描反射阵天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种低剖面的单脉冲宽角电扫描反射阵天线。

背景技术

随着天线、雷达技术应用的不断发展，相关空间科学与应用不断广泛和深入，对无线系统所能完成的功能要求越来越多，这就要求系统中的天线具有能够实现多种功能的能力或能够根据不同应用实现对应的性能指标，仅仅通过增加天线数量来增加天线功能或性能已经无法满足越来越复杂的空间任务要求，而发展天线可重构技术是应对该难题的一种办法。

为了满足复杂多样的雷达工作模式要求，需要天线具有和波束、多种差波束、以及特定波束等波束的形成能力，要求天线功能强大，应用模式灵活。雷达系统空间应用要求天线具有较宽的波束扫描范围，并且具有在空域内的波束快速搜索能力，以及赋予雷达具有单脉冲测角功能，常规的相控阵天线因复杂的馈电网络结构以及大量的移相器使天线重量难以满足要求。

电波束扫描反射阵天线作为一种可重构天线，结构简单，功耗低，增益高，已经被证明适合于许多空间应用。这种基于反射阵的阵列天线依靠反射馈源来波形成波束，并通过控制介质板开关矩阵的直流偏置电压改变每个单元反射相位，使辐射口面满足特定波束指向得口径辐射场来实现波束扫描。基于上述优点，这种天线作为一种新型的星载高增益波束电扫描天线，具有很强的技术优势和应用前景。

在空间天线设计中，通过对一幅天线进行可重构设计以实现原本需要多个天线才能完成的功能，是缓解天线布设空间紧张的一个途径，也是增加新的功能应用、天线智能化实现飞行器高载荷集成度的迫切需要。在复杂空间飞行器应用中，降低天线数目对空间任务执行意义重大，天线数目的降低可以减小飞行器的重量和降低对天线布局空间的要求，这有利于节约飞行器燃料、提高飞行能力或降低飞行器发射难度。

目前，在进行复杂天基雷达应用中的空间非合作目标远距离跟踪与形态识别时，需要设计新型天基雷达天线。要使天线既具有高增益性能以保证所要求的雷达作用距离以及对应口径所对应的分辨率，还要使天线能够在较宽角度范围内进行波束扫描以使雷达系统在指定空域内进行目标搜索与探测，要进行目标跟踪捕获必需的测距、测速以及测角信号获取，需要天线具有单脉冲性能。这样，满足该雷达系统要求的天线就需要一种单脉冲宽角波束电扫描的天线，能够根据系统要求实现天线性能调整，具有多种工作模式。

现有的反射阵天线难以满足应用需求，无法实现在低剖面结构下实现的高增益波束扫描与单脉冲性能的结合。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种结构简单、低剖面、高增益的单脉冲宽角电扫描反射阵天线。

本发明的技术解决方案是：一种单脉冲宽角电扫描反射阵天线，包括可重构反射阵面、极化栅、偏置电压电路、波控机、控制处理器和馈源子系统；所述馈源子系统包括馈源、和/差波束形成网络和收发开关；所述极化栅与可重构反射阵面的口径等尺寸，位于可重构反射阵面上方；馈源的辐射口面与可重构反射阵面平齐并位于反射阵面中心，馈源、极化栅与可重构反射阵面组成了双反射结构；所述偏置电压电路、波控机和控制处理器放置在可重构反射阵面下方，以便于对反射阵面的控制以及相关线路的布设；所述偏置电压电路为可重构反射阵面提供偏置电压；所述控制处理器为波控机提供控制指令；波控机通过偏置电压电路对可重构反射阵面内每个单元的辐射相位进行控制。

所述可重构反射阵面由基于极化旋转方式的单比特移相反射阵单元组成；单比特移相反射阵单元通过左向旋转90°或右向旋转90°使反射波极化方向与入射波正交，两种旋转状态对应的反射波具有相同的极化特性而等幅反相。

所述馈源由4个方口喇叭堆积而成；所述和/差波束形成网络为4个具有宽带特性的魔T结构网络级联而成，其中魔T结构包括膜片、探针结构以及能提高带宽和端口匹配性能的脊波导结构；馈源与和/差波束形成网络结合，可以输出对应的和信号∑、或差信号Δ、或形成和/差波束。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的单脉冲宽角电扫描反射阵天线采用空间馈电方式即馈源照射极化栅反射后对阵面进行馈电，将极化栅结构应用于可重构反射阵天线中，馈源、极化栅与反射阵面组成了双反射结构。极化栅的应用使天线结构性能优异，便于天线馈源安装以及天线端口与雷达系统连接的天线结构，并使天线具有低剖面的紧凑结构特点。而且极化栅的应用使极化旋转反射阵单元用于单比特移相实现波束扫描的设计中可以采用双反射形式，简化了馈源设计。同时，可重构反射阵采用基于极化栅的双反射结构，而不是常见的单偏置结构，更与传统的波束合成网络相比，该馈电方式具有实现方式简单、馈电热耗小、易于对大型口径进行功率分配以实现高天线增益。

(2)本发明中的可重构反射阵单元为一种基于极化旋转方式的单比特移相反射阵单元，通过左向旋转90°或右向旋转90°使反射波极化方向与入射波正交，两种旋转状态对应的反射波具有相同的极化特性，而等幅反相，即两种旋转状态对应两种相差180°的相位状态，这就是所谓的单比特移相对应的两种状态。这种通过极化旋转方式实现单比特移相的反射阵单元与极化栅进行结合具有很大优势，既有利于实现低剖面的双反射结构也不会产生结构遮挡问题，同时提高了辐射波束的极化纯度。

(3)在本发明的双反射结构反射阵中应用了基于4喇叭的单脉冲馈源技术——通过宽带和/差波束形成网络，将雷达回波中的和/差信号进行提取，而对和信号端口进行雷达信号激励则可以实现雷达对目标的探测。以上技术的应用使该天线成为一种满足多功能应用要求的新型单脉冲宽角电扫描反射阵天线，使该天线不仅具有宽角度范围的波束扫描能力，还能够形成和/差波束，具有良好的天线应用特性。

(4)本发明的波控系统采用波控主机和子阵波控模块相结合的方式，波控主机统一控制阵面各子阵，协调整个系统工作，子阵波控模块根据波控主机提供的波束指向要求，雷达工作模式和工作频率等信息，快速完成波束稳定和子阵天线单元移相值的计算，最后通过单元控制机配合子阵计算机完成布相与单元偏置指今驱动，以实现对反射阵面反射相位矩阵状态的控制。

(5)本发明的天线基于单脉冲馈源设计特点，原理简单，可以实现更宽的工作频段，同时该天线不仅可以使用该单脉冲馈源在不同的和/差波束形成网络同时输出和信号与差信号，也可以通过阵列综合使天线阵面移相分布不同而在不同时刻分别获得和/差波束，在一个天线端口按照时序输出和/差信号。

(6)本发明的单脉冲宽角电扫描反射阵天线基于自身方案特点，具有原理简单、成本低、结构紧凑、应用方便等特点，具有很强的竞争力；该天线的方案设计思路不仅可以用于作为可重构天线的设计，也可以用于其它天线的多功能、智能化设计。

附图说明

图1为本发明天线的结构原理图；

图2为可重构反射阵单元射频原理结构图；

图3为可重构反射阵单元多层结构组成图；

图4为反射阵单元端口转换参数的幅度曲线；

图5为反射阵单元端口转换参数的传输系数相位曲线；

图6为馈源子系统的拓扑图；

图7为和/差波束形成网络结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的一种单脉冲宽角电扫描反射阵天线，包括可重构反射阵面1、极化栅2、偏置电压电路3、波控机4、控制处理器5和馈源子系统6；所述馈源子系统6包括馈源61、和/差波束形成网络62和收发开关63；所述极化栅2与可重构反射阵面1的口径等尺寸，位于可重构反射阵面1上方。馈源61的辐射口面与可重构反射阵面1平齐并位于反射阵面中心。馈源61、极化栅2与可重构反射阵面1组成了双反射结构；所述偏置电压电路3、波控机4和控制处理器5放置在可重构反射阵面1下方，以便于对反射阵面的控制以及相关线路的布设。

所述偏置电压电路3为可重构反射阵面1提供偏置电压；所述控制处理器5为波控机4提供控制指令；波控机4通过偏置电压电路3对可重构反射阵面1内每个单元的辐射相位进行控制。电源7为偏置电压电路3、波控机4和控制处理器5提供电源。

常见的可重构反射阵天线一般选择单偏置馈电方式，而本发明中，与反射阵面(可以圆形口径也可以是方形口径)等口径尺寸的极化栅2的应用，使天线具有了紧凑型的双反射结构，降低了馈源子系统6的架设高度。同时极化栅2具有极化选择特性，对于进行波束扫描时极化匹配的透射波不产生遮挡问题，而其对极化正交的反射波则形成双反射路径——沿馈源6、极化栅2至可重构反射阵面1进行传输，实现对可重构反射阵面1的口面激励。极化栅2为一种介质覆铜板结构，极化栅2的介质板的一侧覆盖有金属条带，等宽的金属条带间等缝隙间距排列，电磁波电场方向垂直于缝隙线则能够穿过极化栅2，而平行于缝隙线则将被极化栅2反射。极化栅2能实现对特定线极化方向的电磁波的反射而能够使与之极化方向正交的电磁波通过。

本天线设计采用了对基于可重构技术的大口径波束电扫描反射阵天线方案进行设计与单脉冲性能实现。在本发明的单脉冲宽角电扫描反射阵天线为基于极化栅2的双反射结构，馈源6以一种线极化波照射极化栅，并被反射对可重构反射阵面1进行激励，可重构反射阵面中单元实现0°或180°反射相位调制，使反射阵面反射波极化与来自极化栅电磁波的极化正交，透过极化栅进行辐射。极化栅2能够反射来自馈源的入射波，并能够透过来自反射阵面的经过极化旋转后与馈源辐射波极化正交的电磁波，而可重构反射阵面1用于对来自极化栅的入射进行反射，极化方向旋转，并形成对应波束所要求的辐射口径场。该结构使得使用口径较小的低增益馈源就可以实现对阵面的高效激励。

本发明中，可重构反射阵面1由多个单比特移相反射阵(ReflectarrayAntenna Using Single Bit Digital Phase Shifters)单元11组成。如图2、3所示，单元11选择一种微带贴片与缝隙线空腔耦合的一种射频结构，为封装在方波导内的一种多层结构，聚四氟乙烯覆铜板分别提供了辐射贴片111与可重构缝隙控制电路113，方形空心玻璃钢112与圆形空心玻璃钢114结构实现宽带性能以及对多层结构的支撑。辐射贴片111的金属辐射体为圆形贴片，位于聚四氟乙烯介质的下方，即金属圆片的一侧为真空，另一侧为介质层，聚四氟乙烯介质为金属贴片提供了部分防护作用。辐射贴片111的下方为方形波导115，而方形波导115内腔叠层放置有一端短路的方形空心玻璃钢112、可重构缝隙控制电路113与圆形空心玻璃钢114，方形空心玻璃钢112提供了辐射贴片111与可重构缝隙控制电路113之间较好的耦合，使得通过对缝隙电路的逻辑切换实现对辐射能量的控制，圆形空心玻璃钢114则为偏置电压电路3提供了实施空间。可重构缝隙控制电路113为一种在单面聚四氟乙烯覆铜板进行刻蚀而成的电路，缝隙线将覆铜面分成了四部分，即边缘剩余、两个1/4圆片以及带有缺口的1/2圆片。带有RF PIN管的缝隙线介质覆铜板层形成了逻辑控制电路113，使该单元具有性能可重构能力，单元底部提供了与控制信号的连接与接口。

该单元11具有对电磁波极化旋转的能力，能够使反射波的极化与入射波极化正交，同时该单元具有宽带特性，可以覆盖所要求的Ku工作频段。该单元可以实现该单元在工作频段内性能有效，具有很好的空间匹配能力与较高的转化效率。单元11的射频状态切换是通过对耦合缝隙电路的控制获得的，通过控制不同PIN管的通断，使缝隙电路具有不同的射频结构，进而实现了对反射波相对于入射波不同方向的极化旋转。该缝隙线将金属覆铜板分为4部分，中心部分为3个岛，两个1/4圆结构接地，而将1/2圆结构与PIN管控制驱动接口连接，施加高电平则将使右侧PIN管接通实现180°反射相位量，而施加低电平则将使左侧PIN管接通实现0°反射相位量。

单元11的性能计算结果见图4、5，其中图4为反射阵单元端口转换参数的幅度曲线，图5为反射阵单元端口转换参数的传输系数相位曲线，表明该单元的反射相位具有良好的频率线性度。

在本发明的天线中，使用了单比特移相波束扫描方式，这样对于线极化天线，有利于宽带移相方式的实现，只要使天线极化方向反向就可以实现频率无关的180°移相，而该单元结构为一种能够实现反射波极化与入射波极化正交的一种射频结构，其中耦合缝隙电路的变化将使入射波极化向两个相反方向进行旋转，而两个极化相反方向的反射场状态将使反射波相位参考入射波相位具有两个频率无关的状态：“0°”与“180°”。对于该结构，实现单比特移相性能就只有实现阻抗匹配问题了，即实现自由空间与天线(贴片——缝隙耦合线结构)的匹配，使入射波能够被该结构捕获进入缝隙线，进行极化处理后在辐射向自由空间中。

使用该射频结构并增加逻辑控制器件就可以作为可重构反射阵单元，将可以实现单比特移相波束扫描反射阵：使用馈源喇叭对由该结构作为单元组成的反射阵进行照射，根据波束指向要求得到移相矩阵(反射相位移相分布)，使反射阵口径内移相量按照一定的分布，这样入射波经过该具有离散化特点的反射移相后形成满足所要求波束指向的辐射口径分布，一种波束指向对应一个移相矩阵，不同的移相矩阵就可以实现不同的波束指向。这样，馈源以一种极化波照射反射阵面，经反射阵面离散化反射相位补偿后形成所要求的波束指向并以与入射波极化正交的反射波辐射出去。

本发明的馈源子系统6包括馈源61、和/差波束形成网络62和收发开关63。其中，天线的和差波束应用4喇叭单脉冲馈源技术来实现，如图6为馈源子系统6拓扑图，图7为和/差波束形成网络62的结构图。馈源61结构为4个方口喇叭堆积而成，通过结合和/差波束形成网络62，可以输出对应的和信号∑或差信号Δ(包括方位差信号和俯仰差信号)，或形成和/差波束，用于雷达系统测角等功能的实现。该馈源子系统6可以覆盖所要求的Ku频段宽带工作带宽，而和/差波束形成网络62为4个具有宽带特性的新型魔T结构网络级联而成，魔T结构中不仅具有常见魔T结构的膜片与探针结构，还增加了脊波导结构以提高带宽和端口匹配性能。4个魔T组合结构的4个侧臂端口分别与4个方口喇叭通过等长度传输波导连接，而由2个E臂(也称为差臂)、2个H臂(也称为和臂)对应端口组成了该网络的端口∑、端口Δθ、端口与端口Δdi。

该天线中，移相阵列的控制信号来自于波控机4，只有当波控机4的输出信号通过控制移相器使射频信号相位值受控时，可重构反射阵阵面产生的波束才能实现在规定空域内的扫描。

在宽角电扫描反射阵天线系统设计中，波控机用于对反射阵面板内每个单元的辐射相位进行控制，根据所要求的波束指向计算出对应的辐射相位与反射相位调制矩阵，以及需要进行控制了相位控制逻辑码，驱动与之连接的偏置电压电路，得到对反射阵面反射相位矩阵状态的控制。

本发明的波控机4由波控主机、子阵计算机和单元控制机组成。波控机4用于对反射阵面板内每个单元的辐射相位进行控制，根据所要求的波束指向计算出对应的辐射相位与反射相位调制矩阵，以及需要进行控制了相位控制逻辑码，驱动与之连接的偏置电压电路，得到对反射阵面反射相位矩阵状态的控制。单元控制机的主要任务是配合子阵计算机完成布相，子阵计算机完成单元移相值的计算后，单元控制机译出该单元对应的地址码，根据地址码将移相值送到对应的天线单元上锁存。完成全部阵面单元的布相后，波控系统收到雷达主控机的配相同步脉冲后，单元控制机发出配相指令，阵面天线执行配相，完成波束的指向。

本发明的天线结构有利于选择口径较小的方口喇叭，根据该天线单脉冲形成原理，可以认为天线的和/差波束是由4个独立的方口喇叭激励下的子波束进行组合而成，对不同方口喇叭激励下的子波束进行对应的和/差运算就可以得到天线的和/差波束。对单个方口喇叭激励下的子波束可以通过进行阵列综合方法进行分析计算。根据馈源方向图与馈源安装位置，可以计算出馈源照射极化栅反射后对反射阵阵面的激励场。忽略馈源安装位置处反射单元缺少的影响和馈源对辐射场的影响，将该入射场进行等间距离散化，按照阵列综合方式，对该电大口径的反射阵进行设计。

在反射阵天线的设计中，对其离散口面场使用了阵列综合技术进行和波束设计：

对于位于XY平面上的M×N个单元组成的矩形栅格平面阵。设mn号单元的激励电流为方向图函数为f_mn(θ，φ)，位置矢量为则在观察方向 $\hat{p}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})=\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\hat{i}+\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}\hat{j}+\cos \mathrm{\θ}\hat{k},$ 阵列的方向图函数为

要使阵列的波束最大值指向为(θ₀，φ₀)，则各个单元的馈电相位应为

反射阵辐射口径的相位分布是通过反射阵每个单元反射入射波的相位值得到的，为

其中为馈源喇叭照射反射阵的入射场相位，为反射阵单元调制入射波相位后，反射场与入射波相位的差，即反射阵单元调节相位值。

要实现特定的波束指向，根据式(3)得到了在减去得到的即可以得到反射阵元调节相位值是为整个反射阵的相位调节分布。

为了获得单比特反射移相，需要对相位调节分布进行离散化。在这里，以180°为量化值，就得到经过离散量化后的满足所要求波束指向的单比特相位调节分布谱，再根据该分布控制阵面内单元阵列的逻辑器件状态(高电平/低电平)，就可以实现所需要的天线性能，这样有：

单比特反射相位

经过分析，可以认为反射阵口径的辐射场幅度与馈源喇叭照射反射阵的幅度相等。这样，就可以得到反射阵口径的辐射场，进行计算就可以得到反射阵天线的辐射方向图。根据以上公式进行计算，就可以得到天线阵面移相矩阵和对应的阵列综合后辐射方向图。

本实施例中，天线的俯仰角：40°，方位角：30°，频率：13.55GHz。通过进行单比特反射相位移相就可以获得所要波束指向的辐射方向图。

当然，对本发明的各组成部件、位置关系及连接方式在不改变其功能的情况下，进行的等效变换或替代，也落入本发明的保护范围。

本发明说明书未公开的技术属本领域公知技术。

Claims (2)

1.一种单脉冲宽角电扫描反射阵天线，其特征在于：包括可重构反射阵面(1)、极化栅(2)、偏置电压电路(3)、波控机(4)、控制处理器(5)和馈源子系统(6)；所述馈源子系统(6)包括馈源(61)、和/差波束形成网络(62)和收发开关(63)；所述极化栅(2)与可重构反射阵面(1)的口径等尺寸，位于可重构反射阵面(1)上方；馈源(61)的辐射口面与可重构反射阵面(1)平齐并位于反射阵面中心，馈源(61)、极化栅(2)与可重构反射阵面(1)组成了双反射结构；所述偏置电压电路(3)、波控机(4)和控制处理器(5)放置在可重构反射阵面(1)下方，以便于对可重构反射阵面(1)的控制以及各部件间连接线路的布设；所述偏置电压电路(3)为可重构反射阵面(1)提供偏置电压；所述控制处理器(5)为波控机(4)提供控制指令；波控机(4)通过偏置电压电路(3)对可重构反射阵面(1)内每个单元的辐射相位进行控制；所述可重构反射阵面(1)由基于极化旋转方式的单比特移相反射阵单元(11)组成；单比特移相反射阵单元(11)通过左向旋转90°或右向旋转90°使反射波极化方向与入射波正交，两种旋转状态对应的反射波具有相同的极化特性而等幅反相。

2.根据权利要求1的单脉冲宽角电扫描反射阵天线，其特征在于：所述馈源(61)由4个方口喇叭堆积而成；所述和/差波束形成网络(61)为4个具有宽带特性的魔T结构网络级联而成，其中魔T结构包括膜片、探针结构以及能提高带宽和端口匹配性能的脊波导结构；馈源(61)与和/差波束形成网络(62)结合，可以输出对应的和信号∑、或差信号Δ、或形成和/差波束。