CN105914480A - 一种天线结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天线结构及设计方法，其中天线结构包括辐射单元和馈电网络，馈电网络的输出端与辐射单元的输入端相连，所述馈电网络为轴对称结构，所述馈电网络包括一路分多路的基片集成波导功率分配器以及移相器，所述移相器连接在所述基片集成波导功率分配器的多路输出端上，所述辐射单元为以所述馈电网络的对称轴为中心的对称结构且连接在所述移相器的末端。本发明天线结构克服了采用较大规模微带馈电网络在毫米波频段存在的较大辐射损耗、互耦等问题，该天线能够同时满足雷达中距和远距测试的需求，消除了其他方案存在的切换时间，同时具有低成本，小尺寸等优势。

Description

一种天线结构及设计方法

本发明涉及电子、微波射频、雷达等领域，尤其涉及一种新型阵列天线的结构及设计方法。

背景技术

现有技术

阵列天线因其具有高增益、可波束赋形等优势被应用于很多的场合，例如雷达、通信、导航等，馈电网络的设计是阵列天线设计中非常重要的一部分工作，微带传输线作为一种传统的传输线形式得到了广泛的应用，尤其是在一些阵列天线的馈电网络设计中。在一些特殊的应用场合需要用到阵元数量较大的阵列形式以及比较复杂的馈电网络，对于频率较高的毫米波频段，复杂的馈电网络不仅会使得设计难度大幅度上升，而且大规模的使用微带馈电形式会导致辐射损耗大幅度上升，并且存在互耦，会影响阵列天线的整体性能。

阵列天线在雷达系统中得到了广泛的应用，雷达系统采用的天线方案对雷达的整体作用以及整体性能指标有着重要的影响，雷达有多种分类方式，按照作用距离主要可以分为远距雷达、中距雷达和近距雷达，由于电磁波在空气中传播的距离越远，损耗越大，所以作用距离越远的雷达需要越高的链路增益，通过不同的天线增益来获得不同的链路增益对于雷达系统设计而言是最经济有效的方法，一般为了保证雷达探测距离的要求，远距雷达需要高增益的天线，中距雷达对于天线增益要求次之，近距雷达要求相对最低。在有些应用场景中，希望能够利用一部雷达设备同时满足不同作用距离的应用要求，例如同时兼顾远距和中距探测，为了达到这样的应用目的，对于现有技术而言一般采用两种方案，一种方案是采用射频开关在不同增益的天线之间进行切换，一种方案是采用多个发射机多个接收机，不同作用距离的收发机独立工作，构成一整个系统。

现有技术的缺点

对于应用于毫米波频段的阵列天线，采用大规模的微带馈电网络会使得辐射损耗大幅度上升，馈线之间的耦合也不容忽视，这都会导致阵列天线的整体性能变差。此外，对于具有特殊作用的馈电网络（如波束成形网络），其设计难度也将大大提高。

针对于雷达系统兼顾远距和中距探测的应用，目前的两种技术均存在相关缺点，对于引入射频开关来切换高、低增益天线的技术，射频开关的切换时间的存在使得系统不能同时工作在远距和中距探测的模式下，同时还将引入相应的开关插入损耗，系统电路板面积也会增加；对于采用多发射通道的方案，成本、系统电路板面积将提升，此外，后端处理的压力也将增大。

发明内容

发明目的

本发明所要解决的问题是：克服阵列天线采用较大规模微带馈电网络在毫米波频段存在较大辐射损耗、互耦等问题，提出了一种能同时满足雷达远距和中距探测需求的天线结构，克服了现有技术解决此类问题时具有的切换时间、插入损耗、成本提升、系统电路板面积增大缺点，并且给出了该天线结构的设计方法。

技术方案

为了实现上述目的，本发明技术方案是这样实现的：

一种天线结构包括辐射单元和馈电网络，馈电网络的输出端与辐射单元的输入端相连，其特征在于：所述馈电网络为轴对称结构，所述馈电网络包括一路分多路的基片集成波导功率分配器以及移相器，所述移相器连接在所述基片集成波导功率分配器的多路输出端上，所述辐射单元为以所述馈电网络的对称轴为中心的对称结构且连接在所述移相器的末端。

为同时满足雷达远距探测和中距探测的要求，所述基片集成波导功率分配器为一路分六路的结构，在每一个输出端上连接一个所述辐射单元。

所述一路分六路的结构由一个一路分三路的功率分配器和两级一路分两路的功率分配器构成。

所述一路分三路的功率分配器由一段基片集成波导结构与一个基片集成波导大矩形腔的一条边的中间部分相连组成，基片集成波导大矩形腔正中有一个有金属化通孔组成的正交十字形状，将输入的一路信号分成两路信号后，再通过后面的耦合窗口输出，在基片集成波导大矩形腔与输入信号开口相对的另一条边上开有三个耦合窗口，其中两侧的耦合窗口分别通过弯折形的基片集成波导引出，中间的耦合窗口连接所述两级一路分两路的功率分配器，这样的结构设计可以避免直接采用一路分三路功率分配结构所存在的功率分配严重失衡的问题；所述两级一路分两路的功率分配器包括一级一路分两路的基片集成波导功率分配器和二级一路分两路的基片集成波导功率分配器，所述一级一路分两路的基片集成波导功率分配器连接在所述中间的耦合窗口，所述二级一路分两路的基片集成波导功率分配器为两个且连接在所述一级一路分两路的基片集成波导功率分配器的两路输出端口上，六路基片集成波导通道的输出端口通过连接所述的移相器后保持平行。

所述六路基片集成波导通道的中间四路保持等幅同相馈电，边上的两路与中间四路保持同幅度，相位超前50度馈电。

所述辐射单元采用串馈微带线阵的结构，每两个辐射单元之间采用不等间距排布。

所述移相器由基片集成波导与微带传输线混合而成。移相器将基片集成波导传输结构和微带传输线混合使用并通过改变两者的长度获得不同的相位差，实现移相功能。

所述天线结构可以获得能够同时满足雷达远距和中距探测的应用水平方向图,中间四路的阵元等幅同相馈电，使其能够在法向上压缩波束，使整个天线水平面波束在法向左右一定角度内保持笔状，使其能够满足远距探测所需的增益要求；调节两侧的阵元的馈电的幅度和相位，与中间四路保持同幅度，相位超前50度馈电，可以使得天线水平面方向图在需要的探测范围内不存在零点（水平方向图在远距探测角度范围之外和中距探测角度范围之内的部分具有水平台阶的形状或呈现缓慢下降的坡状），满足中距探测的要求。

一种具有特殊方向图的天线结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：选择合适的天线阵元结构，天线阵元结构应该满足应用对于垂直面的方向图波束要求，通过商业电磁场软件仿真，调整天线阵元的相关结构参数，使其具有良好的驻波性能；

步骤二：确定阵元数目，阵元数目的确定需要结合雷达远距和中距作用对天线增益的要求以及对水平探测范围的要求；

步骤三：确定水平方向布阵时每两个天线阵元间的距离及每个天线阵元的激励的幅度和相位，借助于商业电磁场仿真软件，按照步骤一确定的天线阵元结构和步骤二确定的阵元数目建立水平方向组阵的电磁仿真模型，观察不同天线阵元距离、每个阵元激励的幅度和相位变化时水平面方向图的变化，确定合适的阵元距离以及每个天线阵元的激励的幅度和相位，使得天线的水平面方向图满足远距和中距探测的要求，且探测范围内方向图没有明显的零点；

步骤四：设计阵列天线馈电网络，使得馈电网络的每个通道间的距离，以及每个通道的输出满足步骤三中确定的阵元距离、已经阵元激励幅度和相位的要求，同时具有良好的驻波性能；

步骤五：将步骤一设计的天线阵元结构和步骤四设计的天线馈电网络组合到一起去，组成一个天线整体，利用商业电磁仿真软件进行仿真以及一些解雇参数的微调，获得满足要求的天线水平方向图和驻波性能。

与现有技术相比，本发明给出的天线结构无需引入射频开关，无需采用多射频通道的方法，不会引入额外插入损耗，消除了开关切换时间，减小了系统体积和制作成本，同时也不会引入射频通道不一致性的问题，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明涉及的阵列天线的结构示意图；

图2为本发明涉及的阵列天线馈电网络结构示意图；

图3为本发明涉及的阵列天线驻波性能的仿真和测试结果；

图4为本发明涉及的阵列天线同时满足远距和中距探测的水平面方向图仿真与测试结果；

图5为本发明涉及的阵列天线垂直面方向图仿真与测试结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步的详细描述：

如图1所示，本发明涉及的阵列天线层次结构上包含上层金属结构1、介质基片2和下层金属结构3，其中金属层用阴影表示。整个阵列天线的功能结构包括馈电网络6，辐射单元5和基片集成波导到波导的转接结构8，沿着x方向有六个辐射单元5进行组阵。图中4所示均为金属化的通孔，其中辐射单元5采用了串馈微带阵列的结构形式，馈电网络6包含了基片集成波导功率分配器7和移相器11，基片集成波导到波导的转接结构可以将整个阵列天线结构和波导馈源连接起来。

如图2所示，为本发明涉及的天线阵列中最关键的部分——馈电网络，馈电网络整体上分为一路分六路基片集成波导功率分配器和移相器，其中一路分六路基片集成波导功率分配器采用的方案为先一路分三路9，接着，中间一路再通过两级一路分两路的基片集成波导功率分配器21和22分成四路，和两侧的两路一起构成六路。一路分六路基片集成波导功率分配器的具体结构为，首先一段基片集成波导与一个基片集成波导矩形腔10一条边通过中间的窗口相连，基片集成波导矩形腔10正中有一个由金属化通孔组成的正交十字形状，在基片集成波导矩形腔与输入端口相对的另一条边上开有三个耦合窗口23、24和25，以此形成了一个一路分三路的功率分配器9，其中两侧的耦合窗口23和25分别通过弯折形的基片集成波导引出，中间的耦合窗口24连接两级一路分两路的功率分配器后分成四路相同的基片集成波导通道，两侧通过弯折基片集成波导引出的通道的端口和中间四路相同的基片集成波导通道的端口保持平行。一分六路基片集成波导功率分配器的每个输出端口均接通过一段微带渐变线14与50欧姆的微带线（15~20）连接到一起，为了满足组阵对馈电网络每路输出幅度相位的要求，需要进行有移相器对相位进行控制，本发明中采用基片集成波导与微带传输线混合的技术设计移相器11，为了保证组阵的每个阵元的中心处于同一水平线上，馈电网络的输出端口15~20需要保持在同一水平面上，因此需要保持基片集成波导与微带传输线混合的移相器11的总长度不变，根据组阵对馈电网络的要求，中间四路16~19保持等幅同相馈电，边上的两路15和20与中间四路16~19保持同幅度，相位超前50度馈电，因此需要引入移相器11。通过调整移相器11中基片集成波导12和微带传输线13的相对长度，便可以在保持移相器11长度不变的情况下得到不同的相位输出。

一种具有特殊方向图的天线结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：选择合适的天线阵元结构，天线阵元结构应该满足应用对于垂直面的方向图波束要求，这里采用十单元的串馈微带线阵作为天线阵元，以满足垂直方向向±5°的波束宽度要求；通过商业电磁场软件仿真，调整天线阵元的相关结构参数，使其具有良好的驻波性能；

步骤二：确定阵元数目，阵元数目的确定需要结合雷达远距和中距作用对天线增益的要求以及对水平探测范围的要求；

步骤三：确定水平方向布阵时每两个天线阵元间的距离及每个天线阵元的激励的幅度和相位，借助于商业电磁场仿真软件，按照步骤一确定的天线阵元结构和步骤二确定的阵元数目建立水平方向组阵的电磁仿真模型，观察不同天线阵元距离、每个阵元激励的幅度和相位变化时水平面方向图的变化，确定合适的阵元距离以及每个天线阵元的激励的幅度和相位，使得天线的水平面方向图满足远距和中距探测的要求，且探测范围内方向图没有明显的零点；

步骤四：设计阵列天线馈电网络，使得馈电网络的每个通道间的距离，以及每个通道的输出满足步骤三中确定的阵元距离、已经阵元激励幅度和相位的要求，同时具有良好的驻波性能；

步骤五：将步骤一设计的天线阵元结构和步骤四设计的天线馈电网络组合到一起去，组成一个天线整体，利用商业电磁仿真软件进行仿真以及一些解雇参数的微调，获得满足要求的天线水平方向图和驻波性能。

为了验证该发明提供的阵列天线结构的性能，基于上述方法和结构并采用介电常数为2.2，厚度为0.254mm的微波板材加工了工作于W波段的用于验证的阵列天线的实物，采用矢量网络分析仪以及频率扩展设备进行了天线驻波的测试，测试结果如图3所示，测试结果与仿真结果均较好；利用远场暗室对天线的方向图进行了测试，分别如图4和图5所示，仿真与测试结果均达到了设计目标。对于阵列天线结构的相关仿真和测试结果均表明该发明所涉及的天线结构能够满足相关应用的需求。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种天线结构，包括辐射单元和馈电网络，馈电网络的输出端与辐射单元的输入端相连，其特征在于：所述馈电网络为轴对称结构，所述馈电网络包括一路分多路的基片集成波导功率分配器以及移相器，所述移相器连接在所述基片集成波导功率分配器的多路输出端上，所述辐射单元为以所述馈电网络的对称轴为中心的对称结构且连接在所述移相器的末端。

2.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于：所述基片集成波导功率分配器为一路分六路的结构，在每一个输出端上连接一个所述辐射单元。

3.根据权利要求2所述的天线结构，其特征在于：所述一路分六路的结构由一个一路分三路的功率分配器和两级一路分两路的功率分配器构成。

4.根据权利要求3所述的天线结构，其特征在于：所述一路分三路的功率分配器由一段基片集成波导结构与一个基片集成波导大矩形腔的一条边的中间部分相连组成，基片集成波导大矩形腔正中有一个有金属化通孔组成的正交十字形状，将输入的一路信号分成两路信号后，再通过后面的耦合窗口输出，在基片集成波导大矩形腔与输入信号开口相对的另一条边上开有三个耦合窗口，其中两侧的耦合窗口分别通过弯折形的基片集成波导引出，中间的耦合窗口连接所述两级一路分两路的功率分配器，所述两级一路分两路的功率分配器包括一级一路分两路的基片集成波导功率分配器和二级一路分两路的基片集成波导功率分配器，所述一级一路分两路的基片集成波导功率分配器连接在所述中间的耦合窗口，所述二级一路分两路的基片集成波导功率分配器为两个且连接在所述一级一路分两路的基片集成波导功率分配器的两路输出端口上，六路基片集成波导通道的输出端口通过连接所述的移相器后保持平行。

5.根据权利要求4所述的天线结构，其特征在于：所述六路基片集成波导通道的中间四路保持等幅同相馈电，边上的两路与中间四路保持同幅度，相位超前50度馈电。

6.根据权利要求3所述的天线结构，其特征在于：所述辐射单元采用串馈微带线阵的结构，每两个辐射单元之间采用不等间距排布。

7.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于：所述移相器由基片集成波导与微带传输线混合而成。

8.一种如权利要求1至7任一所述天线结构的设计方法，其特征在于，通过控制每个阵列单元馈电的幅度和相位，可以使得天线的水平面方向图在紧靠法向两边的一定角度范围内的部分呈现笔状，具有较高的增益，使其能够满足远距探测所需的增益要求，而水平方向图在远距探测角度范围之外和中距探测角度范围之内的部分具有水平台阶的形状或呈现缓慢下降的坡状。

9.根据权利要求8所述的设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一：天线阵元结构根据垂直面的方向图波束要求选择来选择确定，根据驻波性能要求调整天线阵元的相关结构参数；

步骤二：根据雷达远距和中距作用对天线增益的要求以及对水平探测范围的要求，确定阵元数目；

步骤三：根据天线的水平面方向图满足远距和中距探测的要求，确定水平方向布阵时每两个天线阵元间的距离及每个天线阵元的激励的幅度和相位；具体操作如下：将调节好的天线阵元沿着水平方向进行排列组阵；整个天线阵列的馈电保持沿中心线对称分布，保持中间几路的阵元等幅同相馈电，使其能够在法向上压缩波束，使整个天线水平面波束在法向左右一定角度内保持笔状；调节两侧的各路阵元的馈电的幅度和相位，相位与中间几路相比存在一定的差值，并且两侧各路的相位超前于中间各路，且越靠近边侧的阵元馈电相位越超前，幅度与中间几路相比不变或略有下降；借助于商用电磁仿真软件，建立相关模型按照上述步骤调节后，进行相关仿真，使得天线水平面方向图在需要的探测范围内不存在零点，水平方向图在远距探测角度范围之外和中距探测角度范围之内的部分具有水平台阶的形状或呈现缓慢下降的坡状，如果不满足则重复本步骤中的调节过程；

步骤四：设计阵列天线馈电网络，使得馈电网络的每个通道间的距离，以及每个通道的输出满足步骤三中确定的阵元距离、已经阵元激励幅度和相位的要求以及驻波性能；

步骤五：将步骤一设计的天线阵元结构和步骤四设计的天线馈电网络组合到一起去，组成一个天线整体。