CN111987483B - 基于开关切换的高频率敏感度频扫天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于开关切换的高频率敏感度频扫天线，该天线包括：射频开关，以及用于辐射能量的第一子阵和第二子阵；所述射频开关用于切换两个子阵工作，将馈电输入的能量输入某一工作的子阵；两个子阵工作在相同频率范围内，但波束扫描范围不同。每个子阵均包括慢波线及与其耦合的一组辐射单元，以及匹配负载，两个子阵耦合同一组辐射单元。本发明能够在共用辐射单元的情况下，切换控制波束扫描范围不同的子阵分别工作，从而在相同频率范围内，获得更大的扫描范围，提高了频扫天线的频率敏感度。
Description
技术领域
本发明涉及微波技术领域，特别涉及一种基于开关切换的高频率敏感度频扫天线。
背景技术
频率扫描(频扫)，是通过改变天线的工作频率来改变天线单元间的相位关系，从而完成天线波束指向的改变。频率敏感度，则用来表征相同工作频率带宽内波束指向改变能力的大小。
具体实现上，可以使用蛇形慢波结构作为移相单元，对辐射单元逐个馈电从而完成波束扫描。虽然慢波线形式的频扫天线研究历史悠久，但是为了实现相对更大的扫描范围，慢波形式频扫天线都采用延长蛇形慢波线来实现更大的相移，带来了很大的传输损耗。
因此，如何在增大频扫天线频率敏感度的同时，不至于增加天线的传输损耗而导致辐射效率降低，成为研究重点。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种基于开关切换的高频率敏感度频扫天线，在增大频扫天线频率敏感度的同时，不会增加天线的传输损耗而导致辐射效率降低。
实现本发明目的的技术解决方案为：基于开关切换的高频率敏感度频扫天线，所述天线包括：射频开关，以及用于辐射能量的第一子阵和第二子阵；所述射频开关用于切换两个子阵工作，将馈电输入的能量输入某一工作的子阵；两个子阵工作在相同频率范围内，但波束扫描范围不同。
进一步地，所述第一子阵包括第一慢波线及与其耦合的一组辐射单元，第一匹配负载，以及每个辐射单元对应的第一馈电结构；第一子阵工作时，射频开关与第一慢波线的一端接通，第一慢波线的另一端作为第一子阵的末端，连接第一匹配负载；
所述第二子阵包括第二慢波线及与其耦合的所述一组辐射单元，第二匹配负载，以及每个辐射单元对应的第二馈电结构；第二子阵工作时，射频开关与第二慢波线的一端接通，第二慢波线的另一端作为第二子阵的末端，连接第二匹配负载。
进一步地，所述辐射单元分别被第一馈电结构、第二馈电结构激励后，所对应辐射出的电磁波为正交电磁波。
进一步地，所述子阵耦合同一组辐射单元具体为慢波线与辐射单元相耦合，耦合方式为：
所述第一慢波线中的一个移相单元与对应的第一馈电结构耦合，每个所述辐射单元下方设置第一耦合缝隙和第二耦合缝隙，第一耦合缝隙、第二耦合缝隙分别与第一馈电结构、第二馈电结构耦合，同时均对辐射单元进行馈电。
进一步地，所述第一耦合缝隙与第二耦合缝隙相互垂直，两个缝隙馈电所激励的辐射电磁波正交。
进一步地，所述第一慢波线中的移相单元在工作频率范围f1～f2内的移相范围为+δ°～0°，第二慢波线中的移相单元在工作频率范围f1～f2内的移相范围为0°～-δ°。
进一步地，所述第一馈电结构的末端与第二馈电结构的末端相互垂直；所述末端为靠近慢波线的一端。
进一步地，所述辐射单元之间的间距相同。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明通过开关切换及辐射电磁波的正交设置，使得两组工作在相同频率，但对应不同扫描范围的频率扫描子阵能够分别工作而互不影响，从而在不增加天线传输损耗的情况下，使得相同工作频率范围内扫描角覆盖范围提高一倍，从而大大提高了天线的频率敏感度。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为一个实施例中基于开关切换的高频率敏感度频扫天线的拓扑结构示意图。
图2为一个实施例中天线总体结构示意图。
图3为一个实施例中的辐射单元结构示意图。
图4为一个实施例中的波束扫描范围示意图，其中图4(a)、图4(b)分别为子阵a、子阵b的波束扫描范围示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示诸如上、下、左、右、前、后……，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态如附图所示下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
结合图1，在一个实施例中，本发明提供了一种基于开关切换的高频率敏感度频扫天线，所述天线包括：射频开关3，以及用于辐射能量的第一子阵a和第二子阵b；所述射频开关3用于切换两个子阵工作，将馈电输入2的能量输入某一工作的子阵；两个子阵工作在相同频率范围内，但波束扫描范围不同。
进一步地，在其中一个实施例中，所述第一子阵a包括第一慢波线4-2及与其耦合的一组辐射单元1，第一匹配负载6-1，以及每个辐射单元1对应的第一馈电结构4-1；第一子阵a工作时，射频开关3与第一慢波线4-2的一端接通，第一慢波线4-2的另一端作为第一子阵a的末端，连接第一匹配负载6-1；
所述第二子阵b包括第二慢波线5-2及与其耦合的所述一组辐射单元1，第二匹配负载6-2，以及每个辐射单元1对应的第二馈电结构5-1；第二子阵b工作时，射频开关3与第二慢波线5-2的一端接通，第二慢波线5-2的另一端作为第二子阵b的末端，连接第二匹配负载6-2。
进一步地，在其中一个实施例中，所述辐射单元1分别被第一馈电结构4-1、第二馈电结构5-1激励后，所对应辐射出的电磁波为正交电磁波。
进一步地，在其中一个实施例中，所述子阵耦合同一组辐射单元具体为慢波线与辐射单元相耦合，耦合方式为：
所述第一慢波线4-2中的一个移相单元与对应的第一馈电结构4-1耦合，每个所述辐射单元1下方设置第一耦合缝隙17和第二耦合缝隙18，第一耦合缝隙17、第二耦合缝隙18分别与第一馈电结构4-1、第二馈电结构5-1耦合，同时均对辐射单元1进行馈电。
进一步地，在其中一个实施例中，所述第一耦合缝隙17与第二耦合缝隙18相互垂直，两个缝隙馈电所激励的辐射电磁波正交。
进一步地，在其中一个实施例中，所述第一慢波线4-2中的移相单元与第二慢波线5-2中的移相单元尺寸不相同。
进一步地，在其中一个实施例中，所述第一慢波线4-2中的移相单元在工作频率范围f1～f2内的移相范围为+δ°～0°，第二慢波线5-2中的移相单元在工作频率范围f1～f2内的移相范围为0°～-δ°。
进一步地，在其中一个实施例中，所述第一馈电结构4-1的末端与第二馈电结构5-1的末端相互垂直。
进一步地，在其中一个实施例中，所述辐射单元1之间的间距相同。
这里优选地，所述辐射单元1之间的间距ds为工作频率空气波长λ0的一半，即为ds＝λ0/2。
作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明进行进一步说明，图2为图1所示拓扑结构示意图的一个具体实施例结构图。图2中，相邻辐射单元之间的间距ds相同，均为工作频率空气波长的一半，即为ds＝λ0/2。第一子阵a包括N个辐射单元7、每个辐射单元所对应的第一馈电结构10、第一慢波线12及第一匹配负载14-1；第二子阵b包括N个辐射单元7、每个辐射单元所对应的第二馈电结构11、第二慢波线13及第二匹配负载14-2；
单个辐射单元与两条慢波线耦合的具体结构如图3所示。第一慢波线12中的一个移相单元15与第一馈电结构10耦合，第二慢波线13中的一个移相单元16与第二馈电结构11耦合。辐射单元7下方设置第一耦合缝隙17和第二耦合缝隙18，第一耦合缝隙17、第二耦合缝隙18分别与第一馈电结构4-1、第二馈电结构5-1耦合，同时均对辐射单元7进行馈电。第一耦合缝隙17和第二耦合缝隙18相互垂直，保证通过这两个缝隙馈电所激励的辐射电磁波正交，从而保证两个耦合通道互不影响。相应地，第一馈电结构10的末端与第二馈电结构11的末端也必须相互垂直，从而满足对上述两个辐射缝隙的耦合馈电。第一慢波线12中的移相单元15和第二慢波线13中的移相单元16尺寸不相同，其中，前者移相单元15在工作频率范围f1～f2内的移相范围为+δ°～0°，后者移相单元16在工作频率范围f1～f2内的移相范围为0°～-δ°。
通过上述设置，本实施例的波束扫描范围如图4所示，当射频开关切换到连通第一子阵a且工作频率为f1～f2时，其扫描角为+θ°～0°，见图4(a)；当射频开关切换到连通第二子阵b且工作频率为f1～f2时，其扫描角为0°～-θ°，见图4(b)。由上可知，通过开关切换，使得该频率扫描天线能够在工作频率为f1～f2时，扫描范围覆盖-θ°～+θ°，是使用单一子阵时的两倍。
本发明通过在频扫阵列中使用射频开关，切换共用辐射单元但辐射正交的两个子阵，使得在整个天线慢波线损耗近似的情况下，相同工作频率范围内扫描角覆盖范围提高一倍，从而大大提高了频扫天线的频率敏感度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.基于开关切换的高频率敏感度频扫天线，其特征在于，所述天线包括：射频开关(3)，以及用于辐射能量的第一子阵(a)和第二子阵(b)；所述射频开关(3)用于切换两个子阵工作，将馈电输入(2)的能量输入某一工作的子阵；两个子阵工作在相同频率范围内，但波束扫描范围不同；
所述第一子阵(a)包括第一慢波线(4-2)及与其耦合的一组辐射单元(1)，第一匹配负载(6-1)，以及每个辐射单元(1)对应的第一馈电结构(4-1)；第一子阵(a)工作时，射频开关(3)与第一慢波线(4-2)的一端接通，第一慢波线(4-2)的另一端作为第一子阵(a)的末端，连接第一匹配负载(6-1)；
所述第二子阵(b)包括第二慢波线(5-2)及与其耦合的所述一组辐射单元(1)，第二匹配负载(6-2)，以及每个辐射单元(1)对应的第二馈电结构(5-1)；第二子阵(b)工作时，射频开关(3)与第二慢波线(5-2)的一端接通，第二慢波线(5-2)的另一端作为第二子阵(b)的末端，连接第二匹配负载(6-2)；
所述辐射单元(1)分别被第一馈电结构(4-1)、第二馈电结构(5-1)激励后，所对应辐射出的电磁波为正交电磁波。
2.根据权利要求1所述的基于开关切换的高频率敏感度频扫天线，其特征在于，所述子阵耦合同一组辐射单元具体为慢波线与辐射单元相耦合，耦合方式为：
所述第一慢波线(4-2)中的一个移相单元与对应的第一馈电结构(4-1)耦合，每个所述辐射单元(1)下方设置第一耦合缝隙(17)和第二耦合缝隙(18)，第一耦合缝隙(17)、第二耦合缝隙(18)分别与第一馈电结构(4-1)、第二馈电结构(5-1)耦合，同时均对辐射单元(1)进行馈电。
3.根据权利要求2所述的基于开关切换的高频率敏感度频扫天线，其特征在于，所述第一耦合缝隙(17)与第二耦合缝隙(18)相互垂直，两个缝隙馈电所激励的辐射电磁波正交。
4.根据权利要求1所述的基于开关切换的高频率敏感度频扫天线，其特征在于，所述第一慢波线(4-2)中的移相单元与第二慢波线(5-2)中的移相单元尺寸不相同。
5.根据权利要求4所述的基于开关切换的高频率敏感度频扫天线，其特征在于，所述第一慢波线(4-2)中的移相单元在工作频率范围f1～f2内的移相范围为+δ°～0°，第二慢波线(5-2)中的移相单元在工作频率范围f1～f2内的移相范围为0°～-δ°。
6.根据权利要求2所述的基于开关切换的高频率敏感度频扫天线，其特征在于，所述第一馈电结构(4-1)的末端与第二馈电结构(5-1)的末端相互垂直；所述末端为靠近慢波线的一端。
7.根据权利要求1所述的基于开关切换的高频率敏感度频扫天线，其特征在于，所述辐射单元(1)之间的间距相同。
8.根据权利要求7所述的基于开关切换的高频率敏感度频扫天线，其特征在于，所述辐射单元(1)之间的间距ds为工作频率空气波长λ0的一半，即为ds＝λ0/2。
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