CN108321555A - 一种x波段圆极化阵列天线及船舶雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明所提供的X波段圆极化阵列天线，包括介质基板、设置于介质基板正面的多个辐射单元贴片、馈电网络和连接辐射单元贴片和馈电网络的阻抗变换器、设置于介质基板背面的金属地板和输入连接器，输入连接器通过金属地板和介质基板与馈电网络的馈电点连接；其中，辐射单元贴片为角馈方式，辐射单元贴片交错置于馈电网络的两侧。由此可见，本天线通过角馈方式为辐射单元贴片馈电相对于线极化阵列而言，能够较好的满足圆极化性能，因此，抗干扰能力较强。另外，辐射单元贴片交错置于馈电网络的两侧，相对于线阵天线而言，在横向的尺寸较小。此外，本发明还提供一种包含该天线的船舶雷达，效果如上所述。

Description

一种X波段圆极化阵列天线及船舶雷达
技术领域
本发明涉及射频技术领域，特别是涉及一种X波段圆极化阵列天线及船舶雷达。
背景技术
天线的应用领域特别广泛，例如，应用于船舶雷达。船舶雷达能够有效避免船舶碰撞，对于减少生命和财产的损失具有非常重要的作用。
天线作为雷达的重要组成部分，其指标的好坏直接影响雷达的整体性能。传统的船舶雷达中的天线结构多采用波导缝隙天线，但是波导缝隙天线尺寸较大，加工成本高。为了提高对快速运动小目标的跟踪能力，需要进一步提高天线转速，但大尺寸天线不易实现高转速，因此其应用将受到限制。基于该现状，X波段系统因为频段高，则相应的天线结构具有尺寸紧密，安装灵活，机动性好等优势，因此，船舶雷达天线多采用X波段。
但是，当前的船舶雷达天线多为水平极化，其抗海浪杂波能力较好，但抗雨雾等干扰能力较差。
有鉴于此，确有必要提出一种结构紧凑、抗干扰能力强的X波段天线，来解决现有技术存在的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种X波段圆极化阵列天线，其结构紧凑、抗干扰能力强。此外，本发明的目的还提供一种包含该天线的船舶雷达。
为解决上述技术问题，本发明提供一种X波段圆极化阵列天线，包括介质基板、设置于介质基板正面的多个辐射单元贴片、馈电网络和连接所述辐射单元贴片和所述馈电网络的阻抗变换器、设置于所述介质基板背面的金属地板和输入连接器，所述输入连接器通过所述金属地板和所述介质基板与所述馈电网络的馈电点连接；
其中，所述辐射单元贴片为角馈方式，所述辐射单元贴片交错置于所述馈电网络的两侧。
优选地，所述阻抗变换器呈蜿蜒型。
优选地，所述馈电网络具体包括多个四分之一波长阻抗变换器，且多个所述四分之一波长阻抗变换器呈阶梯状排列，所述阻抗变换器的波长为四分之一波导波长。
优选地，位于所述馈电网络同侧且相邻的两个所述辐射单元贴片之间的间距均为1倍波导波长，位于所述馈电网络异侧且相邻的两个所述辐射单元贴片之间的间距均为0.5倍波导波长。
优选地，所述馈电网络的馈电幅度采用切比雪夫分布方式。
优选地，所述馈电点为所述馈电网络的中心点。
优选地，所述输入连接器的外导体与所述金属地板连接，所述输入连接器的内导体穿过所述介质基板与所述馈电点连接。
优选地，所述辐射单元贴片为20个。
优选地，所述介质基板的相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为1mm。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种船舶雷达，包括上述所述的X波段圆极化阵列天线。
本发明所提供的X波段圆极化阵列天线，包括介质基板、设置于介质基板正面的多个辐射单元贴片、馈电网络和连接辐射单元贴片和馈电网络的阻抗变换器、设置于介质基板背面的金属地板和输入连接器，输入连接器通过金属地板和介质基板与馈电网络的馈电点连接；其中，辐射单元贴片为角馈方式，辐射单元贴片交错置于馈电网络的两侧。由此可见，本天线通过角馈方式为辐射单元贴片馈电相对于线极化阵列而言，能够较好的满足圆极化性能，因此，抗干扰能力较强。另外，辐射单元贴片交错置于馈电网络的两侧，相对于线阵天线而言，在横向的尺寸较小。综上所述，本天线不仅干扰能力强，而且结构紧凑，适用于较多的应用场景。
此外，本发明还提供一种包含该天线的船舶雷达，效果如上所述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种X波段圆极化阵列天线的俯视图；
图2为本发明实施例提供的一种X波段圆极化阵列天线的局部侧视图；
图3为本发明实施例提供的一种反射系数仿真结果图；
图4为本发明实施例提供的一种天线轴比仿真结果图；
图5为本发明实施例提供的一种天线在9.4GHz频率处水平面归一化方向性图的仿真结果图；
图6为本发明实施例提供的一种天线在9.4GHz频率处垂直面归一化方向性图的仿真结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
本发明的核心是提供一种X波段圆极化阵列天线，其结构紧凑、抗干扰能力强。此外，本发明的核心还提供一种包含该天线的船舶雷达。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明实施例提供的一种X波段圆极化阵列天线的俯视图。图2为本发明实施例提供的一种X波段圆极化阵列天线的局部侧视图。如图1和2所示，该天线包括介质基板1、设置于介质基板1正面的多个辐射单元贴片2(为图示清晰，图1中包括多个辐射单元贴片，但只对其中一个进行了标号)、馈电网络3和连接辐射单元贴片2和馈电网络3的阻抗变换器4、设置于介质基板1背面的金属地板5和输入连接器6，输入连接器6通过金属地板5和介质基板4与馈电网络3的馈电点连接。其中，辐射单元贴片2为角馈方式，辐射单元贴片2交错置于馈电网络3的两侧。
根据IEEE 521-2002标准，X波段是指频率在8-12GHz的无线电波波段，在电磁波谱中属于微波。而在某些场合中，X波段的频率范围则为7-11.2GHz。通俗而言，X波段中的X即英语中的"extended"，表示"扩展的"调幅广播。
作为一种具体的实施方式，介质基板1的相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为1mm。优选地，介质基板1的材质可以选用F4B板材。
在具体实施中，馈电网络3的两侧均设置有辐射单元贴片2，相比于单侧设置的结构而言，这样的设置方式有助于减少天线的横向尺寸。辐射单元贴片2的数量可以根据实际情况设置，图1中，辐射单元贴片2的数量是20个，可以理解的是，20个只是一种具体应用场景，并不代表只有这一种实施方式。通常情况下，辐射单元贴片2为矩形，通过调节长边和短边的比值实现圆极化的性能。另外，由于辐射单元贴片2采用角馈方式，因此，圆极化性能更好，而且抗干扰能力更强。如图1所示，辐射单元贴片2的其中一个角通过阻抗变换器4与馈电网络3连接。圆极化天线的旋向正交性，确保了天线辐射左(右)旋圆极化波，则只接收左(右)旋圆极化波而不接收右(左)旋圆极化波，使得圆极化天线抗干扰能力更强。
作为优选地实施方式，阻抗变换器4呈蜿蜒型。如图1所示，阻抗变换器4以蜿蜒曲折的形式排布，该结构在达到长度要求的同时，能够进一步缩小天线在纵向的尺寸且降低了垂直方向的旁瓣电平。可以理解的是，图1中，阻抗变换器4的弯折方向和弯折次数只是一种具体的应用场景，可以根据实际情况确定，本实施例不作限定。
作为优选地实施方式，馈电点为馈电网络3的中心点。具体的，输入连接器6的外导体与金属地板5连接，输入连接器6的内导体穿过介质基板1与馈电点连接。
本实施例提供的X波段圆极化阵列天线，包括介质基板、设置于介质基板正面的多个辐射单元贴片、馈电网络和连接辐射单元贴片和馈电网络的阻抗变换器、设置于介质基板背面的金属地板和输入连接器，输入连接器通过金属地板和介质基板与馈电网络的馈电点连接；其中，辐射单元贴片为角馈方式，辐射单元贴片交错置于馈电网络的两侧。由此可见，本天线通过角馈方式为辐射单元贴片馈电相对于线极化阵列而言，能够较好的满足圆极化性能，因此，抗干扰能力较强。另外，辐射单元贴片交错置于馈电网络的两侧，相对于线阵天线而言，在横向的尺寸较小。综上所述，本天线不仅干扰能力强，而且结构紧凑，适用于较多的应用场景。
需要说明的是，本发明所提供的天线可以应用在较多领域，例如船舶雷达，当然除了这一应用场景，还可以应用在其它需要圆极化以及需要结构紧凑的场景，本发明不再赘述。
在上一实施例的基础上，馈电网络3具体包括多个四分之一波长阻抗变换器，且多个四分之一波长阻抗变换器呈阶梯状排列，阻抗变换器4的波长为四分之一波导波长。
需要说明的是，阻抗变换器的作用是解决微波传输线与微波器件之间匹配的，它反映了输入电路与输出电路之间的功率传输关系。当电路实现阻抗匹配时，将获得最大的功率传输。反之，当电路阻抗失配时，不但得不到最大的功率传输，还可能对电路产生损害。本实施例中，阻抗变换器4所解决的问题就是馈电网络3和辐射单元贴片2之间的匹配关系。通过调节阻抗变换器4的宽度，进而实现对各辐射单元贴片2的馈电幅度的控制。可以理解的是，本实施例中的阻抗变换器4的波长可以根据实际情况选取，并不代表只有这一种实施方式。
在一种具体实施方式中，位于馈电网络3同侧且相邻的两个辐射单元贴片2之间的间距均为1倍波导波长，位于馈电网络3异侧且相邻的两个辐射单元贴片2之间的间距均为0.5倍波导波长。
如图1所示，以介质基板1的长边所在的方向为水平方向，则馈电网络3每一侧的辐射单元贴片2的数量均为10个，同一侧的辐射单元贴片2的间距均是1倍波导波长。辐射单元贴片2交错置于馈电网络3的两侧，分属于馈电网络3异侧且在水平方向上相邻的辐射单元贴片2的间距是0.5倍波导波长。需要说明的是，本实施例中辐射单元贴片2的间距设置只是其中的一种实施方式，并不代表只有这一种实施方式。
在一种具体实施方式中，馈电网络3的馈电幅度采用切比雪夫分布方式。
在具体实施中，可以采用-30dB的切比雪夫分布加权，从馈电中心到两边各辐射单元贴片2幅度归一化比值如表1所示，通过控制馈电网络3各四分之一波长阻抗变换器的阻抗比来实现所需电流比。
表1辐射单元贴片的电流幅度比
I1 1 I6 0.62
I2 0.97 I7 0.51
I3 0.91 I8 0.39
I4 0.83 I9 0.29
I5 0.73 I10 0.33
为了验证本发明实施例提供的天线的有效性，下文给出具体的仿真结果。
图3为本发明实施例提供的一种反射系数仿真结果图。如图3所示，横轴表示频率，纵轴表示S11(S11为输入反射系数，也就是输入回波损耗)。在图3中，天线在9.30GHz～9.6GHz频率范围内S11<-10dB,阻抗带宽达到了360MHz，中心频率9.4GHz处S11＝-30dB，说明天线匹配良好。
图4为本发明实施例提供的一种天线轴比仿真结果图。如图4所示，在天线轴比随频率变化曲线中，本发明所提供的天线轴比小于3dB的频率范围为9.35GHz～9.44GHz，轴比带宽达到了110MHz，中心频率处轴比为0.30dB，说明天线的圆极化性能良好。
图5为本发明实施例提供的一种天线在9.4GHz频率处水平面归一化方向性图的仿真结果图。图6为本发明实施例提供的一种天线在9.4GHz频率处垂直面归一化方向性图的仿真结果图。
见图5和图6，本实施例的天线的水平面波瓣宽度为6°，水平面副瓣电平为-18dB，垂直面副瓣电平为-13.5dB，说明本天线辐射特性良好，满足工程要求。
在上述实施例的基础上，本发明还提供一种船舶雷达。该船舶雷达包括上述实施例所述的X波段圆极化阵列天线。
由于上文中对于X波段圆极化阵列天线的实施例进行了详细说明，本实施例中不再赘述，至于船舶雷达的其它结构请参见现有技术。
本实施例提供的船舶雷达包括X波段圆极化阵列天线，该天线包括介质基板、设置于介质基板正面的多个辐射单元贴片、馈电网络和连接辐射单元贴片和馈电网络的阻抗变换器、设置于介质基板背面的金属地板和输入连接器，输入连接器通过金属地板和介质基板与馈电网络的馈电点连接；其中，辐射单元贴片为角馈方式，辐射单元贴片交错置于馈电网络的两侧。由此可见，本天线通过角馈方式为辐射单元贴片馈电相对于线极化阵列而言，能够较好的满足圆极化性能，因此，抗干扰能力较强。另外，辐射单元贴片交错置于馈电网络的两侧，相对于线阵天线而言，在横向的尺寸较小。综上所述，本天线不仅干扰能力强，而且结构紧凑，适用于较多的应用场景。
以上对本发明所提供的X波段圆极化阵列天线及船舶雷达进行了详细介绍。说明书中各个实施例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部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种X波段圆极化阵列天线，其特征在于，包括介质基板、设置于介质基板正面的多个辐射单元贴片、馈电网络和连接所述辐射单元贴片和所述馈电网络的阻抗变换器、设置于所述介质基板背面的金属地板和输入连接器，所述输入连接器通过所述金属地板和所述介质基板与所述馈电网络的馈电点连接；
其中，所述辐射单元贴片为角馈方式，所述辐射单元贴片交错置于所述馈电网络的两侧。
2.根据权利要求1所述的X波段圆极化阵列天线，其特征在于，所述阻抗变换器呈蜿蜒型。
3.根据权利要求1所述的X波段圆极化阵列天线，其特征在于，所述馈电网络具体包括多个四分之一波长阻抗变换器，且多个所述四分之一波长阻抗变换器呈阶梯状排列，所述阻抗变换器的波长为四分之一波导波长。
4.根据权利要求3所述的X波段圆极化阵列天线，其特征在于，位于所述馈电网络同侧且相邻的两个所述辐射单元贴片之间的间距均为1倍波导波长，位于所述馈电网络异侧且相邻的两个所述辐射单元贴片之间的间距均为0.5倍波导波长。
5.根据权利要求1所述的X波段圆极化阵列天线，其特征在于，所述馈电网络的馈电幅度采用切比雪夫分布方式。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的X波段圆极化阵列天线，其特征在于，所述馈电点为所述馈电网络的中心点。
7.根据权利要求6所述的X波段圆极化阵列天线，其特征在于，所述输入连接器的外导体与所述金属地板连接，所述输入连接器的内导体穿过所述介质基板与所述馈电点连接。
8.根据权利要求1所述的X波段圆极化阵列天线，其特征在于，所述辐射单元贴片为20个。
9.根据权利要求1所述的X波段圆极化阵列天线，其特征在于，所述介质基板的相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为1mm。
10.一种船舶雷达，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的X波段圆极化阵列天线。
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