CN110176665B - 一种相控阵天线及相控阵雷达 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种相控阵天线及相控阵雷达，该相控阵天线的天线阵元为Vivaldi天线，所述Vivaldi天线设有开口向上的缝隙结构，所述Vivaldi天线的侧面宽度从所述Vivaldi天线的底部至顶部逐渐减小。

Description

一种相控阵天线及相控阵雷达

技术领域

本发明涉及天线技术领域中的相控阵天线技术，尤其涉及一种相控阵天线及相控阵雷达。

背景技术

相控阵天线，是一种通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变天线方向图形状的天线，其可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的。相控阵天线克服了机械扫描惯性大、速度慢的特点，被广泛应用在雷达中，用于解决高速运动目标观测、多目标跟踪等方面问题。

在目前日益复杂的电磁环境背景下，现有的相控阵天线在扫描角度上已无法满足多目标、多功能探测场景下的综合应用需求，导致雷达的探测能力和范围受限。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种相控阵天线及相控阵雷达，能够达到宽角扫描的特性，提升雷达的探测能力和范围。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例的第一方面提供了一种相控阵天线，所述相控阵天线的天线阵元为Vivaldi天线，所述Vivaldi天线设有开口向上的缝隙结构，所述Vivaldi天线的侧面宽度从所述Vivaldi天线的底部至顶部逐渐减小。

作为本发明实施例第一方面的第一种可能的实现方式，所述Vivaldi天线的侧面包括下宽上窄的梯形结构。

结合本发明实施例第一方面的第一种可能的实现方式，作为第二种可能的实现方式，所述梯形为等腰梯形。

作为本发明实施例第一方面的第三种可能的实现方式，所述缝隙结构的上部由相对于竖直方向的对称轴对称的两辐射臂形成，所述辐射臂对应的槽线满足指数函数曲线：

z＝±(c₁e^Rx+c₂)

其中，

(x₂，z₂)为单侧的所述槽线的顶端在所述Vivaldi天线的正面的投影坐标，(x₁，z₁)为所述单侧的所述槽线的底端在所述Vivaldi天线的正面的投影坐标，R为设定的所述槽线的曲率。

结合本发明实施例第一方面的第三种可能的实现方式，作为第四种可能的实现方式，所述槽线的曲率为0.052。

作为本发明实施例第一方面的第五种可能的实现方式，所述Vivaldi天线为全金属表面的Vivaldi天线。

作为本发明实施例第一方面的第六种可能的实现方式，所述Vivaldi天线的馈电结构采用同轴线对所述相控阵天线进行馈电。

作为本发明实施例第一方面的第七种可能的实现方式，所述相控阵天线的天线阵列的两两间距小于或等于9.76mm。

作为本发明实施例第一方面的第八种可能的实现方式，所述Vivaldi天线的宽度和高度均小于所述相控阵天线的最低工作频率对应的波长的二分之一。

本发明实施例的第二方面提供了一种相控阵雷达，所述相控阵雷达包括如上所述的相控阵天线。

本发明实施例选取Vivaldi天线作为相控阵天线的天线阵元，通过对Vivaldi天线的侧面结构和进行改进，使得Vivaldi天线具备更好的宽角扫描特性，通过一系列的仿真，可明确本发明实施例提供的相控阵天线能够实现全频带范围内±45°的宽角扫描特性，由此带来雷达探测能力和范围的提升。

附图说明

图1是本发明实施例提供的相控阵天线中Vivaldi天线的主视结构示意图；

图2是本发明实施例提供的相控阵天线中Vivaldi天线的三维结构示意图；

图3是本发明实施例提供的相控阵天线中Vivaldi天线的侧视结构示意图；

图4是本发明实施例提供的相控阵天线中Vivaldi天线的尺寸示例图；

图5是本发明实施例提供的Vivaldi天线仿真过程的周期边界条件示意图；

图6是本发明实施例提供的Vivaldi天线仿真结果示意图一；

图7是本发明实施例提供的Vivaldi天线仿真结果示意图二；

图8a至图8b本发明实施例提供的Vivaldi天线仿真结果示意图三；

图9a至图9c本发明实施例提供的相控阵天线的天线阵列仿真结果示意图。

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。

在本发明实施例中，相控阵天线的天线阵元采用的是Vivaldi天线。Vivaldi天线，是通过采用指数形状的缝隙结构来控制电磁波从缝隙的一端向开口端辐射电磁能量的缝隙微带天线，其具有宽频带特性和稳定的方向图特性，方向图在宽频带范围内变化不大。由于天线阵元的性能决定了天线阵列的性能，因此，在本发明实施例中，将Vivaldi天线选作相控阵天线的天线阵元，使得相控阵天线也具备了宽频带的特性。

进一步地，作为本发明的一个实施例，对Vivaldi天线采用全金属表面，此外，作为本发明的一个实施例，Vivaldi天线的馈电结构还可采用同轴线进行馈电。Vivaldi天线采用全金属表面以及同轴馈电，使得本发明实施例中的Vivaldi天线较之其他微带天线具有性能稳定且易于加工的优点。

Vivaldi天线由馈电结构、匹配结构、传输结构和辐射结构组成，图1示出了Vivaldi天线的主视结构示意图。

对应于构成Vivaldi天线的馈电结构、匹配结构、传输结构和辐射结构，Vivaldi天线的主视结构从平面上来看分别相应地由图1中示出的馈电区1、匹配区2、传输区3和辐射区4组成，其中，

馈电区：位于Vivaldi天线的底部。本发明实施例中，馈电区采用同轴馈电结构，示例性地，同轴馈电结构为50Ω同轴线，且该同轴馈电结构的介质材料可以为RogersRT5880。在此，馈电区采用同轴线进行馈电，同轴线的辐射损耗小，且可以通过选择馈电点位置来实现阻抗匹配。

传输区：从主视图来看，是一段连接馈电区和辐射区的弯曲槽线，传输区远离缝隙开口的末端连接谐振腔，以实现谐振匹配。为了使馈电区的同轴线直接接入Vivaldi天线的底部，弯曲槽线的一部分须与Vivaldi天线的辐射方向垂直，其余部分再弯曲向辐射区延伸。在此，这部分弯曲槽线的弯曲设计可减少由于将弯曲槽线90°转变方向产生的场不对称性而造成的端口耦合。此外，通过调整这部分弯曲槽线的长度和形状，能够平滑阻抗的电抗，以匹配整个频段。传输区弯曲槽线的设置可参照现有技术，在此不赘述。

辐射区：Vivaldi天线的辐射结构由相对于Vivaldi天线的竖直方向的对称轴对称的两条辐射臂形成，构成了Vivaldi天线缝隙结构的上部。从主视图来看，辐射臂对应的槽线满足指数函数曲线：

z＝±(c₁e^Rx+c₂)

其中，

(x₂，z₂)为单侧的槽线的顶端在Vivaldi天线的正面的投影坐标，(x₁，z₁)为该条槽线的底端在所述Vivaldi天线的正面的投影坐标，R为设定的槽线的曲率，其为一小于1的常数。因此，由图1可知，x₂-x₁的差值即为Vivaldi天线的缝隙结构的张口宽度的一半，z₂-z₁即为Vivaldi天线的辐射结构的高度。

在天线进行E面扫描时，在5°附近会出现扫描盲区，影响扫描特性，这是由于天线在扫描到该角度时，没有或仅有很少能量从天线阵列发射出，或者没有或仅有很少能量被天线阵列接收。若扫描盲区出现在相控阵天线要求的扫描角域内，将会严重影响其整体性能。因此，在本发明实施例中，在传统的Vivaldi天线的结构的基础上，对Vivaldi天线的侧面结构进行改进。结合图2示出的Vivaldi天线的三维结构示意图，其设有开口向上的缝隙结构，而本发明实施例涉及的改进包括将Vivaldi天线的侧面宽度由Vivaldi天线的底部至顶部逐渐减小。进一步地，在技术实现过程中，为了易于加工，如图3示出的，Vivaldi天线的侧面包括下宽上窄的梯形结构。更进一步地，该梯形结构可以为等腰梯形结构，对应的等腰梯形的腰的斜率k为

其中，l为Vivaldi天线的高度，h₁为等腰梯形的下底边边长，h₂为等腰梯形的上底边边长。

由仿真天线的电流分布可知，天线在其底部的耦合严重，而由Vivaldi天线特性可知，天线厚度的增加可以减少E面的耦合，因此，在本发明实施例中，Vivaldi天线的侧面宽度由Vivaldi天线的底部至顶部逐渐减小，在此，所谓“宽度”，即在Vivaldi天线的侧面，垂直于Vivaldi天线从底部至顶部方向的长度，如此设置使得Vivaldi天线下部的厚度大于其上部的厚度，且在越接近Vivaldi天线底部的位置，厚度越大，从而可以改变Vivaldi天线表面的电流分布，有效地减少E面的耦合，消除Vivaldi天线的扫描盲区，使相控阵天线能够实现宽角扫描。

以上是为了达到宽角扫描的特性，本发明实施例对作为天线阵元的Vivaldi天线的改进。此外，由于平面相控阵列天线的阵元数少，其扫描波束可实现的最大扫描角也小，且阵列天线的阻抗在宽角扫描下很难匹配，因此，需要在有限的天线安装平台上设置数量足够的天线阵元，这样一来，天线阵元之间的间距也减小，提升了相控阵列天线的宽角扫描特性。基于以上考量，为了更好地达到宽角扫描的特性，下文实施例还对相控阵天线的阵列参数进行了改进。

对于相控阵天线来说，若增大天线阵元的间距，则天线的低频性能会提高，但若天线阵元之间的间距过大，相控阵天线在扫描时产生的辐射场，除主瓣以外在其他方向会因场强同相叠加形成强度与主瓣相仿的辐射瓣，即栅瓣。栅瓣占据了辐射能量，使相控阵天线增益降低，从栅瓣看到的目标与主瓣看到的目标易于混淆，导致目标位置模糊，干扰信号从栅瓣进入接收机将影响通信系统的正常工作。因此，应合理地选择相控阵天线的阵元间距，以避免出现栅瓣。在本发明实施例中，并非一味地增大天线阵元的间距，而是在增大天线阵元之间的间距的同时，对相控阵天线的栅瓣进行抑制，以避免副瓣电平的抬高。为了避免出现栅瓣，相控阵天线的天线阵元之间的间距d和扫描角度θ存在以下关系：

其中，λ代表相控阵天线的最高工作频率对应的最小波长，

c＝3×10⁸m/s，即光速，而为了达到超宽带特性，相控阵天线的工作频率f范围应达到2GHz～18GHz，即最高工作频率为18GHz，最低工作频率为2GHz，由此计算出和，代入上式可知，在本发明实施例中，天线阵元的间距需小于或等于9.76mm。

经仿真，对应于图4示出的Vivaldi天线的尺寸示例图，关于Vivaldi天线的尺寸参数示例如表1所示：

表1

参数	尺寸	参数	尺寸	参数	尺寸
						a	3.4	d<sub>2</sub>	2.3	l<sub>2</sub>	4
b	5.8	d<sub>3</sub>	2.8	e	15.0
						R<sub>n</sub>	0.75	d<sub>4</sub>	1.0	f	40
h	1.45	d<sub>5</sub>	1.81	d<sub>1</sub>	7.54
						o	1.4

由于最低工作频率对应波长为150mm，一般来说，天线阵元的高度和宽度均小于最低工作频率对应波长的二分之一，即可使天线尺寸满足小型化的要求，以确保在有限的天线安装平台上设置数量足够的天线阵列元。示例性地，可以设置Vivaldi天线的高度为59.2mm，宽度为7.54mm。

在本发明实施例中，除了对相控阵天线的宽角扫描特性进行改进，还对其超宽带特性进行了改进。1989年美国国防部首次提出“超宽带”这个术语，并规定若信号在-10dB处的相对带宽大于25％，则这个信号就是超宽带信号，即

其中，η为信号的相对带宽，f_H和f_L分别为信号在功率谱密度的-10dB衰减点的最高频率和最低频率。2002年2月14日美国联邦通信委员会批准将3.1GHz～10.6GHz的频段划作超宽带技术的商业应用，并将广泛应用于新兴短程通信中，这更使得超宽带平面天线成为一个新的热点。

在上文实施例中，采用改进了侧面结构的Vivaldi天线作为天线阵元，由于Vivaldi天线本身具有超宽带特性，因此该天线阵元的选用是相控阵天线具有超宽带特性的基础。此外，本发明实施例还通过以下设计改进来进一步满足相控阵天线的超宽带特性。

首先，由Vivaldi天线的辐射机理可知，其缝隙结构的槽线开口最宽端的宽度与天线工作的低频段波长有关，而槽线开口的最窄端的宽度与天线工作的最高频率有关，因此，在本发明实施例中，为了满足超宽带的特性，将槽线开口最宽端的宽度取为天线的最高工作频率对应波长的二分之一，将槽线开口最窄端的宽度取为天线的最高工作频率对应波长的八分之一。

其次，Vivaldi天线辐射结构的槽线，其曲率半径越大，天线的低频段带宽越好；相反，其曲率半径越小，Vivaldi天线的高频段带宽越好，低频段的性能会有所下降。因此，在本发明实施例中，通过仿真，将曲率选取为0.052，可以得到较好的超宽带特性。

再次，在本发明实施例中，Vivaldi的馈电结构采用50Ω同轴线对进行馈电，辐射损耗小，并且可通过选择馈电点位置实现阻抗匹配，也有助于实现超宽带特性。

基于上文实施例的相控阵天线设计，基于高频仿真软件CST对相控阵天线的天线阵元Vivaldi天线进行建模，使用CST软件频域求解器，在Vivaldi天线单元的x方向和y方向建立周期性边界条件，在z方向设置Floquet端口，模拟天线阵元在无限大阵列中的电磁环境进行仿真。图5以9个天线阵元的情况为示意，但在实际仿真过程中，模拟的是无限多个天线阵元的情况。其中，周期性边界条件指的是，当周期结构的无限大阵列通过均匀幅度和线性相位激励的时候，就可以简化成处于周期性边界条件下的一个单位单元，通过分析该单位单元的性能就可以估计大型阵列的表现。

如图6所示，得到的仿真结果显示，Vivaldi天线在不扫描的情况下，在2～18GHz的9倍频程内驻波比≤2，实现了超宽带特性。

在此，驻波比即天线的驻波波腹电压与波谷电压幅度之比，又称为驻波系数。当驻波比等于1时，表示馈线和天线的阻抗完全匹配，此时高频能量能够全部被天线辐射出去，没有能量的反射损耗；而当驻波比无穷大时，表示全反射，即能量完全没有被天线辐射出去。

从图7显示的仿真结果中，对应于图4示出的Vivaldi天线的尺寸示例图，可以看出，当d₁或h发生变化时，在2～18GHz的9倍频程内驻波比始终小于2，即，随着Vivaldi天线参数的变化，天线性能能够保持稳定。

图8a和图8b分别给出了本发明实施例提供的Vivaldi天线在E面(phi＝0°)和H面(phi＝90°)扫描情况下0°～45°的驻波比。可以看出，当进行扫描时，在2～18GHz的9倍频程内驻波比≤2，实现了超宽带特性。

结合以上仿真结果可知，天线阵元在驻波比≤2时其带宽为2～18GHz，相对带宽、即信号带宽与中心频率之比达到160％，同时，在全频带范围内扫描角度在E面和H面均可达到±45°，因此本发明实施例所提出的Vivaldi天线设计，在周期边界条件下可实现超宽带宽角扫描特性。

接下来，对相控阵天线的天线阵列的排布进行仿真，以7.54mm为横向间距和纵向间距，对20×20的阵列进行仿真，图9a、图9b和图9c分别先后示出了天线阵列在6GHz、10GHz和18GHz的工作频率下0°与45°的扫描方向图，结合表2的仿真结果数据可知，该天线阵列具有超宽带和宽角扫描特性，且该天线阵列在大角度扫描情况下具有较好的定向性。

表2

从表2中可以看出，随着频率的升高，波束宽度减小，增益增大，旁瓣电平变差。同时，随着扫描角度增大，天线增益下降、副瓣电平抬高。

基于上文所述的关于相控阵天线的实施例，相控阵天线可用于监视引导、低空补盲、导弹制导、炮位侦查、敌我识别、精密跟踪测量、目标指示较射以及机载预警火控等几乎所有的军用雷达系统，目前，在双/多基地雷达和超视距雷达中也采用相控阵体制。此外，相控阵天线在港口及空中交通管制、微波着陆导航、气象预测预报、通信广播、射电天文、遥测遥感和生物医疗等领域的民用事业中也可被应用。因此，本发明实施例还提供一种相控阵雷达，该相控阵雷达采用了如上文实施例所述的相控阵天线。以机载雷达为例，相控阵天线可安装的位置包括机头位置、机身侧面位置、飞机底部位置等。

采用了本发明实施例示出的相控阵天线的相控阵雷达，能够达到超宽带和宽角扫描的特性，较之常规的窄带雷达，具有以下性能：(1)优越的反隐身能力；(2)强的抗干扰能力；(3)强的抗多径能力；(4)极高的距离分辨率；(5)强的目标识别能力；(6)好的目标成像能力；(7)有超进程探测能力，等等。

本发明实施例提供了一种相控阵天线和相控阵雷达，选取Vivaldi天线作为相控阵天线的天线阵元，通过对Vivaldi天线的侧面结构和槽线曲率进行改进，使得Vivaldi天线具备更好的宽角扫描和超宽带特性，同时，Vivaldi天线采用全金属表面和同轴馈电结构，在性能体现上更加稳定。此外，对于相控阵天线的天线阵列设置，通过推导抑制栅瓣的同时实现宽角扫描的基本条件，来设计出合适的阵元间距，并对天线阵元进行了小型化设计，以确保在有限的天线平台上能够排布下足够多的天线阵元，以实现相控阵天线的宽角扫描。通过一系列的仿真，可明确本发明实施例所示的天线阵元和天线阵列能够实现频带宽度2～18GHz的超宽带特性和全频带范围内±45°的宽角扫描特性。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种相控阵天线，其特征在于，

所述相控阵天线的天线阵元为立体结构的Vivaldi天线，所述Vivaldi天线设有开口向上的缝隙结构，所述Vivaldi天线的侧面宽度从所述Vivaldi天线的底部至顶部逐渐减小；

所述Vivaldi天线的侧面包括下宽上窄的梯形。

2.根据权利要求1所述的相控阵天线，其特征在于，

所述梯形为等腰梯形。

3.根据权利要求1所述的相控阵天线，其特征在于，所述缝隙结构的上部由相对于竖直方向的对称轴对称的两辐射臂形成，所述辐射臂对应的槽线满足指数函数曲线：

z＝±(c₁e^Rx+c₂)

其中，

(x₂，z₂)为单侧的所述槽线的顶端在所述Vivaldi天线的正面的投影坐标，(x₁，z₁)为所述单侧的所述槽线的底端在所述Vivaldi天线的正面的投影坐标，R为设定的所述槽线的曲率。

4.根据权利要求3所述的相控阵天线，其特征在于，所述槽线的曲率为0.052。

5.根据权利要求1所述的相控阵天线，其特征在于，所述Vivaldi天线为全金属表面的Vivaldi天线。

6.根据权利要求1所述的相控阵天线，其特征在于，所述Vivaldi天线的馈电结构采用同轴线对所述相控阵天线进行馈电。

7.根据权利要求1所述的相控阵天线，其特征在于，所述相控阵天线的天线阵列的两两间距小于或等于9.76mm。

8.根据权利要求1所述的相控阵天线，其特征在于，所述Vivaldi天线的宽度和高度均小于所述相控阵天线的最低工作频率对应的波长的二分之一。

9.一种相控阵雷达，其特征在于，所述相控阵雷达包括如权利要求1至8任一项所述的相控阵天线。

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