CN109167182A - 一种用于前馈单脉冲反射面天线的印刷式低剖面馈源天线 - Google Patents

一种用于前馈单脉冲反射面天线的印刷式低剖面馈源天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于单脉冲雷达天线技术领域，具体提供一种用于前馈单脉冲反射面天线的印刷式低剖面多极化馈源天线，该天线由辐射天线及与之匹配集成的SIW单脉冲比较网络构成，所述辐射天线为2×2阵列天线，所述阵列天线由SIW宽边纵缝天线单元或SIW倾斜缝天线单元以原点为旋转中心、90°为步进旋转构成的，所述SIW单脉冲比较网络为4个天线单元提供相应相位。本发明使用单层SIW技术，将单脉冲比较网络与辐射天线集成在单层基板上，在实现双圆极化单脉冲功能的同时，具有易加工、低剖面和高集成度的优点；同时保证天线圆极化合成效率。

Description

一种用于前馈单脉冲反射面天线的印刷式低剖面馈源天线
技术领域
本发明属于单脉冲雷达天线技术领域，具体为一种用于前馈单脉冲反射面天线的印刷式低剖面多极化馈源天线。
背景技术
单脉冲雷达具有高效跟瞄的特性被广泛采用，然而随着工作频率升高，空间损耗的增大，高增益天线是远距离追踪的必要条件。同时反射面天线以高增益、高效率著称，因此将单脉冲馈源天线放置在反射面焦点处对其馈电是一个很好的选择。在一些特定的应用中，反射面天线的后方空间被其他设备占据，因此雷达前端不得不放置在反射面天线的前方，在这种情况下，为了给雷达收发组件腾出足够的空间，馈源天线的剖面要尽可能的低。
多极化单脉冲馈源天线具有克服多径损耗、极化损耗等优点，在卫星通信、弹载等动目标通信、跟瞄等领域中具有广阔的应用前景。
例如，文献“V.K.Panasa,R.Chivukula,K.Sreekumar,and S.B.Sharma,“Dualpola rized monopulse tracking feed for prime focal reflector antenna at S-band using crossed dip ole elements,”in EuRAD2015,2015,pp.361-364.”中提出了一种双线极化的单脉冲馈源天线，天线单元为的双线极化的偶极子天线，并结合多层印刷电路板技术(PCB)实现微带线比较网络与带状线比较网络；每种比较网络对应一种天线极化，中心频率为2.25GHz，多层结构导致整体馈源剖面高，而且在高频情况下微带线与带状线由于传输损耗大，并不适用，并且双层比较网络大大增加了馈源天线的复杂性。
文献“P.Zheng,G.Zhao,S.Xu,F.Yang,and H.Sun,“Design of a W-band full-pol arization monopulse Cassegrain antenna,”IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters.,vol.16,pp.99-103,Apr.2016.”中提出了一种双圆极化单脉冲馈源天线，天线单元为线极化高剖面的喇叭天线，通过单个波导比较网络形成和差波束；中心频率为94GHz，整体效率为18.4％，和差波束增益差为5.5dB。
文献“P.Zheng,B.Hu,S.Xu,and H.Sun,“A W-band high-aperture-efficiencymultip olarized monopulse Cassegrain antenna fed by phased microstrip patchquad,”IEEE Antenna s and Wireless Propagation Letters.,vol.16,pp.1609-1613,Jan.2017.”中也提出了一种双圆极化单脉冲馈源天线，天线单元为双端口馈电的圆极化贴片天线；贴片单元布局更加紧凑，但是每一个贴片单元需要双端口馈电，需要额外的功分器，馈电网路更为复杂；其比较网络仍为剖面较高的波导比较网络；中心频率为94GHz，整体效率为41.2％，和差波束增益差为5.2dB。
从现有报道可以发现，虽然多极化单脉冲馈源天线与传统单脉冲馈源天线相比在性能上具有优势，但都采用多层结构，致使馈源天线整体剖面较高，并且，采用传统的阵列拓扑导致圆极化合成效率低；因此，要实现多极化，同时效率有保证，并且低剖面的单脉冲馈源天线困难较大。
发明内容
本发明的目的是在多极化单脉冲馈源前提下，解决现有报道馈源结构剖面较高的问题，同时采用新的阵列拓扑保证馈源天线的效率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于前馈单脉冲反射面天线的印刷式低剖面馈源天线，其特征在于，所述天线由辐射天线及与之匹配集成的SIW单脉冲比较网络构成，所述辐射天线为2×2阵列天线，所述阵列天线由SIW宽边纵缝天线单元或SIW倾斜缝天线单元以原点为旋转中心、90°为步进旋转构成的，所述SIW单脉冲比较网络为4个天线单元提供相应相位。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明使用单层SIW技术，将单脉冲比较网络与辐射天线集成在单层基板上，在实现双圆极化单脉冲功能的同时，具有易加工、低剖面和高集成度的优点。
2、本发明天线采用更紧凑的2×2阵列拓扑，有效克服传统阵列拓扑圆极化合成效率低的问题，使圆极化合成效率得到保证。
附图说明
图1为本发明用于前馈单脉冲反射面天线的印刷式低剖面馈源天线的三维结构示意图。
图2为本发明实施例1中用于前馈单脉冲反射面天线的印刷式低剖面馈源天线的辐射天线结构示意图。
图3为本发明实施例2中用于前馈单脉冲反射面天线的印刷式低剖面馈源天线的辐射天线结构示意图。
图4为本发明实施例2中用于前馈单脉冲反射面天线的印刷式低剖面馈源天线的SIW单脉冲比较网络示意图。
图5为本发明实施例2中前馈反射面的右旋圆极化和波束与差波束方向图在xoz面的仿真结果。
图6为本发明实施例2中用于前馈反射面的右旋圆极化和波束轴比仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明提供一种用于前馈单脉冲反射面天线的印刷式低剖面馈源天线，该天线采用单层SIW技术，将单脉冲比较网络与辐射天线集成在单层基板上；其结构如图1所示，由从下往上依次层叠的下层金属覆铜层3、介质层2及上层金属覆铜层1构成；所述天线由辐射天线及与之匹配集成的SIW单脉冲比较网络构成，所述辐射天线为2×2阵列天线，所述阵列天线由SIW宽边纵缝天线单元或SIW倾斜缝天线单元以原点为旋转中心、90°为步进旋转构成的，所述SIW单脉冲比较网络为4个天线单元提供相应相位。
实施例1
本实施例中，所述辐射天线的2×2阵列拓扑采用±45°倾斜缝隙的SIW倾斜缝天线为单元，以原点为旋转中心，90°为步进，形成2×2阵列天线，如图2所示。
实施例2
本实施例中，所述辐射天线的2×2阵列拓扑采用SIW宽边纵缝天线为单元，以原点为旋转中心，90°为步进，形成2×2阵列天线，如图3所示；相比与实施例1，本实施例辐射天线拓扑更加紧凑；由圆极化合成原理可知，单元间距越近，圆极化合成效率越高。
针对前馈反射面天线，圆极化和波束口径效率可以用下式计算:
对于实施例1和实施例2中两种不同拓扑的馈源天线，假定反射面边缘照射电平均为-11dB，那么两者的漏失效率ηi接近相同，因此总体效率ηv由照射效率ηs和圆极化效率ηc组成；θ-11dB为11dB波束宽度的一半，Ecir为相应圆极化电场，Pincident为入射功率，ZTEM为自由空间波阻抗；两种阵列拓扑的模型尺寸下表所示：
馈源阵列拓扑设计参数(单位:MM)
以左旋圆极化和波束为例，对于传统拓扑与纵缝拓扑的馈源，其对应反射面的效率可分别计算为56.4％与64.4％，显然基于纵缝拓扑馈源的反射面效率更高，是一个更优方案；
如图3所示为单脉冲比较网络包括四个90°耦合器，两个移相器；
所述SIW单脉冲比较网络，其包括四个90°耦合器，上耦合器，下耦合器，左耦合器，右耦合器，以及两个移相器：其中一个180°移相器与纵缝13相连，一个360°移相器与纵缝11相连；左耦合器的下输出口与360°移相器的输入口相连，左耦合器的上输出口与纵缝12相连；右耦合器的下输出口与纵缝14相连，右耦合器的上输出口与180°移相器的输入口相连；上耦合器的左输出口与左耦合器的上输入口相连，上耦合器的右输出口与右耦合器的上输入口相连；下耦合器的左输出口与左耦合器的下输入口相连，下耦合器的右输出口与右耦合器的下输入口相连；上耦合器与下耦合器的四个输入口的末端均有尺寸为1.2mm×0.8mm耦合口径31、32、33和34；最后，用WR-10标准波导分别对四个耦合口径进行馈电；每个耦合口径的馈电对应着一种纵缝阵列的相位状态，每种相位状态对应着不同圆极化方向图：
双圆极化单脉冲原理
本实施例的工作频率94GHz，选用的基板为Taconic TSM-DS3，厚度为0.508mm，介质上铜箔厚度为0.018mm；SIW宽度为1.6mm，纵缝单元尺寸为1.12mm×0.2mm，位置中心距SIW中心0.18mm，距SIW末端金属通孔中心0.8mm；2×2阵列中四个纵缝尺寸相同，且具有旋转对称性；最终结合SIW单脉冲比较网络，在效率有一定保障的前提下，解决了用于前馈反射面天线传统的多极化单脉冲馈源天线低剖面实现困难的问题；另外，与该馈源匹配的反射面天线直径为140mm，焦距为56mm。如图5所示为本实施例中前馈反射面的右旋圆极化和波束与差波束方向图在xoz面的仿真结果；如图6为本实施例中用于前馈反射面的右旋圆极化和波束轴比仿真结果；从图可知，右旋圆极化和波束增益为36.1dBi,3dB波束宽度为1.5°。右旋圆极化差波束零点深度为-28.2dB，和差波束增益差为3.5dB。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (1)

1.一种用于前馈单脉冲反射面天线的印刷式低剖面馈源天线，其特征在于，所述天线由辐射天线及与之匹配集成的SIW单脉冲比较网络构成，所述辐射天线为2×2阵列天线，所述阵列天线由SIW宽边纵缝天线单元或SIW倾斜缝天线单元以原点为旋转中心、90°为步进旋转构成的，所述SIW单脉冲比较网络为4个天线单元提供相应相位。
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