CN111129760A - 面向大气湍流信号探测的毫米波连续横向枝节天线阵列 - Google Patents

面向大气湍流信号探测的毫米波连续横向枝节天线阵列 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种面向大气湍流信号探测的毫米波连续横向枝节天线阵列，包括相连接的线性馈源和辐射层，所述线性馈源包括底层介质板和上层介质板，底层介质板上设有与射频IC芯片连接的多个H面喇叭，底层介质板和上层介质板上均设置有对应的抛物线反射板，底层介质板和上层介质板间设有第一地板，第一地板上设有与抛物线反射板对应的弧形缝隙；该天线阵列还包括设置于辐射层上方的金属外框；线性馈源产生准TEM波向上层辐射层馈电，辐射层向自由空间辐射和接收某一频率的信号，金属外框束缚电磁波，且线性馈源的各H面喇叭由射频IC芯片独立控制实现波束偏移。与现有技术相比，本发明具有高增益、波束切换容易、探测信号灵敏度高、探测精度准等优点。

Description

面向大气湍流信号探测的毫米波连续横向枝节天线阵列
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其是涉及一种面向大气湍流信号探测的毫米波连续横向枝节天线阵列。
背景技术
早在上个世纪，无线电探测技术就被运用到各种雷达当中。在雷达的系统架构中天线是必不可少的部件之一，理论研究表明，由于大气的不均匀分布，对无线电波经过大气湍流后进行监测，得到的散射电磁波可以计算出特定的大气参数，从而达到对大气特性的分析。而对经过大气湍流后的电磁波的接收探测则需要高增益多波束的天线。
在现有的高增益多波束天线系统研究中，大规模相控阵天线对于灵活度高的系统是一个不错的选择。连续横向枝节(Continuous Transverse Stub，CTS)天线在上个世纪九十代由美国修斯航空公司提出并得到快速发展。CTS天线包括顶层辐射部分与底层馈电结构，通过在平板波导上开横向缝隙进行辐射，并通过馈源激励所产生的准TEM波进行馈电，具有极高的效率与增益。多波束反射器天线由于能够以相同的辐射结构产生指向多个方向的不同波束，与相控阵天线和CTS天线相比，反射器天线还具有辐射指向性高，工作带宽大，加工工艺成熟，制造成本低的优点。多波束反射器天线由于其工作带宽大、端口隔离度高及旁瓣电平小等优点，被广泛应用于现代通信应用及遥感探测应用中。
现在已有的高增益多波束天线存在以下缺陷：
1)现有的大多数高增益天线是基于相控阵天线阵列的，相控阵天线阵列一般会采用大量的芯片来控制波束偏移，这样造成了系统复杂度高、天线设计难、成本高且生产率较低。
2)现有的基于反射面的多波束天线具有增益高的特点，但是由于尺寸大、机械结构笨重的缺点，不利于系统的集成。
综上，现在的高增益多波束天线不能以较小的尺寸，实现快速波束切换，因此天线的探测范围和探测精度不足。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种面向大气湍流信号探测的毫米波连续横向枝节天线阵列。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种面向大气湍流信号探测的毫米波连续横向枝节天线阵列，包括相连接的线性馈源和辐射层，所述线性馈源包括相互压合的底层介质板和上层介质板，所述底层介质板上设有与射频IC芯片连接的多个H面喇叭，所述底层介质板和上层介质板上均设置有与所述H面喇叭对应的抛物线反射板，所述底层介质板和上层介质板间设有第一地板，所述第一地板上设有与所述抛物线反射板对应的弧形缝隙；
该天线还包括设置于辐射层上方的金属外框；
所述线性馈源产生准TEM波向上层辐射层馈电，所述辐射层向自由空间辐射和接收某一频率的信号，所述金属外框束缚电磁波，且所述线性馈源的各H面喇叭由射频IC芯片独立控制实现波束偏移，所述上层介质板作为将H面喇叭发射的圆柱波转换成平面波的波转换层。
进一步地，所述H面喇叭为基于SIW技术的H面喇叭
进一步地，所述多个H面喇叭和抛物线反射板均通过金属过孔形成。
进一步地，所述H面喇叭沿射频IC芯片正交排布，所述抛物线反射板对应呈正交排布。
进一步地，所述H面喇叭设有四个，形成四波束线性馈源。
进一步地，所述辐射层为连续横向枝节阵列。
进一步地，所述连续横向枝节阵列的阵列大小为19×19。
进一步地，所述金属外框呈方形漏斗型。
进一步地，所述波束偏移为±10°。
进一步地，所述底层介质板底面覆有一层第二地板。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明尺寸小，具有很高的馈电效率和口径效率，同时易于实现波束控制，具体地：本发明线性馈源部分的所产生的平面波范围较宽，幅度均匀，能大范围的输送到上层辐射层，所以辐射效率很高；本发明的辐射层贯穿的连续横向枝节采用SIW技术来设计，剖面更低，下层产生的平面波通过辐射层的缝隙辐射，缝隙是通过泰勒分布设计的，这样使得电磁波能很好的传播，具有高的口径效率。
(2)本发明的线性馈源由四个H面喇叭构成，每个喇叭独立由射频IC芯片控制，可只需让射频IC芯片对其中任何一个喇叭馈电即可容易实现±10°波束偏移，可快速实现波束切换，且辐射出的TEM波范围广，强度均匀，能提升天线阵列整体的增益。
(3)本发明的金属外框加载在辐射层上方实现波束束缚，可提高整体天线阵列的增益。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的天线阵列整体三维结构示意图；
图3为本发明的具体架构平面示意图；
图4为实施例中四波束线性馈源结构示意图；
图5为实施例中辐射层结构示意图；
图6为实施例中四波束线性馈源的S参数仿真结果图；
图7为实施例中四波束线性馈源电场场图；
图8为实施例中整体仿真S参数结果图；
图9为实施例中增益3D方向图；
图10为实施例中E面方向图；
图11为实施例中H面方向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例提供一种面向大气湍流信号探测的毫米波连续横向枝节天线阵列，包括线性馈源1、辐射层2和金属外框3，辐射层2和线性馈源1上下设置，金属外框3设置于辐射层2上方，线性馈源1用于产生准TEM波向上层辐射层2馈电并且易于实现波束切换，辐射层2用于向自由空间辐射和接收某一频率的信号，金属外框3用于电磁波的束缚来提高天线阵列整体增益。
如图2-图4所示，线性馈源1包括相互压合的底层介质板101和上层介质板102，底层介质板101上设有与射频IC芯片103连接的多个H面喇叭104，多个H面喇叭104基于射频IC芯片103进行排布，H面喇叭104后面设置有馈线，采用GCPW方式对H面喇叭馈电。底层介质板101和上层介质板102上均设置有与H面喇叭101对应的抛物线反射板105，底层介质板101和上层介质板102间设有第一地板106，第一地板106上设有与抛物线反射板105对应的弧形缝隙107，缝隙处在底层介质板和上层介质板中间连接处。底层介质板101底面覆有一层第二地板108。线性馈源1的各H面喇叭101由射频IC芯片独立控制实现±10°波束偏移，上层介质板102作为将H面喇叭104发射的圆柱波转换成平面波的波转换层。本实施例中，天线阵列的主要板材为Rogers 3003和Rogers 4450F。
本实施例中，H面喇叭104为基于SIW(Substrate integrated waveguide，基片集成波导)技术的H面喇叭，设有四个，形成四波束线性馈源。多个H面喇叭104和抛物线反射板105均通过金属过孔形成，金属过孔与第一地板106连接。H面喇叭104沿射频IC芯片103正交排布，抛物线反射板105对应呈正交排布。
如图5所示，辐射层2为连续横向枝节(CTS)阵列，每个单元打了两圈盲孔，单元与单元之间开有缝隙，其中的缝隙是通过泰勒分布设计的。本实施例中，连续横向枝节阵列的阵列大小为19×19。
本实施例中，金属外框3呈方形漏斗型，以此来束缚电磁波实现整体增益的提高。
上述天线阵列的仿真结果如图6-图11所示，可见该天线阵列具有高增益、带宽宽的特点，且可快速实现波束偏移。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由本发明所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种面向大气湍流信号探测的毫米波连续横向枝节天线阵列，包括相连接的线性馈源(1)和辐射层(2)，其特征在于，所述线性馈源(1)包括相互压合的底层介质板(101)和上层介质板(102)，所述底层介质板(101)上设有与射频IC芯片(103)连接的多个H面喇叭(104)，所述底层介质板(101)和上层介质板(102)上均设置有与所述H面喇叭(101)对应的抛物线反射板(105)，所述底层介质板(101)和上层介质板(102)间设有第一地板(106)，所述第一地板(106)上设有与所述抛物线反射板(105)对应的弧形缝隙(107)；
该天线阵列还包括设置于辐射层(2)上方的金属外框(3)；
所述线性馈源(1)产生准TEM波向上层辐射层(2)馈电，所述辐射层(2)向自由空间辐射和接收某一频率的信号，所述金属外框(3)束缚电磁波，且所述线性馈源(1)的各H面喇叭(101)由射频IC芯片独立控制实现波束偏移，所述上层介质板(102)作为将H面喇叭(104)发射的圆柱波转换成平面波的波转换层。
2.根据权利要求1所述的面向大气湍流信号探测的毫米波连续横向枝节天线阵列，其特征在于，所述H面喇叭(104)为基于SIW技术的H面喇叭。
3.根据权利要求1所述的面向大气湍流信号探测的毫米波连续横向枝节天线阵列，其特征在于，所述多个H面喇叭(104)和抛物线反射板(105)均通过金属过孔形成。
4.根据权利要求1所述的面向大气湍流信号探测的毫米波连续横向枝节天线阵列，其特征在于，所述H面喇叭(104)沿射频IC芯片(103)正交排布，所述抛物线反射板(105)对应呈正交排布。
5.根据权利要求1所述的面向大气湍流信号探测的毫米波连续横向枝节天线阵列，其特征在于，所述H面喇叭(104)设有四个，形成四波束线性馈源。
6.根据权利要求1所述的面向大气湍流信号探测的毫米波连续横向枝节天线阵列，其特征在于，所述辐射层(2)为连续横向枝节阵列。
7.根据权利要求6所述的面向大气湍流信号探测的毫米波连续横向枝节天线阵列，其特征在于，所述连续横向枝节阵列的阵列大小为19×19。
8.根据权利要求1所述的面向大气湍流信号探测的毫米波连续横向枝节天线阵列，其特征在于，所述金属外框(3)呈方形漏斗型。
9.根据权利要求1所述的面向大气湍流信号探测的毫米波连续横向枝节天线阵列，其特征在于，所述波束偏移为±10°。
10.根据权利要求1所述的面向大气湍流信号探测的毫米波连续横向枝节天线阵列，其特征在于，所述底层介质板(101)底面覆有一层第二地板(108)。
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