CN112072284A - 一种小体积宽角覆盖模块化频扫相控阵天线 - Google Patents

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鲁加国
刘小为
李莉
孙伟
张崎
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Abstract

本发明公开了一种小体积宽角覆盖模块化频扫相控阵天线，包括辐射天线单元、功分网络单元以及慢波线单元；辐射天线单元、功分网络单元以及慢波线单元采用非标准结构波导相连，整体采用多层焊接工艺加工而成；辐射天线单元为独立单层，位于整体结构的最上层；功分网络单元为多层结构，功分网络基本单元层位于中间位置；慢波线单元，位于整体结构的最下层，分成两层结构；本发明采用频扫体制，模块化设计，各模块单元根据系统工作带宽、扫描覆盖角度范围、增益、波束宽度灵活搭配，在指定的频率宽度内可实现大于120度的空域覆盖，天线增益起伏变化小于4dB，天线副瓣电平小于‑28dB，本发明适用于无人机侦查、边境要地防御等雷达探测系统。

Description

一种小体积宽角覆盖模块化频扫相控阵天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种小体积宽角覆盖模块化频扫相控阵天线。
背景技术
雷达天线可以通过机械和电控两种方式实现扫描。频率扫描是通过更改频率使波束指向发生变化的一种电扫描方式，与常规移相、延时扫描相控天线相比，频扫天线结构简单，成本优势明显。随着近年来无人机探测需求的增加，以及各种特殊场地的防御需求，对各种探测雷达的需求与日剧增，雷达需求的数量、性能、种类、成本也在不断的变化，特别是电扫雷达的低成本趋势明显。
通常频扫天线慢波线体积比较大，同时天线扫描范围不超过±45度，同时天线口径辐射效率在加权扫描的情况下低于30％，天线馈电效率要小于70％，天线在大扫描范围内的增益变化范围在6dB左右。
发明内容
本发明提出的一种小体积宽角覆盖模块化频扫相控阵天线，针对以上不足，提出了新的结构形式，可实现频扫天线的更宽的角度覆盖，更小的增益波动，以及更高的天线效率，同时根据不同的需求，天线俯仰面波束宽度可根据需求扩展，做到了通用化、模块化设计，最大限度的降低了天线成本。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种小体积宽角覆盖模块化频扫相控阵天线，包括辐射天线单元、功分网络单元以及慢波线单元；
所述天线单元位于功分网络基本单元的前端，一个功分网络基本单元对应两个天线单元，慢波线位于功分网络单元的后端；
其中，
所述辐射天线单元、功分网络单元以及慢波线单元采用非标准结构波导相连，整体采用多层焊接工艺加工而成；
所述辐射天线单元为独立单层，位于整体结构的最上层；
功分网络单元为多层结构，功分网络基本单元层位于天线层与慢波线结构的中间位置；
慢波线单元，位于整体结构的最下层，分成两层结构；
天线整体结构层数为1+N+2，N为自然数。
进一步的，所述慢波线单元采用非标准波导结构，慢波线宽边取不大于0.53倍的低频工作波长；波导窄边取值小于0.1535倍低频工作波长。
进一步的，所述慢波线单元采用矩形缝隙耦合的方式与辐射天线单元馈电，通过改变耦合矩形缝隙的尺寸方式实现阵列单元的幅度加权，达到系统要求的低副瓣指标；
所述慢波线单元在耦合缝隙的正下方设置匹配台阶，台阶高度设置根据耦合缝隙大小做调整，以保证耦合端口的驻波匹配。
进一步的，所述慢波线单元宽度小于高频工作波长的0.55倍。
进一步的，所述天线辐射单元采用波导喇叭形式，喇叭窄边厚度小于单元间距两端各0.5～1mm，单元间距取0.5～0.55倍高频工作波长。
进一步的，所述天线辐射单元间保留0.5mm～1mm壁厚，在辐射单元宽边中间处增加隔断壁，进一步提高单元口径效率。
进一步的，所述慢波线单元与辐射天线单元模块采用0.1535倍低频工作波长腔体厚度，同时采用该厚度的HT结构作为功分合成单元。
进一步的，所述功分合成单元作为一独立模块单元，可以为一分二功分合成模块、一分四功分合成模块、一分八功分合成模块等不同功分合成路数的模块。
由上述技术方案可知，本发明涉及的高效率小体积宽角覆盖模块化频扫相控阵天线，采用频扫体制，模块化设计，指定的频率宽度内可实现大于120度的空域覆盖，天线增益起伏变化小于4dB，天线副瓣电平小于-28dB。该发明属于雷达通信领域，可实现一维电扫相控阵雷达的低成本小型化，在无人机侦查、边境要地防御中有着广泛的应用前景。
本发明的有益效果如下：
1、天线各部分采用模块化设计，分成辐射天线基本单元、功分网络基本单元以及慢波线单元，各模块单元根据系统工作带宽、扫描覆盖角度范围、增益、波束宽度灵活搭配，最终采用焊接方式一体成型。
2、频扫慢波线采用非标准波导结构，慢波线宽边取不大于0.53倍的低频工作波长，通过改变慢波线宽边宽度的方式来缩小慢变线长度；波导窄边取值小于0.1535倍低频工作波长，通过压窄慢波线窄边尺寸的方式保证慢波线单元宽度小于高频工作波长的0.55倍，以保证天线高频扫描大角度不出栅瓣。慢波线采用矩形缝隙耦合的方式给天线单元馈电，通过改变耦合矩形缝隙的尺寸方式实现阵列单元的幅度加权，达到系统要求的低副瓣指标，在耦合缝隙的正下方设置匹配台阶，台阶高度设置根据耦合缝隙大小做调整，以保证耦合端口的驻波匹配。
3、天线辐射单元采用波导喇叭形式，喇叭窄边厚度尽量大，接近与单元间距0.55个高频工作波长，以实现辐射单元的最佳匹配，辐射单元间保留0.5mm～1mm壁厚保证加工精度，在辐射单元宽边中间处增加隔断壁，进一步提高单元口径效率，并将以上部分模块化设计，方便不同波束宽度系统需求的扩展。
4、慢波结构与辐射单元模块采用0.1535倍低频工作波长腔体厚度，并采用相同厚度的HT波导结构作为功分合成网络，功分器结构作为一独立模块单元，可以为一分二功分合成模块、一分四功分合成模块、一分八功分合成模块或者其他。
附图说明
图1是本发明的慢波线结构图；
图2是本发明的天线辐射单元；
图3是本发明的馈电网络单元结构图；
图4是本发明由两个天线单元与一分二功分合成模块组成的中等增益天线单元；
图5是本发明由单元模块组成的频扫天线系统；
图6是本发明频扫天线系统天线辐射方向图；
图7是本发明频扫天线系统效率统计曲线；
图8是本发明频扫天线系统驻波比曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本实施例的一种小体积宽角覆盖模块化频扫相控阵天线，在系统设计过程中首先对系统进行模块化设计，将各组成部分划分成，包括慢波线单元，辐射天线单元和功分网络单元，并根据系统对天线性能的要求灵活配置各部分的组成。
其中，辐射天线单元、功分结构以及慢波线结构采用非标准结构波导相连，根据天线结构特点，整体采用多层焊接工艺加工而成。其中天线单元为独立单层，位于整体结构的最上层；根据实际需要，功分网络可分为多层结构，具体层数根据功分器功分路数决定，功分网络层位于天层与慢波线结构的中间位置；慢波线结构，位于整体结构的最下层，分成两层结构，整体结构层数为1+N+2。该实施方案中天线采用了两个单元模块，功分结构采用1分2结构单元，因此天线整体结构共有1+1+2＝4层结构焊接而成。如图5所示，其中：A1、天线辐射单元1，A2、天线辐射单元2，B为慢波线，C、功分合成单元。
以下具体说明：
慢波线结构如图1所示，慢波线采用非标准波导结构1，慢波线宽边取不大于0.53倍的低频工作波长，通过改变慢波线宽边宽度的方式来缩小慢变线长度；波导窄边取值小于0.1535倍低频工作波长，通过压窄慢波线窄边尺寸的方式保证慢波线单元宽度小于高频工作波长的0.55倍，以保证天线高频扫描大角度不出栅瓣。慢波线采用矩形缝隙耦合的方式与天线单元馈电，通过改变矩形缝隙耦合结构2的耦合矩形缝隙的尺寸方式实现阵列单元的幅度加权，达到系统要求的低副瓣指标，在耦合缝隙的正下方设置匹配台阶3，台阶高度设置根据耦合缝隙大小做调整，以保证耦合端口的驻波匹配。
天线辐射单元4采用波导喇叭形式，如图2所示，喇叭窄边厚度尽量大接近与单元间距0.55个高频工作波长，具体可以是0.5～0.55高频工作波长，以实现辐射单元的最佳匹配，辐射单元间保留0.5mm～1mm壁厚保证加工精度，在辐射单元宽边中间处增加隔断壁5，进一步提高单元口径效率，并将以上部分模块化设计，方便不同波束宽度系统需求的扩展。
慢波结构与辐射单元模块采用0.1535倍低频工作波长腔体厚度，并采用相同厚度的HT波导结构为功分合成网络6，如图3所示，功分器结构作为一独立模块单元，包括一分二功分合成模块、一分四功分合成模块、一分八功分合成模块或者其他。
本实施例由以两天线基本单元和一个一分二功分合成模块组成的一种辐射结构如图4中7所示，本实施例由48个该结构和慢波线组成的频扫天线系统如图5所示，对该天线进行测试，该系统辐射方向图如图6所示，天线扫描覆盖角度范围大于120°，增益起伏小于伏变化小于4dB，天线副瓣电平小于-28dB。根据测试结果对天线效率进行统计，结果如图7所示，天线馈电效率在85％以上，在低副瓣和宽角扫描情况下口径辐射效率大于40％,在法线方向可达78％。该系统驻波比测试曲线如图8所示。
由上可知，本发明实施例涉及的高效率小体积宽角覆盖模块化频扫相控阵天线，采用频扫体制，模块化设计，指定的频率宽度内可实现大于120度的空域覆盖，天线增益起伏变化小于4dB，天线副瓣电平小于-28dB。该发明输入雷达通信领域，可实现一维电扫相控阵雷达的低成本小型化，在无人机侦查、边境要地防御中有着广泛的应用前景。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种小体积宽角覆盖模块化频扫相控阵天线，其特征在于：包括辐射天线单元、功分网络单元以及慢波线单元；
所述天线单元位于功分网络基本单元的前端，一个功分网络基本单元对应两个天线单元，慢波线位于功分网络单元的后端；
其中，
所述辐射天线单元、功分网络单元以及慢波线单元采用非标准结构波导相连，整体采用多层焊接工艺加工而成；
所述辐射天线单元为独立单层，位于整体结构的最上层；
功分网络单元为多层结构，功分网络基本单元层位于天线层与慢波线结构的中间位置；
慢波线单元，位于整体结构的最下层，分成两层结构；
天线整体结构层数为1+N+2，N为自然数。
2.根据权利要求1所述的小体积宽角覆盖模块化频扫相控阵天线，其特征在于：所述慢波线单元采用非标准波导结构，慢波线宽边取不大于0.53倍的低频工作波长；波导窄边取值小于0.1535倍低频工作波长。
3.根据权利要求2所述的小体积宽角覆盖模块化频扫相控阵天线，其特征在于：所述慢波线单元采用矩形缝隙耦合的方式与辐射天线单元馈电，通过改变耦合矩形缝隙的尺寸方式实现阵列单元的幅度加权，达到系统要求的低副瓣指标；
所述慢波线单元在耦合缝隙的正下方设置匹配台阶，台阶高度设置根据耦合缝隙大小做调整，以保证耦合端口的驻波匹配。
4.根据权利要求2所述的小体积宽角覆盖模块化频扫相控阵天线，其特征在于：所述慢波线单元宽度小于高频工作波长的0.55倍。
5.根据权利要求1所述的小体积宽角覆盖模块化频扫相控阵天线，其特征在于：所述天线辐射单元采用波导喇叭形式，喇叭窄边厚度小于单元间距两端各0.5～1mm，单元间距取0.5～0.55倍高频工作波长。
6.根据权利要求5所述的小体积宽角覆盖模块化频扫相控阵天线，其特征在于：
所述天线辐射单元间保留0.5mm～1mm壁厚，在辐射单元宽边中间处增加隔断壁，进一步提高单元口径效率。
7.根据权利要求1所述的小体积宽角覆盖模块化频扫相控阵天线，其特征在于：所述慢波先单元与辐射天线单元模块采用0.1535倍低频工作波长腔体厚度的HT结构作为功分合成单元。
8.根据权利要求7所述的小体积宽角覆盖模块化频扫相控阵天线，其特征在于：所述功分合成单元作为一独立模块单元，包括一分二功分合成模块、一分四功分合成模块、一分八功分合成模块不同功分路数的合成模块。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113067133A (zh) * 2021-03-30 2021-07-02 中国电子科技集团公司第三十八研究所 一种低剖面低副瓣大角度频扫阵列天线
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