CN102820526B - 一种雷达天线以及雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种雷达天线，该雷达天线包括：馈源、桶状超材料以及底座，所述桶状超材料一端固定于所述底座上，所述馈源为至少一个线源，且位于所述桶状超材料中。本发明所述雷达天线采用桶状超材料来调制电磁波束以及采用线源作为馈源，使得雷达天线具有较窄的波瓣宽度，方向性很强，从而使得雷达天线的能够辐射较大的观测距离，提高了雷达的侧向精度以及分辨力，同时，采用了天线罩和天线一体化设计，使得天线结构更加简单，加工更容易，节约了成本，也使得天线更小型化。本发明还提供了一种雷达天线系统。

Description

一种雷达天线以及雷达系统

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及一种雷达天线以及雷达系统。

背景技术

雷达反射面天线的作用是把发射(接收)的能量及其伴随的波形辐射到(耦合自)自由空间。发射模式下，天线把来自发射机的导波辐射到自由空间，并把一般能量聚集在一定的角域或波束宽度内。接收状态下，反射面天线的工作则恰好相反，它从一定角域内接收雷达目标反射回来的能量(即回波)。这些回波然后转换成导波并在雷达接收机内加以放大和随后进行处理。

通常情况下，雷达反射面天线必须设计成能使波束扫描整个视场，扫描方式通常是采用机械扫描方式。因此反射面天线有以下几个重要功能：

(1)把来自发射机的导波转换成辐射波(接收时则相反)；

(2)将辐射能量集中或者束缚在具有特定增益和波瓣宽度的定向波束中；

(3)收集雷达目标散射的反射能量；

(4)通过机械扫描方式实现波束扫描。

机械扫描方式通常是利用整个天线系统或者其中某一部分的机械运动来实现波束扫描的。如环视雷达、跟踪雷达，通常采用整个天线系统转动的方法。一般采用馈源不动，反射体相对于馈源往复运动实现波束扇扫，或者反射体不动，馈源左右摆动实现波束扇扫。

机械性扫描方式的优点是简单。但是其主要缺点就是机械运动惯性大，扫描速度不高，近年来快速目标、洲际导弹、人造卫星等的出现，要求雷达采用高增益极窄波束，因此天线口径面往往做的非常庞大，再加上要去扫描的速率很高，用机械扫描方式实现波束扫描无法得到满足。

除此之外，大型曲面反射面雷达天线整体转动进行方位面扫描时，通常还需要在外部再加上一个大壳作为天线罩，用以保护雷达天线系统。由于天线庞大，且天线罩与雷达天线并没有一体化，所以需要制造出电气性能非常好的大型天线罩，需要消耗更多的成本，也给运输造成很大的麻烦，其采用天线罩会对雷达天线的增益、波瓣宽度、方向性等造成影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种天线罩和雷达天线一体化的雷达天线，这种雷达天线具有增益高、波束窄等优点，能够满足对快速运动目标扫描的需求。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

构造一种雷达天线，所述雷达天线包括：馈源，用于将高频交流电转换为电磁波，还用于将空间传播的电磁波转换成高频交流电；桶状超材料，用于调制所述馈源产生的或者从空间接收的电磁波波束；以及底座，所述桶状超材料一端固定于所述底座上，所述馈源包括至少一个长条形微带阵线源，且位于所述桶状超材料中，所述微带阵线源通过伺服电机控制进行波束扫描。

进一步地，所述雷达天线还包括一顶棚，所述顶棚与所述桶状超材料的另一端固定连接。

进一步地，所述桶状超材料由多个相同的曲面状超材料互相连接组成。

进一步地，所述曲面状超材料包括超材料核心层以及位于所述超材料核心层两侧的玻璃钢。

进一步地，所述超材料核心层包括介质基板以及在所述介质基板表面上的人造微结构。

进一步地，以所述超材料核心层的高度方向作为Y轴，其中，所述超材料核心层高度的一半处为y＝0，则所述人造微结构的几何尺寸的排布规律为：所述超材料核心层内的人造微结构的几何尺寸以y＝0对称分布，且坐标值相同处具有相同的人造微结构尺寸。

进一步地，在Y轴坐标为正的超材料核心层部分，以所述人造微结构的几何尺寸可分为一段或者多段区域，在每段区域内，随着坐标值的增大人造微结构的几何尺寸逐渐减小，相连两段区域，处于坐标值小的区域内的人造微结构的最小几何尺寸小于坐标值大的区域内的人造微结构的最大几何尺寸。

进一步地，所述人造微结构为由铜线或银线构成的金属微结构，所述金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法分别附着在所述介质基板上。

进一步地，所述金属微结构呈平面雪花状，所述金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线与第二金属线的长度相同，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。

进一步地，所述平面雪花状的金属微结构的每个第一金属分支及每个第二金属分支的两端还连接有完全相同的第三金属分支，相应的第三金属分支的中点分别与第一金属分支及第二金属分支的端点相连。

进一步地，所述平面雪花状的金属微结构的第一金属线与第二金属线均设置有两个弯折部，所述平面雪花状的金属微结构绕垂直于第一金属线与第二金属线交点的轴线向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。

进一步地，所述馈源包括多个微带阵线源，所述多个微带阵线源相互平行排列且相同。

进一步地，所述每一微带阵线源包括多个贴片、与所述多个贴片相连接的同轴线、电介质基片以及接地板，所述多个贴片位于所述电介质基片的一表面，所述接地板位于所述电介质基片的另一表面。

进一步地，所述多个贴片为相同金属贴片，且呈直线状等间距地排列在所述电介质基片上。

进一步地，所述底座为桁架结构。

实施本发明所述的新型雷达天线具有以下有益效果：

(1)本发明所述雷达天线通过采用桶状超材料来调制电磁波束以及采用一条或者多条线源作为雷达天线的馈源，使得雷达天线具有较窄的波瓣宽度，方向性很强，从而使得雷达天线的能够辐射较大的观测距离，提高了雷达的侧向精度以及分辨力。

(2)本发明所述雷达天线采用伺服电机和线源相结合对雷达天线的波束进行扫描，使得雷达天线能够满足对快速运动物体的扫描需求。

(3)本发明所述雷达采用天线罩和天线一体化设计，使得天线结构更加简单，加工更容易，节约了成本，也使得天线更小型化，也避免了天线罩对雷达天线的增益、波瓣宽度、方向性等造成影响。

(4)本发明通过设计桶状超材料内部的人造微结构的几何尺寸的排布规律，以压窄雷达垂直面波束，使得雷达天线具有较高的增益。

另外，本发明还提供了一种雷达系统，该雷达系统包括：天线、发射机、接收机、信号处理机以及终端设备，在信号发射时，所述天线与所述发射机接通；在接收信号时，所述天线与所述接收机接通，信号经过所述接收机高频放大、混频、中频放大、检波、视频放大等处理后进入所述信号处理机，经过信号处理机消除杂波、回波等处理后进入终端设备，所述天线为上面所述的雷达天线。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，附图中：

图1为本发明所述雷达天线的结构示意图；

图2为本发明所述雷达天线的剖面图；

图3为本发明所述线源的结构示意图；

图4为本发明所述线源的结构示意图；

图5是本发明所述曲面状超材料的结构示意图；

图6是本发明的核心层其中一个超材料单元的示意图；

图7是本发明的平面雪花状的金属微结构的示意图；

图8是图7所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构；

图9是图7所示的平面雪花状的金属微结构的一种变形结构；

图10是平面雪花状的金属微结构的拓扑形状的演变的第一阶段；

图11是平面雪花状的金属微结构的拓扑形状的演变的第二阶段；

图12为本发明另一实施例的结构示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，根据本发明一种雷达天线，所述雷达天线包括：馈源、桶状超材料20、底座30、顶棚40以及伺服电机51，其中，伺服电机51通过其上一根电机旋转轴52将馈源固定在一起，本实施例中，伺服电机51位于桶状超材料20的轴线上；顶棚40与桶状超材料20的上端连接在一起，二者可以采用螺丝的方式连接在一起，也可以采用胶，粘结在一起，而桶状超材料20的下端与底座30固定连接在一起，它们也可以采用上述连接方式，但是不局限于此；本实施例中，底座30优选为桁架结构，采用这样的结构不仅能够有效地增加底座的强度，还能减轻底座的重量，方便运送和安装。本实施例中，桶状超材料20的直径为0.6m，高度为0.3m；顶棚40的尺寸为底面直径0.6m，高度为0.15m。本发明采用了天线罩和天线一体化(桶状超材料20和顶棚40可以充当天线罩，还有保护天线的功能)设计，使得天线结构更加简单，加工更容易，节约了成本，也使得天线更小型化，同时也避免了增加天线罩对雷达天线的增益、波瓣宽度、方向性等造成影响。

本发明中，馈源为至少一个长条形微带阵线源10，本实例中，馈源采用一个长条形微带阵线源10，该微带阵线源10的中心与上述电机旋转轴52固定在一起。本发明雷达天线采用伺服电机和微带阵线源10相结合对雷达天线的波束进行扫描，使得雷达天线能够满足对快速运动物体的扫描需求。

如图3和图4所示，本发明采用的微带阵线源10包括：多个贴片102、与多个贴片相连接的同轴线(图中没有画出)、电介质基片101以及接地板103，本实施例中，在电介质基片101上表面分布着多个相同且等间距的贴片102，且贴片102是金属贴片，一般优选铜。电介质基片101的下表面附着有接地板103。其中，电介质基片101可以采用的材料为PS、聚四氟乙烯等。

本发明中，金属贴片的形状和间距由电磁波的频率有关，可以根据实际需要对金属贴片的形状，尺寸以及相互间的距离进行设计，如图3和图4所示，长条形微带阵线源10的上表面分布着10个相同的铜片，且呈直线排列。

本发明所述桶状超材料20由多个曲面状超材料通过拼接或者链接的方式组成，如图5所示，曲面状超材料包括超材料核心层202以及位于所述超材料核心层202两侧的玻璃钢201。采用玻璃钢夹心超材料核心层202能使桶状超材料20具有较强的硬度。本实施例中，桶状超材料20由8片相同的曲面状超材料组成，每片曲面状超材料半径为0.3m，高度为0.6m，厚度为0.008m，其中玻璃钢201的厚度为0.003m，超材料核心层202的厚度为0.002m。

上述超材料核心层202包括介质基板以及在所述介质基板表面上的人造微结构。本发明中通过调节人造微结构的几何尺寸的排布规律以达到对雷达波束进行调制，且调制到实际所需要的结果，以所述超材料核心层的高度方向作为Y轴，其中，所述超材料核心层高度的一半处为y＝0，则所述人造微结构的几何尺寸的排布规律为：所述超材料核心层内的人造微结构的几何尺寸以y＝0对称分布，且坐标值相同处具有相同的人造微结构尺寸。

其中，在Y轴坐标为正的超材料核心层部分，以所述人造微结构的几何尺寸可分为一段或者多段区域，在每段区域内，随着坐标值的增大人造微结构的几何尺寸逐渐减小，相连两段区域，处于坐标值小的区域内的人造微结构的最小几何尺寸小于坐标值大的区域内的人造微结构的最大几何尺寸。在Y轴坐标为负的超材料核心层部分，同样以所述人造微结构的几何尺寸可分为一段或者多段区域，在每段区域内，随着坐标值的减小人造微结构的几何尺寸逐渐减小，相连两段区域，处于坐标值大的区域内的人造微结构的最小几何尺寸小于坐标值小的区域内的人造微结构的最大几何尺寸。

本发明中，所述人造微结构为由铜线或银线构成的金属微结构，所述金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法分别附着在所述介质基板上。优选地，所述人造微结构为图7所示的平面雪花状的金属微结构通过拓扑形状演变得到的多个不同的拓扑形状的金属微结构。

本发明中，超材料核心层202可以通过如下方法得到，即在介质基板的表面上覆铜，再通过蚀刻的方法得到多个金属微结构(多个金属微结构的形状与其在基板上的排布事先通过计算机仿真获得)。

本发明中，所述介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等制得。高分子材料可选用的有F4B复合材料、FR-4复合材料、PS(聚苯乙烯)等。

图7所示为平面雪花状的金属微结构的示意图，所述的雪花状的金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线J1及第二金属线J2，所述第一金属线J1与第二金属线J2的长度相同，所述第一金属线J1两端连接有相同长度的两个第一金属分支F1，所述第一金属线J1两端连接在两个第一金属分支F1的中点上，所述第二金属线J2两端连接有相同长度的两个第二金属分支F2，所述第二金属线J2两端连接在两个第二金属分支F2的中点上，所述第一金属分支F1与第二金属分支F2的长度相等。

图8是图7所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构。其在每个第一金属分支F1及每个第二金属分支F2的两端均连接有完全相同的第三金属分支F3，并且相应的第三金属分支F3的中点分别与第一金属分支F1及第二金属分支F2的端点相连。依此类推，本发明还可以衍生出其它形式的金属微结构。

图9是图7所示的平面雪花状的金属微结构的一种变形结构，此种结构的金属微结构，第一金属线J1与第二金属线J2不是直线，而是弯折线，第一金属线J1与第二金属线J2均设置有两个弯折部WZ，但是第一金属线J1与第二金属线J2仍然是垂直平分，通过设置弯折部的朝向与弯折部在第一金属线与第二金属线上的相对位置，使得金属微结构绕垂直于第一金属线与第二金属线交点的轴线向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。另外，还可以有其它变形，例如，第一金属线J1与第二金属线J2均设置多个弯折部WZ。

本发明中，所述超材料核心层202可以划分为阵列排布的多个如图6所示的超材料单元D，每个超材料单元D包括基板单元U及附着在基板单元U上的人造微结构6，通常超材料单元D的长宽高均不大于五分之一波长，优选为十分之一波长，因此，根据天线的工作频率可以确定超材料单元D的尺寸。如图6所示，所述人造微结构附着在基板单元U的SR表面。

本发明中，超材料核心层202的结构设计可通过计算机仿真(CST仿真)得到，具体如下：

(1)确定金属微结构的附着介质基板。例如介电常数为2.7的介质基板，介质基板的材料可以是FR-4、F4b或PS。

(2)确定超材料单元的尺寸。超材料单元的尺寸的尺寸由天线的中心频率得到，利用频率得到其波长，再取小于波长的五分之一的一个数值做为超材料单元D的长度CD与宽度KD。例如，对应于11.95G的中心频率，所述超材料单元D可以为如图6所示的长CD与宽KD均为2.8mm、厚度HD为1.036mm的方形小板。

(3)确定金属微结构的材料及拓扑结构。本发明中，金属微结构的材料为铜，金属微结构的拓扑结构为图7所示的平面雪花状的金属微结构，其线宽W各处一致；此处的拓扑结构，是指拓扑形状演变的基本形状。

(4)确定金属微结构的拓扑形状参数。如图7所示，本发明中，平面雪花状的金属微结构的拓扑形状参数包括金属微结构的线宽W，第一金属线J1的长度a，第一金属分支F1的长度b。

(5)确定金属微结构的拓扑形状的演变限制条件。本发明中，金属微结构的拓扑形状的演变限制条件有，金属微结构之间的最小间距WL(即如图7所示，金属微结构与超材料单元的长边或宽边的距离为WL/2)，金属微结构的线宽W，超材料单元的尺寸；由于加工工艺限制，WL大于等于0.1mm，同样，线宽W也是要大于等于0.1mm。第一次仿真时，WL可以取0.1mm，W可以取0.3mm，超材料单元的尺寸为长与宽为2.8mm，厚度为1.018mm，此时金属微结构的拓扑形状参数只有a和b两个变量。金属微结构的拓扑形状通过如图10至图11所示的演变方式，对应于某一特定频率(例如11.95GHZ)，可以得到一个连续的折射率变化范围。

具体地，所述金属微结构的拓扑形状的演变包括两个阶段(拓扑形状演变的基本形状为图6所示的金属微结构)：

第一阶段：根据演变限制条件，在b值保持不变的情况下，将a值从最小值变化到最大值，此演变过程中的金属微结构均为“十”字形(a取最小值时除外)。本实施例中，a的最小值即为0.3mm(线宽W)，a的最大值为(CD-WL)。因此，在第一阶段中，金属微结构的拓扑形状的演变如图10所示，即从边长为W的正方形JX1，逐渐演变成最大的“十”字形拓扑形状JD1。在第一阶段中，随着金属微结构的拓扑形状的演变，与其对应的超材料单元的折射率连续增大(对应天线一特定频率)。

第二阶段：根据演变限制条件，当a增加到最大值时，a保持不变；此时，将b从最小值连续增加到最大值，此演变过程中的金属微结构均为平面雪花状。本实施例中，b的最小值即为0.3mm，b的最大值为(CD-WL-2W)。因此，在第二阶段中，金属微结构的拓扑形状的演变如图11所示，即从最大的“十”字形拓扑形状JD1，逐渐演变成最大的平面雪花状的拓扑形状JD2，此处的最大的平面雪花状的拓扑形状JD2是指，第一金属分支J1与第二金属分支J2的长度b已经不能再伸长，否则第一金属分支与第二金属分支将发生相交。在第二阶段中，随着金属微结构的拓扑形状的演变，与其对应的超材料单元的折射率连续增大(对应天线一特定频率)。

通过上面演变得到设计所需的超材料单元后就得到了本发明的桶状超材料20。该桶状超材料20用来调制从馈源发出的电磁波波束，使得雷达天线具有较窄的波瓣宽度，方向性很强，从而使得雷达天线的能够辐射较大的观测距离，提高了雷达的侧向精度以及分辨力。

如图12所示，为本发明另一实施例一种雷达天线的结构示意图，该实施例的与前面实施例不同点在于采用了两个或者两个以上的长条形微带阵线源，这样就可以形成双波束或多波束。本实施例中，优选两个长条形微带阵线源10，且该两个长条形微带阵线源完全相同且相互平行，其中心均与上述的电机旋转轴52固定在一起，二者通过电机旋转轴52旋转实现对电磁波波束的扫描。其他的均与前面实施例相同，在此不再赘述。

另外，本发明还提供了一种雷达系统，该雷达系统包括：天线、发射机、接收机、信号处理机以及终端设备，在信号发射时，所述天线与所述发射机接通；在接收信号时，所述天线与所述接收机接通，信号经过所述接收机高频放大、混频、中频放大、检波、视频放大等处理后进入所述信号处理机，经过信号处理机消除杂波、回波等处理后进入终端设备，所述天线为上面所述的雷达天线。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (11)

1.一种雷达天线，其特征在于，所述雷达天线包括：馈源和桶状超材料，所述馈源包括至少一个长条形微带阵线源，所述微带阵线源包括：多个贴片、与所述多个贴片相连接的同轴线、电介质基片以及接地板，所述多个贴片位于所述电介质基片的一表面，所述接地板位于所述电介质基片的另一表面，所述多个贴片为相同金属贴片，且呈直线状等间距地排列在所述电介质基片上，所述桶状超材料由多个相同的曲面状超材料相互连接组成；

顶棚和底座，所述桶状超材料的一端固定于所述底座上，所述顶棚与所述桶状超材料的另一端固定连接；

伺服电机和电机旋转轴，所述伺服电机通过其上的所述电机旋转轴将所述馈源固定在一起，所述伺服电机位于所述桶状超材料的轴线上，所述微带阵线源的中心与所述电机旋转轴固定在一起。

2.根据权利要求1所述的一种雷达天线，其特征在于，所述曲面状超材料包括超材料核心层以及位于所述超材料核心层两侧的玻璃钢。

3.根据权利要求2所述的一种雷达天线，其特征在于，所述超材料核心层包括介质基板以及在所述介质基板表面上的人造微结构。

4.根据权利要求3所述的一种雷达天线，其特征在于，以所述超材料核心层的高度方向建立Y轴，其中，所述超材料核心层高度的一半处为y＝0，则所述人造微结构的几何尺寸的排布规律为：所述超材料核心层内的人造微结构的几何尺寸以y＝0对称分布，且坐标值相同处具有相同的人造微结构尺寸。

5.根据权利要求4所述的一种雷达天线，其特征在于，在Y轴坐标为正的超材料核心层部分，以所述人造微结构的几何尺寸可分为一段或者多段区域，在每段区域内，随着坐标值的增大人造微结构的几何尺寸逐渐减小，相连两段区域，处于坐标值小的区域内的人造微结构的最小几何尺寸小于坐标值大的区域内的人造微结构的最大几何尺寸。

6.根据权利要求3所述的一种雷达天线，其特征在于，所述人造微结构为由铜线或银线构成的金属微结构，所述金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法分别附着在所述介质基板上。

7.根据权利要求6所述的一种雷达天线，其特征在于，所述金属微结构呈平面雪花状，所述金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线与第二金属线的长度相同，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。

8.根据权利要求7所述的一种雷达天线，其特征在于，所述平面雪花状的金属微结构的每个第一金属分支及每个第二金属分支的两端还连接有完全相同的第三金属分支，相应的第三金属分支的中点分别与第一金属分支及第二金属分支的端点相连。

9.根据权利要求7所述的一种雷达天线，其特征在于，所述平面雪花状的金属微结构的第一金属线与第二金属线均设置有两个弯折部，所述平面雪花状的金属微结构绕垂直于第一金属线与第二金属线交点的轴线向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。

10.根据权利要求1所述的一种雷达天线，其特征在于，所述馈源包括多个微带阵线源，所述多个微带阵线源相互平行排列且相同。

11.一种雷达系统，所述雷达系统包括：天线、发射机、接收机、信号处理机以及终端设备，在信号发射时，所述天线与所述发射机接通；在接收信号时，所述天线与所述接收机接通，信号经过所述接收机高频放大、混频、中频放大、检波、视频放大处理后进入所述信号处理机，经过信号处理机消除杂波、回波处理后进入终端设备，其特征在于，所述天线为权利要求1至10任意一项所述的雷达天线。