CN114927881A - 一种宽带二维多波束透镜天线 - Google Patents

一种宽带二维多波束透镜天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽带二维多波束透镜天线，所述天线包括k个柱面透镜多波束天线俯仰面堆叠组成的柱面透镜多波束天线组，k为大于1的正整数。本发明通过采用罗特曼透镜组对柱面透镜多波束天线馈电，方位面和俯仰面多波束分别由柱面透镜多波束天线和罗特曼透镜实现，实现二维多波束的空域覆盖，合成波束的波束宽度和波束数量可灵活控制，且方位面多波束由介质透镜合成，能实现方位大角度覆盖，扫描波束无增益损失，相较于锥面覆盖的二维多波束，调试测试简单，解决了传统的二维多波束比幅测向均为天线方向图二维合成，其形成的多波束覆盖区域为锥面区域，需要预置较多的校准信息，系统调试测试复杂的技术问题。

Description

一种宽带二维多波束透镜天线
技术领域
本发明涉及多波束天线技术领域，尤其涉及到一种宽带二维多波束透镜天线。
背景技术
在电子侦察领域，多波束测向因其高可靠性、工作频带高、性能受环境影响小等优点广泛用于各类高精度比幅测向系统中。按其波束覆盖可分为一维多波束和二维多波束。一维多波束仅在方位面瞬时产生多个固定波束，二维多波束在方位面和俯仰面两个维度均产生多个固定波束，完成对方位面和俯仰面多波束测向。透镜天线因其宽带和高可靠性等优点广泛应用于多波束测向系统中。
常见的二维多波束透镜天线实现方法分为电路透镜和介质透镜。1、电路透镜，基于二维波束合成网络对天线面阵馈电实现二维多波，二维波束合成网络由两级电路透镜堆叠(水平/垂直)形成，罗特曼(Rotman)透镜因其宽频段，波束指向恒定，高可靠性等特点常作为电路透镜的实现形式。该方法结构简单，波束数量/宽度可灵活控制。2、介质透镜，通过将多个馈源天线放置在介质球表面一定距离(焦点)处照射介质球，对馈源天线的宽波束进行二维光学聚焦，形成多个高增益笔状波束，实现二维多波束，常见的方法为龙伯(Luneburg)透镜多波束天线。该方法能实现宽角覆盖，波束指向稳定，无增益损失，无电路引入的损耗。
二维多波束比幅测向通过多个天线波束接收信号幅度值，计算确定信息的方向，一般为方位角和俯仰角；且在常用侦察测向系统中，考虑到目标距离较远且方向不确定，来波方向为俯仰小角度，波束覆盖区域为柱面扇形区域，即方位面大角度宽覆盖，俯仰面小角度窄覆盖。上述两种方法均为天线方向图二维合成，其形成的多波束覆盖区域为锥面区域，即所有波束指向汇聚到同一点。锥面区域覆盖致使常用的一维方位面多波束比幅测向算法不能直接推广到二维多波束中，需要预置较多的校准信息，系统调试测试复杂。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种宽带二维多波束透镜天线，旨在解决目前传统的二维多波束比幅测向均为天线方向图二维合成，其形成的多波束覆盖区域为锥面区域，即所有波束指向汇聚到同一点。锥面区域覆盖致使常用的一维方位面多波束比幅测向算法不能直接推广到二维多波束中，需要预置较多的校准信息，系统调试测试复杂的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种宽带二维多波束透镜天线，包括由k个柱面透镜多波束天线俯仰面堆叠组成的柱面透镜多波束天线组，k为大于1的正整数；所述柱面透镜多波束天线包括圆柱形介质透镜、馈源天线阵和两块平行金属平板，两块所述平行金属板上下重叠，通过金属紧固件相连接，所述圆柱形介质透镜位于两块所述平行金属板之间，形成三层夹层结构，所述馈源天线阵由m个馈源天线在圆柱形介质透镜侧面等间距的区域上呈圆弧形排列，m为大于1的正整数。
可选的，所述柱面透镜多波束天线组包含m*k个馈源天线，所述馈源天线选用宽带天线；其中，m为所述柱面透镜多波束天线组方位面馈源天线数量，k为柱面透镜多波束天线组俯仰面馈源天线数量。
可选的，所述圆柱形介质透镜为损耗正切小于0.001的介质材料，所述圆柱形介质透镜的直径为5～50λ，λ为工作中心频率波长，所示圆柱形介质透镜的高度取值为馈源天线高度的1～2倍。
可选的，两块所述平行金属板尺寸相同，所述平行金属板正面形状由两块不同半径的半圆组成，其中较小半径的半圆与圆柱形介质透镜半径相同，所述平行金属板与圆柱形介质透镜上下同心。
可选的，所述宽带二维多波束透镜天线合成波束数量为m*n；其中，m为所述宽带二维多波束透镜天线方位面合成波束数量，n为所述宽带二维多波束透镜天线俯仰面合成波束数量。
可选的，所述柱面透镜多波束天线组与罗特曼透镜组采用等相射频电缆互联，罗特曼透镜组对柱面透镜多波束天线组馈电。
可选的，罗特曼透镜组由m个罗特曼透镜组成，m为大于1的正整数，且与柱面透镜多波束天线的馈源天线数量m的取值相同；罗特曼透镜采用微带线结构实现，由单层介质基板及上下金属化覆铜表面组成，上层为微带电路，包括罗特曼透镜的透镜体、输入端口、输出端口及空置端口。
可选的，所述空置端口末端连接吸收性匹配负载。
可选的，所述罗特曼透镜的输入端口数量为n个，n为大于1的正整数；罗特曼透镜的输出端口数量为k个，k为大于1的正整数，且与柱面透镜多波束天线的数量k的取值相同。
可选的，单个所述罗特曼透镜的k个输出端口依次与柱面透镜多波束天线组的俯仰面k个馈源天线连接馈电；所述罗特曼透镜组的m个罗特曼透镜分别对柱面透镜多波束天线组的方位面m列的k个馈源天线连接馈电。
本发明提出的宽带二维多波束透镜天线，其有益效果如下：
1、采用罗特曼透镜组对柱面透镜多波束天线馈电，实现二维多波束的空域覆盖，其覆盖范围为柱面扇形，相较于锥面覆盖的二维多波束，调试测试简单。
2、方位面和俯仰面多波束分别由柱面透镜多波束天线和罗特曼透镜实现，合成波束的波束宽度和波束数量可灵活控制；且方位面多波束由介质透镜合成，能实现方位大角度覆盖，扫描波束无增益损失。
3、采用的罗特曼透镜和柱面透镜多波束天线均为宽带器件，本发明具有宽带特性，可靠性高、结构简单和性能稳定。
附图说明
图1为本发明宽带二维多波束透镜天线框图。
图2为本发明宽带二维多波束透镜天线。
图3为本发明柱面透镜多波束天线组。
图4为本发明柱面透镜多波束天线侧视图。
图5为本发明柱面透镜多波束天线剖视图。
图6为本发明平行金属板外形。
图7为本发明罗特曼透镜组。
图8为本发明罗特曼透镜侧视图。
图9为本发明罗特曼透镜微带电路。
图10为本发明柱面透镜多波束天线组馈源天线位置编号示意。
图11为本发明二维多波束编号示意。
附图标号说明：
1-柱面透镜多波束天线组；2-罗特曼透镜组；11-柱面透镜多波束天线；111-圆柱形介质透镜；112-馈源天线阵；1121-馈源天线；113-平行金属平板；21-罗特曼透镜；211-介质基板；212-微带电路；2121-透镜体；2122-输入端口；2123-输出端口；2124-空置端口。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释发明，并不用于限定发明。
下面将结合发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
需要说明，发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在发明要求的保护范围之内。
目前，相关技术领域中，传统的二维多波束比幅测向均为天线方向图二维合成，其形成的多波束覆盖区域为锥面区域，即所有波束指向汇聚到同一点。锥面区域覆盖致使常用的一维方位面多波束比幅测向算法不能直接推广到二维多波束中，需要预置较多的校准信息，系统调试测试复杂。
为了解决这一问题，提出本发明的宽带二维多波束透镜天线的各个实施例。本发明提供的宽带二维多波束透镜天线，通过采用罗特曼透镜组对柱面透镜多波束天线馈电，方位面和俯仰面多波束分别由柱面透镜多波束天线和罗特曼透镜实现，实现二维多波束的空域覆盖，其覆盖范围为柱面扇形，相较于锥面覆盖的二维多波束，调试测试简单，合成波束的波束宽度和波束数量可灵活控制，且方位面多波束由介质透镜合成，能实现方位大角度覆盖，扫描波束无增益损失，解决了传统的二维多波束比幅测向均为天线方向图二维合成，其形成的多波束覆盖区域为锥面区域，需要预置较多的校准信息，系统调试测试复杂的技术问题。
如图1和图2所示，本实施例提出了一种宽带二维多波束透镜天线，包括柱面透镜多波束天线组1、罗特曼透镜组2。所述的柱面透镜多波束天线组1与罗特曼透镜组2间采用等相射频电缆互联。
如图3，柱面透镜多波束天线组1由k个柱面透镜多波束天线11俯仰面堆叠组成阵。所述的k为大于1的正整数。
如图4和图5所示，柱面透镜多波束天线11，包括圆柱形介质透镜111、馈源天线阵112、两块平行金属平板113。所述的两块平行金属板113上下重叠，通过金属紧固件相连接；所述的圆柱形介质透镜111位于两块平行金属板113之间，形成三层夹层结构；所述馈源天线阵112的由m个馈源天线1121在圆柱形介质透镜111侧面等间距的区域上呈圆弧形排列，m为大于1的正整数。
圆柱形介质透镜111为低损耗(损耗正切小0.001)介质材料，包括聚四氟烯或聚苯乙烯材料；圆柱形介质透镜111的直径取值为5～50λ，λ为工作中心频率波长，圆柱形介质透镜111的高度取值为馈源天线1121高度的1到2倍。
如图6所示，两块平行金属板113尺寸相同，平行金属板113正面形状由两块不同半径的半圆组成，其中较小半径的半圆与圆柱形介质透镜111半径相同，平行金属板113与圆柱形介质透镜111上下同心。
馈源天线1121选用宽带天线，优选的，喇叭天线、介质Vivaldi天线、印制八木天线、介质端射天线。
柱面透镜多波束天线11的工作带宽取决于馈源天线1121和圆柱形介质透镜111的尺寸，通过选取宽带天线作为馈源天线1121，极化方式水平极化，即平行金属板间传播TE模式的电磁波；通过优化选择合适的圆柱形介质透镜111的直径，调整馈源天线1121与圆柱形介质透镜111之间的距离，能够保证所述实施例的柱面透镜多波束天线11能工作于1.5个倍频程的工作带宽，具有宽带特性。
如图7所示，罗特曼透镜组2由m个罗特曼透镜21组成，所述的m为大于1的正整数，且与柱面透镜多波束天线11的馈源天线数量m的取值相同。
如图8和图9所示，罗特曼透镜21采用微带线结构实现，由单层介质基板211及上下金属化覆铜表面组成，上层为微带电路212，包括罗特曼透镜的透镜体2121、输入端口2122、输出端口2123及空置端口2124。罗特曼透镜21的输入端口2122数量为n个，所述的n为大于1的正整数。罗特曼透镜21的输出端口2123数量为k个，所述的k为大于1的正整数，且与柱面透镜多波束天线11的数量k的取值相同。
输入端口2122、输出端口2123及空置端口2124设计的参考阻抗为50Ω，端口设计采用锥削形渐变微带线结构，微带线阻抗渐变设计使其具有宽带特性。透镜体2121区域基于几何光学原理，与频率无关，本身具有宽频带特性。故所述实施例的罗特曼透镜21具有宽带特性。
空置端口2124末端连接吸收性50Ω匹配负载，其目的在于吸收透镜体2121内谐振信号，避免空置端口2124不匹配产生的反射对输入端口2122和输出端口2123的传输性能造成影响。罗特曼透镜21的输入端口2122、输出端口2123及空置端口2124以及所在的曲线轮廓及相应位置可由罗特曼透镜设计公式给出。
如图10所示，本实施例的柱面透镜多波束天线组1包含m*k个馈源天线1121，其中m为所述柱面透镜多波束天线组1方位面馈源天线数量，k为柱面透镜多波束天线组1俯仰面馈源天线数量，对柱面透镜多波束天线组1的m*k馈源天线1121位置进行编号，可表示为矩阵形式，方位面位置编号为列，俯仰面位置编号为行。
其中，i取值范围为2～k，j取值范围为2～m。
单个罗特曼透镜21的k个输出端口2123依次与柱面透镜多波束天线组1的俯仰面k个馈源天线1121连接馈电，即单个罗特曼透镜21的k个输出端口2123依次与图10所述单列馈源天线1121连接。实施例的罗特曼透镜组2的m个罗特曼透镜21分别对柱面透镜多波束天线组1的方位面m列的k个馈源天线1121连接馈电。
本实施例合成波束数量为m*n，其中m为所述宽带二维多波束透镜天线方位面合成波束数量，n为所述宽带二维多波束透镜天线俯仰面合成波束数量。
本实施例的宽带二维多波束透镜天线方位合成波束数量m由柱面透镜多波束天线11的馈源天线阵112的数量决定，俯仰面合成波束数量n由罗特曼透镜21的输入端口2122的数量决定，两者相互独立，即方位面和俯仰面两个维度波束宽度和波束数量可灵活控制，适合方位面和俯仰面测向精度和空域覆盖要求不同的场合。
本实施例方位面波束由柱透镜多波束天线11一维聚焦实现，俯仰面波束由罗特曼透镜21馈电俯仰一维线阵合成，从实现上避免了现有技术的二维聚焦，使最终的多波束覆盖区域为柱面扇形覆盖，即生成的多个波束指向展开后位于平面的矩阵区域内。以m＝9，n＝5为例进行说明，生成的多波束总数量为45个，其中方位面波束数9个，俯仰面波束数5个。所生成波束命名如图11所示，其中j＝1～9。同一行方位面波束位于同一俯仰面，同一列俯仰面波束位于同一方位面，两两相邻波束指向间隔稳定(方位面和俯仰面指向稳定)，中间波束和边波束覆盖一致，不受大角度扫描的影响。传统一维多波束测向比幅算法可直接推广到本实例的二维比幅测向，避免了繁琐的校正和预置信息，系统调试测试工作大幅简化。
与现有技术相比，电路透镜方案通过两级罗特曼透镜组对天线面阵进行馈电实现二维多波束。罗特曼透镜为无源宽带器件，有损耗，两级级联导致天线系统损耗较大；天线面阵合成的二维多波束由天线组阵间距影响，随着扫描角度增加，扫描增益会出现损失。介质透镜方案通过多个馈源天线照射介质体实现二维多波束。介质体形状一般为球体，馈源天线需要设计单独结构支撑，架设安装较复杂，不利于与整机平台物理集成；此外，该方案合成的波束对方位和俯仰两维同时聚焦，波束宽度相同，难以灵活控制波束宽度，方位面和俯仰面波束数量不能灵活选择。
本实施例采用电路透镜和介质透镜相结合的方案，方位面波束合成采用柱面透镜多波束天线，能实现大角度波束扫描，且随角度增加无增益损失；俯仰面波束合成采用罗特曼透镜，波束扫描受组阵间距影响，空域覆盖范围不宽。综上可知，本实例的空域覆盖方位面覆盖较宽，俯仰面覆盖较窄，适合侦察测向系统。相较于电路透镜方案中的两级罗特曼透镜组，损耗较小；罗特曼透镜和柱面透镜多波束天线均为宽带无源器件，本实施例具有宽带特性、可靠性高、结构简单和性能稳定等优点。
以上仅为发明的优选实施例，并非因此限制发明的专利范围，凡是利用发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种宽带二维多波束透镜天线，其特征在于，包括k个柱面透镜多波束天线俯仰面堆叠组成的柱面透镜多波束天线组，k为大于1的正整数；所述柱面透镜多波束天线包括圆柱形介质透镜、馈源天线阵和两块平行金属平板，两块所述平行金属板上下重叠，通过金属紧固件相连接，所述圆柱形介质透镜位于两块所述平行金属板之间，形成三层夹层结构，所述馈源天线阵由m个馈源天线在圆柱形介质透镜侧面等间距的区域上呈圆弧形排列，m为大于1的正整数。
2.如权利要求1所述的宽带二维多波束透镜天线，其特征在于，所述柱面透镜多波束天线组包含m*k个馈源天线，所述馈源天线选用宽带天线；其中，m为所述柱面透镜多波束天线组方位面馈源天线数量，k为柱面透镜多波束天线组俯仰面馈源天线数量。
3.如权利要求1所述的宽带二维多波束透镜天线，其特征在于，所述圆柱形介质透镜为损耗正切小于0.001的介质材料，所述圆柱形介质透镜的直径为5～50λ，λ为工作中心频率波长，所示圆柱形介质透镜的高度取值为馈源天线高度的1～2倍。
4.如权利要求1所述的宽带二维多波束透镜天线，其特征在于，两块所述平行金属板尺寸相同，所述平行金属板正面形状由两块不同半径的半圆组成，其中较小半径的半圆与圆柱形介质透镜半径相同，所述平行金属板与圆柱形介质透镜上下同心。
5.如权利要求1所述的宽带二维多波束透镜天线，其特征在于，所述宽带二维多波束透镜天线合成波束数量为m*n；其中，m为所述宽带二维多波束透镜天线方位面合成波束数量，n为所述宽带二维多波束透镜天线俯仰面合成波束数量。
6.如权利要求1所述的宽带二维多波束透镜天线，其特征在于，所述柱面透镜多波束天线组与罗特曼透镜组采用等相射频电缆互联，罗特曼透镜组对柱面透镜多波束天线组馈电。
7.如权利要求6所述的宽带二维多波束透镜天线，其特征在于，罗特曼透镜组由m个罗特曼透镜组成，m为大于1的正整数，且与柱面透镜多波束天线的馈源天线数量m的取值相同；罗特曼透镜采用微带线结构实现，由单层介质基板及上下金属化覆铜表面组成，上层为微带电路，包括罗特曼透镜的透镜体、输入端口、输出端口及空置端口。
8.如权利要求7所述的宽带二维多波束透镜天线，其特征在于，所述空置端口末端连接吸收性匹配负载。
9.如权利要求7所述的宽带二维多波束透镜天线，其特征在于，所述罗特曼透镜的输入端口数量为n个，n为大于1的正整数；罗特曼透镜的输出端口数量为k个，k为大于1的正整数，且与柱面透镜多波束天线的数量k的取值相同。
10.如权利要求7所述的宽带二维多波束透镜天线，其特征在于，单个所述罗特曼透镜的k个输出端口依次与柱面透镜多波束天线组的俯仰面k个馈源天线连接馈电；所述罗特曼透镜组的m个罗特曼透镜分别对柱面透镜多波束天线组的方位面m列的k个馈源天线连接馈电。
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