CN113437484B - 一种基于色散媒质的频率扫描天线、控制方法及应用 - Google Patents

一种基于色散媒质的频率扫描天线、控制方法及应用 Download PDF

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CN113437484B CN202110526113.5A CN202110526113A CN113437484B CN 113437484 B CN113437484 B CN 113437484B CN 202110526113 A CN202110526113 A CN 202110526113A CN 113437484 B CN113437484 B CN 113437484B
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Abstract

本发明属于天线技术领域，公开了一种基于色散媒质的频率扫描天线、控制方法及应用，包括色散斜劈媒质块和馈电阵列。色散斜劈媒质块覆盖于馈电阵列上且预留间隔。本发明利用色散斜劈媒质块产生的色散相移和斜坡产生的基础相移叠加后形成随频率变化的相位差。当相位差附加在常规均匀馈电阵列相邻单元上可以实现波束随频率扫描。当相位差附加在传统频扫天线时，可以实现对扫描角度的拓宽。进一步，色散媒质还可以将传统频扫天线中心频点一侧频带对应的扫描范围扩展至越过法线，且波束过零点驻波不会升高，解决了传统频扫天线在过零点处驻波突然升高的问题，提升了频扫范围内天线系统的整体口径利用效率。

Description

一种基于色散媒质的频率扫描天线、控制方法及应用
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种基于色散媒质的频率扫描天线、控制方法及应用。
背景技术
目前：在军事通信领域、机载和舰载预警雷达在搜寻目标时，都需要不断地改变波束方向。早期雷达天线依靠不断的做机械转动实现的波束扫描的方式不能实现快速扫描的要求，因此机械扫描雷达逐渐退出应用。电扫描天线技术开始应用于机载雷达中。典型的电扫天线包括相扫和频扫两种方式，频率扫描天线在其中具有更低成本、结构简单等优势，并且馈电简单，仅通过改变馈电频率即可实现波束的扫描。
传统的漏波频扫天线的劣势在于在较窄的频带范围内扫描范围过小，且存在使波束指向为天线所在平面法向的频点上由于各辐射缝隙产生的反射同相叠加，导致驻波突然升高这一固有缺陷。尽管后续人们采用慢波线形式拓宽扫描范围，但上述固有缺陷依旧不能得到解决，在进行使用时不得不摒弃法向指向的波束，给实际应用带来诸多不便。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统的漏波频扫天线在较窄的频带范围内扫描范围过小，且存在使波束指向为天线所在平面法向的频点上由于各辐射缝隙产生的反射同相叠加，导致驻波突然升高这一固有缺陷。
解决以上问题及缺陷的难度为：在通过蛇形慢波线会导致天线尺寸增大；且对应于波束指向法向的状态，馈线内部需对辐射缝隙的同相激励，此时各个辐射单元在内部产生同相叠加的反射，导致该频点驻波比和天线整体特性的恶化。
解决以上问题及缺陷的意义为：建立新的波束扫描机制可以规避传统频扫天线反射信号同相叠加问题，通过引入外部附加相位差来实现过零点的波束指向，从根本上解决反射问题。也可以拓展传统频扫天线在指定带宽上的波束扫描范围，获得包括过法向在内的连续角度扫描且匹配良好，为频扫天线的使用提供方便。波束过零，同步提升了频扫范围内天线系统的整体口径利用效率。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于色散媒质的频率扫描天线、控制方法及应用。
本发明是这样实现的，一种基于色散媒质的频率扫描天线包括：
带有坡度的色散斜劈媒质块和馈电阵列；
所述色散斜劈媒质块覆盖于馈电阵列之上且与馈电阵列之间预留有间隔。
进一步，所述色散斜劈媒质块具有一定坡度，此坡度夹角表示为α，此色散斜劈媒质块底部距离馈电阵列的高度表示为hp_1，所述色散斜劈媒质块宽度表示为w。
进一步，所述色散斜劈媒质块的相对介电常数为随频率变化的函数εr(f)。
进一步，由馈电阵列不同单元辐射出的电磁波经自由空间中进入色散斜劈媒质块中继续传播且原本的相位发生改变，单元间由此色散斜劈媒质块产生的附加相位差为：
Figure BDA0003065818310000021
其中，
Figure BDA0003065818310000023
和
Figure BDA0003065818310000024
分别为色散斜劈媒质块中频率f1、f2对应的波数，d为馈电阵列单元间距，α为色散斜劈媒质块的坡度夹角，εr(f1)、εr(f2)分别为色散斜劈媒质块中频率f1、f2对应的介电常数，k0为自由空间中的波数；
再根据自由空间中波束发生偏转的角度与直线阵中各单元间相位差的关系：
Figure BDA0003065818310000022
其中，
Figure BDA0003065818310000031
为单元间相位差，θ为波束偏转角度；
式
Figure BDA0003065818310000032
与式
Figure BDA0003065818310000033
等价，即可得到由色散斜劈媒质块引起的相位差产生的波束偏转角度，如式：
Figure BDA0003065818310000034
Figure BDA0003065818310000035
其中，θ为由色散斜劈媒质块引起的相位差产生的波束偏转角度。为频率的函数，构成频扫效应。
进一步，当馈电阵列采用传统频扫天线时，波束扫描取决于单元间相位差，该相位差此时由频扫馈电阵列自身在不同频率上产生的相位差和加载的色散斜劈媒质块引起的附加相位差两部分叠加而成。从而扩展了频扫馈电阵列的扫描范围。
进一步，采用适当的设计，色散媒质还可以将传统频扫天线中心频点一侧频带对应的扫描范围扩展至越过法线，此时波束过零点位置并不对应于馈电系统的反射同相叠加电，驻波不会升高。从而解决了传统频扫天线在过零点处驻波突然升高的问题。进一步提升了频扫范围内天线系统的整体口径利用效率。
进一步，本发明所提出的方法即可用于一维线阵，也可用于二维面阵。
本发明的另一目的在于提供一种机载预警雷达搜寻目标的方法，所述机载预警雷达搜寻目标的方法使用所述基于色散媒质的频率扫描天线。
本发明的另一目的在于提供一种舰载预警雷达搜寻目标的方法，所述舰载预警雷达搜寻目标的方法使用所述基于色散媒质的频率扫描天线。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明所采用的色散斜劈媒质块，其色散特性和由斜面坡度造成的相邻辐射单元的相位差均对附加相位差的产生做出贡献，可较大程度实现天线系统波束随频率的扫描。将其覆盖在传统频扫天线上，可拓宽指定频带内波束扫描角度范围。进一步，当斜面坡度达到一定值时，可将中心频点一侧频带对应的扫描范围扩展至包括过零点后的另一侧且驻波不会升高，从而避免了传统频扫天线在过零点处驻波突然升高这一固有缺陷。提升了频扫范围内天线系统的整体口径利用效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，此实施例中的馈电阵列采用基于波导慢波线的传统频扫天线。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是本发明实施例提供的基于色散媒质的频率扫描天线的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的基于色散媒质的频率扫描天线的主视图。
图3是本发明实施例提供的基于色散媒质的频率扫描天线的俯视图。
图4是本发明实施例提供的非馈电端的局部放大图。
图5是本发明实施例提供的馈电端的局部放大图。
图6是本发明实施例提供的频率-驻波仿真结果图。
图7是本发明实施例提供的不加色散斜劈媒质块的频率-驻波仿真结果图。
图8是本发明实施例提供的扫描角度-增益方向图仿真结果图。
图9是本发明实施例提供的不加色散斜劈媒质块的扫描角度-增益方向图仿真结果图。
图中：1、波导慢波线形式的馈电阵列；2、色散斜劈媒质块；1.1、直线波导段；1.2、弯头。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于色散媒质的频率扫描天线、控制方法及应用。传统频率扫描天线的工作原理是：其本质是一漏波型直线阵，此线阵一端激励，一端吸收，激励进来的电磁波一边传播一边通过缝隙辐射，最终剩下的能量被负载吸收，因此构成行波结构。以未进行锥削时的直线阵为例，此直线阵中每一辐射单元电流的幅度相等，相位需要依次变化，在相邻阵元中形成
Figure BDA0003065818310000051
的相位差。当有某一频率的激励使相位差
Figure BDA0003065818310000052
即所有阵元同相激励时，等相位面是与阵列所在直线平行的一个平面，此时阵列方向图的主波束指向为阵列所在直线的法线方向。当频率偏离，且相位差
Figure BDA0003065818310000053
不为0时，各辐射单元电流相位会依次递增，导致等相位面发生倾斜，和阵列所在直线不再平行，这样在远区场的最大辐射方向也将与阵列直线的法线方向形成一个夹角。随着馈电频率的升高，波长减小，而线阵中相邻单元间几何长度不变，这会使相邻阵元间的相位差
Figure BDA0003065818310000054
逐渐增大，进而使得各阵元辐射的等相位面倾角越来越大，最终导致阵列最大辐射方向的波束指向与阵列所在直线的法线方向形成的夹角逐渐增大；反之，随着频率的降低，会使此夹角逐渐减小。这样，通过改变馈源频率，即可实现波束扫描效果。
本发明提出的基于色散媒质的频率扫描天线，利用所加载媒质的色散特性与几何结构，在天线外部空间对应的每个辐射单元之上会对应的形成附加相位差
Figure BDA0003065818310000055
且此附加相位差随频率变化而变化。此时，实现波束扫描的单元间相位差由馈电阵列中单元间自身存在的相位差和加载的色散斜劈媒质块引起的附加相位差两部分叠加而成，即可起到在馈源频率范围不变而拓展天线波束扫描范围的效果。
下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明实施例提供的基于色散媒质的频率扫描天线包括波导慢波线形式的馈电阵列1、色散斜劈媒质块2。波导慢波线形式的馈电阵列1由n个开缝的直线波导段1.1和n-1个连接直线波导段的弯头1.2组成，该弯头1.2为切角的180°弯头，直线波导段1.1上所开缝隙具有不同的长度和不同的倾斜角度；色散斜劈媒质块2覆盖于波导慢波线形式的馈电阵列1所开的缝隙之上且距离缝隙有一定高度。
波导慢波线形式的馈电阵列1由n个开缝的直线波导段和n-1个连接直线波导段的弯头组成，该弯头为带切角的180°弯头；
色散斜劈媒质块2覆盖于波导慢波线形式的馈电阵列1所开的缝隙之上且与缝隙之间预留有间隔。
n个开缝的直线波导段所开缝隙的长度、倾斜角度各不相同，用于控制每一单元辐射电流幅度分布以实现波束锥削效果，具体尺寸按照缝隙辐射电流所遵循的泰勒分布进行设计，缝隙之间距离表示为d。
色散斜劈媒质块具有一定坡度，此坡度夹角表示为α，此色散斜劈媒质块底部距离馈电阵列的高度表示为hp_1，所述色散斜劈媒质块宽度表示为w。
色散斜劈媒质块的相对介电常数为随频率变化的函数εr(f)。
由馈电阵列中各单元辐射出的电磁波经自由空间中进入色散斜劈媒质块中继续传播且原本的相位发生改变，缝隙单元间由此色散斜劈媒质块产生的附加相位差为：
Figure BDA0003065818310000061
其中，
Figure BDA0003065818310000064
和
Figure BDA0003065818310000065
分别为色散斜劈媒质块中频率f1、f2对应的波数，d为馈电阵列单元间距，α为色散斜劈媒质块的坡度夹角，εr(f1)、εr(f2)分别为色散斜劈媒质块中频率f1、f2对应的介电常数，k0为自由空间中的波数；
再根据自由空间中波束发生偏转的角度与直线阵中各单元间相位差的关系：
Figure BDA0003065818310000062
其中，
Figure BDA0003065818310000063
为单元间相位差，θ为波束偏转角度；
式
Figure BDA0003065818310000071
与式
Figure BDA0003065818310000072
等价，即可得到由色散斜劈媒质块引起的相位差产生的波束偏转角度，如式：
Figure BDA0003065818310000073
Figure BDA0003065818310000074
其中，θ为由色散斜劈媒质块引起的相位差产生的波束偏转角度。
实现波束扫描的单元间相位差由波导慢波线形式的馈电阵列自身对不同频率在传播相同距离时在辐射缝隙上产生的相位差和加载的色散斜劈媒质块引起的附加相位差两部分叠加而成。
在利用较少的频谱资源实现较大角度范围的扫描时，往往采取慢波线形式的波导裂缝结构，然而此结构中存在大量必不可少的180°弯头，这势必会在电磁波传输过程中产生反射，所以在本发明中采取切角的弯头形式，通过调整切角大小，在局部引入多次反射来抵消总体反射，从而降低天线驻波。
为了进一步扩展天线扫描范围，本发明采用带坡度的色散斜劈媒质块加载的方式在空间中引入单元间的附加相位差，此附加相位差由媒质的色散特性和斜面坡度两个因素产生，可较大程度的拓宽波束扫描范围。通过优化调节媒质块底部与馈电阵列之间的距离使得电磁波的传播在空间中匹配。
传统的频率扫描天线，不论何种形式，都会在使波束指向天线所在面法向对应的频率处由于缝隙反射同相叠加，会突然出现很大的驻波，使天线无法使用法向指向的最大增益频率区，限制了天线的口径利用效率。为了避免这一问题，本发明利用带坡度的色散媒质将扫描范围扩大这一特性，进一步的使中心频点一侧频带对应的扫描范围跨向包括天线所在面法向在内的另一侧而驻波不会升高，从而保证了方位向正负扫描角度的连续性。此时波束频扫区域越过法向，整个频带内口径利用率提升。
波导慢波线形式的馈电阵列1长度尺寸为n个波导宽度与n-1个波导间距“d”之和。弯头1.2的切角切入深度表示为β，优选为20deg。
色散斜劈媒质块2在靠近馈电端一侧的厚度表示为h1，优选为1mm，在远离馈电端一侧的厚度表示为h1+h2，h2为两端高度差。
色散斜劈媒质块2的长度为波导慢波线形式的馈电阵列1长度尺寸+d，其左右两端距波导慢波线形式的馈电阵列1的左右两端分别为d/2，此时，通过长度与高度差可得斜面坡度夹角α为9deg，媒质快宽度表示为w。其底部距波导慢波线形式的馈电阵列1的高度表示为hp_1。
色散斜劈媒质块2的色散特性表示为其相对介电常数为随频率变化的函数，优选为er(f)＝10f-139。
以下结合仿真实验对本发明的技术效果作进一步详细描述
如图6、图7、图8和图9所示，利用电磁仿真软件在14.55GHz～14.99GHz范围内进行仿真计算。
图6为本发明的频率-驻波仿真结果图，如图所示，在全频段内驻波比＜1.5，说明天线匹配性能良好，其扫描范围包括过零点在内有效可用。
图7为与本发明使用同一馈电阵列但不加色散斜劈媒质块的对比频扫天线的频率-驻波仿真结果图，如图所示，在全频段内驻波比＜1.5，与本发明的仿真结果相近，说明本发明中加载的色散斜劈媒质块不会对馈电阵列本身产生消极影响。
图8为本发明的扫描角度-增益方向图仿真结果图，如图所示，横坐标为方位面角度，单位为“度”，纵坐标为归一化可实现增益，单位为dB,图中给出了14.55GHz～14.99GHz范围内间隔为0.04GHz的12组数据。在14.55GHz时波束指向为-18°，在14.99GHz时波束指向为17°，在全频段范围内扫描角度变化35°。
图9为与本发明使用同一馈电阵列但不加色散斜劈媒质块的对比频扫天线的扫描角度-增益方向图仿真结果图，图中给出了14.55GHz～14.99GHz范围内间隔为0.04GHz的12组数据。在14.55GHz时波束指向为-31.4°，在14.99GHz时波束指向为-1.2°，在全频段范围内扫描角度变化30.2°。
可以看出，本发明天线可以在14.55GHz～14.99GHz的频段内实现包括过零点在内的-18°～17°的连续扫描且匹配良好，在2.979％的相对带宽内扫描角度变化35°，大于不加色散斜劈媒质块的对比频扫天线的扫描范围。
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；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述均以基于波导慢波线的传统频扫天线作为馈电阵列为例进行说明，基于其他形式结构的频扫天线与常规均匀馈电阵列同样在保护范围内。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于色散媒质的频率扫描天线，其特征在于，所述基于色散媒质的频率扫描天线包括：
色散斜劈媒质块和馈电阵列；馈电阵列可为常规均匀线阵，也可以是包含慢波线结构的频扫阵列；所述的色散斜劈媒质块覆盖于馈电阵列之上，且预留有间隔；
所述的色散斜劈媒质块具有一定坡度，此坡度夹角表示为α，此色散斜劈媒质块底部距离馈电阵列之上的高度表示为hp_1，宽度表示为w；
所述的色散斜劈媒质块的相对介电常数为随频率变化的函数，表示为εr(f)，色散斜劈媒质块产生的附加相位差为：
Figure FDA0003624571480000011
其中，
Figure FDA0003624571480000017
和
Figure FDA0003624571480000018
分别为色散斜劈媒质块中频率f1、f2对应的波数，d为馈电阵列单元间距，α为色散斜劈媒质块的坡度夹角，εr(f1)、εr(f2)分别为色散斜劈媒质块中频率f1、f2对应的介电常数，k0为自由空间中的波数；
再根据自由空间中波束发生偏转的角度与馈电阵列中各单元间相位差的关系：
Figure FDA0003624571480000012
其中，
Figure FDA0003624571480000013
为单元间相位差，θ为波束偏转角度；
式
Figure FDA0003624571480000014
与式
Figure FDA0003624571480000015
等价，即可得到由色散斜劈媒质块引起的相位差产生的波束偏转角度，如式：
Figure FDA0003624571480000016
其中，θ为由色散斜劈媒质块引起的相位差产生的波束偏转角度，与频率相关，形成波束频扫效应。
2.如权利要求1所述的基于色散媒质的频率扫描天线，馈电阵列可为常规均匀线阵，也可以是包含慢波线结构的频扫阵列，色散媒质可以使常规均匀阵列形成波束扫描效果，也可以扩宽传统频扫阵列的扫描范围，解决波束过零问题。
3.如权利要求1所述的基于色散媒质的频率扫描天线，其特征在于，基于媒质块覆盖的频扫效应即可用于一维线阵，也可用于二维面阵。
4.一种机载预警雷达搜寻目标的方法，其特征在于，所述机载预警雷达搜寻目标的方法使用权利要求1～3任意一项所述基于色散媒质的频率扫描天线。
5.一种舰载预警雷达搜寻目标的方法，其特征在于，所述舰载预警雷达搜寻目标的方法使用权利要求1～3任意一项所述基于色散媒质的频率扫描天线。
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