CN112701437B - 一种应用于风廓线雷达的多波束赋形天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于风廓线雷达的多波束赋形天线系统，包括赋形慧差修正透镜、馈源与射频开关IC控制电路，所述馈源包括波纹喇叭、过渡波导、弯波导与波导微带转换结构。馈源由射频开关IC控制切换，馈源照射赋形慧差修正透镜，产生±10°的波束偏转。与现有技术相比，本发明具有高增益、低副瓣、波束切换速度快、低成本等优点。

Description

一种应用于风廓线雷达的多波束赋形天线系统
技术领域
本发明涉及天线、通信技术于雷达领域，尤其是涉及一种应用于风廓线雷达的多波束赋形天线。
背景技术
随着科学技术的快速发展，风廓线雷达对于诸多气象要素具有良好的探测性能，逐渐进入测风领域，风廓线雷达是利用大气湍流对电磁波的后向散射作用来获取各种大气要素数据，通过向高空（边界层以上）发射不同方向的电磁波束，接收并处理这些电磁波束因大气垂直结构不均匀而返回的信息来进行高空风场探测。
风廓线雷达属于应用于测风领域的新型雷达系统，其探测基础为雷达发射电磁波，探测大气湍流造成的电磁回波。风廓线雷达通常为四波束工作体制，东、西、南、北四个倾斜波束按顺序依次切换工作，采用双极化天线形式，每种极化负责两个波束的实现。通过测量不同波束指向上各个距离的多普勒速度，在大气水平均匀的天气条件下，用同一高度层上四个不同波束的多普勒速度联合求解，最终得到大气的三维风场其技术机制与多普勒雷达近似。
现有应用于风廓线雷达的天线大多为相控阵天线于抛物面天线，能满足以上风廓线雷达的相关技术指标
现在已有的高增益多波束天线存在以下缺陷：
1）现有的大多数相控阵天线大多采用大量的集成化收发芯片，整个天线系统的能耗过高，对整个雷达系统的散热要求极大。并且集成化的收发芯片，其隔离度较差，通常只能做到40 dB，这对于探测微弱信号的高灵敏度风廓线雷达是不适用的，面临成本高、功耗高，结构复杂的缺点
2）现有的基于抛物面形式的多波束天线加工精度要求高，剖面过大不利于与系统集成。
综上，现有的应用于风廓线雷达的天线系统面临结构复杂、成本高昂、制作复杂等缺点，难以满足风廓线雷达系统的实际需要。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种应用于风廓线雷达的多波束赋形天线系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种应用于风廓线雷达的多波束赋形天线系统，包括赋形慧差修正透镜、馈源，所述馈源包括波纹喇叭、弯波导、过渡波导与波导微带转换结构，且所述馈源偏移赋形慧差修正透镜焦点放置，实现±10°的角度偏转。
进一步地，所述多波束赋形天线还包括射频开关IC控制电路，所述馈源由射频开关IC控制电路控制切换，照射赋形慧差修正透镜向自由空间辐射和接收电磁波。
进一步地，所述波纹喇叭安装在所述弯波导的一端，所述弯波导的另一端连接所述过渡波导，所述过渡波导远离所述弯波导的一端连接有短路波导，在所述过渡波导和所述短路波导之间设置有所述波导微带转换结构。
进一步地，所述波纹喇叭为直槽波纹喇叭。
进一步地，所述过渡波导为矩形波导。
进一步地，所述过渡波导靠近所述短路波导的一端为WR42标准波导口。
进一步地，所述波导微带转换结构包括微带线、介质基板，所述微带线为微带探针与多段微带阻抗匹配线。
进一步地，所述馈源的数量为四套，中心位于赋形慧差修正透镜的焦点处，产生波束偏转角度为±10°的四波束。
进一步地，所述赋形慧差修正透镜为圆形分区零慧差透镜。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1）本发明效率高，具有很高的馈电效率和口径效率，同时易于实现多波束具体地：本发明馈源锥削电平与透镜尺寸合理，所以口径效率极高。采用微带探针实现微带波导转换具有较低的插入损耗，整条天线系统的辐射效率高。馈源横向偏离赋形透镜的焦点较易实现多波束。
（2）本发明的馈源由四组波纹喇叭、弯波导、过渡波导、微带波导过渡结构及短路波导构成，射频开关IC芯片控制每个波纹喇叭的激励，简单实现多波束的快速切换。
（3）本发明的赋形零慧差透镜，引入阿贝正弦条件，馈源相对透镜横向偏焦后的副瓣电平极大降低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的馈源整体三维结构示意图；
图3为本发明的微带波导转换结构平面示意图；
图4为实施例中赋形慧差修正透镜结构示意图；
图5为实施例中波纹喇叭结构示意图；
图6为实施例中弯波导结构图；
图7为实施例中过渡波导结构图；
图8为实施例中短路波导结构图；
其中，1、赋形零慧差透镜，2、馈源，201、波纹喇叭，202、弯波导，203、过渡波导，204、波导微带转换结构，205、短路波导，203a、开口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，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。
如图1所示，本实例提供一种应用于风廓线雷达的多波束赋形天线系统，包括赋形零慧差透镜1、馈源2与射频开关IC控制电路。通过射频开关IC控制电路选通每一路馈源进行激励，馈源2照射赋形零慧差透镜1产生高增益、低副瓣、波束偏转±10°的波束。
如图2所示，馈源2包括波纹喇叭201、弯波导202、过渡波导203与波导微带转换结构204以及短路波导205，波纹喇叭201与弯波导202实现圆波导到方波导的过渡，弯波导202实现馈源2的轴线偏转。
所述波纹喇叭201安装在所述弯波导202的一端，所述弯波导202的另一端连接所述过渡波导203，所述过渡波导（203）远离所述弯波导202的一端连接有短路波导205，在所述过渡波导203和所述短路波导205之间还设置有所述波导微带转换结构204。本实施例中所述馈源为4套，并呈正交分布，形成四波束的馈源，四波束的馈源中心位于赋形慧差修正透镜（1）的焦点处，产生波束偏转角度为±10°的四波束。
如图3所示，波导微带转换结构204有介质基板、微带探针、多节微带阻抗变换器。微带探针深入过渡波导腔内，通过多段阻抗匹配器，与50欧姆阻抗线相连接，其中多段阻抗匹配器为三段微带线不同宽度的微带线。本实例中，波导微带转换结构204的介质基板为Rogers 4350B与Rogers4450F，以Rogers4350B、Rogers 4450F、Rogers 4350B层叠排布中间覆有铜箔。介质基板微带线周围为金属化通孔，微带探针部分处为一圈金属化通孔，大小与过渡波导一致，避免电磁能量泄露。从左到右以此为正面、背面与中间层core，正面背面敷铜。
如图4所示，赋形慧差修正透镜1面向馈源的一侧为球面，在分区减重透镜的基础上，面向馈源的一侧面偏离辅助球面一倍波长，面向馈源的一侧面透镜曲线按照馈源处的光线路径向馈源方向移动两倍波长。赋形慧差修正透镜1背向馈源的一侧面为平面。
如图5所示，波纹喇叭201为直槽波纹，较易加工。在波纹喇叭的末端实现圆波导与过渡波导的过渡。
如图6所示，弯波导202实现馈源相对于透镜轴线的偏转。
如图7所示，过渡波导203为矩形波导，靠近短路波导205的一端中间留有开口203a，所述开口203a为WR42标准波导口。
如图8所示，短路波导205距离波导微带转换结构204中心距离约为四分之一波导波导波长，其中的微带探针处于驻波的波腹位置，得到最强的耦合效果。且短路波导205与过渡波导203均在波导微带转换结构204插入口处留有缺口。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由本发明所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种应用于风廓线雷达的多波束赋形天线系统，包括赋形慧差修正透镜（1）、馈源（2），其特征在于，所述馈源（2）包括波纹喇叭（201）、弯波导（202）、过渡波导（203）与波导微带转换结构（204）；
所述波纹喇叭（201）安装在所述弯波导（202）的一端，所述弯波导（202）的另一端连接所述过渡波导（203），所述过渡波导（203）远离所述弯波导（202）的一端连接有短路波导（205），在所述过渡波导（203）和所述短路波导（205）之间设置有所述波导微带转换结构（204）；
且所述馈源（2）偏移赋形慧差修正透镜（1）焦点放置，实现±10°的角度偏转；
馈源2照射赋形零慧差透镜1产生高增益、低副瓣、波束偏转±10°的波束。
2.根据权利要求1所述的一种应用于风廓线雷达的多波束赋形天线系统，其特征在于，所述多波束赋形天线还包括射频开关IC控制电路，所述馈源（2）由射频开关IC控制电路控制切换，照射赋形慧差修正透镜（1）向自由空间辐射和接收电磁波。
3.根据权利要求1所述的一种应用于风廓线雷达的多波束赋形天线系统，其特征在于，所述波纹喇叭（201）为直槽波纹喇叭。
4.根据权利要求1所述的一种应用于风廓线雷达的多波束赋形天线系统，其特征在于，所述过渡波导（203）为矩形波导。
5.根据权利要求1所述的一种应用于风廓线雷达的多波束赋形天线系统，其特征在于，所述过渡波导（203）靠近所述短路波导（205）的一端为WR42标准波导口。
6.根据权利要求1所述的一种应用于风廓线雷达的多波束赋形天线系统，其特征在于，所述波导微带转换结构（204）包括微带线、介质基板，所述微带线为微带探针与多段微带阻抗匹配线。
7.根据权利要求1所述的一种应用于风廓线雷达的多波束赋形天线系统，其特征在于，所述馈源（2）的数量为四套，中心位于赋形慧差修正透镜（1）的焦点处，产生波束偏转角度为±10°的四波束。
8.根据权利要求1所述的一种应用于风廓线雷达的多波束赋形天线系统，其特征在于，所述赋形慧差修正透镜（1）为圆形分区零慧差透镜。
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