CN117578097A - 二维相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二维相控阵天线。二维相控阵天线包括：天线阵面，为N×N阵面，沿第一方向和第二方向分别具有N个天线单元，天线单元均为双线极化，包括第一方向极化和第二方向极化；馈电网络，包括N个行馈网络和N个列馈网络，第i个列馈网络与天线阵面沿第一方向的第i列天线单元通信，第i个行馈网络与天线阵面沿第二方向的第i行天线单元通信连接；以及收发模块，包括N个收发组件，第i个收发组件同时与第i个行馈网络和第i个列馈网络通信连接；其中，N为正整数，i为正整数，且i≤N。每个极化分别通过行/列合成的方式与收发组件互连，原本全通道下的N×N个收发组件减少到N个收发组件，提高了集成度，缩减了成本。

Description

二维相控阵天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别是涉及二维相控阵天线。

背景技术

相控阵天线是一种由多个天线元件组成的天线系统，它能够通过对每个天线元件的信号进行调制和相位控制，实现波束的形成和定向辐射。其通过改变天线阵列中单元的馈电相位来改变阵列方向图中最大值的指向，完成波束扫描的功能。

传统技术中，为了完成二维不同方向上的波束扫描，需要全通道收发组件，集成度低且成本高。

发明内容

基于此，有必要针对相控阵天线采用全通道收发组件，集成度低且成本高的问题，提供一种二维相控阵天线。

本发明提供一种二维相控阵天线。二维相控阵天线包括：

天线阵面，为N×N阵面，沿第一方向和第二方向分别具有N个天线单元，天线单元均为双线极化，包括第一方向极化和第二方向极化；

馈电网络，包括N个行馈网络和N个列馈网络，第i个列馈网络与天线阵面沿第一方向的第i列天线单元通信，第i个行馈网络与天线阵面沿第二方向的第i行天线单元通信连接；以及

收发模块，包括N个收发组件，第i个收发组件同时与第i个行馈网络和第i个列馈网络通信连接；其中，N为正整数，i为正整数，且i≤N。

在其中一个实施例中，第一方向是水平方向，第二方向是垂直方向，第一方向极化是水平极化，第二方向极化是垂直极化。

在其中一个实施例中，收发模块还包括切换开关，切换开关用于切换行馈模式和列馈模式；在行馈模式下，收发组件仅与行馈网络通信，在列馈模式下，收发组件仅与列馈网络通信。

在其中一个实施例中，在天线阵面工作于第一方向极化时，切换开关切换收发模块为行馈模式，在天线阵面工作于第二方向极化时，切换开关切换收发模块为列馈模式。

在其中一个实施例中，在天线阵面工作于第一方向极化时，收发模块用于接收射频信号并将射频信号放大，通过行馈网络发送至天线阵面，由天线阵面辐射至外部；天线阵面接收到外部的回波信号后，经行馈网络发送至收发模块，由收发模块对回波信号放大处理。

在其中一个实施例中，在天线阵面工作于第二方向极化时，收发模块用于接收射频信号并将射频信号放大，通过列馈网络发送至天线阵面，由天线阵面辐射至外部；天线阵面接收到外部的回波信号后，经列馈网络发送至收发模块，由收发模块对回波信号放大处理。

在其中一个实施例中，行馈网络和/或列馈网络的信号功率采用泰勒加权分布。

在其中一个实施例中，行馈网络和/或列馈网络的信号功率其中一半采用泰勒27dB加权分布；另一半与其镜像对称。

在其中一个实施例中，收发模块被配置为发送至天线单元的信号功率为多个阶梯分布。

在其中一个实施例中，收发模块被配置为其中一半发送至天线单元的信号功率为三个台阶分布，功率比为0.375:0.75:1；另一半与其镜像对称。

上述二维相控阵天线，N×N的天线阵面中天线单元均为双线极化，包括第一方向极化的第二方向极化。馈电网络包括N个行馈网络和N个列馈网络，N个行馈网络分别与天线阵面的N行通信连接，N个列馈网络分别与天线阵面的N列通信连接。收发模块包括N个收发组件，每个收发组件按照次序分别与一个行馈网络和一个列馈网络同时连接。通过这样的方式，在天线阵面工作于不同极化方向时，收发模块均能通过馈电网络向天线阵面发出信号，或接收来自于天线阵面的信号，每个极化分别通过行/列合成的方式与收发组件互连，原本全通道下的N×N个收发组件减少到N个收发组件，提高了集成度，缩减了成本。

附图说明

图1为一个实施例中二维相控阵天线的结构示意图；

图2为一个实施例中固定泰勒加权方向图形状；

图3为一个实施例中信号激励台阶加权方向图形状。

附体标记说明：100、天线阵面；200、馈电网络；300、收发模块；X、第一方向；Y、第二方向。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参阅图1，图1示出了本发明一实施例中的二维相控阵天线的结构示意图，本发明一实施例提供了二维相控阵天线，包括天线阵面100、馈电网络200和收发模块300。射频信号经过收发模块300变频放大后，通过馈电网络200传输至天线阵面100，线阵面100基于射频信号发出电磁波信号至外部，电磁波信号遇到探测物后散射返回，天线阵面100还接收回波信号，并将回波信号通过馈电网络200传输至收发模块300，由收发模块300对回波信号进行处理。

天线阵面100沿第一方向X和第二方向Y分别具有N个天线单元，形成N×N的网格阵面，其中，N为正整数。示意性地，天线阵面100规格可以是32×32等。天线单元是天线阵面100中的一个单个天线元件。天线单元可以为各种类型的天线，如振子、微带天线等。示意性地，第一方向X是水平方向，第二方向Y是垂直方向，第一方向X和第二方向Y垂直。

天线单元均为双线极化，包括第一方向极化和第二方向极化。天线单元的双线极化是指天线单元可以以两种方向的电磁场同时辐射和接收信号，这意味着天线单元可以同时支持第一方向极化和第二方向极化的信号。示意性地，天线单元第一方向极化是水平极化，第二方向极化是垂直极化，水平极化和垂直极化的信号正交。

馈电网络200包括N个行馈网络和N个列馈网络，行馈网络与天线阵面100的各行通信连接，列馈网络与天线阵面100的各列通信连接。其中，沿着第一方向，列馈网络的序号分别为从1至N，第i个列馈网络与天线阵面沿第一方向的第i列天线单元通信；沿着第二方向，行馈网络的序号分别为从1至N，第i个行馈网络与天线阵面沿第二方向的第i行天线单元通信连接。i为正整数，且i小于等于N。

示意性地，在天线阵面100包括32×32个天线单元时，馈电网络200包括32个行馈网络和32个列馈网络。第1个行馈网络和天线阵面100的第1行通信，第2个行馈网络和天线阵面100的第2行通信，以此类推，第32个行馈网络和第32行通信。相似地，第1个列馈网络和天线阵面100的第1列通信，第2个列馈网络和天线阵面100的第2列通信，以此类推，第32个列馈网络和第32列通信。

馈电网络200是将收发模块300与天线阵面100的天线单元相连的电路网络，用于将信号从收发模块300传输到天线单元或将信号从天线单元传输到收发模块300，同时保证信号在传输过程中的匹配和阻抗一致性。馈电网络200分为行馈网络和列馈网络，从而在天线阵面100工作于不同的极化方向时，均能够起到信号传输作用。

收发模块300包括N个收发组件，收发组件用于接收和发出信号。其中，第i个收发组件同时与第i个行馈网络和第i个列馈网络通信连接。示意性地，在N等于32时，第1个收发组件同时和第1个行馈网络、第1个列馈网络通信连接，第2个收发组件同时和第2个行馈网络、第2个列馈网络通信连接，以此类推，第32个收发组件同时和第32个行馈网络、第32个列馈网络通信连接。

上述的二维相控阵天线中，N×N的天线阵面100中天线单元均为双线极化，包括第一方向极化的第二方向极化。馈电网络200包括N个行馈网络和N个列馈网络，N个行馈网络分别与天线阵面的N行通信连接，N个列馈网络分别与天线阵面100的N列通信连接。收发模块300包括N个收发组件，每个收发组件按照次序分别与一个行馈网络和一个列馈网络同时连接。通过这样的方式，在天线阵面100工作于不同极化方向时，收发模块300均能通过馈电网络200向天线阵面100发出信号，或接收来自于天线阵面100的信号，每个极化分别通过行/列合成的方式与收发组件互连，原本全通道下的N×N个收发组件减少到N个收发组件，提高了集成度，缩减了成本。

参见图1，在一个示例性的实施例中，收发模块300还包括切换开关，切换开关用于切换行馈模式和列馈模式；在行馈模式下，收发组件仅与行馈网络通信，在列馈模式下，收发组件仅与列馈网络通信。

在行馈模式下，收发组件通过各行馈网络与天线阵面100各行通信，在列馈模式下，收发组件100通过各列馈网络与天线阵面各列通信。通过这样的方式，使得收发模块300能够在行馈模式和列馈模式之间转换。相较于传统技术中的N×N个收发组件，本实施例中收发组件的数量减少到N个，通过行馈模式和列馈模式的切换，仍然能够达到传统技术中N×N各收发组件的效果，缩减了成本。

在一种可行的实现方式中，收发模块300的切换开关根据天线阵面100的工作方式进行切换，在天线阵面100工作于第一方向极化时，切换开关切换收发模块为行馈模式，在天线阵面100工作于第二方向极化时，切换开关切换收发模块为列馈模式。

天线阵面100工作于第一方向极化时，能够接收和发送来自第一方向X的电磁波，此时收发模块300的切换开关切换为行馈模式，天线阵面100的各行天线单元与各行馈网络通信，从而收发模块与各行天线单元通信。天线阵面100工作于第二方向极化时，能够接收和发送来自第二方向Y的电磁波，此时收发模块300的切换开关切换为列馈模式，天线阵面100的各列天线单元与各列馈网络通信，从而收发模块与各列天线单元通信。

在一个实施例中，在天线阵面100工作于第一方向极化时，收发模块300用于接收射频信号并将射频信号放大，通过行馈网络发送至天线阵面100，由天线阵面100辐射至外部；天线阵面100接收到外部的回波信号后，经行馈网络发送至收发模块300，由收发模块300对回波信号放大处理。

具体地，当天线阵面100工作于水平极化时，收发组件300的切换开关切换至行馈模式。发射电磁波时，射频信号先发送至收发组件，经收发组件变频放大后分别经每行的馈电网络进行信号加权，送至天线阵面100，由天线单元辐射出去，辐射出去的电磁波信号遇到探测物后散射返回至天线阵面100，天线单元接收到回波信号，并传输至每行的行馈网络，经由行馈网络送至收发组件进行信号处理。可选地，通过改变收发组件送至天线单元的信号相位，可以使方向图波束在俯仰向扫描。

在一个实施例中，在天线阵面100工作于第二方向极化时，收发模块300用于接收射频信号并将射频信号放大，通过列馈网络发送至天线阵面100，由天线阵面100辐射至外部；天线阵面100接收到外部的回波信号后，经列馈网络发送至收发模块300，由收发模块300对回波信号放大处理。

具体地，当天线阵面100工作于垂直极化时，收发组件300的切换开关切换至列馈模式。发射电磁波时，射频信号先发送至收发组件，经收发组件变频放大后分别经每列的馈电网络进行信号加权，送至天线阵面100，由天线单元辐射出去，辐射出去的电磁波信号遇到探测物后散射返回至天线阵面100，天线单元接收到回波信号，并传输至每列的列馈网络，经由列馈网络送至收发组件进行信号处理。可选地，通过改变收发组件送至天线单元的信号相位，可以使方向图波束在方位向扫描。

上述实施例中，天线阵面100的各天线单元均为第一方向和第二方向的双线极化形式，因此天线阵面在第一方向极化和第二方向极化等效为两个阵面，两个极化分时工作。第一方向极化通过行合成的方式与收发组件互连，第二方向极化通过列合成的方式与收发组件互连，通过切换收发组件的行馈模式和列馈模式，与天线单元的工作极化方式匹配，从而减少收发组件的数量，提高了集成度，缩减了成本。

在一个示例性的实施例中，行馈网络和/或列馈网络的信号功率采用泰勒加权分布。泰勒加权用于控制天线阵列中每个单元的振幅和相位分布，以实现所需的辐射模式和波束形成。

泰勒加权分布根据天线阵列的几何结构和目标辐射模式的要求，在每个天线单元上施加不同的幅度和相位权重，以达到辐射模式的控制。这样可以改变每个天线单元的响应特性，使得在特定方向上的辐射增强，而在其他方向上的辐射则被抑制。本实施例中，根据副瓣要求，通过泰勒加权分布计算1/32泰勒加权功分馈电网络。

在一个可行的实现方式中，行馈网络和/或列馈网络的信号功率其中一半采用泰勒27dB加权分布；另一半与其镜像对称。泰勒27dB加权指的是使用泰勒加权分布来实现对天线阵列中每个单元施加27dB的振幅权重，用于形成窄波束或者实现高增益的目标。

通过施加27dB的振幅权重，该天线阵列将会在特定方向上产生一个相对较强的辐射波束，以集中能量并提高信号传输或接收的效果。相比于均匀分布的加权，泰勒27dB加权可以使得主瓣更加集中，侧瓣衰减更为明显，从而提高天线阵列的方向性和增益。如图2所示，图2示出了固定泰勒加权方向图，由图可以看出，副瓣电平最大为-27.31dB。

相应地，与行馈网络和列馈网络通信的天线单元也进行功率分配，以N等于32为例，单边16个天线单元的功率分配详见下表1，其余16个天线单元的功率分配与之镜像对称。

表1 功分/合成归一化功率分配表

其中，16个天线单元的功率分别为0.09、0.1、0.129、0.162、0.209、0.270、0.345、0.430、0.524、0.620、0.715、0.802、0.877、0.937、0.978和1，另外16个天线单元的功率与之镜像对称，分别为1、0.978、0.937、0.877、0.802、0.715、0.620、0.524、0.430、0.345、0.270、0.209、0.162、0.129、0.1和0.09。

在一个示例性的实施例中，收发模块300被配置为发送至天线单元的信号功率为多个阶梯分布。为实现发射波束旁瓣电平低于-20dB，发射波束一维采用收发组件进行信号激励台阶加权。

信号激励台阶加权通过在发射信号上施加不同的幅度权重，以实现特定的辐射模式和波束形成。激励信号被分为几个不同的台阶，每个台阶对应一个特定的幅度权重。这些幅度权重通常按照递增或递减的顺序排列，并且相邻的台阶之间有固定的幅度差。

通过使用信号激励台阶加权，可以实现一种类似于阶梯状的辐射模式。这种分段加权的方式可以使得天线阵列在不同的方向上具有不同的辐射强度，从而实现对波束的定向控制。示意性地，可以将较高的权重施加在特定方向上，以增强该方向的辐射能量，而将较低的权重施加在其他方向上，以抑制辐射能量。

在一个可行的实现方式中，收发模块300被配置为其中一半发送至天线单元的信号功率为三个台阶分布，功率比为0.375:0.75:1；另一半与其镜像对称。N个收发组件可以配置为前N/2个收发组件的功率比为0.375，接着N/4个收发组件的功率比为0.75，后N/4个收发组件的功率比为1。示意性地，在N等于32时，收发组件单边16路的信号功率幅值分配详见表 2。

表2 发射波束收发组件信号功率幅值表

其中，第1-第8个收发组件的功率比为0.375，第9-第12个收发组件的功率比为0.75，第13-第16个收发组件的功率比为1。另一半与其镜像对称，也即第17-第20个收发组件的功率比为1，第21第24个收发组件的功率比为0.75，第25-第32个收发组件的功率比为0.375。

如图3所示，图3示出了信号激励台阶加权方向图形状，可以看出副瓣电平最大为-20.28dB。也就是说，本实施例通过固定泰勒加权馈电网络和信号激励台阶加权的方式，实现了发射副瓣电平低于-20dB的性能。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种二维相控阵天线，其特征在于，所述二维相控阵天线包括：

天线阵面，为N×N阵面，沿第一方向和第二方向分别具有N个天线单元，所述天线单元均为双线极化，包括第一方向极化和第二方向极化；

馈电网络，包括N个行馈网络和N个列馈网络，第i个列馈网络与所述天线阵面沿第一方向的第i列天线单元通信，第i个行馈网络与所述天线阵面沿第二方向的第i行天线单元通信连接；以及

收发模块，包括N个收发组件，第i个所述收发组件同时与第i个所述行馈网络和第i个列馈网络通信连接；其中，N为正整数，i为正整数，且i≤N。

2.根据权利要求1所述的二维相控阵天线，其特征在于，所述第一方向是水平方向，所述第二方向是垂直方向，所述第一方向极化是水平极化，所述第二方向极化是垂直极化。

3.根据权利要求1所述的二维相控阵天线，其特征在于，所述收发模块还包括切换开关，所述切换开关用于切换行馈模式和列馈模式；在所述行馈模式下，所述收发组件仅与所述行馈网络通信，在所述列馈模式下，所述收发组件仅与所述列馈网络通信。

4.根据权利要求3所述的二维相控阵天线，其特征在于，在所述天线阵面工作于第一方向极化时，所述切换开关切换所述收发模块为行馈模式，在所述天线阵面工作于第二方向极化时，所述切换开关切换所述收发模块为列馈模式。

5.根据权利要求4所述的二维相控阵天线，其特征在于，在所述天线阵面工作于第一方向极化时，所述收发模块用于接收射频信号并将所述射频信号放大，通过所述行馈网络发送至所述天线阵面，由所述天线阵面辐射至外部；所述天线阵面接收到外部的回波信号后，经所述行馈网络发送至所述收发模块，由所述收发模块对回波信号放大处理。

6.根据权利要求4所述的二维相控阵天线，其特征在于，在所述天线阵面工作于第二方向极化时，所述收发模块用于接收射频信号并将所述射频信号放大，通过所述列馈网络发送至所述天线阵面，由所述天线阵面辐射至外部；所述天线阵面接收到外部的回波信号后，经所述列馈网络发送至所述收发模块，由所述收发模块对回波信号放大处理。

7.根据权利要求1所述的二维相控阵天线，其特征在于，所述行馈网络和/或列馈网络的信号功率采用泰勒加权分布。

8.根据权利要求7所述的二维相控阵天线，其特征在于，所述行馈网络和/或列馈网络的信号功率其中一半采用泰勒27dB加权分布；另一半与其镜像对称。

9.根据权利要求1、7或8所述的二维相控阵天线，其特征在于，所述收发模块被配置为发送至所述天线单元的信号功率为多个阶梯分布。

10.根据权利要求9所述的二维相控阵天线，其特征在于，所述收发模块被配置为其中一半发送至所述天线单元的信号功率为三个台阶分布，功率比为0.375:0.75:1；另一半与其镜像对称。