CN114927874A - 一种集成180度混合网络的和差波束扫描漏波天线 - Google Patents

一种集成180度混合网络的和差波束扫描漏波天线 Download PDF

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CN114927874A CN202210688618.6A CN202210688618A CN114927874A CN 114927874 A CN114927874 A CN 114927874A CN 202210688618 A CN202210688618 A CN 202210688618A CN 114927874 A CN114927874 A CN 114927874A
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Abstract

本发明提供了一种集成180度混合网络的和差波束扫描漏波天线，包括介质板、第一个周期性漏波天线、第二个周期性漏波天线、180度混合网络、金属接地板；所述的介质板安装在金属接地板上，所述的第一个周期性漏波天线和第二个周期性漏波天线、180度混合网络安装在所述的介质板上；所述的第一个周期性漏波天线和180度混合网络的一个输出端口连接，第二个周期性漏波天线和180度混合网络的另一个输出端口连接；所述的第一个周期性漏波天线中单元数量少于所述的第二个周期性漏波天线中的单元数量；本发明解决了现有技术结构复杂，成本高，精度低的问题，并具有低成本，易集成，易加工、能够实现高精度的目标探测和跟踪的优点。

Description

一种集成180度混合网络的和差波束扫描漏波天线
技术领域
本发明涉及通信设备领域，更具体地，涉及一种集成180度混合网络的和差波束扫描漏波天线。
背景技术
漏波天线是一种行波天线，其主要特征是主瓣波束能够随着频率的变化而进行扫描。传统的漏波天线是通过金属矩形波导开缝的方案来实现，这种方案的缺点在于波导的体积大，不易于集成。后来，利用微带线或基片集成波导的方案具有平面结构、体积小、容易和电路集成等优点而引起人们的兴趣，因此具有单波束扫描的漏波天线已被广泛研究。
在雷达等系统中，单波束扫描中波束宽度的影响会导致对目标角度的确定出现误差。和差波束来提升对目标定位的精度和实现对目标的跟踪，对于雷达的性能有很大的提升。因此，设计一种具有和差波束扫描功能的漏波天线在雷达等系统中具有实际应用价值。
传统的波束扫描方案主要有两种方案，其中一种是机械扫描，需要将天线放置于转台上实现，这种方案不易于集成，成本较高且精度有限。而另外一种是相控阵天线，需要复杂的馈电网络，其设计复杂和成本较高。针对这一问题，现有专利公开有一种具有大圆极化波束扫描范围的基片集成波导漏波天线，解决了传统圆极化漏波天线圆极化波束扫描范围小的问题。然而现有的有波束扫描功能的漏波天线结构较复杂，成本较高，精度较低。因此，如何设计一种低成本，易集成，易加工、能够实现高精度的探测和跟踪的漏波天线是本技术领域急需解决的问题。
发明内容
本发明提供一种集成180度混合网络的和差波束扫描漏波天线，该天线具有低成本，易集成，易加工、能够实现高精度的探测和跟踪的优点。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种集成180度混合网络的和差波束扫描漏波天线，包括介质板、第一个周期性漏波天线、第二个周期性漏波天线、180度混合网络、金属接地板；所述的介质板安装在金属接地板上，所述的第一个周期性漏波天线和第二个周期性漏波天线、180度混合网络安装在所述的介质板上；所述的第一个周期性漏波天线和180度混合网络的一个输出端口连接，第二个周期性漏波天线和180度混合网络的另一个输出端口连接；所述的第一个周期性漏波天线中单元数量少于所述的第二个周期性漏波天线中的单元数量。
进一步地，所述的第一个周期性漏波天线中包括11个周期性的单元，每个单元中有两个交错放置的缝隙和两个短路钉；所述的单元周期性排列，其周期距离为p1。
进一步地，所述的第二个周期性漏波天线中包括12个周期性的单元，每个单元中有两个交错放置的缝隙和两个短路钉；所述的单元周期性排列，其周期距离为p2。
进一步地，所述的第一个周期性漏波天线中的周期距离p1大于所述的第二个周期性漏波天线中的周期距离p2。
进一步地，所述的第一个周期性漏波天线中的缝隙的长度和宽度和第二个周期性漏波天线中的缝隙相同；所述的第一个周期性漏波天线中缝隙相对于该天线中轴线的距离和第二个周期性漏波天线中缝隙相对于该天线中轴线的距离相同。
进一步地，所述的第一个周期性漏波天线中的短路钉的直径和第二个周期性漏波天线中的短路钉相同；所述的第一个周期性漏波天线中短路钉和该天线中轴线的距离bvia1和第二个周期性漏波天线中短路钉和该天线中轴线的距离bvia2不同。
进一步地，所述的第一个周期性漏波天线中的第一个缝隙距离SIW初始位置xa1和第二个周期性漏波天线中的第一个缝隙距离SIW初始位置xa2不同；所述的第一个周期性漏波天线中的最后一个缝隙距离SIW末尾位置xb1和第二个周期性漏波天线中的最后一个缝隙距离SIW末尾位置xb2不同。
进一步地，所述的第一个周期性漏波天线、第二个周期性漏波天线和180度混合网络的两个输出端口相连接，构成整个天线结构。
进一步地，所述的180度混合网络中的和端口被激励，同时第一个周期性漏波天线终端、第二个周期性漏波天线终端和180度混合网络的差端口接负载以实现和波束扫描；所述的180度混合网络中的差端口被激励，同时第一个周期性漏波天线终端、第二个周期性漏波天线终端和180度混合网络的和端口接负载以实现差波束扫描。
优选地，所述负载的电阻为50Ω。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明通过在两个基片集成波导中分别刻蚀不同周期的缝隙对，构成第一个漏波天线和第二个漏波天线，使其能够同时向空间中同时辐射出两个不同角度的波束；同时，引入短路钉进行阻抗匹配可以有效抑制开阻带效应；当和端口馈电、其余端口接50Ω负载时，天线会辐射出一个波束宽度较大的和波束；当差端口、其余端口接50Ω负载馈电时，天线会辐射出差波束；由此，这种结构不仅能够提供了足够的工作带宽和增益，在工作带宽内实现了广扫描范围，解决了现有技术有波束扫描功能的漏波天线精度低、无法实现准确角度测量和跟踪的问题。
附图说明
图1为本漏波天线的透视图；
图2为本漏波天线的俯视图；
图3是本漏波天线中两个漏波天线的简单示意图；
图4是本漏波天线中两个漏波天线单元的示意图；
图5是本漏波天线的侧视图；
图6是本漏波天线中的180度混合网络的示意图，(a)是其俯视图，(b)是其仰视图；
图7是本漏波天线中和端口和差端口的反射系数图；
图8是本漏波天线中和端口和差端口的隔离度图；
图9是本漏波天线的传输系数图，其中，(a)和端口和两个漏波天线终端的传输系数图；(b)差端口和两个漏波天线终端的传输系数图；
图10是本漏波天线在
Figure BDA0003700688090000031
的滚动角平面上，工作在(a)11.5GHz、(b)12.5GHz、(c)13.5GHz、(d)14.5GHz、(e)15.5GHz、(f)16.5GHz的和波束辐射方向图；
图11是本漏波天线在
Figure BDA0003700688090000032
的滚动角平面上，工作在(a)11.5GHz、(b)12.5GHz、(c)13.5GHz、(d)14.5GHz、(e)15.5GHz、(f)16.5GHz的差波束辐射方向图；
图12是本漏波天线的和波束的增益图；
图13是本漏波天线中差波束中的两个波束的增益图；
图14是本漏波天线中差波束的零点深度图；
图15是本漏波天线的波束扫描范围图；
图16是本漏波天线的效率图；
其中，1-介质板、2-第一个漏波天线、3-第二个漏波天线、4-180度混合网络、5-金属接地板。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，在一个具体实施例中，一种集成180度混合网络的和差波束扫描漏波天线，包括介质板1、第一个漏波天线2、第二个漏波天线3、180度混合网络4、金属接地板5；所述的介质板1安装在金属接地板5上，所述的第一个漏波天线2和第二个漏波天线3安装在所述的介质板1上；所述的第一个周期性漏波天线和180度混合网络的一个输出端口连接；所述的第二个周期性漏波天线和180度混合网络的另一个输出端口连接。所述的第一个周期性漏波天线中单元数量少于所述的第二个周期性漏波天线中的单元数量。
在本实施例中，所述的第一个漏波天线和第二个漏波天线可以为包括基于金属微带线、共面线、槽线和鳍状线等多种适合制作微波集成电路的平面结构的漏波天线，通过在平面传输线上加载周期性的扰动结构获得漏波天线性能。
实施例2
如图1所示，在一个具体实施例中，一种集成180度混合网络的和差波束扫描漏波天线，包括介质板1、第一个漏波天线2、第二个漏波天线3、180度混合网络4、金属接地板5；所述的介质板1安装在金属接地板5上，所述的第一个漏波天线2和第二个漏波天线3安装在所述的介质板1上；所述的第一个漏波天线2和第二个漏波天线3安装在所述的介质板1上；所述的第一个周期性漏波天线和180度混合网络的一个输出端口连接；所述的第二个周期性漏波天线和180度混合网络的另一个输出端口连接。本实施例中，所述的介质板1为固体电介质，具有装配难度低，便于生产的特点，所述的介质板1位于
Figure BDA0003700688090000051
的滚动角平面上，所述的第一个漏波天线2和第二个漏波天线3安装分别安装在所述介质板1的中轴线两侧，且通过微带线和180度混合网络的两个输出端口相连接，将180度混合网络集成到漏波天线中。
在一个具体实施例中，所述的第一个周期性漏波天线中包括11个周期性的单元，每个单元中有一对交错放置的缝隙和一对短路钉。所述的单元周期性排列，其周期距离为p1。
在一个具体实施例中，所述的第二个周期性漏波天线中包括12个周期性的单元，每个单元中有一对交错放置的缝隙和一对短路钉。所述的单元周期性排列，其周期距离为p2。
在一个具体实施例中，所述的第一个漏波天线中的缝隙对和短路钉对构成的单元(图4)的周期距离p1大于所述的第二个漏波天线中的缝隙对和短路钉对构成的单元(图4)的周期距离p2。本实施中p1为19.6mm，p2为18mm。
所述的第一个周期性漏波天线中的缝隙的长度和宽度和第二个周期性漏波天线中的缝隙相同。所述的第一个周期性漏波天线中缝隙相对于该天线中轴线的距离和第二个周期性漏波天线中缝隙相对于该天线中轴线的距离相同。本实施例中，缝隙的长度为7mm，宽度为1mm，而缝隙相对于每个漏波天线中轴线的距离为3.2mm。
所述的第一个周期性漏波天线(2)中的短路钉的直径和第二个周期性漏波天线(3)中的短路钉相同。所述的第一个周期性漏波天线(2)中短路钉和该天线中轴线的距离和第二个周期性漏波天线(3)中短路钉和该天线中轴线的距离不同。本实施例中，短路钉的直径为0.8mm，第一个漏波天线中短路钉相对于天线中轴线的距离为3.2mm，第二个漏波天线中短路钉相对于天线中轴线的距离为3.05mm。
实施例3
如图1所示，在一个具体实施例中，一种集成180度混合网络的和差波束扫描漏波天线，包括介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，长度为264mm，宽度为40mm，厚度为0.762mm的介质板1、第一个漏波天线2、第二个漏波天线3、180度混合网络4、长度为264mm，宽度为40mm的金属接地板5；所述的介质板1安装在金属接地板5上，所述的第一个漏波天线2和第二个漏波天线3安装在所述的介质板1上；所述的第一个周期性漏波天线和180度混合网络的一个输出端口连接；所述的第二个周期性漏波天线和180度混合网络的另一个输出端口连接。所述的第一个周期性漏波天线中单元数量少于所述的第二个周期性漏波天线中的单元数量，并且所述的第一个周期性漏波天线中单元的周期距离大于所述的第二个周期性漏波天线中单元的周期距离。
本实施例中，本漏波天线采用印刷电路板技术和金属化过孔制作而成，具有成本低，装配难度低的优先。
在一个具体实施例中，所述的第一个漏波天线中的单元数量为11个，一个周期单元中包括一对交错的缝隙对和一对交错的短路钉。其单元周期距离为p1。本实施例中p1＝19.6mm。
在一个具体实施例中，所述的第一个漏波天线中的单元数量为12个，一个周期单元中包括一对交错的缝隙对和一对交错的短路钉。其单元周期距离为p2。本实施例中p2＝18mm。
在一个具体实施例中，所述的第一个漏波天线中的单元周期距离p1大于所述的第二个漏波天线中的单元周期距离p2。
在一个具体实施例中，所述的第一个周期性漏波天线中的缝隙的长度和宽度和第二个周期性漏波天线中的缝隙相同。所述的第一个周期性漏波天线中缝隙相对于该天线中轴线的距离和第二个周期性漏波天线中缝隙相对于该天线中轴线的距离相同。本实施例中缝隙的长度为7mm，宽度为1mm，缝隙和其所在天线的中轴线距离为3.2mm。
在一个具体实施例中，所述的第一个周期性漏波天线中的短路钉的直径和第二个周期性漏波天线中的短路钉相同。所述的第一个周期性漏波天线中短路钉和该天线中轴线的距离和第二个周期性漏波天线中短路钉和该天线中轴线的距离不同。本实施例中的短路钉的直径为0.8mm，第一个漏波天线中短路钉和中轴线的距离为3.2mm，第二个漏波天线中短路钉和中轴线的距离为3.05mm。
在一个具体实施例中，所述的第一个周期性漏波天线2中的第一个缝隙距离SIW初始位置和第二个周期性漏波天线3中的第一个缝隙距离SIW初始位置不同。本实施例中的第一个漏波天线的第一个缝隙和SIW初始位置的距离为3.2mm，第二个漏波天线的第一个缝隙和SIW初始位置的距离为2.2mm。第一个漏波天线中的最后一个缝隙和SIW末尾位置与第二个漏波天线中的最后一个缝隙和SIW末尾位置均为1mm。
在一个具体实施例中，所述的180度混合网络的和端口馈电时，其他三个端口均接阻抗负载；所述的180度混合网络的差端口馈电时，其他三个端口均接阻抗负载。
在一个具体实施例中，所述的阻抗负载的电阻为50Ω。
实施例4
如图1所示，在一个具体实施例中，一种集成180度混合网络的和差波束扫描漏波天线，包括介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，长度为264mm，宽度为40mm，厚度为0.762mm的介质板1、第一个漏波天线2、第二个漏波天线3、180度混合网络4、长度为264mm，宽度为40mm的金属接地板5；所述的介质板1安装在金属接地板5上，所述的第一个漏波天线2和第二个漏波天线3安装在所述的介质板1上；所述的第一个周期性漏波天线和180度混合网络的一个输出端口连接；所述的第二个周期性漏波天线和180度混合网络的另一个输出端口连接。所述的第一个周期性漏波天线中单元数量少于所述的第二个周期性漏波天线中的单元数量，并且所述的第一个周期性漏波天线中单元的周期距离大于所述的第二个周期性漏波天线中单元的周期距离。
本实施例中，所述的第一个漏波天线2、第二个漏波天线3，180度混合网络均为平面结构。
本实施例中，所述介质板1为固体电介质，其具有装配难度低，便于生产的特点。
本实施例中，本漏波天线采用印刷电路板技术和金属化过孔制作而成，具有成本低，装配难度低的优先。
在一个具体实施例中，所述的第一个漏波天线中的单元数量为11个，一个周期单元中包括一对交错的缝隙对和一对交错的短路钉。其单元周期距离为p1。本实施例中p1＝19.6mm。
在一个具体实施例中，所述的第一个漏波天线中的单元数量为12个，一个周期单元中包括一对交错的缝隙对和一对交错的短路钉。其单元周期距离为p2。本实施例中p2＝18mm。
在一个具体实施例中，所述的第一个漏波天线中的单元周期距离p1大于所述的第二个漏波天线中的单元周期距离p2。
在一个具体实施例中，所述的第一个周期性漏波天线中的缝隙的长度和宽度和第二个周期性漏波天线中的缝隙相同。所述的第一个周期性漏波天线中缝隙相对于该天线中轴线的距离和第二个周期性漏波天线中缝隙相对于该天线中轴线的距离相同。本实施例中缝隙的长度为7mm，宽度为1mm，缝隙和其所在天线的中轴线距离为3.2mm。
在一个具体实施例中，所述的第一个周期性漏波天线中的短路钉的直径和第二个周期性漏波天线中的短路钉相同。所述的第一个周期性漏波天线中短路钉和该天线中轴线的距离和第二个周期性漏波天线中短路钉和该天线中轴线的距离不同。本实施例中的短路钉的直径为0.8mm，第一个漏波天线中短路钉和中轴线的距离为3.2mm，第二个漏波天线中短路钉和中轴线的距离为3.05mm。
在一个具体实施例中，所述的第一个周期性漏波天线2中的第一个缝隙距离SIW初始位置和第二个周期性漏波天线3中的第一个缝隙距离SIW初始位置不同。本实施例中的第一个漏波天线的第一个缝隙和SIW初始位置的距离为3.2mm，第二个漏波天线的第一个缝隙和SIW初始位置的距离为2.2mm。第一个漏波天线中的最后一个缝隙和SIW末尾位置与第二个漏波天线中的最后一个缝隙和SIW末尾位置均为1mm。
在一个具体实施例中，所述的180度混合网络的和端口馈电时，其他三个端口均接阻抗负载；所述的180度混合网络的差端口馈电时，其他三个端口均接阻抗负载。
在一个具体实施例中，所述的阻抗负载的电阻为50Ω。
如图7所示，端口1(和端口)阻抗带宽(|S11|<-10dB)和端口2(差端口)的阻抗带宽(|S22|<-10dB)在11GHz-17GHz内基本满足|S|<-10dB要求。
如图8所示，端口1(和端口)和端口2(差端口)的实测隔离度大于20dB，和端口和差端口之间有很好的隔离度。
如图9(a)所示，端口1(和端口)和两个输出端口的传输系数接近-10dB，说明当和端口馈电时，传输到两个漏波天线能量都有被较好地辐射到自由空间中。如图9(b)所示，端口2(差端口)和两个输出端口的传输系数接近-10dB，说明当差端口馈电时，能量有被较好地辐射到自由空间中。
如图10(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)所示，在
Figure BDA0003700688090000091
的滚动角平面上，工作在11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5GHz的和波束方向图。
如图11(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)所示，在
Figure BDA0003700688090000092
的滚动角平面上，工作在11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5GHz的差波束方向图。
如图12所示，和波束的增益随着频率增大而增大，最大增益达到15.9dBi。
如图13所示，差波束中两个波束的增益约为12.5dBi左右且两个增益之间相差不超过1dB。
如图14所示，实测的差波束中零点深度最低能够达到40.8dB。
如图15所示，和波束扫描和差波束中零点的扫描具有一致性，该天线的扫描范围从-33.4°到20.8°。
如图16所示，天线中两个端口(和端口和差端口)馈电时的辐射效率和总效率几乎一致，辐射效率约为80％，总效率约为60％。
本发明将本漏波天线装配在介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，损耗角正切为0.0009，长度为264mm，宽度为40mm，厚度为0.762mm的介质板上，并将第一个漏波天线2、第二个漏波天线3、180度混合网络4集成到一起。在每个漏播天线中通过纵向的缝隙产生空间谐波向空间中辐射出能量，当周期不同时，每个漏波天线所辐射的波束角度也不同，从而实现同时向空间中同时辐射出两个不同角度的波束。当使用和端口馈电时，天线会辐射出一个和波束；当使用差端口馈电时，天线会辐射出差波束。由此，这种结构不仅能够提供了足够的工作带宽和增益，解决了现有技术有单波束扫描功能的漏波天线无法实现高精度角度测量和跟踪的问题。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集成180度混合网络的和差波束扫描漏波天线，其特征在于，包括介质板(1)、第一个周期性漏波天线(2)、第二个周期性漏波天线(3)、180度混合网络(4)、金属接地板(5)；所述的介质板(1)安装在金属接地板(5)上，所述的第一个周期性漏波天线(2)和第二个周期性漏波天线(3)、180度混合网络(4)安装在所述的介质板(1)上；所述的第一个周期性漏波天线(2)和180度混合网络(4)的一个输出端口连接，第二个周期性漏波天线(3)和180度混合网络(4)的另一个输出端口连接；所述的第一个周期性漏波天线(2)中单元数量少于所述的第二个周期性漏波天线(3)中的单元数量。
2.根据权利要求1所述的集成180度混合网络的和差波束扫描漏波天线，其特征在于，所述的第一个周期性漏波天线(2)中包括11个周期性的单元，每个单元中有两个交错放置的缝隙和两个短路钉；所述的单元周期性排列，其周期距离为p1。
3.根据权利要求2所述的集成180度混合网络的和差波束扫描漏波天线，其特征在于，所述的第二个周期性漏波天线(3)中包括12个周期性的单元，每个单元中有两个交错放置的缝隙和两个短路钉；所述的单元周期性排列，其周期距离为p2。
4.根据权利要求3所述的集成180度混合网络的和差波束扫描漏波天线，其特征在于，所述的第一个周期性漏波天线(2)中的周期距离p1大于所述的第二个周期性漏波天线(3)中的周期距离p2。
5.根据权利要求4所述的集成180度混合网络的和差波束扫描漏波天线，其特征在于，所述的第一个周期性漏波天线(2)中的缝隙的长度和宽度和第二个周期性漏波天线(3)中的缝隙相同；所述的第一个周期性漏波天线(2)中缝隙相对于该天线中轴线的距离和第二个周期性漏波天线(3)中缝隙相对于该天线中轴线的距离相同。
6.根据权利要求5所述的集成180度混合网络的和差波束扫描漏波天线，其特征在于，所述的第一个周期性漏波天线(2)中的短路钉的直径和第二个周期性漏波天线(3)中的短路钉相同；所述的第一个周期性漏波天线(2)中短路钉和该天线中轴线的距离bvia1和第二个周期性漏波天线(3)中短路钉和该天线中轴线的距离bvia2不同。
7.根据权利要求6所述的集成180度混合网络的和差波束扫描漏波天线，其特征在于，所述的第一个周期性漏波天线(2)中的第一个缝隙距离SIW初始位置xa1和第二个周期性漏波天线(3)中的第一个缝隙距离SIW初始位置xa2不同；所述的第一个周期性漏波天线(2)中的最后一个缝隙距离SIW末尾位置xb1和第二个周期性漏波天线(3)中的最后一个缝隙距离SIW末尾位置xb2不同。
8.根据权利要求7所述的集成180度混合网络的和差波束扫描漏波天线，其特征在于，所述的第一个周期性漏波天线(2)、第二个周期性漏波天线(3)和180度混合网络的两个输出端口相连接，构成整个天线结构。
9.根据权利要求8所述的集成180度混合网络的和差波束扫描漏波天线，其特征在于，所述的180度混合网络(4)中的和端口被激励，同时第一个周期性漏波天线(2)终端、第二个周期性漏波天线(3)终端和180度混合网络(4)的差端口接负载以实现和波束扫描；所述的180度混合网络(4)中的差端口被激励，同时第一个周期性漏波天线(2)终端、第二个周期性漏波天线(3)终端和180度混合网络(4)的和端口接负载以实现差波束扫描。
10.根据权利要求9所述的集成180度混合网络的和差波束扫描漏波天线，其特征在于，所述负载的电阻为50Ω。
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