CN110581342A - 一种高集成一体化高效和差波束波导天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高集成一体化高效和差波束波导天线主要包括：上下两副双层宽带微带平面天线阵、中心开倾斜缝的接地板、天线系统支撑结构件；其中，天线系统支撑结构件上加工了两套BJ‑180规格的波导，四套低损耗宽带同轴波导变换，便于采用标准的SMA接口进行馈电，所述支撑结构件的中间加装了薄金属隔离条，紧凑型高隔离度低副瓣宽角电扫描收发双天线的工作波段为17.14～19.35mm的Ku波段，中心频率λ0波长为18.18mm。本发明结构紧凑、高隔离度、重量轻、可电扫描，是便于组成双天线阵列的紧凑型高隔离度低副瓣宽角电扫描收发双天线。
Description
技术领域
本发明涉及一种高集成一体化高效和差波束波导天线，用于固定式、车载式低空及地面低、慢、小目标搜索雷达，也适用于低成本电扫雷达系统和安防监控系统，属于天线技术领域。
背景技术
便携式侦察雷达能测定特定区域内的人员、车辆、舰船等目标的方位、距离和活动路线，提供目标活动情报，实现对特定区域的警戒，可广泛应用军事和民用领域。国内外现役有多款便携式侦察雷达，主要包括的PPS-5D雷达、SQUIRE雷达，Lyra10雷达，RSR950Ngada雷达，EL/M-2140雷达和ST-312雷达等。
天线作为雷达的关重件，对雷达性能的影响很大。经资料查询和分析，上述便携式雷达采用的天线存在如下不足：(1)天线副瓣不够低，影响检测效果：当前由于低空及地面低、慢、小目标，天线重量和尺寸偏大，如PPS-5D雷达重34.5公斤，SQUIRE雷达重约23公斤，Lyra10雷达重25公斤，RSR950Ngada雷达重约43.8公斤，天线重量和尺寸在雷达整机重量中占有有很大的比例，减轻天线重量，减小天线尺寸对提升雷达性能至关重要；(2)天线俯仰向不具备测高功能：天线采用机械扫描体制，如PPS-5D雷达，Lyra10雷达和EL/M-2140雷达等，机扫体制天线使得雷达存在波束扫描速度慢、功耗大、可靠性降低，电扫体制天线具有体积小、控制灵活、波束扫描快速无惯性等优点，但在微波高频段，有源相控电扫天线用到的数字移相器、T/R组件等核心部件价格高，系统复杂，成本昂贵，一般用户难以接收；(3)天线本身波束固定，或电扫，功能单一；(4)采用单个天线分时收发：现有便携式侦察雷达有相当一部分采用脉冲多普勒体制，如ST-312雷达和Lyra10雷达，此体制雷达存在较大的距离和速度盲区，难以观测近区慢速小目标，采用调频连续波体制可以较好的解决这一问题，但是调频连续波雷达一般需要采用双天线同时工作，一发一收，此情况下收发天线的隔离度对回波信号的检测性能影响很大，必须采用相应手段提高收发天线之间隔离度；(5)实现测高和扫描功能的组成模块偏多，损耗大，成本高。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种高集成一体化高效和差波束波导天线，该天线结构紧凑、高隔离度、重量轻、可电扫描，同时便于组成双天线阵列的紧凑型高隔离度低副瓣宽角电扫描收发双天线，满足实际使用要求。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：
一种高集成一体化高效和差波束波导天线，包括：超低副瓣波导行波天线线阵、同轴波导变换及负载、带移相功能的低损耗波导功分器、波导和差波束网络；
所述超低副瓣波导行波天线线阵是由八根水平放置的异型窄边开缝的低副瓣波导行波线阵组成；
所述同轴波导变换及负载为匹配良好的L型波导同轴变换及负载；
所述波导为口径相同、不同长度的八根波导构成的波导传输线；
所述带移相功能的低损耗波导功分器为：两个与所述波导传输线同口径的1：4波导功分器；
所述同轴波导变换及负载为：位于所述波导腔两端口的宽带低损耗同轴波导变换及负载；
还包括：用于安装八根波导行波线阵、八个波导同轴变换、波导传输线、波导功分器、波导和差波束网络的金属骨架及配合使用的定位销和紧固螺钉；
所述高集成一体化高效和差波束波导天线的工作波段为波长17.96-18.63mm的Ku波段，中心频率λ0波长为18.29mm。
作为上述技术方案的改进，超低副瓣波导行波天线线阵由采用粒子群优化算法设计的异型窄边开缝的低损耗低副瓣波导行波线阵组阵构成。
作为上述技术方案的改进，所述L型同轴波导变换的驻波性能良好、带宽满足系统要求、便于加工、测试和安装。
作为上述技术方案的改进，波导传输线为采用相邻传输线之间长度间隔为低频两倍导波波长的八根低损耗波导传输线，实现了系统简单可靠和低损耗功能，提供了系统高频工作时天线波束扫的所需的扫描相位。
作为上述技术方案的改进，所述波导功分器为采用经过口径变换后的与波导传输线一体化设计的低损耗波导功分器。
作为上述技术方案的改进，所述波导功分器是采用与波导功分器直接互联的四端口魔T，其两个输入口与两个1：4功分器的总口直接相连，两个输出口经同轴波导变换及射频电缆，与和差接收通道相连，为系统提供和差波束信号。
作为上述技术方案的改进，还包括异型波导型波线阵、波导传输线与波导功分器三者在一块金属板上通过一体化加工成型，并作为雷达系统其他部件的安装载体。
本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：
(1)天线采用一体化工艺，结构件集中加工在一块金属件上，结构简单，减少了加工工艺流程，降低了天线的加工难度，有效减轻了天线系统的重量。
(2)采用双波导馈线和双平面微带阵列天线结构形式，可使天线工作于频扫连续波体制雷达中，提升了便携式雷达系统侦察慢速小目标的能力。
(3)在双天线中间增加了一个隔离条，有效地提高了收发天线的隔离度，改善了后端信号检测性能。
(4)采用非辐射边馈电的天线单元组阵的双层天线微带天线阵，拓展了天线的工作带宽，增加了天线布阵走线的空间，便于实现天线波束的宽角扫描。
(5)采用结构简单，驻波损耗低的同轴波导变换，以及经过实验数据修正的波导缝隙耦合馈电网络，提高了设计精度，实现天线波束扫描范围内的低副瓣性能，从而改善了双天线的隔离度。
附图说明
图1为本发明天线结构示意图，其中(a)为立体图，(b)为正视图和背视图，(c)为侧视图；
图2为双层微带天线阵的上层和下层天线阵示意图；
图3为双层微带天线阵之间的支撑泡沫侧视图；
图4为天线结构支撑件上开缝接地板的示意图；
图5为波导馈线的标注图；
图6为宽带低损耗同轴波导变换的标注图；
图7为本发明所述天线的收发天线之间隔离条的标注图；
图8为本发明所述天线的反射系数图；
图9为本发明所述天线方位向扫描至-40°、0°和+40°时的方向图；
图10为本发明所述天线的收发天线之间的隔离度图。
上图中序号：双层宽带微带平面天线阵1、2、3、4；支撑泡沫工字缝5、6；接地板7、8；金属框架9；波导馈线10、11；宽带低损耗同轴波导变换12、13、14、15；隔离条16。
具体实施方式
下面将结合具体的实施例来说明本发明的内容。
实施例
工作于波长17.14～19.35mm的Ku波段的紧凑型高隔离度低副瓣宽角电扫描收发双天线，中心频率λ0波长为18.18mm，中心频率f0为16.5GHz，下边频fL为15.7GHz，上边频fH为17.2GHz。
参见图1：紧凑型高隔离度低副瓣宽角电扫描收发双天线主要包括上、下两副微带平面天线阵1、2、3、4，支撑泡沫5、6，接地板7、8，金属框架9；其中，金属框架9既作为整个双天线系统的结构件，又作为波导馈线10、11，宽带同轴波导变换12、13、14、15，隔离条16等电讯件载体，一次加工成型；上层微带天线阵面、支撑泡沫、下层微带天线阵面及金属框架接地板之间均采用导电胶膜相连，构成一套完整的双天线系统。
参见图2和图3：微带天线阵面由42列线阵构成，每列线阵之间间距根据天线阵理论设计公式，取为dx＝10.2mm。每列线阵包含12个非辐射边馈电的双层宽带微带天线单元，采用均匀加权方式组阵，单元间距dy＝14.8mm，天线单元宽度Pw＝5.08mm，仅为0.28λ0，长度PL＝6.28mm，仅为0.345λ0，便于宽角扫描时的单元组阵布线，微带阵面的介质基板采用厚度为0.254mm、相对介电常数εr＝2.92的RT6002，双层微带基板之间的支撑泡沫型号为ROHACELL-HF51，厚度为1.7mm，全阵面尺寸：LM＝429mm，HM＝161mm。
参见图4：为使工程实现尽量接近理论设计，从而实现低副瓣性能：①设计宽带低损耗同轴波导变换，并加工样件进行安装测试，得到理想结果；②设计加工了波导馈线并测出波导损耗，在考虑波导损耗的基础上优化了波导缝隙参，数波导馈线与微带平面阵之间接地板上开的耦合缝隙长度范围为5.7mm～9mm,倾斜角度范围为22°～58.8°。
参见图5：根据系统工作频段，波导馈线的腔体截面尺寸按标准的BJ180波导尺寸加工：高H＝12.95mm，宽W＝6.48mm，长度L＝100mm；共包含42个E面弯曲波导，每个E面弯曲波导半径为R＝8.5mm。
参见图6：同轴波导变换双台阶结构，加工好后焊接在波导馈线输入端口的宽边上，尺寸为：Hb1＝1mm，Hb2＝1.1mm，Hb3＝1.1mm，Lb1＝4.9mm，Lb2＝4.8mm，Lb1＝5mm，Wb＝6mm，接口形式为标准的SAM接口。
参见图7：加装在两块天线阵面之间的隔离条结构件整体高度Hg＝23.4mm。
参见图8：天线S11参数随频率变化的曲线，除因频扫天线馈线在中心频率附近叠加造成反射点外，在15.7GHz到17.2GHz内，S11≤-15dB。
参见图9：本实施例天线水平方向-40°、0°、+40°三个方向上的方向图曲线，最高副瓣分别为-22.4dB、-28.9dB、-26.7dB。
参见图10：为上下天线阵的隔离度曲线，工作频带内低于-56dB。
该天线为频率扫描双天线，整体重量小于2.2公斤，扫描副瓣低于-22.4dB，能实现方位面超过+40°扫描范围，可广泛应用于侦察与监控领域。
以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明保护的范围。
Claims (7)
1.一种高集成一体化高效和差波束波导天线，其特征在于：包括：超低副瓣波导行波天线线阵、同轴波导变换及负载、带移相功能的低损耗波导功分器、波导和差波束网络；
所述超低副瓣波导行波天线线阵是由八根水平放置的异型窄边开缝的低副瓣波导行波线阵组成；
所述同轴波导变换及负载为匹配良好的L型波导同轴变换及负载；
所述波导为口径相同、不同长度的八根波导构成的波导传输线；
所述带移相功能的低损耗波导功分器为：两个与所述波导传输线同口径的1：4波导功分器；
所述同轴波导变换及负载为：位于所述波导腔两端口的宽带低损耗同轴波导变换及负载；
还包括：用于安装八根波导行波线阵、八个波导同轴变换、波导传输线、波导功分器、波导和差波束网络的金属骨架及配合使用的定位销和紧固螺钉；
所述高集成一体化高效和差波束波导天线的工作波段为波长17.96-18.63mm的Ku波段，中心频率λ0波长为18.29mm。
2.根据权利要求1所述高集成一体化高效和差波束波导天线，其特征在于：所述超低副瓣波导行波天线线阵由采用粒子群优化算法设计的异型窄边开缝的低损耗低副瓣波导行波线阵组阵构成。
3.根据权利要求1所述高集成一体化高效和差波束波导天线，其特征在于：所述L型同轴波导变换的驻波性能良好、带宽满足系统要求、便于加工、测试和安装。
4.根据权利要求1所述高集成一体化高效和差波束波导天线，其特征在于：所述波导传输线为采用相邻传输线之间长度间隔为低频两倍导波波长的八根低损耗波导传输线，实现了系统简单可靠和低损耗功能，提供了系统高频工作时天线波束扫的所需的扫描相位。
5.根据权利要求1所述高集成一体化高效和差波束波导天线，其特征在于：所述波导功分器为采用经过口径变换后的与波导传输线一体化设计的低损耗波导功分器。
6.根据权利要求1所述高集成一体化高效和差波束波导天线，其特征在于：所述波导功分器是采用与波导功分器直接互联的四端口魔T，其两个输入口与两个1：4功分器的总口直接相连，两个输出口经同轴波导变换及射频电缆，与和差接收通道相连，为系统提供和差波束信号。
7.根据权利要求1所述高集成一体化高效和差波束波导天线，其特征在于：还包括异型波导型波线阵、波导传输线与波导功分器三者在一块金属板上通过一体化加工成型，并作为雷达系统其他部件的安装载体。
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