CN113113781A - 一种有源相控阵天线行馈 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种有源相控阵天线行馈，所述的有源相控阵天线行馈包括依次层叠的双极化低剖面微带天线线阵、子阵级双极化馈电网络、子阵级收发模块及行馈级双极化馈电网络。所述的双极化低剖面微带天线线阵包括多个在线阵方向等间距均匀排列的双极化微带贴片无线单元，每个所述的双极化微带贴片无线单元通过端口馈电实现水平、垂直双极化性能，并拓展形所述的双极化低剖面微带天线线阵成圆极化。

Description

一种有源相控阵天线行馈
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种有源相控阵天线行馈。
背景技术
本部分的描述仅提供与本发明公开相关的背景信息，而不构成现有技术。
相控阵天气雷达扫描速度快、全空域监控探测能力强，可克服现行天气雷达的不足，有助于早发现、早预警、早决断，以减少灾害天气带来的损失，是下一代气象雷达探测技术发展主要方向。与传统点目标探测雷达不同，相控阵天气雷达需要对气象目标进行识别，利用水平、垂直两个极化电磁波对气象目标的不同响应特性进行气象活动判断和危险天气预报预警。采用水平、垂直两个极化同时工作的双偏振相控阵技术已成为气象雷达发展趋势，未来5-10年必将在全国甚至全球范围内得到大规模发展。
同时相控阵天气雷达使用场景和应用需求决定了其大多采用一维相控阵体制，在经济性和探测性能上获取较好的平衡。一维相控阵天线阵列必然采用一维线阵来进行组阵，这种线阵一般又称行馈。目前约90％的相控阵天气雷达都采用波导缝隙天线行馈，波导缝隙天线其具有成本低、损耗小、成品率高的明显优点，但波导缝隙天线行馈在双偏振(双极化)技术应用上存在制约发展的显著缺点：很难在同一天线行馈上实现水平、垂直双偏振性能，很难保证双极化一致性，很难实现大角度扫描，且存在频扫和色散效应。
为了解决波导缝隙天线行馈带来的问题，有专家学者提出了基于双极化微带偶极子天线与传统威尔金森功分网络的双极化微带天线行馈。虽然正交排列的微带偶极子可同实现同相位中心的水平、垂直极化功能，但采用了规模庞大的威尔金森功分网络，不仅增加了硬件成本和设备调试成本，还大幅增加了射频网络损耗和噪声系数损失。例如，在C波段，采用1°波束宽度的传统偶极子天线行馈需要1分64左右的功分网络，损耗超过-3dB；且随着频率越高、波束越窄，微带功分网络造成的损耗更大，严重制约了此种类型的天线行馈应用。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种有源相控阵天线行馈。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种有源相控阵天线行馈，所述的有源相控阵天线行馈包括依次层叠的双极化低剖面微带天线线阵、子阵级双极化馈电网络、子阵级收发模块及行馈级双极化馈电网络。
优选地，所述的双极化低剖面微带天线线阵包括多个在线阵方向等间距均匀排列的双极化微带贴片无线单元，每个所述的双极化微带贴片无线单元通过端口馈电实现水平、垂直双极化性能，并拓展形所述的双极化低剖面微带天线线阵成圆极化。
优选地，所述的双极化低剖面微带天线线阵由96个双极化微带贴片单元组成的线阵行馈分成12个8单元子阵，每个8单元子阵内设有相应的馈电网络、收发通道。
优选地，所述的子阵级双极化馈电网络包括两个双极化H型馈电缝隙及两个独立的子阵级双极化功分网络及匹配微带电路。
优选地，所述的子阵级收发模块包括发射通道、接收通道、供电与控制模块，所述的发射通道包括2个独立的末级发射功率管，通过收发开关与天线单元的两个极化馈电端口互联；所述的接收通道的链路与发射通道相反，通过收发开关切换，将天线单元两个极化端口接收的信号分别放大后接到子阵级馈电网络。
优选地，所述的行馈级双极化馈电网络包括水平、垂直两个极化的馈电网络。
优选地，所述的8单元子阵由双极化辐射单元层、单元馈电层、子阵馈电网络层、子阵级有源收发模块层组成。
优选地，所述的双极化辐射单元层采用尺寸相等的微带贴片形式。
优选地，所述的微带贴片的正下方，采用两组相互垂直的H型缝隙耦合馈电，实现双极化特性。
借由以上的技术方案，本发明的有益效果如下：
(1)提高双极化天线一致性和稳定性。与传统波导缝隙辐射单元和微带偶极子单元不同，通过低剖面微带贴片天线可由一个辐射单元同时辐射水平、垂直极化电磁波，两个极化阵列可以做到共相位中心，利于波束扫描过程中双极化通道的一致性和稳定性，提高双偏振天气雷达的探测精度；
(2)提高相控阵天气雷达大角度电扫能力。由于每个天线单元都能实现双偏振(双极化)辐射，相比波导缝隙辐射单元和微带偶极子单元组成的阵列，减少了一半天线单元，可有效减少单元尺寸和单元间距的限制。在阵列扫描方向的天线行馈间距不再受结构尺寸限制，可以实现±45°甚至±60°的大角度电子扫描；
(3)减少损耗和噪声系数。通过芯片化的有源收发模块与天线行馈的三维集成，减少了行馈内部的功分网络损耗及造成的噪声系数，可以有效提高有源相控阵天线及系统性能；
(4)提高相控阵天线的适装性和集成性。由于采用低剖面微带天线和瓦片式三维集成，天线阵列剖面低，重量轻，可适合于地面、车载、机载等各种平台；同时易于做弧形、圆形及其他各种异形阵列设计，适合于与各种载荷平台的共形设计。
附图说明
图1是本申请的三维堆叠集成的双极化有源相控阵天线行馈的结构示意图；
图2是本申请的水平行馈内双极化子阵的结构示意图；
图3是本申请的子阵级收发模块原理框图；
图4是本申请的行馈级双极化馈电网络的结构示意图；
图5是采用8单元子阵量化加权的行馈阵列方向波瓣。
其中：10、双极化低剖面微带天线线阵；20、子阵级双极化馈电网络；30、子阵级收发模块；40、行馈级双极化馈电网络；11、双极化微带贴片天线单元；12、单元层基板；21、双极化H型馈电缝隙；22、单元馈电电路；23、子阵级双极化功分网络；31、发射通道；32、接收通道；33、公共支路。
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。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本发明提供了一种有源相控阵天线行馈，所述的有源相控阵天线行馈包括依次层叠的双极化低剖面微带天线线阵10、子阵级双极化馈电网络20、子阵级收发模块30及行馈级双极化馈电网络40。所述的双极化低剖面微带天线线阵10包括多个在线阵方向等间距均匀排列的双极化微带贴片无线单元，每个所述的双极化微带贴片无线单元通过端口馈电实现水平、垂直双极化性能，并拓展形所述的双极化低剖面微带天线线阵10成圆极化。
所述的双极化低剖面微带天线线阵10由96个双极化微带贴片单元组成的线阵行馈分成12个8单元子阵，每个8单元子阵内设有相应的馈电网络、收发通道。微带贴片天线单元具有体积小、重量轻、电性能多样化、易集成等优势。由于其剖面低，易于与载体共形，因此适于集成和共形相控阵设计。目前广泛应用的共形天线主要包括缝隙天线和微带贴片。考虑到缝隙天线容量小，功率较大的时候容易击穿，因此本发明中采用微带贴片天线。一般可根据设计需求，128个双极化微带贴片天线单元11腐蚀或印刷在单元层基板12上，单元层基板12可由高频介质板、低温共烧陶瓷(简称：LTCC)或其他材质的基板组成。所述的子阵级双极化馈电网络20包括两个双极化H型馈电缝隙21及两个独立的子阵级双极化功分网络23及匹配微带电路。双极化H型馈电缝隙21由两组相互垂直放置的H型缝隙组成，不仅提供了较高的端口间隔离度，而且双极化耦合馈电实现了水平、垂直两个极化(偏振)发射或接收；单元馈电电路22一般可由一段微带线组成，可根据频率、带宽及物理尺寸要求，优化微带线的形状和尺寸；子阵级双极化功分网络23包含两个一分八等功分馈电网络(统称为：子阵级功分网络)，子阵级功分网络8个分口对应分别对应8个单元馈电电路22、H型馈电缝隙，通过H型缝隙将能量耦合到辐射单元层，激励微带贴片进行辐射；
所述的子阵级收发模块30包括发射通道31、接收通道32、公共支路33、供电与控制模块，所述的发射通道31包括2个独立的末级发射功率管，通过收发开关与天线单元的两个极化馈电端口互联；所述的接收通道32的链路与发射通道31相反，通过收发开关切换，将天线单元两个极化端口接收的信号分别放大后接到子阵级馈电网络。用户发射激励信号的分配到每个子阵收发模块的发射通道31和每个子阵收发模块的接收通道32接收信号的合成。所述的行馈级双极化馈电网络40包括水平、垂直两个极化的馈电网络。
为了保证气象雷达探测威力和精度，天线行馈需要窄波束、低副瓣。按照行业标准和实际需求，可按波束宽度1°、最大副瓣电平小于-30dB设计。
窄波束通过增加阵列尺寸和辐射单元数量实现，本相控阵在方位面共有96个微带贴片单元。为了减小损耗、便于控制，行馈采用子阵级结构。行馈的96个双极化微带贴片天线单元11分成12个8单元子阵。
低副瓣则通过经典的泰勒加权实现。相对于切比雪夫加权，泰勒加权可以提供电平几乎相等的前n个副瓣和衰减的远副瓣，是相控阵中使用比较广泛的一种加权方式。通过控制双极化子阵级收发模块30的衰减器实现行馈的幅度按照泰勒加权进行量化，通过控制双极化子阵级收发模块30的移相器实现子阵级相位补偿和校准。天线行馈的方位波瓣如图5所示。横坐标为自由空间角度θ(°)，纵坐标为行馈方向图归一化后的增益。副瓣低于-30dB，在发射、接收时均能实现水平面的低副瓣性能。当天线方向图的主瓣窄、副瓣电平低时，采用直角坐标系的归一化方向图能够清晰地表示出主瓣宽度和低副瓣。因此，本文中的方向图均采用直角坐标系下的归一化方向图。
在图5中，横坐标：角度/Deg，以中心波束为零点，并归一化至±90°内。纵坐标：幅度/dB，表示发射或接收波束的辐射功率。
子阵级收发模块30通过行馈级双极化馈电网络40与行馈级数字T/R组件及雷达系统后端连接，用于构建完整的有源相控阵雷达系统。
借由以上的技术方案，本发明的有益效果如下：
(1)提高双极化天线一致性和稳定性。与传统波导缝隙辐射单元和微带偶极子单元不同，通过低剖面微带贴片天线可由一个辐射单元同时辐射水平、垂直极化电磁波，两个极化阵列可以做到共相位中心，利于波束扫描过程中双极化通道的一致性和稳定性，提高双偏振天气雷达的探测精度；
(2)提高相控阵天气雷达大角度电扫能力。由于每个天线单元都能实现双偏振(双极化)辐射，相比波导缝隙辐射单元和微带偶极子单元组成的阵列，减少了一半天线单元，可有效减少单元尺寸和单元间距的限制。在阵列扫描方向的天线行馈间距不再受结构尺寸限制，可以实现±45°甚至±60°的大角度电子扫描；
(3)减少损耗和噪声系数。通过芯片化的有源收发模块与天线行馈的三维集成，减少了行馈内部的功分网络损耗及造成的噪声系数，可以有效提高有源相控阵天线及系统性能；
(4)提高相控阵天线的适装性和集成性。由于采用低剖面微带天线和瓦片式三维集成，天线阵列剖面低，重量轻，可适合于地面、车载、机载等各种平台；同时易于做弧形、圆形及其他各种异形阵列设计，适合于与各种载荷平台的共形设计。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种有源相控阵天线行馈，其特征在于，所述的有源相控阵天线行馈包括依次层叠的双极化低剖面微带天线线阵、子阵级双极化馈电网络、子阵级收发模块及行馈级双极化馈电网络。
2.根据权利要求1所述的有源相控阵天线行馈，其特征在于，所述的双极化低剖面微带天线线阵包括多个在线阵方向等间距均匀排列的双极化微带贴片无线单元，每个所述的双极化微带贴片无线单元通过端口馈电实现水平、垂直双极化性能，并拓展形所述的双极化低剖面微带天线线阵成圆极化。
3.根据权利要求2所述的有源相控阵天线行馈，其特征在于，所述的双极化低剖面微带天线线阵由96个双极化微带贴片单元组成的线阵行馈分成12个8单元子阵，每个8单元子阵内设有馈电网络、收发通道。
4.根据权利要求3所述的有源相控阵天线行馈，其特征在于，所述的子阵级双极化馈电网络包括两个双极化H型馈电缝隙、两个独立的子阵级双极化功分网络及匹配微带电路。
5.根据权利要求3所述的有源相控阵天线行馈，其特征在于，所述的子阵级收发模块包括发射通道、接收通道、供电与控制模块，所述的发射通道包括2个独立的末级发射功率管，通过收发开关与天线单元的两个极化馈电端口互联；所述的接收通道通过收发开关切换，将天线单元两个极化端口接收的信号分别放大后接到子阵级馈电网络。
6.根据权利要求3所述的有源相控阵天线行馈，其特征在于，所述的行馈级双极化馈电网络包括水平、垂直两个极化的馈电网络。
7.根据权利要求6所述的有源相控阵天线行馈，其特征在于，所述的8单元子阵由双极化辐射单元层、单元馈电层、子阵馈电网络层、子阵级有源收发模块层组成。
8.根据权利要求7所述的有源相控阵天线行馈，其特征在于，所述的双极化辐射单元层采用尺寸相等的微带贴片形式。
9.根据权利要求8所述的有源相控阵天线行馈，其特征在于，所述的微带贴片的正下方，采用两组相互垂直的H型缝隙耦合馈电，实现双极化特性。
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