CN113851833B - 基于方向图可重构子阵技术的栅瓣抑制宽角扫描相控阵 - Google Patents

基于方向图可重构子阵技术的栅瓣抑制宽角扫描相控阵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于方向图可重构子阵技术的栅瓣抑制宽角扫描相控阵，属于微波天线技术领域。该相控阵由周期排列的子阵组成，子阵中包含两个天线单元。本发明天线单元工作频带能够覆盖整个X波段，达到40％的阻抗带宽；天线单元采用弯折金属探针馈电，实现了小型化。通过对子阵方向图进行可重构，运用零点对准的栅瓣抑制技术优化子阵内单元间距和相位差，实现相控阵整个频带内，在xoz面的±50°扫描，旁瓣电平均小于‑10.5dB，在yoz面的±30°扫描，旁瓣电平均小于‑8.6dB，且在y方向只有0.2dB的增益衰落，保证了较好的增益平坦度。

Description

基于方向图可重构子阵技术的栅瓣抑制宽角扫描相控阵
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种基于方向图可重构子阵技术的栅瓣抑制宽角扫描相控阵。
背景技术
随着现代航空航天技术的发展，在现代20世纪60年代初，出现了第一款电扫描相控阵雷达，相比于机械扫描类型的雷达最明显的区别在于阵列天线无需机械转动，就能够进行波束扫描，因此国内外专家开始研究相控阵技术来实现更好的辐射性能。随着二维扫描相控阵的研制，发现成本高额的移相器和T/R组件占据了整个相控阵系统造价的70％到80％。因此在确保天线辐射特性的情况下，降低相控阵的成本在工程应用中意义重大。对于大型阵列，增加阵列天线间距，即形成大间距阵列是减少阵元数目、降低成本的一种有效途径。然而大间距的周期性排布势必会出现栅瓣，限制了相控阵的扫描角度。因此对大间距阵列的栅瓣抑制技术的研究显得至关重要。
专利文献CN107230843A(申请号201710319348.0)公开发布了一种基于不规则子阵排列的相控阵天线，以非周期排布的不规则子阵的方式组成了12×12的相控阵，每个子阵由两个天线单元组成。该相控阵能够实现±5度到±20度的扫描范围且不会出现栅瓣，通过子阵形式降低了系统成本。这种方法利用非周期排布形式，将栅瓣能量分散，从而抑制栅瓣。但是在实际运用对相控阵进行校准时难度较大，并且在宽带应用方向受到限制。
专利文献CN111293438A(申请号202010104803.7)公开发布了一种基于均匀线阵宽带波束形成的栅瓣抑制方法及系统，通过低栅瓣协方差矩阵采用自适应波束形成算法求得每个频点的权值，根据每个频点的权值进行均匀线阵的宽波束形成。解决了宽带波束形成中由于波束扫描所产生的栅瓣问题，适用于均匀线阵，且不受天线尺寸和形式的影响。但是该算法只是理论方面的计算，没有考虑在实际阵列中单元互耦对扫描特性的影响，并且算法复杂度较高，时效性较低。
关于大间距天线阵列栅瓣抑制技术，结合低成本和低复杂度特点的宽带应用还需要进一步的研究。
发明内容
本发明是针对背景技术中提到的不足，提供一种基于方向图可重构子阵技术的栅瓣抑制宽角扫描相控阵。
本发明采取的技术方案是：
一种基于方向图可重构子阵技术的栅瓣抑制宽角扫描相控阵，其特征在于，该相控阵包括若干个周期排列的子阵；所述子阵在x方向的周期为0.5λ，在y方向的周期为1λ；
所述子阵由两个沿y方向排列的天线单元组成；所述子阵中的两个天线单元之间的中心距为0.64λ；λ为最高工作频率下的自由空间波长；
所述天线单元包括从上至下层叠设置的第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、第四介质基板、第五介质基板；
所述第一介质基板上表面设置有寄生贴片；
所述第一介质基板与第二介质基板之间设置有辐射贴片，所述辐射贴片上设置有馈电点；
所述寄生贴片和辐射贴片的中心与天线单元的中心重合；
所述第二介质基板与第三介质基板之间设置有上层矩形微带线、上层方形微带线；
所述第三介质基板与第四介质基板之间设置有第一中层方形微带线、第二中层方形微带线、第三中层方形微带线；
所述第四介质基板与第五介质基板之间设置有下层矩形微带线、下层方形微带线；
所述第五介质基板下表面覆盖有金属接地层；
所述金属接地层设置有圆形孔；
所述天线单元为同轴馈电，通过弯折金属探针连接馈电点。
进一步地，所述寄生贴片与所述辐射贴片均为菱形结构，且寄生贴片与所述辐射贴片的对角线与天线单元的中线重合；所述寄生贴片尺寸与辐射贴片不同；
进一步地，所述弯折金属探针包括第一金属探针、第二金属探针、第三金属探针；所述第一金属探针穿过圆形孔，依次连接下层方形贴片、第一中层方形贴片，与上层矩形贴片的一端连接；所述第二金属探针依次连接上层矩形贴片的另一端、第二中层方形贴片、下层矩形贴片的一端；所述第三金属探针依次连接下层矩形贴片的另一端、第三中层方形贴片、上层方形贴片、馈电点。
进一步地，所述第二金属探针的中心与天线单元的中心重合；所述第一金属探针、第二金属探针、第三金属探针的中轴线位于同一平面上；所述第一金属探针、第二金属探针、第三金属探针的间距相同。
本发明的天线阵列是以子阵形式在x和y方向进行周期均匀排布，在x方向根据栅瓣扫描到大角度的出现条件设置周期为0.5个波长，在y方向由于子阵尺寸限制设置周期为1个波长。每个子阵均由两个沿y方向排列中心距为0.64个波长的天线单元组成，该中心距是结合所设计的两个子阵方向图可重构模式和相控阵阵因子通过零点对准方式优化得到。
天线单元的多层介质结构和多谐振点的引入实现了频率覆盖整个X波段，达到了40％的阻抗带宽。天线单元通过弯折形金属探针馈电的方式实现了小型化，有利于子阵内的单元大间距排列，从而减小单元之间的耦合。同时在保证天线单元整体尺寸小型化的情况下，优化了单元内部结构尺寸，使得单元辐射方向图呈现较窄的波束宽度即较高增益，使得零陷深度较主瓣增益衰落更大，获得更好的栅瓣抑制效果。
本发明的两种方向图可重构模式是通过分别给子阵中的两个天线单元馈入一定相位差的等幅信号激励得到。其中方向图可重构模式一抑制了y方向扫描到0°至15°的整个频段的栅瓣，方向图可重构模式二抑制了y方向扫描到15°至30°的整个频段的栅瓣。
本发明的相控阵通过对在x方向的相邻子阵输入等幅度和等相位差的电信号实现了xoz平面的波束扫描；对在y方向的相邻子阵输入等幅度和等相位差的电信号实现了yoz平面的波束扫描。
本发明中的基于方向图可重构子阵进行栅瓣抑制的方法为：
(1)首先设计一个小型化宽带天线单元，该天线单元需满足尺寸要求，同时满足xoz面和yoz面的天线单元方向图的增益要求，即3dB波束宽度不能太窄。
(2)根据天线单元的扫描角度和尺寸，设计相控阵在x和y方向的子阵周期。
(3)通过相控阵在yoz面扫描，计算得到阵因子在整个频带内的各个频点扫描到各个角度时，出现栅瓣的角度范围。
(4)通过调整子阵内天线单元之间的中心距和天线单元之间相位差，实现子阵的方向图可重构，将整个频带内各个频点子阵可重构方向图中的零陷角度范围对准阵列阵因子中栅瓣出现角度范围进行栅瓣抑制。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提出了一种基于方向图可重构子阵技术的栅瓣抑制宽角扫描相控阵，不仅实现了频段覆盖整个X波段达到了40％的带宽，并且还实现了在整个频带内x方向±50°扫描，y方向±30°扫描，且在y方向只有0.2dB的增益衰落，实现了较好的增益平坦度；
(2)本发明提出的一种基于方向图可重构子阵技术的栅瓣抑制宽角扫描相控阵，实现了相控阵在整个X波段内低副瓣扫描，在yoz面各个扫描角度旁瓣电平小于
-8.6dB，在xoz面各个扫描角度旁瓣电平小于-10dB；
(3)本发明通过子阵方向图可重构的方式，相比于同口径的同等单元数量的阵列减少了50％的T/R组件使用，在保证阵列的辐射特性的情况下降低了系统的成本；
(4)本发明所提出的天线单元采用弯折形式的金属探针馈电的小型化技术，减小了天线的尺寸并且保证了40％的带宽和较高增益。
附图说明
图1是本发明所述天线单元的结构图；
图2是本发明所述天线单元的侧视图；
图3是本发明所述天线单元的分层俯视图；
图4是本发明所述子阵的正视图；
图5是本发明所述子阵的侧视图；
图6是本发明所述相控阵的正视图；
图7是本发明所述天线单元和子阵的反射系数的仿真曲线；
图8是本发明所述天线单元在12GHz的xoy和yoz面的辐射方向图；
图9是本发明所述子阵模式一和模式二在12GHz下辐射方向图零陷深度随子阵内单元间距变化图；
图10是本发明所述子阵模式二在12GHz下辐射方向图零陷深度随子阵内单元相位差变化图；
图11是本发明所述相控阵在12GHz下扫描到0度和15度的子阵模式一零点对准的原理示意图；
图12是本发明所述相控阵在12GHz下扫描到15度和30度的子阵模式二零点对准的原理示意图；
图13是本发明所述相控阵在12GHz下于yoz面从0度扫描到15度和从15度扫描到30度的扫描图；
图14是本发明所述相控阵在12GHz于xoz面从0度扫描到50度扫描图。
附图标号说明：1.第一介质基板，2.第二介质基板，3.第三介质基板，4.第四介质基板，5.第五介质基板，6.金属接地层，7.辐射贴片，8.寄生贴片，9.SMA接口，10.弯折金属探针，10-1.第一金属探针，10-2.第二弯折金属探针，10-3.第三弯折金属探针，11.微带线，11-1.上层矩形微带线，11-2.上层方形微带线，11-3.第一中层方形微带线，11-4.第二中层方形微带线，11-5.第三中层方形微带线，11-6.下层方形微带线，11-7.下层矩形微带线，12.馈电点，13.圆形孔，A.天线单元，B子阵。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步描述。
本实例小型化宽带天线单元能够在实现40％的带宽且单元尺寸较小的同时，还保持了较窄的3dB波束宽度即较高的增益。该天线单元的小型化保证了子阵内单元间距拉大的可能性，减小了单元之间的耦合。同时在保证天线单元整体尺寸小型化的情况下，优化了单元内部结构尺寸并且考虑了介质基板的选型，解决了小型化单元的低增益宽波束特性带来的两个天线单元组成的子阵在yoz面辐射方向图中零陷角度范围和栅瓣角度范围增益衰落太小的缺点；该天线单元整个频带内的增益保持在6.8dBi左右，有利于相控阵的低副瓣扫描。
本实施例的天线单元如图1-3所示，包括从上至下依次层叠设置的第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、第四介质基板、第五介质基板；介质基板均选择介电常数为4.4、厚度均为0.68mm的FR-4介质基板。
所述第一介质基板上表面设置有对角线长度均为7.15mm的菱形寄生贴片；所述第一介质基板与第二介质基板之间设置有对角线长度均为7.39mm的菱形辐射贴片；寄生贴片与辐射贴片的对角线均与天线单元的中线重合。
所述寄生贴片和辐射贴片的中心与天线单元的中心重合。
所述第二介质基板与第三介质基板之间设置有上层矩形微带线、上层方形微带线。
所述第三介质基板与第四介质基板之间设置有第一中层方形微带线、第二中层方形微带线、第三中层方形微带线。
所述第四介质基板与第五介质基板之间设置有下层矩形微带线、下层方形微带线；其中，所有矩形微带线尺寸均为2.2mm×0.8mm，所有方形微带线尺寸均为0.8mm×0.8mm。
所述第五介质基板下表面覆盖有金属接地层。
所述金属接地层设置有圆形孔。
所述天线单元为同轴馈电，通过弯折金属探针连接辐射贴片上设置的馈电点，将能量传递到辐射贴片，再将能量耦合到上层的寄生贴片。
弯折金属探针包括第一金属探针、第二金属探针、第三金属探针；所述第一金属探针穿过圆形通孔，依次连接下层方形贴片、第一中层方形贴片，与上层矩形贴片的一端连接；所述第二金属探针依次连接上层矩形贴片的另一端、第二中层方形贴片、下层矩形贴片的一端；所述第三金属探针依次连接下层矩形贴片的另一端、第三中层方形贴片、上层方形贴片、馈电点。
所述第二金属探针的中心与天线单元的中心重合；所述第一金属探针、第二金属探针、第三金属探针的中轴线位于同一平面上；所述第一金属探针、第二金属探针、第三金属探针的间距相同，均为1.42mm。本实施例的弯折金属探针可以激励起一个新的谐振电路从而引入一个低谐振频率，因此可以将天线尺寸进行小型化来保持与直接用竖直形金属探针馈电的天线单元同样的工作频带。于此同时，采用高介电常数的介质基板，可以将整个单元工作频段降低，可以进一步缩小天线尺寸。通过寄生贴片的形式引入的两个谐振频率，以及多层介质结构降低Q值的特性使得该天线单元具有覆盖整个X波段的40％带宽的特性。
本实例的子阵的如图4-5所示，该子阵由两个上述天线单元构成。两个天线单元在y方向进行排布，两者间距是结合所设计的两个子阵方向图可重构模式和阵列阵因子通过零点对准方式优化得到，本实施例中，两个天线单元的中心距为16mm。该子阵通过接入两个天线单元的SMA接口进行馈电，通过在两个接口输入不同的相位差的信号实现方向图可重构。
本实例的相控阵的正视图如图6所示，该相控阵是以子阵B为单元所组成的8×4的二维面阵，每个子阵包含两个天线单元A，因此整个相控阵包含了64个天线单元。由于子阵的尺寸特性，该阵列在y方向子阵周期为25mm，在x方向的子阵周期为12.5mm。相控阵分别在x方向和y方向通过SMA接头对相邻子阵输入等幅度和等相位差的电信号，实现在两个平面的波束扫描。
图7是本实施例天线单元和子阵的仿真系数的仿真曲线，图中显示天线单元反射系数在整个X波段均小于-10dB，中心频率为10GHz，阻抗带宽为40％。两单元组成的子阵的反射系数和天线单元相差不大，两个输入端口均得到良好的阻抗匹配。
图8是本实施例天线单元在12GHz下的xoz和yoz面辐射方向图，可见该天线单元的增益为6.33dBi，在xoz面3dB波束宽度为84.8度，在yoz面的3dB波束宽度为89.8度。该天线单元构成的子阵在yoz面有较窄的波束宽度，零陷角度范围相较于主瓣角度范围增益衰落更大，更有利于相控阵的低副瓣扫描。
图9是本实施例所述子阵模式一和模式二在12GHz下辐射方向图零陷深度随子阵内单元间距变化图。首先根据相控阵阵因子公式和出现栅瓣条件公式代入相控阵的阵元间距得到各个频段在0度到30度出现栅瓣的位置如下表一所示。从此表可以得出，随着频率的减小，栅瓣出现的位置逐渐远离主瓣即朝着-90度和90方向移动，甚至低频率在扫描到小角度时不会出现栅瓣。根据这个规律和子阵辐射方向图的特点根据此设计了两种子阵方向图可重构模式，其中模式一对相控阵从0度扫描到15度的栅瓣进行抑制，模式二对相控阵从15度到30度的栅瓣进行抑制。在图9的左图中，首先分析子阵模式一情况下子阵内单元间距在12GHz下辐射方向图零陷深度随子阵内单元间距变化图，图中虚线处为相控阵在12GHz下从0度扫描到15度时栅瓣出现的位置。可以看到子阵模式一辐射方向图在栅瓣出现角度范围出现零陷，随着子阵内单元间距越大，子阵口径增加使得子阵增益增高即3dB波束宽度变窄，零陷深度随着子阵内单元间距增加而增大。因此可以得出在模式一情况下，增加子阵内单元间距更有利于栅瓣抑制。
在图9的右图中，展示了子阵模式二情况下子阵内单元间距在12GHz下辐射方向图零陷深度随子阵内单元间距变化图，图中虚线处为相控阵在12GHz下从15度扫描到30度时栅瓣出现的位置。可以看到子阵模式二辐射方向图在栅瓣出现角度范围出现零陷，零陷深度随着子阵内单元间距增加而减小。综上分析可得出，增大子阵内单元间距有利于相控阵扫描到±15度的栅瓣抑制，减小子阵内单元间距有利于相控阵扫描到±30度的栅瓣抑制。为了实现更大角度的扫描，需要在保证相控阵扫描到±15度低副瓣的情况下选择更小的子阵内单元间距。最终优化得到子阵内单元间距为16mm时抑制栅瓣的效果最好。
模式一(0度到15度) 模式二(15度到30度)
8GHz 无 -90度至-68.4度
9GHz -90度至-70度 -90度至-51.8度
10GHz -90度至-56.8度 -56.8度至-42.6度
11GHz -90度至-53度和81至90度 -53度至-36.6度
12GHz -90度至-48.6度和73至90度 -48.6度至-29.4度
表1
图10是本实施例所述子阵模式二在12GH下辐射方向图零陷深度随子阵内单元相位差变化图，图中虚线从左至右表示相控阵扫描到15度和30度时栅瓣出现的位置，从图中可以看出子阵内单元相位差越大，对于30度栅瓣出现位置的零陷深度越大，对于15度栅瓣出现位置的零陷深度越小。综上分析可得出，为了实现更大角度的扫描，需要在保证扫描到±15度时低副瓣的情况下选择更大的子阵内单元相位差。最终优化得到在模式二子阵内单元相差-68度时抑制栅瓣的效果最好。
图11是本发明所述相控阵在12GHz下扫描到0度和15度的子阵模式一零点对准的原理示意图。从图中可以看到，子阵模式一的辐射方向图在yoz面指向0度，增益为10dB。对比相控阵阵因子栅瓣出现范围，子阵模式一的辐射方向图在该范围出现零陷，相较于栅瓣最小增益衰落为12dB。根据方向图乘积定理，实现了相控阵从0度到15度的低副瓣扫描，最大旁瓣电平为-8.6dBi。
图12是本实施例所述相控阵在12GHz下扫描到15度和30度的子阵模式二零点对准的原理示意图。从图中可以看到，子阵模式一的辐射方向图在yoz面指向15度，增益为8.4dB。对比相控阵阵因子栅瓣出现范围，子阵模式二的辐射方向图在该范围出现零陷，相较于栅瓣最小增益衰落为14.2dB。根据方向图乘积定理，实现了相控阵从15度到30度的低副瓣扫描，最大旁瓣电平为-9.5dBi。
图13是本实施例所述相控阵在12GHz下于yoz面从0度扫描到15度和从15度扫描到30度的扫描图，由于扫描对称性，只给出了大于零度的扫描结果。在左图中，在主波束指向0°时，增益为21.5dBi。在子阵处于模式一时相控阵从0度扫描到15度，旁瓣电平小于-8.6dB，增益波动小于0.5dB，在整个频带内的各个频点的扫描到各个角度旁瓣电平如表2所示。在右图中，在子阵处于模式二时相控阵从15度扫描到30度，旁瓣电平小于-9.5dB，增益波动小于0.6dB，在整个频带内的各个频点的扫描到各个角度旁瓣电平如表3所示。从表中得出本发明相控阵能够实现覆盖整个X波段的低旁瓣扫描，并且得到了很好的增益平坦度。
0度/dB 5度/dB 10度/dB 15度/dB
8GHz -13.5 -12.7 -11.8 -10.8
9GHz -13.6 -12.4 -11.4 -10.6
10GHz -13.7 -12.4 -11.5 -10.5
11GHz -13.7 -12.3 -11.3 -10.3
12GHz -10.7 -10.5 -10.1 -8.6
表2
15度/dB 20度/dB 25度/dB 30度/dB
8GHz -14 -12.8 -11.6 -10.5
9GHz -13.2 -12.3 -11.5 -10.8
10GHz -12.9 -11.8 -11.1 -10.5
11GHz -12.0 -11.7 -11.2 -10.6
12GHz -9.5 -12.4 -11.6 -10.2
表3
图14是本实施例所述相控阵在12GHz于xoz面从0度扫描到50度的扫描图，由于扫描对称性，只给出了大于零度的扫描结果。在图中，在主波束指向0°时，增益为18dBi，如图中所示阵列实现覆盖整个X波段的从0度到50度的低副瓣扫描，旁瓣电平小于-10.5dB，增益波动小于4.6dB。
综上所述，本实施例的宽带小型化天线单元，采用弯折金属探针馈电的小型化技术，减小了天线的尺寸。并且实现了工作频段覆盖整个X波段，达到40％的阻抗带宽。由两个天线单元组成了一个子阵，通过对子阵方向图进行可重构，使用零点对准的栅瓣抑制技术优化了子阵内的单元间距和相位差。该子阵组成的8×4面阵能够实现在整个频带内x的方向±50°扫描，旁瓣电平均小于-10.5dB。y方向的±30°扫描，旁瓣电平均小于-8.6dB。在y方向，增益波动小于0.5dB，得到了很好的增益平坦度。本发明通过子阵的形式组阵，相比于同口径同等单元数量的阵列减少了50％的T/R组件，降低了整个系统的成本。

Claims (5)

1.一种基于方向图可重构子阵技术的栅瓣抑制宽角扫描相控阵，其特征在于，该相控阵包括若干个周期排列的子阵；所述子阵在x方向的周期为0.5λ，在y方向的周期为1λ；
所述子阵由两个沿y方向排列的天线单元组成；所述子阵中的两个天线单元之间的中心距为0.64λ；λ为最高工作频率下的自由空间波长。
2.如权利要求1所述的一种基于方向图可重构子阵技术的栅瓣抑制宽角扫描相控阵，其特征在于，所述天线单元包括从上至下层叠设置的第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、第四介质基板、第五介质基板；
所述第一介质基板上表面设置有寄生贴片；
所述第一介质基板与第二介质基板之间设置有辐射贴片，所述辐射贴片上设置有馈电点；
所述寄生贴片和辐射贴片的中心与天线单元的中心重合；
所述第二介质基板与第三介质基板之间设置有上层矩形微带线、上层方形微带线；
所述第三介质基板与第四介质基板之间设置有第一中层方形微带线、第二中层方形微带线、第三中层方形微带线；
所述第四介质基板与第五介质基板之间设置有下层矩形微带线、下层方形微带线；
所述第五介质基板下表面覆盖有金属接地层；
所述金属接地层设置有圆形孔；
所述天线单元为同轴馈电，通过弯折金属探针连接馈电点。
3.如权利要求2所述的一种基于方向图可重构子阵技术的栅瓣抑制宽角扫描相控阵，其特征在于，所述寄生贴片与所述辐射贴片均为菱形结构，且寄生贴片与所述辐射贴片的对角线与天线单元的中线重合；所述寄生贴片尺寸与辐射贴片不同。
4.如权利要求2或3所述的一种基于方向图可重构子阵技术的栅瓣抑制宽角扫描相控阵，其特征在于，所述弯折金属探针包括第一金属探针、第二金属探针、第三金属探针；所述第一金属探针穿过圆形孔，依次连接下层方形贴片、第一中层方形贴片，与上层矩形贴片的一端连接；所述第二金属探针依次连接上层矩形贴片的另一端、第二中层方形贴片、下层矩形贴片的一端；所述第三金属探针依次连接下层矩形贴片的另一端、第三中层方形贴片、上层方形贴片、馈电点。
5.如权利要求4所述的一种基于方向图可重构子阵技术的栅瓣抑制宽角扫描相控阵，其特征在于，所述第二金属探针的中心与天线单元的中心重合；所述第一金属探针、第二金属探针、第三金属探针的中轴线位于同一平面上；所述第一金属探针、第二金属探针、第三金属探针的间距相同。
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