CN112366459A - 一体化有源多波束罗特曼透镜天线 - Google Patents

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刘鹏
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Abstract

本发明提供了一种一体化有源多波束罗特曼透镜天线。通过增加有源组件并与天线进行一体化设计，从而可以大大改善罗特曼透镜形式的多波束天线的增益、副瓣、相邻波束交叠电平、端口隔离度等特性。本发明采用将有源组件与罗特曼透镜一体化设计，即在透镜阵列端口和辐射单元之间增加有源组件，通过控制有源组件的参数，从而使得该罗特曼透镜天线具有高增益、低副瓣的特性，本发明通过算法优化罗特曼透镜的设计参数、采用在透镜的边沿无端口部分加载虚端口、以及优化设计从透镜轮廓线到端口的延迟线三个技术，从而明显改善了天线的传输效率，同时也获得了较高的波束交叠点电平和端口隔离度。

Description

一体化有源多波束罗特曼透镜天线
技术领域
本发明涉及通信雷达技术领域，尤其是电磁场与微波技术领域的一种透镜天线。可在较宽的工作频带内实现同时多波束、高增益及低副瓣的特性，同时具有较高的相邻波束交叠电平和端口隔离度。
背景技术
多波束天线作为无线通讯的重要组成部分，广泛地应用于卫星通讯系统、雷达系统、移动通信、导弹制导等领域。随着雷达通信技术的不断发展，多波束天线的应用领域对其功能和性能提出了极为苛刻的要求。如宽角范围内一致性较好的扫描波束，较高的增益和辐射效率，宽频带或多频带等。低成本、结构紧凑的宽频带大角度多波束天线，已成为重要研究方向。
采用罗特曼透镜作为馈电网络是多波束天线同时实现低成本、宽频带、宽角覆盖、结构紧凑特性的较为有效途径。基于罗特曼透镜的多波束天线由多波束形成网络和天线阵面组成，利用波束端口到天线阵面上各个单元的光程差来确定波束指向。罗特曼透镜运用准光学技术替代大量的移相器，降低了系统的设备量，使得系统的可靠性提高，也大大降低了成本，而且可以简洁的实现宽角范围内多波束扫描且馈电网络简单等特性，这点相对于相控阵很有优势。这种多波束体制下的天线系统具有设备量小，低复杂度，低成本，可靠性高等优点。
目前，现有技术对于改善罗特曼透镜形式的多波束天线性能都是从以下几个方面入手：优化罗特曼透镜本身的设计参数、优化透镜与移相部分之间的匹配线、优化设计移相部分等。这些技术对于提高罗特曼透镜天线的性能都是非常有限的。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种一体化有源多波束罗特曼透镜天线。本发明克服目前现有的罗特曼透镜天线技术所存在的不足之处，提出一种一体化有源多波束罗特曼透镜天线的设计，其可在较宽的工作频带内实现同时多波束、高增益及低副瓣的特性，同时具有较高的相邻波束交叠电平和端口隔离度。本发明可以使罗特曼透镜天线更易于应用在通信雷达系统领域。本发明是通过增加有源组件并与天线进行一体化设计，从而可以大大改善罗特曼透镜形式的多波束天线的增益、副瓣、相邻波束交叠电平、端口隔离度等特性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种一体化有源多波束罗特曼透镜天线，包括波束口、虚端口、透镜、阵列口、匹配电阻、有源组件和辐射单元，波束口为多个焊接于透镜的射频连接器；虚端口和匹配电阻通过微带线与透镜连接；有源组件通过微带线分别与阵列口和辐射单元相连接，阵列口与透镜连接。
在透镜阵列口和辐射单元之间设有有源组件，有源组件包含低噪声放大器、限幅器、衰减器和移相器；有源组件与辐射单元和阵列口之间通过微带线连接，与罗特曼透镜进行一体化设计，通过调整低噪声放大器控制各个天线端口辐射信号的幅度大小，形成所需幅度分布。
各个阵列口和有源组件之间的延时线具有相等的长度，同时有源组件与辐射单元之间的微带线也具有相等的长度，以确保各个辐射单元信号的相位相等。
各个阵列单元辐射信号具有相同相位延时线长度L1，延时线长度L1根据所需补偿相位Δφ通过公式L1＝λ×(Δφ/2π)计算获得，其中λ为工作频率处对应波长。
阻抗线长度L2通过公式L2＝λ/4，其中λ为工作频率处对应波长。
本发明的有益效果在于由于采用将有源组件与罗特曼透镜一体化设计，即在透镜阵列端口和辐射单元之间增加有源组件。通过控制有源组件的参数，从而使得该罗特曼透镜天线具有高增益、低副瓣的特性。本发明通过算法优化罗特曼透镜的设计参数、采用在透镜的边沿无端口部分加载虚端口、以及优化设计从透镜轮廓线到端口的延迟线三个技术，从而明显改善了天线的传输效率，同时也获得了较高的波束交叠点电平和端口隔离度。
附图说明
图1为本发明所述一体化有源多波束罗特曼透镜天线的整体结构示意图。
图2为波束口，虚端口以及阵列口结构示意图。
其中，1为波束口，2为虚端口，3为透镜部分，4为阵列口，5为匹配电阻，6为有源组件，7为辐射单元，1-1为波束口阻抗匹配线，1-2为波束口信号传输线，2-1为虚端口阻抗匹配线，2-2为虚端口信号传输线，4-1为阵列口阻抗匹配线，4-2为阵列口延迟线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一种一体化有源多波束罗特曼透镜天线，包括波束口(1)、虚端口(2)、透镜(3)、阵列口(4)、匹配电阻(5)、有源组件(6)和辐射单元(7)，波束口(1)为多个焊接于透镜(3)的射频连接器；虚端口(2)和匹配电阻(5)通过微带线与透镜(3)连接；有源组件(6)通过微带线分别与阵列口(4)和辐射单元(7)相连接，阵列口(4)与透镜(3)连接。
在透镜(3)边沿的无端口部分增加虚端口(2)吸收边沿的能量，防止多次反射造成波束口和阵列口的阻抗失配，从而提高透镜的传输效率；在透镜阵列口和辐射单元之间增加的有源组件(6)，有源组件(6)包含低噪声放大器、限幅器、衰减器和移相器；有源组件(6)与辐射单元(7)和阵列口(4)之间通过微带线连接，与罗特曼透镜进行一体化设计。通过调整低噪声放大器控制各个天线端口辐射信号的幅度大小，形成所需幅度分布，从而使得该罗特曼透镜天线具有高增益、低副瓣的特性；
各个阵列口(4)和有源组件(6)之间的延时线(4-2)具有相等的长度，同时有源组件(6)与辐射单元(7)之间的微带线也具有相等的长度，以确保各个辐射单元(7)信号的相位相等。
各个阵列单元辐射信号具有相同相位延时线长度L1，根据所需补偿相位Δφ通过公式L1＝λ×(Δφ/2π)计算获得，其中λ为工作频率处对应波长；
阻抗线4-1长度L2通过公式L2＝λ/4，其中λ为工作频率处对应波长。
如图1所示，采用本发明提出的罗特曼透镜结合有源组件实现一体化设计方案，以工作在C波段的接收多波束天线为例。该多波束天线共有19个波束口，可形成19个固定波束。
该发明除了有源组件部分以外，各组件间连接均采用微带结构，选用厚度为0.787mm、介电常数为2.2的板材。所有的信号传输线均为50欧姆的微带线，其宽度为2.4mm。延迟线同样采用50欧姆的微带线。匹配微带线均为优化过的三角形结构。
从图1中可以看出，最上边的19个端口为透镜的波束口，可以形成19个固定波束。左右各有6个虚端口，采用微带线直接与50欧姆电阻相连，用来吸收传输到虚端口的电磁波，避免这部分能量在透镜腔体内多次反射导致阵列口的幅度相位分布恶化。最下边为32个贴片天线阵列，实现天线的辐射，其阵元间距依然要遵循一般的线阵排列方式，否则会出现栅瓣，在该方案中阵元间距为波长的0.6倍。
在罗特曼透镜的基础上，引入有源透镜的设计。在透镜阵列口的延迟线和和辐射单元之间引入有源组件，控制有源组件的参数就可以有效的改善透镜的性能。有源组件包含低噪声放大器、限幅器、移相器和衰减器。低噪声放大器有效地降低了透镜损耗带来的噪声系数恶化。限幅器用于保护低噪声放大器。移相器衰减器可对输入射频信号进行控制。

Claims (5)

1.一种一体化有源多波束罗特曼透镜天线，包括波束口、虚端口、透镜、阵列口、匹配电阻、有源组件和辐射单元，其特征在于：
波束口为多个焊接于透镜的射频连接器；虚端口和匹配电阻通过微带线与透镜连接；有源组件通过微带线分别与阵列口和辐射单元相连接，阵列口与透镜连接。
2.根据权利要求1所述的一体化有源多波束罗特曼透镜天线，其特征在于：
在透镜阵列口和辐射单元之间设有有源组件，有源组件包含低噪声放大器、限幅器、衰减器和移相器；有源组件与辐射单元和阵列口之间通过微带线连接，与罗特曼透镜进行一体化设计，通过调整低噪声放大器控制各个天线端口辐射信号的幅度大小，形成所需幅度分布。
3.根据权利要求1所述的一体化有源多波束罗特曼透镜天线，其特征在于：
各个阵列口和有源组件之间的延时线具有相等的长度，同时有源组件与辐射单元之间的微带线也具有相等的长度，以确保各个辐射单元信号的相位相等。
4.根据权利要求1所述的一体化有源多波束罗特曼透镜天线，其特征在于：
各个阵列单元辐射信号具有相同相位延时线长度L1，延时线长度L1根据所需补偿相位Δφ通过公式L1＝λ×(Δφ/2π)计算获得，其中λ为工作频率处对应波长。
5.根据权利要求1所述的一体化有源多波束罗特曼透镜天线，其特征在于：
阻抗线长度L2通过公式L2＝λ/4，其中λ为工作频率处对应波长。
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