CN107706545A - 一种具有宽角扫描功能的cts阵列天线系统 - Google Patents

一种具有宽角扫描功能的cts阵列天线系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统，CTS天线阵面和平板波导馈源之间接入一对准平面波离散装置，实现了对入射的准平面波的离散化，并转换到同轴模式，还省去了传统的功分网络；通过设置在一对准平面波离散装置之间的有源组件，实现了波束的相控扫描，从而实现较小的馈电损耗和较低的热耗。可见，本发明所述的具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统，具有宽频带、高增益、宽角扫描的特性，同时还具有低剖面、低成本、低热耗的优点。

Description

一种具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统。
背景技术
目前常用的机械可动反射面天线，包络尺寸较大；而传统的一维扫描相控阵天线，多采用波导缝隙线元、微带线元、振子线元等。对于一维扫描波导缝隙天线来说，随着阵元增益的增加，阵元的工作频带会变窄，很难满足宽频带要求；对于一维扫描微带线元和振子线元来说，需要功率合成网络，随着阵元增益的增加，网络损耗会增大，相应的，热耗也会较大。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统，在满足宽频带、高增益、宽角扫描特性的同时，又具有低剖面、低成本、低热耗的优点。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统，包括：CTS天线阵面(1)、一对准平面波离散装置、平板波导馈源(3)、有源组件(4)和波控组件(5)；其中，所述一对准平面波离散装置，包括：第一准平面波离散装置(21)和第二准平面波离散装置(22)；
CTS天线阵面(1)的射频接口为平板波导；
平板波导馈源(3)的输入口为标准波导，输出口为平板波导；
有源组件(4)的射频接口为N路同轴连接器；
CTS天线阵面(1)和平板波导馈源(3)之间接入所述一对准平面波离散装置，有源组件(4)设置在所述一对准平面波离散装置之间，以实现CTS天线阵面(1)的射频接口和平板波导馈源(3)的输出口与N路同轴连接器的转换；
波控组件(5)与有源组件(4)连接，控制有源组件(4)的输出相位，以实现波束相控扫描。
在上述具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统中，
平板波导馈源(3)通过弯波导与第二准平面波离散装置(22)连接；
CTS天线阵面(1)与第一准平面波离散装置(21)连接。
在上述具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统中，
所述弯波导为：90°弯波导。
在上述具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统中，
有源组件(4)设置在所述CTS天线阵面(1)下方，分别与所述第一准平面波离散装置(21)和所述第二准平面波离散装置(22)对插。
在上述具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统中，
CTS天线阵面(1)为并联结构CTS阵列天线。
在上述具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统中，
CTS天线阵面(1)为6级并联结构CTS阵列天线，包括64个辐射枝节；
CTS天线阵面(1)的辐射阵面尺寸为360mm*240mm。
在上述具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统中，所述平板波导馈源(3)，包括：H面扼流槽喇叭(31)、扁盒反射器(32)和吸波材料(33)；
扁盒反射器(32)采用偏馈形式，扁盒反射器(32)的高度与准平面波离散装置的平板波导高度一致；
H面扼流槽喇叭(31)与所述扁盒反射器(32)共用金属底板和盖板；其中，H面扼流槽喇叭(31)的相位中心位于扁盒反射器(32)的焦点，扁盒反射器(32)的偏置距离，满足避开H面扼流槽喇叭(31)遮挡的要求；
吸波材料(33)黏贴在所述扁盒反射器(32)的直边上。
在上述具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统中，第一准平面波离散装置(21)与第二准平面波离散装置(22)的结构相同；
其中，所述第一准平面波离散装置(21)，包括：一端封闭的平板波导腔(211)、N元微带天线阵列(212)、金属探针组(213)和准平面波离散装置N路同轴连接器(214)；
金属探针组(213)将平板波导腔(211)分隔成N个单元；
N元微带天线阵列(212)插入在平板波导腔(211)的N个单元中间；
N元微带天线阵列(212)与所述准平面波离散装置N路同轴连接器(214)焊接在一起；
所述准平面波离散装置N路同轴连接器(214)排布在所述平板波导腔(211)的一侧或两侧。
在上述具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统中，
准平面波离散装置N路同轴连接器(214)的排布间距小于0.5λ；其中，λ表示一个空气波长。
在上述具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统中，还包括：覆铜介质板(6)；
覆铜介质板(6)上刻蚀有圆极化栅图形；
覆铜介质板(6)固定在CTS天线阵面(1)上方。
本发明具有以下优点：
本发明公开了一种具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统，CTS天线阵面和平板波导馈源之间接入一对准平面波离散装置，实现了对入射的准平面波的离散化，并转换到同轴模式，还省去了传统的功分网络；通过设置在一对准平面波离散装置之间的有源组件实现波束的相控扫描，从而实现较小的馈电损耗和较低的热耗。可见，本发明所述的具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统，具有宽频带、高增益、宽角扫描的特性，同时还具有低剖面、低成本、低热耗的优点。
附图说明
图1是本发明实施例中一种具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统的结构示意图；
图2是本发明实施例中一种具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统的结构框图；
图3是本发明实施例中一种有源组件和波控组件的示意图；
图4是本发明实施例中一种CTS天线阵面的局部结构示意图；
图5是本发明实施例中一种平板波导馈源的结构示意图；
图6是本发明实施例中一种准平面波离散装置的爆炸图；
图7是本发明实施例中一种圆极化栅示意图；
图8是本发明实施例中一种CTS天线阵面的驻波比的示意图；
图9是本发明实施例中一种CTS天线阵面的方向图；
图10是本发明实施例中一种CTS天线阵面圆极化栅的插入损耗的示意图；
图11是本发明实施例中一种CTS天线阵面圆极化栅的传输相位的示意图；
图12是本发明实施例中一种准平面波离散装置的驻波比的示意图；
图13是本发明实施例中一种准平面波离散装置的端口隔离度的示意图；
图14是了本发明实施例中一种阵列天线系统扫描波束示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公共的实施方式作进一步详细描述。
参照图1，示出了本发明实施例中一种具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统的结构示意图。参照图2，示出了本发明实施例中一种具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统的结构框图。在本实施例中，所述具有宽角扫描功能的CTS(Continuous Transverse Stub，CTS，连续横向枝节)阵列天线系统的结构，包括：CTS天线阵面1、一对准平面波离散装置、平板波导馈源3、有源组件4和波控组件5。其中，所述一对准平面波离散装置，包括：第一准平面波离散装置21和第二准平面波离散装置22。
如图1和图2，CTS天线阵面1的射频接口为平板波导；平板波导馈源3的输入口为标准波导，输出口为平板波导；有源组件4的射频接口为N路同轴连接器。CTS天线阵面1和平板波导馈源3之间接入所述一对准平面波离散装置，有源组件4设置在所述一对准平面波离散装置之间，以实现CTS天线阵面1的射频接口和平板波导馈源3的输出口与N路同轴连接器的转换，也即，实现了标准波导与N路同轴连接器的转换。波控组件5与有源组件4连接，控制有源组件4的输出相位，以实现波束相控扫描。
在本实施例中，整个CTS阵列天线系统的射频接口位于平板波导馈源3，在平板波导馈源3和CTS天线阵面1之间，由于使用了一对准平面波离散装置，因此，实现了平板波导与N路同轴连接器的转换，进而，可以接入有源组件4，并在波控组件5的控制下，实现波束一维扫描。
在本发明一优选实施例中，平板波导馈源3通过弯波导与第二准平面波离散装置22连接；CTS天线阵面1与第一准平面波离散装置21连接。其中，所述弯波导具体可以为：90°弯波导。
在本发明一优选实施例中，有源组件4设置在所述CTS天线阵面1下方，分别与所述第一准平面波离散装置21和所述第二准平面波离散装置22对插。
参照图3，示出了本发明实施例中一种有源组件和波控组件的示意图。有源组件4和波控组件5共用金属壳体，分为对称的两部分，对称置于CTS天线阵面1下方，一方面，有源组件4可以与所述第一准平面波离散装置21和所述第二准平面波离散装置22实现对插，另一方面，有源组件4可以利用CTS天线阵面1的背板来实现散热，在实现宽频带、高增益、宽角扫描的同时，还具有低剖面、低成本、低热耗等优点。
在本发明一优选实施例中，CTS天线阵面1为并联结构CTS阵列天线。
在本实施例中，CTS天线阵面1射频输入口为平板波导，为实现宽频特性，采用了多级并联馈电的方式，准平面波沿并联的平板波导传输至最末级即连续横向枝节，然后进行辐射。如图4，示出了本发明实施例中一种CTS天线阵面的局部结构示意图，可以看出，CTS天线阵面1利用金属条状结构，形成了多级并联的T型平板波导空气腔体，具有宽频带特性，且阵面电尺寸满足高增益要求。
以Ka频段(30GHz)具有一维宽角扫描功能的CTS阵列天线系统为例，CTS天线阵面1可以为6级并联结构CTS阵列天线，即辐射枝节有64个，辐射阵面尺寸为360mm*240mm；CTS天线阵面连接第一准平面波离散装置21后，其离散单元间距为4.5mm。
在本发明一优选实施例中，所述平板波导馈源3，可以包括：H面扼流槽喇叭31、扁盒反射器32和吸波材料33。其中，平板波导馈源3可以将标准波导的TE10波，转换为平板波导的准TEM(Transverse Electric and Magnetic Wave，TEM，横向电磁波)波。
在本实施例中，参照图5，示出了本发明实施例中一种平板波导馈源的结构示意图。如图5，扁盒反射器32采用偏馈形式，扁盒反射器32的高度与准平面波离散装置的平板波导高度一致；H面扼流槽喇叭31与所述扁盒反射器32共用金属底板和盖板；其中，H面扼流槽喇叭31的相位中心位于扁盒反射器32的焦点，扁盒反射器32的偏置距离，满足避开H面扼流槽喇叭31遮挡的要求；吸波材料33黏贴在所述扁盒反射器32的直边上，也即，除了扁盒反射器32的曲线面，平板波导馈源3的其他面，均安装有一定厚度的吸波材料。
在本实施例中，平板波导馈源3获得的准平面波，其与理想平面波的近似度影响阵列天线单元的幅相特性，从而影响阵列天线的扫描特性。在平板波导馈源3中，扁盒反射器32的结构参数和H面扼流槽喇叭31的结构参数都可作为优化变量，以获得近似度较高的准平面波。优化目标不能直接评估，但基于辐射特性与口面场场分布的对应关系口面场约均匀，辐射方向性系数越高，可以用平板波导馈源3平板波导口的辐射方向性系数间接表征其准平面波的近似度，以此为直观的优化目标，对优化变量进行调整、优化可获得近似度较高的准平面波。
在本发明一优选实施例中，第一准平面波离散装置21与第二准平面波离散装置22的结构相同。
以第一准平面波离散装置21为例对准平面波离散装置的结构进行说明。参照图6，示出了本发明实施例中一种准平面波离散装置的爆炸图。可以看出，第一准平面波离散装置21，可以包括：一端封闭的平板波导腔211、N元微带天线阵列212、金属探针组213和准平面波离散装置N路同轴连接器214。
其中，金属探针组213将平板波导腔211分隔成N个单元；N元微带天线阵列212插入在平板波导腔211的N个单元中间；N元微带天线阵列212与所述准平面波离散装置N路同轴连接器214焊接在一起；所述准平面波离散装置N路同轴连接器214排布在所述平板波导腔211的一侧或两侧。
优选的，N元微带天线阵列212可以选用工作频带较宽的形式，如，Vivaldi微带天线，其驻波比小于1.2的相对射频带宽能够达到10％以上。其中，微带天线与同轴连接器数量相同且一一连接。
优选的，金属探针组213为准平面波离散装置的核心部分，既可以对平板波导进行较密集的端口分隔而不致传播模式截止，又可以调节端口阻抗性能。
优选的，准平面波离散装置根据射频信号流向需求，可以用作TEM波离散装置，也可以用作TEM波获取装置。
优选的，准平面波离散装置N路同轴连接器214排布在所述平板波导腔211的两侧时，可以实现小于同轴连接器安装尺寸的单元间距，以实现较大角度的波束扫描。
优选的，准平面波离散装置N路同轴连接器214的排布间距小于0.5λ；其中，λ表示一个空气波长。也即，准平面波离散装置的单元间距小于0.5个波长，满足宽角扫描要求，省去了传统的功分网络。
在本发明一优选实施例中，所述具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统，还可以包括：覆铜介质板6。
在本实施例中，覆铜介质板6上刻蚀有圆极化栅图形；覆铜介质板6固定在CTS天线阵面1上方。其中，需要说明的是，可以根据不同的应用需求，选择是否设置覆铜介质板6，从而实现CTS天线阵面1线极化或圆极化。圆极化栅图形如图7，示出了本发明实施例中一种圆极化栅示意图。
基于上述实施例，对本发明所述的具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统的工作原理进行说明。其中，本发明所述的具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统的工作原理可以如下：
基于传输非色散的准TEM波的并联结构CTS天线阵列，获得宽频带、高增益特性；通过平板波导馈源实现标准波导TE10模到平板波导准TEM波的转换；通过一对准平面波离散(获取)装置，实现平板波导与N路同轴连接器的转换，并在其间接入有源组件，实现波束的相控扫描；准平面波离散(获取)装置的单元间距小于0.5个波长，满足宽角扫描要求，还省去了传统的功分网络。其次，平板波导馈源的准平面波近似度优化方法，是基于方向性系数与口面场分布的关系而提出的，即口面场分布越均匀，方向性系数越高，反之，则越低。为了增加优化变量，调节平板波导口面场分布，提出了采用H面扼流槽喇叭馈电的方案。
参照图8，示出了本发明实施例中一种CTS天线阵面的驻波比的示意图，可见，在超过15％的相对带宽里，阵面的驻波比均小于1.3。
参照图9，示出了本发明实施例中一种CTS天线阵面的方向图，可知，在正前方，CTS天线阵面的辐射方向性系数，达到38.8dBi，对应口面效率超过80％。
参照图10，示出了本发明实施例中一种CTS天线阵面圆极化栅的插入损耗的示意图，参照图11，示出了本发明实施例中一种CTS天线阵面圆极化栅的传输相位的示意图。可见，圆极化栅的使用，对天线增益的影响，小于0.3dB，且可获得较好的圆极化特性。
参照图12，示出了本发明实施例中一种准平面波离散装置的驻波比的示意图，参照图13，示出了本发明实施例中一种准平面波离散装置的端口隔离度的示意图。可见，单元端口驻波比在大于8％的频带宽度内，优于1.25；单元端口隔离度约-20dB。
参照图14，示出了本发明实施例中一种阵列天线系统扫描波束示意图。可见，该CTS阵列天线系统具有宽角扫描特性。
本发明公开了一种具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统，将入射的准平面波离散化，并转换到同轴模式，方便连接有源组件，实现一维相控扫描。理论上，准平面波是连续的，可实现90°相扫；工程应用中，离散程度受限于同轴接头尺寸等限制，但仍能实现小于0.5波长的离散间距，满足±70°扫描要求。该CTS阵列天线系统不需要功率合成网络，馈电损耗很小，相应的，热耗也较小；另外，该CTS阵列天线系统，可以实现宽频带下的高增益要求，避免了波导缝隙线元、微带线元在宽频带与高增益间的矛盾，而且，成本较低。该CTS阵列天线系统.采用近似度更高的准平面波入射；使用一对准平面波离散(获取)装置，未使用多级功分网络；实现了小于0.5波长的线元间距，获得了±70°的宽角扫描特性，该CTS阵列天线系统既满足了宽频带、高增益、宽角覆盖的要求，又具有相对较低的剖面、成本、热耗。因此，该CTS阵列天线系统可以应用于机载、舰载、星载等平台，具有广阔的应用前景。
综上所述，本发明公开了一种具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统，CTS天线阵面和平板波导馈源之间接入一对准平面波离散装置，实现了对入射的准平面波的离散化，并转换到同轴模式，还省去了传统的功分网络；通过设置在一对准平面波离散装置之间的有源组件，实现了波束的相控扫描，从而实现较小的馈电损耗和较低的热耗。可见，本发明所述的具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统，具有宽频带、高增益、宽角扫描的特性，同时还具有低剖面、低成本、低热耗的优点。
其次，本发明提出了由H面扼流槽喇叭照射扁盒反射器的平板波导馈源方案，使得平板波导馈源设计更具灵活性。
再次，本发明所述的具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统，可实现对平板波导馈源准TEM波近似度优化或间接评估。
此外，本发明采用的准平面波离散(获取)装置，可以获得小于0.5个波长的单元间距，从而满足阵列天线的宽角扫描要求。
本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统，其特征在于，包括：CTS天线阵面(1)、一对准平面波离散装置、平板波导馈源(3)、有源组件(4)和波控组件(5)；其中，所述一对准平面波离散装置，包括：第一准平面波离散装置(21)和第二准平面波离散装置(22)；
CTS天线阵面(1)的射频接口为平板波导；
平板波导馈源(3)的输入口为标准波导，输出口为平板波导；
有源组件(4)的射频接口为N路同轴连接器；
CTS天线阵面(1)和平板波导馈源(3)之间接入所述一对准平面波离散装置，有源组件(4)设置在所述一对准平面波离散装置之间，以实现CTS天线阵面(1)的射频接口和平板波导馈源(3)的输出口与N路同轴连接器的转换；
波控组件(5)与有源组件(4)连接，控制有源组件(4)的输出相位，以实现波束相控扫描。
2.根据权利要求1所述的具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统，其特征在于，
平板波导馈源(3)通过弯波导与第二准平面波离散装置(22)连接；
CTS天线阵面(1)与第一准平面波离散装置(21)连接。
3.根据权利要求2所述的具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统，其特征在于，
所述弯波导为：90°弯波导。
4.根据权利要求1所述的具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统，其特征在于，
有源组件(4)设置在所述CTS天线阵面(1)下方，分别与所述第一准平面波离散装置(21)和所述第二准平面波离散装置(22)对插。
5.根据权利要求1所述的具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统，其特征在于，
CTS天线阵面(1)为并联结构CTS阵列天线。
6.根据权利要求5所述的具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统，其特征在于，
CTS天线阵面(1)为6级并联结构CTS阵列天线，包括64个辐射枝节；
CTS天线阵面(1)的辐射阵面尺寸为360mm*240mm。
7.根据权利要求1所述的具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统，其特征在于，所述平板波导馈源(3)，包括：H面扼流槽喇叭(31)、扁盒反射器(32)和吸波材料(33)；
扁盒反射器(32)采用偏馈形式，扁盒反射器(32)的高度与准平面波离散装置的平板波导高度一致；
H面扼流槽喇叭(31)与所述扁盒反射器(32)共用金属底板和盖板；其中，H面扼流槽喇叭(31)的相位中心位于扁盒反射器(32)的焦点，扁盒反射器(32)的偏置距离，满足避开H面扼流槽喇叭(31)遮挡的要求；
吸波材料(33)黏贴在所述扁盒反射器(32)的直边上。
8.根据权利要求1所述的具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统，其特征在于，第一准平面波离散装置(21)与第二准平面波离散装置(22)的结构相同；
其中，所述第一准平面波离散装置(21)，包括：一端封闭的平板波导腔(211)、N元微带天线阵列(212)、金属探针组(213)和准平面波离散装置N路同轴连接器(214)；
金属探针组(213)将平板波导腔(211)分隔成N个单元；
N元微带天线阵列(212)插入在平板波导腔(211)的N个单元中间；
N元微带天线阵列(212)与所述准平面波离散装置N路同轴连接器(214)焊接在一起；
所述准平面波离散装置N路同轴连接器(214)排布在所述平板波导腔(211)的一侧或两侧。
9.根据权利要求8所述的具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统，其特征在于，
准平面波离散装置N路同轴连接器(214)的排布间距小于0.5λ；其中，λ表示一个空气波长。
10.根据权利要求1所述的具有宽角扫描功能的CTS阵列天线系统，其特征在于，还包括：覆铜介质板(6)；
覆铜介质板(6)上刻蚀有圆极化栅图形；
覆铜介质板(6)固定在CTS天线阵面(1)上方。
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