CN108183321A

CN108183321A - 一种两维波束赋形的无源天线阵列

Info

Publication number: CN108183321A
Application number: CN201711382107.7A
Authority: CN
Inventors: 王昊; 吴辰炜; 薛成
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2018-06-19

Abstract

本发明公开了一种两维独立波束赋形的无源天线阵列，包括实现俯仰维波束赋形的俯仰维线阵，转接结构，实现方位维波束赋形的方位维功分网络以及总馈电口。俯仰维线阵采用印刷振子作为天线单元，并设计了全并馈威尔金森功分网络实现幅相加权；方位维功分网络采用波导全并馈形式，以实现方位维波束赋形所需的幅相加权；俯仰维线阵通过转接结构连接至方位维功分网络的各支路上，实现方位维功分网络对各俯仰维线阵的良好馈电；总馈电口连接至方位维功分网络的总口，并给方位维功分网络进行馈电。本发明可实现相互独立的两维波束赋形，利于设计与实现，并且方位维功分网络所采用的波导形式可以提高天线效率。

Description

一种两维波束赋形的无源天线阵列

技术领域

本发明涉及天线阵列技术领域，特别是一种两维波束赋形的无源天线阵列。

背景技术

随着现代电子对抗技术、电子侦察系统的快速发展，在无线通信、雷达探测中，天线作为电磁波的收发部件，是无线电系统的重要组成部分，而且针对不同的应用场合，往往对天线具有不同的要求。例如，对空通信和探测要求下，一方面天线通常要求对地实现低副瓣，以期减少电磁波照射到地面后，地面物体产生的反射所造成的多路径干扰；另一方面则希望对空实现宽波束或者进行扫描，以实现空域的覆盖，避免通信、雷达探测盲区的出现。方位维则往往有相对于俯仰维有不同的要求，例如，在雷达探测领域往往需要确定目标的方位角，因此希望方位维实现窄波束低副瓣，从而避免杂波干扰。因此，根据不同的应用场合，方位维和俯仰维往往需要分别进行赋形，考虑到成本，针对两维赋形的无源天线阵列具有很大的需求。但是现有技术中尚无相关描述。

发明内容

本发明的目的在于提供一种两维波束赋形的无源天线阵列。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种两维波束赋形的无源天线阵列，包括总馈电口、方位维功分网络、转接结构和俯仰维线阵；

所述总馈电口位于方位维功分网络的总口，给所述方位维功分网络提供射频信号；所述转接结构位于方位维功分网络和俯仰维线阵之间，用于连接方位维功分网络各支路和对应的俯仰维线阵，所述方位维功分网络通过转接结构给各个俯仰维线阵提供射频信号。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)两维赋形相互独立，利于设计与实现；(2)各部分有独立接口，利于测试与调试；(3)俯仰维线阵PCB加工工艺易实现，大批量成本低；(4)方位维波导网络损耗低，易于实现高效率，高增益。

附图说明

图1为本发明一种两维波束赋形无源天线阵列整体结构框架。

图2为本发明一种两维波束赋形无源天线阵列俯仰维线阵结构图。

图3为本发明一种两维波束赋形无源天线阵列方位维功分网络结构图。

图4为本发明一种俯仰维“余割平方”波束赋形方位维低副瓣赋形的天线阵列整体结构。

图5为本发明一种俯仰维“余割平方”波束赋形方位维低副瓣赋形的天线阵列俯仰维线阵结构图。

图6为本发明一种俯仰维“余割平方”波束赋形方位维低副瓣赋形的天线阵列方位维功分网络结构图。

图7为本发明一种俯仰维“余割平方”波束赋形方位维低副瓣赋形的天线阵列工作在16GHz时俯仰维的辐射方向图。

图8为本发明一种俯仰维“余割平方”波束赋形方位维低副瓣赋形的天线阵列工作在16.5GHz时俯仰维的辐射方向图。

图9为本发明一种俯仰维“余割平方”波束赋形方位维低副瓣赋形的天线阵列工作在17GHz时俯仰维的辐射方向图。

图10为本发明一种俯仰维“余割平方”波束赋形方位维低副瓣赋形的天线阵列工作在16GHz时方位维的辐射方向图。

图11为本发明一种俯仰维“余割平方”波束赋形方位维低副瓣赋形的天线阵列工作在16.5GHz时方位维的辐射方向图。

图12为本发明一种俯仰维“余割平方”波束赋形方位维低副瓣赋形的天线阵列工作在17GHz时方位维的辐射方向图。

具体实施方式

本发明的一种两维波束赋形的无源天线阵列，包括总馈电口4、方位维功分网络2、转接结构3和俯仰维线阵1；

所述总馈电口4位于方位维功分网络2的总口，给所述方位维功分网络2提供射频信号；所述转接结构3位于方位维功分网络2和俯仰维线阵1之间，用于连接方位维功分网络2各支路和对应的俯仰维线阵1，所述方位维功分网络2通过转接结构3给各个俯仰维线阵1提供射频信号。

所述多个俯仰维线阵1相互平行，并垂直于方位维功分网络2放置，组成阵面；各个俯仰维线阵1的结构相同，均包括若干等间距线性排列的天线单元6。

所述转接结构3采用同轴线形式的连接器。

所述俯仰维线阵1内部的俯仰维功分网络5和方位维功分网络2均采用全并馈形式。

所述俯仰维线阵1内部的俯仰维功分网络5采用威尔金森功分器实现所需功分，从而实现俯仰维波束赋形中，各天线单元6所需的幅度权值；采用移动T形结位置的方法，实现俯仰维波束赋形中各天线单元6所需相位权值；俯仰维线阵1采用印刷振子作为天线单元6。

所述方位维功分网络2为波导形式，具体采用波导H面T形功分器实现功率分配，通过移动功分器输入端口相对于T形功分器中心位置的方法实现所需的功分比，从而实现方位维波束赋形所需幅度权值，采用整体移动T形功分器位置的方法实现方位维波束赋形所需相位权值。

所述俯仰维线阵1内部的俯仰维功分网络5周围铺上带接地孔的金属层，并在外侧放置金属屏蔽盒；俯仰维线阵1采用SMP接口作为射频接口。

所述总馈电口4采用SMA接口作为射频接口，方位维功分网络2各支路采用SMP接口作为射频接口，方位维功分网络2总波导口和总馈电口4所采用的SMA接口之间采用台阶进行过渡；方位维功分网络2各支路波导口和各支路所采用SMP接口之间采用台阶进行过渡。

所述俯仰维线阵1实现“余割平方”波束赋形，方位维功分网络2实现低副瓣赋形。

所述俯仰维线阵1长95mm，高50mm；方位维功分网络2长527mm，宽226mm。

本发明一种两维波束赋形无源天线阵列中，方位维波导网络损耗低，易于实现高效率，高增益。

下面进行更详细的描述。

一种两维波束赋形的无源天线阵列，所述天线阵分为四部分。第一部分为俯仰维线阵；第二部分为方位维功分网络；第三部分为转接结构，第四部分为总馈电口。

第一步，采用印刷振子作为天线单元，采用全并馈的，基于威尔金森功分器的微带功分网络，作为俯仰维线阵所用幅相加权网络，俯仰维的波束赋形通过该功分网络实现；在PCB形式的俯仰维线阵所采用的俯仰维功分网络周围，铺上连接有金属化过孔的金属层，以及金属屏蔽盒以抑制馈电网络寄生辐射降低副瓣，俯仰维功分网络总口接一SMP接口，作为俯仰维线阵的射频输入(输出)口。

第二步，方位维功分网络方采用全并馈的波导功分网络方案，通过该网络实现方位维的幅相加权，从而实现方位维的波束赋形。方位维功分网络各支路采用SMP接口，并设置波导SMP转换结构；方位维功分网络的总馈电口采用SMA接口，并设置波导SMA转换结构。

第三步，将各俯仰维线阵的SMP接口，通过转接结构，连接至方位维功分网络各支路上的SMP接口，形成完整的二维天线阵列。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明两维波束赋形的无源天线，总馈电口4连接至方位维功分网络2的总口，方位维功分网络2中各支路口通过转接结构3接至俯仰维线阵1，通过俯仰维线阵1的俯仰维功分网络5，最终给天线单元6馈电。

本发明的工作原理为：结合图1-3，微带平面天线阵列采用印刷振子作为天线单元6，天线单元6在俯仰维方向呈线性均匀排列，具体单元个数与间距根据实际俯仰维波束需求决定。天线单元6由俯仰维线阵1中的俯仰维功分网络5实现馈电，同时实现俯仰维波束赋形所需的幅相权值，俯仰维功分网络5总端口接至俯仰维SMP接口7。方位维方向，由多个相同的俯仰维线阵1组成，各个俯仰维线阵1平行排列，并且垂直于方位维功分网络2，形成阵面，俯仰维线阵1的具体数量和间距根据方位维波束赋形的要求决定。各个俯仰维线阵1，都通过俯仰维SMP接口7，经过转接接口3，连接至方位维功分网络2的各个支路上的支路SMP接口8，最终通过方位维功分网络2的合成，由总馈电口4实现射频信号的输入输出。其中，俯仰维的波束赋形由俯仰维功分网络5实现，方位维的波束赋形由方位维功分网络2实现。因此，两维赋形均可以独立实现。

下面结合实施例进行更详细的说明。

实施例1

结合图4，本发明一种俯仰维“余割平方”波束赋形方位维低副瓣赋形的天线阵列，具体包括总馈电口4、方位维功分网络2、俯仰维线阵1，以及转接结构3。

结合图4，本发明一种俯仰维“余割平方”波束赋形方位维低副瓣赋形的天线阵列，中心频率为16.5GHz，带宽为1GHz。

结合图5，俯仰维线阵1的介质板材采用“Rogers RT/duroid 5880(tm)”，厚度为0.508mm。在95mm×50mm的介质板上，排布8个印刷振子形式的天线单元6，相邻单元在俯仰维方向间距为10mm。每个单元通过俯仰维功分网络5实现馈电，同时通过俯仰维功分网络5实现每个俯仰维线阵1中每个天线单元6所需的幅相加权，俯仰维功分网络5的总口接俯仰维SMP接口7。

结合图6，方位维功分网络2为一分三十二金属空心波导馈电网络。其中方位维功分网络2各支路端波导口通过台阶结构过渡至支路SMP接口8，方位维功分网络2的波导总口通过台阶结构过渡至总馈电口4的SMA接口。通过计算实现低副瓣所需要的各个端口功率分布，从而计算波导网络中各个T形功分结构的功分比，最终通过方位维功分网络2实现方位维的低副瓣。

天线整体归一化辐射方向图如图7-12。有辐射方向图可知，实施例1所述天线阵列在俯仰维实现了“余割平方”波束赋形，在方位维实现了-25dB以下的低副瓣。

Claims

1.一种两维波束赋形的无源天线阵列，其特征在于，包括总馈电口[4]、方位维功分网络[2]、转接结构[3]和俯仰维线阵[1]；

所述总馈电口[4]位于方位维功分网络[2]的总口，给所述方位维功分网络[2]提供射频信号；所述转接结构[3]位于方位维功分网络[2]和俯仰维线阵[1]之间，用于连接方位维功分网络[2]各支路和对应的俯仰维线阵[1]，所述方位维功分网络[2]通过转接结构[3]给各个俯仰维线阵[1]提供射频信号。

2.根据权利要求1所述的两维波束赋形的无源天线阵列，其特征在于，多个俯仰维线阵[1]相互平行，并垂直于方位维功分网络[2]放置，组成阵面；各个俯仰维线阵[1]的结构相同，均包括若干等间距线性排列的天线单元[6]。

3.根据权利要求2所述的两维波束赋形的无源天线阵列，其特征在于，转接结构[3]采用同轴线形式的连接器。

4.根据权利要求3所述的两维波束赋形的无源天线阵列，其特征在于，俯仰维线阵[1]内部的俯仰维功分网络[5]和方位维功分网络[2]均采用全并馈形式。

5.根据权利要求4所述的两维波束赋形的无源天线阵列，其特征在于，俯仰维线阵[1]内部的俯仰维功分网络[5]采用威尔金森功分器实现所需功分，从而实现俯仰维波束赋形中，各天线单元[6]所需的幅度权值；采用移动T形结位置的方法，实现俯仰维波束赋形中各天线单元[6]所需相位权值；俯仰维线阵[1]采用印刷振子作为天线单元[6]。

6.根据权利要求4所述的两维波束赋形的无源天线阵列，其特征在于，方位维功分网络[2]为波导形式，具体采用波导H面T形功分器实现功率分配，通过移动功分器输入端口相对于T形功分器中心位置的方法实现所需的功分比，从而实现方位维波束赋形所需幅度权值，采用整体移动T形功分器位置的方法实现方位维波束赋形所需相位权值。

7.根据权利要求4所述的两维波束赋形的无源天线阵列，其特征在于，俯仰维线阵[1]内部的俯仰维功分网络[5]周围铺上带接地孔的金属层，并在外侧放置金属屏蔽盒；俯仰维线阵[1]采用SMP接口作为射频接口。

8.根据权利要求1所述的两维波束赋形的无源天线阵列，其特征在于，总馈电口[4]采用SMA接口作为射频接口，方位维功分网络[2]各支路采用SMP接口作为射频接口，方位维功分网络[2]总波导口和总馈电口[4]所采用的SMA接口之间采用台阶进行过渡；方位维功分网络[2]各支路波导口和各支路所采用SMP接口之间采用台阶进行过渡。

9.根据权利要求1所述的两维波束赋形的无源天线阵列，其特征在于，俯仰维线阵[1]实现“余割平方”波束赋形，方位维功分网络[2]实现低副瓣赋形。

10.根据权利要求1所述的两维波束赋形的无源天线阵列，其特征在于，俯仰维线阵[1]长95mm，高50mm；方位维功分网络[2]长527mm，宽226mm。