CN112803174B - 基于零点扫描天线的大间距相控阵及栅瓣抑制方法 - Google Patents

基于零点扫描天线的大间距相控阵及栅瓣抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于零点扫描天线的大间距相控阵及栅瓣抑制方法，大间距相控阵为二维平面阵，阵内每个天线单元为零点扫描天线且呈周期性排布，单元之间间距为0.8个波长；所述零点扫描天线包括寄生贴片层、辐射贴片层、馈电层、空气层和金属外壳；所述寄生贴片层包括寄生贴片，所述寄生贴片位于零点扫描天线顶部；所述辐射贴片层位于金属外壳内部；所述辐射贴片层包括馈电探针，所述馈电探针贯穿辐射贴片层和馈电层；所述空气层位于寄生层与辐射贴片层之间。本发明采用较少规模的天线单元、收发组件等模块，实现大角度、低副瓣、低增益滚降的二维波束扫描，具有低复杂度、低成本的特点，可广泛应用于雷达、移动通信等领域中。

Description

基于零点扫描天线的大间距相控阵及栅瓣抑制方法
技术领域
本发明涉及大间距相控阵及栅瓣抑制技术领域，具体地，涉及一种基于零点扫描天线的大间距相控阵及栅瓣抑制方法。
背景技术
相控阵由天线阵列、收发组件、移相器、衰减器等模块组成，具有低剖面、速度快、精度高等特点，已广泛应用于雷达、军事通信、航天探测以及射电天文学等领域。然而，相控阵系统复杂、规模大、成本高，限制了其在不同领域的应用。为了降低传统相控阵的成本，大间距相控已成为一种有效的解决方法。与相同阵面口径的传统相控阵相比，大间距相控阵具有相同的性能，并且其采用更少的天线单元以及收发组件、移相器、衰减器等模块，使得大间距相控阵系统的复杂度和成本大幅减少。然而，随着阵元间距的增大，栅瓣会出现在阵列的波束扫描范围内，并且阵列在波束扫描过程中增益滚降也会变大，从而影响整个相控阵系统的性能。因此，如何有效抑制大间距相控阵的栅瓣并改善增益滚降已成为一个重要的研究方向。
抑制栅瓣的实现方式有很多，按照方向图乘积原理可以分为两类：一是改变阵因子。这种方式通过天线单元或子阵非周期性排布以及优化馈电幅度比和相位差来实现最优的阵因子方向图，从而实现栅瓣的抑制。这种方法通常没有将阵列波束扫描能力与栅瓣抑制同时考虑。并且，在阵列规模很大时，采用这种方法才具有较好的性能，而随着阵列规模的减少，这种方法的改善能力逐渐削弱。第二种是改变单元因子，利用方向图可重构天线方向图波束指向可调这一特性，减小相控阵的副瓣电平。方向图可重构天线通常只具有一维重构的能力且仅有几种波束指向。对于大间距相控阵，当波束扫描至大角度时，方向图可重构天线的栅瓣抑制能力不足，难以在二维空间内实现低副瓣、大角度扫描。
专利文献CN106911010A(申请号：CN201710116791.8)公开了一种基于子阵级的大间距相控阵天线，利用子阵的非周期性排布构造了一个单元间距大于1个波长的相控阵，以较少的天线单元和子阵数达到增益，副瓣，栅瓣抑制等要求，降低了天线系统的成本。但该相控阵仅能实现正负10度的波束扫描。
专利文献CN108023178A(申请号：CN201711248743.0)公开了一种基于方向图可重构天线的大间距相控阵，利用方向图可重构天线构造了一个单元间距为0.7个波长的相控阵，可实现±74°范围内的波束扫描。但该相控阵在波束扫描至大于30°时，副瓣电平就已经大于-10dB。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于零点扫描天线的大间距相控阵及栅瓣抑制方法。
根据本发明提供的基于零点扫描天线的大间距相控阵，大间距相控阵为二维平面阵，阵内每个天线单元为零点扫描天线且呈周期性排布，单元之间间距为0.8个波长；
所述零点扫描天线包括寄生贴片层、辐射贴片层、馈电层、空气层和金属外壳；
所述寄生贴片层包括寄生贴片，所述寄生贴片位于零点扫描天线顶部；
所述辐射贴片层位于金属外壳内部；
所述辐射贴片层包括馈电探针，所述馈电探针贯穿辐射贴片层和馈电层；
所述空气层位于寄生层与辐射贴片层之间。
优选的，所述辐射贴片层还包括辐射贴片、对角线短路探针、地板以及加载变容二极管的阻抗可重构电路；
所述馈电探针设置在辐射贴片上；
所述对角线短路探针设置在辐射贴片上，连接辐射贴片和地板；
所述加载变容二极管的阻抗可重构电路位于辐射贴片边缘处。
优选的，所述加载变容二极管的阻抗可重构电路包括短路探针、变容二极管、隔直电容、辐射贴片层隔交电感、微带线、辐射贴片层偏置线和偏置探针；
所述短路探针一端与变容二极管相连，另一端与地板相连；
所述变容二极管设置在微带线与短路探针之间；
所述微带线与辐射贴片通过隔直电容相连；
所述辐射贴片层隔交电感一端并联在微带线上，另外一端与偏置线相连；
所述偏置探针贯穿辐射贴片层和馈电层，连接辐射贴片层偏置线和馈电层偏置线。
优选的，所述馈电层包括馈电层偏置线、馈电层隔交电感、扇形电容、馈电微带线和FPC连接器；
所述馈电层偏置线与FPC连接器相连；
所述馈电层隔交电感一端与偏置探针相连，另一端与馈电层偏置线相连；
所述扇形电容放置在1/2波长的短路点处，最大限度减小外加偏置线对天线性能的影响；
所述馈电微带线与馈电探针相连。
优选的，通过改变变容二极管上加载的偏置电压以改变变容二极管的容值，从而改变阻抗可重构电路的等效阻抗，进而改变辐射贴片等效辐射缝隙之间的相位差，实现方向图零点和波束指向的同时扫描。
优选的，天线单元之间间距为0.8个波长。
优选的，零点扫描天线仅采用4个变容二极管。
根据本发明提供的栅瓣抑制方法，包括：
步骤1：在大间距相控阵进行波束扫描时，调节零点扫描天线中变容二极管的偏置电压；
步骤2：将零点扫描天线的方向图零点实时对准阵因子中栅瓣的角度，进行栅瓣抑制，实现低副瓣波束扫描；
步骤3：随着变容二极管的偏置电压的改变，其波束指向也连续可调，将零点扫描天线主波束的3dB波束宽度覆盖相控阵主瓣的角度，进行低增益滚降波束扫描。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明中零点扫描天线可以实现二维零点和波束扫描，不仅可以实现大间距相控阵的栅瓣抑制，还可以减小大间距相控阵在波束扫描过程中的增益滚降；
2、本发明利用零点扫描天线构造二维周期性排布的大间距相控阵，相比传统相控阵，以较少的天线单元数量达到相同的增益和低副瓣的要求，降低了相控阵系统的成本和复杂度；
3、本发明中大间距相控阵可实现二维波束扫描，在±70°波束扫描范围内，副瓣电平低于-6.7dB，增益滚降小于3.35dB；
4、本发明中大间距相控阵单元间距0.8个波长，单元之间耦合减弱，当波束扫描至大角度时，能够保持良好的匹配；
5、本发明中零点扫描天线仅采用4个二极管就可以实现二维零点和波束的同时扫描，结构简单、复杂度低、成本低。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明大间距相控阵的阵列结构图；
图2为本发明大间距相控阵采用的零点扫描天线的侧视图；
图3为本发明大间距相控阵采用的零点扫描天线的俯视图；
图4为本发明大间距相控阵采用的零点扫描天线的后视图；
图5为本发明大间距相控阵栅瓣抑制方法的原理图；
图6为本发明实施例零点扫描天线的零点深度随零点扫描角变化图；
图7为本发明实施例零点扫描天线的增益随主波束扫描角变化图；
图8为本发明实施例大间距相控阵波束指向为0度时的单元因子、阵因子和阵列方向图；
图9为本发明实施例大间距相控阵波束指向为20度时的单元因子、阵因子和阵列方向图；
图10为本发明实施例大间距相控阵波束指向为45度时的单元因子、阵因子和阵列方向图；
图11为本发明实施例大间距相控阵波束指向为65度时的单元因子、阵因子和阵列方向图；
图12为本发明实施例大间距相控阵副瓣电平随波束扫描角变化图；
图13为本发明实施例大间距相控阵增益随波束扫描角变化图；
图中：1为寄生贴片层，2为辐射贴片层，3为馈电层，4为空气层，5为金属外壳，6为寄生贴片，7为辐射贴片，8为短路探针，9为馈电探针，10为对角线短路探针，11为地板，12为基于变容二极管的阻抗可重构电路，13为变容二极管，14为隔直电容，15为辐射贴片层隔交电感，16为微带线，17为辐射贴片层偏置线，18为偏置探针，19为馈电层偏置线，20为馈电层隔交电感，21为扇形电容，22为馈电微带线，23为FPC连接器。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例：
请同时参阅图1至图4。
本实施例提供了一种基于零点扫描天线的大间距相控阵，大间距相控阵为4X4二维平面阵，每个天线单元均为零点扫描天线且周期性排布，单元之间间距为0.8个波长。
进一步地，大间距相控阵包括16个单元的零点扫描天线。该零点扫描天线单元包括寄生贴片层1、辐射贴片层2、馈电层3、空气层4和金属外壳5。所述寄生贴片层1包括寄生贴片6。寄生贴片6位于零点扫描天线顶部。所述辐射贴片层2位于金属外壳5内部，包括辐射贴片7、馈电探针9、对角线短路探针10、地板11以及加载变容二极管的阻抗可重构电路12。所述馈电探针9设置在辐射贴片7上，贯穿辐射贴片层2和馈电层3。所述对角线短路探针10设置在辐射贴片7上，连接辐射贴片7和地板11。所述加载变容二极管的阻抗可重构电路12位于辐射贴片7边缘处，通过隔直电容14与辐射贴片7相连。
进一步地，所述加载变容二极管的阻抗可重构电路12包括短路探针8、变容二极管13、隔直电容14、辐射贴片层隔交电感15、微带线16、辐射贴片层偏置线17和偏置探针18组成。所述短路探针8一端与变容二极管16相连，一端与地板11相连；所述变容二极管13设置在微带线16与短路探针8之间；所述微带线16与辐射贴片7通过隔直电容14相连；所述辐射贴片层隔交电感15一端并联在微带线16上，另外一端与偏置线17相连。所述偏置探针18贯穿辐射贴片层2和馈电层3，连接辐射贴片层偏置线17和馈电层偏置线20。
通过改变变容二极管13上加载的偏置电压改变变容二极管13的容值，从而改变阻抗可重构电路12的等效阻抗，从而改变辐射贴片7的四个等效辐射缝隙之间的相位差，实现二维零点和波束同时扫描。
进一步地，所述馈电层包括馈电层偏置线19，馈电层隔交电感20，扇形电容21，馈电微带线22和FPC连接器23。所述馈电层隔交电感20一端与偏置探针18相连，一端与馈电层偏置线19相连；所述扇形电容21放置在1/2波长的短路点处，可以最大限度的减小外加偏置线对天线性能的影响。所述馈电微带线22与馈电探针9相连。所述FPC连接器23与馈电层偏置线19相连。
进一步地，空气层4位于寄生层1与辐射贴片层2之间。
本实施例提供的基于零点扫描天线的大间距相控阵栅瓣抑制方法，包括以下步骤：在大间距相控阵进行波束扫描时，调节零点扫描天线中变容二极管13的偏置电压，将零点扫描天线的方向图零点实时对准阵因子中栅瓣的角度，进行栅瓣抑制，实现低副瓣波束扫描；同时，随着变容二极管13的偏置电压的改变，其波束指向也连续可调，将零点扫描天线主波束的3dB波束宽度覆盖相控阵主瓣的角度，实现低增益滚降波束扫描。
本发明基于零点扫描天线的大间距相控阵栅瓣抑制方法的工作原理如下：
如图3至图4所示，在实施实例中，所述零点扫描天线包括4个基于变容二极管的阻抗可重构电路12。通过改变阻抗可重构电路12中变容二极管的13的偏置电压，可改变变容二极管的容值，从而改变阻抗可重构电路12的等效输入阻抗。当辐射贴片7其中两条平行边上加载的两个阻抗可重构电路12的等效阻抗不同时，两个平行边对应的两个等效辐射缝隙之间就会产生相位差。两个辐射缝隙组成1X2阵列，当存在相位差时，其方向图零点和波束指向都会发生变化，从而实现天线单元的零点和波束同时扫描。通过调节辐射贴片7另外两条平行边上的阻抗可重构电路12，即可实现另外一个垂直平面的零点和波束扫描。
如图5所示，其为本发明实施例大间距相控阵栅瓣抑制的原理图。通过改变变容二极管13的容值，可实现方向图零点和波束指向的同时扫描。当变容二极管13容值减小时，零点扫描天线的零点由大角度向小角度扫描，波束指向由小角度向大角度扫描。当大间距相控阵中单元之间馈电相位差增大，栅瓣由大角度向小角度变化，主瓣由小角度向大角度变化。由于变容二极管13容值与零点和波束指向的对应关系、大间距相控阵馈电相位差与栅瓣和主瓣角度对应关系均是已知的，那么调节变容二极管13容值可以使零点扫描天线的方向图零点实时指向阵列的栅瓣，即可实现对栅瓣的抑制。同时，尽管实施例中零点扫描天线的零点和主波束扫描不是完全独立的，由于零点扫描天线的零点和主波束随变容二极管13容值的变化趋势与阵列栅瓣和主瓣随馈电相位差的变化趋势一致，并且单元主波束较宽。因此，在波束扫描过程中，阵列的主瓣可以落在零点扫描天线主波束的3dB波束宽度内，从而改善大间距相控阵的增益滚降。
如图6和图7所示是本实施例零点扫描天线单元仿真得到的在2.55GHz方向图零点深度和增益随扫描角度变化图。从图中可以看出，在xoz面，零点的扫描角度为-48°～59°，零点深度大于12.8dB；主波束的扫描角度为-45°～-15°和18°～46°，天线最大增益8.2dBi，增益滚降2.4dB。在yoz面，零点的扫描角度为-65°～65°，零点深度大于14.3dB；主波束的扫描角度为-47°～-14°和15°～47°，天线最大增益8.1dBi，增益滚降2.2dB。
如图8至图11所示是本实施例基于零点扫描天线的大间距相控在yoz面进行扫描时波束指向分别为1°，20°，45°，65°时的单元因子、阵因子和阵列方向图，对应地零点扫描天线的零点指向分别为-65°，-55°，-30°，-15°，馈电相位差Δφy分别为0°，-100°，-212°，-287°。从图中可以看出，当没有馈电相位差时，阵因子中栅瓣角度较大，容易得到抑制。随着馈电相位差的增大，零点扫描天线的零点可以对准栅瓣角度，保证阵列方向图的副瓣电平小于-10dB。同时，零点扫描天线的零点向小角度变化，其主波束向大角度变化，并且单元主波束较宽，使阵列主波束保持在单元主波束3dB波束宽度内，减小波束扫描过程中的增益滚降。
图12至图13所示是本实施例基于零点扫描天线的大间距相控分别在xoz面和yoz面波束扫描时副瓣电平和方向性系数随扫描角度的变化图。从图中可以看出，在xoz面，±70°波束扫描范围内，副瓣电平小于-6.7dB，增益滚降小于3.35dB；在yoz面，±70°波束扫描范围内，副瓣电平小于-8.3dB，增益滚降小于3.16dB。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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申请和简化描述，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申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种基于零点扫描天线的大间距相控阵，其特征在于，大间距相控阵为二维平面阵，阵内每个天线单元为零点扫描天线且呈周期性排布；
所述零点扫描天线包括寄生贴片层(1)、辐射贴片层(2)、馈电层(3)、空气层(4)和金属外壳(5)；
所述寄生贴片层(1)包括寄生贴片(6)，所述寄生贴片(6)位于零点扫描天线顶部；
所述辐射贴片层(2)位于金属外壳(5)内部；
所述辐射贴片层(2)包括馈电探针(9)，所述馈电探针(9)贯穿辐射贴片层(2)和馈电层(3)；
所述空气层(4)位于寄生贴片层(1)与辐射贴片层(2)之间；
所述辐射贴片层(2)还包括辐射贴片(7)、对角线短路探针(10)、地板(11)以及加载变容二极管的阻抗可重构电路(12)；
所述馈电探针(9)设置在辐射贴片(7)上；
所述对角线短路探针(10)设置在辐射贴片(7)上，连接辐射贴片(7)和地板(11)；
所述加载变容二极管的阻抗可重构电路(12)位于辐射贴片(7)边缘处；
所述加载变容二极管的阻抗可重构电路(12)包括短路探针(8)、变容二极管(13)、隔直电容(14)、辐射贴片层隔交电感(15)、微带线(16)、辐射贴片层偏置线(17)和偏置探针(18)；
所述短路探针(8)一端与变容二极管(13)相连，另一端与地板(11)相连；
所述变容二极管(13)设置在微带线(16)与短路探针(8)之间；
所述微带线(16)与辐射贴片(7)通过隔直电容(14)相连；
所述辐射贴片层隔交电感(15)一端并联在微带线(16)上，另外一端与偏置线(17)相连；
所述偏置探针(18)贯穿辐射贴片层(2)和馈电层(3)，连接辐射贴片层偏置线(17)和馈电层偏置线(19)。
2.根据权利要求1所述的基于零点扫描天线的大间距相控阵，其特征在于，所述馈电层(3)包括馈电层偏置线(19)、馈电层隔交电感(20)、扇形电容(21)、馈电微带线(22)和FPC连接器(23)；
所述馈电层偏置线(19)与FPC连接器(23)相连；
所述馈电层隔交电感(20)一端与偏置探针(18)相连，另一端与馈电层偏置线(19)相连；
所述扇形电容(21)放置在1/2波长的短路点处，最大限度减小外加偏置线对天线性能的影响；
所述馈电微带线(22)与馈电探针(9)相连。
3.根据权利要求1所述的基于零点扫描天线的大间距相控阵，其特征在于，通过改变变容二极管(13)上加载的偏置电压以改变变容二极管(13)的容值，从而改变阻抗可重构电路(12)的等效阻抗，进而改变辐射贴片(7)等效辐射缝隙之间的相位差，实现方向图零点和波束指向的同时扫描。
4.根据权利要求1所述的基于零点扫描天线的大间距相控阵，其特征在于，天线单元之间间距为0.8个波长。
5.根据权利要求1所述的基于零点扫描天线的大间距相控阵，其特征在于，零点扫描天线仅采用4个变容二极管(13)。
6.一种栅瓣抑制方法，其特征在于，采用权利要求1-5中任一种所述的基于零点扫描天线的大间距相控阵，包括：
步骤1：在大间距相控阵进行波束扫描时，调节零点扫描天线中变容二极管(13)的偏置电压；
步骤2：将零点扫描天线的方向图零点实时对准阵因子中栅瓣的角度，进行栅瓣抑制，实现低副瓣波束扫描；
步骤3：随着变容二极管(13)的偏置电压的改变，其波束指向也连续可调，将零点扫描天线主波束的3dB波束宽度覆盖相控阵主瓣的角度，进行低增益滚降波束扫描。
CN202110104425.7A 2021-01-26 2021-01-26 基于零点扫描天线的大间距相控阵及栅瓣抑制方法 Active CN112803174B (zh)

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