CN114512824B - 基于共腔罗特曼透镜的毫米波十字扫描多波束阵列天线 - Google Patents

基于共腔罗特曼透镜的毫米波十字扫描多波束阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于阵列天线的技术领域，具体提供一种基于共腔罗特曼透镜的毫米波十字扫描多波束阵列天线，采用共腔罗特曼透镜的拓扑结构给毫米波十字扫描多波束阵列天线馈电，该拓扑结构由两组子网络正交组成，每组子网络仅由馈源轮廓和内外阵列轮廓组成(不添加传统罗特曼透镜的虚端口)，两组罗特曼透镜正交放置并构成封闭的共用腔体(共腔罗特曼透镜)，通过共腔罗特曼透镜的约束设计保证两组子网络互不重叠、干扰，输入端口可切换实现不同的指向角，输出端口与辐射结构进行连接；本发明基于该共腔罗特曼透镜所设计的多波束阵列天线能够实现十字扫描馈电网络与辐射结构的一体化设计，有效降低馈电网络的设计复杂度和占用面积。

Description

基于共腔罗特曼透镜的毫米波十字扫描多波束阵列天线
技术领域
本发明属于阵列天线的技术领域，具体涉及由基片集成波导共腔罗特曼透镜馈电的毫米波十字扫描多波束阵列天线，将用于十字扫描的两组子馈电网络集成化设计，有效降低馈电网络的设计复杂度和占用面积。
背景技术
毫米波多波束阵列天线已在各大场景中得到了广泛的应用，例如无线通信、雷达和成像。通常多波束阵列天线可以分为两类：一维扫描和二维扫描，一维扫描多波束阵列天线的方向图往往是围绕方位角或者俯仰角进行扫描，而二维扫描则可以同时围绕方位角和俯仰角进行扫描；其中，二维扫描有一种特殊应用场景，其扫描方向位于方位面和俯仰面两个垂直面内，即为本发明中所述十字扫描。
文献“On the mapping by a cross-correlation antenna system ofpartially coherent radio sources”利用十字扫描进行远程亮温分布测试；文献“ZIROFFAndreas et al.Self-calibration of a 3-D-digital beamforming radar system forautomotive applications with installation behind automotive covers”中的三维数字波束成形雷达系统和文献“TELLO Juan et al.Performance evaluation of a passivemillimeter-wave imager”中的毫米波成像系统都应用了十字扫描工作模式；但是，十字扫描在应用时往往是分解为两组独立工作的一维扫描进行设计，这是因为这两组馈电网络不容易实现一体化设计。如在文献“TELLO Juan et al.Performance evaluation of apassive millimeter-wave imager”中，两组反射器作为馈电网络首先进行独立设计并加工，随后两组一维扫描阵列天线以“T”字型组合起来，实际上为了提升系统的集成度。
由此可见，对于毫米波十字扫描阵列天线，两组子阵列及其馈电网络一体化集成设计是具有重要意义的；基于此，本发明提出一种基于共腔罗特曼透镜的毫米波十字扫描多波束阵列天线，实现十字扫描馈电网络与辐射结构的一体化设计。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于共腔罗特曼透镜的毫米波十字扫描多波束阵列天线，将十字扫描的两组子阵列天线的馈电网络集成设计到同一天线结构上，有效降低了有效降低馈电网络设计复杂度和面积。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
基于共腔罗特曼透镜的毫米波十字扫描多波束阵列天线，其特征在于，所述毫米波十字扫描多波束阵列天线采用由下层贴片、中层介质板与上层贴片构成的罗特曼透镜天线结构，所述毫米波十字扫描多波束阵列天线的拓扑结构由两组完全相同的子网络构成，每组子网络由馈源轮廓、透镜腔体、内阵列轮廓、波导传输线与外阵列轮廓(阵列天线)组成，两组子网络正交设置、并于透镜腔体处构成封闭且共用的共腔罗特曼透镜。
进一步的，所述共腔罗特曼透镜的透镜轮廓满足约束方程：
其中，F表示轴外焦距，L表示外阵列轮廓(阵列天线)的长度，ηmax表示ηmax表示归一化处理后外阵列轮廓上的辐射单元天线到水平坐标轴(X轴)的垂直距离的最大值；表示馈源轮廓上边缘与下边缘的垂直距离，/>表示内轮廓上边缘与下边缘的垂直距离，C表示馈源轮廓下边缘与内阵列轮廓下边缘的水平距离。
进一步的，所述下层贴片、中层介质板与上层贴片从下往上依次层叠设置，所述下层贴片上对应每一组子网络的输入端分别设置有相同结构的过渡贴片，所述上层贴片上对应每一组子网络的输出端分别开设有相同结构的开槽辐射阵列。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种基于共腔罗特曼透镜的毫米波十字扫描多波束阵列天线，采用共腔罗特曼透镜的拓扑结构给毫米波十字扫描多波束阵列天线馈电，该拓扑结构由两组子网络正交组成，每组子网络仅由馈源轮廓和内外阵列轮廓组成(不添加传统罗特曼透镜的虚端口)，两组罗特曼透镜正交放置并构成封闭的共用腔体(共腔罗特曼透镜)，通过共腔罗特曼透镜的约束设计保证两组子网络互不重叠、干扰，对输入端口可切换实现不同的指向角，输出端口与辐射结构进行连接；本发明基于该共腔罗特曼透镜所设计的多波束阵列天线能够实现十字扫描馈电网络与辐射结构的一体化设计，有效降低馈电网络的设计复杂度和占用面积。
附图说明
图1为本发明基于共腔罗特曼透镜的毫米波十字扫描多波束阵列天线的三维结构示意图。
图2为本发明基于共腔罗特曼透镜的毫米波十字扫描多波束阵列天线的俯视结构示意图。
图3为本发明基于共腔罗特曼透镜的毫米波十字扫描多波束阵列天线的分层结构图，其中，(a)为上层贴片，(b)为中层介质板，(c)为下层贴片。
图4为本发明基于共腔罗特曼透镜的毫米波十字扫描多波束阵列天线中共腔罗德曼透镜的拓扑结构示意图。
图5为本发明基于共腔罗特曼透镜的毫米波十字扫描多波束阵列天线中共腔罗德曼透镜的原理示意图。
图6为本发明实施例中基于共腔罗特曼透镜的毫米波十字扫描多波束阵列天线中缝隙天线仿真模型与方向图。
图7为本发明实施例中基于共腔罗特曼透镜的毫米波十字扫描多波束阵列天线的十字扫描多波束半功率波束覆盖图，其中，(a)为俯仰面扫描时的多波束半功率波瓣覆盖图，(b)为方位面扫描时的多波束半功率波瓣覆盖图。
图8为本发明实施例中基于共腔罗特曼透镜的毫米波十字扫描多波束阵列天线的仿真与测试S参数对比图，其中，(a)为端口#1到#7馈电时的反射系数，(b)为同一组馈电端口内的互相耦合，(c)为两组馈电端口间的互相耦合。
图9为本发明实施例中基于共腔罗特曼透镜的毫米波十字扫描多波束阵列天线的仿真与测试方向图对比图，其中，(a)、(b)、(c)分别为阵列天线工作在27GHz、28GHz、29GHz时的辐射方向图。
具体实施方式
为更清晰地阐述本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本实施例提供一种基于共腔罗特曼透镜的毫米波十字扫描多波束阵列天线，其结构如图1与图2所示，具体包括：从下往上依次层叠设置的下层贴片3、中层介质板2与上层贴片1。
更为具体的讲：
所述上层贴片如图3中(a)所示，作为介质集成波导及罗特曼透镜的上层地，其上开设有辐射阵列11；本实施例中，上层贴片的尺寸为28.9×32.1mm2，辐射阵列11由一组8×2缝隙天线组成，缝隙天线的仿真模型如图6所示，由介质集成波导和2条相互交错的缝隙组成，其主要设计尺寸为：d1＝4.55mm、d2＝5.20mm、d3＝0.55mm和d4＝0.26mm；该缝隙天线E面和H面的方向图如图6所示，其中，E面和H面的半功率波束宽度分别为104°和47°，两个面内的交叉极化电平都低于-30dB。
所述中层介质板如图3中(b)所示，采用Rogers RT/duroid RO5880基板，其尺寸为28.9×32.1mm2，厚度为0.508mm；具体包括：设置在介质内部的介质集成波导过孔围栏21、匹配过孔22、以及由介质构成的共腔罗特曼透镜23；所述过孔均为直径0.4mm的金属化过孔，所述匹配过孔位于介质集成波导拐角处、用于阻抗匹配和调相；
所述共腔罗特曼透镜23的拓扑结构如图4所示，该拓扑结构由两组完全相同的子网络正交组成，每组子网络仅由馈源轮廓和内外阵列轮廓组成，且不添加传统罗特曼透镜的虚端口；为了确定满足两组罗特曼透镜共腔要求的波束轮廓和阵列轮廓，本发明对传统罗特曼透镜的设计方程进行修正，如图5所示；首先，电约束方程修正为：
上述约束方程(1a)～(1c)为传统罗特曼透镜的设计方程，其中，表示内轮廓上的点P(x,y)到偏轴焦点F1的距离，/>表示内轮廓上的点P(x,y)到偏轴焦点F2的距离，/>表示内轮廓上的点P(x,y)到正轴焦点G(-G,0)的距离，εr表示透镜腔体填充介质的相对介电常数，W为连接内阵列轮廓与外阵列轮廓的传输线长度、W0表示为坐标原点O到外阵列轮廓中心的传输线长度，N表示外阵列轮廓上的辐射单元天线到X轴(水平坐标轴)的垂直距离，/>表示扫描波束的传播方向与x轴的夹角，F表示轴外焦距。
上述约束方程(1d)～(1e)为本发明修正的共腔罗特曼透镜的设计方程，其约束的是两组子网络之间的遮挡效应，保证两组子网络互不重叠、干扰，其中，表示馈源轮廓上边缘与下边缘的垂直距离，/>表示内阵列轮廓上边缘与下边缘的垂直距离，C表示馈源轮廓下(上)边缘与内阵列轮廓下(上)边缘的水平距离；
需要说明的是，上述共腔罗特曼透镜的设计过程中，将其转化为子网络的设计，即传统罗特曼透镜的设计，再将传统罗特曼透镜的设计转化为轴外焦距F的设计，具体为：
首先，根据下述约束条件得到轴外焦距F的最小值：
其中，L表示外阵列轮廓(阵列天线)的长度，ηmax表示N归一化处理后的最大值；
然后，根据轴外焦距F、基于传统传统罗特曼透镜的设计方程得到如图5所示的透镜轮廓，进一步的得到C值、值、/>值；
最后，判断此时透镜轮廓是否满足约束方程(1d)～(1e)，若满足则得到共腔罗特曼透镜，否则，按照预设步进增大轴外焦距F，直到得到满足约束方程(1d)～(1e)的轴外焦距F；
即得到同时满足约束方程(2)、约束方程(1d)与约束方程(1e)的最小轴外焦距F，而此轴外焦距F对应的透镜轮廓即作为本发明中共腔罗特曼透镜的透镜轮廓；
最终，本实施例中，共腔罗特曼透镜的焦径比g为1.1、外阵列轮廓归一化值η为0.38、轴上焦距G为55mm，轴外焦距F为50mm。
所述下层贴片如图3中(c)所示，包括：介质集成波导及罗特曼透镜的下层地、以及过渡贴片31；过渡贴片一侧连接SMA接口与微带线，另一侧为微带线到介质集成波导的线性过渡结构，过渡结构长8mm、末端宽2.89mm。
上述毫米波十字扫描多波束阵列天线中，开槽辐射阵列11设置在介质集成波导末端，通过罗特曼透镜优化的相位实现波束切换，通过将输入端口在#1到#7的范围内切换，十字扫描多波束阵列天线能够在俯仰面内产生多波束；同样，切换#1'-#7'，能够在方位面内实现多波束；方位面和俯仰面扫描时的多波束半功率波瓣覆盖图如图7所示，其覆盖范围大约为57.5°到124.5°的俯仰角、-32.5°到34.5°的方位角。
本实施例中毫米波十字扫描多波束阵列天线的仿真与测试S参数对比如图8所示，由图可见，本发明的多波束阵列天线除了端口#4馈电时，反射系数稍稍大于-10dB，其余大部分情况的回波损耗都优于10dB；同一组馈电端口内的互相耦合及两组馈电端口间的互相耦合均在频带内小于-10dB；本实施例中毫米波十字扫描多波束阵列天线的仿真与测试方向图对比如图9所示，由图可见，本发明的多波束阵列天线工作在27GHz、28GHz和29GHz时测试方向图与仿真方向图有着比较好的吻合度；综上，本发明实现十字扫描馈电网络与辐射结构的一体化设计，有效降低馈电网络的设计复杂度和占用面积。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或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，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.基于共腔罗特曼透镜的毫米波十字扫描多波束阵列天线，其特征在于，所述毫米波十字扫描多波束阵列天线采用由下层贴片、中层介质板与上层贴片构成的罗特曼透镜天线结构，所述毫米波十字扫描多波束阵列天线的拓扑结构由两组完全相同的子网络构成，每组子网络由馈源轮廓、透镜腔体、内阵列轮廓、波导传输线与外阵列轮廓组成，两组子网络正交设置、并于透镜腔体处构成封闭的共腔罗特曼透镜；
所述共腔罗特曼透镜的透镜轮廓满足约束方程：
其中，F表示轴外焦距，L表示外阵列轮廓的长度，ηmax表示归一化处理后外阵列轮廓上的辐射单元天线到水平坐标轴的垂直距离的最大值；表示馈源轮廓上边缘与下边缘的垂直距离，/>表示内阵列轮廓上边缘与下边缘的垂直距离，C表示馈源轮廓下边缘与内阵列轮廓下边缘的水平距离。
2.根据权利要求1所述基于共腔罗特曼透镜的毫米波十字扫描多波束阵列天线，其特征在于，所述下层贴片、中层介质板与上层贴片从下往上依次层叠设置，所述下层贴片上对应每一组子网络的输入端分别设置有相同结构的过渡贴片，所述上层贴片上对应每一组子网络的输出端分别开设有相同结构的开槽辐射阵列。
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