CN114400436A - 一种宽频带余割平方波束赋形天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种宽频带余割平方波束赋形天线，涉及余割平方波束赋形天线领域。该天线通过赋形功分网络来实现余割平方波束的赋形，网络采用多层印制板形式，根据威尔金森功分器原理，由特定的功分比和相位分布得到一种不等幅不等相的1分N路功分网络，连接宽带微带辐射单元之后可以实现对余割平方波束的赋形功能。本发明具有结构简单、集成度高、成本低、效率高等优点。

Description

一种宽频带余割平方波束赋形天线
技术领域
本发明涉及通信、雷达、遥测、遥感和侦收等领域，特别是指一种宽频带余割平方波束赋形天线。
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。天线是和发射机、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：
中国专利号为CN105103372A，名称为《波束赋形天线阵》专利中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。
中国专利号为CN106532247A，名称为《一种双频圆极化赋形天线》专利中公开了一种双频圆极化赋形天线，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，提供一种宽频带余割平方波束赋形天线，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。
本发明所采用的技术方案为：
一种宽频带余割平方波束赋形天线，包括辐射单元、支撑结构和馈电网络，所述的辐射单元为宽带天线单元，支撑结构为长条形金属板，馈电网络为一分多路余割平方波束赋形网络。
进一步的，所述的辐射单元为宽带微带天线单元，所述的馈电网络为满二叉树形式的1分N路功分网络，N≥23，其幅度加权值按照如下规律排布：
n≤N/2时，An＝8πn0.8/N
N/2≤n≤N时，An＝8π(N+1-n)0.8/N
相位加权值按照如下规律排布：
n≤N/2时，Pn＝180°·n/N
N/2≤n≤N时，Pn＝-180°·(N+1-n)/N
其中，An表示1分N路功分网络中第n路的幅度加权值，Pn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，所述的余割平方波束赋形网络为印制板结构。
进一步的，所述的余割平方波束赋形网络为多层印制板结构。
进一步的，所述的辐射单元为双线极化单元。
进一步的，所述的辐射单元为圆极化单元。
进一步的，所述的宽带微带天线单元周边设置有金属框。
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，可实现余割平方波束赋形。
2、本发明的赋形功分网络的功分比差距较小，控制在最大10:1以内，工程上容易实现。
3、本发明的相位加权差恒定，均以5°为阶梯，且递增和递减分布，设计简单，工程实现比较容易控制，为网络的实现提供了很大的便利。
4、本发明的赋形网络采用多层印制板实现，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。
5、本发明采用微带辐射单元，增益高，带宽宽。
6、本发明的微带辐射单元周边有金属框，经过仿真优化计算，不影响辐射，且单元之间隔离度高。
附图说明
图1是本发明实施例中余割平方波束赋形天线的结构示意图(侧视图)。
图2是本发明实施例中赋形网络的结构示意图。
图3是本发明实施例中印制板分层示意图(侧视图)。
图4是本发明实施例中微带辐射单元的结构示意图。
图5是本发明实施例中微带天线的电气仿真结果(f＝6GHz)。
图6是本发明实施例中微带天线的电气仿真结果(f＝6.7GHz)。
图7是本发明实施例中微带天线的电气仿真结果(f＝7.35GHz)。
图8是一分二等分Wilkinson功分器原理示意图。
图9是不等分Wilkinson功分器原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
一种宽频带余割平方波束赋形天线，包括微带辐射单元、支撑结构和余割平方波束赋形功分网络，所述的赋形功分网络为1分N路功分网络，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路网络不等幅且不等相分布，其功分比(也就是幅度加权值)为按照如下规律排布：
An＝8πn0.8/N (当n≤N/2时)
An＝8π(N+1-n)0.8/N (当N/2≤n≤N时)
其中，An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)。
1分N路功分网络相位加权值按照如下规律排布：
Pn＝180°·n/N (当n≤N/2时)
Pn＝-180°·(N+1-n)/N (当N/2≤n≤N时)
其中，An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)。
其功分比(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，且需要进行优化设计以达到良好的阻抗匹配。
其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，根据我们设计的不同加权相位值，可以将其一一对应到馈电线的长度上。同样，馈电线长度也与工作频率是相关的，也即是本发明中的网络其工作频率是确定的，它不适用于整个频带。
上述功分比和相位加权值由阵列方向图综合再是通过方向图乘积定理计算得到的。其基本原理是先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，并限定各个单元幅度比在一定范围(比如小于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，经过优化算法进行迭代反复优化，最终得到一组最优解。
其中，所述的多层印制板之间由馈电线连接。
其中，所述的接口为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。
其中，所述的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。
下面以1分32路赋形天线为例进行详细说明：
如图1-4所示，一种宽频带余割平方波束赋形天线，包括微带辐射单元、支撑结构和赋形功分网络。微带辐射单元为三层印制板结构，中间有两层空气腔，除辐射方向外另外5面均为金属边框。赋形功分网络包括端口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。
其中，辐射单元除辐射方向外另外5面均为金属边框，经过仿真优化计算，不影响辐射，且单元之间隔离度高。
按照上述实施过程所述的赋形网络设计得到如表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余割平方波束赋形天线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5-图7所示，测试结果与赋形的目标曲线吻合良好。
本天线的工作原理如下：
该余割平方波束赋形天线利用赋形功分网络来实现对微带辐射单元的幅度和相位加权，赋形功分网络是根据威尔金森功分器原理进行设计，这种不等幅不等相的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。微带辐射单元和赋形功分网络连接形成的天线具有良好的余割平方波束赋形的辐射方向图。
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。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基于经典的威尔金森(Wilkinson)功分器理论，威尔金森(Wilkinson)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。如图8所示，为一个典型的一分二威尔金森(Wilkinson)功分器。
如图8所示，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。
而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9给出了一种Wilkinson不等分功分器，输出端口2、3的功率不相等，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，减小了工程实现难度。
开放形式的微带天线辐射单元通常隔离度较差，由于各个单元之间间距很近，加激励后各单元上的电流分布方向相同，容易引起强烈的互耦，对天线的整体电气性能造成严重的不利影响。在本例中，增加了除辐射方向外的5面的金属边框。由于金属对电磁波有屏蔽效应，5面包围的金属框能极大的提高微带天线辐射单元的隔离度，保证天线具有优良的电气性能。
总之，本发明天线通过赋形功分网络来实现宽频带高效率的余割平方波束方向图的赋形，网络采用多层印制板形式，根据威尔金森功分器原理，由特定的功分比和相位分布得到一种不等幅不等相的1分N路功分网络，连接宽带微带辐射单元之后可以实现对余割平方波束的赋形功能。本发明具有结构简单、集成度高、成本低、效率高等优点。

Claims (7)

1.一种宽频带余割平方波束赋形天线，包括辐射单元、支撑结构和馈电网络，其特征在于：所述的辐射单元为宽带天线单元，支撑结构为长条形金属板，馈电网络为一分多路余割平方波束赋形网络。
2.根据权利要求1所述的一种宽频带余割平方波束赋形天线，其特征在于：所述的辐射单元为宽带微带天线单元，所述的馈电网络为满二叉树形式的1分N路功分网络，N≥23，其幅度加权值按照如下规律排布：
n≤N/2时，An＝8πn0.8/N
N/2≤n≤N时，An＝8π(N+1-n)0.8/N
相位加权值按照如下规律排布：
n≤N/2时，Pn＝180°·n/N
N/2≤n≤N时，Pn＝-180°·(N+1-n)/N
其中，An表示1分N路功分网络中第n路的幅度加权值，Pn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。
3.根据权利要求1所述的一种宽频带余割平方波束赋形天线，其特征在于：所述的余割平方波束赋形网络为印制板结构。
4.根据权利要求1所述的一种宽频带余割平方波束赋形天线，其特征在于：所述的余割平方波束赋形网络为多层印制板结构。
5.根据权利要求1所述的一种宽频带余割平方波束赋形天线，其特征在于：所述的辐射单元为双线极化单元。
6.根据权利要求1所述的一种宽频带余割平方波束赋形天线，其特征在于：所述的辐射单元为圆极化单元。
7.根据权利要求2所述的一种宽频带余割平方波束赋形天线，其特征在于：所述的宽带微带天线单元周边设置有金属框。
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