CN110571531B - 一种基于抛物柱面反射阵的多波束相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种基于抛物柱面反射阵的多波束相控阵天线，馈源阵列的每个单元独立接收由抛物柱面反射阵激励补偿后的波束，M×N个单元的馈源阵列共可接收M×N个波束，抛物柱面反射阵从内到外分别为多个具有不同相位补偿值的反射单元、介质层、金属背板，反射单元能够根据馈源位置补偿所需相位进而实现来波聚焦；金属背板用于反射馈电波束形成口径处的平面波前。天线在不增加额外口径面、重量、成本的前提下，消除了反射式相控阵多波束天线低仰角增益损失的固有体制缺陷，实现了功率灵活调度与波束捷变赋形。还具有波束数量多、覆盖区域广、辐射效率高、***灵活性与抗干扰性强等优势，适应复杂通信环境以及高速通信链路的客观要求。

Description

一种基于抛物柱面反射阵的多波束相控阵天线

技术领域

本发明涉及一种相控阵天线，具体涉及一种基于抛物柱面反射阵的多波束相控阵天线。

背景技术

在通信技术领域，天线作为电磁信号的辐射窗口显得尤为重要，为了适应不同的通信场景，各式各样不同功能的天线被发明应用。

现代通信链路为了产生高增益低副瓣的点波束，通常需要电大口径天线，相较于覆盖目标区域固定的传统高增益电大口径天线，相控阵多波束天线不仅具有强方向性，而且能够实现广域覆盖。常见的相控阵多波束天线有直接辐射式相控阵多波束天线与反射式相控阵多波束天线，直接辐射式相控阵多波束天线具备灵活的扫描、捷变、赋形能力，适用于需要跟踪快速移动目标、快速响应的复杂通信场景，但由于天线体制本身固有的局限性，其无源天线阵面的单元通常数量庞大，只能以高成本和多通道的代价获得高增益。

相较于直接辐射式相控阵多波束天线，反射式相控阵多波束天线具有通道规模少、成形波束数量多等优势，不过由于反射式相控阵多波束天线的馈源较少，且每个覆盖区域只用到了部分馈源，随着扫描角度的增加，波束增益下降较为剧烈，波形变化较大，同时有限的自由度使得波束赋形、调零相对较难，带来的增益损失也较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何提供一种基于抛物柱面反射阵的多波束相控阵天线，以解决现有技术中存在的反射式相控阵多波束天线功率调度灵活性差、大扫描角度增益下降剧烈的技术问题。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

本发明实施例提供了一种基于抛物柱面反射阵的多波束相控阵天线，所述天线包括：馈源阵列和抛物柱面反射阵，其中，

所述馈源阵列包括：M×N个收发共口径辐射单元组成的相控阵列，且M＞2、N＞2；

所述抛物柱面反射阵包括：抛物柱面背板、介质基板以及设置于所述介质基板上的反射单元，其中，所述抛物柱面背板为金属材质，所述反射单元阵列设置在所述介质基板的表面；

应用本发明实施例，利用抛物柱面反射阵将接收的多波束进行相位补偿聚焦，并将聚焦的波束辐射至馈源阵面，进而实现了大范围空域接收；同时，馈源阵的每行线形子阵可以发射一维相控扫描波束，经抛物柱面金属背板反射后在远场形成平面波辐射。

反射单元阵列设置在所述抛物柱面背板上，且反射阵单元对接收的波束进行相位补偿将补偿后的波束反射至对应的辐射单元，因此，馈源阵列可以接收经过相位补偿后的来波，进而可以实现多波束接收，相对于现有技术中通过增加相控阵中辐射单元的数量实现多波束接收，可以减少相控阵中辐射单元的数量，进而降低了成本。

可选的，所述馈源阵列设置于所述抛物柱面反射阵的焦点上进行偏置馈电；且所述抛物柱面反射阵的焦距大于所述相控阵天线的工作波长。

可选的，所述馈源阵列的辐射方式包括：

在所述抛物柱面反射阵的方位面上进行一维相控扫描，在所述抛物柱面反射阵的俯仰面上等幅同相辐射，将馈源阵列(10)辐射的波束形成口径处的平面波前，其中，所述方位面为平行于所述抛物柱面反射阵天线的焦线的水平面。

可选的，所述反射单元之间的间距D≤0.5λ，其中，λ为馈源阵列的工作频率对应的波长。

可选的，所述反射单元的相位补偿值的计算公式包括：

Φ＝k₀(R_n-x_nsinθ_r)+Φ₀，其中，

Φ为反射单元的相位补偿值；k₀为自由空间的电磁波传播常数；R_n为馈源阵列的相位中心到第n个反射单元的距离x_n为阵列中第n个反射单元到中心参考单元的距离；θ_r为反射电磁波相对于所述抛物柱面切线的反射角；Φ₀为参考相位。

可选的，所述天线还包括：介质层，且所述介质层覆盖于所述抛物柱面背板的反射面上，且所述反射单元印刷于所述介质层上。

可选的，所述反射单元为低剖面结构，且包括：相同尺寸不同旋转角度的反射单元、开口缝隙矩形开环反射单元、方形十字槽反射单元中的一种或组合。

可选的，所述馈源阵列为有源相控阵，阵面由若干个俯仰向等间隔排布的子阵组成，相邻子阵之间的距离L≥3λ；每一个子阵包括若干个阵列设置的辐射单元。

可选的，各个子阵中的辐射单元采用三角布阵形式，相邻辐射单元的中心距W＝0.7λ，其中，λ为馈源阵列的工作频率对应的波长。

可选的，所述辐射单元包括：偶极子、微带贴片、耦合叠层贴片、矩形波导、圆形喇叭中的一种或组合。

本发明的优点在于：

(1)利用抛物柱面反射阵将接收的多波束进行相位补偿聚焦，并将聚焦的波束辐射至馈源阵面，进而实现了大范围空域接收；同时，馈源阵的每行线形子阵可以发射一维相控扫描波束，经抛物柱面金属背板反射后在远场形成平面波辐射。

(2)应用本发明实施例，在不增加额外口径面、重量、成本的前提下，消除了反射式相控阵多波束天线低仰角增益损失的固有体制缺陷，实现了功率灵活调度与波束捷变赋形。同时，本发明具有波束数量多、覆盖区域广、辐射效率高、***灵活性与抗干扰性强等优势，能够适应复杂通信环境，满足现代高速通信链路的客观要求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于抛物柱面反射阵的多波束相控阵天线中抛物柱面反射阵的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于抛物柱面反射阵的多波束相控阵天线的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于抛物柱面反射阵的多波束相控阵天线接收波束时电磁波反射路径示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于抛物柱面反射阵的多波束相控阵天线向外辐射波束时电磁波反射路径示意图；

图5为本发明实施例提供的一种基于抛物柱面反射阵的多波束相控阵天线中馈源阵列的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明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。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。

实施例1

本发明实施例提供了一种基于抛物柱面反射阵的多波束相控阵天线，所述天线包括：馈源阵列10和抛物柱面反射阵，其中，

所述馈源阵列10包括：8×8个收发共口径辐射单元组成的相控阵列；馈源阵列10包含两排共计16个中心距为0.7λ的辐射单元11，其中，λ为馈源阵列10的工作频率对应的波长。

图1为本发明实施例提供的一种基于抛物柱面反射阵的多波束相控阵天线中抛物柱面背板的结构示意图；如图1所示，所述抛物柱面反射阵包括：镀金铜质的抛物柱面背板21以及设置于所述抛物柱面背板21上的反射单元22，其中，抛物柱面背板21的焦线平行于水平面设置，且抛物柱面是由抛物线母线沿焦线平移而成；口径高度为H，抛物线母线的焦距为F，焦距与口径高度的关系为：F＝(0.7～1.0)*H。所述金属背板4在俯仰面具有聚焦特性只压窄俯仰波束。

可以利用公式，Φ＝k₀(R_n-x_nsinθ_r)+Φ₀，计算各个反射单元22的相位补偿值，进而确定反射单元22的技术参数，其中，Φ为反射单元22的相位补偿值；k₀为自由空间的电磁波传播常数；R_n为馈源阵列10的相位中心到第n个反射单元22的距离x_n为阵列中第n个反射单元22到中心参考单元的距离；θ_r为反射电磁波相对于所述抛物柱面切线的反射角；Φ₀为参考相位。然后将矩形金属微带贴片作为反射单元22阵列设置在所述抛物柱面背板21上，且反射阵单元对接收的波束进行相位补偿将补偿后的波束反射至对应的辐射单元。

所述抛物柱面反射阵中的从位于中部的反射单元22到边缘的反射单元22之间具有不同的相位补偿值。

在应用本发明实施例进行波束接收时，来自与反射单元22对应的发射器发射的64个波束辐射到反射单元22时，会在所述反射阵单元2激励起感应电流，不同尺寸大小的反射单元22，如微带贴片产生不同路径长度的感应电流，每个单元的感应电流在方位面的辐射波束产生不同相位差，所述抛物柱面反射阵通过对方位面上的反射单元22逐个补偿所需相位，实现来波聚焦，通过有源天线阵面的64个所述辐射单元，如圆形口径喇叭单元分别独立接收一路波束，然后经过T/R组件滤波、放大后形成64路独立波束信号送入后端处理模块，进而在远场实现广空域覆盖。

在本发明实施例的另一种具体实施方式中，所述馈源阵列10具有固定的相位中心，其相位中心与所述抛物柱面的焦点重合，且馈源阵列10采用的是正馈电的方式，即馈源阵列10与抛物柱面的中心点的连接线垂直于抛物柱面的直线边缘所在平面。与所述抛物柱面反射阵相比所述馈源阵列10的有源阵面整体口径较小，口径参考面整体相位偏差不大，可近似认为馈源口径有同相场。所述馈源阵列10设置于所述抛物柱面反射阵的焦点上进行馈电；且所述抛物柱面反射阵的焦距大于所述相控阵天线的工作波长，例如可以为相控阵天线的工作波长的100倍、500倍、1000、2000倍等。馈源阵列10在方位面具有一个自由度，以使馈源阵列10在方位面上进行多波束扫描。所述馈源阵列10的辐射方式包括：在所述抛物柱面反射阵的方位面上进行一维相控扫描，在所述抛物柱面天线的俯仰面上等幅同相辐射，将馈源阵列10辐射的波束形成口径处的平面波前，其中，所述方位面为平行于所述抛物柱面反射阵天线的焦线的水平面。

在实际应用中，所述辐射单元包括：偶极子、微带贴片、耦合叠层贴片、矩形波导、圆形喇叭中的一种或组合。

在应用本发明实施例进行波束发射时，所述馈源阵列10将处理模块的个发射波束信号送入所述波束形成模块，信号在所述波束形成模块内进行加权、移相、延迟后被送至发射组件，由发射组件进行滤波、放大后进入有源相控阵的口径面，在口径面形成4个方位面高方向性、俯仰面弱方向性的方位扫描波束，由于抛物柱面在俯仰面具有聚焦功能，每个独立扫描波束经所述金属背板的反射后在俯仰面实现聚焦，继而在远场实现高增益方位扫描功能，而且相控阵天线可以在抛物柱面上沿着抛物柱面的焦线方向进行一维扫描发射，进而实现了高增益扫描发射功能。

而且，现有技术中的直接辐射式相控阵天线，由于天线体制本身固有的局限性，其无源天线阵面的单元通常数量庞大，只能以高成本和多通道的代价获得高增益，且受限于通道规模大小，其成形波束数量较少。本发明实施例采用有源相控阵作为馈源阵列10，辐射波束通过金属背板进行聚焦，从而获得了高增益捷变扫描多波束；通过反射阵方位面的相位补偿完成来波聚焦，从而实现了多波束宽角广域覆盖。与常见的反射式多波束相控阵天线体制相比，改善了低仰角增益，扩大了覆盖范围；与常见的直接辐射式多波束相控阵天线体制相比，降低了***复杂度，增加了波束数量。

另外，由于现有的反射式相控阵多波束天线的辐射单元较少，且每个覆盖区域只用到了部分辐射单元，随着扫描角度的增加，波束增益下降较为剧烈，波形变化较大，带来的增益损失也较大。因此反射式相控阵多波束天线不适用于广覆盖、宽视角、多输入的通信***。本发明实施例相较于传统的有源相控阵天线，具有通道规模少、成本低等优势。

最后，现有技术中的相控阵天线***，采用低频段发射稀疏馈电、高频段发射全阵馈电实现双频高效率宽带发射，回避了经典宽带有源相控阵每个宽带辐射单元后接一路宽带T/R组件，导致其发射效率极其低下，仅有约10％的功率得到有效利用向外辐射，约90％的功率转化为热耗残存在相控阵阵面与T/R接收通道之间，导致相控阵***的散热压力极大，且宽带T/R组件成本极高。经典方法设计的宽带相控阵***面临成本高、辐射效率低下，***散热压力大容易导致芯片温度过高而损坏等问题。而本发明实施例中，反射单元阵列设置在所述抛物柱面背板上，且反射阵单元对接收的波束进行相位补偿将补偿后的波束反射至对应的辐射单元，因此，馈源阵列可以接收经过相位补偿后的不同波长的来波，进而可以实现多波束接收，相对于现有技术中通过增加相控阵中辐射单元的数量实现多波束接收，可以减少相控阵中辐射单元的数量，进而降低了成本。

实施例2

图2为本发明实施例提供的一种基于抛物柱面反射阵的多波束相控阵天线的结构示意图，如图2所示，实施例2与实施例1的区别在于，为了消除了对抛物柱面辐射的波束的遮挡，采用偏置馈电，所述馈源阵列10的轴线指向与水平线之间的夹角为θ₀＝30°，口径照射均匀，保证抛物柱面边缘的能量漏失最小化，同时改善了天线由于遮挡造成增益下降、副瓣电平升高等问题，提高了天线的端口匹配。

进一步的，为了避免馈源对抛物柱面辐射波束特性影响，同时保证所述金属背板4反射的波束也不会影响馈源的正常工作，截去抛物柱面张角Ω≤5°的部分。

进一步的，如图2所示，为了降低加工成本和抑制栅瓣，采用三角布阵形式，辐射单元间距W＝0.7λ，其中，λ为工作频率对应的波长。所述子阵的辐射单元为圆形口径喇叭4，采用收发共口径的体制，极化方式为圆极化，口径大小d＝W。为了形成独立的4个波束，相邻子阵之间的距离L＝3λ。所述馈源阵列10的发射通道由电源、发射组件、波束形成模块构成，所述波束形成模块与4个发射通道相连接，每个发射通道分别连接一条所述线阵；所述馈源1的接收通道由电源、接收组件构成，每个所述圆形口径喇叭单元4都连接一个接收通道。所述圆形口径喇叭单元4与T/R组件、T/R组件和波束形成模块5都通过盲配方式连接。

需要说明的是，T/R组件上用于辐射电磁波束的圆形波导喇叭天线即为辐射单元。另外，辐射单元之间的间距可以根据实际需要进行调节，本发明实施例在此并不对其作出限定。

图3为本发明实施例提供的一种基于抛物柱面反射阵的多波束相控阵天线接收波束时电磁波反射路径示意图；如图3所示，本发明实施例2中的接收原理与实施例1中的接收原理相同，本发明实施例在此不再赘述。

图4为本发明实施例提供的一种基于抛物柱面反射阵的多波束相控阵天线向外辐射波束时电磁波反射路径示意图；如图4所示，本发明实施例2中的发射原理与实施例1中的接收原理相同，本发明实施例在此不再赘述。

实施例3

图5为本发明实施例提供的一种基于抛物柱面反射阵的多波束相控阵天线中馈源阵列10的结构示意图，如图1所示，实施例3与实施例1的区别在于：所述馈源阵列10为有源相控阵，馈源阵列10的有源天线阵面由包括4个子阵，每一个子阵均为线阵，每一个子阵包含两排直线阵列设置的辐射单元；两排辐射单元交错设置；各个子阵中的两排辐射单元采用三角布阵形式交错布置，即其中一排的一个辐射单元与另一排中相邻的两个辐射单元的间距均相同。

相邻子阵之间的距离L＝10λ；每一个子阵包括若干个阵列设置的辐射单元。在实际应用中，相邻子阵之间的距离包括但不仅限于3λ、10λ、20λ、500λ、1000λ，其实际间距可以根据实际需要进行调整，本发明实施例在此并不对相邻子阵之间的间距进行限定。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，为了降低反射单元22之间的互耦效应以及考虑到离散分布的要求，所述反射单元22之间的间距D≤0.5λ，其中，λ为馈源阵列10的工作频率对应的波长。可以理解的是，反射单元22之间的间距D应当大于相邻的两个反射单元的半径之和。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述天线还包括：介质层30，且所述介质层30覆盖于所述抛物柱面背板21的反射面上，且所述反射单元22印刷于所述介质层30上。

为了减小反射单元22的辐射损失，介质层的基板采用低介电常数、低损耗正切角且吸水率低的材料，同时为了抑制表面波和保证一定的工作带宽，选取板材厚度h＝0.05λ。

为了方便设计与加工，所述反射阵单元2的不同尺寸大小所补偿的相位需要以360°为周期进行循环，使整数倍的波长可以直接消除。

在本发明实施例的一种具体实施方式中，为了适应不同种类的反射单元22，所述反射单元22为低剖面结构，且包括：相同尺寸不同旋转角度的反射单元22、开口缝隙矩形开环反射单元22、方形十字槽反射单元22中的一种或组合。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种基于抛物柱面反射阵的多波束相控阵天线，其特征在于，所述天线包括：馈源阵列和抛物柱面反射阵，其中，

所述馈源阵列包括：M×N个收发共口径辐射单元组成的相控阵列，且M＞2、N＞2；

所述抛物柱面反射阵包括：抛物柱面背板、介质层以及设置于所述介质层上的反射单元，其中，所述抛物柱面背板为金属材质，所述反射单元设置在所述介质层的表面；所述介质层覆盖于所述抛物柱面背板的反射面上，且所述反射单元印刷于所述介质层上；

所述反射单元为低剖面结构，且包括：相同尺寸不同旋转角度的反射单元、开口缝隙矩形开环反射单元、方形十字槽反射单元中的一种或组合；

所述反射单元对各个波束进行相位补偿聚焦，并将聚焦的波束辐射至馈源阵面，进而实现了大范围空域接收；

所述馈源阵列的辐射方式包括：在所述抛物柱面反射阵的方位面上进行一维相控扫描，在所述抛物柱面反射阵的俯仰面上等幅同相辐射，将馈源阵列(10)辐射的波束形成口径处的平面波前，其中，所述方位面为平行于所述抛物柱面反射阵天线的焦线的水平面；

所述馈源阵列为有源相控阵，阵面由若干个俯仰向等间隔排布的子阵组成，相邻子阵之间的距离L≥3λ；每一个子阵包括若干个阵列设置的辐射单元；

各个子阵中的辐射单元采用三角布阵形式，相邻辐射单元的中心距W＝0.7λ，其中，λ为馈源阵列的工作频率对应的波长。

2.根据权利要求1所述的一种基于抛物柱面反射阵的多波束相控阵天线，其特征在于，所述馈源阵列设置于所述抛物柱面反射阵的焦点上进行偏置馈电；且所述抛物柱面反射阵的焦距大于所述相控阵天线的工作波长。

3.根据权利要求1所述的一种基于抛物柱面反射阵的多波束相控阵天线，其特征在于，所述反射单元之间的间距D≤0.5λ，其中，λ为馈源阵列的工作频率对应的波长。

4.根据权利要求1所述的一种基于抛物柱面反射阵的多波束相控阵天线，其特征在于，所述反射单元的相位补偿值的计算公式包括：

Φ＝k₀(R_n-x_nsinθ_r)+Φ₀，其中，

Φ为反射单元的相位补偿值；k₀为自由空间的电磁波传播常数；R_n为馈源阵列的相位中心到第n个反射单元的距离； x_n为阵列中第n个反射单元到中心参考单元的距离；θ_r为反射电磁波相对于所述抛物柱面切线的反射角；Φ₀为参考相位。

5.根据权利要求1所述的一种基于抛物柱面反射阵的多波束相控阵天线，其特征在于，所述辐射单元包括：偶极子、微带贴片、耦合叠层贴片、矩形波导、圆形喇叭中的一种或组合。

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