CN109546359B - 一种基于3d打印的方向图可重构相控阵天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于3D打印的方向图可重构相控阵天线系统，包括若干天线辐射单元，每个所述天线辐射单元包括一个龙伯透镜和若干馈源，所述馈源紧贴在龙伯透镜下方，所述天线辐射单元采用六角形阵进行排布，所述龙伯透镜为填充式结构或者掏空式结构，所述龙伯透镜采用3D打印制成。本发明通过采用上述结构，通过选择不同位置的馈源来限定阵列合成后的波束指向范围，然后通过每个龙伯透镜下的TR组件进行幅相控制，从而达到在所选子空域内进行波束指向的精细化调整，大大减少了TR组件的使用，在保证相控阵性能的前提下有效降低其成本。

Description

一种基于3D打印的方向图可重构相控阵天线系统

技术领域

本发明属于相控阵天线技术领域，具体涉及一种基于3D打印的方向图可重构相控阵天线系统。

背景技术

相控阵天线是随着雷达系统发展而诞生的产物。传统平面相控阵天线是通过电控制阵元相位的方法来改变方向图的波束指向，但研究表明这种传统相控阵天线其扫描范围仅仅局限在阵面法线-45°～+45°，即便是经过优化改造后也不过-60°～+60°。狭小的扫描范围和昂贵的造价极大程度地限制了相控阵的应用领域和发展空间，因此价格低廉并具有大角度扫描能力的相控阵天线越来越受到人们重视，成为天线领域一个重要的研究课题。此外，相控阵所具备的性能不论在雷达还是通信领域都具有绝对优势，但由于其高昂的成本，一般只用于军工产品，在民用领域还少有使用，所以如何在保证其性能的前提下降低成本也是近年来大家所关注的重点。

文献“A Dual-Band Wide-Angle Scanning Phased Array Antenna in K/KaBands for Satellite-on-the-Move Applications”(发表期刊：2017 11th EuropeanConference on Antennas and Propagation；发表日期：2017年3月；作者：Kamil YavuzKapusuz,Aydin Civi,Alexander G.Yarovoy)介绍了一种双频相控阵天线，其扫描原理就是传统相控阵的控制方式，每个单元都有独立的TR来进行控制。文中表示其扫描范围达-60°～+60°，旁瓣保持在-10dB以下。其优势主要在双频工作，但其缺点便是做成实物所需投入的成本，由于TR的数量太高，所以成本也会很高。除文献中提到的天线外，有很多其他形式的相控阵，不同之处多在于辐射天线的形式不同，而天线后面的TR不会减少，所以存在高成本的问题。

文献“多波束透镜天线理论与应用技术研究”(2009年博士论文；发表日期：2009年；作者：黄明)第二章详细说明了龙伯透镜天线的基本原理及实现方法，在第五章展示了该天线的扫描特性，最大可实现-90°～+90°以上的波束覆盖，并且保证增益及旁瓣的稳定，最后制作了用于卫星通信的龙伯透镜天线。但受限于当年的生产加工工艺，这种天线的尺寸很难做小，而且工艺稳定性较差，成品率低。近几年随着新工艺的发展，给这种天线提供了新的发展空间，本发明将在下文详细说明。

文献“基于方向图可重构技术的相控阵大角度扫描特性研究”(2009年博士论文；发表日期：2009年；作者：丁霄)将方向图可重构技术引入相控阵设计中，实现了相控阵的大角度波束覆盖。其具体实施方式如下：首先构建了第三章所述的方向图可重构单元，该单元有三种工作状态，理想状态三种状态下单元的辐射波数指向分别为0°和±45°，并且通过控制馈电网络中的PIN二极管来进行选择不同的工作方式；然后将该单元进行阵列排布，文中第四章设计了1*4的线阵，并根据单元的辐射情况将扫描空域划分为-75°～-25°，-20°～+20°以及+25°～+75°三个区间，在不同的空域扫描时选用对应的单元工作状态，这样便实现了波束的大角度覆盖。同传统相控阵一样，控制这样的天线仍然需要相应数量的TR组件，而且可重构单元的工作状态有限，很难再划分更多的区域，此外，设计二维方向图可重构的天线单元也较为复杂。

所以，如何实现二维大角度的波束覆盖，并且能够在工程上用相对低的成本实现，是接下来相控阵的发展方向和趋势，同样这也是相控阵天线研究领域中一个机遇和挑战并存的课题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种基于3D打印的方向图可重构相控阵天线系统，解决现有相控阵天线的波束覆盖角度较小，且生产成本较高的问题。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案实现：

一种基于3D打印的方向图可重构相控阵天线系统，包括若干天线辐射单元，每个所述天线辐射单元包括一个龙伯透镜和若干馈源，所述馈源紧贴在龙伯透镜下方。

进一步地，作为优选技术方案，所述天线辐射单元采用六角形阵进行排布，中间有一个阵元，往外每一圈按照六角形进行均匀摆放，相邻阵元间距均为51mm。

进一步地，作为优选技术方案，所述龙伯透镜为填充式结构或者掏空式结构。

进一步地，作为优选技术方案，所述龙伯透镜采用3D打印制成。

进一步地，作为优选技术方案，所述龙伯透镜为采用veroblack材料3D打印而成的类球型结构。

进一步地，作为优选技术方案，所述天线辐射单元的辐射区域分为37个子空域。

进一步地，作为优选技术方案，所述馈源为微带天线、Vivaldi天线、喇叭天线、八木天线、波导中的任意一种。

进一步地，作为优选技术方案，所述馈源为微带天线，所述微带天线的介质基板的直径为4.4mm，微带天线的贴片为环形结构，且贴片的其中一个对角进行切角处理。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明中的天线是方向图可重构天线，通过选择不同位置的馈源来限定阵列合成后的波束指向范围，然后通过每个龙伯透镜下的TR组件进行幅相控制，从而达到在所选子空域内进行波束指向的精细化调整，大大减少了TR组件的使用，在保证相控阵性能的前提下有效降低其成本。

(2)本发明利用3D打印技术实现了结构更精细的龙伯透镜，使其性能更接近理论情况，并且该方式可进行大批量生产，通过合理设计将波束覆盖空域分为37个子空域，极大提高了方向图可重构天线的空域划分能力，使整体控制更加精确。

(3)本发明具有大角度波束指向特性，在-70°～+70°的二维空域上可进行波束的精确指向，且增益不下降，波束形状不变形，在不同指向保持相同的辐射特性。此外，本发明仅根据实际使用做了-70°～+70°波束扫描范围的馈源布置，本发明最大可扩展的波束扫描范围可达到±80°以上。

附图说明

图1为本发明的方向图可重构辐射单元结构图；

图2为本发明的微带馈源结构示意图；

图3为本发明的填充式龙伯透镜结构的立体图；；

图4为本发明的填充式龙伯透镜结构的横截面图；

图5为本发明的掏空式龙伯透镜结构的横截面图；

图6为本发明的掏空式龙伯透镜结构的侧视图；

图7为本发明的方向图可重构单元辐射空域划分示意图；

图8为本发明的均匀六角形阵辐射单元的结构示意图；

图9为本发明的微带馈源方向图及轴比图；

图10为本发明的方向图可重构单元四种指向的方向图；

图11为7阵元阵列在激活中心和最外侧单元时的波束扫描方向图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

本发明设计的天线工作频率为29GHz～31GHz，方向图可重构辐射单元的结构如图1所示，为方便描述，本发明中的示意图未画出外围支撑结构，仅用于原理说明。本实施例所述的一种基于3D打印的方向图可重构相控阵天线系统，包括若干天线辐射单元，每个天线辐射单元包括一个龙伯透镜1和若干馈源2，本实施例优选采用37个馈源，馈源优选采用微带馈源，37个微带馈源均匀地分布在龙伯透镜1下方，并紧贴在龙伯透镜1的下半弧面上，依靠37个微带馈源的紧密排布，将天线的上半空间分割成37个子空域，每个子空域对应的波束宽度为20°左右，因此整个辐射区域可以被子空域的波束连续覆盖，并且保证了波束指向大角度时增益不衰减，组成阵列之后合成波束不变形。

本实施例中，龙伯透镜采用3D打印制成，优选的，本实施例的龙伯透镜为采用veroblack材料3D打印而成的类球型结构，除本实施例所提到的veroblack之外，还可以采用尼龙、树脂、ABS、PLA等多种非金属打印材料。除了类球型结构，本实施例也可根据需要将龙伯透镜的结构设计成其他形状。

可以理解的是，本实施例的馈源可以是微带天线，也可以是Vivaldi天线、喇叭天线、八木天线、波导中的任意一种。图2是微带馈源的结构示意图，为满足微带馈源在龙伯透镜下方能有效的摆放，本发明中微带馈源的介质基板204直径仅为4.4mm，由于尺寸的限制，本发明采用的贴片是环形辐射贴片202，起到小型化的作用；在环形辐射贴片202的一个对角进行切角处理，得到切角201，以达到圆极化辐射的辐射特性；203是馈电位置，并通过一小段微带线连接到环形辐射贴片202上，起到匹配和能量传递的作用。

本实施例的方向图可重构辐射单元是由微带馈源和龙伯透镜组成，其特点是微带馈源以碗状的形式均匀排布在透镜的下表面，以达到波束覆盖透镜上半空间的效果。

在本实施例中，龙伯透镜的基本原理是在透镜表面任一点发射的射线达到与之相对的另一侧口径面光程差相等，即透镜表面的球面波在透镜另一侧会变成平面波。利用这一点，我们只要在表面放置合适的馈源，通过透镜后就会形成具有相对应指向的辐射波束，波束宽度则由透镜尺寸来决定。本发明充分利用这一点，综合考虑馈源和透镜的尺寸设计了37个微带馈源和直径3cm的3D龙伯透镜，组合构成相控阵天线的方向图可重构辐射单元，再将多个方向图可重构辐射单元进行组阵用于相控阵的天线阵，本发明的阵列形式优选采用均匀六角形阵，将在后面做具体说明。

本实施例中，微带馈源是圆极化方环形微带贴片天线，使用微带天线做馈源不仅减小了天线整体尺寸，且便于安装和更换操作。本实施例的馈源优选采用经过小型化改进和轴比带宽优化的微带天线。

图3、图5为本发明可用3D打印实现的两种龙伯透镜结构，是本发明的重点之一。从光学角度来讲，龙伯透镜的表面上每一点都可视为透镜的焦点，从焦点发出的光通过透镜后会在对面形成平行光，要达到这种效果，透镜的内部的折射率n就会随着r的变化而改变。若R为透镜半径，则：

本发明为了实现折射率的改变，要对不同径向位置的材料进行调整，通过改变不同径向位置材料与空气的占空比可以等效的改变该径向位置的相对介电常数ε_r，即改变了该位置的折射率n。图3、图4所示结构采用的是填充方式，首先构造了交趾穿插结构的三维框架102，该三维框架102近似于球型，然后在三维框架102的每个节点进行介质填充，图4为图3的横截面图，图4中101所示为三维框架102的横截面结构，可以看出在从中部向外，节点上填充的介质逐渐变少，以此便达到了改变不同径向位置折射率的效果。

图5、图6所示结构采用的是掏空方式，图5是横截面图，图6是侧视图，104为掏空式龙伯透镜的侧视结构，103为104的横截面结构。首先建立一个实心的介质球，根据计算所得的不同径向位置下的介质空气占空比进行介质掏空，越往外空气占的比例越大，则介电常数越接近1；越往中心介质占的比例越大，介电常数也越大。这种方式要根据3D打印的加工能力进行设计，较为复杂，但是比填充方式的折射率变化更平缓，更接近理想的龙伯透镜。

以上对方向图可重构辐射单元的结构做了说明，为进一步的从性能角度进行解释说明。本发明利用CST Microwave Studio对该天线的单元及阵列进行建模仿真，图9为微带馈源的辐射方向图。可以看出其在xoz面和yoz面波束一致性良好，且辐射范围内圆极化性能较好，说明该馈源的设计的合理性。

进一步地，为说明方向图可重构辐射单元的工作方式，首先需要对空域进行划分，如图7所示，205为37个微带馈源中的一个，其透过龙伯透镜后所能覆盖的空域为105，图中显示了所有馈源在上半空间的辐射覆盖范围，经过仿真该方向图可重构辐射单元的波束覆盖范围达到-70°～+70°以上。如图10分别显示了波束指向为0°，20°，40°和60°的仿真结果。可见这种方向图可重构方式在波束指向大角度时增益并未下降，波束也没有变形，这对后面的组阵性能有了保障作用。

本发明以这种方向图可重构辐射单元作为阵元进行排布，如图8所示，按照均匀六角形阵的方式进行组阵，中间有一个阵元，往外每一圈按照六角形3进行均匀摆放，相邻阵元间距均为51mm，由于单元间距较大，采用此种布阵方式可保证在阵列间距变大的情况下栅瓣个数保持不变，便于后续消除栅瓣的处理，本发明展示结果为消除栅瓣后的结果，消栅瓣技术本发明不作解释。为减少栅瓣，也可以采用非周期排布方式进行组阵。由于模型较大，本发明以7单元阵作仿真说明，仿真结果如图11所示，图中分别显示了激活中心单元时的三种指向波束和激活最外侧单元时的三种指向波束。可见其旁瓣均在-12dB以下，波束指向依次为0°、5°、10°、60°、65°和70°。表1详细地列出了上述六种状态的方向图相关数据。由所列结果及对称性可知，本发明相控阵天线的联合3dB波束宽度范围覆盖可达到-70°～+70°。

表1XOZ面辐射方向图增益性能

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于3D打印的方向图可重构相控阵天线系统，其特征在于，包括若干天线辐射单元，每个所述天线辐射单元包括一个龙伯透镜和若干馈源，所述馈源紧贴在龙伯透镜下方，所述天线辐射单元采用六角形阵进行排布，中间有一个阵元，往外每一圈按照六角形进行均匀或非均匀摆放；所述龙伯透镜采用3D打印制成；所述天线辐射单元的辐射区域可以按照波数宽度设计指标要求分为1至多个子空域；所述龙伯透镜为填充式结构或者掏空式结构，所述填充式结构包括交趾穿插结构的三维框架，该三维框架为球型，在三维框架的每个节点进行介质填充，节点上填充的介质逐渐变少，以此便达到了改变不同径向位置折射率的效果；所述掏空式结构包括一个实心的介质球，根据计算所得的不同径向位置下的介质空气占空比进行介质掏空，越往外空气占的比例越大，则介电常数越接近1，越往中心介质占的比例越大，介电常数也越大。

2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的方向图可重构相控阵天线系统，其特征在于，所述龙伯透镜为采用veroblack材料3D打印而成的类球型结构。

3.根据权利要求2所述的一种基于3D打印的方向图可重构相控阵天线系统，其特征在于，3D打印材料为尼龙、树脂、ABS、PLA中的任意一种或几种，只需根据各自的电磁特性进行适当调整便可制作出可用的龙伯透镜。

4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的方向图可重构相控阵天线系统，其特征在于，所述馈源为微带天线、Vivaldi天线、喇叭天线、八木天线、波导中的任意一种。

5.根据权利要求4所述的一种基于3D打印的方向图可重构相控阵天线系统，其特征在于，所述馈源为微带天线，所述微带天线的贴片为环形结构，且贴片的其中一个对角进行切角处理。