CN111276799B - 一种雷达天线装置和优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雷达天线装置和设计方法，解决现有装置和方法无法同时实现宽窄波束的问题。一种雷达天线装置，包含：第一阵元、第二阵元、第三阵元、第四阵元、介质基板、馈电网络；所述第一～第四阵元与所述馈电网络安装在所述介质基板的两侧；所述第一～第四阵元，形成菱形阵列，四个阵元的中心点为菱形的四个顶点，所述第一～第四阵元相同。所述方法包含：对所述第一～第四阵元采用菱形阵列形式，改变所述两条对角线的长度，直到波束宽度满足设定要求。本发明可广泛应用在测高雷达中。

Description

一种雷达天线装置和优化方法

技术领域

本发明涉及射频天线技术领域，尤其涉及一种雷达天线装置和优化方法。

背景技术

在雷达系统中，天线隔离度是天线的重要指标之一，影响雷达近地高度接收机灵敏度的上限设置，天线隔离度是指发射天线发射的能量，未经地面反射，直接耦合到接收天线的能量之比，为保证天线隔离度这一指标，需要低副瓣、窄波束天线。测高雷达天线一般安装在飞行器上，由于飞行器存在一定姿态角，因此需要宽波束天线确保入射波辐射到地面。对于安装在飞行器上的现有测高雷达天线无法同时实现既满足大姿态测量的宽波束面、又满足低收发天线隔离度的窄波束面。

发明内容

本发明提供一种雷达天线装置和优化方法，解决现有装置和方法无法同时实现宽窄波束的问题。

为实现上述目的，本发明是这样实现的：

本发明实施例指出一种雷达天线装置，包含：第一阵元、第二阵元、第三阵元、第四阵元、介质基板、馈电网络；所述第一～第四阵元与所述馈电网络安装在所述介质基板的两侧；所述第一～第四阵元，形成菱形阵列，四个阵元的中心点为菱形的四个顶点，所述第一～第四阵元为相同的辐射体。

优选地，菱形两条对角线中短对角线所在面对应天线H面、短对角线长度大于等于0.4λ，长对角线所在面对应天线E面、长对角线的长度大于等于0.9λ。

优选地，所述第一～第四阵元为微带阵列天线、偶极子天线、抛物面天线或波导缝隙阵天线。

优选地，所述第一～第四阵元为矩形、圆形或三角形微带阵列天线。

优选地，所述第一～第四阵元的频率范围为4.2～4.4GHz。

优选地，所述第一～第四阵元为矩形微带阵列天线，沿H面方向调整阵元馈电点直到实现阻抗匹配。

优选地，所述介质基板选用厚度1.5mm，相对介电常数2.65的介质板。

优选地，所述馈电网络为2级威尔逊功分网络。

优选地，所述第一阵元～第四阵元的尺寸为E面方向长度L＝0.29λ，H面方向宽度W＝0.37λ

本发明实施例还指出一种雷达天线优化方法，用于制造所述装置，包含以下步骤：对所述第一～第四阵元采用菱形阵列形式，改变所述两条对角线的长度，直到波束宽度达到设定阈值。

本发明有益效果包括：本发明利用菱形形状与所希望方向图一面窄一面宽的相似特点，设计实现E面波束窄，H面波束宽，副瓣低的测高雷达天线，有效解决大姿态测量和高隔离度要求这一矛盾。经本发明设计实现的天线的增益达到11.1dB，最大副瓣电平-20.4dB，E面(长对角线所在面)3dB波束宽度44.3°，H面(短对角线所在面)3dB波束宽度61.2°，可全面应用于测高雷达上。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为一种雷达天线装置实施例；

图2为一种雷达天线装置的矩形微带天线单元实施例；

图3为一种雷达天线装置的菱形阵列形式实施例；

图4(a)为一种雷达天线方向图实施例的三维仿真结果；

图4(b)为一种雷达天线方向图实施例的E面仿真结果；

图4(c)为一种雷达天线方向图实施例的H面仿真结果；

图5为阵列天线原理。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

C波段测高雷达，主要有收发机和发射、接收天线组成，利用雷达原理实现对地面的相对高度测量。测高雷达通过发射天线发射电磁波，电磁波经地面反射回来被接收天线接收，通过对延迟时间解算，计算出距地相对高度。

在测高雷达中，天线隔离度是天线的重要指标之一，影响测高雷达近地高度接收机灵敏度的上限设置。天线隔离度是指发射天线发射的能量，未经地面反射，直接耦合到接收天线的能量之比。低高度测高时，若收发天线之间直接耦合能量大于地面反射能量，测高雷达将跟踪耦合能量信号进行高度结算，给出收发天线之间的距离而非距地高度，测高雷达应合理设计天线，避免该问题。天线隔离度与天线波瓣有较大关系，采用低副瓣、窄波束天线，可提高天线隔离度，保证测高雷达性能稳定。

飞行器有一定姿态角，通常在20°以内，大姿态测量需要宽波束天线，确保入射波辐射到地面，但波束宽，势必收发天线间耦合能量大。而飞行器空间有限，不能靠扩大天线间距提高隔离度降低耦合能量，这就需要天线波束窄、副瓣低。大姿态测量需要宽波束天线，避免错跟收发间距需要高隔离度窄波束天线，为解决这一的矛盾，保证在俯仰/横滚下正常测高，实际设计中，往往希望收发天线连线面方向图副瓣低、波束窄，以获得高隔离度，垂直收发天线连线面波束宽，以满足大姿态角测量。通常测高天线3dB波束宽度在40°～60°最合适。

要实现波束控制，可采用将离散的辐射单元组成阵列。阵列天线按照一定的方式排列和激励，利用波的干涉原理可产生强方向性的辐射方向图，辐射方向图取决于单元的型式、取向、单元在空间的位置以及激励电流的幅度和相位。

本发明创新点为：第一，本发明采用菱形阵列形式微带天线，可实现菱形短对角线所在面的方向图波束宽、长对角线上所在面的方向图窄，有效解决大姿态测量和高隔离度这一矛盾；第二，本发明设计实现的天线方向图中E面波束窄，H面波束宽的测高雷达天线，可用于测高雷达使用。

以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

第1实施例：

图1为一种雷达天线装置实施例，可安装在飞行器上用于测高雷达的天线，作为本发明实施例，一种雷达天线装置，包含：第一阵元1、第二阵元2、第三阵元3、第四阵元4、介质基板5、馈电网络6。

所述第一阵元、第二阵元、第三阵元、第四阵元与所述馈电网络安装在所述介质基板的两侧；所述第一阵元、第二阵元、第三阵元、第四阵元，形成菱形阵列，四个阵元的中心点为菱形的四个顶点，所述第一阵元、第二阵元、第三阵元、第四阵元为相同的辐射体。

在本发明中，所述菱形的对角线长度不同，因此E面、H面波束宽度不同，需要说明的是，所述菱形的对角线长度可以相同，当两条菱形对角线长度相同时，E面波束宽度与H面波束宽度相同。

需要说明的是，通过仿真软件，调整短对角线长度直到E面波束宽度达到设定阈值，调整长对角线长度直到H面波束宽度达到设定阈值。

在本发明实施例中，菱形两条对角线中短对角线所在面对应天线H面(平行于X轴方向)、短对角线长度大于等于0.4λ，长对角线所在面对应天线E面(平行于Y轴方向)、长对角线的长度大于0.9λ。λ为自由空间波长。

在本发明实施例中，所述第一～第四阵元的中心频点为4.3GHz，本发明实施例中的天线可用于测高雷达中，测高雷达的频率范围一般在4.2GHz～4.4GHz，需要说明的是，本发明天线的中心频点还可以为其他数值，这里不做特别限定。

在本发明实施例中，所述第一阵元、第二阵元、第三阵元、第四阵元，形成菱形阵列，四个阵元的中心点为菱形的四个顶点，所述第一阵元与第三阵元中心点连线即为菱形的长边，所述第二阵元与第四阵元的连线即为菱形的短边。

在本发明实施例中，所述第一～第四阵元为微带阵列天线、偶极子天线、抛物面天线或波导缝隙阵天线。

需要说明的是，本发明所述第一～第四阵元的天线形式不局限为微带型阵列天线，采用偶极子天线、抛物面天线或波导缝隙天线等阵元形式，形成菱形天线阵列也可实现天线波束一宽一窄。

还需说明的是，所述第一～第四阵元不局限为矩形微带单元，其他阵元形式，例如圆形、三角形均可，对微带单元的形状不做具体限定。

在本发明实施例中，第一阵元～第四阵元分布在介质基板的一侧，馈电网络分布在介质基板的另一侧，可以使第一阵元～第四阵元一侧的结构厚度变薄，有效减小了阵元厚度。

需要说明的是，对本发明实施例中矩形微带天线的具体阐述在本发明第2实施例中，这里不做重复论述；对本发明实施例中菱形阵列的具体参数阐述在本发明第4实施例中，这里不做重复论述。

本发明设计一种天线，特别是设计一种用于C波段测高雷达的天线，为解决雷达测高天线，大姿态测量的宽波束需求和高隔离度窄波束需求之间的矛盾，本发明基于测高雷达应用和阵列天线原理，采用菱形阵列形式、矩形微带单元、威尔逊功分网络、电磁耦合馈电方式，设计一微带阵列天线，可实现菱形短对角线所在面的方向图波束宽、长对角线上所在面的方向图窄，宽波束面可满足大姿态测量，窄波束面可降低收发天线之间耦合能量，提高收发隔离度，有效解决大姿态测量和高隔离度这一矛盾，非常适用测高雷达。

第2实施例：

图2为一种雷达天线装置的矩形微带天线单元实施例，说明了矩形微带天线的设计参数，具体地：所述第一阵元、第二阵元、第三阵元、第四阵元为相同的矩形微带单元。

在本发明实施例中，所述第一～第四阵元的中心频点为4.3GHz，所述第一～第四阵元的尺寸为长度L＝0.29λ，宽度W＝0.37λ，即沿Y轴方向20.7mm，沿X轴方向25.8mm，所述第一～第四阵元采用矩形微带阵列天线，排列成2×2的菱形形状，所述介质基板为3层，厚度1.5mm，相对介电常数2.65。

以微带阵列天线为理论基础，设计2×2矩形微带阵列天线，采用3层介质基层板，矩形微带单元的参数设计如下。

根据微带天线理论，单个矩形微带单元可被看作长L宽W的一段微带传输线，矩形贴片尺寸为L×W，基片厚度h，相对介电常数为ε_r，一般取L≈λ_g/2，λ_g为介质波长，在传输线的两端断开形成开路，辐射基本上是由贴片开路边沿的边缘场引起的，在垂直于微带天线方向产生最大辐射。

选择介质基板，依据测高雷达工作频段，通常4.2GHz～4.4GHz，根据下列理论计算出微带单元长度L(Y轴方向)，宽度W(X轴方向)。

矩形微带天线单元的宽度W：

其中，f为天线工作频率，c为真空中的光速，ε_r为矩形微带单元介质基片的相对介电常数，矩形微带单元的长度一般取λ_g/2，λ_g是等效介质内的波长：

考虑到边缘缩放效应后，实际上贴片谐振长度L：

ΔL为等效延长长度，其中：

在本发明实施例中，选用相对介电常数2.65、厚度1.5mm的介质基板，测高雷达频段4.2GHz～4.4GHz，依据微带天线理论，计算出单个矩形微带单元的L和W，分别为20.7mm和25.8mm。

需要说明的是，介质基板的选用需考虑信号频率、元器件复杂程度等因素，本发明实施例选用3层介质基板，层数少、厚度薄，既满足使用需要，又可节约成本、提高电路可靠性。

在本发明实施例中，馈电点位置沿H面方向调整阵元馈电点直到实现阻抗匹配，具体地，馈电点沿谐振矩形微带单元宽度(即X轴方向)方向移动，输入阻抗会大范围变化，对所有实际的阻抗值均可实现匹配。根据矩形微带单元等效电路和传输线理论，计算出50Ω阻抗对应的馈电点坐标。

若馈电点沿矩形微带单元宽度方向移动，输入阻抗会大范围变化，对所有实际的阻抗值均可实现匹配。在最佳实施例中，当f＝4.3GHz，W＝25.8mm时，馈电点位置为Δx＝9.5mm获得最佳阻抗匹配。

需要说明的是，馈电点位置的计算为现有技术，这里不做展开论述。

本发明第2实施例说明了第一阵元～第四阵元中矩形微带天线单元的相关参数，采用矩形微带天线单元，实现简单，有利于工程实现。

第3实施例：

图3为一种雷达天线装置的菱形阵列形式实施例，第一阵元～第四阵元采用菱形阵列形式，E面、H面可形成波束宽度不同的方向图，具体地：

所述第一、第二、第三、第四阵元，形成菱形阵列，四个阵元的中心点为菱形的四个顶点，所述第一～第四阵元为相同的矩形微带单元。

天线阵有多种几何形状，线阵、圆阵、矩形阵、共形阵等，平面阵更通用并能提供更对称的低副瓣方向图，因此本发明实施例选择平面阵进行布局。

选择合适的步进相位和单元间距可构成强方向性端射阵，本发明采用菱形阵列，四个阵列单元中心点分别在菱形的四个顶点，菱形两对角线长度分别对应阵元沿X、Y方向间距，即所述第一、第三阵元的连线为Y方向，所述第二、第四阵元的连线为X方向，所述第一阵元～第四阵元为等幅同相馈电。

图3中的馈电点位于矩形微带单元的底边，馈电点沿谐振矩形微带单元宽度(W，X轴方向)方向移动获得最佳阻抗匹配。

本发明实施例馈电网络采用两级威尔逊功分网络，实现射频输入端将电磁信号馈入4个阵元，各阵列单元产生的场在空间叠加，利用菱形阵列形式与所希望实现的方向图类似，可实现方向图一面相对窄一面相对宽。

在本发明实施例中，采用菱形阵列，菱形两对角线对应阵元两个方向间距，间距间接影响着阵列天线的增益和副瓣，不合理的情况下会导致方向图的严重畸变。

在本发明实施例中，采用2级威尔逊功分网络实现馈电，由于阵元间距很小，设计采用三层板介质板，馈电网络与阵元分别布置在介质基板的两侧，电磁耦合方式馈电。

本发明实施例采用菱形阵列形式，利用菱形形状与所希望方向图一面窄一面宽相似，设计实现E面波束窄，H面波束宽，副瓣低的测高雷达天线，有效解决大姿态测量和高隔离度要求这一矛盾。

第4实施例：

图4(a)为一种雷达天线方向图实施例的三维仿真结果，(b)为一种测高雷达天线方向图实施例的E面仿真结果，(c)为一种测高雷达天线方向图实施例的H面仿真结果。

本发明第4实施例通过仿真计算，说明了本发明第1～第3实施例中天线的实现效果。

在本发明实施例中，所述第一、第二、第三、第四阵元，形成菱形阵列，四个阵元的中心点为菱形的四个顶点，所述第一～第四阵元为相同的矩形微带单元。

具体地，所述第一～第四阵元的中心频点为4.3GHz，即λ＝69.8mm，所述第一阵元～第四阵元的尺寸为Y轴方向20.7mm，X轴方向25.8mm，通过仿真软件优化参数，短对角线(沿X轴方向)长度为30mm，长对角线(沿Y轴方向)长度为66.4mm，天线E面3dB波束宽度44.3°，H面3dB波束宽度61.2°

基于上述理论，设计中心频点4.3GHz的测高天线，长、短对角线所在面分别对应E、H面，(a)为天线三维方向图、(b)为E面方向图、(c)为H面方向图，经过仿真，可以看到E面波束窄，H面波束宽。

由图(a)知，天线增益11.1dB，最大副瓣电平-20.4dB；由图(b)知，E面，即长对角线所在面，3dB波束宽度为44.3°；由图(c)知，H面，即短对角线所在面，3dB波束宽度61.2°。

因此，根据本发明实施例中的仿真结果，可看到本发明可行且能很好地满足测高雷达天线的需求。

本发明实施例的天线E面、H面波束宽度不同，实际使用中收发天线沿E面对装，因E面波束较窄，副瓣低，耦合能量弱，隔离度高。

第5实施例：

图5为阵列天线原理，本发明第5实施例为一种雷达天线优化方法，用于本发明所述装置，具体包含以下步骤：

步骤101，对所述第一～第四阵元采用菱形阵列形式，改变所述两条对角线的长度，直到波束宽度达到设定阈值。

在步骤101中，菱形阵列对角线长度的取值方法已在本发明第3实施例中论述，这里不做重复论述。

在步骤101中，所述第一阵元～第四阵元可采用微带型阵列天线、偶极子天线、抛物面天线或波导缝隙天线等阵元，这里不做具体限定。

在步骤101中，所述第一阵元～第四阵元可采用矩形、圆形或三角形微带型阵列天线，也可以是其他形状微带阵列天线，这里不做具体限定。

在步骤101中，当所述第一阵元～第四阵元为矩形微带阵列天线时，需根据测高雷达工作频段选择介质基板、采用矩形微带天线设计方法得到第一～第四阵元的长度、宽度和馈电点位置。

在步骤101中，所述第一～第四阵元的长度、宽度和馈电点位置的取值方法已在本发明第2实施例中论述，这里不做重复论述。

在步骤101中，波束宽度与阵元间距的关系如图5所示。

要实现波束控制，可采用将离散的辐射单元组成阵列，阵列天线按照一定的方式排列和激励，利用波的干涉原理可产生强方向性的辐射方向图，辐射方向图取决于单元的型式、取向、单元在空间的位置以及激励电流的幅度和相位。

平面阵如图5，设有M×N个辐射单元(沿X轴方向M个、沿Y轴方向N个)，沿X向间距为dx，沿y向间距为dy，设第mn单元(X轴第m个、Y轴第n个)的激励幅度和相位为Vmn和Ψ_mn，则远区P点的电场可写成：

其中，θ、

分别为P点的离轴角、旋转角，

为P点的电场强度，E1为，

为单元方向函数，

为阵因子方向函数，

为天线方向函数，V11为，g为。

在步骤101中，波束宽度可由天线方向图得到，为现有技术，不做具体说明。

在本发明实施例中，E面波束宽度为44.3°，H面波束宽度为61.2°，需要说明的是，波束宽度也可以是其他数值，这里不做特别限定。

本发明实施例提供的天线设计方法，原理是设计一个菱形阵列形式微带天线，可实现菱形短对角线所在面的方向图波束宽、长对角线上所在面的方向图窄，宽波束面可满足大姿态测量，窄波束面可降低收发天线之间耦合能量，提高收发隔离度，可有效解决大姿态测量和高隔离度这一矛盾。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种雷达天线装置，其特征在于，包含：第一阵元、第二阵元、第三阵元、第四阵元、介质基板、馈电网络；

所述第一~第四阵元与所述馈电网络安装在所述介质基板的两侧；

所述第一~第四阵元，形成菱形阵列，四个阵元的中心点为菱形的四个顶点，所述第一~第四阵元为相同的辐射体；

菱形两条对角线中短对角线所在面对应天线H面、短对角线长度大于等于0.4

，长对角线所在面对应天线E面、长对角线的长度大于等于0.9

；

所述第一~第四阵元的频率范围为4.2~4.4GHz。

2.如权利要求1所述的雷达天线装置，其特征在于，所述第一~第四阵元为微带阵列天线、偶极子天线、抛物面天线或波导缝隙阵天线。

3.如权利要求1所述的雷达天线装置，其特征在于，所述第一~第四阵元为矩形、圆形或三角形微带阵列天线。

4.如权利要求1所述的雷达天线装置，其特征在于，所述第一~第四阵元为矩形微带阵列天线，沿天线H面方向调整阵元馈电点直到实现阻抗匹配。

5.如权利要求1所述的雷达天线装置，其特征在于，所述介质基板选用厚度1.5mm，相对介电常数2.65的介质板。

6.如权利要求1所述的雷达天线装置，其特征在于，所述馈电网络为2级威尔逊功分网络。

7.如权利要求4所述的雷达天线装置，其特征在于，所述第一阵元~第四阵元的波长尺寸为E面方向长度L=0.29

，H面方向宽度W=0.37

。

8.一种雷达天线优化方法，用于制造权利要求1~7任一项的所述装置，其特征在于，包含以下步骤：

对所述第一~第四阵元采用菱形阵列形式，改变所述两条对角线的长度，直到波束宽度达到设定阈值。

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