CN114300838A - 应用于神经网络驱动相控阵双极化宽带宽角扫描阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于神经网络驱动相控阵双极化宽带宽角扫描阵列天线，包括上中下层叠的第一、第二和第三介质板；第一介质板上表面印制有第一矩形贴片；第二介质板上表面印制有第二、第三矩形贴片；第二介质板下表面印制有金属地板；第三介质板下表面印制有直线型微带线和L型微带线；矩形金属化缝隙贯穿第一和第二介质板与金属地板相接；直线型微带线通过贯穿第三、第二和第一介质板的金属化过孔与第一矩形贴片连接。其中第一矩形贴片将第二矩形贴片当作反射板进行辐射，具有低剖面和宽带特性；通过矩形金属化缝隙拓宽两个极化下天线单元的波束宽度，在保证天线阵列具有结构优势的同时，实现双极化、宽频带和宽角扫描的性能。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种双极化宽带宽角扫描阵列天线，具体涉及一种应用于神经网络驱动相控阵的双极化宽带宽角扫描阵列天线。
背景技术
未来的雷达探测技术应能够实现在复杂和恶劣的电磁、地理、气象条件下，对各种常规、隐身、微弱、机动、超高速、静止目标的实时、连续、无缝探测和识别。这就需要雷达具备任意波束快速成形的能力，而基于神经网络驱动的相控阵雷达，可以对期望波形和阵元参数的映射空间进行建模拟合，且波束成形神经网络的训练和推断模型相对简单，因此具备多种普通及复杂波束快速成形的能力。
要实现各种波形的生成，除了设计后端的波束成形网络以外，对天线阵面也具有严格的要求，需要天线阵列本身具有宽角扫描的能力。此外为了提高雷达对不同载体平台的适应性以及探测能力，天线阵列需要在结构上具有平面化、低剖面和易于共性等特点，在功能上具备宽工作频段、多极化的特点。然而目前的相控阵天线存在结构复杂、带宽窄、波束扫描范围有限或极化单一等缺点，无法兼顾各个功能，难以满足未来实际应用的需求。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种应用于神经网络驱动相控阵的双极化宽带宽角扫描阵列天线，旨在保证天线阵列同时具备平面化、低剖面、双极化、宽工作频段和宽角扫描的性能。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
本发明一方面，提供了一种应用于神经网络驱动相控阵双极化宽带宽角扫描阵列天线，包括阵列天线，阵列天线包括上中下层叠的第一介质板、第二介质板和第三介质板；
所述第一介质板的上表面印制有N个沿φ方向等间距直线排列的第一矩形贴片，N≥3；
所述第二介质板的上表面印制有N-1个第二矩形贴片和2个第三矩形贴片；第二介质板的下表面印制有金属地板；
第二矩形贴片位于相邻两个第一矩形贴片之间；2个第三矩形贴片沿φ方向位于N-1个第二矩形贴片两侧；
所述第三介质板的下表面印制有N个直线型微带线和N-1个L型微带线；
所述第一矩形贴片在正交于φ方向的两侧印制有矩形金属化缝隙，矩形金属化缝隙贯穿第一介质板和第二介质板与金属地板相连接；
直线型微带线通过贯穿第三介质板、第二介质板和第一介质板的金属化过孔与第一矩形贴片连接。
上述方案中，相邻两个第一矩形贴片之间的间距为D1，且D1小于天线工作频段最高频点所对应的波长。
上述方案中，所述矩形金属化缝隙沿φ方向位于第二矩形贴片两侧且不相互接触。
上述方案中，所述第二矩形贴片被M1×N1条相互正交的缝隙分割为(M1+1)×(N1+1)个小矩形贴片，M1≥3，N1≥3。
上述方案中，每个第三矩形贴片宽度为一个第二矩形贴片沿φ方向的一半。
上述方案中，金属地板位于N个第一矩形贴片的投影位置蚀刻有N个圆形缝隙，金属地板位于N-1个第二矩形贴片的投影位置的中心蚀刻有N-1个矩形缝隙。
上述方案中，所述直线型微带线一端位于圆形缝隙的投影位置，L型微带线一边穿过矩形缝隙投影位置的中心。
本发明另一方面，提供了一种上述双极化宽带宽角扫描阵列天线的神经网络驱动相控阵天线，包括阵列天线和馈电网络；
所述馈电网络包括波束成形模块和T/R组件模块；
所述波束成形模块包括1个输入端口和N个输出端口；
波束成形模块通过N个T/R组件模块连接阵列天线。
上述方案中，所述波束成形模块由包含阵列天线方向图信息的神经网络驱动，针对输入端口输入的不同波形，在N个输出端口按序号输出N组幅度和相位数据。
上述方案中，所述T/R组件模块包括N个输入端口和N个输出端口，N个输入端口按序号分别与波束成形模块的N个输出端口相连接；N个输出端口按序号分别与阵列天线的N个直线型微带线相连接或前N-1个输出端口按序号分别与阵列天线的N-1个L型微带线相连接。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
本发明N个沿φ方向直线排列的第一矩形贴片为天线一个极化的辐射贴片，其由直线型微带线通过金属化过孔馈电，并将N-1个第二矩形贴片和金属地板构成的整体当作反射板进行辐射，在降低天线剖面的同时具有宽带特性；除此之外N-1个第二矩形贴片又为天线另一个极化的辐射贴片，其由L型微带线通过矩形缝隙耦合馈电，同样具有低剖面和宽带辐射特性，最后通过矩形金属化缝隙拓宽两个极化下天线单元的波束宽度，实现宽角扫描性能。因此，本发明在具备结构简单、低剖面和平面化等结构优势的同时，可以实现双极化、宽工作频段和宽角扫描的性能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1是本发明实施例的阵列天线整体结构示意图；
图2是本发明实施例第一介质板的俯视图；
图3是本发明实施例第二介质板的俯视图；
图4是本发明实施例第二介质板的仰视图；
图5是本发明实施例应用架构示意图；
图6(a)、(b)是本发明实施例的有源驻波的仿真曲线图；
图7(a)、(b)是本发明实施例5GHz处的宽角扫描方向图；
图8(a)、(b)是本发明实施例5GHz处的平顶波束方向图。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
参照图1、图2所示，本发明实施例的应用于神经网络驱动相控阵双极化宽带宽角扫描阵列天线，包括上中下层叠的第一介质板11、第二介质板12和第三介质板13。第一介质板11的上表面印制有N个沿φ方向等间距直线平行排列的第一矩形贴片111，相邻两个第一矩形贴片111之间的间距为D1，且D1小于天线工作频段最高频点所对应的波长。
第二介质板12的上表面印制有N-1个第二矩形贴片121和2个第三矩形贴片122；第二介质板12的下表面印制有金属地板123。第二矩形贴片121位于相邻两个第一矩形贴片111之间；2个第三矩形贴片122沿φ方向位于N-1个第二矩形贴片121两侧。每个第三矩形贴片122宽度为一个第二矩形贴片121沿φ方向的一半。
其中，第二矩形贴片121被M1×N1条相互正交的缝隙分割为(M1+1)×(N1+1)个小矩形贴片。
见图4所示，金属地板123位于N个第一矩形贴片111的投影位置蚀刻有N个直径为R2的圆形缝隙1231，金属地板123位于N-1个第二矩形贴片121的投影位置的中心蚀刻有N-1个矩形缝隙1232。
在第一矩形贴片111正交于φ方向的两侧设有贯穿第一介质板11、第二介质板12和金属地板123的矩形金属化缝隙3，矩形金属化缝隙3沿φ方向位于第二矩形贴片121两侧且不相互接触。矩形金属化缝隙3贯穿第一介质板11和第二介质板12与金属地板123相连接。
在第一矩形贴片111底部设有穿过第一介质板11、第二介质板12和第三介质板13的直径为R1的金属化过孔4。
在第三介质板13的下表面印制有N个直线型微带线131和N-1个L型微带线132；直线型微带线131一端位于圆形缝隙1231的投影位置，L型微带线132一边穿过矩形缝隙1232投影位置的中心。直线型微带线131通过贯穿第三介质板13、第二介质板12和第一介质板11的金属化过孔4与第一矩形贴片111连接。
在一个实施例中，第一介质板11的上表面印制有9个沿φ方向等间距直线平行排列的第一矩形贴片111；第二介质板12的上表面印制有8个第二矩形贴片121和2个第三矩形贴片122。在第三介质板13的下表面印制有9个直线型微带线131和8个L型微带线132。
第一介质板11的介电常数εr＝2.2，厚度为1mm；第二介质板12和第三介质板13，具有相同的介电常数εr＝4.4，厚度分别为3.5mm和0.813mm。三个介质基板的长和宽均为250mm和70mm。第一矩形贴片111的长度L1＝13.5mm、宽度W1＝2.5mm。
图2中，第一矩形贴片111由直线型微带线131通过直径R1＝2mm的金属化过孔4馈电，并将8个第二矩形贴片121和金属地板123构成的整体结构当作反射板进行辐射，由于该整体结构具有同相反射特性，因此可以极大的降低天线的剖面高度，并且能提高天线的工作带宽。
为了防止相控阵天线在扫描过程中出现栅瓣，相邻两个第一矩形贴片111之间的间距D1＝23mm。沿第一矩形贴片111正交于φ方向两侧印制有长度L4＝7.25mm、宽度W4＝1.5mm矩形金属化缝隙3，该矩形金属化缝隙3贯穿第一介质板11和第二介质板12与金属地板123相连接。
参照图3和图4，在一个实施例中，长度L2＝29.8mm、宽度W2＝19.8mm的第二矩形贴片121被3×5条相互正交宽度g＝0.2mm的缝隙分割为4×6个小矩形贴片，该4×6个小矩形贴片由L型微带线132通过长度L3＝22mm、宽度W3＝1mm的矩形缝隙耦合馈电，具有低剖面和宽带辐射特性。
当天线被激励时，矩形金属化缝隙3上会感应出竖直的电流，其辐射方向图为全向，可以补偿低仰角时的增益损失，进而实现宽角扫描。
参照图5，为本发明实施例的应用架构示意图，该神经网络驱动的相控阵天线，包括阵列天线1和馈电网络2，馈电网络2包括波束成形模块21和T/R组件模块22，波束成形模块21包括1个输入端口和N个输出端口，编号分别为从1到N；波束成形模块21通过N个T/R组件模块22连接阵列天线1。
T/R组件模块22包括N个输入端口和N个输出端口，编号分别为从1到N，N个输入端口按序号分别与波束成形模块21的N个输出端口相连接；N个输出端口按序号分别与阵列天线1的N个直线型微带线131相连接或前N-1个输出端口按序号分别与阵列天线1的N-1个L型微带线132相连接。
波束成形模块21由包含阵列天线1方向图信息的神经网络驱动，可针对输入端口输入的不同波形，在N个输出端口按序号输出N组幅度和相位数据；该N组幅度和相位数据再通过T/R组件模块22按序号输入到天线阵面1给天线单元馈电。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
1、仿真条件和内容：
1.1利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例的反射系数在3.5GHz-6.5GHz范围内进行仿真计算，结果如图6(a)、6(b)所示。
1.2利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例的方向图进行了仿真计算，其中5GHz沿φ方向极化的宽角扫描方向图如图7(a)所示，其正交极化的宽角扫描方向图如图7(b)；5GHz沿φ方向极化的平顶波束方向图如图8(a)所示，其正交极化的平顶波束方向图如图8(b)。
2、仿真结果：
参照图6(a)和6(b)，横坐标为频率，纵坐标为有源驻波，在实施例中，以有源驻波≤3为标准，天线阵列在φ方向极化±70°扫描时，阻抗带宽为3.97GHz～6.27GHz，相对带宽超过44％，其正交极化±70°扫描时，阻抗带宽为3.87GHz～6.04GHz，相对带宽超过43％。
将天线阵面的方向图信息导入到神经网络驱动的波束成形模块中进行训练，训练好的模型可以通过天线阵面实现波束成形的功能。即对于输入端口输入的不同波形，波束成形模块可在输出端口输出对应的幅度和相位数据，并由T/R组件模块激励天线阵面产生对应波形。参照图7(a)和图7(b)，分别为5GHz处φ方向极化的宽角扫描方向图和其正交极化的宽角扫描方向图，其由宽角扫描波形输出的幅度和相位激励产生。由图7(a)和图7(b)可知，波形以15°一个步进，从-60°扫描至60°，扫描过程中增益波动分别小于1.2dB和0.6dB，具有优秀的宽角扫描性能。
参照图8(a)和图8(b)分别为5GHz处φ方向极化的平顶波束方向图和其正交极化的平顶波束方向图，其分别由波束宽度为100°和80°的平顶波束波形输出的幅度和相位激励产生。由图8(a)和图8(b)可知，所产生的平顶波束性能良好，增益波动分别为1dB和1.4dB。
与现有技术相比，该阵列天线的剖面高度为0.089λ0(λ0为天线工作的中心频点对应的波长)，且能直接通过PCB板印刷加工，在具备结构简单、低剖面和平面化等结构优势的同时，可以实现双极化、宽工作频段以及好的波束成形性能。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种应用于神经网络驱动相控阵双极化宽带宽角扫描阵列天线，其特征在于，包括阵列天线(1)，阵列天线(1)包括上中下层叠的第一介质板(11)、第二介质板(12)和第三介质板(13)；
所述第一介质板(11)的上表面印制有N个沿φ方向等间距直线排列的第一矩形贴片(111)，N≥3；
所述第二介质板(12)的上表面印制有N-1个第二矩形贴片(121)和2个第三矩形贴片(122)；第二介质板(12)的下表面印制有金属地板(123)；
第二矩形贴片(121)位于相邻两个第一矩形贴片(111)之间；2个第三矩形贴片(122)沿φ方向位于N-1个第二矩形贴片(121)两侧；
所述第三介质板(13)的下表面印制有N个直线型微带线(131)和N-1个L型微带线(132)；
所述第一矩形贴片(111)在正交于φ方向的两侧印制有矩形金属化缝隙(3)，矩形金属化缝隙(3)贯穿第一介质板(11)和第二介质板(12)与金属地板(123)相连接；
直线型微带线(131)通过贯穿第三介质板(13)、第二介质板(12)和第一介质板(11)的金属化过孔(4)与第一矩形贴片(111)连接。
2.根据权利要求1所述的应用于神经网络驱动相控阵双极化宽带宽角扫描阵列天线，其特征在于，相邻两个第一矩形贴片(111)之间的间距为D1，且D1小于天线工作频段最高频点所对应的波长。
3.根据权利要求1所述的应用于神经网络驱动相控阵双极化宽带宽角扫描阵列天线，其特征在于，所述矩形金属化缝隙(3)沿φ方向位于第二矩形贴片(121)两侧且不相互接触。
4.根据权利要求1所述的应用于神经网络驱动相控阵双极化宽带宽角扫描阵列天线，其特征在于，所述第二矩形贴片(121)被M1×N1条相互正交的缝隙分割为(M1+1)×(N1+1)个小矩形贴片，M1≥3，N1≥3。
5.根据权利要求1所述的应用于神经网络驱动相控阵双极化宽带宽角扫描阵列天线，其特征在于，每个第三矩形贴片(122)宽度为一个第二矩形贴片(121)沿φ方向的一半。
6.根据权利要求1所述的应用于神经网络驱动相控阵双极化宽带宽角扫描阵列天线，其特征在于，金属地板(123)位于N个第一矩形贴片(111)的投影位置蚀刻有N个圆形缝隙(1231)，金属地板(123)位于N-1个第二矩形贴片(121)的投影位置的中心蚀刻有N-1个矩形缝隙(1232)。
7.根据权利要求6所述的应用于神经网络驱动相控阵双极化宽带宽角扫描阵列天线，其特征在于，所述直线型微带线(131)一端位于圆形缝隙(1231)的投影位置，L型微带线(132)一边穿过矩形缝隙(1232)投影位置的中心。
8.一种权利要求1-7任一项所述双极化宽带宽角扫描阵列天线的神经网络驱动相控阵天线，其特征在于，包括阵列天线(1)和馈电网络(2)；
所述馈电网络(2)包括波束成形模块(21)和T/R组件模块(22)；
所述波束成形模块(21)包括1个输入端口和N个输出端口；
波束成形模块(21)通过N个T/R组件模块(22)连接阵列天线(1)。
9.根据权利要求8所述的神经网络驱动相控阵天线，其特征在于，所述波束成形模块(21)由包含阵列天线(1)方向图信息的神经网络驱动，针对输入端口输入的不同波形，在N个输出端口按序号输出N组幅度和相位数据。
10.根据权利要求8所述的神经网络驱动相控阵天线，其特征在于，所述T/R组件模块(22)包括N个输入端口和N个输出端口，N个输入端口按序号分别与波束成形模块(21)的N个输出端口相连接；N个输出端口按序号分别与阵列天线(1)的N个直线型微带线(131)相连接或前N-1个输出端口按序号分别与阵列天线(1)的N-1个L型微带线(132)相连接。
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