CN112563754A - 一种高集成度一体化高效和差波束波导天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高集成度一体化高效和差波束波导天线，包括超低副瓣波导行波天线阵、同轴波导变换、波导移相网络结构、波导功分器及波导和差波束网络结构，所述超低副瓣波导行波天线阵、所述同轴波导变换、所述波导移相网络结构、所述波导功分器和所述波导和差波束网络结构通过金属骨架配合使用定位销和紧固螺钉进行组合安装。有益效果：天线采用一体化工艺，结构件集中加工在一块金属件上，减少了加工流程，降低了天线的加工难度，有效减轻了天线系统的重量，提高了天线的工作效率，采用粒子群优化算法，并将电磁仿真与数值计算软件迭代使用，可快速有效的获得异型低副瓣波导线源，提升了便携式雷达系统侦察慢速小目标时的抗干扰能力。

Description

一种高集成度一体化高效和差波束波导天线
技术领域
本发明涉及波导天线阵技术领域，尤其涉及一种高集成度一体化高效和差波束波导天线。
背景技术
低、慢、小目标的探测和跟踪在安防领域一直是一个难以彻底解决的难题。比如，近年来各种消费级小型无人机的日益普及，因其价格低，操作简单，从而易被不法人员操控，给各种重点安保区域，如大型集会现场、机场周边、监狱等的安防带来了严重的挑战。另一个典型的例子是航空飞行中的鸟击事件。据统计，我国一年发生的鸟击事件超过500起，经济损失超5000万人民币；北美地区鸟类对航空飞行造成的年损失达数十亿，欧洲飞机起降每万次平均鸟击次数达到5.7次。目前，国际航空联合会已经将鸟击事件列为“A类”航空灾难。
无人机、飞鸟等低空慢速小目标的探测、跟踪存在几个难题，一是其散射截面积RCS很小，约为0.01平米，甚至更小，难以探测；其次是此类目标的运动轨迹是三维的，而目前低空慢速小目标的探测设备有限，价格昂贵，难以达到快速三维定位的工作要求；再次，需要对此类目标进行安防的区域和环境经常会有变化，因此需要探测设备便携、可靠。
国内、外现有多款低、慢、小目标探测雷达便携式侦察雷达，主要包括AUDS “蜘蛛网”雷达、JY17A雷达、Blight B-400雷达、PPS-5D雷达、SQUIRE雷达、 Lyra10雷达、RSR950Ngada等雷达、EL/M-2140雷达和ST-312雷达等。
天线作为雷达的关重件，对雷达性能的影响很大。经资料查询和分析，上述便携式雷达采用的天线存在如下不足：
1.天线效率不高，副瓣不够低，影响检测效果：行人的RCS约0.5平方米，而目前典型的低慢小目标的RCS约为0.01平方米。要对这么小的目标进行有效的探测和跟踪，天线作为雷达的核心部件，工作效率必须要高，天线的副瓣必须要低，否则系统的功耗会很高，抗干扰能力也不理想，如JY17A雷达天馈分系统的效率低于40％、Blight B-400雷达的效率低于50％，且此类雷达副瓣约 -20dB左右，难以满足低慢小目标探测的抗干扰需求；
2.天线俯仰向不具备测高功能：目前典型的低、慢、小目标探测雷达天线，如JY17A雷达、Blight B-400雷达、PPS-5D雷达、SQUIRE雷达、Lyra10雷达等，大都是采用单个扇形波束工作模式，只能测量目标的距离和方位两坐标信息，不具备测高功能；若要对目标进行三维定位，必须要具有测高功能。单脉冲测角方法具有抗干扰能力强和测量精度高的特点，是目前雷达系统的一种主要的测角方法。单脉冲天线系统产生和波束与差波束两个探测波束，并用它们精确跟踪目标；和波束用来发射探测信号并接收目标回波信号，通过接收信号检测目标的存在；差波束用来测量目标相对于天线轴线的空间角度信息。通常，为实现和差波束测量，需要多个模块组成的和差波束网络，存在插损大，成本高，系统复杂的不足。
3.天线模块本身波束固定，功能单一，难以实现两维扫描；
雷达要实现对目标的三坐标探测，天线波束可采三种方式：用两维机械扫描，一维机械扫描加一维电扫描，或两维电扫描。两维机械扫描方式波束指向不灵活，无法精确监视低空区域内高度低、速度慢、体积小的目标。若要两维电扫描，则每个天线单元都要具有幅度和相位调整能力，这样的天线阵面要后接有源组件，电讯和机构过于复杂，且成本非常高，不适合低、慢、小目标探测雷达。合理的方式是一维电扫一维机械扫描。而目前常见的低、慢、小目标雷达的天线模块本波束扫描功能单一，难以实现两维扫描。
4.天线结构复杂、集成度偏低、重量偏重：如AUDS“蜘蛛网”雷达超过50 公斤，天线组成和结构很复杂，JY-17A雷达超过30公斤，PPS-5D雷达重34.5 公斤，SQUIRE雷达重约23公斤，天线重量和尺寸在此类雷达整机重量中占有有很大的比例，因此减轻天线重量和尺寸，将多个功能高度集成、一体化，对提升雷达性能至关重要，也有利于执行任务过程中的便携。
发明内容
本发明的目的是提供一种高集成度一体化高效和差波束波导天线，天线采用一体化工艺，结构件集中加工在一块金属件上，结构简单，减少了加工工艺流程，降低了天线的加工难度，有效减轻了天线系统的重量,提高了天线的工作效率。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种高集成度一体化高效和差波束波导天线，包括超低副瓣波导行波天线阵、同轴波导变换、波导移相网络结构、波导功分器及波导和差波束网络结构；
所述超低副瓣波导行波天线阵、所述同轴波导变换、所述波导移相网络结构、所述波导功分器和所述波导和差波束网络结构通过金属骨架配合使用定位销和紧固螺钉进行组合安装；
所述超低副瓣波导行波天线阵由若干根平行放置的异型窄边开缝的低副瓣波导行波天线组成，所述波导行波天线的终端通过法兰与所述同轴波导变换相连接；
所述同轴波导变换为L型同轴波导变换，所述同轴波导变换与射频同轴负载连接；
所述波导移相网络结构为波导口径相同、长度不同的八根波导折叠构成的波导传输线，所述波导移相网络结构通过定位孔法兰与所述超低副瓣波导行波天线阵的输入端相连接；
所述波导功分器为两个与波导移相网络结构同口径的1：4波导功分器；
所述波导和差网络结构包含同轴变换波导变换及匹配块的四端口波导魔T；
所述高集成一体化高效和差波束波导天线的工作波段为波长 17.96-18.63mm的Ku波段，中心频率λ0波长为18.29mm。
进一步的，所述超低副瓣波导行波天线线阵采用粒子群优化算法设计的异型窄边开缝的低损耗低副瓣波导行波线阵组阵构成。
进一步的，所述同轴波导变换及负载的驻波性能良好、带宽满足系统要求、便于加工、测试和安装。
进一步的，所述波导移相网络结构为采用相邻传输线之间长度间隔为低频整数倍导波波长的低损耗波导传输线，实现了系统系统简单可靠和低损耗功能，提供了系统高频工作时天线波束扫的所需的扫描相位。
进一步的，所述波导功分器采用经过口径变换和阻抗匹配后的与波导移相网络结构一体化设计的低损耗波导功分器。
进一步的，所述波导和差波束网络结构为带阻抗匹配和同轴波导变换的四端口魔T，其两个输入口与功分网络的两个波导功分器的总口直接相连，其两个输出口和波束端口及差波束端口经同轴波导变换及射频电缆与接收机的和差接收通道相连，为系统提供和差波束信号。
进一步的，还包括为保证系统各部分可靠互联，且不影响系统电性能的紧固件。
与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：
(1)天线采用一体化工艺，结构件集中加工在一块金属件上，结构简单，减少了加工工艺流程，降低了天线的加工难度，有效减轻了天线系统的重量,提高了天线的工作效率。
(2)采用粒子群优化算法，并将电磁仿真与数值计算软件迭代使用，可快速有效的获得异型低副瓣波导线源，设计的低副瓣波导天线，提升了便携式雷达系统侦察慢速小目标时的抗干扰能力。
(3)采用结构简单，驻波损耗低的同轴波导变换，便于加工装配，并可提高线源效率，降低波导线阵驻波。
(4)采用折叠的长度间隔为低频整数倍导波波长的低损耗波导传输线，既提供了天线波束扫的所需的扫描相位，又实现了天线的小型化和低损耗功能，
(5)采用功分/合成网络与和差波束网络一体化的波导网络，既实现了信号的功分/合成与和差波束收、发功能，又降低了系统的损耗和重量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明天线结构示意图；
图2为异型低副瓣波导天线阵及L型同轴波导变换整体结构图；
图3为L型同轴波导变换整体结构图；
图4为波导移相网络结构示意图；
图5为波导功分器示意图；
图6为波导和差波束网络的示意图；
图7为天线系统紧固件的示意图；
图8为本发明所述天线S11参数随频率变化的曲线；
图9为本发明所述天线垂直方向上0°、8°和16°三个角度上的和波束方向图曲线，H面第一副瓣分别为-12.3dB、-12.4dB和-12.1dB，E面第一副瓣分别为-22.4dB、-26.2dB、-25.3dB；
图10为本发明所述天线为垂直方向上0°、8°和16°三个角度上的方向图差波束曲线。
图11为本发明所述天线和增益图。
图中：
1、超低副瓣波导行波天线阵；2、同轴波导变换；3、波导移相网络结构；4、波导功分器；5、波导和差波束网络结构；6、紧固件；7、波导行波天线。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
根据本发明的实施例，提供了一种高集成度一体化高效和差波束波导天线。
参照图1-10，根据本发明实施例的高集成度一体化高效和差波束波导天线，包括超低副瓣波导行波天线阵1、同轴波导变换2、波导移相网络结构3、波导功分器4及波导和差波束网络结构5；
所述超低副瓣波导行波天线阵1、所述同轴波导变换2、所述波导移相网络结构3、所述波导功分器4和所述波导和差波束网络结构5通过金属骨架配合使用定位销和紧固螺钉进行组合安装；
所述超低副瓣波导行波天线阵1由若干根平行放置的异型窄边开缝的低副瓣波导行波天线7组成，所述波导行波天线7的终端通过法兰与所述同轴波导变换2相连接；
所述同轴波导变换2为L型同轴波导变换，所述同轴波导变换2与射频同轴负载连接；
所述波导移相网络结构3为波导口径相同、长度不同的八根波导折叠构成的波导传输线，所述波导移相网络结构3通过定位孔法兰与所述超低副瓣波导行波天线阵1的输入端相连接；
所述波导功分器4为两个与波导移相网络结构3同口径的1：4波导功分器；
所述波导和差网络结构5包含同轴变换波导变换及匹配块的四端口波导魔 T；
所述高集成一体化高效和差波束波导天线的工作波段为波长 17.96-18.63mm的Ku波段，中心频率λ0波长为18.29mm。
在一个实施例中，所述超低副瓣波导行波天线线阵1采用粒子群优化算法设计的异型窄边开缝的低损耗低副瓣波导行波线阵组阵构成。
在一个实施例中，所述同轴波导变换及负载2的驻波性能良好、带宽满足系统要求、便于加工、测试和安装。
在一个实施例中，所述波导移相网络结构3为采用相邻传输线之间长度间隔为低频整数倍导波波长的低损耗波导传输线，实现了系统系统简单可靠和低损耗功能，提供了系统高频工作时天线波束扫的所需的扫描相位。
在一个实施例中，所述波导功分器4采用经过口径变换和阻抗匹配后的与波导移相网络结构3一体化设计的低损耗波导功分器。
在一个实施例中，所述波导和差波束网络结构5为带阻抗匹配和同轴波导变换的四端口魔T，其两个输入口与功分网络的两个波导功分器4的总口直接相连，其两个输出口和波束端口及差波束端口经同轴波导变换及射频电缆与接收机的和差接收通道相连，为系统提供和差波束信号。
在一个实施例中，还包括为保证系统各部分可靠互联，且不影响系统电性能的紧固件6。
工作于波长17.65～18.75mm的Ku波段的高集成度一体化高效电扫描和差波束波导天线阵，中心频率λ0波长为18.18mm，中心频率f0为16.5GHz，下边频fL为16GHz，上边频fH为17GHz。
参见图1：一种高集成度一体化高效电扫描和差波束波导天线阵主要包括八根异型窄边开缝的低副瓣波导行波天线7、同轴波导变换2、波导移相网络网络 3、两个1:4波导功分器4和波导和差波束网络结构5及相应的紧固件6。
其中，所述波导移相网络3、波导功分器4和波导和差波束网络结构5通过金属安装框架作为载体，也作为整个天线系统的结构件，异型窄边开缝的低副瓣波导行波天线7形成的天线阵通过法兰和螺钉固定在该金属安装框架上，同轴波导变换2和同轴负载通过法兰固定在超低副瓣波导行波天线阵1的终端，构成一套完整的天线系统。
参见图2：超低副瓣波导行波天线阵1由8根波导行波天线7构成。为满足系统结构排布要求，波导采用异型结构，宽边尺寸为13.14mm，窄边尺寸为 5.84mm，壁厚均为1mm。每根线阵之间间距根据天线阵理论设计公式,结合实际应用需求，取为dx＝10mm。每根波导线阵包含66个窄边开横缝的幅射单元，根据波导行波阵设计方法，缝隙单元间距dy＝13.62mm，采用泰勒加权方式组阵。为实现天线阵方向图的低副瓣，采用HFSS电磁仿真软件建模，仿真输出相关参数，结合Matlab粒子群优化算法编程，经过过多次迭代，得到辐射缝隙的结构参数,最终经HFSS软件全阵面仿真，得到最优化结果。
参见图3：为使工程实现尽量接近理论设计，从而实现低副瓣性能,设计宽带低损耗同轴波导变换，并加工样件进行安装测试，驻波VSWR≤1.2,结果理想；
参见图4：为实现天线波束的扫描，并减小系统的体积和损耗，设计加工了折叠波导移相网络。其中，相邻波导网络分支之间的物理长度相差起始频率的整数倍的导波波长，从而保证天线方向图波束指向在起始频率时指向天线阵面法向,在系统工作频率增大或减小时，天线波束随频率的变化而进行扫描。波导移相网络的一端和八根异型波导线阵通过法兰和螺钉相连，另一端和波导功分网络通过法兰相连。
参见图5：本实施例中，采用八根波导线源组阵，同时本天线系统可同时输出和波束与差波束，故功分网络分为两个1:4网络，每个功分网络的分口与波导移相网络相连，总口分别与和差波束网络的两个输入口相连。
参见图6：为实现和差波束功能，并降低系统损耗，针对异型波导结构，采用圆盘加圆柱匹配结构，设计了四端口波导魔T结构形式的四端口和差波束网络。该和差波束网络两个输入端口与两个1:4功分网络的总口通过法兰相连，两个输出端口：和波束输出端口和差波束端口，分别通过同轴波导变换和SMA 射频电缆组件与雷达系统的收发分系统相连。和差波束网络的圆盘加圆柱匹配结构作为单独的零件单独加工好好后，焊接在和差波束网络的相应位置上，确保系统的可靠性。
参见图7：为保证天线阵面线阵的相对位置固定和阵面的平整度，同时尽量不影响波导线阵辐射缝隙的辐射性能，加工了聚四氟乙烯的紧固件，用来固定天线线源。
参见图8：天线S11参数随频率变化的曲线，在整个16GHz到17GHz工作频段范围内，S11≤-25dB。
参见图9：本实施例天线垂直方向上0°、8°和16°三个角度上的和波束方向图曲线，H面第一副瓣分别为-12.3dB、-12.4dB和-12.1dB，E面第一副瓣分别为-22.4dB、-26.2dB、-25.3dB。
参见图10：本实施例天线为垂直方向上0°、8°和16°三个角度上的方向图差波束曲线，三个方向上的差波束零深分别为。
参见图11：本实施例天线在工作频带内的增益曲线。从图中可以看出，该实施例天线在工作频带内增益值在32.25dB～32.7dB之间，整个天馈系统的效率大于65％。
该天线为频率扫描和差波束天线，整体重量小于2.5公斤，能实现垂直面0°～16°扫描范围，差波束零深小于-25dB，可广泛应用于地面及低空低、慢、小目标侦察与监控领域。
以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种高集成度一体化高效和差波束波导天线，其特征在于：包括超低副瓣波导行波天线阵(1)、同轴波导变换(2)、波导移相网络结构(3)、波导功分器(4)及波导和差波束网络结构(5)；
所述超低副瓣波导行波天线阵(1)、所述同轴波导变换(2)、所述波导移相网络结构(3)、所述波导功分器(4)和所述波导和差波束网络结构(5)通过金属骨架配合使用定位销和紧固螺钉进行组合安装；
所述超低副瓣波导行波天线阵(1)由若干根平行放置的异型窄边开缝的低副瓣波导行波天线(7)组成，所述波导行波天线(7)的终端通过法兰与所述同轴波导变换(2)相连接；
所述同轴波导变换(2)为L型同轴波导变换，所述同轴波导变换(2)与射频同轴负载连接；
所述波导移相网络结构(3)为波导口径相同、长度不同的八根波导折叠构成的波导传输线，所述波导移相网络结构(3)通过定位孔法兰与所述超低副瓣波导行波天线阵(1)的输入端相连接；
所述波导功分器(4)为两个与波导移相网络结构(3)同口径的1：4波导功分器；
所述波导和差网络结构(5)包含同轴变换波导变换及匹配块的四端口波导魔T；
所述高集成一体化高效和差波束波导天线的工作波段为波长17.96-18.63mm的Ku波段，中心频率λ0波长为18.29mm。
2.根据权利要求1所述高集成一体化高效和差波束波导天线，其特征在于：所述超低副瓣波导行波天线线阵(1)采用粒子群优化算法设计的异型窄边开缝的低损耗低副瓣波导行波线阵组阵构成。
3.根据权利要求1所述高集成一体化高效和差波束波导天线，其特征在于：所述同轴波导变换及负载(2)的驻波性能良好、带宽满足系统要求、便于加工、测试和安装。
4.根据权利要求1所述高集成一体化高效和差波束波导天线，其特征在于：所述波导移相网络结构(3)为采用相邻传输线之间长度间隔为低频整数倍导波波长的低损耗波导传输线，实现了系统系统简单可靠和低损耗功能，提供了系统高频工作时天线波束扫的所需的扫描相位。
5.根据权利要求1所述高集成一体化高效和差波束波导天线，其特征在于：所述波导功分器(4)采用经过口径变换和阻抗匹配后的与波导移相网络结构(3)一体化设计的低损耗波导功分器。
6.根据权利要求1所述高集成一体化高效和差波束波导天线，其特征在于：所述波导和差波束网络结构(5)为带阻抗匹配和同轴波导变换的四端口魔T，其两个输入口与功分网络的两个波导功分器(4)的总口直接相连，其两个输出口和波束端口及差波束端口经同轴波导变换及射频电缆与接收机的和差接收通道相连，为系统提供和差波束信号。
7.根据权利要求1-6任一所述高集成一体化高效和差波束波导天线，其特征在于：还包括为保证系统各部分可靠互联，且不影响系统电性能的紧固件(6)。
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