CN106099395A - 一种多频共口径复合相控阵天线结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及天线设计技术领域，特别是一种多频共口径复合相控阵天线结构。本发明提供的天线结构将天线辐射阵面上与不同频段对应的辐射天线分为不同天线组别，其中至少一个天线组别中的辐射天线是规则的均匀布阵，而至少一个天线组别中的辐射天线是稀布阵，不同天线组别分别对应不同频段的射频通道，这样能够确保两种频段的阵列在波束扫描时均不会出现栅瓣，从而实现在同一天线口径空间内具有多频段工作模式。
Description
技术领域
本发明涉及天线设计技术领域，特别是一种多频共口径复合相控阵天线结构。
背景技术
相控阵天线因其具备快速的波束扫描、灵活的波束赋形、较高的可靠性等优点，被广泛应用于雷达制导和无线通信领域。传统的相控阵天线只有一种单频段单极化工作模式，这种模式可以满足普通雷达和普通通信系统应用的需求，但若想要使用同一雷达设备获取更多的目标信息或更为灵活的工作模式，这种只有一种单频段单极化工作模式的传统相控阵天线就无能为力了，此时就需要能够实现多种工作模式或多频段多级化工作模式的相控阵天线，而如果简单的将具有多频段多极化的天线阵面集成在一起，又容易出现各工作模式相互干扰，从而造成具有多频多极化工作模式的雷达整体系统的各个工作模式性能均受到影响，从而不能达到设计要求。
发明内容
本发明的发明目的在于针对传统相控阵天线只能工作在单频段单极化工作模式，且使用同一天线口径空间的具有多频段工作模式的相控阵天线如果随意设置天线阵面，又容易发生各频段互相干扰，造成系统无法正常工作问题，提供一种系统各频段之间互不影响或较少影响的，两个或多个频段的天线阵面共用一个天线口径空间的多频共口径相控阵天线结构。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种多频共口径复合相控阵天线结构，包括，
安装载板，所述安装载板上设置有用于固定安装射频连接器的安装通孔，所述安装通孔至少分为第一通孔组别与第二通孔组别，所述第一通孔组别和第二通孔组别中的安装通孔均成规则阵列交叉排列；
射频连接器阵列，用于与高频通道、低频通道、中频通道中的一种或多种连接；
天线辐射阵面，用于设置辐射天线阵列，所述辐射天线阵列至少分为第一天线组别和第二天线组别，所述第一天线组别呈规则阵列排列，第二天线组别呈稀布阵列排列；所述第一天线组别中的辐射天线与第一通孔组别中的射频连接器一一对应，第二天线组别中的辐射天线与第二通孔组别中的射频连接器一一对应。
优选的，所述辐射天线为喇叭天线、微带天线或缝隙天线。
进一步的，不同通孔组别中的安装通孔，分别用于安装不同频率的射频连接器，或分别用于安装同一频率的不同极化的射频连接器。
一些实施例中，所述第一通孔组别中的安装通孔用于安装低频射频连接器；所述第二通孔组别中的安装通孔用于安装高频射频连接器。
另外一些实施例中，所述安装通孔还包括第三通孔组别，所述第三通孔组别中的安装通孔成规则阵列排列；并用于安装中频射频连接器；
所述辐射天线阵列还包括第三天线组别；所述第三天线组别中的辐射天线与第三通孔组别中的中频射频连接器一一对应，且其为规则阵列排列或呈稀布阵排列。
另外一些实施例中，所述安装通孔还包括第四通孔组别，所述第四通孔组别中的安装通孔与第一通孔组别中的安装通孔一一对应相邻设置。
还有一些实施例中，所述第一通孔组别中的安装通孔用于安装低频水平极化射频连接器；所述第四通孔组别中的安装通孔用于安装低频垂直极化射频连接器；所述第二通孔组别中安装通孔用于安装高频射频连接器。
进一步的，每个所述低频水平极化射频连接器与其对应相邻设置的低频垂直极化射频连接器共用同一辐射天线；我们将该辐射天线称为低频双极化共用天线。
进一步的，所述安装载板为由一个或2个以上的完全相同的载板子模块拼接而成；
同时，所述天线辐射阵面为由一个或两个以上完全相同的天线子阵面拼接而成。
优选的，每个天线子阵面上的呈稀布排列的第二天线组别中，包含的辐射天线的数量为128个以下，更优选的是，第二天线组别中包含的辐射天线的数量为64个以下，这时，例如每个载板模块上可以分别含有64个低频和高频连接器，这是因为，所述第二通孔组别的天线辐射体的排列方式是通过稀布优化算法计算得出的稀布不规则阵列，而对于稀布算法来说，其所需计算的优化天线单元数量越多，则计算越复杂，需要的优化时间越长，且阵面尺寸过大会导致加工和装配的工艺变得复杂；但优化的天线辐射体数量太少，得不到好的优化效果，因此综合考虑，将天线子阵面的辐射天线数量限定在64个，与之对应的高低频天线通道数目也为64个，从而使得相控阵天线的阵面可以由完全相同的多个天线子阵面组成。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明提供一种多频共口径复合相控阵天线结构，其中多频共口径是指多种频段的射频连接器共用安装在同一安装载板上，本发明提供的天线结构通过在同一安装载板上将安装通孔设置为不同通孔组别，不同通孔组别中通孔分别呈规则排列，规则排列可降低生产成本并方便工艺制作，通过将不同频段（高频、中频、低频）的射频连接器设置在不同通孔组别的安装通孔中；同时，将天线辐射阵面上与不同频段对应的辐射天线分为不同天线组别，其中至少一个天线组别中的辐射天线是规则的均匀布阵，而至少一个天线组别中的辐射天线是稀布阵，不同天线组别分别对应不同频段的射频通道，这样能够确保两种频段的阵列在波束扫描时均不会出现栅瓣，从而实现在同一天线口径空间内具有多频段工作模式。
附图说明
图1为多频共口径复合的相控阵天线结构示意图；
图2为高低频均为单极化天线的安装载板上安装通孔示意图；
图3为高中低三个频段均为单极化的安装载板上安装通孔示意图；
图4为低频双极化和高频单极化的安装载板上安装通孔示意图；
图5是低频双极化共用天线单元示意图；
图6是双频共口径复合相控阵天线辐射阵面的示意图；
图7是本发明应用的稀布阵算法具体示例流程图；
附图标记：1-射频连接器阵列，14-低频水平极化射频连接器，15-低频垂直极化射频连接器，2-安装载板，21-第一通孔组别，22-第二通孔组别，23-第三通孔组别，24-第四通孔组别，3-天线辐射阵面，31-第一天线组别，32-第二天线组别，33-低频双极化共用天线，34-矩形锯齿边缘。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
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，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：如图1所示，本实施例提供一种多频共口径复合相控阵天线结构，包括，
安装载板22，所述安装载板上设置有用于固定安装射频连接器的安装通孔，所述安装通孔至少分为第一通孔组别21与第二通孔组别22，所述第一通孔组别和第二通孔组别中的安装通孔均成规则阵列交叉排列；同样的，也可根据需要将安装通孔设置为多个通孔组别，如三个通孔组别、四个通孔组别或五个通孔组别；此时，所有通孔组别的安装通孔成规则阵列交叉排列，这样设计的目的是为了产品的标准化、低成本和工程化考虑。
射频连接器阵列1，用于与高频通道、低频通道、中频通道中的一种或多种连接；
天线辐射阵面3，用于设置辐射天线阵列，所述辐射天线阵列至少分为第一天线组别31和第二天线组别32，所述第一天线组别31呈规则阵列排列，第二天线组别32呈稀布阵列排列；所述第一天线组别31中的辐射天线与第一通孔组别21中的射频连接器一一对应，第二天线组别32中的辐射天线与第二通孔组别21中的射频连接器一一对应。同样的，也可根据需要射频连接器通孔组别的数量设置更多天线组别，如三个天线组别、四个天线组别或五个天线组别；此时，至少其中第一天线组别31中的辐射天线成规则阵列排布，至少其中第二天线组别32中的辐射天线成稀布阵列排布，具体第二天线组别32中的辐射天线的位置布局根据稀布算法优化而来，该稀布算法不同于常见的数学稀布算法，需要扣除被第一天线组别31中的辐射天线的位置，具体如图7所示，应注意的是，通过不同的稀布算法会得出不同的稀布排列位置。
具体的，所述辐射天线可以是喇叭天线、微带天线或缝隙天线，同时，所述辐射天线的结构可以是单层结构、多层结构或者混合结构，
本实施例中，所述安装载板2上，不同通孔组别的安装通孔，分别用于安装不同频率的射频连接器，或分别用于安装同一频率的不同极化的射频连接器，不同频率的射频连接器例如可以是低频射频连接器、中频射频连接器或高频射频连接器；同一频率的不同极化射频连接器例如可以是同一频率的双极化射频连接器（如水平极化、垂直极化）或多极化射频连接器，如圆极化射频连接器、线极化射频连接器；射频连接器可以是SMP、SMA等类型。
应注意的是，各个实施例中，不同频段通道（高中低频或同频段中的不同极化通道）的数量可以相同，也可以不同。
具体的，本实施例中，稀布算法可以如图7所示的算法实行，具体流程如下：
（1）首先产生一初始种群，种群中的个体（高频段天线位置）都分布于阵面内扣除低频天线所占据的区域；初始化迭代次数，n=0；
（2）运用适应度函数计算个体的适应度值，若最优个体适应度值（ε 为设定的目标值）或者迭代次数n达到最大迭代次数，则算法停止运行，跳出循环并保留最优结果；否则，进入下一步；
（3）初始化i=1,i为每一代内个体的编号，其最大值为种群规模值；进入代内（第n代）循环。
（4）首先通过变异产生第i个实验个体，即通过变异产生实验变量vi，它的每一个基因（代表变量）变异方式如图中流程所示，其中与为第p 1与p 2个父代个体上的第j个基因，为父代最优个体上的第j个基因，为伸缩因子。变异完后判定该个体是否位于低频天线天线区域内，若是则重新进行变异操作，直到变异得到的新个体不在低频天线区域内；
（5）其次，通过交叉算子将vi与xi进行重组得到下一代个体yi，重组方式如图中所示，其中γ j 为0~1之间的随机数。当γ j <交叉概率时yi上的基因为，否则为。重组完后判定该个体是否位于低频天线区域内，若是则重新进行重组操作，直到重组得到的新个体不在低频区域内；
（6）运用适应度函数评估新个体yi，若适应度值，则用yi代替xi;接下来再判定是否小于最优值，若是则更新最优个体的编号；
（7）判定i是否为种群最大尺寸，若是，则进入下一代循环，更新n到n+1；否则，进行代内的循环；
（8）重复(2)~(7) 步骤，直到满足算法设置的要求为止。
实施例2：与实施例1不同在于，本实施例提供一种高频、低频均为单极化的共口径复合相控阵天线结构，本实施例中，所述安装载板2上的安装通孔只分为两个通孔组别，分别为第一通孔组别21、第二通孔组别22，图2给出了不同通孔组别的安装通孔区分示意图（如图2所示，图中圆形均表示第一通孔组别21中的通孔，正方形均表示第二通孔组别22中的通孔，该圆形及方形仅作为不同通孔组别区分，不代表真实的通孔形状），本实施例中，第一通孔组别21和第二通孔组别22中的安装通孔均成规则阵列排列，这样设计的目的是为了产品的标准化、低成本和工程化考虑；同时，如图6所示，与之对应的天线辐射结构也为两个天线组别，分别为第一天线组别31和第二天线组别32，其中第一天线组别31中的辐射天线成规则阵列排布并与第一通孔组别中安装的射频连接器一一对应，第二天线组别32中的辐射天线成稀布阵列排列（即不规则排列，阵列中的每个天线辐射体的位置根据如图7所示的稀布算法计算出，该算法中，将第一天线组别31的规则阵列辐射天线位置先行抠出，在空闲区域进行稀布布局），具体的，第一通孔组别21中安装通孔用于安装低频射频连接器，同时，第二通孔组别22中安装通孔用于安装高频射频连接器；众所周知的，低频射频连接器用于与相控阵雷达中低频通道连接，高频射频连接器用于与高频通道连接。此时，第一天线组别31中的辐射天线用于辐射相控阵雷达的中的低频电磁波，第二天线组别32中的天线辐射结构（即辐射天线）用于辐射高频电磁波。
均匀阵和稀布阵混合使用，是根据雷达系统应用需求，在波束扫描范围内，保证天线的波束不能出现栅瓣，不能出现栅瓣的原因一方面是为了避免能量分散造成系统探测距离的缩短；另一方面是为了避免栅瓣过高导致目标误判；但是，如果不同频率的通道（每个通道对应一个射频连接器）均为规则阵列并布满整个口径面时，高频阵面在波束扫描范围内会出现栅瓣，这是系统应用所不允许的；因此，本实施例中，在低频天线辐射结构（即第一天线组别31中的辐射天线）采用规则阵列并布满整个口径面的同时，高频阵列的天线辐射结构（即第二天线组别32中的辐射天线）采用稀布阵的非规则布局方式。
同时，具体应用时，相控阵雷达的低频一般是用于远距离跟踪探测，这需要较大的功率输出；而同时，高频用于近距离跟踪探测（如末段制导或成像等功能），这有对口径分辨率要求较高；即不同的工作频率有着不同的要求和性质；同时，在单通道辐射功率相同的前提下，理论上相控阵雷达天线通道数（每个通道对应一个天线辐射结构）越多，系统的发射功率越大，但同时通道的增多也会造成天线间的耦合增强、结构难以实现及散热困难等一系列问题，更为重要的是，通道数的增多也会带来成本的大幅上升，因此本实施例中，高频通道与低频通道数量相等。这样，即能保证低频段天线能够获得尽量大的输出功率，同时去除规则排列安装通孔后的的稀布排列方式也让高频段天线也能够具备大口径实现高分辨率。
本实施例中，每个单独的低频或高频通道均单独对应一个辐射天线，图6给出了本实施例中天线辐射阵面3典型的辐射天线分布图，我们可以看到，图中与低频通道连接的第一天线组别31成规则矩阵排列，而与高频通道连接的第二天线组别32成稀布不规则排列；应注意的是，图6中第一天线组别31及第二天线组别32的形状仅为区别两者，不代表真实的天线形状。
实施例3：与实施例1不同在于，本实施例提供一种高频、中频、低频均为单极化的共口径复合相控阵天线结构，本实施例中，如图3所示，所述安装载板2上的安装通孔分为三个通孔组别，分别为第一通孔组别21、第二通孔组别22、第三通孔组别23；其中，第一通孔组别21中安装通孔用于安装低频射频连接器，第二通孔组别22中安装通孔用于安装高频射频连接器，第三通孔组别23中安装通孔用于安装中频射频连接器；同样的，第一通孔组别21、第二通孔组别22及第三通孔组别23中安装通孔均呈规则阵列交叉排列，不同通孔组别的规则阵列可以相同或不同（不同是指，如通孔之间的距离不同）；
与之对应的天线辐射阵面3上的辐射天线也为三个天线组别，分别为第一天线组别31和第二天线组别32及第三天线组别，其中第一天线组别31中的辐射天线成规则阵列排布并与第一通孔组别中安装的射频连接器一一对应，第二天线组别32中的辐射天线成稀布阵列排列，第三天线组别中的天线阵列可根据情况呈规则阵列排列或呈稀布阵列排列具体的，应注意的是，不同的稀布算法会得出不同的稀布排列方式；
本实施例中，第一通孔组别21中安装通孔用于安装低频射频连接器，同时，第二通孔组别22中安装通孔用于安装高频射频连接器；第三通孔组别23中用于安装中频射频连接器，众所周知的，低频射频连接器用于与相控阵雷达中低频通道连接，高频射频连接器用于与高频通道连接，而中频射频连接器用于与中频通道连接。此时，第一天线组别31中的辐射天线用于辐射相控阵雷达的中的低频电磁波，第二天线组别32中的天线辐射结构（即辐射天线）用于辐射高频电磁波；而第三天线组别中的天线辐射结构（即辐射天线）用于辐射中频电磁波。
同样的，第二天线组别32及第三天线组别中各个辐射天线的位置均为去除以设置的其他组别辐射天线位置后，通过特定稀布算法得出。
应注意的是，图3中通孔形状仅作为不同通孔组别区分，不代表真实的通孔形状为图中所示；同时，图3中不同通孔组别相互位置仅为示例，不代表个通孔组别仅能以该方式实现。
实施例4：与实施例1不同在于，本实施例提供一种低频双极化和高频单极化的共口径复合相控阵天线结构，本实施例中，如图4所示，所述安装载板2上的安装通孔分为三个通孔组别，分别为第一通孔组别21、第二通孔组别22、第四通孔组别24；所述第四通孔组别24中的安装通孔与第一通孔组别21中的安装通孔一一对应相邻设置；
其中，第一通孔组别21、第四通孔组别24中安装通孔均用于安装低频射频连接器，不同点在于，第一通孔组别21中低频射频连接器用于连接低频水平极化通道；所述第四通孔组别24安装通孔中低频射频连接器用于连接低频垂直极化通道；第一通孔组别21中安装通孔与第四通孔组别24中安装通孔分别一一相邻对应且成规则阵列排列，所述第二通孔组别22中安装通孔用于安装高频射频连接器，其用于连接高频通道。如图5所示，本实施例中，每一个低频水平极化射频连接器14（与低频水平极化通道连接）和其对应的低频垂直极化射频连接器14（与低频垂直极化通道连接）共用同一天线辐射结构（辐射天线），我们将该天线称为低频双极化共用天线，即本实施例中，天线辐射阵面3上的辐射天线还是分为两个天线组别，分别为第一天线组别31、第二天线组别32，其中第一天线组别31呈规则排列，且，第一天线组别31中的每个辐射天线均为低频双极化共用天线；而与高频通道对应的第二天线组别32中的辐射天线依然呈稀布阵列排列。
且对应的第一天线组合阵列同样为规则排布，第二通孔组别22中的安装通孔对应的天线辐射结构成稀布阵列排列；同时，第二天线组别32中安装通孔对应的天线辐射结构（辐射天线）的稀布阵列依然是在第一通孔组别21、第三通孔组别23对应的第一天线组别31规则矩阵设置好后，通过将第一天线组别31中天线辐射结构位置均去除后，通过稀布算法计算得来。
具体的，另外一些实施例中，同频率的不同极化通道也可以分别单独对应一个天线辐射结构（辐射天线），只是该方式中，天线辐射阵面3上的辐射天线需要三个天线组别，且三个天线组别中的天线分别对应低频水平极化通道、低频垂直极化通道和高频通道，这就意味着该种方式中，辐射天线数量更多，且其需要占用更大的天线辐射阵面3空间。
实施例5：本实施例同样提供一种多频共口径复合相控阵天线结构，但与实施例1不同点在于，本实施例中，所述安装载板2为由2个以上的相同的载板模块拼接而成的整体，同时，所述天线辐射阵面3为由两个以上完全相同的天线子阵面拼接而成的整体。这是因为，案子载板上第二天线组别32中的辐射天线的排列方式是通过稀布优化算法计算得出的稀布不规则阵列，而对于稀布算法来说，其所需优化的辐射天线数量越多，则计算越复杂，进而导致生产和装配工艺越复杂；但若优化太少，得不到好的优化效果，因此综合考虑，将天线子阵面的连接器高低频数量均限定在64个，从而对应的高低频天线单元数目也分别为64个，从而使得相控阵天线的阵面可以由完全相同的多个天线子阵面组成，
同时，本实施例中，为了方便后续工序中各个天线子阵面的拼合，天线子阵面边缘做异形处理，且该异形可满足相同天线子阵面的拼合需求，如图6所示的矩形锯齿边缘34。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多频共口径复合相控阵天线结构，其特征在于，包括，
安装载板，所述安装载板上设置有用于固定安装射频连接器的安装通孔，所述安装通孔至少分为第一通孔组别与第二通孔组别，所述第一通孔组别和第二通孔组别中的安装通孔均成规则阵列交叉排列；
射频连接器阵列，用于与高频通道、低频通道、中频通道中的一种或多种连接；
天线辐射阵面，用于设置辐射天线阵列，所述辐射天线阵列至少分为第一天线组别和第二天线组别，所述第一天线组别呈规则阵列排列，第二天线组别呈稀布阵列排列；所述第一天线组别中的辐射天线与第一通孔组别中的射频连接器一一对应，第二天线组别中的辐射天线与第二通孔组别中的射频连接器一一对应。
2.如权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述辐射天线为喇叭天线、微带天线或缝隙天线。
3.如权利要求1所述的天线结构，其特征在于，不同通孔组别中的安装通孔，分别用于安装不同频率的射频连接器，或分别用于安装同一频率的不同极化的射频连接器。
4.如权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述第一通孔组别中的安装通孔用于安装低频射频连接器；所述第二通孔组别中的安装通孔用于安装高频射频连接器。
5.如权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述安装通孔还包括第三通孔组别，所述第三通孔组别中的安装通孔成规则阵列排列；并用于安装中频射频连接器；
所述辐射天线阵列还包括第三天线组别；所述第三天线组别中的辐射天线与第三通孔组别中的中频射频连接器一一对应，且其为规则阵列排列或呈稀布阵排列。
6.如权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述安装通孔还包括第四通孔组别，所述第四通孔组别中的安装通孔与第一通孔组别中的安装通孔一一对应相邻设置。
7.如权利要求6所述的天线结构，其特征在于，所述第一通孔组别中的安装通孔用于安装低频水平极化射频连接器；所述第四通孔组别中的安装通孔用于安装低频垂直极化射频连接器；所述第二通孔组别中安装通孔用于安装高频射频连接器。
8.如权利要求7所述的天线结构，其特征在于，每个所述低频水平极化射频连接器与其对应相邻设置的低频垂直极化射频连接器共用同一辐射天线。
9.如权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述安装载板为由一个或2个以上的完全相同的载板子模块拼接而成；
同时，所述天线辐射阵面为由一个或两个以上完全相同的天线子阵面拼接而成。
10.如权利要求1所述的天线结构，其特征在于，每个天线子阵面上的呈稀布排列的第二天线组别中，包含的辐射天线的数量为128个以下。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20161109 |