CN112201933A - 一种紧凑轻便型多扫描体制的阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紧凑轻便型多扫描体制的阵列天线,属于微波技术领域,包括天线阵面与矫正网络,所述天线阵面包括多个列线源,每个所述列线源均包括一条微带慢波线与多个天线辐射单元,多个所述天线辐射单元均沿所述微带慢波线路径设置,所述微带慢波线与所述天线辐射单元之间设置有多个馈电缝隙,所述慢波线通过所述馈电缝隙对所述天线辐射单元馈电,所述矫正网络包括矫正微带线与多个耦合缝隙,多个所述耦合缝隙对应设置在各条所述慢波线与所述矫正微带线之间。本发明的慢波线、天线单元和矫正网络全部采用微带结构形式,实现一体化紧凑设计;并把相位扫描和频率扫描两种主流电扫方式相结合,实现了整个系统成本和重量的大大减小,值得被推广使用。

Description

一种紧凑轻便型多扫描体制的阵列天线
技术领域
本发明涉及微波技术领域,具体涉及一种紧凑轻便型多扫描体制的阵列天线。
背景技术
电扫描天线的应用十分广泛,涉及雷达领域、通信领域、监控设备等军用和民用场景。电扫描天线具有波束指向、波束形状快速变化能力,易于形成多个波束,可以在空间实现信号功率合成。这些特点使电扫描雷达可完成多种雷达功能,具有稳定跟踪多批高速目标的能力,这为提高雷达测量精度和观测隐身目标在内的各种低可观测目标提供了技术潜力。
现有的天线电扫描技术主要有四种:相位扫描、频率扫描、时延扫描和电子馈电开关扫描。其中运用最多的就是相位扫描和频率扫描。相位扫描是通过改变阵元输入信号的相位来实现波束扫描;频率扫描是通过改变信号的频率来改变天线单元之间的“阵内相位差”,从而实现波束的扫描。
频率扫描天线有两种基本形式,一种为带有频扫线源的抛物柱面天线,另一种为频扫阵列天线。第一种类型的频扫天线重量太大,一般都在几百公斤以上。第二种类型的频扫天线一般都是波导窄边裂缝天线,慢波线结构也是波导构成,体积和重量也比较大,并且剖面高。由此看来,微带天线以其重量轻、成本低、平面结构等优点比较适合作为地剖面频扫天线单元使用。近些年开始陆续有人提出了具有波束扫描能力的微带天线阵列,其中主要分为两类,一类是利用漏波单元进行频率扫描,漏波天线结构简单、效率高,但是扫描角度受到限制,无法实现大角度扫描;第二类是利用慢波线来进行扫描,目前大多是波导慢波线和微带天线混合结构,或者是多层微带馈电结构,不仅重量和体积大、剖面高,而且天线效率低,增益大大降低。为此,提出一种紧凑轻便型多扫描体制的阵列天线。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于:如何解决现有的频率扫描天线存在的扫描角度限制大、损耗大的问题,提供了一种紧凑轻便型多扫描体制的阵列天线。该阵列天线不仅把相位扫描和频率扫描相结合,实现阵列的二维扫描,而且实现了天线阵面、慢波线馈电网络和矫正网络一体化设计,以上三个部分全部采用微带结构的形式,从而使整个天线系统重量轻、结构紧凑、方便加工和组装。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的,本发明包括天线阵面与矫正网络,所述天线阵面包括多个列线源,每个所述列线源均包括一条微带慢波线与多个天线辐射单元,多个所述天线辐射单元均沿所述微带慢波线路径设置,所述微带慢波线与所述天线辐射单元之间设置有多个馈电缝隙,所述慢波线通过所述馈电缝隙对所述天线辐射单元馈电,所述矫正网络包括矫正微带线与多个耦合缝隙,多个所述耦合缝隙对应设置在各条所述慢波线与所述矫正微带线之间。
更进一步地,在沿所述微带慢波线路径方向上通过改变天线工作频率实现频率扫描,在阵面内垂直于所述微带慢波线路径方向上通过控制列线源馈电的相位实现相位扫描。
更进一步地,通过控制所述微带慢波线的长度来调节扫描角度的大小。
更进一步地,通过调节所述馈电缝隙的尺寸对所述列线源进行幅度加权。
更进一步地,所述天线辐射单元为微带金属贴片。
更进一步地,所述微带慢波线为带状线,所述带状线呈连续S形弯折状。
更进一步地,多个所述天线辐射单元间按照周期性隔设置在所述带状线上方。
更进一步地,在阵面内所述耦合缝隙与所述微带慢波线路径方向之间具有夹角,通过调节所述夹角的角度值改变耦合度。
更进一步地,所述天线阵面与矫正网络一体加工成型。
本发明相比现有技术具有以下优点:该紧凑轻便型多扫描体制的阵列天线,慢波线、天线单元和矫正网络全部采用微带结构形式,实现一体化紧凑设计;并把相位扫描和频率扫描两种主流电扫方式相结合,实现了整个系统成本和重量的大大减小,值得被推广使用。
附图说明
图1a是本发明实施例二中阵列天线的总体结构示意图;
图1b是图1a中A部的局部放大示意图;
图1c是图1a中B部的局部放大示意图;
图1d是图1c中C部的局部放大示意图;
图2是本发明实施例二中阵列天线的横截面示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,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。
实施例一
本实施例提供一种技术方案:一种紧凑轻便型多扫描体制的阵列天线,包括微带慢波线馈电层、多个天线辐射单元与矫正网络,所述微带慢波线馈电层包括多条并列设置的微带慢波线,多个所述天线辐射单元设置在多条所述微带慢波线的上方,所述矫正网络包括矫正微带线与多个耦合缝隙,多个所述耦合缝隙分别设置在各所述微带慢波线的上方,所述矫正微带线设置在各所述耦合缝隙的上方。
矫正信号从矫正微带线的一端输入,另一端接匹配负载吸收。电磁波在传播途中通过矫正微带线正下方所述耦合缝隙把能量耦合到所述微带慢波线上,与慢波线一端的馈电端口形成矫正回路。通过调整耦合缝隙的倾斜角度可以实现耦合系数的调整。
在所述微带慢波线馈电层的上层地板上开有不同尺寸的馈电缝隙,通过控制馈电缝隙的尺寸来实现列线源的幅度加权。
所述天线辐射单元为设置在印制板上的微带金属贴片,一个所述微带金属贴片与一个所述馈电缝隙一一对应,所述微带慢波线通过所述馈电缝隙为上层的各微带金属贴片馈电。
在本实施例中,天线馈电网络(微带慢波线馈电层)、天线辐射单元和矫正网络全部采用微带结构集成一体化设计。
本阵列天线采用了多种扫描体制,一维采用相位扫描体制,另一维采用频率扫描体制。
在本实施例中,通过控制多个微带慢波线馈电端的相位来实现一维相位扫描,另一维通过设计天线的工作频率和慢波线的长度来实现频率扫描。
在本实施例中,天线馈电网络、辐射单元和矫正网络全部采用微带结构。
在本实施例中,天线阵面与矫正网络为一个整体,一次加工获得,无转接结构和其他器件转接。
在本实施例中,利用各微带慢波线为天线辐射单元馈电。
实施例二
如图1、2所示,本实施例的阵列天线共有三层印制板组成,从上到下分别是第一块印制板7、第二块印制板8和第三块印制板9。每块印制板均为双层板,包括上下两层(自下而上依次为第一层1、第二层2、第三层3、第四层4、第五层5、第六层6),各层分别设置有不同结构和形状的覆铜,其中天线辐射单元12和矫正微带线13印制在第六层6上,馈电缝隙14和耦合缝隙15印制在第四层4上,慢波线印制在第二层2上,微带慢波线馈电层11由并排设置的多条慢波线构成,其中带状线结构的慢波线使电磁波能量在第一层1与第四层4之间,由慢波线的输入端向负载端传播,传播过程中通过第四层4上的馈电缝隙把能量耦合到第六层6的天线辐射单元12上,从而激励天线单元使电磁波向空间辐射出去。第一层1为全部覆铜的金属地板。
第二层2上印制有微带慢波线。微带慢波线为带状线结构,带状线弯折形成一个“蛇形”走线,“蛇形”走线的目的是在确定了X轴和Y轴方向的单元间距之后,在有限的空间里可以使得带状线可以布置的更长。天线阵列中,波束扫描的角度与阵列中相邻两个单元之间的相位差满足如下关系:
Figure BDA0002673931880000041
在相控阵中,通过T/R组件中的移相器来实现上述相位差,而频扫天线中可以通过具有同样相位常数而长度相差L的馈线来实现,那么,这两个相邻单元之间产生的相位差为:
Figure BDA0002673931880000042
式(2)中,λg为慢波线的介质波长。
可以看出,当L一定时,改变λg,即雷达的工作频率,相邻两个单元的相位差就发生了变化,天线阵列的波束指向也就跟着发生了改变,进行了波束扫描。这就是慢波线频扫的基本原理。一个长度为L的传输线工作在两个频率的时候,相位差为:
Figure BDA0002673931880000043
从公式(3)中可以看出,要实现大角度扫描的话可以通过增加工作带宽或增加传输线长度L来实现,由于增加带宽会给馈电系统带来很大的设计困难,本实施例中采用了增加传输线长度L来实现Y轴方向上相邻单元之间产生一个相位差
Figure BDA0002673931880000044
从而实现有限空间里的大角度扫描。
第四层4为馈电缝隙14和耦合缝隙15所在层,其中馈电缝隙14在微带慢波线上方周期性出现,通过设计馈电缝隙14的尺寸来实现Y轴方向上对每个天线单元激励进行加权,当电磁波在慢波带状线结构中由输入端向负载端进行传播时,其正上方的馈电缝隙14破坏了带状线原有的边界条件,使电磁波向外辐射,且馈电缝隙14的尺寸越大,电磁波辐射的能量也就越多,即对贴片天线辐射单元12激励的幅度也就越大。
具体的设计过程为,首先,利用科学计算软件Matlab计算出Y轴方向上的各个天线辐射单元12的激励幅度的大小(本实施例中为-15dB的Taylor加权分布);然后,通过三维电磁仿真软件(如HFSS等)对各个馈电缝隙14的尺寸进行优化,使得从馈电缝隙14耦合上来的能量满足上述过程中计算出来的结果。
耦合缝隙15是矫正网络的一部分,每一列微带慢波线上方具有一个相同的耦合缝隙15,可以根据耦合度的需要调整耦合缝隙15倾斜的角度θ。当矫正信号从矫正微带线13的一端输入时,电磁波会沿着矫正微带线13向另一端进行传播,传播过程中经过开有耦合缝隙15的区域,矫正微带线13的边界条件被破坏,一小部分电磁能量通过耦合缝隙15耦合到第二层2的慢波线上,通过慢波线继续传播,直到进入慢波线的输入端口后形成一条闭合的矫正回路。
第六层6为天线辐射单元12和矫正微带线13所在层,其中天线辐射单元12为微带贴片的形式,它分布在每个馈电缝隙14的上方。矫正微带线13在耦合缝隙15的上方,根据矫正微带线13两端连接器的阻抗来设计矫正微带线13的宽度。
从整体上看,本实施例的阵列天线在Y轴方向包括若干个列线源,通过控制列线源馈电的幅度和相位来实现Y轴方向的加权和扫描。最终该发明可以实现X轴方向相位扫描和Y轴方向频率扫描的二维扫描体制。
每个列线源由对应的慢波线,馈电缝隙14和天线辐射单元12组成。对每个列线源对应的慢波线进行馈电,慢波线中传播的电磁波能量通过多个馈电缝隙14辐射出去,辐射的能量可以对天线辐射单元12进行激励,其中馈电缝隙14和天线辐射单元12一一对应。
综上所述,上述实施例的紧凑轻便型多扫描体制的阵列天线,慢波线、天线单元和矫正网络全部采用微带结构形式,实现一体化紧凑设计;并把相位扫描和频率扫描两种主流电扫方式相结合,实现了整个系统成本和重量的大大减小,值得被推广使用。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种紧凑轻便型多扫描体制的阵列天线,其特征在于:包括天线阵面与矫正网络,所述天线阵面包括多个列线源,每个所述列线源均包括一条微带慢波线与多个天线辐射单元,多个所述天线辐射单元均沿所述微带慢波线路径设置,所述微带慢波线与所述天线辐射单元之间设置有多个馈电缝隙,所述慢波线通过所述馈电缝隙对所述天线辐射单元馈电,所述矫正网络包括矫正微带线与多个耦合缝隙,多个所述耦合缝隙对应设置在各条所述慢波线与所述矫正微带线之间。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑轻便型多扫描体制的阵列天线,其特征在于:在沿所述微带慢波线路径方向上通过改变频率实现频率扫描,在阵面内垂直于所述微带慢波线路径方向上通过控制列线源馈电的相位实现相位扫描。
3.根据权利要求2所述的一种紧凑轻便型多扫描体制的阵列天线,其特征在于:通过控制所述微带慢波线的长度实现不同扫描角度。
4.根据权利要求3所述的一种紧凑轻便型多扫描体制的阵列天线,其特征在于:通过调节所述馈电缝隙的尺寸对所述列线源进行幅度加权。
5.根据权利要求4所述的一种紧凑轻便型多扫描体制的阵列天线,其特征在于:所述微带慢波线为带状线,所述带状线呈连续S形弯折状。
6.根据权利要求5所述的一种紧凑轻便型多扫描体制的阵列天线,其特征在于:多个所述天线辐射单元按照周期性间隔设置在所述带状线上方。
7.根据权利要求6所述的一种紧凑轻便型多扫描体制的阵列天线,其特征在于:所述天线辐射单元为微带金属贴片。
8.根据权利要求7所述的一种紧凑轻便型多扫描体制的阵列天线,其特征在于:在阵面内所述耦合缝隙与所述微带慢波线路径方向之间具有夹角,通过调节所述夹角的角度值改变耦合度。
9.根据权利要求8所述的一种紧凑轻便型多扫描体制的阵列天线,其特征在于:所述天线阵面与矫正网络一体加工成型。
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