CN110534923B - 一种波束赋形天线结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型波束赋形天线结构及其设计方法，其中天线结构包括线阵辐射单元与馈电网络。所述馈电网络由若干种结构对称的基片集成波导功率分配器以及基片集成波导延迟线组成，所述线阵辐射单元与所述基片集成波导馈电网络的末端相连。本发明天线实现了一种适用于毫米波合成孔径雷达的新型余割四次方天线阵列。在相同雷达散射截面情况下，该天线能够实现对于目标视场内不同距离的目标接收回波功率相等，从而提升了能量的利用效率。同时，馈电网络由对称的等功率分配器组成，具有设计简单，可靠性高，对加工误差容忍性高等优势。

Description

一种波束赋形天线结构及设计方法

技术领域

本发明涉及电子、微波射频、雷达等领域，尤其涉及一种新型波束赋形天线的结构及设计方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，毫米波技术由于具有尺寸小、带宽大等优良特性受到国内外各科研机构关注。毫米波天线阵作为毫米波雷达、通信系统的关键部件对整个系统的链路指标性能有着非常重要的影响。

在通信领域经常出现这样一种应用场景：发射端放置在高处需要斜向下覆盖一定角度区域内的接收用户。由于探测更远的目标需要更大的等效全向辐射功率(EIRP)，一味地增加发射功率不切实际，因此探测距离越远，所需天线阵列增益越高。为了提升能量的利用效率，前人对于波束进行赋形。使得天线阵列对于距离近的地方增益较低，距离远的地方增益较高。这样使得地面不同位置接收端可以收到相同的能量。由于这是一种单向通信，接收功率与距离的平方成反比。因此，所设计的天线称为余割平方天线。

现有的余割平方天线方案一般有以下几种：1)采用透镜/反射阵结构，利用透镜/反射阵上面不同单元的移相效应实现对应相移，从而实现余割方向图；2)通过设计复杂的馈电网络给平面天线阵列不同线阵进行馈电来实现余割平方辐射方向图。

现有技术的缺点

从天线方向图概念上看，现有的余割平方天线概念仅仅适用于单向传播的通信以及双站雷达应用场景(即发射端位于空中、接收端位于地面)，而不适用于合成孔径雷达等单站雷达(发射、接收端均在空中)应用场景。

单向场景下信号从空中的发射端传输至地面的接收端，信号路径是单向的，因此接收功率与距离平方成反比。对于合成孔径雷达场景，信号从空中发射端发射信号打到地面经反射后由空中的接收端进行接收。因此信号路径是双向的，接收功率与距离的四次方成反比，传统余割平方天线并不适用于此。

从实现波束赋形天线的技术实现角度看，方案一利用透镜/反射阵设计的天线比较笨重，结构剖面高、尺寸大，且很难与平面电路相集成。方案二为了实现特殊方向图，往往各端口功率分配比没有规律，其馈电网络往往使用了大量了非对称结构，不仅设计上非常复杂，而且非对称结构对于加工误差容忍度较低，使得加工的天线测试结果与仿真结果相差较大。

综上，目前没有任何一种天线能够支持毫米波合成孔径雷达的余割赋形应用，同时满足低剖面、易于与平面电路集成，馈电网络简单加工、可靠性较高等特点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种波束赋形概念能够满足对于合成孔径雷达应用的余割赋形要求。在相同雷达散射截面情况下，能够实现对于目标视场内不同距离的目标接收回波功率大致相等，从而有效提升了发射能量的利用效率

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种波束赋形天线结构，其特征在于：天线阵的水平面方向图在雷达目标视场角度内满足余割四次方公式要求，即：其中θ₀为余割覆盖区域起始角度，θ₁为雷达需要覆盖的角度范围，θ₂为覆盖区域中心线与水平方向所成夹角。

一种波束赋形天线阵列结构，包括线阵辐射单元和基片集成波导馈电网络，所述基片集成波导馈电网络包括一路分多路基片集成波导功率分配器以及基片集成波导延迟线，馈电网络各输出端与线阵辐射单元的输入端相连。

所述基片集成波导功率分配器为一路分十二路的结构，在每一路输出端上连接一个基片集成波导延迟线的输入端。

所述一路分十二路的结构由五种结构对称的基片集成波导等功率分配器相互组合而成。

所述一路分十二路的功率分配结构由五级结构对称的基片集成波导等功率分配器组成。不同输出端口经过不同的等功率分配器级数，从而实现不同的功率分配比。十二路基片集成波导通道的输出端口最后保持位置平齐。

所述波束赋形天线阵采用多层印刷电路板工艺，从上到下分别为：顶层金属层、顶层介质基片、第一中间金属层、粘贴介质层、第二中间金属层、底层介质基片、底层金属层。

所述基片集成波导延迟线结构一半在底层介质基片上而另一半在顶层介质基片上，中间通过一个不同层之间的缝隙耦合结构相连接。基片集成波导延迟线各个端口在顶层介质基片上的输出端口位置相互平齐。

所述线阵辐射单元采用串馈微带贴片天线形式，两两线阵之间采用等间距排布。

一种具有余割四次方辐射方向图的天线结构设计方法，具体包括以下步骤：

步骤一：线阵辐射单元结构由实际需要的垂直面波束宽度确定，根据反射系数性能要求调整串馈微带线阵辐射单元的相关结构参数；

步骤二：根据余割四次方天线目标方向图对天线增益的要求以及对水平面探测范围的要求，确定水平方向排列的线阵辐射单元数目；

步骤三：根据预先设定的余割四次方天线目标方向图，确定两两线阵之间的距离以及各线阵端口激励的幅度、相位；使得天线阵的水平面方向图在雷达目标视场角度内满足余割四次方公式要求，即：其中θ₀为余割覆盖区域起始角度，θ₁为雷达需要覆盖的角度范围，θ₂为覆盖区域中心线与水平方向所成夹角。

步骤四：根据步骤三中设计好的不同辐射单元之间的距离，每路的馈电幅度设计一体化的基片集成波导馈电网络，并满足反射系数的要求；

步骤五：根据各端口需要的相位需求，以及步骤四中馈电网络各端口输出的相位，计算每一路需要额外延迟的相位。设计不同长度的基片集成波导延迟线来满足各端口的相位要求。同时设计不同层之间的缝隙耦合馈电结构用来连接不同介质层之间的延迟线。基片集成波导延迟线一半在底层介质基片上而另一半在顶层介质基片上，中间通过一个不同层之间的缝隙耦合结构相连接。基片集成波导延迟线各个端口在顶层介质基片上的输出端口位置相互平齐。

步骤六：将步骤一设计的串馈微带线阵辐射单元、步骤四设计的基片集成波导天线馈电网络、步骤五设计的基片集成波导延迟线组合到一起去，组成完整的天线阵列。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明给出的天线结构能够支持毫米波合成孔径雷达的余割赋形需求。在相同目标雷达散射截面情况下，该余割四次方天线能够实现视场内不同角度位置目标返回的回波功率相等。

2、本发明馈电网络部分的一路分十二路功分器的输出口的功率分配比为二的整数幂分布即1:1:1:1:2:2:8:8:2:2:2:2，这样的功率分配比正好可以通过功率分配比为1:1的5级等功率对称结构构成，从而使得设计更加简便，同时，此对称结构的存在，使得在相同的加工误差下，对称结构所受到的影响小于非对称结构，所以对于加工误差容忍性更高。

3、首先馈电网络需要占用一定的版图面积，并且占用一层介质。本发明将馈电网络的大部分结构即基片集成波导功能分配器放置在底层介质的金属层上，使基片集成波导功能分配器和天线的辐射单元部分位于不同的介质上，避免了和天线部分相冲突。由于天线的辐射单元和基片集成波导功能分配器不在同一个介质层，二者可以占用相同空间，因此可以节省总版图面积，使得天线阵列更为紧凑。

附图说明

图1为本发明涉及天线阵列的多层电路结构层次示意图；

图2为本发明涉及天线阵列的顶层金属层结构示意图；

图3为本发明涉及天线阵列的第一中间金属层结构示意图；

图4为本发明涉及天线阵列的第二中间金属层结构示意图；

图5为本发明涉及天线阵列的底层金属层结构示意图；

图6为本发明涉及天线阵列反射系数性能的仿真和测试结果；

图7为本发明涉及天线阵列水平面方向图(H面)仿真与测试结果；

图8为本发明涉及天线阵列倾斜垂直面方向图(倾斜E面)仿真与测试结果；

图9为本发明涉及天线阵列增益的仿真与测试结果；

图10为本发明涉及天线阵列的应用场景示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步的详细描述：

如图1所示，本发明涉及的天线阵列结构共含有四层电路，包含顶层金属层1，第一中间金属层2，第二中间金属层3和底层金属层4。介质方面有两层介质基片(顶层介质层5和底层介质层7和粘贴层6。其中，金属层、介质基片、粘贴层分别用灰色、白色、阴影来表示。不同层之间的信号通过层与层之间的口径8来耦合。

图2展示了本发明天线的顶层金属层1的结构，主要包含串馈微带线阵辐射单元9，基片集成波导延迟线10(10为延迟线在顶层的部分)以及馈电网络的十二个输出端口12-23(馈电网络由一路分十二路基片集成波导功率分配器以及基片集成波导延迟线组成)。馈电网络每个输出口均接有一个串馈微带线阵辐射单元。该天线阵列沿着+x方向共有十二个线阵辐射单元，一起构成整体的天线阵列。图中所有圆孔表示金属化通孔。线阵辐射单元9采用串馈微带形式。馈电网络的十二个输出端口12-23所需要的相位分别是35.8度，123.5度，191.6度，256.8度，0度，114.7度，133度，200.9度，275.1度，319.1度，14.4度，115.6度。

图3为本发明涉及天线阵列的第一中间金属层2的结构，可以看到为了将每一路基片集成波导延迟线从底层介质层7耦合到顶层介质层5，该第一中间金属层2内有一个耦合缝隙24以及用做阻抗匹配的感性金属通孔11。为了满足余割四次方的各个线阵端口的相位要求，需要调节每一路基片集成波导延迟线的设计长度。顶层介质、底层介质上都有延迟线结构，每一层介质对应两层电路。所以四层金属层上都有一段基片集成波导延迟线结构。图4为本发明涉及天线阵列的第二中间金属层3的结构，可以看到本层主要是波束赋形天线的核心部分--基片集成波导功率分配器。基片集成波导功率分配器为一路分十二路结构，且由五种结构对称的一分二等功率基片集成波导功分器25-29组成。从输入端口开始，首先经过一个一分二等功率基片集成波导功分器25，第一级输出端分别经过一分二等功率基片集成波导功分器26和27。信号每经过一级等功率分配器，信号功率变为原来的一半。因此在一路分十二路功分器的输出口30-41上可以看出功率分配比为1:1:1:1:2:2:8:8:2:2:2:2。该一路分十二路基片集成波导功率分配器结构全部由对称一分二功分器设计完成，相比于非对称结构，本发明提出的功率分配结构设计更为简单而且对于加工误差容忍度很高。同时，在第二中间金属层3上也有一段对应长度的基片集成波导延迟线42。需要说明，为了保证馈电网络的十二个输出端口12-23水平位置平齐，每一路基片集成波导延迟线在底层的长度42和顶层的长度10应当相等。

图5为本发明天线阵列的底层金属层4的结构，为了能够与标准测试接口吻合，这里设计了基片集成波导到共面波导的转接结构31，在基片集成波导输入端采用渐变过渡的方式将基片集成波导结构过渡为接地共面波导从而方便后续的相关测试。

线阵辐射单元采用串馈微带贴片天线形式，两两线阵之间采用等间距排布，间距为6.8mm。

一种具有余割四次方辐射方向图的天线结构设计方法，具体包括以下步骤：

步骤一：线阵辐射单元结构由实际需要的垂直面波束宽度确定，这里采用六单元的串馈微带线阵，满足垂直方向半功率波束宽度15度的要求。通过商业全波仿真软件调节相关参数以满足反射系数和天线方向图性能要求。

步骤二：根据余割四次方天线目标方向图对天线增益的要求以及对水平面探测范围的要求，确定水平方向排列的线阵辐射单元数目；这里确定水平方向有十二个线阵辐射单元。

步骤三：根据预先设定的余割四次方天线目标方向图，确定各线阵端口激励的幅度、相位；使得天线阵的水平面方向图在雷达目标视场角度内满足余割四次方公式要求，即：其中θ₀为余割覆盖区域起始角度，θ₁为雷达需要覆盖的角度范围，θ₂为覆盖区域中心线与水平方向所成夹角。其中，馈电网络的十二个输出端口12-23所需要的相位分别是35.8度，123.5度，191.6度，256.8度，0度，114.7度，133度，200.9度，275.1度，319.1度，14.4度，115.6度。所需功率比为1:1:1:1:2:2:8:8:2:2:2:2，本设计中θ₀,θ₁,θ₂分别为15度，40度和35度。

步骤四：根据步骤三中设计好的不同辐射单元之间的距离，每路的馈电幅度设计一体化的基片集成波导馈电网络，并满足反射系数的要求；

步骤五：根据各端口需要的相位需求，以及步骤四中馈电网络各端口输出的相位，计算每一路需要额外延迟的相位。设计不同长度的基片集成波导延迟线来满足各端口的相位要求。同时设计不同层之间的缝隙耦合馈电结构用来连接不同介质层之间的延迟线。基片集成波导延迟线一半在底层介质基片上而另一半在顶层介质基片上，中间通过一个不同层之间的缝隙耦合结构相连接。基片集成波导延迟线各个端口在顶层介质基片上的输出端口位置相互平齐。

步骤六：将步骤一设计的串馈微带线阵辐射单元、步骤四设计的基片集成波导天线馈电网络、步骤五设计的基片集成波导延迟线组合到一起去，组成完整的天线阵列。

与现有技术相比，本发明给出的天线结构能够支持毫米波合成孔径雷达的余割赋形需求。在相同目标雷达散射截面情况下，该余割四次方天线能够实现视场内不同角度位置目标返回的回波功率相等。而且馈电网络部分均由对称的等功率基片集成波导功分器组成，对于加工误差容忍性更高。同时将大部分馈电网络放置在底层，整体天线所占面积仅比辐射单元尺寸部分大一点，使得整体结构更加紧凑。

为了验证本发明的天线阵列的性能，基于上述方法和结构，采用介电常数2.2、厚度为0.508mm的微波板材Taconic TLY-5作为顶层、底层介质，介电常数3.52、厚度为0.101mm的Rogers 4450F作为粘贴片，加工了工作于Ka波段的余割四次方波束赋形天线阵列。采用矢量网络分析仪以及频率扩展设备进行了天线反射系数的测试，测试结果如图6所示，测试结果与仿真结果符合较好；同时在远场暗室对天线的方向图进行了测试，天线阵列的水平面(H面)、倾斜E面辐射方向图如图7、图8所示，增益如图9所示，仿真与测试结果均达到了设计目标。对于阵列天线结构的相关仿真和测试结果均表明该发明所涉及的天线结构能够满足对于合成孔径雷达应用的余割赋形要求。在相同雷达散射截面情况下，能够实现对于目标视场内不同距离的目标接收回波功率大致相等(如图10所示)，从而有效提升了发射能量的利用效率。同时，具有天线阵列低剖面、易于与平面电路相集成、馈电网络设计可靠性高等优点。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种波束赋形天线结构，其特征在于：天线阵的水平面方向图在雷达目标视场角度内满足余割四次方公式要求，即：θ∈[-0.5θ₁,0.5θ₁]，其中θ₀为余割覆盖区域起始角度，θ₁为雷达需要覆盖的角度范围，θ₂为覆盖区域中心线与水平方向所成夹角；

包括线性阵列辐射单元和基片集成波导馈电网络，所述基片集成波导馈电网络包括一路分多路基片集成波导功率分配器以及基片集成波导延迟线，馈电网络各输出端与线性阵列辐射单元的输入端相连；通过调节线性阵列辐射单元每个端口馈电的幅度与相位，使得天线阵的水平面方向图在雷达目标视场角度内满足余割四次方公式要求；

所述线性阵列辐射单元采用串馈微带贴片天线形式，两两线性阵列之间采用等间距排布。

2.根据权利要求1所述的波束赋形天线结构，其特征在于：所述基片集成波导功率分配器为一路分十二路的结构，在每一路输出端上连接一个所述基片集成波导延迟线的输入端。

3.根据权利要求2所述的波束赋形天线结构，其特征在于：所述一路分十二路的功率分配结构由五级结构对称的一分二等功率基片集成波导功分器组成；一路分十二路的功分器的输出口的功率分配比为1:1:1:1:2:2:8:8:2:2:2:2。

4.根据权利要求1-3任一所述的波束赋形天线结构，其特征在于：所述波束赋形天线阵结构从上到下分别为：顶层金属层、顶层介质基片、第一中间金属层、粘贴介质层、第二中间金属层、底层介质基片以及底层金属层；所述顶层金属层和第一中间金属层位于所述顶层介质基片上下表面，所述第二中间金属层和底层金属层位于所述底层介质基片上下表面；

在所述顶层金属层上设置所述线性阵列辐射单元、馈电网络输出端以及基片集成波导延迟线结构的一半；所述基片集成波导延迟线结构另一半在底层介质基片上；两半基片集成波导延迟线在中间通过一个不同层之间的缝隙耦合结构相连接；

在所述第二中间金属层上设置所述基片集成波导功率分配器。

5.根据权利要求4所述的波束赋形天线结构，其特征在于：基片集成波导延迟线各个端口在顶层介质基片上的输出端口位置相互平齐。

6.一种如权利要求1至5任一所述波束赋形天线结构的设计方法，其特征在于：调节每个线性阵列端口馈电的幅度与相位，使得天线阵的水平面方向图在雷达目标视场角度内满足余割四次方公式要求，即：θ∈[-0.5θ₁,0.5θ₁]，其中θ₀为余割覆盖区域起始角度，θ₁为雷达需要覆盖的角度范围，θ₂为覆盖区域中心线与水平方向所成夹角。

7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：由实际需要的垂直面波束宽度确定线阵辐射单元结构，根据反射系数性能要求调整串馈微带线阵辐射单元的相关结构参数；

步骤二：根据余割四次方天线目标方向图对天线增益的要求以及对水平面探测范围的要求，确定水平方向排列的线阵辐射单元数目；

步骤三：根据预先设定的余割四次方天线目标方向图，确定两两线阵之间的距离以及各线阵端口激励的幅度、相位；

步骤四：根据步骤三中设计好的不同辐射单元之间的距离、每路的馈电幅度及反射系数要求，设计一体化的基片集成波导馈电网络；

步骤五：根据各端口需要的相位需求，以及步骤四中馈电网络各端口输出的相位，计算每一路需要额外延迟的相位；设计不同长度的基片集成波导延迟线来满足各端口的相位要求；同时设计不同层之间的缝隙耦合馈电结构用来连接不同介质层之间的延迟线；

步骤六：将步骤一设计的串馈微带线阵辐射单元、步骤四设计的基片集成波导天线馈电网络、步骤五设计的基片集成波导延迟线组合到一起去，组成完整的天线阵列。