CN105226362A - 串馈结构功分器、阵列天线***及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串馈结构功分器，包括一个输入端口和多个输出端口，该功分器采用串馈结构，所述输入端口位于正中间，所述多个输出端从正中间第一级开始向两侧逐级向下地按固定比例分配功率，所述多个输出端口的幅度值为固定值，该幅度值满足余割赋形阵列天线幅度分布特征。本发明的固定幅度的串馈功分器，无需再调整幅度值，就使功分器的设计完成的时间大大减少，大幅提高了设计效率。

Description

串馈结构功分器、阵列天线***及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种通讯电线技术领域，尤其涉及一种串馈结构功分器、阵列天线***及其设计方法。

背景技术

在现代无源阵列天线的设计中，功分器与天线都是必不可少的元素，两者一起工作时称为阵列天线***。

功分器全称功率分配器，是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时可也称为合路器。一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。功分器的主要技术参数包括：功率损耗(包括***损耗、分配损耗和反射损耗)、各端口的电压驻波比、功率分配端口间的隔离度、功率容量和频带宽度等。在阵列天线设计中，功分器是为了满足与天线对接中天线所需的幅度和相位。

在传统阵列天线***的设计中，往往是先设计阵列天线部分，然后将阵列天线的单元方向图的数据带入算法中进行计算从而得出一组与目标方向图最接近的幅度与相位值，接着利用这组数据设计功分器。功分器设置完成后，再与天线对接并验证，完成设计。如果是传统的功分器，设计出与这组数据一样输出的模型是非常繁杂的，既要调整功分器模型中一些参数控制幅度，也要调整另一些参数控制相位。按照这样的方式设计一个功分器大概需要1-2周的时间，使得功分器的设计过程变得繁杂而且低效。

传统阵列天线***的设计流程，包括：在设计现有的阵列天线综合模型中，一般首先设计阵列天线，将阵列单元的方向图输入至遗传算法中，计算出天线所需的接近目标方向图的幅度与相位。根据这两组数据设计传统结构的功分器，然后功分器设计完成后与阵列天线对接，最后测试结果，完成设计。

传统结构的功分器设计过程非常繁琐，即要调整幅度，也要调整相位。通常调整一个端口的幅度或者相位都需要花费大量的时间。整个设计过程大概需要花费1-2周的时间，严重影响整个功分器设计流程的时间进度。同时，遗传算法在计算中需要算出比阵列中阵元数量多一倍的解集，即幅度与相位，并且遗传算法具有随机性，这样会让计算机花费较多的时间寻找解集，影响整个设计流程的时间进度。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明首先提供了一种串馈结构功分器，包括：一个输入端口和多个输出端口，该功分器采用串馈结构，所述输入端口位于正中间，所述多个输出端从正中间第一级开始向两侧逐级向下地按固定比例分配功率，所述多个输出端口的幅度值为固定值，该幅度值满足余割赋形阵列天线幅度分布特征。

优选地，所述输出端口的间距采用9GHz的半波长，每个端口输出微带线宽为1.1毫米。

优选地，所述输出端口的数目为16个，当输入幅度为1时，16个输出端口的幅度值分别为0.0407、0.0424、0.064、0.095、0.141、0.21、0.31、0.458、0.463、0.31、0.21、0.14、0.094、0.063、0.0415以及0.0397。

优选地，所述多个输出端从正中间第一级开始，按1比1固定比例向两侧逐级地分配输出功率，输出端口的输出功率依次是相邻前级输出端口的输出功率的一半。

本发明还提供了一种阵列天线***，包括：串馈功分器及阵列天线，所述串馈结构功分器包括一个输入端口和多个输出端口，所述输入端口位于正中间，所述多个输出端与阵列天线的单元天线相互连接，所述多个输出端从正中间向两侧逐级向下地按固定比例分配功率，所述多个输出端口的幅度值为固定值，该幅度值满足余割赋形阵列天线幅度分布特征。

优选地，所述输出端口的间距采用9GHz的半波长，每个端口输出微带线宽为1.1毫米；所述输出端口的数目为16个，当输入幅度为1时，16个输出端口的幅度值分别为0.0407、0.0424、0.064、0.095、0.141、0.21、0.31、0.458、0.463、0.31、0.21、0.14、0.094、0.063、0.0415以及0.0397；所述多个输出端从正中间第一级开始，按1比1固定比例向两侧逐级地分配输出功率，输出端口的输出功率依次是相邻前级输出端口的输出功率的一半。

本发明还提供了一种应用权利要求1所述的串馈功分器设计阵列天线***的方法，包括：设计阵列天线，确定阵列单元的方向图；为串馈结构功分器的输出端口分配固定的幅度值，根据所述幅度值计算出目标方向图所需的相位；在所述串馈结构功分器的输出相位调整完成后与所述阵列天线对接并测试，获得测试结果。

优选地，所述串馈结构功分器包括一个输入端口和多个输出端口，所述输入端口位于正中间，所述多个输出端口与阵列天线的单元天线相互连接，所述多个输出端口按固定比例从正中间向两侧逐级地分配功率，所述幅度值满足余割赋形阵列天线幅度分布特征。

优选地，所述输出端口的数目为16个，当输入幅度为1时，16个输出端口的幅度值分别为0.0407、0.0424、0.064、0.095、0.141、0.21、0.31、0.458、0.463、0.31、0.21、0.14、0.094、0.063、0.0415以及0.0397；所述输出端口的间距采用9GHz的半波长，每个端口输出微带线宽为1.1毫米。

优选地，所述多个输出端从正中间第一级开始，按1比1固定比例向两侧逐级地分配输出功率，输出端口的输出功率依次是相邻前级输出端口的输出功率的一半。

与现有技术相比，本发明的固定幅度的串馈功分器端口的输出幅度是确定的，在幅度确定的情况下，相位可以根据已经设定好的变量任意调节出所需相位值。本发明的技术方案因为无需再调整幅度值，就使功分器的设计完成的时间大大减少，只需1-2小时就能完成设计，大幅提高了设计效率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明的技术方案而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本发明实施例的附图与本发明的实施例一起用于解释本发明的技术方案，但并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明实施例的固定幅度的串馈功分器结构示意图；

图2为本发明实施例中的天线设计流程示意图；

图3为本发明实施例中的印刷偶极子天线阵列的正面示意图；

图4为本发明实施例中的印刷偶极子天线阵列的反面示意图；

图5为本发明实施例中的反射板的结构示意图；

图6为本发明实施例中的阵列天线与功分器综合模型正面示意图；

图7为本发明实施例中的阵列天线与功分器综合模型反面示意图；

图8为本发明实施例中的功分器与阵列天线综合模型模拟仿真的最终结果对比图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本发明实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，附图所示出的本发明实施例的方法所包含的步骤，可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行。并且，虽然本发明实施例的方法在所示的流程图中体现出了本发明的技术方案在执行时的一定的逻辑顺序，但通常而言，该逻辑顺序仅限于通过该流程图所示出的实施例。在本发明的另一些实施例中，本发明的技术方案的逻辑顺序也可以以不同于附图所示的方式来实现。

本发明基于传统结构的功分器，提出一种固定幅度的串馈功分器。该固定幅度的串馈功分器端口的输出幅度是确定的，在幅度确定的情况下，相位可以根据已经设定好的变量任意调节出所需相位值。因为无需再调整幅度值，就使功分器的设计完成的时间大大减少，只需1-2小时就能完成设计。

如图1所示，一种固定幅度的串馈结构功分器，包括一个输入端口和多个输出端口，该功分器采用串馈结构，所述输入端口位于正中间，所述多个输出端从正中间第一级开始向两侧逐级向下地按固定比例分配功率，所述多个输出端口的幅度值为固定值，该组固定的幅度值满足余割赋形阵列天线幅度分布特征。具体地，该功分器也可以命名为固定幅度唯相位控制半功率递减串馈结构Gysel功分器。进一步地，所述输出端口的间距采用9Ghz的半波长，即16.7mm，每个端口输出微带线宽为1.1mm。功分器的后部采用整块铜板作为接地端。所述输出端口的数目与阵列单元的数目相同。

在阵列天线***设计时，只需找出输出相位与图1中d(x)参数长度的线性比例，按照比例调节d1，d2，d3……d15，d16变量大小即可实现调整功分器输出端口的输出相位。这种串馈的结构会让功分器的设计变得简洁、高效。

例如，该固定幅度新型串馈结构功分器拥有1个输入端口与16个输出端口，其中16个输出端口的间距采用9Ghz的半波长，即16.7mm，每个端口输出微带线宽为1.1mm。该功分器采用的介质板为罗杰斯4330，介电常数为3.5，厚度为0.508mm。功分器的后部采用整块铜板作为接地端。所述多个输出端从正中间第一级开始按固定比例分配功率向两侧分配输出功率，是采用1比1功率输出逐级向下地分配功率，输出端口的输出功率依次是相邻前级输出端口输出功率的一半。当输入幅度为1时，16组输出幅度分别为[0.0407、0.0424、0.064、0.095、0.141、0.21、0.31、0.458、0.463、0.31、0.21、0.14、0.094、0.063、0.0415、0.0397]。经验证，该幅度分部满足余割赋形阵列天线幅度分布特征，能够在遗传算法帮助下实现完美的余割平方赋形。

在遗传算法计算过程中将功分器固定的幅度作为已知数，只需运算出所需相位即可，相比于传统的设计方法可节省一半以上的算法寻找解集的时间。

基于图1所示的固定幅度的串馈结构功分器，如图2所示，本发明提出了一种高效简洁的阵列天线***设计流程，包括：

步骤S210，设计阵列天线。

步骤S220，从阵列天线中提取阵列单元的方向图，并代入遗传算法中。

步骤S230，将串馈结构功分器的输出端口的固定的幅度值作为已知数，代入遗传算法中，应用遗传算法计算出目标方向图所需的相位。

步骤S240，根据目标方向图所需的相位调整串馈结构功分器的输出相位。

步骤S250，串馈结构功分器的输出相位调整完成后，将串馈结构功分器与阵列天线对接并进行测试，获得测试结果。

具体地，串馈结构功分器，包括一个输入端口和多个输出端口，该功分器采用串馈结构，所述输入端口位于正中间，所述多个输出端从正中间第一级开始向两侧逐级向下地按固定比例分配功率，所述多个输出端口的幅度值为固定值，该组固定的幅度值满足余割赋形阵列天线幅度分布特征。所述多个输出端从正中间第一级开始按固定比例分配功率向两侧分配输出功率，是采用1比1功率输出逐级向下地分配功率，输出端口的输出功率依次是相邻前级输出端口输出功率的一半。当输入幅度为1时，16组输出幅度分别为[0.0407、0.0424、0.064、0.095、0.141、0.21、0.31、0.458、0.463、0.31、0.21、0.14、0.094、0.063、0.0415、0.0397]。

在上述流程中，功分器的幅度不需要进行调节，只需根据计算出的相位值来调整功分器的输出相位即可完成功分器的设计。在上述的固定幅度的串馈功分器设计过程中，因为在遗传算法计算过程中将功分器固定的幅度作为已知数，只需运算出所需相位即可，相比于传统的设计方法可节省一半以上的算法寻找解集的时间。

应用实例

选定余割平方扩展波束为目标方向图，设计一款X波段线性极化印刷偶极子16单元天线阵列与功分器的综合模型。阵列天线方向图的具体指标为:-3dB宽度范围为0°-12°，-10dB波束宽度为65°，波束覆盖为65°，频带范围为8.5GHz～9.6GHz，中心频率为9.05GHz。

如图2所示，阵列天线***设计流程，包括：

首先，设计阵列天线部分；

印刷偶极子16单元天线正面如图3所示，印刷偶极子16单元天线的反面如图4所示。反射板的结构如图5所示，反射板加在天线介质板(如图3，图4)中间黑线部分。采用的介质板为罗杰斯4350，介电常数为3.5，厚度为0.508mm。每个单元的间隔为9Ghz的半波长16.7mm。将这16个阵列单元的方向图提取出并带入遗传算法中。

接着，设计固定幅度的串馈结构功分器；

确定如图1所示的串馈功分器的固定输出幅度，16组幅度分别为[0.0407、0.0424、0.064、0.095、0.141、0.21、0.31、0.458、0.463、0.31、0.21、0.14、0.094、0.063、0.0415、0.0397]。将这组幅度带入遗传算法中作为已知数，计算出与目标余割平方扩展波束最接近的一组相位值。找出功分器模型中d(x)参数与输出相位的线性比例，也就是找到与输出相位对应的d(x)的量化数值，将量化好以后的d(x)参数带入功分器模型中，即可得到输出幅度和相位为赋形阵列天线所需的数值，完成功分器的设计。

然后，将功分器与阵列天线对接。功分器与阵列天线综合模型正反面分别如图7，图8所示。

最后，对功分器与阵列天线综合模型进行测试，并查看最终结果。

最终结果如图8所示，A线为遗传算法计算出的激励赋形成的余割平方方向图，B线为功分器根据遗传算法计算出的激励调整输出端口的相位后赋形成的余割平方方向图。

应用本发明，在阵列天线确定的情况下，固定幅度的串馈功分器的设计时间只需1-2小时，而传统功分器设计时间需要1-2周。遗传算法中计算天线输出结果的时间也缩短一半左右。天线与功分器设计的整体时间也大大缩短。本发明的技术方案不仅节约了时间的成本，而且使得天线***整体的设计过程变得简单，高效。

本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例所提供的装置和/或***的各组成部分，以及方法中的各步骤，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上。可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现。从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明技术方案而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种串馈结构功分器，其特征在于，包括：一个输入端口和多个输出端口，

该功分器采用串馈结构，所述输入端口位于正中间，所述多个输出端从正中间第一级开始向两侧逐级向下地按固定比例分配功率，所述多个输出端口的幅度值为固定值，该幅度值满足余割赋形阵列天线幅度分布特征。

2.如权利要求1所述的串馈结构功分器，其特征在于，

所述输出端口的间距采用9GHz的半波长，每个端口输出微带线宽为1.1毫米。

3.如权利要求1或2所述的串馈结构功分器，其特征在于，

所述输出端口的数目为16个，当输入幅度为1时，16个输出端口的幅度值分别为0.0407、0.0424、0.064、0.095、0.141、0.21、0.31、0.458、0.463、0.31、0.21、0.14、0.094、0.063、0.0415以及0.0397。

4.如权利要求1所述的串馈结构功分器，其特征在于，

所述多个输出端从正中间第一级开始，按1比1固定比例向两侧逐级地分配输出功率，输出端口的输出功率依次是相邻前级输出端口的输出功率的一半。

5.一种阵列天线***，其特征在于，包括：串馈功分器及阵列天线，所述串馈结构功分器包括一个输入端口和多个输出端口，所述输入端口位于正中间，所述多个输出端与阵列天线的单元天线相互连接，所述多个输出端从正中间向两侧逐级向下地按固定比例分配功率，所述多个输出端口的幅度值为固定值，该幅度值满足余割赋形阵列天线幅度分布特征。

6.如权利要求5所述的一种阵列天线***，其特征在于，

所述输出端口的间距采用9GHz的半波长，每个端口输出微带线宽为1.1毫米；

所述输出端口的数目为16个，当输入幅度为1时，16个输出端口的幅度值分别为0.0407、0.0424、0.064、0.095、0.141、0.21、0.31、0.458、0.463、0.31、0.21、0.14、0.094、0.063、0.0415以及0.0397；

所述多个输出端从正中间第一级开始，按1比1固定比例向两侧逐级地分配输出功率，输出端口的输出功率依次是相邻前级输出端口的输出功率的一半。

7.一种阵列天线***的设计方法，应用权利要求1所述的串馈功分器设计阵列天线***，其特征在于，该方法包括：

设计阵列天线，确定阵列单元的方向图；

为串馈结构功分器的输出端口分配固定的幅度值，根据所述幅度值计算出目标方向图所需的相位；

在所述串馈结构功分器的输出相位调整完成后与所述阵列天线对接并测试，获得测试结果。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，

所述串馈结构功分器包括一个输入端口和多个输出端口，所述输入端口位于正中间，所述多个输出端口与阵列天线的单元天线相互连接，所述多个输出端口按固定比例从正中间向两侧逐级地分配功率，所述幅度值满足余割赋形阵列天线幅度分布特征。

9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，

所述输出端口的数目为16个，当输入幅度为1时，16个输出端口的幅度值分别为0.0407、0.0424、0.064、0.095、0.141、0.21、0.31、0.458、0.463、0.31、0.21、0.14、0.094、0.063、0.0415以及0.0397；

所述输出端口的间距采用9GHz的半波长，每个端口输出微带线宽为1.1毫米。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，

所述多个输出端从正中间第一级开始，按1比1固定比例向两侧逐级地分配输出功率，输出端口的输出功率依次是相邻前级输出端口的输出功率的一半。