CN104767037B - 一种紧凑型高隔离度低副瓣宽角电扫描收发双天线 - Google Patents

一种紧凑型高隔离度低副瓣宽角电扫描收发双天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种紧凑型高隔离度低副瓣宽角电扫描收发双天线，包括两套平齐的双层平面微带天线阵，金属隔离条，金属框架；该金属隔离条位于该金属框架的表面，并位于两套双层平面微带天线阵之间；每套双层平面微带天线阵包括上层微带天线阵面，支撑泡沫，下层微带天线阵面，接地板；该支撑泡沫位于该上、下两层微带天线阵面之间；该接地板位于该下层微带天线阵面和金属框架之间；该上、下两层微带天线阵面的相对面上均设有若干对应的导电矩形贴片，且每一组上下对应的导电矩形贴片形成一个导电矩形贴片组，且下层微带天线阵的导电矩形贴片采用微带线的非辐射边馈电方式。本发明的效果：结构紧凑、隔离度高、重量轻、可电扫描等优点。

Description

一种紧凑型高隔离度低副瓣宽角电扫描收发双天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种紧凑型高隔离度低副瓣宽角电扫描收发双天线。
背景技术
便携式侦察雷达能测定特定区域内的人员、车辆、舰船等目标的方位、距离和活动路线，提供目标活动情报，实现对特定区域的警戒，可广泛应用军事和民用领域。国内外现有多款便携式侦察雷达，主要包括的PPS-5D雷达、SQUIRE雷达，、Lyra10雷达，RSR950 Ngada雷达，EL/M-2140雷达和ST-312雷达等。
天线作为雷达的关键部件，对雷达性能的影响很大。经资料查询和分析，上述便携式雷达采用的天线存在如下不足：
1.天线重量和尺寸偏大。如PPS-5D雷达重34.5公斤，SQUIRE雷达重约23公斤，Lyra10雷达重25公斤，RSR950 Ngada雷达重约43.8公斤。天线的重量和尺寸在雷达整机重量中占有很大的比例，所以减轻天线重量，减小天线尺寸对提升雷达性能至关重要。
2.天线采用机械扫描体制，如PPS-5D雷达，Lyra10雷达和EL/M-2140雷达等。机械扫描体制天线使雷达波束扫描速度慢、功耗大、可靠性降低。
电扫体制天线具有体积小、控制灵活、波束扫描快速无惯性等优点，但在微波高频段，有源相控电扫天线用到的数字移相器、T/R组件等核心部件价格高，系统较复杂,成本较昂贵，一般用户难以接收(胡明春，周志鹏，严伟.相控阵雷达收发组件技术[M].北京:国防工业出版社,2010)。
频扫体制天线由于其实现方便、成本低、波束指向和波束形状变化快速、易于形成多个波束等优点，可较好的解决电扫性能与成本的矛盾，但也存在结构件较多、馈电方式复杂、重量较大(李斌，赵交成，李旭平.频扫单脉冲天线技术研究.火控雷达技术，第40卷第1期，2011(3)：83-90页)。
宽角扫描时波束副瓣较高，且宽角扫描时采用微带天线单元难以布线组阵等不足(王昊，倪晶，葛平，马晓峰，盛卫星.低损耗混合馈电波导慢波线频扫阵列设计.2011年全国微波毫米波会议论文集：756-759页)，(刘永康.微带频扫天线阵列研究与设计[D],南京:南京理工大学,2009)。
3.采用单个天线分时收发。现有便携式侦察雷达有相当一部分采用脉冲多普勒体制，如ST-312雷达和Lyra10雷达。此体制雷达存在较大的距离和速度盲区，难以观测近区慢速小目标，采用调频连续波体制可以较好的解决这一问题。但是调频连续波雷达一般需要采用双天线同时工作，一发一收，此情况下收发天线的隔离度对回波信号的检测性能影响很大，必须采用相应的手段提高收发天线之间的隔离度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种结构紧凑、隔离度高、重量轻、可电扫描，便于组成双天线阵列的紧凑型高隔离度低副瓣宽角电扫描收发双天线。
本发明是通过以下技术手段解决上述问题的：一种紧凑型高隔离度低副瓣宽角电扫描收发双天线，包括两套平齐的双层平面微带天线阵，金属隔离条，金属框架；
该金属隔离条位于该金属框架的表面，并位于两套双层平面微带天线阵之间；
每套双层平面微带天线阵包括上层微带天线阵面，支撑泡沫，下层微带天线阵面，接地板；该支撑泡沫位于该上、下两层微带天线阵面之间；该接地板位于该下层微带天线阵面和金属框架之间；
该上、下两层微带天线阵面的相对面上均设有若干对应的导电矩形贴片，且每一组上下对应的导电矩形贴片形成一个导电矩形贴片组，且下层微带天线阵面的导电矩形贴片采用微带线的非辐射边馈电方式；
该金属框架的表面设有两条波导馈线，两条波导馈线端口分别相连有四个宽带低损耗同轴波导变换。
作为上述方案的进一步改进，该上层微带天线阵面、该支撑泡沫、该下层微带天线阵面、该接地板、该金属框架之间均采用导电性胶膜连接。
作为上述方案的进一步改进，该紧凑型高隔离度低副瓣宽角电扫描收发双天线的工作波段为波长17.14～19.35mm的Ku波段，中心频率λ0波长为18.18mm。
作为上述方案的进一步改进，该波导馈线是由在该金属框架上开设曲线状通孔而成；该宽带低损耗同轴波导变换焊接在该波导馈线的端口。
作为上述方案的进一步改进，每套双层平面微带天线阵包括42列线阵，每列线阵包括12个导电矩形贴片组。
作为上述方案的进一步改进，该上、下两层微带天线阵面均采用厚度为0.254mm，相对介电常数为2.92的介质基板。
作为上述方案的进一步改进，该支撑泡沫该支撑泡沫呈工字型。
作为上述方案的进一步改进，每个波导馈线呈连续的U型状，并包含42个U型弯曲波导。
作为上述方案的进一步改进，该接地板上开设有若干与该波导馈线耦合的缝隙长度，其长度范围为5.7～9mm，沿竖直方向倾斜角度范围为22°～58.8°。
作为上述方案的进一步改进，该金属隔离条位于该金属框架的正中心；两条波导馈线分别平行位于该金属隔离条的两边。
本发明的有益效果是：
1.本发明的紧凑型高隔离度低副瓣宽角电扫描收发双天线采用一体化工艺，将波导馈线、宽带低损耗同轴波导变换、金属隔离条集中加工在一块金属框架上，结构简单，减少了加工工艺流程，降低了天线的加工难度，有效减轻了天线系统的重量。
2.采用两条波导馈线和双层平面微带天线阵结构形式，可使天线工作于频扫连续波体制雷达中，提升了便携式雷达系统侦察慢速小目标的能力。
3.两套双层平面微带天线阵，即组成双天线结构，在双天线中间增加了一个金属隔离条，有效地提高了收发天线的隔离度，改善了后端信号检测性能。
4.该导电矩形贴片组为双层贴片，且下层微带天线阵面的导电矩形贴片采用微带线的非辐射边馈电方式，拓展了天线的工作带宽，增加了天线布阵走线的空间，便于实现天线波束的宽角扫描。
5.采用结构简单的宽带低损耗同轴波导变换，以及经过实验数据修正的波导缝隙耦合馈电网络，提高了设计精度，实现了天线波束扫描范围内的低副瓣性能，从而改善了双天线的隔离度。
附图说明
图1为本发明较佳实施方式的左视图；
图2为本发明较佳实施方式的俯视图；
图3为图1中金属框架4的示意图；
图4为图1中上层微带天线阵面11的仰视图；
图5为图1中下层微带天线阵面13的俯视图；
图6为图1中接地板14的俯视图；
图7为本发明较佳实施方式的反射系数图；
图8分别为本发明较佳实施方式的方位向扫描至-40°、0°和+40°时的方向图；
图9为本发明较佳实施方式的收发天线之间的隔离度图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅以解释本发明，并不用于限定本发明。
工作于波长17.14～19.35mm的Ku波段的紧凑型高隔离度低副瓣宽角电扫描收发双天线，中心频率λ0波长为18.18mm，中心频率f0为16.5GHz，下边频fL为15.7GHz，上边频fH为17.2GHz。
参见图1、图2，一种紧凑型高隔离度低副瓣宽角电扫描收发双天线，包括两套平齐的第一双层平面微带天线阵1和第二双层平面微带天线阵2，薄的金属隔离条3，金属框架4。
该金属隔离条3位于该金属框架4的上表面中心，并位于两套双层平面微带天线阵1和2之间。
两套双层平面微带天线阵1和2为同样的结构，现对第一双层平面微带天线阵1作具体描述。
第一双层平面微带天线阵1包括上层微带天线阵面11，工字型的支撑泡沫12，下层微带天线阵面13，接地板14；该支撑泡沫12位于该上层微带天线阵面11和下层微带天线阵面13之间；该接地板14位于该下层微带天线阵面13和金属框架4之间。
如图4、图5所示，第一双层平面微带天线阵1包括42列线阵，每列线阵包括12个导电矩形贴片组。该上层微带天线阵面11和下层微带天线阵面13的相对面上，均对应设有沿水平方向42个、竖直方向12个的若干等距离排列的导电矩形贴片，且每一组上下对应的两个导电矩形贴片形成一个导电矩形贴片组，共42组，且沿水平方向42组、竖直方向12组的等距离排列布置。
如图4、图5所示，上层微带天线阵面11下表面的其中一个导电矩形贴片111，下层微带天线阵面13上表面的其中一个导电矩形贴片131，且导电矩形贴片131与111位置对应，即形成一个导电矩形贴片组。且下层微带天线阵面13的所有导电矩形贴片采用微带线的非辐射边馈电方式。
上层微带天线阵面11或下层阵列面13的导电矩形贴片之间的水平方向间距根据天线阵理论设计公式，取为10.2mm；导电矩形贴片竖直方向间距采用均匀加权方式组阵，间距取为14.8mm。导电矩形贴片宽度为5.08mm，仅为0.28λ0，长度为6.28mm，仅为0.345λ0，便于宽角扫描时的导电矩形贴片组阵布线。上层微带天线阵面11和下层微带天线阵面13采用厚度为0.254mm、相对介电常数2.92的RT6002介质基板。支撑泡沫13型号ROHACELL-HF51，厚度为1.7mm。该双天线的阵面尺寸,长为429mm，宽为161mm。
如图3所示，该金属框架4的表面设有两条平行的第一波导馈线41和第二波导馈线42，该两个波导馈线41和42是由在该金属框架4上开设通孔而成，该通孔呈连续的U型曲线状，共包含42个U型弯曲波导，每个U型弯曲波导半径为8.5mm；根据系统工作频段，两个波导馈线41和42的腔体截面尺寸按标准的BJ180波导尺寸加工：高12.95mm，宽6.48mm,且每个U型长度100mm。
第一波导馈线41的两个端口分别焊接宽带低损耗同轴波导变换411和412，第二波导馈线42的两个端口分别焊接宽带低损耗同轴波导变换421和422，宽带低损耗同轴波导变换411、412、421、422均为同宽的三层台阶状结构，宽度为6mm,接口形式为标准的SAM接口，该三层台阶状结构从低层到高层分为三个部分，其尺寸分别为：第一部分，长4.9mm,宽1mm；第二部分，长4.8mm，宽2.1mm；第三部分，长5mm，宽3.2mm。
加装在两套双层平面微带天线阵1和2之间的金属隔离条4结构件整体高度23.4mm。
如图6所示，为使工程实现尽量接近理论设计，从而实现低副瓣性能：①设计了宽带低损耗同轴波导变换，并加工样件进行安装测试，得到理想结果；②设计加工了波导馈线并测出波导损耗，在考虑波导损耗的基础上优化了波导馈线41与接地板14的42个耦合缝隙长度，现以图中一个耦合缝隙141为例，该长度该耦合缝隙141长度范围为5.7mm～9mm,且沿竖直方向倾斜角度范围为22°～58.8°，
金属框架4既作为整个双天线系统的结构件，又作为两个波导馈线41、42，宽带同轴波导变换411、412、421、422，金属隔离条3等电讯件载体，这些部件可以一次加工成型。
参见图7，天线S11参数随频率变化的曲线。除因频扫天线馈线在中心频率附近叠加造成反射点外，在15.7GHz到17.2GHz内，S11≤-15dB。
参见图8，本实施例天线水平方向-40°、0°、+40°三个方向上的方向图曲线，最高副瓣分别为-22.4dB、-28.9dB、-26.7dB。
参见图9，为该双天线的隔离度曲线，工作频带内低于-56dB。
该天线为频率扫描双天线，整体重量小于2.2公斤，扫描副瓣低于-22.4dB，能实现方位面超过+40°的扫描范围，可广泛应用于侦察与监控领域。

Claims (9)

1.一种紧凑型高隔离度低副瓣宽角电扫描收发双天线，其特征在于：包括两套平齐的双层平面微带天线阵，金属隔离条，金属框架；
该金属隔离条位于该金属框架的表面，并位于两套双层平面微带天线阵之间；
每套双层平面微带天线阵包括上层微带天线阵面，支撑泡沫，下层微带天线阵面，接地板；该支撑泡沫位于该上、下两层微带天线阵面之间；该接地板位于该下层微带天线阵面和金属框架之间；
该上、下两层微带天线阵面的相对面上均设有若干对应的导电矩形贴片，且每一组上下对应的导电矩形贴片形成一个导电矩形贴片组，且下层微带天线阵面的导电矩形贴片采用微带线的非辐射边馈电方式；
该金属框架的表面设有两条波导馈线，该两条波导馈线是由在该金属框架上开设曲线状通孔而成，两条波导馈线端口分别相连有四个宽带低损耗同轴波导变换；
该接地板上开设有若干与该波导馈线耦合的缝隙；
金属框架、波导馈线、宽带低损耗同轴波导变换、金属隔离条一次加工成型。
2.如权利要求1所述的紧凑型高隔离度低副瓣宽角电扫描收发双天线，其特征在于：该上层微带天线阵面、该支撑泡沫、该下层微带天线阵面、该接地板、该金属框架之间均采用导电性胶膜连接。
3.如权利要求1所述的紧凑型高隔离度低副瓣宽角电扫描收发双天线，其特征在于：该紧凑型高隔离度低副瓣宽角电扫描收发双天线的工作波段为波长17.14～19.35mm的Ku波段，中心频率λ0波长为18.18mm。
4.如权利要求1所述的紧凑型高隔离度低副瓣宽角电扫描收发双天线，其特征在于：每套双层平面微带天线阵包括42列线阵，每列线阵包括12个导电矩形贴片组。
5.如权利要求1所述的紧凑型高隔离度低副瓣宽角电扫描收发双天线，其特征在于：该上、下两层微带天线阵面均采用厚度为0.254mm，相对介电常数为2.92的介质基板。
6.如权利要求1所述的紧凑型高隔离度低副瓣宽角电扫描收发双天线，其特征在于：该支撑泡沫呈工字型。
7.如权利要求1所述的紧凑型高隔离度低副瓣宽角电扫描收发双天线，其特征在于：每个波导馈线呈连续的U型状，并包含42个U型弯曲波导。
8.如权利要求1所述的紧凑型高隔离度低副瓣宽角电扫描收发双天线，其特征在于：该接地板上开设的缝隙长度范围为5.7～9mm，沿竖直方向倾斜角度范围为22°～58.8°。
9.如权利要求1所述的紧凑型高隔离度低副瓣宽角电扫描收发双天线，其特征在于：该金属隔离条位于该金属框架的正中心；两条波导馈线分别平行位于该金属隔离条的两边。
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