CN112736496B - 一种超宽带相控阵雷达天线电路 - Google Patents

一种超宽带相控阵雷达天线电路 Download PDF

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Abstract

本发明提出的一种超宽带相控阵雷达天线电路，该电路包括发射模块和接收模块两部分。接收模块由接收天线阵、8个第一低噪声放大器、8个第二低噪声放大器、8个移相器、一个八合一功率合成器和一个金属屏蔽盒组成。发射模块由一个电子开关和发射天线阵组成。当改变电子开关的输出端，选择第一蝶形单元或是第二蝶形单元时，可将接收天线阵等效为16蝶形单元组成的线阵，缩窄了接收天线阵的波束宽度，提高探测精度，可广泛应用在通信、雷达、电子对抗等领域中。

Description

一种超宽带相控阵雷达天线电路
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，具体涉及一种超宽带相控阵雷达天线电路。
背景技术
相控阵天线广泛应用在通信、雷达、电子对抗等领域中，相控阵天线不仅要有宽频带特性，还应满足大空域宽角扫描的需求，宽带、宽角扫描相控阵天线设计已是当今相控阵天线重要的发展趋势。它不仅可以提高雷达的抗干扰能力，而且能有效地处理防辐射导弹。由于其相对带宽较宽，可以获得较高的距离分辨率，实现多目标分辨率和更高的测距精度。考虑到瞬时带宽、波形保真度、辐射效率及加工的难度等因素,蝶形天线通常是用于超宽带探地雷达天线最合适的选择之一。
不加屏蔽盒或接地板的分布加载式蝶形天线为双向辐射天线,除了向地面辐射外还朝天空及周围辐射,为了抑制天线系统中不必要的辐射场,同时也为了减少周围环境及系统中各金属部件及电子元件对天线辐射性能的影响,天线屏蔽盒(背腔)的设计很有必要。现有的超宽带背腔蝴蝶天线的馈电方式通常为同轴馈电，同轴馈电使天线在宽频带内方向图基本不变，但是天线经同轴馈电后接入后级放大电路时引入噪声，降低了天线的灵敏度，同轴线与微带线的转换也必然引来损耗。
传统宽带相控阵的设计思路是先设计具有宽带性能的孤立天线单元，再将单元通过一定方式组合构成阵列天线，这种设计方式带来的问题非常明显：一是单元间的相互耦合会使得阵列工作的匹配恶化，二是无法实现波束的大角度扫描。近些年，超宽带相控阵天线领域出现一种新的设计思路，即基于Wheeler理想电流片模型而衍生出的强互偶阵列，强耦合阵列的设计思想是，不再抑制阵元间的互偶效应，而是利用并加强阵元间的耦合达到超宽带工作特性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超宽带相控阵雷达天线电路，实现一种宽带、宽扫描角及强耦合相控阵天线电路。该电路包括发射模块和接收模块两部分。接收模块由接收天线阵、8个第一低噪声放大器、8个第二低噪声放大器、8个移相器、一个八合一功率合成器和一个金属屏蔽盒组成。发射模块由一个电子开关和发射天线阵组成。
所述发射模块与接收模块间距
Figure BDA0002849746270000021
(λ为频率为3GHz时电磁波在自由空间中的波长)，且发射模块和接收模块之间用金属板隔离，减小发射天线阵发出的电磁波对接收天线阵的影响。
所述接收天线阵为8个相同蝶形单元组成的线阵，相邻蝶形单元的中心间距为
Figure BDA0002849746270000022
每个蝶形单元连接第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、移相器后为一个支路输入，共有8个相同的支路输入，然后分别接入八合一功率合成器后合成一路信号。
所述蝶形单元由上层金属贴片、下层金属贴片、上层馈线、下层馈线和介质板组成。所述上、下层金属贴片分别位于介质板的上下表面。其中，上层金属贴片由等腰三角形贴片、矩形贴片拼接而成，矩形贴片的一条长边连接三角形的底边，对与另一条长边相连的两个直角进行90°倒圆角处理。上、下层金属贴片关于上层馈线成轴对称。上层馈线由第一矩形微带线和第二矩形微带线组成，两者之间由锥形渐变线连接，以减小两段微带线间的插入损耗。下层馈线由第三矩形微带线、三角形微带巴伦和第四矩形微带线组成，三角形微带巴伦可实现不平衡到平衡的转换。
所述金属屏蔽盒包括底部反射板和前、后、左、右四块耦合金属板组成。底部反射板位于介质板下方，距离介质板的距离h为四分之一波长，抑制了天线背面不必要的对空辐射场，提高了发射、接收天线阵的增益。金属屏蔽盒与蝶形单元耦合产生感应电流，接收天线阵的电流分布发生改变，激励了高次模，产生了新的谐振频率点，以此来增大带宽。
所述八合一功率合成器为八合一Wilkinson功率合成器，该八合一功率合成器共有三级：第一级为四个相同的二合一Wilkinson功率合成器，共有8个输入端，分别记为p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7、p8，相邻输入端间距为
Figure BDA0002849746270000023
四个输出端，分别记为d1、d2、d3、d4，相邻输出端间距为λ；第二级为第一级的输出端d1、d2经二合一Wilkinson功率合成器合成一路，记为s1，第一级的输出端d3、d4经二合一Wilkinson功率合成器合成一路，记为s2，s1和s2之间的间距为2*λ；第三级为第二级输出端s1和s2经二合一Wilkinson功率合成器合成一路，记为z1。以此实现八路输入功率相等的功率合成。所述二合一Wilkinson功率合成器由第一微带线、第二微带线、第一隔离电阻和第二隔离电阻组成。第一微带线和第二微带线的阻抗值由切比雪夫阻抗变换计算得到。各级之间由四分之一圆弧微带线和矩形微带线组成，圆弧微带线和矩形微带线的阻抗均为50Ω。
所述接收天线阵中的8个蝶形单元分别与8个第一低噪声放大器之间采用Klopfenstein阻抗渐变线进行阻抗匹配，该阻抗渐变线是由阶跃切比雪夫阻抗变换器在节数增加到无限时推导出来的。在通带内限定最大反射系数时，Klopfenstein阻抗渐变线设计出的渐变线最短，以减小损耗和电路面积。第一低噪声放大器和第二低噪声放大器之间采用Klopfenstein阻抗渐变线进行阻抗匹配。第二低噪声放大器和移相器之间除Klopfenstein阻抗渐变线还有接地电感，通过用来匹配第二低噪声放大器和移相器之间的阻抗虚部。8个移相器输出端分别连接八合一功率合成器的输入端。
所述发射天线阵由第一蝶形单元和第二蝶形单元组成，这两个蝶形单元分别接入电子开关的两个输出端，所述电子开关为单刀双掷开关，这两个蝶形单元与接收天线阵中的蝶形单元一致，间距Lh＝3.5λ。发射天线阵和接收天线阵之间用金属板隔离，减小发射天线阵发出的电磁波对接收天线阵的干扰。
本发明提出的一种超宽带相控阵雷达天线电路，该电路包括发射模块和接收模块两部分。接收模块由接收天线阵、8个第一低噪声放大器、8个第二低噪声放大器、8个移相器、一个八合一功率合成器和一个金属屏蔽盒组成。发射模块由一个电子开关和发射天线阵组成。八合一功率合成器实现在2GHz-4GHz内八支路输入功率相等的功率合成，八个输入端口的反射系数均在-28dB以下，输出端口的反射系数在-18dB以下，各端口阻抗实部在40-60Ω之间，虚部在±10Ω之间。第一低噪声放大器、第二低噪声放大器和移相器级联时，在2GHz-4GHz频带内，输入、输出端口的反射系数均在-15dB以下，增益为24.9dB-36.1dB。接收天线阵各端口的反射系数均在-10dB以下，可实现100°的角度扫描，当扫描角度最大为50°和-50°时，主瓣-3dB波束宽度为14°，主瓣增益为10.5dB，主瓣与副瓣的增益差大于4dB。接收天线阵的扫描角度为0°时，主瓣的-3dB波束宽度最窄为10°，增益最大为12.3dB。当改变电子开关的输出端，选择第一蝶形单元或是第二蝶形单元时，可将接收天线阵等效为16蝶形单元组成的线阵，缩窄了接收天线阵的波束宽度，提高探测精度。
附图说明
图1是本发明一种超宽带相控阵雷达天线电路的结构示意图
图2是本发明中接收天线阵仿真模型图。
图3是本发明中单个蝶形单元仿真模型图。
图4是本发明中蝶形单元仿真模型的俯视图
图5是本发明中接收天线阵各端口的反射系数仿真结果图。
图6是本发明中接收天线阵的扫描角度为-50°和50°时的E面方向图。
图7是本发明中接收天线阵在扫描角度为0°时的E面方向图。
图8是本发明中八合一Wilkinson功率合成器结构示意图。
图9是本发明中二合一Wilkinson功率合成器的仿真结构图。
图10是本发明中八合一Wilkinson功率合成器在ADS中仿真结果图。
图11是本发明中低噪声放大器和移相器在ADS中的仿真示图。
图12是本发明中低噪声放大器和移相器级联的端口反射系数
具体实施方式
下面结合附图对本发明的应用原理做详细的描述。
本发明的目的在于提供一种超宽带相控阵雷达天线电路，实现一种宽带、宽扫描角及强耦合相控阵天线电路。该电路包括发射模块和接收模块两部分。接收模块由接收天线阵、8个第一低噪声放大器、8个第二低噪声放大器、8个移相器、一个八合一功率合成器和一个金属屏蔽盒组成。发射模块由一个电子开关和发射天线阵组成。
如图1所示为一种超宽带相控阵雷达天线电路的结构示意图，该电路的长L＝49.7cm,宽度W＝50cm，所述发射模块与接收模块间距Lv为
Figure BDA0002849746270000041
(λ为中心频率f0＝3GHz的电磁波在自由空间中的波长)，且发射模块和接收模块之间用金属板隔离，减小发射天线阵发出的电磁波对接收天线阵的影响。接收天线阵为8个相同蝶形单元组成的线阵，相邻蝶形单元的中心间距为
Figure BDA0002849746270000042
每个蝶形单元连接第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、移相器后为一个支路输入，共有8个相同的支路输入，然后分别接入八合一功率合成器后合成一路信号。
如图2所示为接收天线阵仿真模型图，蝶形单元的边缘间距jl＝5.5mm，实现强耦合阵列。所述金属屏蔽盒包括底部反射板和前、后、左、右四块耦合金属板组成。底部反射板位于介质板下方，距离介质板的距离h为
Figure BDA0002849746270000051
h＝27mm，抑制了天线背面不必要的对空辐射场，提高了发射、接收天线阵的增益。金属屏蔽盒与蝶形单元耦合产生感应电流，接收天线阵的电流分布发生改变，激励了高次模，产生了新的谐振频率点，以此来增大带宽。本发明中的介质板均为FR4，相对介电常数εr＝4.4，损耗角正切tanθ＝0.02，介质板厚度t＝2mm。
如图3所示为单个蝶形单元仿真模型图，如图4所示为蝶形单元仿真模型的俯视图。所述蝶形单元由上层金属贴片、下层金属贴片、上层馈线、下层馈线和介质板组成。蝶形单元的特性阻抗可由公式
Figure BDA0002849746270000052
式中θ为蝶形单元的张角，一般张角越大,带宽越大。蝶形单元的宽度Lt决定了天线的低频特性，
Figure BDA0002849746270000053
λ0是蝶形单元最低工作频率所对应的空气中的波长，εeff为等效的相对介电常数，可由蝶形单元介质板的相对介电常数εr、介质板厚度t以及蝶形单元的长度L1得到，即
Figure BDA0002849746270000054
所述上、下层金属贴片分别位于介质板的上下表面，厚度为0.035mm，关于上层馈线的中轴线成轴对称。蝶形单元的上层金属贴片由等腰三角形贴片、矩形贴片拼接而成，矩形贴片的一条长边连接三角形的底边，对与另一条长边相连的两个直角进行90°倒圆角处理。等腰三角形的高W2＝5mm，矩形贴片的长L1＝18mm，宽W1＝5.6mm，倒圆角的半径r1＝13.7mm。上、下层金属贴片关于上层馈线成轴对称。上层馈线由第一矩形微带线和第二矩形微带线组成，第一矩形微带线的宽度W3＝1.6mm，长度L3＝48.1mm，第二矩形微带线的宽度W4＝3.8mm，长度L4＝13mm，两者之间由锥形渐变线连接，以减小两段微带线间的插入损耗。下层馈线由第三矩形微带线、三角形微带巴伦和第四矩形微带线组成，第三矩形微带线宽度为1mm，长度L5＝37.4mm。三角形微带巴伦的长度W5＝56.3mm，高度L2＝2mm，三角形微带巴伦可实现不平衡到平衡的转换。第四矩形微带线高度L6＝21.5mm。如图5所示为接收天线阵各端口的反射系数，可以看出均在-10dB以下。如图6所示为接收天线阵的扫描角度为-50°和50°时的E面方向图，可实现100°的角度扫描，当扫描角度最大时，主瓣-3dB波束宽度为14°，主瓣增益为10.5dB，主瓣与副瓣的增益差大于4dB。如图7所示为接收天线阵在E面扫描角度为0°时的方向图，接收天线阵主瓣的-3dB波束宽度最窄为10°，增益最大为12.3dB。
如图8所示为八合一Wilkinson功率合成器，所述八合一功率合成器为八合一Wilkinson功率合成器，该八合一功率合成器共有三级：第一级为四个相同的二合一Wilkinson功率合成器，共有8个输入端，分别记为p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7、p8，相邻输入端间距为
Figure BDA0002849746270000061
四个输出端，分别记为d1、d2、d3、d4，相邻输出端间距为λ；第二级为第一级的输出端d1、d2经二合一Wilkinson功率合成器合成一路，记为s1，第一级的输出端d3、d4经二合一Wilkinson功率合成器合成一路，记为s2，s1和s2之间的间距为2*λ；第三级为第二级输出端s1和s2经二合一Wilkinson功率合成器合成一路，记为z1，z1输出端口微带线的宽度W1＝4.7mm。以此实现八路输入功率相等的功率合成。所述二合一Wilkinson功率合成器由第一微带线、第二微带线、第一隔离电阻和第二隔离电阻组成。第一微带线和第二微带线的阻抗值由切比雪夫阻抗变换计算得到。各级之间由四分之一圆弧微带线和矩形微带线组成，圆弧微带线和矩形微带线的阻抗均为50Ω。
如图9所示为二合一Wilkinson功率合成器的仿真结构图，所述第一微带线和第二微带线长度为
Figure BDA0002849746270000062
二合一Wilkinson功率合成器总的反射系数：
Γ(θ)＝2*e-j2θ*(Γ0*cos 2θ+0.5*Γ1)
两阶切比雪夫多项式：
T2(secθmcosθ)＝(secθm)2*(cos 2θ+1)-1
通过使Γ(θ)正比于T2(secθmcosθ)来综合切比雪夫等纹波的通带，即Γ(θ)＝A*e-j2θ*T2(secθmcosθ)，A为常数。设二合一Wilkinson功率合成器的输出端阻抗Z0为50Ω，第一微带线阻抗值为Z1，第二微带线阻抗值为Z2，令反射系数最大幅值Γm＝A＝0.05，则根据式
Figure BDA0002849746270000063
n为0,1,2，可得Z1＝61Ω，Z2＝82Ω，第一隔离电阻R1＝93Ω，第二隔离电阻R1＝265Ω。图10为八合一Wilkinson功率合成器在ADS中仿真结果图，可以看出，输出端口的反射系数在-18dB以下，输入端口的反射系数保持一致，均在-28dB以下，插入损耗为11dB-13.2dB，其中分配损耗为9dB，实际电路插入损耗为2dB-4.2dB。
如图11所示为第一低噪声放大器、第二低噪声放大器和移相器级联后在ADS中仿真图，所述第一、第二低噪声放大器均为Qorvo公司的QPL9547，在2GHz-4GHz频带内，单个芯片噪声系数低于0.5。所述移相器为MACOM公司的6位数字移相器MAPS-010164，可实现在2.3GHz-3.8GHz内360°的相移，扫描角度步进为5.6°。所述第一、第二低噪声放大器QPL9547和移相器MAPS-010164之间均采用Klopfenstein阻抗渐变线做阻抗匹配。第二低噪声放大器和移相器之间除Klopfenstein阻抗渐变线还有接地电感，来匹配第二低噪声放大器和移相器之间的虚部。第一、第二低噪声放大器和移相器级联在ADS中的仿真结果如图12所示，输入、输出端反射系数均在-15dB以下。
所述电子开关为ADI公司的HMC321ALP4E，为单刀双掷开关，工作频率范围为DC-8GHz。所述发射天线阵由第一蝶形单元和第二蝶形单元组成，这两个蝶形单元分别接入电子开关的两个输出端，这两个蝶形单元与接收天线阵中的蝶形单元一致，间距Lh＝3.5λ＝374.5mm。发射天线阵和接收天线阵之间用金属板隔离，减小发射天线阵发出的电磁波对接收天线阵的干扰。
本发明提出的一种超宽带相控阵雷达天线电路，该电路包括发射模块和接收模块两部分。接收模块由接收天线阵、8个第一低噪声放大器、8个第二低噪声放大器、8个移相器、一个八合一功率合成器和一个金属屏蔽盒组成。发射模块由一个电子开关和发射天线阵组成。八合一功率合成器实现在2GHz-4GHz内八支路输入功率相等的功率合成，八个输入端口的反射系数均在-28dB以下，输出端口的反射系数在-18dB以下，各端口阻抗实部在40-60Ω之间，虚部在±10Ω之间。第一低噪声放大器、第二低噪声放大器和移相器级联时，在2GHz-4GHz频带内，输入、输出端口的反射系数均在-15dB以下，增益为24.9dB-36.1dB。接收天线阵各端口的反射系数均在-10dB以下，可实现100°的角度扫描，当扫描角度最大为50°和-50°时，主瓣-3dB波束宽度为14°，主瓣增益为10.5dB，主瓣与副瓣的增益差大于4dB。接收天线阵的扫描角度为0°时，主瓣的-3dB波束宽度最窄为10°，增益最大为12.3dB。当改变电子开关的输出端，选择第一蝶形单元或是第二蝶形单元时，可将接收天线阵等效为16蝶形单元组成的线阵，缩窄了接收天线阵的波束宽度，提高探测精度。

Claims (4)

1.一种超宽带相控阵雷达天线电路，其特征在于，包括发射模块和接收模块两部分，接 收模块由八路接收组成，每一路由微带贴片天线接收连接到第一低噪声放大器QPL9547进 行放大，之后连接到第二低噪声放大器QPL9547进行二次放大，放大后的接收信号连接到移 相器电路进行相位切换，切换后的八路不同接收信号通过一个八合一功率合成器进行信号 相加，之后一路信号生成IQ两路送入到FPGA中进行信号处理；发射模块同理，所需要发射信 号通过电子开关进行切换发射天线1或者发射天线2进行发射，所述发射模块与接收模块间 距
Figure 563198DEST_PATH_IMAGE001
为
Figure 99221DEST_PATH_IMAGE002
为频率为3GHz的电磁波在自由空间中的波长，且发射模块和接收模 块之间用完整的金属地隔开，所述金属地包括多个地孔，进而减小发射天线阵发出的电磁 波对接收天线阵的影响；所述的八路接收为由8个相同蝶形微带贴片天线单元组成，相邻蝶 形微带贴片天线单元的中心间距为1/2 λ，每个蝶形微带贴片天线单元连接第一低噪声放 大器QPL9547、第二低噪声放大器QPL9547、移相器后为一个支路输入，共有8个相同的支路 输入，然后分别接入八合一功率合成器后合成一路信号；所述蝶形微带贴片天线单元由上 层金属贴片、下层金属贴片、上层馈线、下层馈线和介质板组成，所述上、下层金属贴片分别 位于介质板的上下表面，厚度为0.035mm，关于上层馈线的中轴线成轴对称，蝶形单元的上 层金属贴片由等腰三角形贴片、矩形贴片拼接而成，矩形贴片的一条长边连接三角形的底 边，对与另一条长边相连的两个直角进行90°倒圆角处理，等腰三角形的高W2=5mm，矩形贴 片的长L1=18mm，宽W1=5.6mm，倒圆角的半径r1=13.7mm，上、下层金属贴片关于上层馈线成 轴对称，上层馈线由第一矩形微带线和第二矩形微带线组成，第一矩形微带线的宽度W3= 1.6mm，长度L3=48.1mm，第二矩形微带线的宽度W4=3.8mm，长度L4=13mm，两者之间由锥形渐 变线连接，以减小两段微带线间的插入损耗，下层馈线由第三矩形微带线、三角形微带巴伦 和第四矩形微带线组成，第三矩形微带线宽度为1mm，长度L5=37.4mm，三角形微带巴伦的长 度W5=56.3mm，高度L2=2mm，三角形微带巴伦可实现不平衡到平衡的转换，第四矩形微带线 高度L6=21.5mm。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带相控阵雷达天线电路，其特征在于，所述的八合一 功率合成器为八合一Wilkinson功率合成器，该八合一功率合成器共有三级：第一级为四个 相同的二合一Wilkinson功率合成器，共有8个输入端，分别记为
Figure 271577DEST_PATH_IMAGE003
，相邻输入端间距为
Figure 426615DEST_PATH_IMAGE004
，四个输出端，分别记为
Figure 758239DEST_PATH_IMAGE005
，相邻输出端间距为
Figure 340530DEST_PATH_IMAGE006
；第二级为第一级的输出端
Figure 181DEST_PATH_IMAGE007
经二合一 Wilkinson功率合成器合成一路，记为
Figure 817965DEST_PATH_IMAGE008
，第一级的输出端
Figure 613882DEST_PATH_IMAGE009
经二合一Wilkinson功率 合成器合成一路，记为
Figure 632654DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 140121DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 902540DEST_PATH_IMAGE010
之间的间距为2
Figure 677598DEST_PATH_IMAGE011
；第三级为第二级输出端
Figure 601692DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 235936DEST_PATH_IMAGE010
经二合 一Wilkinson功率合成器合成一路，记为
Figure 395522DEST_PATH_IMAGE012
，以此实现八路输入功率相等的功率合成；所述 二合一Wilkinson功率合成器由第一微带线、第二微带线、第一隔离电阻和第二隔离电阻组 成，第一微带线阻抗值为
Figure 431611DEST_PATH_IMAGE013
Ω，第二微带线阻抗值为
Figure 526606DEST_PATH_IMAGE014
Ω，第一隔离电阻
Figure 648145DEST_PATH_IMAGE015
=93 Ω，第二隔离电阻
Figure 877002DEST_PATH_IMAGE015
=265Ω，各级之间由四分之一圆弧微带线和矩形微带线组成，圆弧微带 线和矩形微带线的阻抗均为50Ω。
3.根据权利要求1所述的一种超宽带相控阵雷达天线电路，其特征在于，所述的接收天 线阵中的8个相同蝶形单元与第一低噪声放大器之间采用
Figure 236439DEST_PATH_IMAGE016
阻抗渐变线进行阻 抗匹配，第一低噪声放大器和第二低噪声放大器之间采用
Figure 767914DEST_PATH_IMAGE016
阻抗渐变线进行阻 抗匹配；第二低噪声放大器和移相器之间除
Figure 471690DEST_PATH_IMAGE016
阻抗渐变线还有接地电感，用来 匹配第二低噪声放大器和移相器之间的阻抗虚部，8个移相器输出端分别连接八合一功率 合成器的输入端。
4.根据权利要求1所述的一种超宽带相控阵雷达天线电路，其特征在于，所述的电子开 关为ADI公司的HMC321ALP4E，为单刀双掷开关，工作频率范围为DC-8GHz；所述发射天线阵 由第一蝶形单元和第二蝶形单元组成，这两个蝶形单元分别接入电子开关的两个输出端， 这两个蝶形单元与接收天线阵中的蝶形单元一致，间距
Figure 379603DEST_PATH_IMAGE017
，发射天线 阵和接收天线阵之间用金属板隔离，减小发射天线阵发出的电磁波对接收天线阵的干扰， 当切换电子开关的输出端时，可将接收天线阵等效为16蝶形单元组成的线阵，缩窄了接收 天线阵的扫描波束宽度，提高探测精度。
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