CN108808260B - 一种基于相控阵馈电的变型柱面/球面龙伯透镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相控阵馈电的变型柱面/球面龙伯透镜天线，属于无线通信技术、雷达技术领域。该天线包括变型柱面/球面龙伯透镜，以及若干组作为馈源的有源平面相控阵天线。通过合理设计变型龙伯透镜与相控阵天线两者之间的位置关系，并对作为馈源的相控阵天线进行激励系数的优化，从而在所需方向形成波束，实现波束电扫描或同时多波束。与传统龙伯透镜相比，本发明具有高增益，高有效全向辐射功率(EIRP)，高扫描精度，低质量，小体积，并且采用平面阵列馈源，便于加工和系统集成等特点和优势，可用于雷达和通信系统。

Description

一种基于相控阵馈电的变型柱面/球面龙伯透镜天线

技术领域

本发明属于无线通信技术、雷达技术领域，具体涉及变型柱面/球面龙伯透镜天线利用相控阵进行馈电。

背景技术

多波束天线(Multi-Beam Antenna)是众多天线中的重要形式之一，因其具有增益高、成本低、同时产生多波束等优点，现已广泛应用于卫星通信、雷达系统以及电子对抗等多个技术领域。常见的多波束天线主要有三大类：多波束相控阵天线、多波束反射面天线、多波束透镜天线。传统的多波束天线多采用相控阵的形式，天线性能较为稳定，波束扫描控制很方便，但是传统的相控阵天线需要较为庞大复杂的馈电网络，需要大量的T/R组件，使其成本过高，并且在某些极端条件下的应用，例如潮湿、盐雾、高温等环境中，在使用过程中极易造成损毁，维护起来也不方便，从而极大的降低它的使用寿命，存在性价比不高的问题。具备多波束性能的反射面天线的结构简易，但是其口径较大，抗风抗雨性能差、波束覆盖范围有自己局限性，同时馈源对天线存在遮挡，降低了天线的效率。此外反射面天线的波束扫描多采用机械方式，由于反射面的体积较大，重量较重，这就使得波束扫描的速度也较慢，整体结构笨重。多波束透镜天线采用对称结构，多数情况下是由防潮抗酸耐腐蚀的介质材料构成，因此，其形成的波束一致性好，波束覆盖范围大，对周围环境的适应力强的特点。随着现代天线工作频率的不断提高，现代材料科学的进步，介电常数稳定、介质损耗较低、密度低的介质材料的不断涌现，透镜天线技术也不断进步发展，其体积和重量越来越适于实际应用，加工精度不断提高，口径效率也随之增大，相较于上述两种多波束天线形式，介质透镜天线的优势愈发显得明显，受到了天线研究人员的关注。

龙伯透镜天线的概念在上世纪40年代由S.K.Luneburg最先提出以来，理论上的龙伯透镜介质的相对介电常数从里而外满足2到1的变化规律。相对于其它种类的多波束天线而言，由于其结构的空间对称性，龙伯透镜最主要的优点就是其焦点可以在表面上的任意位置、任意方向的信号都能被其接收或由其发射，不再局限在某一个固定的方向；其次，由于龙伯透镜的主体结构通常由介质材料构成，对于电磁波以及各类电信号的干扰和反射都较小，非常适合用在隐身目标上。柱面龙伯透镜天线是由球形龙伯透镜衍生而出的，相较于球形龙伯透镜天线，柱面龙伯透镜天线的结构是柱形旋转对称结构而不是球对称结构，因此柱面龙伯透镜可以将柱面波转换成平面波，故而柱面龙伯透镜天线具有方位面波束窄而俯仰面波束宽的波束特点。由于柱面龙伯透镜天线具有旋转对称结构，理论上透镜天线圆柱面上的任意一点都可以作为天线的焦点，相较于其他形式的多波束天线，具有很大优势。当需要产生多个波束时，可沿柱形焦点面放置多个馈源天线对透镜进行照射，馈源间的间隔角度小于方位面的半功率波束宽度时即可实现相应的空域覆盖。

传统球面和柱面龙伯透镜天线的工作机制都是在焦点处放置多个馈源天线，一个馈源天线对应一个波束，通过开关切换实现波束扫描或同时多波束。这种馈电机制下存在的问题有：由于一个波束指向只有一个馈源在工作，共有效全向辐射功率(EIRP)受限；扫描精度直接由馈源个数决定，存在波束覆盖盲区；对馈源失焦敏感等，因此，提出一种新的馈源机制，对龙伯透镜在实际应用中有很大意义。

发明内容

本发明针对柱面及球面龙伯透镜天线提供一种新型的馈电机制，采用相控阵天线进行馈电。本发明能够提高系统EIRP，提升扫描精度，提升天线增益，降低天线副瓣，具有较少扫描盲区，并且可以减少透镜天线的体积和重量，使得其多波束的应用场景更加的灵活和高效。

一种基于相控阵馈电的变型柱面/球面龙伯透镜天线，包括变型柱面/球面龙伯透镜，以及若干组作为馈源的有源平面相控阵天线。

所述变型柱面龙伯透镜的一侧面由相接的3个切面组成，且每个切面对应的圆心角大于等于40°、小于等于60°。

所述变型球面龙伯透镜的一侧由7个半径相同的切面组成。

所述变型柱面/球面龙伯透镜的每个切面外侧对应设置有一有源平面相控阵天线。

所述有源平面相控阵天线的每个相控阵单元后端接移相器、衰减器、以及功率放大器。

本发明所提出的柱面/球面龙伯透镜天线采用相控阵天线进行馈电，通过合理设计变型的柱面/球面龙伯透镜天线以及多组有源平面相控阵天线之间的位置关系，对作为馈源的相控阵天线进行幅度和相位的优化，从而在所需方向形成波束，实现波束电扫描或同时多波束的应用。相比于传统的单馈激励的馈电机制，相控机制使得每个波束指向上更多的相控单元参与工作，提升了系统的EIRP，并且可以对增益、方向图进行灵活的补偿和控制。

本发明有益效果有：1.通过两种传统多波束天线的优势结合和互补，提升了龙伯透镜天线系统的EIRP，2.解决了原先单馈切换扫描机制中的波束覆盖盲区的问题，增益扫描精度，实现逐点扫描，3.将传统弧形馈源的设计变为平面阵列，降低了馈源加工的难度，4.提升了透镜天线的增益，降低了透镜天线的副瓣，并且还可以实现对方向图的灵活控制，5降低了透镜天线的体积和重量，应用场景更加的灵活和高效。

附图说明

图1为本发明实施例变型柱面龙伯透镜示意图；

图2为本发明实施例变型球面龙伯透镜整体结构示意图；

图3为本发明实施例变型球面龙伯透俯视图以及侧视图；

图4为本发明实施例相控阵馈源结构示意图；

图5为本实施例相控阵馈源激励柱面龙伯透镜工作原理示意图；

图6为本发明实施例相控阵馈电的变型柱面龙伯透镜天线整体结构示意图；

图7(a)(b)为本发明实施例变型柱面龙伯透镜波束扫描方向图。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例，对本发明技术方案进行详细的说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

图1为本发明实施例变型柱面龙伯透镜天线示意图，它在传统柱面龙伯透镜的基础上，按照图示方式，将一侧面变为3个相接的切面。与传统柱面龙伯透镜相比，其面积、体积、质量均减少8.6％。本实施例中的透镜半径R＝120mm，θ＝60°，101-1至101-5相应介电常数分别为1.2、1.4、1.6、1.8、2。

图2为本发明实施例变型球面龙伯透镜天线示意图，它在传统球面龙伯透镜的基础上，按照图示方式，将一侧采用七个相接的切面将七个圆角裁去制成。与传统柱面龙伯透镜相比，其面积、体积、质量均减少大约7％，并且由于平面切面的增加，更利于透镜在实际应用场景中的放置。本实施例中的透镜半径R＝120mm，材料介电常数由球心向外从2到1进行递减。

图3为本发明实施例所使用相控阵馈源结构示意图。103-1为天线辐射结构，103-2为功率放大器，103-3为移相器，103-4为衰减器，103-5为射频输入/输出端口。

图4为本发明实施例变型柱面龙伯透镜利用相控阵馈电工作原理示意图，变型球面龙伯透镜工作原理完全相同。101为变形柱面龙伯透镜天线，104-1为左侧相控阵馈源，104-2为中部相控阵馈源，104-3为右侧相控阵馈源。三部相控阵馈源共同工作，来实现波束电扫描。相控阵馈源激励系数优化准则为在目标波束方向上实现最高增益。通过改变相控阵馈源激励，柱面龙伯透镜系统可实现±80°范围内的一维电扫描。波束扫描精度由相控阵单元移相器103-3和衰减器103-4精度决定，使用5-bit常规移相器和衰减器可实现1°的扫描精度，±80°范围内无扫描盲区。

图5为本发明实施例变形球面龙伯透镜利用相控阵馈电工作原理示意图。切面102-6上放置二维相控阵馈源107，其余切面上均放置相同二维相控阵馈源。

图6为相控阵馈源激励变形柱面龙伯透镜具体实施实例中整体结构俯视图。106-1和106-3分别为左侧和右侧相控阵馈源，规模为1×6线阵，106-2为中部相控阵馈源，规模为1×7线阵。透镜105半径为120mm，剖面高度15mm，采用聚四氟乙烯(PTFE)打孔进行制备。工作中心频率为10GHz。

图7为图6具体实施实例中三组相控阵馈源激励变形柱面龙伯透镜天线的波束扫描方向图，激励系数优化准则为目标方向波束增益最高。。图中所示为典型波束指向：0°、15°、30°、45°、60°和75°。由于有效辐射口径的减少，扫描至75°时增益下降3dB左右。与传统单馈开关切换激励龙伯透镜相比，本发明的结果在增益、EIRP、方向图形状、扫描精度上都有较大提升，均达到比较好的效果，证明了该方法的可行性与优越性。

以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (3)

1.一种基于相控阵馈电的变型柱面/球面龙伯透镜天线,其特征在于：该天线包括变型柱面/球面龙伯透镜，以及若干组作为馈源的有源平面相控阵天线；

所述变型柱面龙伯透镜的一侧面由相接的3个切面组成；

所述变型球面龙伯透镜的一侧由7个半径相同的切面组成；

所述变型柱面/球面龙伯透镜的每个切面外侧对应设置有一有源平面相控阵天线，各有源平面相控阵天线共同工作，在所需方向形成波束，实现波束电扫描或同时多波束扫描；通过改变有源平面相控阵天线激励，变型柱面龙伯透镜天线能够实现±80°范围内的一维电扫描。

2.如权利要求1所述的一种基于相控阵馈电的变型柱面/球面龙伯透镜天线，其特征在于：所述变型柱面龙伯透镜的每个切面对应的圆心角大于等于40°、小于等于60°。

3.如权利要求1所述的一种基于相控阵馈电的变型柱面/球面龙伯透镜天线，其特征在于：所述有源平面相控阵天线的每个相控阵单元后端接移相器、衰减器、以及功率放大器。

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