CN105140658B - 一种可重构的单脉冲天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可重构的单脉冲天线，包括四个纵横方向二维阵列排布的天线单元，四个与天线单元一一对应的开关，一个一分四的等幅度等相位功率分配器；所述每个天线单元包括两个馈电端口，各天线单元两端的馈电端口分别通过有限接地共面波导传输线与开关相连，通过开关控制使天线单元两端只有一个端口处于工作状态；一分四的等幅度等相位功率分配器的四个分支分别与开关相连，通过开关控制，可分别馈电于四个天线单元的两个端口的其中一个端口。改变开关的状态，即改变天线单元的输入端口，从而改变天线单元的相位，可形成三种不同的天线方向图：和波束、方位差波束和俯仰差波束，从而可实现单脉冲定位。

Description

一种可重构的单脉冲天线
技术领域
本发明属于天线技术，尤其涉及一种可重构的单脉冲天线。
背景技术
为了精确获得目标的角度和速度，单脉冲雷达发挥了重要作用。单脉冲天线作为单脉冲雷达最重要的一部分，始终是人们研究的重点。单脉冲天线的实现原理比较简单，即通过变换不同象限中辐射单元的相位，就可以实现和波束、方位差波束及俯仰差波束。早期的单脉冲天线主要利用卡塞格仑天线实现，使用多模喇叭或其他多模技术获得单脉冲天线的和、差信号，但是其具有体积大，不利于天线移动等缺点。在随后的发展中，微带天线由于具有体积小，重量轻，成本低等优点，使得国内外出现了许多微带形式的那个天线。但是基于微带形式的单脉冲天线总是需要复杂的和差网络来实现单脉冲天线。
由于现代单层PCB工艺十分成熟，在不是十分高的频段内，加工精度也十分有保证，同时加工的产品可以拥有低轮廓、小体积、高集成度的特性，有利于天线的大规模生产与应用。因此，使用单层PCB工艺的单脉冲天线在低轮廓、高集成度以及降低成本上都有很现实的意义。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可重构的单脉冲天线，该单脉冲天线是一种高精密的跟踪定位天线，仅需要四个天线单元(或子阵列)、四个开关和一个简单的功率分配器结构就可以构成，与传统单脉冲天线相比，具有尺寸小，重量轻，结构简单，易于集成等优点。它可以在一个脉冲周期内获取目标的全部方向信息及距离信息。因此能快速测得目标角度信息，定位精确且抗干扰能力强，可用于航空和导弹防御系统等毫米波雷达技术中，它具有轴比小、一致性、结构简单、易于实现、成本低等优点。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种可重构的单脉冲天线，包括四个纵横方向二维阵列排布的天线单元，四个与天线单元一一对应的开关，一个一分四的等幅度等相位功率分配器；所述每个天线单元包括两个馈电端口，各天线单元两端的馈电端口分别通过有限接地共面波导传输线与开关相连，通过开关控制使天线单元两端只有一个端口处于工作状态；所述一分四的等幅度等相位功率分配器由一个第一等相位等幅度功率分配器并联两个第二等相位等幅度功率分配器构成，且一分四的等幅度等相位功率分配器的四个分支分别与开关相连，通过开关控制，可分别馈电于四个天线单元的两个端口的其中一个端口。改变开关的状态，即改变天线单元的输入端口，从而改变天线单元的相位，可形成三种不同的天线方向图：和波束、方位差波束和俯仰差波束，从而可实现单脉冲定位。
进一步的，所述天线单元包括介质基片、上金属层、下金属层和若干个阵列式排布成谐振腔的金属通孔；所述介质基片设置在上金属层和下金属层之间；所述金属通孔贯穿介质基片、上金属层和下金属层，且金属通孔的上、下两端分别连接上金属层和下金属层。
进一步的，所述谐振腔的轮廓为方形或长方形。
进一步的，所述天线单元的工作模式为谐振腔的高次简并模式TE120和TE210模式。
进一步的，所述上金属层上谐振腔的四周蚀刻有四条缝隙作为辐射缝隙，所述辐射缝隙作为天线单元的辐射结构。
进一步的，所述天线单元的两个馈电端口设置在下金属层上，所述馈电端口蚀刻出缝隙作为有限接地共面波导传输线，所述有限接地共面波导传输线作为天线单元的馈电结构。
进一步的，所述天线单元上的两个馈电端口相位相差180度。
进一步的，所述第一等相位等幅度功率分配器和第二等相位等幅度功率分配器均为传统的威尔金森功率分配器。
有益效果：本发明的优点如下：
1、整个天线单元(或子阵列)主要有金属层和金属化通孔组成，整个结构可以用传统的PCB或LTCC工艺来实现；
2、该天线能通过四个一分二开关和三个的威尔金森功率分配器改变天线单元(或子阵列)的信号输入端口，从而实现和波束、方位差波束和俯仰差波束，即形成单脉冲天线。
3、该天线具有三种不同的方向图：和波束、俯仰差波束和方位差波束，且差波束方向图的零深较大，很好的满足了单脉冲定位功能，同时满足较好的圆极化特性，较好的驻波特性，且轮廓低、体积小、实现简单，易于集成。
4、本发明中，基于方形的基片集成波导背腔圆极化天天线单元(或子阵列)分别从四个角方向进行馈电时，相位依次相差90度，因此通过对角端口馈电时辐射场相位相差180度。通过开关控制天线单元(或子阵列)的信号输入端口：当四个天线都从相同相位输入时，将实现和波束；当四个天线单元(或子阵列)中横向的上下两对天线单元(或子阵列)从相同相位的端口输入，纵向的左右两对天线单元(或子阵列)从相反相位输入，则实现俯仰差波束；反之，当四个天线单元(或子阵列)中横向的上下两对天线单元(或子阵列)从相反相位的端口输入，纵向的两对天线单元(或子阵列)从相同相位输入，则实现方位差波束。
附图说明
图1为一种单脉冲天线中天线单元(或子阵列)的主视结构示意图；
图2为天线单元(或子阵列)的后视结构示意图；
图3为2×2单脉冲天线阵列的主视结构示意图；
图4为图3所示单脉冲天线阵列的后视结构示意图；
图5为金属化通孔的剖视结构示意图；
图6为天线仿真和测试的单脉冲天线和波束的回波损耗|S11|；
图7为天线仿真和测试的单脉冲天线俯仰差波束的回波损耗|S11|；
图8为天线仿真和测试的单脉冲天线方位差波束的回波损耗|S11|；
图9为实测天线在频率5.88GHz时和波束增益方向图；
图10为实测天线在频率5.88GHz时俯仰差波束增益方向图；
图11为实测天线在频率5.88GHz时方位差波束增益方向图；
图12为在法向方向上，实测天线在和波束时随频率变化下的轴比变化关系和增益变化关系图；
图13为在法向方向上，实测天线在俯仰差波束随频率变化下的轴比变化关系和增益变化关系图；
图14为在法向方向上，实测天线在方位差波束随频率变化下的轴比变化关系和增益变化关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1、2所示为一种小型的单脉冲天线的天线单元(或子阵列)，该天线单元(或子阵列)的工作模式为方形谐振腔4的高次简并模式；天线单元(或子阵列)包括介质基片1、上金属层21、下金属层22和金属通孔，所述金属通孔贯穿介质基片1、上下两端分别连接上金属层21和下金属层22。天线具有对角上的两个输入端口，两个输入端口相位相差180度。
具体的，在上金属层21上、谐振腔4的四周蚀刻出四条缝隙作为辐射缝隙2，所述辐射缝隙2作为天线单元(或子阵列)的辐射结构。在下金属层22上蚀刻出缝隙作为有限接地共面波导传输线3，所述有限接地共面波导传输线3作为天线单元(或子阵列)的馈电结构；
具体的，所述第一等相位等幅度功率分配器6通过并联两个第二功率分配器(51、51)形成一个一分四的等相位等幅度功率分配器，所述一分四的等相位等幅度功率分配器的四个分支分别与四个开关相连。
具体拓展方式如图3、图4所示2×2单脉冲天线阵列，包括四个纵横方向二维阵列排布的天线单元(或子阵列)，所述每个天线单元(或子阵列)包括两个馈电端口，所述各天线单元(或子阵列)两端的馈电端口分别通过共面波导传输线与开关相连，开关控制使天线单元(或子阵列)两端只有一个端口处于工作状态；三个等相位等幅度功率分配器，其中一个功率分配器并联另两个功率分配器，从而构成一个一分四的等幅度等相位功率分配器，这个一分四的等幅度等相位功率分配器四个分支分别与开关相连，通过开关控制，可分别馈电于四个天线单元(或子阵列)的两个端口的其中一个端口。改变开关的状态，即改变天线单元(或子阵列)的输入端口，从而改变天线单元(或子阵列)的相位，可形成三种不同的天线方向图：和波束、方位差波束和俯仰差波束，从而可实现单脉冲定位。
基于上述，如图5所示，所述天线单元(或子阵列)包括介质基片1、上金属层21、下金属层22和若干金属通孔，所述介质基片1设置在上金属层21和下金属层22之间，所述金属通孔贯穿介质基片1、上金属层21和下金属层22，且上、下两端分别连接上金属层21和下金属层22，所述各金属通孔阵列式排布成谐振腔4。所述谐振腔4的轮廓为方形，所述天线单元(或子阵列)的工作模式为谐振腔4的高次简并模式TE120和TE210模式，谐振腔4轮廓具体尺寸根据所述高次简并模式进行计算。
所述上金属层21上谐振腔4的四周蚀刻出四条缝隙作为辐射缝隙2，所述辐射缝隙2作为天线单元(或子阵列)的辐射结构。所述天线单元(或子阵列)的两个馈电端口设置在下金属层22上，所述馈电端口蚀刻出缝隙作为有限接地共面波导传输线3(FG-CPW)，所述有限接地共面波导传输线3作为天线单元(或子阵列)的馈电结构。所述一分二开关决定天线的馈电端口，从而改变辐射单元的相位，实现和波束、方位差波束及俯仰差波束。
本发明中，基于方形的基片集成波导背腔圆极化天天线单元(或子阵列)分别从四个角方向进行馈电时，相位依次相差90度，因此通过对角端口馈电时辐射场相位相差180度。通过开关控制天线单元(或子阵列)的信号输入端口：当四个天线都从相同相位输入时，将实现和波束；当四个天线单元(或子阵列)中横向的上下两对天线单元(或子阵列)从相同相位的端口输入，纵向的左右两对天线单元(或子阵列)从相反相位输入，则实现俯仰差波束；反之，当四个天线单元(或子阵列)中横向的上下两对天线单元(或子阵列)从相反相位的端口输入，纵向的两对天线单元(或子阵列)从相同相位输入，则实现方位差波束。
基于本发明思想，利用PCB工艺制作圆极化单脉冲天线，并进行相关测试：图6，图7，图8分别为该天线阵列的和波束、俯仰差波束和方位差波束的仿真和测试的回波损耗|S11|；图9实测天线在频率5.88GHz时和波束增益方向图；图10实测天线在频率5.88GHz时俯仰差波束增益方向图；图11为在法向方向上，实测天线在频率5.88GHz时方位差波束增益方向图；图12为在法向方向上，实测天线在和波束时随频率变化下的轴比变化关系和增益变化关系图；图13为在法向方向上，实测天线在俯仰差波束随频率变化下的轴比变化关系和增益变化关系图；图14为在法向方向上，实测天线在方位差波束随频率变化下的轴比变化关系和增益变化关系图。测试表明，该天线具有三种不同的方向图：和波束、俯仰差波束和方位差波束，且差波束方向图的零深较大，很好的满足了单脉冲定位功能，同时满足较好的圆极化特性，较好的驻波特性，且轮廓低、体积小、实现简单，易于集成。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种可重构的单脉冲天线，其特征在于：包括四个纵横方向二维阵列排布的天线单元，四个与天线单元一一对应的开关，一个一分四的等幅度等相位功率分配器；所述四个天线单元均包括两个馈电端口，各天线单元两端的馈电端口分别通过有限接地共面波导传输线(3)与开关相连，通过开关控制使天线单元两端只有一个端口处于工作状态；所述一分四的等幅度等相位功率分配器由一个第一等相位等幅度功率分配器(6)并联两个第二等相位等幅度功率分配器(51、52)构成，且一分四的等幅度等相位功率分配器的四个分支分别与开关相连，通过开关控制，可分别馈电于四个天线单元的两个端口的其中一个端口。
2.根据权利要求1所述的一种可重构的单脉冲天线，其特征在于：所述天线单元包括介质基片(1)、上金属层(21)、下金属层(22)和若干个阵列式排布成谐振腔(4)的金属通孔；所述介质基片(1)设置在上金属层(21)和下金属层(22)之间；所述金属通孔贯穿介质基片(1)、上金属层(21)和下金属层(22)，且金属通孔的上、下两端分别连接上金属层(21)和下金属层(22)。
3.根据权利要求2所述的一种可重构的单脉冲天线，其特征在于：所述谐振腔(4)的轮廓为方形或长方形。
4.根据权利要求2所述的一种可重构的单脉冲天线，其特征在于：所述天线单元的工作模式为谐振腔(4)的高次简并模式TE120和TE210模式。
5.根据权利要求2或3所述的一种可重构的单脉冲天线，其特征在于：所述上金属层(21)上谐振腔(4)的四周蚀刻有四条缝隙作为辐射缝隙(2)，所述辐射缝隙(2)作为天线单元的辐射结构。
6.根据权利要求2所述的一种可重构的单脉冲天线，其特征在于：所述天线单元的两个馈电端口设置在下金属层(22)上，所述馈电端口蚀刻出缝隙作为有限接地共面波导传输线(3)，所述有限接地共面波导传输线(3)作为天线单元的馈电结构。
7.根据权利要求1或6所述的一种可重构的单脉冲天线，其特征在于：所述天线单元上的两个馈电端口相位相差180度。
8.根据权利要求1所述的一种可重构的单脉冲天线，其特征在于：所述第一等相位等幅度功率分配器(6)和第二等相位等幅度功率分配器(51、52)均为传统的威尔金森功率分配器。
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