CN113437483A - 一种水平极化/圆极化可重构船舶雷达天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水平极化/圆极化可重构船舶雷达天线，包括介质基板、第一开缝贴片、第二开缝贴片、金属短路针、金属地板、可重构馈电网络。该结构利用基片集成波导结构，减小了船用雷达天线阵的尺寸和成本；行波结构增加了雷达天线阵的阻抗带宽；第一开缝贴片的纵向缝隙辐射垂直极化波，第二开缝贴片的“V”型缝隙辐射水平极化波，二者同时辐射合成为圆极化波；纵向缝隙和“V”型缝隙的馈电满足泰勒分布，从而减小了副瓣电平；通过控制两个射频开关电路的通断，可以实现天线阵水平极化和右旋圆极化的切换，可以适应不同的应用场景；此外，该天线阵具有结构紧凑、体积小、重量轻、成本低等特点。

Description

一种水平极化/圆极化可重构船舶雷达天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种水平极化/圆极化可重构船舶雷达天线。
背景技术
船用雷达天线的极化方式多为水平极化和圆极化。与垂直极化天线相比，水平极化天线可以减小海浪杂波的影响，因此得到广泛应用，但是其抗雨雾干扰的能力较弱。圆极化天线抗雨雾干扰能力较强，因此在船舶雷达中也得到了广泛应用。综上所述，水平极化天线和圆极化天线在船舶雷达中各有不同的应用场合。因此，为了使船舶雷达天线能够适应不同的应用环境，需要两副极化方式不同的天线，从而导致了系统体积和成本的增加。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种水平极化/圆极化可重构船舶雷达天线，包括介质基板、第一开缝贴片、第二开缝贴片、金属短路针、金属地板、可重构馈电网络；
所述第一开缝贴片包括开在贴片上的十二个结构相似的矩形缝隙Ⅰ和两个相同的微带过渡结构Ⅰ；所述十二个结构相似的矩形缝隙Ⅰ依次位于第一开缝贴片纵向中心线的两侧；所述微带过渡结构Ⅰ包括50欧姆微带线Ⅰ和梯形微带线Ⅰ；
所述第一开缝贴片位于介质基板的上表面；
所述第二开缝贴片包括开在贴片上的十个结构相似的“V”型缝隙Ⅰ和两个相同的微带过渡结构Ⅱ；所述十个结构相似的“V”型缝隙Ⅰ位于第二开缝贴片的纵向中心线上，相邻“V”型缝隙反向；所述微带过渡结构Ⅱ包括50欧姆微带线Ⅱ和梯形微带线Ⅱ；
所述第二开缝贴片位于介质基板的上表面。
所述金属短路针穿过介质基板，将第一开缝贴片、第二开缝贴片和金属地板连接起来；所述金属短路针包括短路针组合Ⅰ～短路针组合Ⅲ；所述金属短路针中所有短路钉都相同，如短路钉Ⅰ；所述短路针组合Ⅰ和短路针组合Ⅱ关于第一开缝贴片的纵向中心线呈中心对称；所述短路针组合Ⅱ和短路针组合Ⅲ关于第二开缝贴片的纵向中心线呈中心对称；
所述金属地板位于介质基板的下表面；
所述可重构馈电网络包括不等分威尔金森功分器、第一并联型射频开关电路、第二并联型射频开关电路、50欧姆输出端口Ⅰ、50欧姆输出端口Ⅱ；
所述不等分威尔金森功分器包括50欧姆输入端口、第一传输线、第二传输线、第三传输线、第四传输线、50欧姆微带线Ⅲ、50欧姆微带线Ⅳ、隔离电阻；
所述隔离电阻的一端和第三传输线并联，另一端和第四传输线并联；
所述第一并联型射频开关电路包括第一PIN二极管、第一隔直电容、第二隔直电容、第一扼流电感、第一限流电阻、第一直流电源；
所述第一隔直电容串联在50欧姆微带线Ⅲ和第二隔直电容之间；所述第二隔直电容串联在第一隔直电容和50欧姆输出端口Ⅰ之间；所述第一PIN二极管的正极并接在第一隔直电容和第二隔直电容之间，负极与地相连；所述第一扼流电感的一端并接在第一隔直电容和第二隔直电容之间，另一端与第一限流电阻相连；所述第一限流电阻的一端与第一扼流电感相连，另一端与第一直流电源的正极相连；所述第一直流电源的正极与第一限流电阻相连，负极与地相连；
所述第二并联型射频开关电路包括第二PIN二极管、第三隔直电容、第四隔直电容、第二扼流电感、第二限流电阻、第二直流电源；
所述第三隔直电容串联在50欧姆微带线Ⅳ和第四隔直电容之间；所述第四隔直电容串联在第三隔直电容和50欧姆输出端口Ⅱ之间；所述第二PIN二极管的正极并接在第三隔直电容和第四隔直电容之间，负极与地相连；所述第二扼流电感的一端并接在第三隔直电容和第四隔直电容之间，另一端与第二限流电阻相连；所述第二限流电阻的一端与第一扼流电感相连，另一端与第二直流电源的正极相连；所述第二直流电源的正极与第二限流电阻相连，负极与地相连；
进一步地，通过同轴线将50欧姆输出端口Ⅰ和50欧姆微带线Ⅰ相连；通过同轴线将50欧姆输出端口Ⅱ和50欧姆微带线Ⅱ相连。
由于采用了上述技术方案，本发明提出的一种水平极化/圆极化可重构船舶雷达天线，可以使用户能够根据应用环境便捷地切换极化方式，使天线始终工作在最佳的极化状态，且体积小、成本低，因此具有很大的应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于基片集成波导的水平极化/圆极化可重构船舶雷达天线阵的俯视图；
图2为本发明基于基片集成波导的水平极化/圆极化可重构船舶雷达天线阵的局部俯视图；
图3为本发明基于基片集成波导的水平极化/圆极化可重构船舶雷达天线阵的侧视图；
图4为本发明基于基片集成波导的水平极化/圆极化可重构船舶雷达天线阵的可重构馈电网络结构图；
图5为本发明基于基片集成波导的水平极化/圆极化可重构船舶雷达天线阵在9.4GHz处的水平极化增益方向性测试图；
图6为本发明基于基片集成波导的水平极化/圆极化可重构船舶雷达天线阵在9.4GHz处的左右旋圆极化增益方向性测试图；
图7为本发明基于基片集成波导的水平极化/圆极化可重构船舶雷达天线阵的轴比随频率的测试图；
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：
如图1至图4所示的一种水平极化/圆极化可重构船舶雷达天线，具体包括介质基板1、第一开缝贴片2、第二开缝贴片3、金属短路针4、金属地板5、可重构馈电网络6；介质基板1采用F4B板材，其相对介电常数为2.2，厚度为1mm；
所述第一开缝贴片2包括十二个结构相似的矩形缝隙Ⅰ21和两个相同的微带过渡结构Ⅰ22；所述十二个结构相似的矩形缝隙Ⅰ21依次位于第一开缝贴片2纵向中心线的两侧；所述微带过渡结构Ⅰ22包括50欧姆微带线Ⅰ221和梯形微带线Ⅰ222；十二个矩形缝隙Ⅰ21使第一开缝贴片2辐射垂直极化波，并且馈电满足泰勒分布，从而减小了副瓣电平；
所述第一开缝贴片2位于介质基板1的上表面；
所述第二开缝贴片3包括十个结构相似的“V”型微带缝隙Ⅰ31和两个相同的微带过渡结构Ⅱ32；所述十个结构相似的“V”型微带缝隙Ⅰ31位于第二开缝贴片3的纵向中心线上，相邻“V”型缝隙31反向；所述微带过渡结构Ⅱ包括50欧姆微带线Ⅱ321和梯形微带线Ⅱ322；十个“V”型微带缝隙Ⅰ31使第二开缝贴片3辐射水平极化波，并且馈电满足泰勒分布，从而减小了副瓣电平；“V”型微带缝隙Ⅰ31可以使天线阵的交叉极化鉴别率较高；
所述第二开缝贴片3位于介质基板1的上表面。
所述金属短路针4穿过介质基板1，将第一开缝贴片2、第二开缝贴片3和金属地板5连接起来；所述金属短路针4包括短路针组合Ⅰ41、短路针组合Ⅱ42短路针组合Ⅲ43；所述金属短路针4中所有短路钉都相同，如短路钉Ⅰ411；所述短路针组合Ⅰ41和短路针组合Ⅱ42关于第一开缝贴片的横向轴呈中心对称；所述短路针组合Ⅱ42和短路针组合Ⅲ43关于第二开缝贴片的横向轴呈中心对称；
所述金属地板5位于介质基板1的下表面；
所述可重构馈电网络6包括不等分威尔金森功分器61、第一并联型射频开关电路62、第二并联型射频开关电路63、50欧姆输出端口Ⅰ64、50欧姆输出端口Ⅱ65；
所述不等分威尔金森功分器61包括50欧姆输入端口611、第一传输线612、第二传输线613、第三传输线614、第四传输线615、50欧姆微带线Ⅲ616、50欧姆微带线Ⅳ617，隔离电阻618；
所述隔离电阻618的一端和第三传输线614并联，另一端和第四传输线615并联；
所述第一并联型射频开关电路62包括第一PIN二极管621、第一隔直电容622、第二隔直电容623、第一扼流电感624、第一限流电阻625、第一直流电源626；第一PIN二极管621采用SMP1340-079；
所述第一隔直电容622串联在50欧姆微带线Ⅲ616和第二隔直电容623之间；所述第二隔直电容623串联在第一隔直电容622和50欧姆输出端口Ⅰ64之间；所述第一PIN二极管621的正极并接在第一隔直电容622和第二隔直电容623之间，负极与地相连；所述第一扼流电感624的一端并接在第一隔直电容622和第二隔直电容623之间，另一端与第一限流电阻625相连；所述第一限流电阻625的一端与第一扼流电感624相连，另一端与第一直流电源626的正极相连；所述第一直流电源626的正极与第一限流电阻625相连，负极与地相连；改变第一直流电源626的电压，可以控制第一并联型射频开关电路62的通断，从而控制50欧姆输出端口Ⅰ64的通断；
所述第二并联型射频开关电路63包括第二PIN二极管631、第三隔直电容632、第四隔直电容633、第二扼流电感634、第二限流电阻635、第二直流电源636；第二PIN二极管631采用SMP1340-079；
所述第三隔直电容632串联在50欧姆微带线Ⅳ617和第四隔直电容633之间；所述第四隔直电容633串联在第三隔直电容632和50欧姆输出端口Ⅱ65之间；所述第二PIN二极管631的正极并接在第三隔直电容632和第四隔直电容633之间，负极与地相连；所述第二扼流电感634的一端并接在第三隔直电容632和第四隔直电容633之间，另一端与第二限流电阻635相连；所述第二限流电阻635的一端与第二扼流电感634相连，另一端与第二直流电源636的正极相连；所述第二直流电源636的正极与第二限流电阻635相连，负极与地相连；改变第二直流电源636的电压，可以控制第二并联型射频开关电路63的通断，从而控制50欧姆输出端口Ⅱ65的通断；
进一步地，通过同轴线将50欧姆输出端口Ⅰ64和50欧姆微带线Ⅰ221相连；通过同轴线将50欧姆输出端口Ⅱ65和50欧姆微带线Ⅱ321相连；当只有50欧姆输出端口Ⅱ65为通路时，天线阵只有第二开缝贴片3辐射水平极化波，天线阵工作在水平极化模式；当50欧姆输出端口Ⅰ64和50欧姆输出端口Ⅱ65都为通路时，天线阵的第一开缝贴片1辐射的垂直极化波和第二开缝贴片3辐射的水平极化波合成为右旋圆极化波，天线阵工作在右旋圆极化模式；
图5为本发明基于基片集成波导的水平极化/圆极化可重构船舶雷达天线阵在水平极化状态时9.4GHz处的增益方向性测试图。从图4可以看出，天线阵辐射的主极化为水平极化，在中心频率9.4GHz处，水平面最大辐射方向角θ＝-15°，主瓣宽度为10°，最大辐射方向增益为12.89dBi，副瓣电平-19.1dB，交叉极化鉴别率大于50dB，具有较窄的主瓣宽度、较低的副瓣电平和很高的交叉极化鉴别率；
图6为本发明基于基片集成波导的水平极化/圆极化可重构船舶雷达天线阵在圆极化状态时9.4GHz处的左、右旋圆极化增益方向性测试图。从图5可以看出，天线阵辐射的主极化为右旋圆极化波，在中心频率9.4GHz处，水平面最大辐射方向角度θ＝-15°，主瓣宽度9.5°，最大辐射方向增益10.31dBic，副瓣电平为-17.8dB，交叉极化鉴别率29.1dB，整体性能较好；
图7为本发明基于基片集成波导的水平极化/圆极化可重构船舶雷达天线阵在圆极化状态时的轴比随频率的曲线图。从图6可以看出，在中心频率9.4GHz处的轴比为0.91dB，在9.36～9.46GHz的频率范围内，轴比小于3dB，轴比带宽约为100MHz，具有较好的圆极化性能；
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种水平极化/圆极化可重构船舶雷达天线，其特征在于包括：介质基板、第一开缝贴片、第二开缝贴片、金属短路针、金属地板和可重构馈电网络；
所述第一开缝贴片包括开在贴片上的十二个结构相似的矩形缝隙Ⅰ和两个相同的微带过渡结构Ⅰ；所述十二个结构相似的矩形缝隙Ⅰ依次位于第一开缝贴片纵向中心线的两侧；所述微带过渡结构Ⅰ包括50欧姆微带线Ⅰ和梯形微带线Ⅰ；
所述第一开缝贴片位于介质基板的上表面；
所述第二开缝贴片包括开在贴片上的十个结构相似的“V”型缝隙Ⅰ和两个相同的微带过渡结构Ⅱ；所述十个结构相似的“V”型缝隙Ⅰ位于第二开缝贴片的纵向中心线上，相邻“V”型缝隙反向；所述微带过渡结构Ⅱ包括50欧姆微带线Ⅱ和梯形微带线Ⅱ；
所述第二开缝贴片位于介质基板的上表面；
所述金属短路针穿过介质基板，将第一开缝贴片、第二开缝贴片和金属地板连接起来；所述金属短路针包括短路针组合Ⅰ、短路针组合Ⅱ42和短路针组合Ⅲ；所述金属短路针中所有短路钉都相同即包括多个短路钉Ⅰ；所述短路针组合Ⅰ和短路针组合Ⅱ关于第一开缝贴片的纵向中心线呈中心对称；所述短路针组合Ⅱ和短路针组合Ⅲ关于第二开缝贴片的纵向中心线呈中心对称；
所述金属地板位于介质基板的下表面；
所述可重构馈电网络包括不等分威尔金森功分器、第一并联型射频开关电路、第二并联型射频开关电路、50欧姆输出端口Ⅰ和50欧姆输出端口Ⅱ；
所述不等分威尔金森功分器包括50欧姆输入端口、第一传输线、第二传输线、第三传输线、第四传输线、50欧姆微带线Ⅲ、50欧姆微带线Ⅳ和隔离电阻；
所述隔离电阻的与第三传输线并联设置、另一端与第四传输线并联设置；
所述第一并联型射频开关电路包括第一PIN二极管、第一隔直电容、第二隔直电容、第一扼流电感、第一限流电阻和第一直流电源；
所述第一隔直电容串联在50欧姆微带线Ⅲ和第二隔直电容之间；所述第二隔直电容串联在第一隔直电容和50欧姆输出端口Ⅰ之间；所述第一PIN二极管的正极并联在第一隔直电容和第二隔直电容之间、负极与地相连；所述第一扼流电感的一端并联在第一隔直电容和第二隔直电容之间、另一端与第一限流电阻相连；所述第一限流电阻的一端与第一扼流电感相连接、另一端与第一直流电源的正极相连接；所述第一直流电源的正极与第一限流电阻相连接、负极与地相连接；
所述第二并联型射频开关电路包括第二PIN二极管、第三隔直电容、第四隔直电容、第二扼流电感、第二限流电阻和第二直流电源；
所述第三隔直电容串联在50欧姆微带线Ⅳ和第四隔直电容之间；所述第四隔直电容串联在第三隔直电容和50欧姆输出端口Ⅱ之间；所述第二PIN二极管的正极并接在第三隔直电容和第四隔直电容之间、负极与地相连；所述第二扼流电感的一端并接在第三隔直电容和第四隔直电容之间、另一端与第二限流电阻相连接；所述第二限流电阻的一端与第一扼流电感相连接、另一端与第二直流电源的正极相连接；所述第二直流电源的正极与第二限流电阻相连接、负极与地相连接。
2.根据权利要求1所述的一种水平极化/圆极化可重构船舶雷达天线，其特征在于：通过同轴线将50欧姆输出端口Ⅰ和50欧姆微带线Ⅰ相连接；通过同轴线将50欧姆输出端口Ⅱ和50欧姆微带线Ⅱ相连接。
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