CN104617388A - 一种l波段双频馈源装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种L波段双频馈源装置，包括天线基板、天线罩、第一馈源、四个第二馈源、一个单刀四掷开关以及下壳体；天线罩盖合在下壳体上构成密闭空腔；第一馈源竖直安装在天线基板的中心处；四个第二馈源呈菱形分布在第一馈源的前、后、左、右位置处；天线基板、第一馈源以及四个第二馈源均位于密闭空腔内；单刀四掷开关的四个定端分别与四个第二馈源相连；下壳体外壁上设有与第一馈源相连的第一接口以及与单刀四掷开关的动端相连的第二接口。该馈源装置将两个频率相近功能不同的馈源集成在一起，解决了两个馈源共焦点问题和互藕问题，具有结构简单、成本低和体积小的优点，市场前景较好。

Description

一种L波段双频馈源装置

技术领域

本发明涉及一种气象探测雷达装置，尤其是一种L波段双频馈源的装置，属于高空气象自动观测领域。

背景技术

传统上的气象探测雷达包括两个频率：发射频率和接收频率，所以需要采用两付天线，体积庞大，伺服复杂。若能够将两个功能不同的馈源采用一付天线共同工作，则将大大有利于减小气象雷达的体积和成本，对高空气象探测自动化尤为重要和必要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的探测雷达需要单独设计两付天线装置，不仅增加了装置的复杂度和成本，而且缩小了装置体积。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种L波段双频馈源装置，包括天线基板、天线罩、第一馈源、四个第二馈源、一个单刀四掷开关以及下壳体；天线罩盖合在下壳体上构成密闭空腔；第一馈源竖直安装在天线基板的中心处；四个第二馈源呈菱形分布在第一馈源的前、后、左、右位置处；天线基板、第一馈源以及四个第二馈源均位于密闭空腔内；单刀四掷开关的四个定端分别与四个第二馈源相连；下壳体外壁上设有与第一馈源相连的第一接口以及与单刀四掷开关的动端相连的第二接口。

采用将第一馈源和四个第二馈源两种不同功能的馈源的集成一个馈源装置上，且将四个第二馈源呈菱形分布在第一馈源的前、后、左、右位置处，使四个馈源同处于一个焦平面上，从而实现后、前、右、左的偏扫波束，有效解决了两种馈源的共焦点问题，不仅降低了装置复杂度和成本，同时也缩小了装置的体积；采用单刀四掷开关选通四个第二馈源的其中一个工作，从而利用馈电来实现馈源的偏焦，使天线方向图主瓣最大值偏离天线口径平面的法线方向。

作为本发明的进一步改进方案，还包括四个分别控制四个第二馈源接地的接地控制电路。采用接地控制电路能够在一个第二馈源工作时使其余三个第二馈源接地，解决了同频馈源之间的互藕问题，有效防止了馈源辐射方向发生畸变。

作为本发明的进一步限定方案，接地控制电路包括隔直电容C1、旁路电容C2、旁路电容C3、旁路电容C4、限流电阻R以及控制二极管V；控制二极管V的正极经过隔直电容C1后与第二馈源相连，旁路电容C3和旁路电容C4并联后串接在控制二极管V的负极与地之间，旁路电容C2的两端串接在控制二极管V的正极与地之间，限流电阻R的两端分别与控制二极管V的正极以及参考电压端b相连，控制二极管V的负极还与控制电压端c相连。当控制电压端c小于参考电压端b的电压时，控制二极管V导通，连接的第二馈源接地；反之则不接地。

作为本发明的进一步限定方案，第二馈源为矩形微带贴片式馈源，矩形微带贴片式馈源贴合在天线基板上。采用矩形微带贴片式馈源能够进一步减小装置的体积，而且比较容易使得四个第二馈源位于同一焦面上。

作为本发明的进一步限定方案，第一馈源为对称开槽半波振子。

作为本发明的进一步限定方案，对称开槽半波振子的开槽长度为其所传播电磁波的四分之一波长。采用四分之一波长的开槽长度，能够有效起到扼流作用。

作为本发明的进一步限定方案，天线基板为三层电路板，第二馈源位于上层板上，单刀四掷开关位于下层板上，中间层为接地层。采用在天线基板的中间设置接地层，能够将该接地层作为反射圆盘为对称开槽半波振子提供反射作用，该设计不仅无需单独设计反射圆盘，节省了装置成本，而且不需要占用太大的体积，还对下层板上的电路起到隔离作用。

作为本发明的进一步限定方案，第一馈源的频率为1300MHz。采用1300MHz的频率来实现轴向辐射波束。

作为本发明的进一步限定方案，第二馈源的频率为1780MHz。采用1780MHz的频率来实现偏扫波束便于雷达自动跟踪。

作为本发明的进一步限定方案，第一馈源为水平极化，第二馈源为垂直极化。采用水平极化和垂直极化两种交叉极化的方式，解决了两个馈源同时工作时的互藕问题。

本发明的有益效果在于：(1)采用将第一馈源和四个第二馈源两种不同功能的馈源的集成一个馈源装置上，且将四个第二馈源呈菱形分布在第一馈源的前、后、左、右位置处，使四个馈源同处于一个焦平面上，从而实现后、前、右、左的偏扫波束，有效解决了两种馈源的共焦点问题，不仅降低了装置复杂度和成本，同时也缩小了装置的体积；(2)采用单刀四掷开关选通四个第二馈源的其中一个工作，从而利用馈电控制来实现馈源的偏焦，使天线方向图主瓣最大值偏离天线口径平面的法线方向。

附图说明

图1为本发明的装置剖视图；

图2为本发明的装置俯视图；

图3为本发明的接地控制电路结构示意图；

图4为本发明的矩形微带贴片式馈源辐射示意图。

具体实施方式

如图1-2所示，本发明提供了一种L波段双频馈源装置，包括天线基板1、天线罩2、第一馈源3、四个第二馈源4、一个单刀四掷开关7以及下壳体10；天线罩2盖合在下壳体10上构成密闭空腔；第一馈源3竖直安装在天线基板1的中心处；四个第二馈源4呈菱形分布在第一馈源3的前、后、左、右位置处；天线基板1、第一馈源3以及四个第二馈源4均位于密闭空腔内；单刀四掷开关7的四个定端分别与四个第二馈源4相连；在下壳体10外壁上设有与第一馈源3相连的第一接口8以及与单刀四掷开关7的动端相连的第二接口6；在下壳体10的底部还设有用于支撑馈源装置的支撑架9。其中，第二馈源4为矩形微带贴片式馈源，矩形微带贴片式馈源贴合在天线基板1上；第一馈源3为对称开槽半波振子，对称开槽半波振子的开槽长度为其所传播电磁波的四分之一波长，因开槽宽度窄，不作严格要求；第一馈源3的频率为1300MHz，第二馈源4的频率为1780MHz；第一馈源3为水平极化，第二馈源4为垂直极化；天线基板1为三层电路板，第二馈源4位于上层板上，单刀四掷开关7位于下层板上，中间层为接地层。

如图3所示，为了解决了同频馈源之间的互藕问题，本发明的装置还包括四个分别控制四个第二馈源4接地的接地控制电路，能够有效防止了馈源辐射方向发生畸变；该接地控制电路的一种实施方式为：包括隔直电容C1、旁路电容C2、旁路电容C3、旁路电容C4、限流电阻R以及控制二极管V；所述控制二极管V的正极经过隔直电容C1后与第二馈源相连，所述旁路电容C3和旁路电容C4并联后串接在控制二极管V的负极与地之间，所述旁路电容C2的两端串接在控制二极管V的正极与地之间，所述限流电阻R的两端分别与控制二极管V的正极以及参考电压端b相连，所述控制二极管V的负极还与控制电压端c相连；在下壳体10的侧壁上还设有与控制电压端c相连的控制开关接口5。

反射面天线是根据微波的拟光性而构思的，利用聚集型面的光学性，在焦点处放置微波馈源，在反射面口径上形成微波信号的平面等相位面，从而使天线具有良好的定向辐射和定向接收。本发明的馈源装置将L波段的两个频率的馈源共用一个抛物面天线实现不同的功能：其一为1780MHz，用于实现偏扫波束便于雷达自动跟踪；其二为1300MHz，用于实现轴向辐射波束。

1780MHz为了实现雷达自动跟踪需要抛物面天线提供偏扫波束，如果抛物面的反射波阵面对抛物面的口径倾斜，抛物面天线方向图主瓣最大值便偏离口径平面的法线方向；如果馈源沿垂直于抛物面轴线的方向在焦平面上移动，可采用馈源偏焦馈电来产生类似的效果。这种移动一般称为馈源的横向偏焦。

当抛物面天线的馈源横向偏焦时，在抛物面口径上同时出现线性相位偏差和立方律相位偏差。线性相位偏差使方向图主瓣向与馈源偏焦方向相反的一侧偏移；立方律相位偏差使方向图主瓣向另一侧偏移一个较小的角度。合成结果是使方向图主瓣向与偏焦方向相反的一侧偏移一个角度，同时方向图变得不对称。在主瓣偏移天线轴线的外侧副瓣电平降低，内侧副瓣电平升高。

抛物面天线次级方向图偏移角由抛物面天线系统的技术要求来决定，方向图的电性能与横向偏焦的大小有关，一般情况下，馈源横向偏焦越小，方向图的电性能越好，偏离越大，性能越差。

为了使抛物面天线方向图主瓣最大值便偏离天线口径平面的法线方向，因此需将馈源偏焦馈电来实现。将四个第二馈源4分别放置在前、后、左、右四个偏焦位置上，四个第二馈源4可实现后、前、右、左的偏扫波束，四个第二馈源4同处于一个焦平面上，这样正好让出中心焦点位置放置1300MHz的第一馈源3；为了避免两个相近频率馈源的互藕，将1300MHz的第一馈源3设置为水平极化，而将1780MHz的第二馈源4设置为垂直极化。

如图4所示，1780MHz的第二馈源4采用矩形微带贴片，贴片上箭头表示辐射电场方向，矩形微带贴片的电场在空间形成辐射，并且辐射最大方向在贴片的法向。

对于长度为a′宽为b′的矩形微带贴片天线，介质基片参数为：厚h、相对介电常数ε_r、损耗正切tanδ、电导率δ_c，它的工作主模为TM₀₁模。矩形微带贴片天线设计的重点是计算天线的频率、带宽、增益、辐射阻抗。

介质的等效介电常数为：

${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{1}{2}[{\mathrm{\ϵ}}_r+1+({\mathrm{\ϵ}}_r-){(1+\frac{10h}{a^{\′}})}^{-\frac{1}{2}}]---(1-1)$

由于边缘效应的影响，天线的等效尺寸增加量：

$2\mathrm{\Δl}=0.824h\frac{({\mathrm{\ϵ}}_e+0.3)(\frac{a^{\′}}{h}+0.264)}{({\mathrm{\ϵ}}_e-0.258)(\frac{a^{\′}}{h}+0.8)}---(1-2)$

则天线的等效尺寸为：

a＝a′+2Δl

b＝b′+2Δl

从而可得天线的谐振频率：

$f=\frac{c}{2b\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}---(1-3)$

式中，c为光速。

带宽的计算需要首先计算出天线的损耗，P_r、P_c、P_d、P_sw分别是辐射损耗、导体损耗、介质损耗和表面波损耗功率；Q_r、Q_c、Q_d、Q_sw是由这些损耗所引起的相应Q值。

$Q_c=\mathrm{\πh}{\left(\frac{120{\mathrm{\δ}}_c}{\mathrm{\λ}}\right)}^{\frac{1}{2}}$

$Q_d=\frac{1}{\tan \mathrm{\δ}}$

$Q_{\mathrm{sw}}=(\frac{1}{3.4\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}\frac{h}{\mathrm{\λ}}}-1)Q_r$

式中，为自由空间波长。

辐射功率Q值的计算相对比较复杂，下面进行讨论。

$Q_r=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r\mathrm{ab}}{120\mathrm{\λh}{G}_r}$

式中，G_r为辐射电导。

式中，v为电压、η₀为自由空间的波阻抗(120π)，E_θ、分别为天线辐射场相互正交的两个分量。

式中，u＝k₀asinθ，w＝k₀bsinθ

由此即可计算出辐射Q值Q_r。

天线的Q值为：

$Q={[\frac{1}{Q_r}+\frac{1}{Q_c}+\frac{1}{Q_d}+\frac{1}{Q_{\mathrm{sw}}}]}^{-1}---(1-6)$

谐振电阻为：

$R=\frac{120\mathrm{\λhQ}}{{\mathrm{\ϵ}}_r\mathrm{ab}}{\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\π}{y}_0}{b}\right)---(1-7)$

式中，y₀为馈电点位置。

驻波带宽为：

$\mathrm{BW}(\mathrm{VSWR}<2)=\frac{1}{\sqrt{2}Q}\&times;100\%---(1-8)$

增益为：

$G=\frac{{2a}^2}{{15\mathrm{\&lambda;}}^2{G}_r}\&CenterDot;\frac{Q}{Q_r}---(1-9)$

由式(1-4)与(1-5)可得馈源的辐射方向函数：

1300MHz的第一馈源3为对称开槽半波振子，开槽长度为四分之一波长，能够起到厄流作用，并利用中间层的接地层作为反射圆盘对半波振子起反射作用，归一化方向函数为：

式中，h为对称开槽半波振子到反射圆盘的距离，k为自由空间相移因子，θ′、是以振子馈源的相位中心为原点的球坐标系x′、y′、z′，在此坐标系中则有：

cosθ′＝z′/r′。

Claims (10)

1.一种L波段双频馈源装置，其特征在于：包括天线基板(1)、天线罩(2)、第一馈源(3)、四个第二馈源(4)、一个单刀四掷开关(7)以及下壳体(10)；所述天线罩(2)盖合在下壳体(10)上构成密闭空腔；所述第一馈源(3)竖直安装在天线基板(1)的中心处；四个第二馈源(4)呈菱形分布在第一馈源(3)的前、后、左、右位置处；所述天线基板(1)、第一馈源(3)以及四个第二馈源(4)均位于密闭空腔内；所述单刀四掷开关(7)的四个定端分别与四个第二馈源(4)相连；所述下壳体(10)外壁上设有与第一馈源(3)相连的第一接口(8)以及与单刀四掷开关(7)的动端相连的第二接口(6)。

2.根据权利要求1所述的L波段双频馈源装置，其特征在于：还包括四个分别控制四个第二馈源(4)接地的接地控制电路。

3.根据权利要求2所述的L波段双频馈源装置，其特征在于：所述接地控制电路包括隔直电容C1、旁路电容C2、旁路电容C3、旁路电容C4、限流电阻R以及控制二极管V；所述控制二极管V的正极经过隔直电容C1后与第二馈源相连，所述旁路电容C3和旁路电容C4并联后串接在控制二极管V的负极与地之间，所述旁路电容C2的两端串接在控制二极管V的正极与地之间，所述限流电阻R的两端分别与控制二极管V的正极以及参考电压端b相连，所述控制二极管V的负极还与控制电压端c相连。

4.根据权利要求1或2所述的L波段双频馈源装置，其特征在于：所述第二馈源(4)为矩形微带贴片式馈源，所述矩形微带贴片式馈源贴合在天线基板(1)上。

5.根据权利要求1或2所述的L波段双频馈源装置，其特征在于：所述第一馈源(3)为对称开槽半波振子。

6.根据权利要求5所述的L波段双频馈源装置，其特征在于：所述对称开槽半波振子的开槽长度为其所传播电磁波的四分之一波长。

7.根据权利要求1或2所述的L波段双频馈源装置，其特征在于：所述天线基板(1)为三层电路板，所述第二馈源(4)位于上层板上，所述单刀四掷开关(7)位于下层板上，中间层为接地层。

8.根据权利要求1或2所述的L波段双频馈源装置，其特征在于：所述第一馈源(3)的频率为1300MHz。

9.根据权利要求1或2所述的L波段双频馈源装置，其特征在于：所述第二馈源(4)的频率为1780MHz。

10.根据权利要求1或2所述的L波段双频馈源装置，其特征在于：所述第一馈源(3)为水平极化，所述第二馈源(4)为垂直极化。