CN116759810A - 一种基于超宽带紧耦合阵列馈电的多波束反射面天线 - Google Patents

一种基于超宽带紧耦合阵列馈电的多波束反射面天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超宽带紧耦合阵列馈电的多波束反射面天线，涉及通信、雷达、电子对抗技术领域，包括超宽带紧耦合阵列馈源以及电大尺寸反射面天线；超宽带紧耦合阵列馈源包括若干通过阵列方式集成在一起的超宽带天线单元；超宽带紧耦合阵列馈源包括多个子阵，各子阵随波束指向可重构能力，且各超宽带天线单元可以被各子阵共用。本方案利用超宽带紧耦合阵列的子阵可重构能力，在9倍频超宽频段范围内均可实现超高增益极窄波束的紧密交叠，实现超宽带超高增益连续视场覆盖；可提高每个波束的增益、缩小边缘波束与中心波束的增益差、降低旁瓣电平等。

Description

一种基于超宽带紧耦合阵列馈电的多波束反射面天线
技术领域
本发明涉及通信、雷达、电子对抗技术领域，更具体的是涉及一种基于超宽带紧耦合阵列馈电的多波束反射面天线技术领域。
背景技术
现阶段多波束天线的实现方式一般有三种：直射式、透射式以及反射式。直射相控阵式多波束天线由多个辐射阵元排阵构成，由波束成形网络向阵元激励所需的幅度和相位，以形成不同形状的赋形波束。该多波束天线的优点是可对波束数目和形状进行灵活控制，并可控制波束做快速扫描，当少量T/R组件失效时，并不会对相控阵天线的性能产生太大影响；缺点是结构复杂，造价高昂。透镜天线是几何光学原理在无线电频率范围的一种应用，多波束透镜天线的优点在于有更大的设计自由度，具有很好的旋转对称性，保留了良好的光学特性，无口径遮挡。但这类天线在低频段具有重量大、损耗大等致命缺点。相比直射式、透镜式多波束天线，反射面多波束天线具有宽频带内性能稳定、结构简单、加工技术成熟、增益高、成本低廉、波束数量多等优点，因此近年来围绕反射面天线进行的多波束天线的研究越来越受到重视。
多波束反射面天线的馈源目前应用比较普遍的是多辐射器多波束馈源，其是在反射面的焦平面上放置多个独立的馈源，每个馈源为反射面天线提供有效的照射，并通过反射面聚集在空间形成多个相互独立的波束。因为其具有结构简单、性能随频率变化稳定等特点，已在很多领域得到应用。多馈源反射面多波束技术在大型射电天文望远镜中应用最为广泛。
但是，多馈源反射面多波束技术也存在一些明显的缺点。传统馈源天线尤其是超宽带馈源，为保证辐射特性其几何尺寸往往较大，这就导致了在宽带、超宽带的应用中，相邻馈源之间的间距很难保证相应的反射面天线的相邻波束在半功率波束宽度点相交。相邻波束之间会存在盲区，这样会导致视场的不连续。另外，当多个馈源放置在反射面的焦平面上时，只有处于中心的馈源位于反射面焦点上(由其形成的反射面天线波束称为中心波束)，其余馈源则处于偏焦状态，它们形成的反射面天线波束是偏离反射面轴线的(由其形成的反射面天线波束称为偏轴波束)，因为偏焦馈源的初级辐射方向图与反射面的最佳初级辐射方向图不匹配，当倾斜角增大时，偏轴波束的天线增益会明显降低，旁瓣电平也会升高。而多波束天线要求每个波束之间的性能差异不能过大，但单个馈源又无法自由控制其初级辐射方向图，因此多馈源反射面多波束技术的波束数量受到了限制，约束了其应用。现有文献公开了如下技术：
如文献一(Trevor S B,German C.Multibeam feed array design for thearecibo radiotelescope[C].Antennas And Propagation Society InternationalSymposium,Oh,Columbus,2003:116-119.)中采用4个宽带双脊喇叭，沿俯仰面排布作为单偏置抛物面的馈源，以相邻波束交叠点的电平、半功率波束宽度和天线效率等为输入参数，通过解析法设计出馈源喇叭的坐标后，在8GHz-18 GHz频段内，中心波束和边缘波束的天线效率在最低频率分别为60.4％和52.4％，在最高频率分别为64.7％和53.8％。虽然在整个频带内保证了较高的天线效率，但在中心频率相邻波束相交于-10dB波束宽度点，没有保证视场的连续性；同时，部分波束的第一旁瓣电平也从-16dB升高到了-12dB。
文献二(Manoochehri O,Emadeddin A,Darvazehban A,et al.A new method fordesigning high efficiency multi feed multi beam reflect-or antennas[C].2017International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications,Verona,Italy,2017:551-554.)以及中，ARECIBO射电天文望远镜的馈源是7单元正六边形阵列，由于其波束数目少，因此边缘单元与中心单元的天线增益相差不大，但按照其提供的反射面几何参数和馈源参数计算，相邻波束也无法相交于半功率波束宽度点。
文献三(何山红,解良玉,纪萌茜等.FAST宽带双极化多波束馈源设计[J].系统工程与电子技术,2019,41(07):1474-1481.)和文献四(Dunning A,Bowen M,Castillo S,etal.Design and laboratory testing of the fivehundred meter aperture sphericaltelescope(FAST)19beam L-band receiver[C].2017General Assembly and ScientificSymposium of the International Union of Radio Science,QC,Montreal,2017:1-4.)，中国研发的500m口径球面望远镜，目前采用的是L波段19喇叭馈源，为了保证天线效率，相邻波束无法相交于半功率波束宽度点，相邻波束之间的盲区只能依靠下一时刻，在焦平面上移动馈源，即改变照射区域来实现，且随着波束偏离角的增大，天线增益也会逐渐下降，边缘波束和中心波束的增益相差1dB左右。
文献五(Chen Y,Meng H F,Gan Y,et al.Millimeter wave multi-beamreflector antenna[C].2018International Workshop onAntenna Technology,Nanjing,China,2018:1-3.)中，为了让相邻波束相交于半功率波束宽度点，采用小口径喇叭作为阵列单元，设计了一个W波段的6×6馈源阵列，虽然保证了相邻波束相交于半功率波束宽度点，但由于喇叭尺寸过小，馈源的初级辐射方向图过胖，导致副面泄露损耗增加，中心波束天线效率仅为30％，边缘波束的天线效率仅为22％，第一旁瓣电平也从-12dB升高到了-10dB。
可以看出，上述文献设计的工作带宽均没有超过三个倍频。当反射面系统应用于超宽带系统中，多馈源反射面能够实现的波束交叠情况会随着频率升高逐步恶化，尤其是在工作频段的高端甚至会出现相邻主波束完全无法实现交叠的现象，极大制约了超宽带多馈源多波束反射面的应用。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决传统超宽带多馈源多波束反射面无法实现相邻波束在半功率波束宽度点交叠、波束覆盖存在盲区、视场不连续的技术问题，本发明一种基于超宽带紧耦合阵列馈电的多波束反射面天线。以超宽带紧耦合阵列为馈源照射电大尺寸反射面口径，利用超宽带紧耦合阵列的子阵可重构能力，利用反射面天线的高增益聚焦作用，在超宽频带范围内均能够实现超高增益极窄波束的紧密交叠。该技术可实现相邻极高增益极窄波束可相交于半功率波束宽度点，在同样的视场范围内可以产生更多数目的波束来扩大视野，确保了视场的连续性，提高了观察效率；同时，该技术可提高每个波束的增益、缩小边缘波束与中心波束的增益差、降低旁瓣电平等。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种基于超宽带紧耦合阵列馈电的多波束反射面天线，包括超宽带紧耦合阵列馈源以及电大尺寸反射面天线；超宽带紧耦合阵列馈源包括若干通过阵列方式集成在一起的超宽带天线单元；超宽带紧耦合阵列馈源包括多个子阵，各子阵随波束指向可重构能力，且各超宽带天线单元可以被各子阵共用。
具体来说，本方案利用超宽带紧耦合阵列的子阵可重构能力，在9倍频超宽频段范围内均可实现超高增益极窄波束的紧密交叠，实现超宽带超高增益连续视场覆盖；可提高每个波束的增益、缩小边缘波束与中心波束的增益差、降低旁瓣电平等。
在一个实施方式中，超宽带紧耦合阵列馈源和电大尺寸反射面天线独立设置，且二者之间的位置按焦径比0.7～0.9布置。
在一个实施方式中，超宽带紧耦合阵列馈源和电大尺寸反射面天线之间的位置按焦径比0.8布置。
在一个实施方式中，电大尺寸反射面天线的直径D为7m，焦距为5.6m。
在一个实施方式中，超宽带天线单元的工作带宽为2GHz～18GHz。
在一个实施方式中，若干超宽带天线单元整体呈矩形阵列分布，且若干超宽带天线单元整体一体成型。
在一个实施方式中，超宽带紧耦合阵列馈源包括400个超宽带天线单元，按20×20矩形阵列排布，且各超宽带天线单元均为四棱锥单元。
在一个实施方式中，超宽带天线单元的长度尺寸为11mm，超宽带天线单元的宽度尺寸为11mm，超宽带天线单元的剖面高度尺寸为50mm。
本发明的有益效果如下：
1、本发明提出了适用于通信、雷达、电子对抗等应用领域的基于超宽带紧耦合阵列馈电的一种基于超宽带紧耦合阵列馈电的多波束反射面天线。
2、本发明提出了超宽带紧耦合阵列馈源的子阵随波束指向可重构技术。
3、本发明解决了传统超宽带多馈源多波束反射面无法实现相邻波束在半功率波束宽度点交叠、波束覆盖存在盲区、视场不连续等难题，利用超宽带紧耦合阵列馈源子阵随波束指向可重构技术，实现了超高增益极窄波束的紧密交叠。
4、本发明解决了传统超宽带多馈源多波束反射面波束交叠情况会随着频率升高逐步恶化的难题，在9倍频超宽频段范围内均可实现相邻波束半功率交叠，实现超宽带超高增益连续视场覆盖。
附图说明
图1为本发明中基于超宽带紧耦合阵列馈电的一种基于超宽带紧耦合阵列馈电的多波束反射面天线示意图。
图2为本发明中超宽带紧耦合阵列馈源示意图。
图3为本发明中用作性能对比的基于超宽带喇叭阵列馈电的一种基于超宽带紧耦合阵列馈电的多波束反射面天线示意图。
图4为本发明中用作性能对比的超宽带喇叭阵列馈源示意图。
图5-图26为本发明中基于超宽带紧耦合阵列馈电的超高增益反射面天线多波束方向图，频率范围为2GHz～18GHz，频率步进为1GHz。
图27-图43为本发明中基于超宽带喇叭阵列馈电的多波束反射面天线多波束方向图，频率范围为2GHz～18GHz，频率步进为1GHz。
附图标记：1-电大尺寸反射面天线；2-超宽带紧耦合阵列馈源，2.1-超宽带天线单元，3-第二电大尺寸反射面天线，4-超宽带喇叭阵列馈源，4.1-超宽带喇叭阵列单元。
具体实施方式
为使本实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实施例中的附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
本实施例提供一种基于超宽带紧耦合阵列馈电的多波束反射面天线，包括超宽带紧耦合阵列馈源以及电大尺寸反射面天线；在超宽带紧耦合阵列馈源边缘周向设置有个用于改善有源驻波的哑元；超宽带紧耦合阵列馈源包括若干通过阵列方式集成在一起的超宽带天线单元2.1；超宽带紧耦合阵列馈源包括多个子阵，各子阵随波束指向可重构能力，且各超宽带天线单元2.1可以被各子阵共用。
具体来说，本方案利用超宽带紧耦合阵列的子阵可重构能力，在9倍频超宽频段范围内均可实现超高增益极窄波束的紧密交叠，实现超宽带超高增益连续视场覆盖；可提高每个波束的增益、缩小边缘波束与中心波束的增益差、降低旁瓣电平等。若干超宽带天线单元2.1整体呈矩形阵列分布，且若干超宽带天线单元2.1整体一体成型。
以下通过附图具体说明，图1为本实施例中基于超宽带紧耦合阵列馈电的一种基于超宽带紧耦合阵列馈电的多波束反射面天线示意图。本实施例中电大尺寸反射面天线的直径D为7m，设计焦径比为0.8，焦距为5.6m。
图2为本实施例中超宽带紧耦合阵列馈源示意图。本实施例中超宽带紧耦合阵列单元工作带宽为2GHz～18GHz，超宽带天线单元2.1的长宽大小11mm×11mm，超宽带天线单元2.1的剖面高度50mm，超宽带紧耦合阵列馈源的阵列规模为20×20。本实施例中的超宽带紧耦合阵列馈源的工作原理为：超宽带紧耦合阵列馈源具备子阵随波束指向可重构能力，且每个超宽带天线单元2.1可以被各子阵共用；基于超宽带紧耦合阵列馈电的反射面天线，利用超宽带紧耦合阵列的子阵可重构能力，在9倍频超宽频段范围内均可实现超高增益极窄波束的紧密交叠，实现超宽带超高增益连续视场覆盖。
图3为本实施例中用作性能对比的基于超宽带喇叭阵列馈电的一种基于超宽带紧耦合阵列馈电的多波束反射面天线示意图(作为对比例)。涉及基于超宽带喇叭阵列馈电的多波束反射面天线整体拓扑结构示意图、第二电大尺寸反射面天线图；超宽带喇叭阵列馈源示意图，结构包括第二电大尺寸反射面天线3和超宽带喇叭阵列馈源4。
图4为本实施例中用作性能对比的超宽带喇叭阵列馈源示意图。涉及超宽带喇叭阵列馈源整体结构图、超宽带喇叭阵列单元图、超宽带喇叭阵列俯视图。超宽带喇叭阵列馈源4包括若干超宽带喇叭阵列单元4.1，超宽带喇叭阵列单元4.1的工作带宽为2GHz～18GHz，超宽带喇叭阵列单元4.1直径158mm，超宽带喇叭阵列单元4.1的剖面高度200mm，超宽带喇叭阵列单元4.1紧密排列，相邻两个超宽带喇叭阵列单元4.1之间的间距为158mm。
图5-图26为本实施例中基于超宽带紧耦合阵列馈电的超高增益反射面天线多波束方向图，频率范围为2GHz～18GHz，频率步进为1GHz。其中，图18为本实施例在14GHz所能实现的最紧密波束交叠；图20为本实施例在15GHz所能实现的最紧密波束交叠；图22为本实施例在16GHz所能实现的最紧密波束交叠；图24为本实施例在17GHz所能实现的最紧密波束交叠；图26为本实施例在18GHz所能实现的最紧密波束交叠。可以看到，本实施例在2GHz～18GHz超宽工作频段范围内均可实现相邻波束小于3dB的紧密交叠，在9倍频范围内均可实现超高增益极窄波束连续视场覆盖，证明了本实施例提出方案的可行性与优越性。
图27-图43为本实施例中用作性能对比的基于超宽带喇叭阵列馈电的多波束反射面天线多波束方向图，频率范围为2GHz～18GHz，频率步进为1GHz。由图27可以看到，即使在波束宽度最宽的最低频2GHz，其相邻波束交叠电平仍大于4.2dB，在最低频仍无法实现半功率波束交叠。由图28可以看到，在3GHz时相邻波束交叠电平仍已经大于10dB；由图29可以看到，在4GHz时相邻波束交叠电平仍已经大于15dB。随着频率升高，相邻波束交叠电平越来越大；在2GHz～18GHz的频段高端，可看到相邻波束已经完全无法实现交叠，出现了巨大盲区，导致视场的不连续。
通过对比本实施例中基于超宽带紧耦合阵列馈电的超高增益反射面天线多波束方向图与用作性能对比的基于超宽带喇叭阵列馈电的多波束反射面天线多波束方向图，可以明显的看到，本实施例利用超宽带紧耦合阵列馈源的子阵随波束指向可重构能力，在9倍频超宽频段范围内均可实现超高增益极窄波束的紧密交叠，实现超宽带超高增益连续视场覆盖，证明了本实施例提出方案的可行性与优越性。
以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (9)

1.一种基于超宽带紧耦合阵列馈电的多波束反射面天线，其特征在于，包括超宽带紧耦合阵列馈源以及电大尺寸反射面天线；所述超宽带紧耦合阵列馈源包括若干通过阵列方式集成在一起的超宽带天线单元(2.1)；所述超宽带紧耦合阵列馈源包括多个子阵，各所述子阵随波束指向可重构能力，且各所述超宽带天线单元(2.1)可以被各所述子阵共用。
2.根据权利要求1所述的一种基于超宽带紧耦合阵列馈电的多波束反射面天线，其特征在于，所述超宽带紧耦合阵列馈源和所述电大尺寸反射面天线独立设置，且二者之间的位置按焦径比0.7～0.9布置。
3.根据权利要求2所述的一种基于超宽带紧耦合阵列馈电的多波束反射面天线，其特征在于，所述超宽带紧耦合阵列馈源和所述电大尺寸反射面天线之间的位置按焦径比0.8布置。
4.根据权利要求1所述的一种基于超宽带紧耦合阵列馈电的多波束反射面天线，其特征在于，所述电大尺寸反射面天线的直径D为7m，焦距为5.6m。
5.根据权利要求1所述的一种基于超宽带紧耦合阵列馈电的多波束反射面天线，其特征在于，所述超宽带天线单元(2.1)的工作带宽为2GHz～18GHz。
6.根据权利要求1所述的一种基于超宽带紧耦合阵列馈电的多波束反射面天线，其特征在于，若干所述超宽带天线单元(2.1)整体呈矩形阵列分布，且若干所述超宽带天线单元(2.1)整体一体成型。
7.根据权利要求6所述的一种基于超宽带紧耦合阵列馈电的多波束反射面天线，其特征在于，所述超宽带紧耦合阵列馈源包括400个所述超宽带天线单元(2.1)，按20×20矩形阵列排布。
8.根据权利要求7所述的一种基于超宽带紧耦合阵列馈电的多波束反射面天线，其特征在于，各所述超宽带天线单元(2.1)均为四棱锥单元。
9.根据权利要求7所述的一种基于超宽带紧耦合阵列馈电的多波束反射面天线，其特征在于，所述超宽带天线单元(2.1)的长度尺寸为11mm，所述超宽带天线单元(2.1)的宽度尺寸为11mm，所述超宽带天线单元(2.1)的剖面高度尺寸为50mm。
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