CN107290725B - 高隔离圆极化平衡雷达射频前端结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高隔离圆极化平衡雷达射频前端结构，包括两层介质板、设置在顶层介质板上的四个2×2微带切角圆极化天线子阵和设置在底层介质板上的馈电网络，两层介质板的金属地相接；馈电网络包括四个馈电探针、两个环形耦合器、两个正交耦合器、接地贴片、两个匹配电阻、信号发射端和信号接收端。本发明结构简单、成本低、可靠性高，能够较容易收发两端良好的隔离，提高抗干扰的能力，同时作为平衡雷达前端系统能够在较好实现泄露对消的同时解决天线反射和部分耦合的问题，可应用于多种要求收发共用、高隔离度的雷达通信与近程探测场合中。
Description
技术领域
本发明属于雷达通信与近程探测技术领域，特别是一种高隔离圆极化平衡雷达射频前端结构。
背景技术
随着近程探测、微电子、高速信号处理等技术的发展，近程探测连续波雷达的开始在民用领域中崭露头角，其中广为人知的要数汽车防撞雷达和测速雷达，它们的应用给人们的生活带来了巨大的方便。通常，为了获得更简单的结构、占用更小的空间、尽可能的降低成本，一般近程探测连续波雷达都采用收发共用的天线结构。收发共用天线是近程探测雷达中重要的部分，是实现整个系统良好性能必不可少的器件。但在收发共用天线结构中同时存在较大的缺陷：由于收发共用结构中采用环形器的隔离度有限，发射信号会泄露到接收部分，这会降低系统的准确性，甚至当泄露较严重时，会使系统发生误判，因此发射信号泄露这一问题成为提高近程探测雷达准确性的主要障碍。为了解决这一问题，泄露对消技术开始越来越多的应用在近程探测雷达系统中。
目前，在近程探测雷达系统中应用的较多的为主动有源对消技术，这是因为主动有源对消具有适应性强、对消结构多变、数字或者模拟方法实现多、能够对消噪声信号、易于集成到系统之中等等一系列优点。但是有源泄漏对消技术依然存在一些难以克服的问题，如当连续波雷达运用于毫米波频段时，有源泄漏对消结构变得复杂，且高频段高性能的矢量调制器很难实现，导致有源泄漏对消在毫米波段对消效果欠佳，而且有源泄漏对消本身模块多，有闭环延时，干扰来源多，且调试较为复杂严格，整体协调一致性要求高。相比较而言，无源泄漏对消则放弃采用矢量调制器等有源器件，采用无源网络，结构简单，干扰来源少，成本低，几乎没有频段限制而得到越来越多研究者的关注。无源泄露对消技术的核心在于使用无源互易器件组成网络代替传统的环形器来实现收发同时工作的同时，抑制发射信号的泄漏，达到与有源泄漏对消同样的效果。在无源泄露对消技术开始被使用在近程探测雷达系统中来提高收发隔离度的同时，使用圆极化天线作为收发共用天线来进一步提高近程探测雷达系统性能也开始逐渐成为一种趋势。相比于线极化天线而言，圆极化天线可以接收任意方向线极化波，任意线极化天线都可以接收圆极化波，比线极化波有更多的极化信息；圆极化具有旋向正交性，这在通信、雷达的极化分集工作中应用较广；还有当圆极化波入射对称圆目标时会发生反射信号极化扭转，这一特性在移动通信和GPS领域中用来抗雨衰和多径反射。其中比较成功实现无源泄露对消和圆极化结合的是近几年由Han LimLee等人提出的圆极化平衡雷达技术，该技术采用无源模块诸如正交耦合器、兰格耦合器、六端口等搭建收发通道共用且结构上对称的网络来替代环形器，利用结构平衡对称性，并合理分配相位关系来达到泄漏对消的效果，虽然结构中用双馈法设计了两个圆极化天线，但由于没有考虑到天线组阵中空间叠加形成的信号能量损失，使得最终的结构仅能实现线极化，同时损失了一半能量。
目前的近程探测雷达系统都没有考虑利用解决发射信号泄露的问题的无源对消网络同时实现收发共用天线达到圆极化特性或者改善收发天线圆极化特性，因此如果可以通过合理设计无源对消网络和收发共用天线实现近程探测雷达的高隔离和圆极化特性，那么这种雷达前端拓扑结构将得到长足的应用与发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高隔离圆极化平衡雷达射频前端结构。
实现本发明目的的技术方案为：一种高隔离圆极化平衡雷达射频前端结构，包括顶层介质板、底层介质板、设置在顶层介质板上的四个2×2微带切角圆极化天线子阵和设置在底层介质板上的馈电网络，两层介质板的金属地相接；
所述馈电网络包括四个馈电探针、第一环形耦合器、第二环形耦合器、第一正交耦合器、第二正交耦合器、接地贴片、第一匹配电阻、第二匹配电阻、信号发射端和信号接收端；
所述信号发射端与第一环形耦合器的输入端连接，第一环形耦合器的两个差分输出端分别与第一正交耦合器和第二正交耦合器的输入端连接，第一正交耦合器的耦合端和直通端分别与第一馈电探针和第三馈电探针连接，第二正交耦合器的耦合端和直通端分别与第二馈电探针和第四馈电探针连接，第一馈电探针～第四馈电探针分别与第一2×2微带切角圆极化天线子阵～第四2×2微带切角圆极化天线子阵连接；
第一正交耦合器和第二正交耦合器的隔离端分别与第二环形耦合器的两个差分输入端相连，第二环形耦合器的输出端与信号接收端连接；所述第一环形耦合器和第二环形耦合器的隔离端分别通过第一匹配电阻、第二匹配电阻与接地贴片连接。
进一步的，第二2×2微带切角圆极化天线子阵由第一2×2微带切角圆极化天线子阵旋转180°得到，第三2×2微带切角圆极化天线子阵由第四2×2微带切角圆极化天线子阵旋转180°得到；若所有2×2微带切角圆极化天线子阵为左旋圆极化天线，则第三2×2微带切角圆极化天线子阵由第一2×2微带切角圆极化天线子阵逆时针旋转90°得到；若所有2×2微带切角圆极化天线子阵为右旋圆极化天线，则第三2×2微带切角圆极化天线子阵由第一2×2微带切角圆极化天线子阵顺时针旋转90°得到。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明采用无源的泄露对消网络作为微带圆极化天线阵的馈电网络，结构简单、稳定；(2)本发明收发天线共用，从而使系统结构大大简化，再降低成本的同时实现小型化；(3)本发明实现了发射信号的泄露对消，天线反射的消除和天线耦合效应的削弱，解决了单天线系统存在的多数问题；(4)整个射频前端结构在不增加馈电网络结构复杂性的基础上，巧妙的通过将天线子阵进行旋转实现整个天线阵的圆极化特性；(5)本发明将馈电网络和微带天线阵分为两层，避免了馈电网络对天线阵性能的影响；(6)整个射频前端结构多采用微带线构成，成本低，体积小，易于制作，可实现宽带化。
附图说明
图1为本发明高隔离圆极化平衡雷达射频前端结构的立体结构图。
图2为本发明高隔离圆极化平衡雷达射频前端结构的顶层圆极化天线结构图。
图3为本发明高隔离圆极化平衡雷达射频前端结构的底层馈电网络结构图。
图4为本发明高隔离圆极化平衡雷达射频前端结构的仿真的S参数图。
图5为本发明高隔离圆极化平衡雷达射频前端结构的仿真交叉极化图。
图6为本发明高隔离圆极化平衡雷达射频前端结构的仿真轴比随着辐射角度变化图。
图7为本发明高隔离圆极化平衡雷达射频前端结构的仿真最大辐射方向轴比随频率变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做出进一步详细说明。
结合图1、图2，本发明的一种高隔离圆极化平衡雷达射频前端结构，包括顶层介质板、底层介质板、设置在顶层介质板上的第一2×2微带切角圆极化天线子阵1、第二2×2微带切角圆极化天线子阵2、第三2×2微带切角圆极化天线子阵3和第四2×2微带切角圆极化天线子阵4以及设置在底层介质板上的馈电网络，两层介质板的金属地相接；
结合图3，所述馈电网络包括第一馈电探针5-1、第二馈电探针5-2、第三馈电探针5-3、第四馈电探针5-4、第一环形耦合器6-1、第二环形耦合器6-2、第一正交耦合器7-1、第二正交耦合器7-2、接地贴片8、第一匹配电阻9-1、第二匹配电阻9-2、信号发射端10和信号接收端11；
所述信号发射端10与第一环形耦合器6-1的输入端连接，第一环形耦合器6-1的两个差分输出端分别与第一正交耦合器7-1和第二正交耦合器7-2的输入端连接，第一正交耦合器7-1的耦合端和直通端分别与第一馈电探针5-1和第三馈电探针5-3连接，第二正交耦合器7-2的耦合端和直通端分别与第二馈电探针5-2和第四馈电探针5-4连接，第一馈电探针5-1～第四馈电探针5-4分别与第一2×2微带切角圆极化天线子阵1～第四2×2微带切角圆极化天线子阵4连接；
第一正交耦合器7-1和第二正交耦合器7-2的隔离端分别与第二环形耦合器6-2的两个差分输入端相连，第二环形耦合器6-2的输出端与信号接收端11连接；所述第一环形耦合器6-1和第二环形耦合器6-2的隔离端分别通过第一匹配电阻9-1、第二匹配电阻9-2与接地贴片8连接。
进一步的，第二2×2微带切角圆极化天线子阵2由第一2×2微带切角圆极化天线子阵1旋转180°得到，第三2×2微带切角圆极化天线子阵3由第四2×2微带切角圆极化天线子阵4旋转180°得到；若所有2×2微带切角圆极化天线子阵为左旋圆极化天线，则第三2×2微带切角圆极化天线子阵3由第一2×2微带切角圆极化天线子阵1逆时针旋转90°得到；若所有2×2微带切角圆极化天线子阵为右旋圆极化天线，则第三2×2微带切角圆极化天线子阵3由第一2×2微带切角圆极化天线子阵1顺时针旋转90°得到。
四个2×2微带切角圆极化天线子阵的结构完全相同，阵元间距为0.75λ，切角均为等腰直角三角形，直角边边长为0.04λ，λ为电磁波波长。
每个2×2微带切角圆极化天线子阵包括4个贴片单元、四个λ/4波长阻抗变换器、两个T型功分器和馈电端，4个贴片单元通过四个λ/4波长阻抗变换器与两个T型功分器等分输出端连接，两个T型功分器输入端与馈电端连接，馈电端与对应的馈电探针连接。
两个匹配电阻的电阻值与两个环形耦合器的隔离端口的特性阻抗相等。
两个环形耦合器和两个正交耦合器之间通过微带线连接，微带线的特性阻抗与环形耦合器和正交耦合器的端口阻抗相等。
工作时，发射信号通过信号发射端10进入第一环形耦合器6-1分成两路幅度相等、相位差180°的信号，每路信号再分别经过第一正交耦合器7-1和第二正交耦合器7-2分成幅度相等、相位差90°的信号，因此到达第一馈电探针5-1、第二馈电探针5-2、第三馈电探针5-3和第四馈电探针5-4的信号幅度相，相位依次为0°、180°、90°、和270°，然后通过上层的四个2×2微带切角圆极化天线阵进行发射；被第一环形耦合器6-1分成两路的发射信号经过正交耦合器到达上层天线阵的同时也会有部分经过正交耦合器的隔离端口泄露出去，但这泄露的部分信号幅度相等、相位上差180°，因此再经过与信号接收端11相连的第二环形耦合器6-2会叠加相消；同时第一馈电探针5-1和第二馈电探针5-2处天线馈电反射信号相位也差180°，因此通过正交耦合器到达信号发射端10和信号接收端11部分也会相互抵消，同理第三馈电探针5-3和第四馈电探针5-4处天线馈电反射信号也可相互抵消；由于整个结构对称，第一馈电探针5-1至第二馈电探针5-2间的互耦信号和第二馈电探针5-2至第一馈电探针5-1的互耦信号幅度相同、相位相反，因此可以相互抵消，同理可知其他馈电点处间的互耦可以被相互抵消。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例
结合图1，本实施例的高隔离圆极化平衡雷达射频前端结构的顶层介质板采用介电常数为2.2、厚度为1mm的Rogers 5880介质板，底层采用介电常数为3.55、厚度为0.813mm的Rogers 4003介质板，馈电探针的直径为0.6mm。
结合图2，顶层天线阵由四个2×2微带切角圆极化天线子阵构成，微带贴片的切角直角边边长为2.2mm，天线贴片单元间距为45mm。
两个匹配电阻的电阻值、两个环形耦合器的端口特性阻抗、两个正交耦合器的端口特性阻抗均为50Ω。
图4为本发明高隔离圆极化平衡雷达射频前端装置的仿真S参数图，由图可知系统的信号发射端和信号接收端实现了良好的隔离，在其谐振的中心频率处隔离度可达到-65dB以下；图5为本发明高隔离圆极化平衡雷达射频前端的仿真交叉极化图，从图中可看出整个系统可达到较高的增益(20dB左右)同时交叉极化也得到明显的削弱；图6和图7分别为本发明高隔离圆极化平衡雷达射频前端的仿真轴比随着辐射角度变化图及在最大辐射方向上轴比随频率变化图，表现出整个射频系统能够在较大角度和较宽频带内实现圆极化性能。
综上所述，本发明高隔离圆极化平衡雷达射频前端装置全部由无源器件构成，结构简单可靠；同时直接以底层对消网络作为天线的馈电网络，通过适当旋转顶层天线子阵以实现整个装置的圆极化性能，避免了对对消网络的改动，大大简化了整个装置的复杂性；所设计的馈电网络充分考虑了单天线系统中存在的发射信号泄露、天线反射信号和天线互耦信号对系统的干扰等问题，通过差分对消手段大大提高了天线的圆极化和隔离特性，削弱了发射信号对装置的串扰；该射频前端装置将馈电网络和微带天线阵分离开来，避免了馈电网络辐射对天线性能的影响，使整个装置性能更佳，因此在近程探测和小型连续波雷达领域将得到长足的应用和发展。
Claims (3)
1.一种高隔离圆极化平衡雷达射频前端结构，其特征在于，包括顶层介质板、底层介质板、设置在顶层介质板上的四个2×2微带切角圆极化天线子阵(1，2，3，4)和设置在底层介质板上的馈电网络，两层介质板的金属地相接；
所述馈电网络包括四个馈电探针(5-1，5-2，5-3，5-4)、第一环形耦合器(6-1)、第二环形耦合器(6-2)、第一正交耦合器(7-1)、第二正交耦合器(7-2)、接地贴片(8)、第一匹配电阻(9-1)、第二匹配电阻(9-2)、信号发射端(10)和信号接收端(11)；
所述信号发射端(10)与第一环形耦合器(6-1)的输入端连接，第一环形耦合器(6-1)的两个差分输出端分别与第一正交耦合器(7-1)和第二正交耦合器(7-2)的输入端连接，第一正交耦合器(7-1)的耦合端和直通端分别与第一馈电探针(5-1)和第三馈电探针(5-3)连接，第二正交耦合器(7-2)的耦合端和直通端分别与第二馈电探针(5-2)和第四馈电探针(5-4)连接，第一馈电探针(5-1)～第四馈电探针(5-4)分别与第一2×2微带切角圆极化天线子阵(1)～第四2×2微带切角圆极化天线子阵(4)连接；
第一正交耦合器(7-1)和第二正交耦合器(7-2)的隔离端分别与第二环形耦合器(6-2)的两个差分输入端相连，第二环形耦合器(6-2)的输出端与信号接收端(11)连接；所述第一环形耦合器(6-1)和第二环形耦合器(6-2)的隔离端分别通过第一匹配电阻(9-1)、第二匹配电阻(9-2)与接地贴片(8)连接；
第二2×2微带切角圆极化天线子阵(2)由第一2×2微带切角圆极化天线子阵(1)旋转180°得到，第三2×2微带切角圆极化天线子阵(3)由第四2×2微带切角圆极化天线子阵(4)旋转180°得到；若所有2×2微带切角圆极化天线子阵为左旋圆极化天线，则第三2×2微带切角圆极化天线子阵(3)由第一2×2微带切角圆极化天线子阵(1)逆时针旋转90°得到；若所有2×2微带切角圆极化天线子阵为右旋圆极化天线，则第三2×2微带切角圆极化天线子阵(3)由第一2×2微带切角圆极化天线子阵(1)顺时针旋转90°得到；
四个2×2微带切角圆极化天线子阵的结构完全相同，阵元间距为0.75λ，切角均为等腰直角三角形，直角边边长为0.04λ，λ为电磁波波长；
每个2×2微带切角圆极化天线子阵包括4个贴片单元、四个λ/4波长阻抗变换器、两个T型功分器和馈电端，4个贴片单元通过四个λ/4波长阻抗变换器与两个T型功分器等分输出端连接，两个T型功分器输入端与馈电端连接，馈电端与对应的馈电探针连接。
2.根据权利要求1所述的高隔离圆极化平衡雷达射频前端结构，其特征在于，两个匹配电阻的电阻值与两个环形耦合器的隔离端口的特性阻抗相等。
3.根据权利要求1或2所述的高隔离圆极化平衡雷达射频前端结构，其特征在于，两个环形耦合器和两个正交耦合器之间通过微带线连接，微带线的特性阻抗与环形耦合器和正交耦合器的端口阻抗相等。
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |