CN114361814B - 一种含旁瓣抑制波束的相控阵天线、系统及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及天线旁瓣抑制技术领域，公开了一种含旁瓣抑制波束的相控阵天线、系统及其使用方法，该含旁瓣抑制波束的相控阵天线，包括M个相扫T/R组件、旁瓣抑制T/R组件、M个相扫天线单元、旁瓣抑制天线、波束形成网络、波控器，相扫天线单元、相扫T/R组件、波束形成网络依次相连构成相扫通道，所述波控器用以控制相扫T/R组件和旁瓣抑制T/R组件，M个相扫天线单元构成相扫天线阵列，所述波束形成网络输出端连接有和波束接收通道、差波束接收通道，所述旁瓣抑制T/R组件的输出端连接有旁瓣抑制波束接收通道；其中，M≥4且M为整数。本发明解决现有技术存在的实现旁瓣抑制波束对和波束方位360°范围内的旁瓣抑制等问题。

Description

一种含旁瓣抑制波束的相控阵天线、系统及其使用方法
技术领域
本发明涉及天线旁瓣抑制技术领域，具体是一种含旁瓣抑制波束的相控阵天线、系统及其使用方法。
背景技术
二次雷达(Secondary Surveillance Radar,SRR)是一种通过发射信号并接收应答信号以获得目标信息的电子设备。由于相控阵天线的独特优势，如具有波束灵活可控以及快速捷变的能力，并且便于多功能集成，已越来越多的应用于包括二次雷达在内的各个领域。对于采用相控阵天线体制的舰载平台或地面平台的二次雷达系统，为了实现方位360°范围内的空域扫描覆盖，通常需要3个以上的相控阵天线，典型个数为4个，每个天线各自覆盖一定的区域。二次雷达系统的相控阵天线通常设计为和、差双通道相控阵天线或和、差、旁瓣抑制三通道相控阵天线。二次雷达系统中，存在旁瓣干扰。对于和、差、旁瓣抑制三通道相控阵天线，可采用独立的旁瓣抑制天线形成旁瓣抑制波束，对和波束进行旁瓣抑制。
对于单个含旁瓣抑制波束的天线，书籍“二次雷达原理”(张尉主编，国防工业出版社，2007)中提到形成旁瓣抑制波束的两种方法。方法一，可以通过不同馈电网络对同一天线阵列馈电分别形成和波束与旁瓣抑制波束。优点是：产生的和波束与旁瓣抑制波束的相位中心相同，由地面反射引起的垂直方向图的变化对两个波束的影响相同。缺点是：旁瓣抑制波束在波束轴两侧±90°方向上很难覆盖这个范围内的和波束副瓣。方法二，使用独立全向天线形成旁瓣抑制波束，可以很好地覆盖和波束的所有副瓣。缺点是：如果全向天线安装在阵列天线的顶部，则和波束与旁瓣抑制波束的相位中心可能是分离的；如果全向天线与阵列天线并排安装，又有可能相互形成遮挡。
综上所述，单个含旁瓣抑制波束的相控阵天线难以实现旁瓣抑制波束对和波束方位360°范围内的旁瓣抑制。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种含旁瓣抑制波束的相控阵天线、系统及其使用方法，解决现有技术存在的实现旁瓣抑制波束对和波束方位360°范围内的旁瓣抑制等问题。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种含旁瓣抑制波束的相控阵天线，包括M个相扫T/R组件、旁瓣抑制T/R组件、M个相扫天线单元、旁瓣抑制天线、波束形成网络、波控器，相扫天线单元、相扫T/R组件、波束形成网络依次相连构成相扫通道，所述波控器用以控制相扫T/R组件和旁瓣抑制T/R组件，M个相扫天线单元构成相扫天线阵列，所述波束形成网络输出端连接有和波束接收通道、差波束接收通道，所述旁瓣抑制T/R组件的输出端连接有旁瓣抑制波束接收通道；其中，M≥4且M为整数。
作为一种优选的技术方案，M个相扫天线单元沿直线构成一维相扫天线阵列。
作为一种优选的技术方案，相邻相扫天线单元之间的距离相等。
作为一种优选的技术方案，相邻相扫天线单元之间的距离为0.5λH～0.5λ0；其中，λ0表示工作频带中心频率对应的波长，λH表示工作频带高频对应的波长。
作为一种优选的技术方案，旁瓣抑制天线与相邻相扫天线单元的距离为kλH～kλ0；其中，k＝0.5～0.7。
作为一种优选的技术方案，M＝16。
作为一种优选的技术方案，所述相扫天线单元为具有垂直极化特性的印刷振子天线或具有垂直极化特性的微带贴片天线。
一种含旁瓣抑制波束的相控阵天线系统，包括N个所述的一种含旁瓣抑制波束的相控阵天线，相邻两相扫天线阵列的方位面夹角相同。
作为一种优选的技术方案，N＝4。
所述的一种含旁瓣抑制波束的相控阵天线系统的使用方法，若P∑＞PΩ，则对和波束信号与差波束信号进行测角处理；若P∑＜PΩ，则对旁瓣信号进行抑制处理；若P∑＝PΩ，则不对和波束信号、差波束信号、旁瓣信号进行处理；其中，P∑表示和波束接收通道测量得到的信号幅度，PΩ表示旁瓣抑制波束接收通道测量得到的信号幅度。
本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
本发明提供含旁瓣抑制波束的相控阵天线及旁瓣抑制方法，采用和、差、旁瓣抑制三通道相控阵天线方案，通过多个相控阵天线组合使用，在相扫天线阵列俯仰波束覆盖范围内、方位360°能够实现旁瓣抑制波束接收通道信号对和通道旁瓣信号的抑制，即和波束主瓣以外，旁瓣抑制波束信号电平均比和波束旁瓣信号电平高，覆盖率达到了100％。在各对应角度上，旁瓣抑制波束信号电平至少比和通道旁瓣信号电平大10dB。并且能够满足方位360°范围内同时和与差多波束的需求；此外，本发明提出的含旁瓣抑制波束的相控阵天线及旁瓣抑制方法，旁瓣抑制波束对和波束旁瓣的抑制不会受海面或者地面的多径影响；本发明系统构架简单、容易实现。
附图说明
图1是本发明一种含旁瓣抑制波束的相控阵天线的结构示意图；
图2是相扫天线阵列、旁瓣抑制天线的结构及位置关系示意图；
图3是四面相控阵天线安装布局示意图(顶视图)；
图4是和波束信号、差波束信号与旁瓣抑制波束信号的处理示意图；
图5是扫描-47.5°时的和通道信号与旁瓣抑制波束接收通道合成信号的归一化方位面方向图；
图6是扫描-20°时的和通道信号与旁瓣抑制波束接收通道合成信号的归一化方位面方向图；
图7是扫描0°时的和通道信号与旁瓣抑制波束接收通道合成信号的归一化方位面方向图；
图8是扫描20°时的和通道信号与旁瓣抑制波束接收通道合成信号的归一化方位面方向图；
图9是扫描47.5°时的和通道信号与旁瓣抑制波束接收通道合成信号的归一化方位面方向图。
附图中标记及相应的零部件名称：11、相扫T/R组件，12、旁瓣抑制天线，21、旁瓣抑制T/R组件，22、相扫天线单元，3、波束形成网络，4、波控器，51、和波束接收通道，52、差波束接收通道，53、旁瓣抑制波束接收通道。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1至图9所示，一种含旁瓣抑制波束的相控阵天线，包括M个相扫T/R组件11、旁瓣抑制T/R组件21、M个相扫天线单元22、旁瓣抑制天线12、波束形成网络3、波控器4，相扫天线单元22、相扫T/R组件11、波束形成网络3依次相连构成相扫通道，所述波控器4用以控制相扫T/R组件11和旁瓣抑制T/R组件21，M个相扫天线单元22构成相扫天线阵列，所述波束形成网络3输出端连接有和波束接收通道51、差波束接收通道52，所述旁瓣抑制T/R组件21的输出端连接有旁瓣抑制波束接收通道53；其中，M≥4且M为整数。
作为一种优选的技术方案，M个相扫天线单元22沿直线构成一维相扫天线阵列。
作为一种优选的技术方案，相邻相扫天线单元22之间的距离相等。
作为一种优选的技术方案，相邻相扫天线单元22之间的距离为0.5λH～0.5λ0；其中，λ0表示工作频带中心频率对应的波长，λH表示工作频带高频对应的波长。
作为一种优选的技术方案，旁瓣抑制天线12与相邻相扫天线单元22的距离为kλH～kλ0；其中，k＝0.5～0.7。
作为一种优选的技术方案，M＝16。
作为一种优选的技术方案，所述相扫天线单元22为具有垂直极化特性的印刷振子天线或具有垂直极化特性的微带贴片天线。
本发明采用和、差、旁瓣抑制三通道相控阵天线方案，通过多个相控阵天线组合使用，在相扫天线阵列俯仰波束覆盖范围内、方位360°能够实现旁瓣抑制波束接收通道信号对和通道旁瓣信号的抑制，即和波束主瓣以外，旁瓣抑制波束信号电平均比和波束旁瓣信号电平高，覆盖率达到了100％。而且构架简单、容易实现。
实施例2
如图1至图9所示，作为实施例1的进一步优化，本实施例包含了实施例1的全部技术特征，除此之外，本实施例还包括以下技术特征：
一种含旁瓣抑制波束的相控阵天线系统，包括N个所述的一种含旁瓣抑制波束的相控阵天线，相邻两相扫天线阵列的方位面夹角相同。
这便于实现相控阵天线方位面覆盖区域为360°。
作为一种优选的技术方案，N＝4。
这便于适用于本领域大范围的常见使用情景。
所述的一种含旁瓣抑制波束的相控阵天线系统的使用方法，若P∑＞PΩ，则对和波束信号与差波束信号进行测角处理；若P∑＜PΩ，则对旁瓣信号进行抑制处理；若P∑＝PΩ，则不对和波束信号、差波束信号、旁瓣信号进行处理；其中，P∑表示和波束接收通道51测量得到的信号幅度，PΩ表示旁瓣抑制波束接收通道53测量得到的信号幅度。
由此实现了对和波束信号、差波束信号、旁瓣抑制波束信号的不同情景处理。
实施例3
如图1至图9所示，本实施例包含实施例1、实施例2的全部技术特征，本实施例在实施例1、实施例2的基础上，提供更细化的实施方式。
本发明目的是针对现有技术存在的不足之处，弥补现有旁瓣抑制技术的不足，提供一种含旁瓣抑制波束的相控阵天线及旁瓣抑制方法，实现旁瓣抑制波束对和波束方位360°范围内的旁瓣抑制。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。针对上述目的，本发明提出了一种含旁瓣抑制波束的相控阵天线，相扫天线阵列、T/R组件(相扫T/R组件11和旁瓣抑制T/R组件21)、波束形成网络3、旁瓣抑制天线12、波控器4，相扫天线单元22可选用具有垂直极化特性的印刷振子天线或者微带贴片天线。其中，一个相扫天线单元22、一个相扫T/R组件11、波束形成网络3依次相连构成一路相扫通道,M个相扫天线单元22、M个相扫T/R组件11、波束形成网络3共构成M路相扫通道。可选的，按相邻天线单元距离为0.5λH～0.5λ0沿直线均匀排列为相扫天线阵列。相扫天线阵列采用低副瓣幅度加权设计。相扫天线阵列通过T/R组件中移相器相位的改变进行一维波束扫描，经波束形成网络3形成和波束与差波束。旁瓣抑制天线12与相扫天线阵列共用一个天线孔径。旁瓣抑制天线12放置在相扫天线阵列的一侧，与相扫天线阵列的相扫天线单元22沿直线排列。旁瓣抑制天线12与相扫天线阵列的相扫天线单元22均使用相同的天线，用于形成具有定向宽波束特性的旁瓣抑制波束。可选的，旁瓣抑制天线12与邻近的相扫天线阵列的相扫天线单元22的距离为kλH～kλ0；其中，k＝0.5～0.7。为了实现方位360°范围内的空域扫描覆盖，需要N个相控阵天线，其中N≥3。每个相控阵天线均相同。相控阵天线在方位向均匀旋转布阵，每个相控阵覆盖区域为360°/N。本实施例含旁瓣抑制波束的相控阵天线的典型数量为N＝4。4个旁瓣抑制波束信号分别由4个旁瓣抑制波束接收通道53进行检测，测量得到的信号幅度为Pi，其中i＝1,2,3,4。对测量得到的信号进行比较，其中幅度最大值为PΩ＝max(Pi)，其中i＝1,2,3,4。和波束信号与差波束信号分别由和波束接收通道51与差波束接收通道52进行检测。和波束接收通道51测量得到的信号幅度为P∑。如P∑＞PΩ，则和波束接收通道51收到的信号为和波束主瓣信号，对和波束接收通道51与差波束接收通道52接收的和波束信号与差波束信号进行测角处理；如P∑＜PΩ，则和波束接收通道51收到的信号为和波束旁瓣信号，对旁瓣信号进行抑制处理。
参阅图1。在以下描述的实施例中，一种含旁瓣抑制波束的相控阵天线，包括：相扫天线阵列、T/R组件、波束形成网络3、旁瓣抑制天线12、波控器4。
参阅图2。相扫天线阵列至少由4个天线单元组成。本实施例相扫天线阵列的天线单元典型数量为16个。相扫天线单元22可选用具有垂直极化特性的印刷振子天线或者微带贴片天线。每个相扫天线单元22的工作频带中心频率对应的波长为λ0，工作频带高频对应的波长为λH。可选的，按相邻相扫天线单元22距离为0.5λH～0.5λ0沿直线均匀排列为相扫天线阵列。相扫天线阵列采用低副瓣幅度加权设计，本实施例相扫天线阵列的幅度加权分布(W)：加权系数分别为
0.19:0.189:0.269:0.438:0.616:0.783:0.928:1:1:0.928:0.783:0.616:0.438:0.269:0.189:0.19。相扫天线阵列通过相扫T/R组件11中移相器相位的改变进行一维波束扫描，经波束形成网络3形成和波束与差波束。
参阅图2。旁瓣抑制天线12与相扫天线阵列共用一个天线孔径。旁瓣抑制天线12放置在相扫天线阵列的一侧，与相扫天线阵列的相扫天线单元22沿直线排列。旁瓣抑制天线12与相扫天线阵列的相扫天线单元22均使用相同的天线，用于形成具有定向宽波束特性的旁瓣抑制波束。可选的，旁瓣抑制天线12与邻近的相扫天线阵列的相扫天线单元22的距离为kλH～kλ0；其中，k＝0.5～0.7。
参阅图3。为了实现方位360°范围内的空域扫描覆盖，需要N个相控阵天线，其中N≥3。每个相控阵天线均相同。相控阵天线在方位向均匀旋转布阵，每个相控阵覆盖区域为360°/N。本实施例含旁瓣抑制波束的相控阵天线的典型数量为N＝4。
参阅图4。4个旁瓣抑制波束信号分别由4个旁瓣抑制波束接收通道53进行检测，测量得到的信号幅度为Pi，其中i＝1,2,3,4。对测量得到的信号进行比较，其中幅度最大值为PΩ＝max(Pi)，其中i＝1,2,3,4。
参阅图4。和波束信号与差波束信号分别由和波束接收通道51与差波束接收通道52进行检测。和波束接收通道51测量得到的信号幅度为P∑。如P∑＞PΩ，则和波束接收通道51收到的信号为和波束主瓣信号，对和波束接收通道51与差波束接收通道52接收的和波束信号与差波束信号进行测角处理；如P∑＜PΩ，则和波束接收通道51收到的信号为和波束旁瓣信号，对旁瓣信号进行抑制处理；如信号幅度P∑和PΩ均未超过接收机噪声电平，则无信号，无需后续处理。
本发明提供含旁瓣抑制波束的相控阵天线及旁瓣抑制方法，采用和、差、旁瓣抑制三通道相控阵天线方案，通过多个相控阵天线组合使用，在相扫天线阵列俯仰波束覆盖范围内、方位360°能够实现旁瓣抑制波束接收通道信号对和通道旁瓣信号的抑制，即和波束主瓣以外，旁瓣抑制波束信号电平均比和波束旁瓣信号电平高，覆盖率达到了100％。在各对应角度上，旁瓣抑制波束信号电平至少比和通道旁瓣信号电平大10dB。并且能够满足方位360°范围内同时和与差多波束的需求。此外，本发明提出的含旁瓣抑制波束的相控阵天线及旁瓣抑制方法，旁瓣抑制波束对和波束旁瓣的抑制不会受海面或者地面的多径影响。本发明系统构架简单、容易实现。
本发明可以广泛应用于雷达相控阵天线旁瓣抑制领域，特别是应用于舰载平台或地面平台的二次雷达系统天线领域。
如上所述，可较好地实现本发明。
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种含旁瓣抑制波束的相控阵天线，其特征在于，包括M个相扫T/R组件(11)、旁瓣抑制T/R组件(21)、M个相扫天线单元(22)、旁瓣抑制天线(12)、波束形成网络(3)、波控器(4)，相扫天线单元(22)、相扫T/R组件(11)、波束形成网络(3)依次相连构成相扫通道，所述波控器(4)用以控制相扫T/R组件(11)和旁瓣抑制T/R组件(21)，M个相扫天线单元(22)构成相扫天线阵列，所述波束形成网络(3)输出端连接有和波束接收通道(51)、差波束接收通道(52)，所述旁瓣抑制T/R组件(21)的输出端连接有旁瓣抑制波束接收通道(53)，旁瓣抑制天线(12)与旁瓣抑制T/R组件(21)的输入端连接；其中，M≥4且M为整数。
2.根据权利要求1所述的一种含旁瓣抑制波束的相控阵天线，其特征在于，M个相扫天线单元(22)沿直线构成一维相扫天线阵列。
3.根据权利要求2所述的一种含旁瓣抑制波束的相控阵天线，其特征在于，相邻相扫天线单元(22)之间的距离相等。
4.根据权利要求3所述的一种含旁瓣抑制波束的相控阵天线，其特征在于，相邻相扫天线单元(22)之间的距离为0.5λH～0.5λ0；其中，λ0表示工作频带中心频率对应的波长，λH表示工作频带高频对应的波长。
5.根据权利要求4所述的一种含旁瓣抑制波束的相控阵天线，其特征在于，旁瓣抑制天线(12)与相邻相扫天线单元(22)的距离为kλH～kλ0；其中，k＝0.5～0.7。
6.根据权利要求5所述的一种含旁瓣抑制波束的相控阵天线，其特征在于，M＝16。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种含旁瓣抑制波束的相控阵天线，所述相扫天线单元(22)为具有垂直极化特性的印刷振子天线或具有垂直极化特性的微带贴片天线。
8.一种含旁瓣抑制波束的相控阵天线系统，其特征在于，包括N个权利要求1至7任一项所述的一种含旁瓣抑制波束的相控阵天线，相邻两相扫天线阵列的方位面夹角相同；其中，N≥3。
9.根据权利要求8所述的一种含旁瓣抑制波束的相控阵天线系统，其特征在于，N＝4。
10.一种如权利要求8或9所述的含旁瓣抑制波束的相控阵天线系统的使用方法，其特征在于，若P∑＞PΩ，则对和波束信号与差波束信号进行测角处理；若P∑＜PΩ，则对旁瓣信号进行抑制处理；若P∑＝PΩ，则不对和波束信号、差波束信号、旁瓣信号进行处理；其中，P∑表示和波束接收通道(51)测量得到的信号幅度，PΩ表示旁瓣抑制波束接收通道(53)测量得到的信号幅度。
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