CN115425397A - 一种用于w波段的低副瓣稀布相控阵天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于W波段的低副瓣稀布相控阵天线，属于天线技术领域，用以解决相控阵与T/R组件之间连接结构复杂度较高的问题，其包括上下层叠的辐射结构和馈电传输结构，辐射结构的每个象限上设置有由多个辐射孔形成的可实现低副瓣特性的稀布辐射孔阵列；馈电传输结构为一上下表面设置有金属贴片的介质板，并在上下表面分别蚀刻有与辐射孔位置对应的辐射耦合缝隙与按规律排布的过渡耦合缝隙，且每个辐射耦合缝隙与其最近过渡耦合缝隙周围设置有多个贯穿介质基板的金属化过孔；通过与规律排布的过渡耦合缝隙位置固定金属波导实现对相控阵的馈电，本发明可用于毫米波天线通信与高分辨率雷达成像。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种相控阵天线，具体涉及一种用于W波段的低副瓣稀布相控阵天线，可用于毫米波天线通信与高分辨率雷达成像。
背景技术
毫米波是指频率在30GHz到300GHz范围内的电磁波，对应的波长为1mm～10mm，毫米波天线设备具有宽频带，通信容量大，目标识别分辨率高等优点。毫米波内W波段的频率范围为75～110GHz，在此波段内大气衰减比较小，特别适合于天线通信与高分辨率雷达成像。
相控阵天线是一种通过调节各天线单元的辐射相位来控制辐射方向的阵列天线，相比于在阵列天线添加机械扫描结构的机械扫描天线，相控阵天线扫描速度和方向更加稳定，且其波束扫描阵列的抗干扰能力比普通阵列强得多。相控阵天线的稀疏率为相控阵实际布置的辐射阵元数目与按辐射阵元大小铺满整个阵面的辐射阵元数目之比，相控阵天线的稀疏率越低，其辐射阵元之间的平均距离越远，均匀排布下的相控阵方向图的副瓣电平也就越高，天线通信的效率和雷达成像的稳定性也会大大下降。
相控阵T/R(Transmitter and Receiver)组件也称为相控阵收发组件，T/R组件以横向集成的方式安装在相控阵下方，其上布置有按规律排布的通道输出口与相控阵馈电口连接，为相控阵天线提供馈电激励。T/R组件的大小决定了相控阵的最小阵面大小，T/R组件的通道数决定了相控阵的最大辐射单元数。如今受到微波原件的限制，相比于毫米波低频段的T/R组件，W波段的T/R组件横向尺寸较大，导致W波段相控阵阵面较大，因此W波段的相控阵稀疏率较低，通常小于20％，若在此低稀疏率下将辐射单元均匀排布，所得相控阵副瓣电平较高，降低了W波段天线通信的效率和雷达成像的稳定性。
稀布相控阵天线是指在阵面口径、单元分布范围等条件的约束下，利用辐射单元的随机分布，打破辐射单元排布的规律性，从而实现降低天线辐射方向图的副瓣电平的效果，针对特定的设计要求，可通过遗传算法来得到所需的天线阵元排布方式。但辐射单元的随机分布，会导致相控阵馈电口位置随机分布，增大了相控阵与T/R组件之间连接结构的复杂度。
现有技术中为减少相控阵辐射方向图的副瓣电平，多是在未考虑T/R组件通道输出口的排布的情况下，直接整个辐射阵面为范围进行稀布设计，在相控阵与T/R组件之间需添加复杂的连接结构。例如夏琛海，成继隆，在航天电子对抗2018年第2期发表的“一种低成本稀布有源相控阵天线设计”，提出了一种稀布相控阵天线，其稀疏率为50％，所有辐射单元直接以辐射阵面为范围进行稀布，副瓣电平为-17dB，相控阵馈电口位于辐射单元下方呈稀布排布，并设计复杂的连接结构将稀布的馈电口和按规律排布T/R组件通道输出口连接。该稀布相控阵虽然进行了稀布设计，降低了副瓣电平，但该相控阵天线馈电口为稀布排布，需要设计复杂的连接结构将稀布的相控阵馈电口和按规律排布T/R组件通道输出口进行连接，提高了天线成本，且阵面装配工作量大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出一种用于W波段的低副瓣稀布相控阵天线，旨在保证W波段相控阵天线低副瓣电平特性的前提下，降低相控阵与T/R组件之间连接结构的复杂度。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括上下层叠的辐射结构1和馈电传输结构2，其中：
所述辐射结构1，采用被划分为四个象限的矩形金属板结构，每个象限被划分为8×12个矩形栅格，并在其中除第2、5、8、11列以外的总共64个矩形栅格中各设置有一个贯穿该金属板的辐射孔11，形成稀布的辐射孔阵列；在四个象限中，第一象限与第四象限中的稀布辐射孔阵列关于x轴镜像对称，第一象限和第四象限与第二象限和第三象限中的稀布辐射孔阵列关于y轴镜像对称，且四个象限中每个辐射孔的中点在该中心孔所在的矩形栅格中的位置根据满足
的相控阵天线的辐射方向图
确定，其中
分别表示相控阵天线在E、H面主波束扫描至0°时的俯仰向投影方向图的最大副瓣电平绝对值，
分别表示相控阵天线在E、H面主波束扫描至30°时的俯仰向投影方向图的最大副瓣电平绝对值，R表示副瓣电平系数。
所述馈电传输结构2，包括介质基板21、印制在介质基板21上表面的第一金属贴片22和下表面的第二金属贴片23；所述第一金属贴片22与辐射结构1所划分的每个象限对应的区域上蚀刻有与辐射孔11位置对应的64个辐射耦合缝隙221；所述第二金属贴片23上与辐射结构1中第2、5、8、11列的对应位置各蚀刻有8×2个过渡耦合缝隙231；每列过渡耦合缝隙中的每个过渡耦合缝隙231与该列过渡耦合缝隙最近列中与该每个过渡耦合缝隙231同一行的辐射耦合缝隙221周围设置有多个贯穿介质基板21的金属化过孔211，形成64个由金属化过孔所围成的封闭区域；
所述介质基板21，其下表面上印制的第二金属贴片23上蚀刻的每个过渡耦合缝隙231的位置各固定一个金属波导3。
上述一种用于W波段的低副瓣稀布相控阵天线，所述辐射孔11，采用上端大下端小的二阶复合孔结构，其中上端孔采用四角通过圆弧过渡的准正方形孔结构，下端孔采用四角通过圆弧过渡且长边与上端孔边长相等的准长方形孔结构。
上述一种用于W波段的低副瓣稀布相控阵天线，所述第一金属贴片22，其上蚀刻的每个辐射耦合缝隙221的中心，位于该辐射耦合缝隙221所对应的辐射孔的中心轴线上。
上述一种用于W波段的低副瓣稀布相控阵天线，所述第二金属贴片23，其上蚀刻的每个过渡耦合缝隙231的中心，位于其下方固定的金属波导3的中心轴线上。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明辐射结构的每个象限上设置有由多个辐射孔形成稀布的辐射孔阵列，馈电传输结构的第一金属贴片上蚀刻有与每个辐射孔位置对应的辐射耦合缝隙，且每个辐射耦合缝隙与其最近过渡耦合缝隙周围设置有多个贯穿介质基板的金属化过孔，通过与规律排布的过渡耦合缝隙位置固定金属波导就能实现对相控阵的馈电，避免了现有技术相控阵与T/R组件之间连接结构复杂度较高的缺陷，减小了阵面装配的工作量，进而有效降低了天线的成本。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明辐射孔的结构示意图。
图3为本发明一个象限内馈电传输结构的结构示意图。
图4为本发明一个象限内馈电传输结构的辐射耦合缝隙与过渡耦合缝隙排布示意图。
图5为本发明馈电传输结构中过渡耦合缝隙与其对应的辐射耦合缝隙周围金属化过孔的排布示意图。
图6为本发明实施例与未进行稀布设计的相控阵天线在94GHz下，扫描角分别设定为0°和30°情况下的天线辐射方向图，其中图6(a)为E面扫描0°下的辐射方向图，图6(b)为H面扫描0°下的辐射方向图，图6(c)为E面扫描30°下的辐射方向图，图6(d)为H面扫描30°下的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：
参照图1，本发明包括上下层叠的辐射结构1和馈电传输结构2。
所述辐射结构1，采用被划分为四个象限的矩形金属板结构，金属板横向尺寸为88mm×88mm，高度为3mm。金属板每个象限被均匀划分为8×12个矩形栅格，并在其中除第2、5、8、11列以外的总共64个矩形栅格中各设置有一个贯穿该金属板的辐射孔11，形成稀布的辐射孔阵列。为了实现本实施例相控阵天线辐射图E、H面的对称性和低副瓣特性，在四个象限中，第一象限与第四象限中的稀布辐射孔阵列关于x轴镜像对称，第一象限和第四象限与第二象限和第三象限中的稀布辐射孔阵列关于y轴镜像对称，且四个象限中每个辐射孔的中点在该中心孔所在的矩形栅格中的位置根据满足
的相控阵天线的辐射方向图
确定，其中
分别表示相控阵天线在E、H面主波束扫描至0°时的俯仰向投影方向图的最大副瓣电平绝对值，
分别表示相控阵天线在E、H面主波束扫描至30°时的俯仰向投影方向图的最大副瓣电平绝对值，R表示副瓣电平系数，在本实施例中取R＝11.5。
本实施例中各个象限辐射孔中点所在位置采用遗传算法得到：取
首先创建初始种群，随机生成100组辐射孔中心位置的组合，为避免辐射孔重叠，若某组位置的组合中存在两辐射孔中心间距小于2.1mm的情况，则重新生成此两辐射孔中心位置；然后计算这个100组排列组合所对应的S；若存在S≥R的组合，则此组合即为所需的辐射孔中心位置；反之则将这100组排列组合两两分组组成50对位置组合，给每对组合生成两个随机数P1i和P2i，i≤50，P1i、P2i∈(0,1)；若组合的P1i＜0.5则互换本对的两组辐射孔奇数列的中心位置，反之则不交换；若组合的P2i＜0.5则在避免辐射孔重叠的前提下，重新随机生成本对的两组辐射孔中心位置，反之则不重新生成；对新生成的100组位置组合重新计算所对应的S，直到出现S≥R的组合为止。
参照图2，为使相控阵的辐射单元方向图具有较宽波瓣宽度，减少相控阵波束扫描下的增益降低，本发明的辐射孔11采用上端大下端小的二阶复合孔结构，上端孔高度h1＝1.6mm，下端孔高度h2＝1.4mm；为使相控阵辐射单元的方向图E、H面对称性好，并考虑到天线实际加工的要求，上端孔采用四角通过圆弧过渡的准正方形孔结构，边长L1＝1.8mm；下端孔采用四角通过圆弧过渡且长边与上端孔边长相等的准长方形孔结构，边长L1＝1.8mm，W1＝1.3mm。上下两端孔的圆弧过渡半径均为R1＝0.5mm。
参照图3，本发明的馈电传输结构2，包括介质基板21、印制在介质基板21上表面的第一金属贴片22和下表面的第二金属贴片23，其中介质板21的相对介电常数为3.0，厚度为0.508mm，横向尺寸与辐射结构1的金属板相同，且中心轴线与金属板中心轴线重合。
参照图4，第一金属贴片22与辐射结构1所划分的每个象限对应的区域上蚀刻有与辐射孔11位置对应，且中心位于其所对应的辐射孔的中心轴线上的64个辐射耦合缝隙221，辐射耦合缝隙221选用长1.2mm，宽0.95mm的矩形，在此形状与尺寸下的辐射耦合缝隙221馈电效率最高；所述第二金属贴片23上与辐射结构1中每个象限内第2、5、8、11列的对应位置各蚀刻有8×2个过渡耦合缝隙231，每个栅格内的两个过渡耦合缝隙231关于栅格中心沿x轴对称排布，间距为2mm，按此规律排布的过渡耦合缝隙231可直接与T/R组件通道输出口通过波导垂直相连，降低了相控阵与T/R组件之间连接结构的复杂度，过渡耦合缝隙231选用长1.25mm，宽0.75mm的矩形，此形状与尺寸下的过渡耦合缝隙231能量过渡效率最高。
参照图5，每列过渡耦合缝隙中的每个过渡耦合缝隙231与该列过渡耦合缝隙最近列中与该每个过渡耦合缝隙231同一行的辐射耦合缝隙221周围设置有多个贯穿介质基板21的金属化过孔211，形成由金属化过孔所围成的封闭区域，用来将能量从过渡耦合缝隙231传导到其对应的辐射耦合缝隙221处。金属化过孔211直径d＝0.2mm；为方便设计，封闭区域由两组以灰色标注的分别包围辐射耦合缝隙221与过渡耦合缝隙231的“匚”形结构，以及连接两“匚”形结构端点的两排金属化过孔包围而成；“匚”形结构中金属化过孔211间距P＝0.55mm，其竖边与辐射耦合缝隙221中心、过渡耦合缝隙231中心的距离均为dx＝0.6mm；连接两“匚”形结构端点的两排金属化过孔211，在两“匚”形结构端点中心连线上均匀排布，考虑到加工工艺要求，排内金属化过孔211的间距应选在0.4mm～0.8mm之间。
本发明在介质基板21下表面上印制的第二金属贴片23上蚀刻的每个过渡耦合缝隙231的位置各固定一个金属波导3，用以接收W波段T/R组件通道输出口的激励，并传导到过渡耦合缝隙231处。为提高传输效率，金属波导3选用长2mm，宽1mm的矩形金属波导，且金属波导3的中心轴线与其对应的过渡耦合缝隙231的中心轴线重合。
本发明的工作原理为：本发明由金属波导接收W波段T/R组件的激励，能量通过在金属波导上方的第二金属贴片上蚀刻的过渡耦合缝隙传输到馈电传输结构中，并在由金属化过孔和第一、二金属贴片构成的封闭区域传输，再通过在第一金属贴片上蚀刻的辐射耦合缝隙向辐射孔馈电，由辐射孔向周围空间进行辐射。通过改变激励金属波导的馈电相位即可控制辐射方向。
以下通过仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
1、仿真条件和内容：
使用商业仿真软件HFSS_2020R1对本发明实施例与未进行稀布设计的均匀排布相控阵天线在94GHz频率处，扫描角分别设定为0°和30°情况下的天线E面与H面方向图进行仿真，其结果如图6所示。
2、仿真结果分析：
参照图6，其中图6(a)为E面扫描0°下的辐射方向图，图6(b)为H面扫描0°下的辐射方向图，图6(c)为E面扫描30°下的辐射方向图，图6(d)为H面扫描30°下的辐射方向图。本实施例的相控阵在94GHz下E面0°扫描副瓣电平为-13.8dB，相比未进行稀布设计的均匀排布相控阵降低了11.7dB；在94GHz下H面0°扫描副瓣电平为-13.7dB，相比未进行稀布设计的均匀排布相控阵降低了10.1dB；在94GHz下E面30°扫描副瓣电平为-8.4dB，相比未进行稀布设计的均匀排布相控阵降低了9.8dB；在94GHz下H面30°扫描副瓣电平为-10.3dB，相比未进行稀布设计的均匀排布相控阵降低了12.8dB。这说明本发明的稀布相控阵相较于未进行稀布设计的均匀排布相控阵，实现了低副瓣电平特性。
需要说明的是，上述描述仅为本发明的优选实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于W波段的低副瓣稀布相控阵天线，其特征在于，包括上下层叠的辐射结构(1)和馈电传输结构(2)，其中：
所述辐射结构(1)，采用被划分为四个象限的矩形金属板结构，每个象限被划分为8×12个矩形栅格，并在其中除第2、5、8、11列以外的总共64个矩形栅格中各设置有一个贯穿该金属板的辐射孔(11)，形成稀布的辐射孔阵列；在四个象限中，第一象限与第四象限中的稀布辐射孔阵列关于x轴镜像对称，第一象限和第四象限与第二象限和第三象限中的稀布辐射孔阵列关于y轴镜像对称，且四个象限中每个辐射孔的中点在该中心孔所在的矩形栅格中的位置根据满足
的相控阵天线的辐射方向图
确定，其中
分别表示相控阵天线在E、H面主波束扫描至0°时的俯仰向投影方向图的最大副瓣电平绝对值，
分别表示相控阵天线在E、H面主波束扫描至30°时的俯仰向投影方向图的最大副瓣电平绝对值，R表示副瓣电平系数；
所述馈电传输结构(2)，包括介质基板(21)、印制在介质基板(21)上表面的第一金属贴片(22)和下表面的第二金属贴片(23)；所述第一金属贴片(22)与辐射结构(1)所划分的每个象限对应的区域上蚀刻有与辐射孔(11)位置对应的64个辐射耦合缝隙(221)；所述第二金属贴片(23)上与辐射结构(1)中第2、5、8、11列的对应位置各蚀刻有8×2个过渡耦合缝隙(231)；每列过渡耦合缝隙中的每个过渡耦合缝隙(231)与该列过渡耦合缝隙最近列中与该每个过渡耦合缝隙(231)同一行的辐射耦合缝隙(221)周围设置有多个贯穿介质基板(21)的金属化过孔(211)，形成64个由金属化过孔所围成的封闭区域；
所述介质基板(21)，其下表面上印制的第二金属贴片(23)上蚀刻的每个过渡耦合缝隙(231)的位置各固定一个金属波导(3)。
2.根据权利要求1所述的一种用于W波段的低副瓣稀布相控阵天线，其特征在于，所述辐射孔(11)，采用上端大下端小的二阶复合孔结构，其中上端孔采用四角通过圆弧过渡的准正方形孔结构，下端孔采用四角通过圆弧过渡且长边与上端孔边长相等的准长方形孔结构。
3.根据权利要求1所述的一种用于W波段的低副瓣稀布相控阵天线，其特征在于：所述第一金属贴片(22)，其上蚀刻的每个辐射耦合缝隙(221)的中心，位于其所对应的辐射孔的中心轴线上。
4.根据权利要求1所述的一种用于W波段的低副瓣稀布相控阵天线，其特征在于：所述第二金属贴片(23)，其上蚀刻的每个过渡耦合缝隙(231)的中心轴线，与其下方固定的金属波导(3)的中心轴线重合。
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