CN112711016A - 一种多波束切换圆柱阵列天线结构及雷达系统 - Google Patents

一种多波束切换圆柱阵列天线结构及雷达系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多波束切换圆柱阵列天线结构及雷达系统，包括：在俯仰向上相对设置的发射模块和接收模块；其中，所述发射模块和所述接收模块之间设置有金属缝隙；所述发射模块包括多个在方位向上呈圆周分布的发射阵元，所述接收模块包括在所述方位向上多个呈圆周分布的接收阵元；所述发射阵元和所述接收阵元的数量相同，在所述俯仰向上一一对应设置。基于该多波束切换圆柱阵列天线结构，在发射模块部分，通过对各通道相位控制，即可实现多种波束任意切换和组合，实现360°空间的全覆盖，形成特定的发射波形，在有限的发射功率的情况下提高探测距离。在接收模块部分，通过多个所述接收阵元独立接收信号，可增大主波束范围内的信号能量。

Description

一种多波束切换圆柱阵列天线结构及雷达系统
技术领域
本发明涉及天线设计技术领域，更具体地说，涉及一种多波束切换圆柱阵列天线结构及雷达系统。
背景技术
天线是雷达系统最关键的组件之一，通过阵列雷达和机械扫描的方式，实现整个空间的360°覆盖。
基于现有的阵列雷达的天线部分而言，存在各种各样的阵列结构，例如，线阵、圆阵、柱面阵、平面阵、十字阵等，为了实现360°的全向覆盖，圆阵和柱面阵是良好的实现方式。在圆阵中，其仅实现目标在平面上的定位，通过目标参数及方位向角度实现目标在二维平面上的定位。在柱面阵中，其可以实现目标在三维空间的定位，其在方位向覆盖范围为360°，在俯仰向覆盖范围为180°。
为了实现整个360°空间的全覆盖，现有阵列雷达在发射波束合成时，通过合成单一宽波束实现整个360°的覆盖，但是这样的技术方案不仅对阵元特性要求高，同时发射功率也比较大，导致整个设备的功耗增加。
基于机械扫描方式而言，在实现整个360°空间的全覆盖的情况下，需要给雷达配置伺服转台系统，利用转台系统机械转动以实现整个空间360°的覆盖。
但是，由于配置了伺服转台系统，会导致设备体积大，重量大，便携式安装费时费力，不利于在自然环境中应用。同时，机械扫描时会存在机械磨损，导致雷达使用寿命短，故障率高。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种多波束切换圆柱阵列天线结构及雷达系统，技术方案如下：
一种多波束切换圆柱阵列天线结构，所述多波束切换圆柱阵列天线结构包括：在俯仰向上相对设置的发射模块和接收模块；
其中，所述发射模块和所述接收模块之间设置有金属缝隙；
所述发射模块包括多个在方位向上呈圆周分布的发射阵元，所述接收模块包括多个在所述方位向上呈圆周分布的接收阵元；
所述发射阵元和所述接收阵元的数量相同，在所述俯仰向上一一对应设置。
可选的，在上述多波束切换圆柱阵列天线结构中，所述发射阵元和所述接收阵元的数量均为八个。
可选的，在上述多波束切换圆柱阵列天线结构中，相邻两个所述发射阵元之间间隔45°；
相邻两个所述接收阵元之间间隔45°。
可选的，在上述多波束切换圆柱阵列天线结构中，所述发射阵元和所述接收阵元均为波导缝隙阵元；
所述波导缝隙阵元包括：沿所述俯仰向的多个辐射缝隙、以及沿所述方位向的一个辐射缝隙。
可选的，在上述多波束切换圆柱阵列天线结构中，所述沿所述俯仰向的辐射缝隙的数量为四个。
可选的，在上述多波束切换圆柱阵列天线结构中，所述发射阵元和所述接收阵元的工作带宽均远大于0.8GHz。
可选的，在上述多波束切换圆柱阵列天线结构中，多个所述接收阵元独立接收信号。
一种雷达系统，所述雷达系统包括上述任一项所述多波束切换圆柱阵列天线结构。
可选的，在上述雷达系统中，所述雷达系统还包括：信号处理装置；
其中，所述信号处理装置包括一分N功分器，N与所述发射阵元的数量相同；所述一分N功分器用于将接收到的射频信号等分为N分；
所述一分N功分器的每一路通过开关模块和移相器分别与一个所述发射阵元连接。
可选的，在上述雷达系统中，所述雷达系统还包括：混频模块和ADC模块；
其中，所述混频模块用于将高频的射频信号与本振信号混频，输出低频的中频模拟信号；
所述ADC模块用于将所述中频模拟信号转化为数字信号，并对所述数字信号进行算法处理，提取探测目标的位置和速度信息。
相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
本发明提供的一种多波束切换圆柱阵列天线结构包括：在俯仰向上相对设置的发射模块和接收模块；其中，所述发射模块和所述接收模块设置有金属缝隙；所述发射模块包括多个在方位向上呈圆周分布的发射阵元，所述接收模块包括在所述方位向上多个呈圆周分布的接收阵元；所述发射阵元和所述接收阵元的数量相同，在所述俯仰向上一一对应设置。
基于该多波束切换圆柱阵列天线结构，在发射模块部分，通过对各通道相位控制，即可实现多种波束任意切换和组合，实现360°空间的全覆盖，形成特定的发射波形，在有限的发射功率的情况下提高探测距离。在接收模块部分，通过多个所述接收阵元独立接收信号，可增大主波束范围内的信号能量。
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，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种多波束切换圆柱阵列天线结构的三维结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种多波束切换圆柱阵列天线结构的俯视图；
图3为本发明实施例提供的一种多波束切换圆柱阵列天线结构的主视图；
图4为本发明实施例提供的一种发射模块和接收模块之间隔离度的示意图；
图5为本发明实施例提供的接收阵元或发射阵元的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种接收阵元或发射阵元的电压驻波比示意图；
图7为本发明实施例提供的一种发射模块的信号驱动示意图；
图8为本发明实施例提供的一种相邻发射阵元不同相位差情况下合成的发射天线方向图；
图9为本发明实施例提供的另一种相邻发射阵元不同相位差情况下合成的发射天线方向图；
图10为本发明实施例提供的又一种相邻发射阵元不同相位差情况下合成的发射天线方向图；
图11为本发明实施例提供的又一种相邻发射阵元不同相位差情况下合成的发射天线方向图；
图12为本发明实施例提供的又一种相邻发射阵元不同相位差情况下合成的发射天线方向图；
图13为本发明实施例提供的一种接收模块的信号驱动示意图；
图14为本发明实施例提供的一种八个接收阵元的方位向方向图。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种多波束切换圆柱阵列天线结构的三维结构示意图。
参考图2，图2为本发明实施例提供的一种多波束切换圆柱阵列天线结构的俯视图。
参考图3，图3为本发明实施例提供的一种多波束切换圆柱阵列天线结构的主视图。
所述多波束切换圆柱阵列天线结构包括：在俯仰向上相对设置的发射模块和接收模块；
其中，所述发射模块和所述接收模块之间设置有金属缝隙；
所述发射模块包括多个在方位向上呈圆周分布的发射阵元，所述接收模块包括多个在所述方位向上呈圆周分布的接收阵元；
所述发射阵元和所述接收阵元的数量相同，在所述俯仰向上一一对应设置。
在该实施例中，如图3中所示，在圆柱阵的上方为发射模块，下方为接收模块，所述发射模块和所述接收模块之间设置有一条金属缝隙。
参考图4，图4为本发明实施例提供的一种发射模块和接收模块之间隔离度的示意图。
该金属缝隙主要用于延长发射模块发出的微波信号通过金属表面传输到接收模块的传输距离，增加信号衰减，降低收发串扰，从而提高收发天线模块之间的隔离度。
如图4所示，可以看出所述发射模块和所述接收模块之间隔离度绝大部分都大于60dB。
进一步的，基于本发明上述实施例，如图2所示，所述发射阵元和所述接收阵元的数量均为八个。
在该实施例中，所述发射阵元是由八个相同的阵元单元在所述方位向上呈圆周分布，并且，相邻两个所述发射阵元之间间隔45°。
所述接收阵元也是由八个相同的阵元单元在所述方位向上呈圆周分布，并且，相邻两个所述接收阵元之间间隔45°。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图5，图5为本发明实施例提供的接收阵元或发射阵元的结构示意图。
所述发射阵元和所述接收阵元均为波导缝隙阵元；
所述波导缝隙阵元包括：沿所述俯仰向的多个辐射缝隙、以及沿所述方位向的一个辐射缝隙。
在该实施例中，所述发射阵元和所述接收阵元均采用波导缝隙阵元的形式，其组成包括沿所述俯仰向的多个辐射缝隙、以及沿所述方位向的一个辐射缝隙，具体的波导采用不等臂脊波导的形式。
可选的，所述沿所述俯仰向的辐射缝隙的数量为四个。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图6，图6为本发明实施例提供的一种接收阵元或发射阵元的电压驻波比示意图。
所述发射阵元和所述接收阵元的工作带宽均远大于0.8GHz。
在该实施例中，该工作带宽远超过08GHz，在宽带探测雷达中具有很广泛的应用前景。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图7，图7为本发明实施例提供的一种发射模块的信号驱动示意图。
在本发明实施例中，单路射频信号通过一个功分器分为八路信号，每一路中包括但不限定于通过一个开关控制模块和移相器与每一个发射阵元连接。
如图7所示，八个发射阵元均匀分布在一个圆环上，在发射模块中，单个发射阵元的辐射波束指向天线法向，根据相控阵天线原理，通过控制不同发射阵元的馈电相位差，可以使各个发射阵元的波束进行合成，进而改变波束形状。
常规的相控阵采用平面阵列，所有发射阵元指向同一方向，合成一个波束，通过控制不同发射阵元的馈电相位差来控制合成波束的指向。
但是，在本发明实施例中，八个发射阵元排列成完全对称的八边形圆形阵列，相邻天线单元的法向夹角为45°。
当相邻发射阵元的馈电相位差是45°的整数倍时，八个发射阵元的馈电相位差具有完整的旋转对称性，因此可以形成完全对称的四个或八个波束。
参考图8-图12，图8为本发明实施例提供的一种相邻发射阵元不同相位差情况下合成的发射天线方向图。
图9为本发明实施例提供的另一种相邻发射阵元不同相位差情况下合成的发射天线方向图。
图10为本发明实施例提供的又一种相邻发射阵元不同相位差情况下合成的发射天线方向图。
图11为本发明实施例提供的又一种相邻发射阵元不同相位差情况下合成的发射天线方向图。
图12为本发明实施例提供的又一种相邻发射阵元不同相位差情况下合成的发射天线方向图。
需要说明的是，图8-图12中，Radiation Pattern表示辐射方向图；
Last Adaptive Fred＝9.6GHz，Phi＝0deg表示单频点模式下测试，中心频率9.6GHz，初相0°。
通过图8-图12可知，在实际使用过程中，采用多种合成方式组合，利用多种波束模式切换完全覆盖360°全角度。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图13，图13为本发明实施例提供的一种接收模块的信号驱动示意图。
其中，混频模块是将高频的射频信号与本振信号混频，输出低频的中频模拟信号，降低后续信号采集的压力。
ADC模块是将中频模拟信号转化为数字信号，数字信号经过算法处理，提取探测目标的位置和速度信息。
如图13所示，在接收模块中，八个接收阵元为方向性阵元，多个所述接收阵元独立接收信号，八个接收阵元同发射阵元一样，均匀分布在一个圆环上。
参考图14，图14为本发明实施例提供的一种八个接收阵元的方位向方向图。
单个阵元方位向方向图中3dB波束宽度约为90°。
通过上述描述可知，本发明实施例提供的一种多波束切换圆柱阵列天线结构在发射模块部分，通过对各通道相位控制，即可实现多种波束任意切换和组合，实现360°空间的全覆盖，形成特定的发射波形，在有限的发射功率的情况下提高探测距离。在接收模块部分，通过多个所述接收阵元独立接收信号，可增大主波束范围内的信号能量。
并且，由于多波束切换圆柱阵列天线结构内部的接收模块和发射模块分离设置，发射阵元通过相控的方式驱动，接收单元单独接收，无测距盲区，有利于近地探测。
也就是说，本发明提供的多波束切换圆柱阵列天线结构，可以在恶劣的自然条件下和复杂的应用场景中实现全向探测，避免由于机械扫描带来的设备复杂和故障率低的问题，在保证近地探测能力的同时具有优良的隐蔽能力。
基于本发明上述全部实施例，在本发明另一实施例中还提供了一种雷达系统，所述雷达系统包括上述实施例所述多波束切换圆柱阵列天线结构。
所述雷达系统还包括：信号处理装置；
其中，所述信号处理装置包括一分N功分器，N与所述发射阵元的数量相同；所述一分N功分器用于将接收到的射频信号等分为N分；
所述一分N功分器的每一路通过开关模块和移相器分别与一个所述发射阵元连接。
在该实施例中，所述一分N功分器为一分八功分器，单路射频信号通过一个功分器分为八路信号，每一路中包括但不限定于通过一个开关控制模块和移相器与每一个发射阵元连接。
如图7所示，八个发射阵元均匀分布在一个圆环上，在发射模块中，单个发射阵元的辐射波束指向天线法向，根据相控阵天线原理，通过控制不同发射阵元的馈电相位差，可以使各个发射阵元的波束进行合成，进而改变波束形状。
常规的相控阵采用平面阵列，所有发射阵元指向同一方向，合成一个波束，通过控制不同发射阵元的馈电相位差来控制合成波束的指向。
但是，在本发明实施例中，八个发射阵元排列成完全对称的八边形圆形阵列，相邻天线单元的法向夹角为45°。
当相邻发射阵元的馈电相位差是45°的整数倍时，八个发射阵元的馈电相位差具有完整的旋转对称性，因此可以形成完全对称的四个或八个波束。
通过图8-图12可知，在实际使用过程中，采用多种合成方式组合，利用多种波束模式切换完全覆盖360°全角度。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述雷达系统还包括：混频模块和ADC模块。
所述混频模块用于将高频的射频信号与本振信号混频，输出低频的中频模拟信号；
所述ADC模块用于将所述中频模拟信号转化为数字信号，并对所述数字信号进行算法处理，提取探测目标的位置和速度信息。
如图13所示，在接收模块中，八个接收阵元为方向性阵元，多个所述接收阵元独立接收信号，八个接收阵元同发射阵元一样，均匀分布在一个圆环上。
如图14所示，单个阵元方位向方向图中3dB波束宽度约为90°。
以上对本发明所提供的一种多波束切换圆柱阵列天线结构及雷达系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种多波束切换圆柱阵列天线结构，其特征在于，所述多波束切换圆柱阵列天线结构包括：在俯仰向上相对设置的发射模块和接收模块；
其中，所述发射模块和所述接收模块之间设置有金属缝隙；
所述发射模块包括多个在方位向上呈圆周分布的发射阵元，所述接收模块包括多个在所述方位向上呈圆周分布的接收阵元；
所述发射阵元和所述接收阵元的数量相同，在所述俯仰向上一一对应设置。
2.根据权利要求1所述的多波束切换圆柱阵列天线结构，其特征在于，所述发射阵元和所述接收阵元的数量均为八个。
3.根据权利要求1所述的多波束切换圆柱阵列天线结构，其特征在于，相邻两个所述发射阵元之间间隔45°；
相邻两个所述接收阵元之间间隔45°。
4.根据权利要求1所述的多波束切换圆柱阵列天线结构，其特征在于，所述发射阵元和所述接收阵元均为波导缝隙阵元；
所述波导缝隙阵元包括：沿所述俯仰向的多个辐射缝隙、以及沿所述方位向的一个辐射缝隙。
5.根据权利要求4所述的多波束切换圆柱阵列天线结构，其特征在于，所述沿所述俯仰向的辐射缝隙的数量为四个。
6.根据权利要求1所述的多波束切换圆柱阵列天线结构，其特征在于，所述发射阵元和所述接收阵元的工作带宽均远大于0.8GHz。
7.根据权利要求1所述的多波束切换圆柱阵列天线结构，其特征在于，多个所述接收阵元独立接收信号。
8.一种雷达系统，其特征在于，所述雷达系统包括权利要求1-7任一项所述多波束切换圆柱阵列天线结构。
9.根据权利要求8所述的雷达系统，其特征在于，所述雷达系统还包括：信号处理装置；
其中，所述信号处理装置包括一分N功分器，N与所述发射阵元的数量相同；所述一分N功分器用于将接收到的射频信号等分为N分；
所述一分N功分器的每一路通过开关模块和移相器分别与一个所述发射阵元连接。
10.根据权利要求9所述的雷达系统，其特征在于，所述雷达系统还包括：混频模块和ADC模块；
其中，所述混频模块用于将高频的射频信号与本振信号混频，输出低频的中频模拟信号；
所述ADC模块用于将所述中频模拟信号转化为数字信号，并对所述数字信号进行算法处理，提取探测目标的位置和速度信息。
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