CN114374091A

CN114374091A - 一种余割平方波束赋形网络

Info

Publication number: CN114374091A
Application number: CN202210057191.XA
Authority: CN
Inventors: 孙良; 韩国栋; 肖松; 汪显; 张宙; 齐宏业; 历园园; 牛晟璞
Original assignee: CETC 54 Research Institute
Current assignee: CETC 54 Research Institute
Priority date: 2022-01-19
Filing date: 2022-01-19
Publication date: 2022-04-19

Abstract

本发明公开了一种余割平方波束赋形网络，涉及雷达通信和波束赋形技术领域。该网络采用多层印制板形式，根据威尔金森功分器原理，设计了一种不等幅不等相的1分N路功分网络，由特定的功分比和相位分布，可以实现对余割平方波束的赋形功能。本发明还具有结构简单、集成度高、成本低、效率高等优点。

Description

一种余割平方波束赋形网络

技术领域

本发明涉及雷达通信和波束赋形技术领域，特别是指一种余割平方波束赋形网络。

背景技术

无线电设备通过电磁波来传递信息，在无线电系统中，用来接收和发射电磁波的装置称为天线。天线在发射端通过把高频的电流形式的能量转变成同频率的无线电波能量发射出去；而在接收时，天线则把接收到的高频的无线电波能量转变成同频率的电流能量传送给接收设备。可见，天线与发射机、接收机一样，是无线电系统中十分重要的组成部分之一。

天线是电磁波的收发部件，是无线电系统的重要组成部分。在过去一个多世纪的发展过程中，天线形式多种多样、性能各异，因此被广泛应用于通信、制导、广播、雷达、对抗等领域。天线的辐射方向图形状是固定的，多为笔形波束和扇形波束，但是在预警、跟踪、防空制导、识别、战场评估等应用方面需要的是各种不同形状的方向图，这就需要对天线的波束进行赋形，以得到我们需要的方向图形状。其中应用较为普遍的方向图形状是余割平方波束。

目前的赋形天线主要有以下几种实现形式，在性能上虽各有特点，但均存在某种不足。

公开号为CN105103372A的中国专利“波束赋形天线阵”公开了一种赋形天线，通过微控制器单元来控制天线单元的开关，借此来实现天线阵列的赋形。但是这种形式结构复杂，引入了控制单元和控制开关，成本高，操作复杂。

公开号为CN106532247A的中国专利“一种双频圆极化赋形天线”公开了一种双频圆极化赋形天线，其包括上层印制板、下层印制板、金属底座、射频连接器和馈电网络，通过金属探针与覆铜层相对位置以及下层印制板金属化过孔结构共同作用，实现了在防隔热天线窗安装环境下的方向图赋形。这种形式只适合于避免遮挡的天线方向图赋形，而不能完成特殊应用的方向图(如余割平方波束方向图)的赋形。

发明内容

本发明的目的在于避免上述背景技术中赋形天线的不足之处，提供一种余割平方波束赋形网络，既避免了结构复杂的缺点，又能完成特殊应用的方向图赋形。本发明具有结构简单、集成度高、成本低、效率高等优点，可实现宽频带高效率的余割平方波束方向图的赋形。

本发明所采用的技术方案为：

一种余割平方波束赋形网络，包括印制板、承载在印制板上的印刷馈电线，印刷馈电线构成赋形网络，赋形网络的输入输出端均具有接口；所述的赋形网络为满二叉树形式的1分N路功分网络，N路功分不等幅度不等相位分布，NC2³。

进一步的，所述的1分N路功分网络的幅度加权值按照如下规律排布：

n≤N/2时，A_n＝8πn^0.8/N

N/2≤n≤N时，A_n＝8π(N+1-n)^0.8/N

其中，A_n表示1分N路功分网络中第n路的幅度加权值，n＝1，2，...，N，π是圆周率。

进一步的，所述的1分N路功分网络的相位加权值按照如下规律排布：

n≤N/2时，P_n＝180°·n/N

N/2≤n≤N时，P_n＝-180°·(N+1-n)/N

其中，P_n表示1分N路功分网络中第n路的相位加权值，n＝1，2，...，N，π是圆周率。

进一步的，所述的印制板中含有1个或者多个隔离柱。

进一步的，所述的印制板为多层印制板。

本发明相比背景技术具有如下优点：

1、本发明通过无源网络进行幅度和相位的加权，可以实现余割平方波束的赋形。

2、本发明将功分比差距控制在最大10∶1以内，相位加权差距均以5°为阶梯，工程上容易实现，并具有良好的电气性能。

总之，本发明整体结构简单，易于加工，成本低，并能实现良好的余割平方波束赋形功能。

附图说明

图1是本发明1分32路馈电网络的结构示意图。

图2是本发明馈电网络的印制板分层示意图(侧视图)。

图3是本发明的馈电网络的电气仿真结果(f＝6GHz)。

图4是本发明的馈电网络的电气仿真结果(f＝6.7GHz)。

图5是本发明的馈电网络的电气仿真结果(f＝7.35GHz)。

图6是一分二等分Wilkinson功分器原理示意图。

图7是不等分Wilkinson功分器原理示意图。

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说明。

一种余割平方波束赋形网络，包括四层印制电路板、印刷馈电线、接口和隔离柱；印刷馈电线用于形成赋形网络；接口为1个入口和N个出口，入口和出口均可以连接同轴接插件或者电缆；隔离柱为印刷电路板间贯通的金属化过孔，其目的是为了提高各部件之间的隔离度，减小不利于电气性能的耦合影响，提高网络的性能。

其中，赋形网络为1分N路功分网络，即，由1路分成2路，2路再分成4路，....，最后再由N/2路分成N路，这N路的功分比(也就是幅度加权值)按照如下规律排布：

A_n＝8πn^0.8/N(当n≤N/2时)

A_n＝8π(N+1-n)^0.8/N(当N/2≤n≤N时)

其中，A_n是幅度加权值，π是圆周率常数，n是第n路，N是总共的路数(N须为偶数，且N≥8)。

此外，1分N路功分网络相位加权值按照如下规律排布：

P_n＝180°·n/N(当n≤N/2时)

P_n＝-180°·(N+1-n)/N(当N/2≤n≤N时)

本领域技术人员公知，功分比(也就是幅度加权值)对应的是网络印刷馈电线的宽度，宽度与功分比的关系是正比例关系，印刷馈电线的宽度由特定的工作频率确定，不同的工作频率对应不同的宽度。上述公式已经对馈电线的宽度进行了优化设计，能够达到良好的阻抗匹配效果。

相位加权值对应的是馈电线的长度，电磁波走过的路程长短的不同表征着其不同的相位。上述公式中所设计的不同加权相位值均可一一对应到馈电线的长度上。馈电线长度也与工作频率相关，因此，本网络的工作频率是确定的，不适用于整个频带。

由相关理论可知，功分比和相位加权值可由阵列方向图综合再通过方向图乘积定理计算得到。其基本原理是根据余割平方赋形波束的形状，利用傅里叶逆变换得到各个天线单元的幅度和相位值。但是，由此得到的各个单元幅度比可能过大，对于常规的一分二不等功分器，其中一个支路的传输线阻值较高，线宽非常细，极大提高了工程实现难度。为此，本网络在设计时将各个单元幅度比限定在一定范围(小于10∶1)，同时限定各单元之间的相位差为5°的阶梯或者5°的整数倍，由此，经过优化算法进行迭代反复优化，最终得到上述公式所给出的排布规律。

下面以1分32路网络为例进行说明。

如图1和2所示，一种余割平方波束赋形网络，包括端口0(总输入端口)、1～5级一分二功分网络和32个端口1～32。输入信号由端口0进入，经过1～5级一分二功分网络完成了幅度和相位加权的功能，通过各级网络的不同功分比和不同的长度设计，最终得到余割平方波束赋形的馈电网络。

其中，5级功分网络是在4层印制板上实现的，目的是为了减小空间和便于集成。

其中，6～14为隔离柱，是沿着各级功分网络的边缘做出的多层印制板上的金属化过孔，目的是增加功分网络之间的隔离度。

该余割平方波束赋形网络是根据威尔金森功分器设计原理，设计了一种不等幅不等相的1分N路功分网络，优化了功分比和相位分布，使得该网络易于实现，且结构简单，集成度高，成本低、效率高。

按照上述实施过程得到如表1和表2所示的功分比和相位分布。

表1本发明的1分32路赋形网络的功分比

端口编号	功分比	端口编号	功分比	端口编号	功分比
						1	1	12	7.3	23	6.3
2	1.7	13	7.8	24	5.8
						3	2.4	14	8.3	25	5.3
4	3	15	8.7	26	4.7
						5	3.6	16	9.2	27	4.2
6	4.2	17	9.2	28	3.6
						7	4.7	18	8.7	29	3
8	5.3	19	8.3	30	2.4
						9	5.8	20	7.8	31	1.7
10	6.3	21	7.3	32	1
						11	6.8	22	6.8

表2本发明的1分32路赋形网络的相位分布

端口编号	相位(°)	端口编号	相位(°)	端口编号	相位(°)
						1	160	12	220	23	0
2	155	13	200	24	-75
						3	140	14	170	25	-120
4	130	15	150	26	-140
						5	110	16	120	27	-120
6	120	17	-120	28	-110
						7	140	18	-150	29	-130
8	120	19	-170	30	-140
						9	75	20	-200	31	-155
10	0	21	-220	32	-160
						11	180	22	-180

由表1可见，功分比小于9.2，这样的功分比相差不大，能够使赋形网络的实现较为容易。同样由表2可见，其相位分布均以5°以及5°的整数倍为阶梯，容易实现。

按照上述功分比和幅相分布加工制作的赋形网络可以达到优良的赋形效果，其测试结果与赋形目标的比较曲线如图3-图5所示，测试结果与赋形的目标曲线吻合良好。

本领域技术人员知晓，波束赋形是对于阵列天线的输入信号进行预处理的技术,是单个天线无法实现的，必须用特殊设计的阵列天线配合相应的幅度和激励才能实现。在实际场合的应用中，要先分析出该场合下适合使用的方向图，对该方向图进行数字化，以便代入算法中求解使用。具体来说，需要根据阵列天线中的阵因子与单个天线方向图的公式，利用算法将数字化的目标方向图作为己知量，求解出适合该目标方向图的幅度与相位。

赋形阵列天线馈电网络的设计可基于经典的威尔金森(Wilkinson)功分器理论，威尔金森功分器是一种分布参数功率分配器，在射频系统中被广泛应用。

图6所示为一个典型的一分二威尔金森功分器。其1口输入，2、3口输出。信号从1口输入后，会等分的从2、3口输出。而当信号从2或3口输入时，由于隔离特性，信号不会进入相互隔离的另外一个端口。

但是，在赋形阵列天线馈电网络设计中，用到最多的是不等功分器，即端口之间的功率分配比不等于1，端口之间馈电线特性阻抗与功率比值成反比，以此原则设计相应的不等分馈电网络，从而实现所需要的不等功分比。图7给出了一种威尔金森不等分功分器，其输出端口2、3的功率P2、P3不相等，且满足关系P3＝K2*P2，其中K2是端口2、3的功分比。

当输出端口2、3功率分配比值较大时，如大于10:1，对于常规的一分二不等功分器，其中一个支路的传输线阻值较高，线宽非常细，极大提高了工程实现难度。

因此，本发明中对功分比做了限定，并进行了优化，严格控制功分比在10:1以下，从而减小了工程实现难度。

总之，本发明采用印制板形式，根据威尔金森功分器原理，设计了一种不等幅不等相的1分N路功分网络，由特定的功分比和相位分布，可以实现对余割平方波束的赋形功能，并具有结构简单、集成度高、成本低、效率高等优点。

Claims

1.一种余割平方波束赋形网络，包括印制板、承载在印制板上的印刷馈电线，印刷馈电线构成赋形网络，赋形网络的输入输出端均具有接口；其特征在于，所述的赋形网络为满二叉树形式的1分N路功分网络，N路功分不等幅度不等相位分布，N≥2³。

2.根据权利要求1所述的一种余割平方波束赋形网络，其特征在于，所述的1分N路功分网络的幅度加权值按照如下规律排布：

n≤N/2时，A_n＝8πn^0.8/N

N/2≤n≤N时，A_n＝8π(N+1-n)^0.8/N

其中，A_n表示1分N路功分网络中第n路的幅度加权值，n＝1,2,...,N，π是圆周率。

3.根据权利要求1所述的一种余割平方波束赋形网络，其特征在于，所述的1分N路功分网络的相位加权值按照如下规律排布：

n≤N/2时，P_n＝180°·n/N

N/2≤n≤N时，P_n＝-180°·(N+1-n)/N

其中，P_n表示1分N路功分网络中第n路的相位加权值，n＝1,2,...,N，π是圆周率。

4.根据权利要求1所述的一种余割平方波束赋形网络，其特征在于，所述的印制板中含有1个或者多个隔离柱。

5.根据权利要求1所述的一种余割平方波束赋形网络，其特征在于，所述的印制板为多层印制板。