CN112002998A - 一维相扫分布式数字全固态有源双偏振波导裂缝阵列天线 - Google Patents

一维相扫分布式数字全固态有源双偏振波导裂缝阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一维相扫分布式数字全固态有源双偏振波导裂缝阵列天线，一种一维相扫分布式数字全固态有源双偏振波导裂缝阵列天线，该系统包括由采用脊波导窄边开斜缝方式实现的水平极化天线；由脊波导宽边开纵缝方式实现的垂直极化天线；所述水平极化天线和垂直极化天线交替配置形成波导裂缝平面天线阵及数字收发组件、数字接收组件）、馈电、本振、时钟、标校功分网络、数字波束形成组成。本系统可实现整机系统的双发双收，单发双收，单发单收的多种偏振工作模式要求。实现俯仰维相扫，单/多波束的工作需求，能及时、准确对雷暴、雷雨大风、冰雹、飑线、龙卷等危险天气进行快速探测和识别，为军民用气象保障提供及时精确的危险天气信息。

Description

一维相扫分布式数字全固态有源双偏振波导裂缝阵列天线
技术领域
本发明涉及技术相控阵天线领域，具体涉及一种一维相扫分布式数字全固态有源双偏振波导裂缝阵列天线。
背景技术
本发明公开了一种相控阵双偏振多普勒天气雷达水平和垂直波束指向高度一致的实现方法。通过本发明方法，可实现相控阵双偏振多普勒天气雷达水平和垂直波束指向的高度一致性，从而为相控阵双偏振多普勒天气雷达有源天线实现形式的选择提供了一种系统结构和控制简单、高性价比实现的实现方法。该方法采用水平偏振和垂直偏振分行排布的脊波导，水平偏振开斜缝，垂直偏振开的纵缝排布在脊波导的轴线上，相对于传统的双偏振波导缝隙阵，水平偏振在窄边开斜缝，垂直偏振在宽边开纵缝，纵缝交替排布在轴线两侧的方式，该方法使得两种偏振的交叉偏振比大大高于相控阵双偏振微带天线的30dB，同时避免了传统相控阵双偏振微带天线插损大、成本高的缺点，具有高增益，低成本，低交叉偏振(35dB)的优点
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种一维相扫分布式数字全固态有源双偏振波导裂缝阵列天线，可实现整机系统的双发双收，单发双收，单发单收的多种工作模式要求。在俯仰上一维相扫，可单/多波束的工作需求，快速探测天气目标信息，提高天气雷达的时空分辨率，为灾害性天气保障系统提供及时可靠全面的精准科学信息。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种一维相扫分布式数字全固态有源双偏振波导裂缝阵列天线，该系统包括：
由采用脊波导窄边开斜缝方式实现的水平极化天线；
由脊波导宽边开纵缝方式实现的垂直极化天线；
所述水平极化天线和垂直极化天线交替配置形成波导裂缝平面天线阵；
由天线、网络、DTRU单元、DRU单元、数字波束形成DBF实现收发波束的形成；
发射时，全阵面各DTRU单元内的数字波形产生模块DDS按指定幅度和相位控制字再结合时钟及定时信号产生发射的激励信号经上变频和功率放大输入天线单元，各天线单元产生相应偏振电磁波辐射到指定空域进行功率合成形成发射波束；
接收时，波导裂缝平面天线阵将接收空域内的反射电磁波信号送入DTRU单元或DRU单元，经低噪声放大后下变频至中频，中频信号经A/D采样和数字下变频处理生成数字正交视频信号I/Q送入数字波束形成系统，数字波束形成系统通过对每个通道信号的幅度和相位加权控制，在扫描空域内任意形成所需的接收波束。
进一步的，发射时，所述发射波束通过相位加权实现发射波束赋形以优化空域威力覆盖。
进一步的，所述水平极化天线和垂直极化天线由128行线源组成，发射时，由中间96行线源等幅发射，接收时由128行线源接收。
进一步的，所述波导裂缝平面天线阵由8组子阵天线组成，每组子阵天线包括8根宽边纵缝线源和8根窄边裂缝线源。
进一步的，所述脊波导窄边和脊波导宽边交替排列，相邻两脊波导之间的尺寸不超过23mm。
进一步的，每根波导缝隙天线对应一路DTRU或DRU单元，全阵面共计128路数字通道。
本发明的有益效果是：
1.双偏振收发功能：本天线系统配备水平极化、垂直极化两种规格天线，可按需求形成双发双收，单发双收，单发单收的多种偏振工作模式。
2.俯仰一维相扫：阵列每行相位独立可控，具备多波束快速扫描、大范围相扫、功能。
3.多波束收发功能：天线配备数字波束形成(DBF)分系统，通过控制信号，收发波束方式灵活可控，可以同时形成单波束或多波束，单偏振时多波束数为20，双偏振时多波束数各10。
附图说明
图1为本系统有源天线系统框图；
图2为天线水平方向图；
图3为天线垂直接收方向图：
图4为天线垂直发射方向图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
一维相扫分布式数字全固态有源双偏振波导裂缝阵列天线，可实现整机系统的双发双收，单发双收，单发单收的多种偏振工作模式要求。可实现俯仰维相扫，单/多波束的工作需求，快速探测天气目标信息，为作保障系统提供及时可靠全面的信息，以提高整机系统的危险天气综合保障能力。
该系统包括波导裂缝平面天线阵及数字收发组件(DTRU)、数字接收组件(DRU)、馈电、本振、时钟、标校功分网络、数字波束形成(DBF)。
由采用脊波导窄边开斜缝方式实现的水平极化天线；
由脊波导宽边开纵缝方式实现的垂直极化天线；
所述水平极化天线和垂直极化天线交替配置形成波导裂缝平面天线阵。
由天线、网络、DTRU单元、DRU单元、数字波束形成DBF实现收发波束的形成；
发射时，全阵面各DTRU单元内的数字波形产生模块DDS按指定幅度和相位控制字再结合时钟及定时信号产生发射的激励信号经上变频和功率放大输入天线单元，各天线单元产生相应偏振电磁波辐射到指定空域进行功率合成形成发射波束；
接收时，波导裂缝平面天线阵将接收空域内的反射电磁波信号送入DTRU单元或DRU单元，经低噪声放大后下变频至中频，中频信号经A/D采样和数字下变频处理生成数字正交视频信号I/Q送入数字波束形成系统，数字波束形成系统通过对每个通道信号的幅度和相位加权控制，在扫描空域内任意形成所需的接收波束。
天线系统采用双偏振波导缝隙行波阵列天线形式，主要由水平极化(H)天线系统和垂直极化(V)天线系统组成。
水平极化天线采用脊波导窄边开斜缝的方式实现，垂直极化天线采用脊波导宽边开纵缝的方式实现，两种波导缝隙天线交替配置形成天线面阵。该天线具有效率高、功率容量大、低剖面、设备数量少、发射功率利用效率高等优点。
天线阵面由64根宽边纵缝线源和64根窄边斜缝线源交替排列而成，尺寸约为长1750mm×宽1470mm×厚18mm。天线面阵平面度要求为均方根误差小于0.3，绝对值误差小于0.8。为保证天线的平面度要求，需要对框架和线源加工精度进行控制，最后通过装配调整来满足天线面阵整体要求。
根据天线天线指标要求，天线系统的增益主要是天线的口径和波长决定。由增益计算公式推导可得：
A＝(10(G/10)×λ0 2)/(4πη)
式中：A——天线有效面积
λ0——低频频率波长
η——天线效率(取0.5)
G——天线增益(设计时留有余量取42dB)
将有关以知参数代入式中计算为：A＝2624870，即天线口面有效直径为1620mm。设计线源天线输入端长度约为40mm，负载端约为70mm，总尺寸约为1730mm，即脊波导长度为1730mm。
根据波束宽度计算公式为：
Figure BDA0002584946920000041
式中:K——波束宽度系数(取1.2,弧度值)
λ0——频率(这里以低频计算)
D——天线有效口径
将已知参数带入上式计算，即可得出波束宽度为1.369°。
根据天线形式和天线工作方式，天线的俯仰单元间距主要受天线俯仰向扫描角度、工作频率和波瓣宽度等的限制，为了天线扫描时不出现栅瓣，根据公式计算所需要的单元间距。
Figure BDA0002584946920000042
其中λ--高频端工作波长，θ0--扫描角度。
设计波束最大扫描θ0＝18°，λ＝31.57mm，行馈间距d≤24.11mm,设计时取俯仰单元间距d＝23mm。即水平极化和垂直极化天线单元间距均不能大于23mm。由于两种规格天线交替排列，按两种天线无间隔排列，两种波导外形尺寸之和也不能超过23mm。
在该频段，通常有BJ84和BJ100两种规格的标准波导，若选取较小的BJ100型波导，波导尺寸为22.86mm×10.16mm×1mm。波导宽边和窄边交替排列，间距为37.02mm。很明显，此间距远远大于所要求的单元间距，所以天线线源不能选取常规标准波导，必须把波导尺寸进行压缩。综合考虑，两种规格天线线源均选取非标准的单脊波导。
单脊波导的特点是波导中间有凸起的脊，与矩形波导相比，脊波导由于凸缘电容的作用，TE10波的截止波导比矩形波导中TE10波的截止波长更长，因此，可以通过压缩宽边尺寸来得到需要的波导尺寸。权衡加工和设计，最终确定窄边线源单脊波导外形尺寸为18mm×7.2mm×1mm。宽边线源单脊波导尺寸为11.7mm×9.5mm×1mm。两种波导间距为18.9mm，可以满足天线单元间距23mm的要求。
雷达系统的天线面阵采用全数字有源相控阵技术，它是采用发射波瓣单波束脉内相扫、展宽波瓣相扫及赋形波束空域覆盖，接收波束采用DBF的平面阵列天线。天线阵面分系统主要功能为在方位360°机械扫描，仰角扫描空域范围-2°～+90°，扫描空域内通过电扫方式实现微波能量的辐射与接收以及空域能量管理。波导缝隙平面阵列天线由波导缝隙平面阵列天线和DTRU组件及DRU组件组成，每根波导缝隙天线对应一路DTRU或DRU单元，全阵面共计128(H+V)路数字通道。DTRU组件接在每行波导缝隙天线线源的输入端上，这样大大的减少了信号的发射损耗、接收损耗，它是相控阵天线的关键部件。DTRU组件主要由射频前端和数字通道两部分组成，射频前端完成接收信号的限幅、低噪声放大，发射信号的功率放大等功能；数字通道主要完成本振、时钟功分，发射信号产生，雷达回波下变频，中频采样，数字正交下变频、预处理等功能。
天线线源波导选择，根据以上理论计算，垂直面若要满足相扫±18°的要求，天线单元间距为23mm。即水平极化和垂直极化天线单元间距均不能大于24mm。由于两种规格天线交替排列，按两种天线无间隔排列，两种波导外形尺寸之和也不能超过24mm。
由于选用的是行波阵，天线的缝隙间距d比半波导波长稍大或稍小，不能等于半波导波长，否则成为驻波阵。对长度一定的波导，缩小间距会增加裂缝数，降低负载吸收率，提高馈电效率，但增强了缝隙间的外互耦和波导内高次模的影响。通常情况下裂缝间距取d＜λg/2。
水平极化天线采用脊波导窄边斜缝，为了满足200M的频带要求，通过理论公式计算可知，全频带单元间距需满足小于λg/2的间距要求，同时由裂缝间距与输入反射系数的关系可知，间距靠近半波导波长时，反射系数急剧增大，所以间距选取时以高频为依据，并留有一定余量，间距选取为20.8mm。根据得到的窄边天线长度和缝隙间距根据公式L＝Nd即可得到缝隙数量为80。
垂直极化天线采用脊波导宽边纵缝形式，同理通过计算频带内波导波长后，为保证两种线源频率指向偏差一致，通过计算得到间距为22.1mm。根据得到的天线长度和缝隙间距根据公式L＝Nd即可得到缝隙数量为76。
根据双极化脊波导尺寸小，型材不易加工的特点，工艺技术攻关以8+8子阵的形式进行一体化加工设计。完整天线由8组8+8子阵组成，每个子阵分别由8根宽边纵缝线源和8根窄边裂缝线源组成。
水平天线阵面共由64行线源组成，其中发射时，由中间48行线源等幅发射，接收时由64行线源接收。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种一维相扫分布式数字全固态有源双偏振波导裂缝阵列天线，其特征在于，该系统包括：
由采用脊波导窄边开斜缝方式实现的水平极化天线；
由脊波导宽边开纵缝方式实现的垂直极化天线；
所述水平极化天线和垂直极化天线交替配置形成波导裂缝平面天线阵；
由天线、网络、DTRU单元、DRU单元、数字波束形成DBF实现收发波束的形成；
发射时，全阵面各DTRU单元内的数字波形产生模块DDS按指定幅度和相位控制字再结合时钟及定时信号产生发射的激励信号经上变频和功率放大输入天线单元，各天线单元产生相应偏振电磁波辐射到指定空域进行功率合成形成发射波束；
接收时，波导裂缝平面天线阵将接收空域内的反射电磁波信号送入DTRU单元或DRU单元，经低噪声放大后下变频至中频，中频信号经A/D采样和数字下变频处理生成数字正交视频信号I/Q送入数字波束形成系统，数字波束形成系统通过对每个通道信号的幅度和相位加权控制，在扫描空域内任意形成所需的接收波束。
2.根据权利要求1所述的一维相扫分布式数字全固态有源双偏振波导裂缝阵列天线，其特征在于，发射时，所述发射波束只通过相位加权实现发射波束赋形以优化空域威力覆盖。
3.根据权利要求2所述的一维相扫分布式数字全固态有源双偏振波导裂缝阵列天线，其特征在于，所述水平极化天线和垂直极化天线分别由64行线源组成，发射时，由中间48行线源等幅发射，接收时由64行线源接收，实现收发波束宽度一致。
4.根据权利要3任一项所述的一维相扫分布式数字全固态有源双偏振波导裂缝阵列天线，其特征在于，所述波导裂缝平面天线阵由8组子阵天线组成，每组子阵天线包括8根宽边纵缝线源和8根窄边裂缝线源。
5.根据权利要求4所述的一维相扫分布式数字全固态有源双偏振波导裂缝阵列天线，其特征在于，所述脊波导窄边和脊波导宽边交替排列，相邻两脊波导之间的尺寸不超过23mm。
6.根据权利要求1所述的一维相扫分布式数字全固态有源双偏振波导裂缝阵列天线，其特征在于，每根波导缝隙天线对应一路DTRU单元或DRU单元，全阵面共计128路数字通道。
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