CN109326893A

CN109326893A - 一种微带频扫天线

Info

Publication number: CN109326893A
Application number: CN201811326128.1A
Authority: CN
Inventors: 崔卫东; 凤宏晓; 王国泉; 马凯; 何新亮
Original assignee: SHAANXI HUANGHE GROUP CO Ltd
Current assignee: SHAANXI HUANGHE GROUP CO Ltd
Priority date: 2018-11-08
Filing date: 2018-11-08
Publication date: 2019-02-12

Abstract

本公开是关于一种微带频扫天线，包括天线阵列和M个耦合器。该天线阵列包括N个天线单元；M个耦合器，位于该N个天线单元一侧，且M个耦合器依次对应前(N‑1)个天线单元，其中各天线单元的输入口通过第一传输线连接对应的耦合器的耦合端，相邻耦合器之间前一耦合器的输出端通过第二传输线连接后一耦合器的输入端；第M个耦合器的输出端依次连接第二传输线、第一传输线至第N个天线单元的输入口。其中，M＝(N‑1)，各第一传输线长度不同使得各耦合器相对于天线单元的位置不同，且各耦合器的耦合量不同，以使各天线单元的输入口在中心频率上相位一致。本公开避免了在Ku波段频扫天线法线方向驻波大的缺陷，实现了大宽角范围的扫描。

Description

一种微带频扫天线

技术领域

本公开涉及相控阵天线技术领域，尤其涉及一种Ku波段微带频扫天线。

背景技术

频扫天线，是电扫描天线的一种，当改变其工作频率时，阵列各单元的相位关系变化，波瓣指向随之改变。与其他电扫描天线相比，频扫天线以低成本、体积小、性能优异等特点，被广泛应用于各种雷达设备中。

目前，一般的频扫天线都是采用缝隙波导频扫与相扫相结合的方式，在方位面控制移相器实现相位扫描；在高低面，不同的频率实现不同的扫描指向。但这种形式的天线，高低面的扫面角度范围较窄，一般只有10°左右，且由于缝隙波导自身扫描特性所限不能实现大宽角的频率扫描。

相关技术中，提出了一种微带频扫天线，具有扫描范围大、损耗小的优点，但是，当工作在Ku频段时，耦合器尺寸较大，馈电方式在Ku频段不容易实现。此外，由于天线阵列传输线尺寸较大，只能实现单纯的一维频率扫描，不能实现二维扫描。因此，有必要提供一种新的技术方案改善上述方案中存在的一个或者多个问题。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种微带频扫天线，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本公开实施例提供的一种微带频扫天线，包括：

天线阵列，包括N个天线单元；

M个耦合器，位于该N个天线单元一侧，且M个耦合器依次对应前(N-1)个天线单元，其中各天线单元的输入口通过第一传输线连接对应的耦合器的耦合端，相邻耦合器之间前一耦合器的输出端通过第二传输线连接后一耦合器的输入端；第M个耦合器的输出端依次连接第二传输线、第一传输线至第N个天线单元的输入口；

其中，M＝(N-1)，各第一传输线长度不同使得各耦合器相对于天线单元的位置不同，且各耦合器的耦合量不同，以使各天线单元的输入口在中心频率上相位一致。

本公开的实施例中，所述第一传输线和第二传输线是悬置微带慢波线。

本公开的实施例中，各第二传输线的总长度相同。

本公开的实施例中，第一传输线的长度以及第二传输线的长度由该天线阵列的预设频率范围和扫描范围确定。

本公开的实施例中，相邻天线单元之间具有预设间距，所述悬置微带线的宽度小于该预设间距的三分之一。

本公开的实施例中，所述预设间距由该天线的预设频率范围和扫描范围确定。

本公开的实施例中，所述悬置微带线腔体的厚度为天线波长的四分之一。

本公开的实施例中，所述各天线单元对应的耦合器的耦合量由天线波束的预设参数确定。

本公开的实施例中，所述耦合器包括窄边耦合器、交指耦合器和蛇形交指耦合器。

本公开的实施例中，所述天线单元为微带阵子天线。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本公开的一种实施例中，各天线单元的输入口通过第一传输线连接对应的耦合器的耦合端，相邻耦合器之间前一耦合器的输出端通过第二传输线连接后一耦合器的输入端，第M个耦合器的输出端依次连接第二传输线、第一传输线至第N个天线单元的输入口，即可保证全部能量依次输送到每一个天线单元并辐射到空间。上述装置中，由于各第一传输线长度不同，使得各耦合器相对于天线单元的位置不同，且各耦合器的耦合量不同，以使传输至各天线单元的输入口的信号在中心频率上的相位一致，因而避免了在Ku波段频扫天线法线方向驻波大的缺陷，实现了大宽角范围的扫描。另一方面，三端口的耦合器与传输线以及天线单元的连接方式，缩小了整个微带频扫天线的尺寸，使得该微带频扫天线可组成相频扫天线，从而实现多维度的扫描。

附图说明

图1示出本公开示例性实施例中微带频扫天线结构示意图；

图2示出本公开示例性实施例中窄边耦合器局部放大示意图；

图3示出本公开示例性实施例中交指耦合器局部放大示意图；

图4示出本公开示例性实施例中蛇形交指耦合器局部放大示意图；

图5示出本公开示例性实施例中微带频扫天线仿真驻波图；

图6示出本公开示例性实施例中微带频扫天线方向图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

本示例实施方式中提供了一种微带频扫天线，如图1所示，该微带频扫天线包括天线阵列以及M个耦合器100。天线阵列包括N个天线单元200，具体的，该天线单元200可以为微带阵子天线。M个耦合器100位于该N个天线单元200的一侧，且M个耦合器100依次对应前(N-1)个天线单元200，其中各天线单元200的输入口通过第一传输线300连接对应的耦合器100的耦合端101，相邻耦合器之间前一耦合器100的输出端102通过第二传输线400连接后一耦合器100的输入端103，第M个耦合器100的输出端102依次连接第二传输线400、第一传输线300至第N个天线单元200的输入口，M和N均为大于零的整数且M＝(N-1)。其中，各第一传输线300长度不同，使得各耦合器100相对于天线单元200的位置不同，且各耦合器100的耦合量不同，以使传输至各天线单元200的输入口的信号在中心频率上的相位一致。

在一个实施例中，激励信号由第一个天线单元200所连接的耦合器100的输入端103馈入，经过该耦合器100将部分能量耦合至第一个天线单元200，再将另一部分能量从输出端102通过第二传输线400传送至相邻耦合器100的输入端103，该相邻耦合器以前一耦合器同样的传输方式向天线单元200和下一耦合器100传送能量，以此类推至最后一个天线单元200时，由前一个天线单元200对应的耦合器100的输出端102依次连接第二传输线400和第一传输线300直接输入能量。在能量的传输过程中，由于每一个天线单元200所连接的第一传输线300的长度不完全相同，使得每个耦合器100在耦合段放置的位置不同，其反射波不能同相叠加，天线扫描到法线方向时驻波较小。与此同时，每个耦合器100的输出端102经过不同长度的第一传输线300到达天线单元200，不需要额外的补偿段，就可使每个天线单元200输入口的相位在中心频率上为2π的整数倍，即在中心频率上，各个天线单元的输入口相位一致，因而避免了在Ku波段频扫天线法线方向驻波大的缺陷，实现了大宽角范围的扫描。

在一个示例中，如图1所示，所述第一传输线300和第二传输线400是悬置微带慢波线。由于悬置微带慢波线的大部分电力线均集中在空气中，故介质引入的影响很小，在传送能量至耦合器时，悬置微带慢波线的Q值相应增高，可以减小损耗提高效率。

不同于相关技术中，要通过调节传输线周期长度补偿的方式，消除法线方向驻波大的缺点，本公开中各第二传输线400的总长度相同，使得操作更为方便。

在一个实施例中，第一传输线300的长度以及第二传输线400的长度由该天线阵列的预设频率范围和扫描范围确定，例如，已知频率为Ku波段，且带宽和频率扫描范围确定，则可根据一般的频扫天线理论，计算出第二传输线400的长度。

如图1所示，相邻天线单元200之间具有预设间距a，所述悬置微带慢波线的宽度b小于该预设间距a的三分之一。如此设置是为了保证相邻天线单元间可以容纳一个耦合器100、第一传输线300以及第二传输线400，又不至于增大整个微带频扫天线的整体尺寸。具体的，上述相邻天线单元200之间的预设间距a由该微带频扫天线的预设频率范围和扫描范围确定。例如，已知频率为Ku波段，且带宽和频率扫描范围确定，则可根据一般的频扫天线理论，计算出该预设间距a。

在一个实施例中，所述悬置微带慢波线腔体的厚度为微带频扫天线波长的四分之一，再加上悬置微带慢波线的金属壁厚，使得整个频扫天线的厚度小于半波长，则多个频扫天线可以并列放置组成相频扫天线，同时相扫单元间距较小，可实现较大扫描范围的相扫功能。

如图1至图4所示，在一个实施例中，上述耦合器100包括窄边耦合器110、交指耦合器120和蛇形交指耦合器130。其中，窄边耦合器110通过调节其上带线的间距来获得不同的耦合量，交指耦合器120通过调节其上带线的指形交错的深度来获得不同的耦合量，而蛇形交指耦合器130通过调节蛇形弯曲程度、交错深度来获得不同的耦合量。具体的，上述三种耦合器均为三端口的耦合器，该三个端口分别为输入端103、输出端102、耦合端101。由于窄边耦合器110、交指耦合器120和蛇形交指耦合器130本身的结构形式，尺寸要小于现有技术中四端口的环形分支线耦合器，进一步减小了整个微带频扫天线的尺寸。

通常，微带频扫天线阵列阵列幅度分布采用泰勒加权分布，以保证天线获得低副瓣，故理论上每个耦合器的耦合量各不相同，在一个具体的示例中，各天线单元对应的耦合器100的耦合量由天线波束的预设参数确定，该预设参数为微带频扫天线阵列幅度分布，根据通用公式计算出每一个天线单元的耦合量，再根据计算出的不同耦合量选择采用上述不同形式的耦合器。例如，对于较小的耦合量，小于-13dB时采用窄边耦合器，小于-6dB时采用交指耦合器，其他耦合量则可采用蛇形交指耦合器。在图1中，各耦合器100的位置关系以及采用的耦合器的类型，仅为了描述方便，并不用来限制本发明。

微带频扫天线的具体设计制作实施例：

已知频率为Ku波段，带宽为2GHz，频率扫描(频扫)范围为±20°，根据一般的频扫天线理论，计算出该天线单元200之间的间距a为10.2mm，单元间第二传输线400的长度为62mm。

第一传输线300和第二传输线400均采用悬置微带慢波线，该悬置微带慢波线的腔体宽度b为2.7mm，厚度为4mm，宽度方向壁厚1mm左右，厚度方向壁厚2mm。

根据天线波束宽度、副瓣电平，选择适当的幅度分布，计算出每个天线单元的耦合量。由于等效慢波结构中的电磁能量损耗较为严重，因此频扫阵列不宜过长，在本实施例中，采用幅度分布为泰勒加权分布的微带频扫天线，天线单元的数量N为18，则耦合器的数量M为17。根据计算，该18个天线单元的耦合量分别为：-22dB、-21dB、-19dB、-17dB、-15dB、-13.4dB、-12dB、-10.5dB、-9.2dB、-8.2dB、-7.2dB、-6.4dB、-5.6dB、-5dB、-4.5dB、-3.8dB、-2.7dB、0dB，最后一个天线单元0dB代表直接输入，不需要耦合。

利用电磁仿真软件，本示例中采用HFSS软件，对耦合器仿真优化，得到17个不同耦合量的耦合器。再利用HFSS软件，优化第一传输线300和耦合器100的组合部分，计算出第一传输线300的长度，以确保每一个天线单元的输入端口在中心频率时等相位。

最后组合微带阵子天线，最终完成微带频扫天线的设计制作。

如图5所示，采用本实施例的设计，制作完成的微带频扫天线在整个2GHz工作频带内，驻波不大于1.9。图6为微带频扫天线在各个频点的方向图，可看出，扫描方向图扫描空域大于46°。该微带频扫天线实现了在Ku波段的大宽角扫描且性能优异。

在本公开的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims

1.一种微带频扫天线，其特征在于，包括：

天线阵列，包括N个天线单元；

2.根据权利要求1所述一种微带频扫天线，其特征在于，所述第一传输线和第二传输线是悬置微带慢波线。

3.根据权利要求2所述一种微带频扫天线，其特征在于，各第二传输线的总长度相同。

4.根据权利要求3所述一种微带频扫天线，其特征在于，第一传输线的长度以及第二传输线的长度由该天线阵列的预设频率范围和扫描范围确定。

5.根据权利要求3所述一种微带频扫天线，其特征在于，相邻天线单元之间具有预设间距，所述悬置微带线的宽度小于该预设间距的三分之一。

6.根据权利要求5所述一种微带频扫天线，其特征在于，所述预设间距由该天线的预设频率范围和扫描范围确定。

7.根据权利要求1-6任一所述一种微带频扫天线，其特征在于，所述悬置微带线腔体的厚度为天线波长的四分之一。

8.根据权利要求1-6任一所述一种微带频扫天线，其特征在于，所述各天线单元对应的耦合器的耦合量由天线波束的预设参数确定。

9.根据权利要求1-6任一所述一种微带频扫天线，其特征在于，所述耦合器包括窄边耦合器、交指耦合器和蛇形交指耦合器。

10.根据权利要求1-6任一所述一种微带频扫天线，其特征在于，所述天线单元为微带阵子天线。