CN115411532A - 一种波束赋形的多普勒雷达微带平面阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波束赋形的多普勒雷达微带平面阵列天线，包括微带天线层，所述微带天线层包括第一微带串馈线阵组和第二微带串馈线阵组；第一微带串馈线阵组，包括多条平行排列第一串馈线阵；多条的所述第一串馈线阵构成的外形轮廓呈第一平行四边形；第一微带串馈线阵组，包括多条平行排列第二串馈线阵；多条的所述第二串馈线阵构成的外形轮廓呈第二平行四边形；第一串馈线阵与第二串馈线阵的条数相等，且相互间隔排列；所述第一平行四边形与所述第二平行四边形的形状完全相同且相互交叉，交叉后关于交叉线轴对称。本发明的多普勒雷达微带平面阵列天线，赋形能力更好，天线主波束具有γ‑ψ可分离特性，结构性能更便于使用。

Description

一种波束赋形的多普勒雷达微带平面阵列天线

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种波束赋形的多普勒雷达微带平面阵列天线。

背景技术

飞行器飞行于陆地与海面之间时，由于海面与陆地散射特性的差异，反射回的能量具有不同的频率特征，在多普勒响应中表现为功率谱向低频端偏移。这种相对偏移通常称为海-陆漂移，会引起多普勒雷达系统明显的测速误差。

目前，主要有两种克服上述海-陆漂移影响的方法。一种方法是使天线的每个波束在两个位置之间切换，但需要增加额外的硬件设备，相应的系统处理时间也会延长；另一种方法是对阵列天线的主波束3dB轮廓进行“椭圆赋形”，以削弱陆地与海面所对应的频谱响应的相对偏移。

但目前，缺少赋形能力更好，结构性能便于使用的阵列天线。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种波束赋形的多普勒雷达微带平面阵列天线，解决现有多普勒雷达波束赋形的问题。

本发明提供的技术方案是：

本发明公开了一种波束赋形的多普勒雷达微带平面阵列天线，包括微带天线层，其特征在于，所述微带天线层包括第一微带串馈线阵组和第二微带串馈线阵组；

所述第一微带串馈线阵组，包括多条平行排列第一串馈线阵；多条的所述第一串馈线阵构成的外形轮廓呈第一平行四边形；

所述第二微带串馈线阵组，包括多条平行排列第二串馈线阵；多条的所述第二串馈线阵构成的外形轮廓呈第二平行四边形；

所述第一串馈线阵与第二串馈线阵的条数相等，且相互间隔排列；所述第一平行四边形与所述第二平行四边形的形状完全相同且相互交叉，交叉后关于交叉线轴对称。

进一步地，所述微带天线层还包括分别位于第一微带串馈线阵组和第二微带串馈线阵组两侧的第一馈电网络和第二馈电网络；

所述第一馈电网络和第二馈电网络均同时与所述第一微带串馈线阵组和第二微带串馈线阵组相连；

所述第一馈电网络提供第一馈电端口和第二馈电端口；所述第二馈电网络提供第三馈电端口和第四馈电端口；

若从第一馈电端口馈电，则第四馈电端口为耦合口，第二馈电端口和第三馈电端口为隔离口；

若从第二馈电端口馈电，则第三馈电端口为耦合口，第一馈电端口和第四馈电端口为隔离口；

若从第三馈电端口馈电，则第二馈电端口为耦合口，第一馈电端口和第四馈电端口为隔离口

若从第四馈电端口馈电，则第一馈电端口为耦合口，第二馈电端口和第三馈电端口为隔离口。

进一步地，所述第一馈电网络和第二馈电网络均采用前向扫描方式，所述第一微带串馈线阵组和第二微带串馈线阵组均采用后向扫描方式；

分别从第一、第二、第三或第四馈电端口馈电进行馈电后，分别产生与第一馈电端口对应的斜指向波束A1；与第二馈电端口对应的斜指向波束A2；与第三馈电端口对应的斜指向波束A3；与第四馈电端口对应的斜指向波束A4。

进一步地，四个波束的斜指向倾斜角度通过设置第一平行四边形和第二平行四边形的倾斜角度确定。

进一步地，所述第一串馈线阵和第二串馈线阵均采用多普勒分布，包括馈线和通过馈线串联的多个贴片；所述贴片之间馈线的弯曲程度确定各贴片间相位差；

所述贴片的宽度由加载于贴片的激励幅度确定；所述贴片的长度由微带平面阵列天线的工作频率确定。

进一步地，所述第一馈电网络或第二馈电网络中均包括数量与第一串馈线阵或第二串馈线阵的数量相同的采用级联的方式连接的四端口电桥；所述四端口电桥将第一微带串馈线阵组和第二微带串馈线阵组相连在一起。

进一步地，所述第一馈电网络或第二馈电网络中还包括多个双支节变换段；

所述双支节变换段与对应的四端口电桥输出端口连接，用于调节各输出端口功分比，使所述第一馈电网络或第二馈电网络中的馈电幅度分布呈泰勒分布。

进一步地，所述四端口电桥为“日”字形电桥，所述“日”字形电桥的端口a～d依次相邻；在所述第一馈电网络中，上一级“日”字形电桥的端口c与下一级“日”字形电桥的端口a连接，构成电桥的级联关系；

其中，第一级“日”字形电桥的端口a与第一馈电端口连接；第i级“日”字形电桥的端口b与第i条第一串馈线阵连接，端口c还通过一个双变换支节与第i条第二串馈线阵连接；每级“日”字形电桥的端口d均通过一个双变换支节后连接在一起，再与第二馈电端口连接。

进一步地，所述四端口电桥为“日”字形电桥；所述“日”字形电桥的端口a～d依次相邻；在所述第二馈电网络中，上一级“日”字形电桥的端口c与下一级“日”字形电桥的端口a连接，构成电桥的级联关系；

其中，第一级“日”字形电桥的端口a与第三馈电端口连接；第i级“日”字形电桥的端口a通过一个双变换支节与第i条第一串馈线阵连接，端口b与第i条第二串馈线阵连接；每级“日”字形电桥的端口d均通过一个双变换支节后连接在一起，再与第四馈电端口连接。

进一步地，所述“日”字形电桥的日字形结构的边长的尺寸，满足电桥相邻端口的隔离度要求；

所述“日”字形电桥的倾斜变形程度，满足“日”字形电桥的两端馈线相连后产生的相位差满足波束指向角的相位要求。

本发明至少可实现以下有益效果：

本发明的多普勒雷达微带平面阵列天线，赋形能力更好，天线主波束具有γ-ψ可分离特性，结构性能更便于使用。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中的微带平面阵列天线示意图；

图2为本发明实施例中的微带天线层结构示意图；

图3为本发明实施例中的微带天线层的简化结构示意图；

图4为本发明实施例中的馈电端口配置关系示意图；

图5为本发明实施例中的赋形方向图主瓣3dB轮廓示意图；

图6为本发明实施例中的波束配置关系示意图；

图7为本发明实施例中的天线坐标系示意图；

图8为本发明实施例中的“日”字形电桥结构的示意图；

图9为本发明实施例中的“日”字形电桥变形结构的示意图；

图10为本发明实施例中的天线罩上表面俯视图。

附图标记：

11—安装孔、12—屏蔽层、13—天线罩、14—微带天线层、15—介质基片、16—天线托板；

A—第一微带串馈线阵组、B—第二微带串馈线阵组、1—第一馈电网络、1’—第二馈电网络、2—“日”字形电桥结构、3—双变换支节、4—馈线、5—贴片。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个实施例公开了一种波束赋形的多普勒雷达微带平面阵列天线，如图1所示，包括屏蔽层12、天线罩13、微带天线层14、介质基片15和天线托板16。

其中，屏蔽层12位于天线罩13之上，天线罩13位于微带天线层14之上，介质基片15位于微带天线层14之下，天线托板16位于介质基片15之下。

具体的，如图2或图3所示，所述微带天线层14包括第一微带串馈线阵组和第二微带串馈线阵组；

所述第一微带串馈线阵组，包括多条平行排列第一串馈线阵；多条的所述第一串馈线阵构成的外形轮廓呈第一平行四边形；

所述第二微带串馈线阵组，包括多条平行排列第二串馈线阵；多条的所述第二串馈线阵构成的外形轮廓呈第二平行四边形；

所述第一串馈线阵与第二串馈线阵的条数相等，且相互间隔排列；所述第一平行四边形与所述第二平行四边形的形状完全相同且相互交叉，交叉后关于交叉线轴对称。

如图2或图3所示，所述第一微带串馈线阵组包括1a-1h共8条第一串馈线阵，第二微带串馈线阵组同样包括8条第二串馈线阵。

如图4所示，由多条的所述第一串馈线阵构成的第一平行四边形的外形轮廓和由多条的所述第二串馈线阵构成的第二平行四边形的外形轮廓形状完全相同且相互交叉，交叉后关于交叉线轴对称。

所述微带天线层14还包括所述微带天线层还包括分别位于第一微带串馈线阵组和第二微带串馈线阵组两侧的第一馈电网络和第二馈电网络；

所述第一馈电网络和第二馈电网络均同时与所述第一微带串馈线阵组和第二微带串馈线阵组相连；

所述第一馈电网络提供第一馈电端口和第二馈电端口；所述第二馈电网络提供第三馈电端口和第四馈电端口；

若从第一馈电端口馈电，则第四馈电端口为耦合口，第二馈电端口和第三馈电端口为隔离口；

若从第二馈电端口馈电，则第三馈电端口为耦合口，第一馈电端口和第四馈电端口为隔离口；

若从第三馈电端口馈电，则第二馈电端口为耦合口，第一馈电端口和第四馈电端口为隔离口；

若从第四馈电端口馈电，则第一馈电端口为耦合口，第二馈电端口和第三馈电端口为隔离口。

更具体的，所述第一馈电网络和第二馈电网络均采用前向扫描方式，所述第一微带串馈线阵组和第二微带串馈线阵组均采用后向扫描方式；

在分别从馈电端口馈电进行馈电后经过第一馈电网络和第二馈电网络传输到第一微带串馈线阵组和第二微带串馈线阵组进行辐射的天线主波束3dB轮廓在γ-ψ坐标系下近似为一椭圆如图5所示。

在本实施例中组成天线的两组微带串馈线阵组交错排布，使每个波束都可以利用整个天线口径。微带串馈线阵组工作在行波状态，幅度分布采用多普勒分布，即从不同端馈电，可产生指向角相反的波束。

如图6所示，在分别从第一、第二、第三或第四馈电端口馈电进行馈电后，分别产生与第一馈电端口对应的斜指向波束A1；与第二馈电端口对应的斜指向波束A2；与第三馈电端口对应的斜指向波束A3；与第四馈电端口对应的斜指向波束A4。

优选的，通过改变第一平行四边形和第二平行四边形的角度，即第一微带串馈线阵组和第二微带串馈线阵组的倾斜角度，可以改变四个斜指向波束的指向。

如图7所示，本实施例的第一微带串馈线阵组和第二微带串馈线阵组的倾斜角度为波束指向矢量在X-Y平面的投影Y'轴与X轴的夹角，Y'是波束指向矢量在天线口径面X-Y平面内的投影，γ是波束轴线与X轴的夹角，ψ是波束与Z轴的夹角，X轴为飞行器航向，Y轴为飞行器航向的横侧方向，Z轴垂直于天线所在平面。本实施例的微带阵列天线倾斜排列方式实现了口径幅度分布函数沿X-Y'轴可分离，而使天线主波束具有γ-ψ可分离特性。其中，“倾斜”的幅度A(x,y')＝f(x)g'(y')分布产生的方向图可γ-ζ分离，其方向图函数可表示为：F(γ,ζ)＝s(γ)t'(ζ)，其中，ζ是波束指向矢量与y'轴的夹角。由于ζ与ψ互余，因此天线方向图在3dB主瓣区域内近似γ-ψ可分离，具体表现为天线主瓣的3dB轮廓在γ-ψ坐标系下近似为一椭圆，且长、短轴与坐标轴平行(如图5所示)。这种对方向图可分离性的“赋形”能力是传统平面阵列天线不具备的。

更具体的，所述第一串馈线阵和第二串馈线阵均采用多普勒分布，包括馈线和通过馈线串联的多个贴片；所述贴片之间馈线的弯曲程度确定各贴片间相位差；

所述贴片的宽度由加载于贴片的激励幅度确定；所述贴片的长度由微带平面阵列天线的工作频率确定。

更具体的，所述第一馈电网络或第二馈电网络中均包括数量与第一串馈线阵或第二串馈线阵的数量相同的采用级联的方式连接的四端口电桥；所述四端口电桥将第一微带串馈线阵组和第二微带串馈线阵组相连在一起。

并且，所述第一馈电网络或第二馈电网络中还包括多个双支节变换段；

所述双支节变换段与对应的四端口电桥输出端口连接，用于调节各输出端口功分比，使所述第一馈电网络或第二馈电网络中的馈电幅度分布呈泰勒分布；

更具体的，所述双支节变换段包括馈线和通过馈线串联的两个贴片，所述贴片之间馈线的弯曲程度确定各贴片间相位差；所述贴片的宽度由加载于贴片的激励幅度确定；所述贴片的长度由微带平面阵列天线的工作频率确定，通过设置两个贴片的宽度来设置对应输出端口功分比。

优选的，所述四端口电桥为“日”字形电桥，所述“日”字形电桥的端口a～d依次相邻；

在所述第一馈电网络中，上一级“日”字形电桥的端口c与下一级“日”字形电桥的端口a连接，构成电桥的级联关系；

其中，第一级“日”字形电桥的端口a与第一馈电端口连接；第i级“日”字形电桥的端口b与第i条第一串馈线阵连接，端口c还通过一个双变换支节与第i条第二串馈线阵连接；每级“日”字形电桥的端口d均通过一个双变换支节后连接在一起，再与第二馈电端口连接。

在所述第二馈电网络中，上一级“日”字形电桥的端口c与下一级“日”字形电桥的端口a连接，构成电桥的级联关系；

其中，第一级“日”字形电桥的端口a与第三馈电端口连接；第i级“日”字形电桥的端口a通过一个双变换支节与第i条第一串馈线阵连接，端口b与第i条第二串馈线阵连接；每级“日”字形电桥的端口d均通过一个双变换支节后连接在一起，再与第四馈电端口连接。

更具体的，如图8所示，所述四端口电桥为“日”字形电桥，所述“日”字形电桥的端口a～d依次相邻；“日”字形电桥可实现对相对端口的馈电，而通过优化“日”字形结构的边长，可使相邻端口保持-25dB以上的隔离。

如图9所示，对“日”字形电桥进行了倾斜变形，可压缩“日”字形电桥结构所占用的空间，使端口b与c之间的相位差符合波束指向要求。使其与两端馈线相连后产生的相位差恰好满足波束指向角的相位要求。

可选的，所述微带平面阵列天线还包括位于微带天线层14之上的天线罩13，位于天线罩13之上的屏蔽层12，位于微带天线层14之下的介质基片15，位于介质基片15之下的天线托板16。

可选的，天线托板16的材料为铝，表面进行过导电氧化处理。

可选的，微带天线层14及天线罩13均由双面覆铜的介质板材加工而成，所述介质板材的介电常数随温度及频率变化较小，以利于保证波束指向角的稳定性。

可选的，覆铜厚度0.035mm。

可选的，所述介质板材为Rogers RT/duroid 6002。

可选的，介质基片15与天线罩13厚度比1：6，天线托板16的厚度4mm。

可选的，微带平面阵列天线还包括安装孔11，如图10所示，天线罩的上表面对应馈电网络1和1’的区域上还蚀刻有屏蔽金属层12或设置有屏蔽金属层12。安装孔11分布在天线罩13四周，微带天线层14与天线罩13通过安装孔11固定至天线托板16上。

可选的，微带天线层14整体外形尺寸340mm×146mm。

与现有技术相比，本实施例提供的天线具有如下优点：

1、本实施例的微带阵列天线实现了口径幅度分布函数沿X-Y'轴可分离：A(x,y')＝f(x)g'(y')，Y'是波束指向矢量在天线口径面X-Y平面内的投影，这种“倾斜”的幅度分布产生的方向图可γ-ζ分离，其方向图函数可表示为：F(γ,ζ)＝s(γ)t'(ζ)，其中ζ是波束指向矢量与y'轴的夹角。由于ζ与ψ互余，因此天线方向图在3dB主瓣区域内近似γ-ψ可分离，具体表现为天线主瓣的3dB轮廓在γ-ψ坐标系下近似为一椭圆，且长、短轴与坐标轴平行(如图5所示)。这种对方向图可分离性的“赋形”能力是传统平面阵列天线不具备的。

2、组成天线的两组微带串馈线阵组交错排布，使每个波束都可以利用整个天线口径。微带串馈线阵组工作在行波状态，幅度分布采用多普勒分布，即从不同端馈电，可产生指向角相反的波束。线阵排列倾角是波束指向矢量在X-Y平面的投影Y'轴与X轴的夹角，这种倾斜排列方式使阵列幅度分布沿X-Y'轴可分离，从而使天线主波束具有γ-ψ可分离特性。

3、馈电网络由级联的日字形电桥组成。该日字形电桥可实现对相对端口的馈电，而与相邻端口保持-25dB以上的隔离。同时，对日字形电桥进行了倾斜变形，使其与两端馈线相连后产生的相位差恰好满足波束指向角的相位要求。另外，采用双支节变换段调节各输出端口功分比，使阵列沿Y'轴的幅度分布为泰勒分布。

4、采用微带天线与天线罩一体化设计。天线罩上表面对应微带馈网的部分覆铜，以屏蔽馈电网络的辐射。同时，天线罩的介质加载作用可以缩短微带馈线的介质波长及微带贴片尺寸，从而便于阵列排布及满足线阵间的相位步进。另外，天线与天线罩一体化设计使天线罩对波束指向角的影响考虑在设计之中，提高了天线的可靠性。

5、天线整体结构紧凑，具有低剖面且易于加工的优点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种波束赋形的多普勒雷达微带平面阵列天线，包括微带天线层，其特征在于，所述微带天线层包括第一微带串馈线阵组和第二微带串馈线阵组；

所述第一微带串馈线阵组，包括多条平行排列第一串馈线阵；多条的所述第一串馈线阵构成的外形轮廓呈第一平行四边形；

所述第二微带串馈线阵组，包括多条平行排列第二串馈线阵；多条的所述第二串馈线阵构成的外形轮廓呈第二平行四边形；

所述第一串馈线阵与第二串馈线阵的条数相等，且相互间隔排列；所述第一平行四边形与所述第二平行四边形的形状完全相同且相互交叉，交叉后关于交叉线轴对称。

2.根据权利要求1所述的多普勒雷达微带平面阵列天线，其特征在于，所述微带天线层还包括分别位于第一微带串馈线阵组和第二微带串馈线阵组两侧的第一馈电网络和第二馈电网络；

所述第一馈电网络和第二馈电网络均同时与所述第一微带串馈线阵组和第二微带串馈线阵组相连；

所述第一馈电网络提供第一馈电端口和第二馈电端口；所述第二馈电网络提供第三馈电端口和第四馈电端口；

若从第一馈电端口馈电，则第四馈电端口为耦合口，第二馈电端口和第三馈电端口为隔离口；

若从第二馈电端口馈电，则第三馈电端口为耦合口，第一馈电端口和第四馈电端口为隔离口；

若从第三馈电端口馈电，则第二馈电端口为耦合口，第一馈电端口和第四馈电端口为隔离口

若从第四馈电端口馈电，则第一馈电端口为耦合口，第二馈电端口和第三馈电端口为隔离口。

3.根据权利要求2所述的多普勒雷达微带平面阵列天线，其特征在于，

所述第一馈电网络和第二馈电网络均采用前向扫描方式，所述第一微带串馈线阵组和第二微带串馈线阵组均采用后向扫描方式；

分别从第一、第二、第三或第四馈电端口馈电进行馈电后，分别产生与第一馈电端口对应的斜指向波束A1；与第二馈电端口对应的斜指向波束A2；与第三馈电端口对应的斜指向波束A3；与第四馈电端口对应的斜指向波束A4。

4.根据权利要求3所述的多普勒雷达微带平面阵列天线，其特征在于，四个波束的斜指向倾斜角度通过设置第一平行四边形和第二平行四边形的倾斜角度确定。

5.根据权利要求1-4任一项所述的多普勒雷达微带平面阵列天线，其特征在于，所述第一串馈线阵和第二串馈线阵均采用多普勒分布，包括馈线和通过馈线串联的多个贴片；所述贴片之间馈线的弯曲程度确定各贴片间相位差；

所述贴片的宽度由加载于贴片的激励幅度确定；所述贴片的长度由微带平面阵列天线的工作频率确定。

6.根据权利要求2所述的多普勒雷达微带平面阵列天线，其特征在于，所述第一馈电网络或第二馈电网络中均包括数量与第一串馈线阵或第二串馈线阵的数量相同的采用级联的方式连接的四端口电桥；所述四端口电桥将第一微带串馈线阵组和第二微带串馈线阵组相连在一起。

7.根据权利要求6所述的多普勒雷达微带平面阵列天线，其特征在于，所述第一馈电网络或第二馈电网络中还包括多个双支节变换段；

所述双支节变换段与对应的四端口电桥输出端口连接，用于调节各输出端口功分比，使所述第一馈电网络或第二馈电网络中的馈电幅度分布呈泰勒分布。

8.根据权利要求7所述的多普勒雷达微带平面阵列天线，其特征在于，所述四端口电桥为“日”字形电桥，所述“日”字形电桥的端口a～d依次相邻；在所述第一馈电网络中，上一级“日”字形电桥的端口c与下一级“日”字形电桥的端口a连接，构成电桥的级联关系；

其中，第一级“日”字形电桥的端口a与第一馈电端口连接；第i级“日”字形电桥的端口b与第i条第一串馈线阵连接，端口c还通过一个双变换支节与第i条第二串馈线阵连接；每级“日”字形电桥的端口d均通过一个双变换支节后连接在一起，再与第二馈电端口连接。

9.根据权利要求7所述的多普勒雷达微带平面阵列天线，其特征在于，所述四端口电桥为“日”字形电桥；所述“日”字形电桥的端口a～d依次相邻；在所述第二馈电网络中，上一级“日”字形电桥的端口c与下一级“日”字形电桥的端口a连接，构成电桥的级联关系；

其中，第一级“日”字形电桥的端口a与第三馈电端口连接；第i级“日”字形电桥的端口a通过一个双变换支节与第i条第一串馈线阵连接，端口b与第i条第二串馈线阵连接；每级“日”字形电桥的端口d均通过一个双变换支节后连接在一起，再与第四馈电端口连接。

10.根据权利要求8或9所述的多普勒雷达微带平面阵列天线，其特征在于，

所述“日”字形电桥的日字形结构的边长的尺寸，满足电桥相邻端口的隔离度要求；

所述“日”字形电桥的倾斜变形程度，满足“日”字形电桥的两端馈线相连后产生的相位差满足波束指向角的相位要求。

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