CN201498599U

CN201498599U - 多模单脉冲天线

Info

Publication number: CN201498599U
Application number: CN2009202358044U
Authority: CN
Inventors: 洪伟; 程钰间
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2009-09-23
Filing date: 2009-09-23
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2019-09-23

Abstract

多模单脉冲天线可直接应用于微波毫米波跟踪、探测、通讯、测量、天文观察等系统，也可作为抛物反射面天线、卡塞格伦天线的馈源，该天线的上层金属敷铜面(1)、下层金属敷铜面(2)分别位于介质基片(3)的正反两侧，金属化通孔(4)穿过介质基片(3)与上层金属敷铜面(1)、下层金属敷铜面(2)相连接形成依次排列的基片集成波导3dB定向耦合器(5)、基片集成波导90度移相器(6)、基片集成波导波型器(7)、主波导(8)，即前一个部件的输出端接后一个部件的输入端；基片集成波导3dB定向耦合器(5)分别与第一输入端口(101)、第二输入端口(102)相连，主波导(8)的输出端接喇叭天线(9)的输入端。

Description

多模单脉冲天线

技术领域

多模单脉冲天线可直接应用于微波毫米波跟踪、探测、通讯、测量、天文观察等系统，也可作为抛物反射面天线、卡塞格伦天线的馈源，实现高增益、窄波束单脉冲天线。

背景技术

单脉冲天线是在在第二次世界大战后出现而在五、六十年代迅速发展起来的一种精密跟踪天线。随着导弹、火箭、人造卫星和宇航技术的发展，原先采用的顺序波束法和圆锥扫描法体制在跟踪精度和取得目标角度信息的速度方面都不能适应新的要求。而单脉冲体制(又称为同时波束法)原则上只需要一个回波脉冲就能获得目标的距离和全部角坐标信息，这样就大大加快了提取目标角度信息的速度，而且其跟踪精度、抗干扰能力诸性能均优于原来的体制，因而得到广泛的应用。

具有理想馈源口径分布的单脉冲天线也用于对抛物反射面天线、卡塞格伦天线进行馈电，形成高增益、窄波束的单脉冲天线。这种单脉冲馈源是整个天线的关键元件，整个单脉冲天线的性能与它密切相关。原则上可以通过分别控制“和”模与“差”模的口径激励来实现最佳的理想馈源口径激励。常用的独立控制各模的方法是：多喇叭法，多模法，以及它们的组合——多喇叭多模法，实用中多采用多模馈源，这是因为采用这种方法容易控制口径激励，可以得到最佳口径场分布，而且其馈源系统结构比较简单，故目前应用极为广泛。

多模馈源就是用一个单孔径馈源提供单脉冲和差信号。这种技术的基础除了利用常规的主模TE₁₀以外，还利用高阶波导模。所用的高次模是由在波导中引入的不连续性而产生，通常采用变张角或变截面的方法来激励所需要的波型，通常称这种结构为波型器。其输入端的波导称之为激励波导，输出端的波导称之为主波导，主波导的开口端即为馈源辐射口径面。激励波导仅能传输主模，而在主波导中各种模式以不同的相速度向辐射口径传播。多模单脉冲天线的工作原理就是利用适当的波型器产生需要的多个波型模式，通过改变主波导的尺寸特别是其长度来控制口径面上各模的相对幅度和相位的关系，产生接近于理想馈源形状的偶对称与奇对称分布。

基片集成波导不仅具有平面化的电路结构，同时具有低损耗、低互耦、高Q值的特性，因此可以用来设计高性能的多模单脉冲天线。

发明内容

技术问题：本实用新型的目的是利用基片集成波导设计一个多模单脉冲天线，使其能直接与射频电路相集成，具有低插入损耗、低加工成本、易于大批量生产等特点。

技术方案：本实用新型的多模单脉冲天线，其特征在于上层金属敷铜面、下层金属敷铜面分别位于介质基片的正反两侧，金属化通孔穿过介质基片与上层金属敷铜面、下层金属敷铜面相连接形成依次排列的基片集成波导3dB定向耦合器、基片集成波导90度移相器、基片集成波导波型器、主波导，即前一个部件的输出端接后一个部件的输入端；基片集成波导3dB定向耦合器的第一个输入口与多模基片集成波导单脉冲天线的第一输入端口相连，基片集成波导3dB定向耦合器的第二个输入口与多模基片集成波导单脉冲天线的第二输入端口相连；主波导的输出端接喇叭天线的输入端。

所述的喇叭天线的下侧为延长的介质基片，上侧为斜坡铜片，两侧为第一侧面铜片、第二侧面铜片，第一侧面铜片、第二侧面铜片与延长的介质基片的下层金属敷铜面相连接。

基片集成波导90度移相器通过调节金属化通孔的位置，形成具有不同宽度的基片集成波导，从而实现所需的90度相移量。

基片集成波导波型器具有两个输入口、一个输出口；基片集成波导波型器两个输入口的宽度均设定为仅允许基片集成波导的主模传输；基片集成波导波型器输出口的宽度设定为允许基片集成波导的前三个模式传输。延长的介质基片只有下层金属敷铜面，而无上层金属敷铜面，也无金属化通孔。

基片集成波导3dB定向耦合器、基片集成波导90度移相器的宽度设定为只允许基片集成波导的主模TE₁₀传播；基片集成波导波型器的不连续性使得主波导中出现高次模；主波导的宽度设定为只允许基片集成波导的前三个模式TE₁₀，TE₂₀，TE₃₀传播。

若选用的介质基片足够厚，使得主波导的输出口可以有效的辐射能量，则不需要再接额外的喇叭天线辐射能量；但通常情况下，使用的介质基片较薄，无法直接利用主波导的开口端进行辐射，则需要将主波导输出端的介质基片延长，延长的介质基片只有下层金属敷铜面，而无上层金属敷铜面，也无金属化通孔，将第一侧面铜片、第二侧面铜片、斜坡铜片与延长的介质基片的下层金属敷铜面相互焊接，构成一个喇叭天线，实现能量的有效辐射。

从多模单脉冲天线的第一输入端口馈电，输入信号通过基片集成波导3dB定向耦合器、基片集成波导90度移相器，在基片集成波导90度移相器的两个输出口得到幅度相等、相位相反的两个输出，再分别进入基片集成波导波形器的第一个输入口、基片集成波导波形器的第二个输入口，经过基片集成波导波形器的不连续性，在基片集成波导波形器的输出口激励出TE₂₀模，通过主波导进入喇叭天线，在喇叭天线的辐射口形成奇对称分布，可激励出差波束；从多模基片集成波导单脉冲天线的第二输入端口馈电，输入信号通过基片集成波导3dB定向耦合器、基片集成波导90度移相器，在基片集成波导90度移相器的两个输出口得到幅度相等、相位相同的两个输出，再分别进入基片集成波导波形器的第一个输入口、基片集成波导波形器的第二个输入口，经过基片集成波导波形器的不连续性，在基片集成波导波形器的输出口激励出TE₁₀、TE₃₀模，通过主波导进入喇叭天线，适当调节主波导、延长的介质基片的长度和主波导的宽度，使得TE₁₀和TE₃₀模在喇叭天线的辐射口正好反相，形成偶对称分布，可激励出和波束；若奇对称分布只存在TE₂₀一种模式，适当调节基片集成波导波形器的输入口和输出口宽度的比值，可以得到近似钟型的最佳偶对称口径场分布，而不影响奇对称场分布。

有益效果：本实用新型具有以下优点：

1：)使单脉冲天线在以平面的形式工作于微波毫米波频段时，具有较高增益、Q值和较低损耗。同时与金属波导的立体结构相比，体积小、重量轻、加工简便、成本低。

2：)该单脉冲天线制作于介质基片上，与有源电路集成方便。

3：)单脉冲天线的各子部分集成为一体，结构紧凑。

4：)可以利用普通PCB工艺加工，精度高、重复性好，适合大批量生产。

附图说明

图1是本实用新型多模单脉冲天线的结构示意图，

以上的图中有：上层金属敷铜面1、下层金属敷铜面2、介质基片3、延长的介质基片31、金属化通孔4、基片集成波导3dB定向耦合器5、基片集成波导90度移相器6、基片集成波导波型器7、主波导8、喇叭天线9、第一侧面铜片91、第二侧面铜片92、斜坡铜片93、第一输入端口101、第二输入端口102。

具体实施方式

本实用新型中的多模单脉冲天线，包括上层金属敷铜面1、下层金属敷铜面2、介质基片3、延长的介质基片31、金属化通孔4、基片集成波导3dB定向耦合器5、基片集成波导90度移相器6、基片集成波导波型器7、主波导8、喇叭天线9、第一侧面铜片91、第二侧面铜片92、斜坡铜片93、第一输入端口101、第二输入端口102；上层金属敷铜面1、下层金属敷铜面2分别位于介质基片3的正反两侧，金属化通孔4穿过介质基片3与上层金属敷铜面1、下层金属敷铜面2相连接形成基片集成波导3dB定向耦合器5、基片集成波导90度移相器6、基片集成波导波型器7、主波导8；基片集成波导3dB定向耦合器5的第一个输入口与多模基片集成波导单脉冲天线的第一输入端口101相连，基片集成波导3dB定向耦合器5的第二个输入口与多模基片集成波导单脉冲天线的第二输入端口102相连，基片集成波导3dB定向耦合器5的第一个输出口与基片集成波导90度移相器6的第一个输入口相连，基片集成波导3dB定向耦合器5的第二个输出口与基片集成波导90度移相器6的第二个输入口相连；基片集成波导90度移相器6的第一个输出口与基片集成波导波型器7的第一个输入口相连，基片集成波导90度移相器6的第二个输出口与基片集成波导波型器7的第二个输入口相连；基片集成波导波型器7的输出口与主波导8的输入口相连；主波导8输出端的介质基片3延长，延长的介质基片31只有下层金属敷铜面2，而无上层金属敷铜面1，也无金属化通孔4，第一侧面铜片91、第二侧面铜片92、斜坡铜片93和延长的介质基片31的下层金属敷铜面2相互焊接，构成喇叭天线9。

在工作频带范围内，基片集成波导3dB定向耦合器5、基片集成波导90度移相器6、基片集成波导波型器7的两个输入口的宽度设定为只允许基片集成波导的主模TE₁₀传播；基片集成波导波型器7的不连续性结构使得主波导中出现高次模；基片集成波导波型器7的输出口、主波导8的宽度设定为允许基片集成波导的前三个模式TE₁₀、TE₂₀、TE₃₀传播。

在中心频率约15.5GHz处设计了多模基片集成波导单脉冲天线，介质基片选用Rogers Duroid 5880，其介质常数为2.2，厚度1.5748mm。从13GHz-18GHz，第一输入端口101和第二输入端口102之间的隔离度优于15dB，第一输入端口101的反射系数低于-11.5dB，第二输入端口102的反射系数低于-12dB。在中心频点15.5GHz处，第一输入端口101和第二输入端口102之间的隔离度为18.7dB，第一输入端口101和第二输入端口102的反射系数均低于-17.2dB；从第一输入端口101馈电，得到差波束，零深为-44dB；从第二输入端口102馈电，得到和波束，增益为9.9dBi，比差波束大2.15dB，半功率波瓣宽度为28度；其具有很好的交叉极化电平。

Claims

1.一种多模单脉冲天线，其特征在于上层金属敷铜面(1)、下层金属敷铜面(2)分别位于介质基片(3)的正反两侧，金属化通孔(4)穿过介质基片(3)与上层金属敷铜面(1)、下层金属敷铜面(2)相连接形成依次排列的基片集成波导3dB定向耦合器(5)、基片集成波导90度移相器(6)、基片集成波导波型器(7)、主波导(8)，即前一个部件的输出端接后一个部件的输入端；基片集成波导3dB定向耦合器(5)的第一个输入口与多模基片集成波导单脉冲天线的第一输入端口(101)相连，基片集成波导3dB定向耦合器(5)的第二个输入口与多模基片集成波导单脉冲天线的第二输入端口(102)相连；主波导(8)的输出端接喇叭天线(9)的输入端。

2.根据权利要求1所述的多模单脉冲天线，其特征为：所述的喇叭天线(9)的下侧为延长的介质基片(31)，上侧为斜坡铜片(93)，两侧为第一侧面铜片(91)、第二侧面铜片(92)，第一侧面铜片(91)、第二侧面铜片(92)与延长的介质基片(31)的下层金属敷铜面(2)相连接。

3.根据权利要求1所述的多模单脉冲天线，其特征为：基片集成波导90度移相器(6)通过调节金属化通孔(4)的位置，形成具有不同宽度的基片集成波导，从而实现所需的90度相移量。

4.根据权利要求1所述的多模单脉冲天线，其特征为：基片集成波导波型器(7)具有两个输入口、一个输出口；基片集成波导波型器(7)两个输入口的宽度均设定为仅允许基片集成波导的主模传输；基片集成波导波型器(7)输出口的宽度设定为允许基片集成波导的前三个模式传输。

5.根据权利要求1所述的多模单脉冲天线，其特征为：延长的介质基片(31)只有下层金属敷铜面(2)，而无上层金属敷铜面(1)，也无金属化通孔(4)。