CN113594700A - 一种低成本无源相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低成本无源相控阵天线，属于微波毫米波天线技术领域。该相控阵天线采用模块化设计，由辐射模块、移相模块和馈电网络组成。在移相模块中，提出一种介质加载移相器：即通过在矩形波导宽面轴线上开非辐射槽，然后经过该非辐射槽加载介质薄板，通过相位调节装置的微电机/微马达控制介质薄板的探入深度，从而改变矩形波导的传输相位。进一步将该介质加载移相器用于相控阵天线的设计：在集成辐射模块和馈电网络后，通过实时调节不同通道内介质板的加载深入，完成波束扫描。本发明适合扫描角度要求不太高，但对功率容量和成本有较高要求的应用场合。

Description

一种低成本无源相控阵天线
技术领域
本发明涉及到微波毫米波天线技术领域，特别涉及一种低成本无源相控阵天线。
背景技术
波束扫描是天线设计的一个关键技术。一般来说，可以通过机械扫描或电子扫描的方式来实现。机械扫描通过电机带动齿轮等传动装置实现阵面的物理位置变化，从而实现波束指向的改变；电子扫描的典型代表是相控阵天线，其波束扫描原理是借助移相器或时延技术实现阵面相位波前的变化，而天线主体可以保持固定不动。相比于机械扫描，电子扫描速度快，但成本较高。如何实现低成本相控阵天线是目前学术界和工业界关心的一个热点问题，具有重要的研究价值和应用前景。
根据公开报道，低成本相控阵的实现途径主要是器件加载和稀疏阵列。前者通过在天线单元或馈电传输线上加载低成本的PIN管或变容管，代替传统的移相器。但受限于加载器件自身较低的截止工作频率，在微波频带高端以及毫米波频段，天线性能难以满足工程应用需求。例如，文献“A defected microstrip structure(DMS)-based phase shifterand its application to beamforming antennas”C.Ding et al,IEEE Transactions onAntennas and Propagation,vol.62,no.2,pp.641-651,2014提出一种工作在C频段的波束扫描阵列天线，通过在微带线馈电网络上加载多组PIN二极管，并控制其通断状态实现天线单元的步进相位差，从而形成有限的几个离散波束状态。文献“Steerable dielectricresonator phased-array antenna based on inkjet-printed tunable phase shifterwith BST metal-insulator-metal varactors”M.Nikfalazar et al,IEEE Antennas andWireless Propagation Letters,vol.15,pp.877-880,2016介绍了一种基于变容管的相控阵天线，工作在8GHz附近，通过加载50V的偏置电压，实现了±30°的波束调控。
低成本相控阵的另一途径是采用稀疏布阵，如文献“Design of low-complexity3-D underwater imaging system with sparse planar arrays”D.D.Zhao et al,IEEETransactions on Instrumentation and Measurement,vol.68,no.10,pp.3418-3432,2019中所采用的方法。其思想是通过优化阵列布局以减少天线单元和通道数目，从而达到降低成本的目的，代价是天线的口径效率较低。
从现有技术可以发现，针对相控阵的策略很难兼顾性能和成本。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种低成本无源相控阵天线。该制作方法具有可操作性强，成本低，精度高等优点。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种低成本无源相控阵天线，包括顺次连接的辐射模块、移相模块和馈电网络；所述辐射模块为波导口阵列，其由多个并立的口径辐射单元组成；所述口径辐射单元包括内口径、外口径以及内口径和外口径之间的阶梯过渡；
所述移相模块包括介质加载波导移相器和相位调节装置；所述介质加载波导移相器包括矩形波导，所述矩形波导的宽面上设有矩形槽，矩形槽内设有贯穿至矩形波导内的介质板；所述相位调节装置用于调节介质板在矩形波导中的探入深度进而改变移相量；所述矩形槽的轴线与矩形波导211的宽面轴线重合，且矩形槽的延伸方向和矩形波导的延伸方向相同；
所述馈电网络包括级联的波导功分器和端口过渡结构。
进一步的，所述矩形槽212的宽度大于介质板213的厚度，矩形槽212的长度大于介质板213的长度，介质板213的高度大于矩形波导211的高度。
进一步的，所述矩形槽至少一个，每一矩形槽的中轴线均与其所在宽面上的中轴线重合。
进一步的，在矩形波导的一侧宽面设有矩形槽，或者相对的两宽面上均设有矩形槽。
进一步的，作用于矩形波导腔体内的介质板的形状为矩形、梯形或者椭圆形。
进一步的，所述相位调节装置22包括驱动电机221，升降装置222，夹具223和平台224。
进一步的，所述驱动电机为微电机。
本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明通过在波导宽面轴线上开非辐射槽，通过非辐射槽加载探入深度可调节的介质薄板实现相位可变的波导移相器，并且将该移相器用于阵列天线的设计中，实现连续波束扫描。所发明的一种低成本相控阵天线具有宽带、高效率、功率容量大的特点，并且可以拓展到毫米波频段。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例移相模块结构示意图；
图3是本发明实施例的介质加载移相器装配图；
图4是本发明实施例的辐射模块结构图；
图5是本发明实施例的馈电网络组成示意图；
图6是本发明实施例的典型波束扫描仿真图。
图中：辐射模块1、口径辐射单元11、外口径111、内口径112、阶梯过渡113、移相模块2、介质加载波导移相器21、矩形波导211、矩形槽212、介质板213、相位调节装置22、驱动电机221、升降装置222、夹具223、平台224、馈电网络3、波导功分器31、端口过渡结构32。
具体实施方式
下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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。
一种低成本相控阵天线，从前到后依此为辐射模块1，移相模块2和馈电网络3。所述辐射模块1为波导口径阵列，由若干个口径辐射单元11组成。所述口径辐射单元11包括外口径111，内口径112以及阶梯过渡113；所述移相模块2由介质加载波导移相器21和相位调节装置22组成。所述介质加载波导移相器21由矩形波导211，矩形槽212和介质板213组成。所述相位调节装置22由驱动电机221，升降装置222，夹具223和平台224组成；馈电网络3由多个波导功分器31和端口过渡结构32级联组成。
进一步的，所述矩形槽212位于矩形波导211的一侧宽面上，并且其轴线与矩形波导211的宽面轴线重合，槽深与波导壁厚相同。矩形槽212的宽度略大于介质板213的厚度，矩形槽212的长度略大于介质板213的长度。介质板213的高度大于矩形波导211的高度。
进一步的，所述介质板213通过矩形槽212进入矩形波导211内部，构成介质加载波导移相器21，通过调节介质板213在矩形波导211中的探入深度改变移相量。
进一步的，所述介质板213的形状可以采用切角或倒角的方式改变，如梯形，以改善矩形波导211内电磁波的反射特性。
进一步的，内口径112与矩形波导211具有相同的横截面尺寸，阶梯过渡113可以是多阶过渡结构，实现内口径112到外口径111的结构渐变，并且和外口径111一起承担矩形波导211出口和自由空间之间的阻抗变换。
下面为一更具体的实施例：
本实施例的结构如图1至5所示，包括从前到后依此为辐射模块1，移相模块2和馈电网络3。
如图1所示，辐射模块1的一侧与自由空间相接，馈电馈网3的合路端口与收发机相相连，辐射模块1和馈电馈网3的另一侧分别连接移相模块2的两端。
如图2和3所示，移相模块2由介质加载波导移相器21和相位调节装置22组成。介质加载波导移相器21由矩形波导211，矩形槽212和介质板213组成。相位调节装置22由驱动电机221，升降装置222，夹具223和平台224组成。通过相位调节装置22控制介质板213在矩形波导211中的加载深度，从而调节矩形波导段的移相量。通过动态配置每一个移相通道的移相量实现波束扫描。
在实施例中，由于介质板213是通过矩形波导211宽面中心轴线上的非辐射槽，即矩形槽212，进入波导内部实现加载的，因此移相器的插损主要来自介质损耗和反射损耗，辐射损耗的贡献可以忽略。为了减小反射损耗，介质板213的形状可以采用切角或倒角的方式改变，例如图1所示的梯形结构。为了尽可能保证高功率特性，可以在劈尖结构的顶点处做圆弧处理，以消除尖端放电现象。
如图4所示，辐射器1由若干个口径辐射单元11组成。所述口径辐射单元11包括外口径111，内口径112以及阶梯过渡113。阶梯过渡113可以是多阶过渡结构，实现内口径112到外口径111的结构渐变，并且和外口径111一起承担矩形波导211出口和自由空间之间的阻抗变换，从而进一步改善天线的反射特性。
如图5所示，馈电网络3由多个波导功分器31和端口过渡结构32级联组成，用以通道合成和接口转换，从而实现相控阵天线和收发机之间的低损耗互联。
针对该方案完成了一种低成本相控阵天线的具体设计。本实施例中一种低成本相控阵天线为1×4阵列，其中心频率为10GHz，对其在Ansys Electronics Desktop中进行电磁全波仿真。口径辐射单元11的外口径111的尺寸为19.05mm×13.03mm，长度为4.5mm；内口径112的尺寸为19.05mm×9.525mm，与标准BJ120矩形波导的横截面内尺寸相同。口径辐射单元11与相邻辐射单元之间的阵元间距选择为22.05mm，即0.735λ0。介质加载波导移相器21中的矩形波导211选用标准BJ120矩形波导管，材料可以为铝、铜、或者铝合金、铜合金等；矩形槽212的长度为180mm，宽度为0.9mm，厚度与矩形波导211的宽面厚度相同；介质板213的材料为Rogers R04003,介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027，厚度0.813mm，长度为178mm，两端做切角，整体呈梯形。为了得到最大移相量，介质板213的最大插入深度选择为矩形波导管的窄边尺寸，即9.525mm，并且介质板设计时预留出连接部分，用于和相位调节装置22中的夹具223相连接。驱动电机221带动升降装置222实现介质板213在矩形波导211的加载深度调节。相位调节装置22采用微电机/微马达结构实现小型化设计。馈电网络3包括两级1分2路H面波导功分器31，和一个端口过渡结构32这里简化设计为一个E面波导弯头。仿真结果表明，所设计的1×4阵列在9GHz～11GHz的范围内，天线电压驻波比小于2，通过调节四个介质板的加载深度，可实现±23°的连续波束扫描，如图6所示。在中心频率处，扫描增益小于1dB，在扫描角度内，天线效率大于70％。

Claims (7)

1.一种低成本无源相控阵天线，包括顺次连接的辐射模块、移相模块和馈电网络；其特征在于，所述辐射模块为波导口阵列，其由多个并立的口径辐射单元组成；所述口径辐射单元包括内口径、外口径以及内口径和外口径之间的阶梯过渡；
所述移相模块包括介质加载波导移相器和相位调节装置；所述介质加载波导移相器包括矩形波导，所述矩形波导的宽面上设有矩形槽，矩形槽内设有贯穿至矩形波导内的介质板；所述相位调节装置用于调节介质板在矩形波导中的探入深度进而改变移相量；所述矩形槽的轴线与矩形波导(211)的宽面轴线重合，且矩形槽的延伸方向和矩形波导的延伸方向相同；
所述馈电网络包括级联的波导功分器和端口过渡结构。
2.根据权利要求1所述的一种低成本无源相控阵天线，其特征在于，所述矩形槽(212)的宽度大于介质板(213)的厚度，矩形槽(212)的长度大于介质板(213)的长度，介质板(213)的高度大于矩形波导(211)的高度。
3.根据权利要求1所述的一种低成本无源相控阵天线，其特征在于，所述矩形槽至少一个，每一矩形槽的中轴线均与其所在宽面上的中轴线重合。
4.根据权利要求1所述的一种低成本无源相控阵天线，其特征在于，在矩形波导的一侧宽面设有矩形槽，或者相对的两宽面上均设有矩形槽。
5.根据权利要求1所述的一种低成本无源相控阵天线，其特征在于，作用于矩形波导腔体内的介质板的形状为矩形、梯形或者椭圆形。
6.根据权利要求1所述的一种低成本无源相控阵天线，其特征在于，所述相位调节装置(22)包括驱动电机(221)、升降装置(222)，夹具(223)和平台(224)。
7.根据权利要求6所述的一种低成本无源相控阵天线，其特征在于，所述驱动电机为微电机。
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