CN111129787A - 基于阵列天线的可加载红外源的毫米波准平面波生成器 - Google Patents

基于阵列天线的可加载红外源的毫米波准平面波生成器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于阵列天线的可加载红外源的毫米波准平面波生成器，包括平面阵列天线、红外馈孔和阵列天线馈电网络；其中平面阵列天线口面为矩形或圆形，阵列天线单元为矩形、圆形、椭圆或圆环微带贴片天线，通过同轴线馈电；红外馈孔为平面阵列天线口面中心处所开的圆孔，以透红外信号；阵列天线馈电网络为平面阵列天线提供幅度和相位可控的信号。工作时平面阵列天线通过馈电网络发射毫米波信号，红外馈孔透红外信号，在一定距离区域内实现良好的近场准平面波静区。利用遗传算法结合最小二乘法优化阵元的排列方式以及阵元的间距，以较少的阵元数目生成满足要求的近场准平面波。本发明具有成本低、重量轻、频带宽、毫米波与红外共轴等优点。

Description

基于阵列天线的可加载红外源的毫米波准平面波生成器
技术领域
本发明涉及微带阵列天线与红外源联合实现近场静区的紧缩场技术领域，尤其涉及一种基于阵列天线的可加载红外源的毫米波准平面波生成器。
背景技术
针对室外远场测量对气候条件要求高、保密性差、对准困难等问题，人们提出了一种紧缩场测量技术。紧缩场的基本原理是减小被测天线与发射天线之间的距离，使测量***变得紧凑。因此紧缩场***就是在近距离内将馈源发出的球面波变换为一个平面波的设备，即在近距离内提供一个性能优良的准平面波测试区。通过在较小的微波暗室里模拟远场的电磁环境，利用常规的远场测试设备和方法，对隐身装置、高性能雷达天线、卫星整星、毫米波天线及毫米波***的性能进行测试和研究，同时也可以对微波电路、元器件的网络参数进行测量和高频场仿真。随着毫米波天线***的广泛应用，对毫米波紧缩场的需求也越来越多。而红外源具有灵敏度高、探测距离较远、体积小、质量轻等特点，并且红外源本身不发出任何辐射，不会对电磁波信号造成干扰，加载红外探测源可以极大扩展毫米波紧缩场的应用场景。
毫米波紧缩场的技术参数包括设计和加工难度、工作频带宽度、静态区质量、高密封性和交叉极化隔离度等。目前加载红外源的毫米波紧缩场***主要包括一个辐射球面波的毫米波馈源天线、一个红外馈源和一个中部有一定尺寸开孔的抛物面反射器，开孔处覆盖周期性金属网状结构。毫米波馈源天线一般选用矩形或圆形波导辐射器和喇叭，为了消除抛物面与馈源之间的相互影响，馈源天线采用偏馈方式，即使馈源位于抛物面反射波作用区域之外。由于馈源置于反射面的辐射面上，因此需在反射器一侧铺设轨道不断调整馈源的位置和角度。这增加了紧缩场***的复杂度。抛物面反射器采用旋转抛物面等标准曲面，将来自馈源的发射波聚焦在反射面上，从而在接收面上形成平面波。但是金属反射面存在毫米波频段加工精度要求高、反射器边缘绕射效应影响较大等缺点，因此必须提高反射面加工精度、在反射器边缘采用锯齿分布和边缘卷曲等方法减小边缘绕射的影响。而为了透红外信号，需在抛物面反射器的中部开一个一定尺寸的圆孔，在这个圆孔处覆盖周期性金属网状结构，以保证毫米波馈源在金属反射器上的全反射。但是覆盖的周期性金属网状结构对红外信号有一定的衰减同时对毫米波的反射率在90%以上的带宽也比较窄。另外金属反射面和中部的圆孔也需协调设计，以保证红外与毫米波共轴。这些因素都会极大影响毫米波静区的质量。因此，开展平面阵列天线的加载红外源的毫米波紧缩场***的研究对简化紧缩场***、提高近场平面波质量具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于阵列天线的可加载红外源的毫米波准平面波生成器，该毫米波准平面波生成器成本低、重量轻、频带宽、毫米波与红外共轴、阵元数目较少，可在一定距离区域内实现良好的近场准平面波静区，在加载红外源的毫米波天线和毫米波***等的性能测试与研究领域具有广泛的应用。
根据阵列天线近场法理论，采用最小二乘法和遗传算法，通过阵列天线中央开孔用于加载红外源，可在一定距离区域内实现良好的近场准平面波静区。基于矩形、圆形、椭圆或圆环微带贴片等为单元通过均匀布阵和稀疏布阵形成周期性或非周期性排列的平面阵列天线；在平面阵列天线口面中心处开设圆孔，可透红外信号；通过改变阵元的排列方式以及阵元的间距，对阵列天线的结构进行优化，可以较少的阵元数目实现生成同样技术要求的近场准平面波。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种基于阵列天线的可加载红外源的毫米波准平面波生成器，它包括平面阵列天线、红外馈孔和阵列天线馈电网络，阵列天线馈电网络通过同轴线底馈与平面阵列天线相连接；其中，所述平面阵列天线单元为微带贴片天线，通过同轴线馈电；红外馈孔为平面阵列天线中央一定直径的圆形孔，用于透红外信号；阵列天线馈电网络为平面阵列天线提供幅度和相位可控的毫米波信号。工作时平面阵列天线通过馈电网络发射毫米波信号，红外馈孔透红外信号，红外与毫米波共轴，在一定距离区域内实现良好的近场准平面波静区。利用遗传算法结合最小二乘法，通过优化阵元的排列方式以及阵元的间距，可以较少的阵元数目实现生成同样技术要求的近场平面波。
所述平面阵列天线口面为矩形或圆形；
所述平面阵列天线单元的微带贴片为矩形、圆形、椭圆或圆环贴片，通过同轴线底馈，所述平面阵列天线的谐振频率在8GHz~40GHz。
所述平面阵列天线为周期性排列或非周期性排列。
所述平面阵列天线单元采用周期性排列时，各阵元间距变化范围为0.6～2倍波长(最低工作频率)。
所述平面阵列天线单元采用非周期性排列（稀疏布阵）时，各阵元间距变化范围为0.6～5倍波长(最低工作频率)。
所述平面阵列天线利用遗传算法结合最小二乘法，通过优化阵元的排列方式以及阵元的间距，可以较少的阵元数目实现生成同样技术要求的近场准平面波。
所述红外馈孔是平面阵列天线口面中心处所开的圆孔，直径范围为40mm～60mm。
所述阵列天线馈电网络满足对不同阵列天线单元激励的幅度和相位要求。
所述平面阵列天线的高导电率的金属材料是金或铜；所述平面阵列天线的低损耗介质基片是蓝宝石、高阻硅、多孔硅、红宝石、高频陶瓷或聚四氟乙烯。
所述形成的准平面波静区性能为：当静区与平面阵列天线的距离小于1m时，静区最小范围为160mm*160mm，电场幅度误差小于±1dB，相位误差小于±5º，毫米波与红外共轴。
所述平面阵列天线的单元数量范围为30-300。
本发明提供的基于阵列天线的可加载红外源的毫米波准平面波生成器是一种微带阵列天线与红外源联合实现近场准平面波静区的装置。采用最小二乘法和遗传算法，通过优化阵列天线工作频率、阵列天线与采样面的距离、阵元数目、阵元间距等参数，可实现良好的近场准平面波静区；通过优化阵元的排列方式以及阵元的间距，可以较少的阵元数目实现生成同样技术要求的近场平面波。当阵列天线具有较低的工作频率或较多的阵元数目以及适当的阵元间距时，生成平面波的幅度、相位变化较小，而且距离越远，平面波也越均匀。
本发明具有成本低、重量轻、频带宽、毫米波与红外共轴、优化后阵元数目较少等优点，可在一定距离区域内实现良好的近场准平面波静区。平面阵列天线实现毫米波准平面波生成器的轻量化；微带贴片天线实现准平面波生成器的宽频带；平面阵列天线口面中心处开圆孔实现毫米波与红外共轴；优化阵元的排列方式以及阵元的间距实现阵元数目减少。
附图说明
图1为本发明红外馈孔和平面阵列天线单元均匀排列时的俯视结构示意图；
图2为本发明红外馈孔、阵列天线馈电网络和平面阵列天线单元均匀排列时的纵剖截面结构示意图；
图3为本发明红外馈孔和平面阵列天线单元非均匀排列（稀疏布阵）时的俯视结构示意图；图4-5为利用遗传算法结合最小二乘法得到的48个均匀排列平面阵列天线生成的近场平面波优化结果图；
图6-7为利用遗传算法结合最小二乘法得到的36个非均匀排列（稀疏布阵）平面阵列天线生成的近场平面波优化结果图。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
实施例1
参阅图1、图2及图4-5，图1中黑色矩形代表微带贴片天线单元，中心白色圆孔代表红外馈孔，D为红外馈孔的直径，d为平面阵列天线单元中心之间的距离；图2中阵列天线馈电网络通过同轴线与平面阵列天线相连接。
本实施例提供48个阵列天线单元均匀排列时的可加载红外源的毫米波准平面波生成器，包括平面阵列天线1、红外馈孔2和阵列天线馈电网络3。利用最小二乘法和遗传算法，通过改变平面阵列天线1阵元的排列方式、阵元的间距以及阵列天线馈电网络3的幅度和相位，可在一定距离区域内实现良好的近场准平面波静区。参阅图4-5，利用最小二乘法和遗传算法，得到的48个均匀排列平面阵列天线生成的近场平面波优化结果。其中，图4中(a)为幅度、相位三维图，(b)为幅度、相位等高线图；图5中(a)、(b)分别为中心线方向幅度和相位分布图。
本实施例中平面阵列天线1由48个均匀排列的阵列天线单元组成；
本实施例中平面阵列天线1单元为矩形微带贴片天线；
本实施例中阵列天线馈电网络3通过同轴线22与平面阵列天线1相连接；
本实施例中平面阵列天线1单元中心之间的距离d为30mm；
本实施例中红外馈孔2在平面阵列天线1中央，直径D为50mm；
本实施例中平面阵列天线1的高导电率的金属材料是金，接地板11的高导电率的金属材料是铜；
本实施例中平面阵列天线1的低损耗介质基片10是聚四氟乙烯，相对介电常数为2.55，厚度为0.5mm；
本实施例的工作频率为30GHz；
本实施例在距离平面阵列天线1口面
Figure DEST_PATH_IMAGE002
处，可生成大小
Figure DEST_PATH_IMAGE004
的近场平面波，幅度变化为0.32dB，相位变化为2.040。
实施例2
参阅图2、图3及图6-7，图3中d1为稀疏布阵时对称轴上第一个平面阵列天线单元和红外馈孔中心之间的距离，d2为对称轴上第二个平面阵列天线单元和第一个平面阵列天线单元中心之间的距离，d3为对称轴上第三个平面阵列天线单元和第二个平面阵列天线单元中心之间的距离，d4为其余均匀排列单元中心之间的距离。
本实施例提供36个阵列天线单元非均匀排列（稀疏布阵）时的可加载红外源的毫米波准平面波生成器，包括平面阵列天线1、红外馈孔2和阵列天线馈电网络3。利用遗传算法结合最小二乘法，通过优化阵元的排列方式以及阵元的间距，可以较少的阵元数目实现生成同样技术要求的近场准平面波。参阅图6-7，利用遗传算法结合最小二乘法得到的36个非均匀排列（稀疏布阵）平面阵列天线生成的近场平面波优化结果；其中，图6中(a)为幅度、相位三维图，(b)为幅度、相位等高线图；图7中(a)、(b)分别为中心线方向幅度和相位分布图。
本实施例中平面阵列天线1由36个非均匀排列（稀疏布阵）的阵列天线单元组成；
本实施例中平面阵列天线1单元为矩形微带贴片天线；
本实施例中阵列天线馈电网络3通过同轴线22与平面阵列天线1相连接；
本实施例中平面阵列天线1对称轴上第一个平面阵列天线单元和红外馈孔中心之间的距离d1为30mm，对称轴上第二个平面阵列天线单元和第一个平面阵列天线单元中心之间的距离d2为15mm，对称轴上第三个平面阵列天线单元和第二个平面阵列天线单元中心之间的距离d3为15mm，其余均匀排列单元中心之间的距离d4为20mm。
本实施例中红外馈孔2在平面阵列天线1中央，直径D为50mm；
本实施例中平面阵列天线1的高导电率的金属材料是金，接地板11的高导电率的金属材料是铜；
本实施例中平面阵列天线1的低损耗介质基片10是聚四氟乙烯，相对介电常数为2.55，厚度为0.5mm；
本实施例的工作频率为30GHz；
本实施例在距离平面阵列天线1口面
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
处，可生成大小
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
的近场平面波，幅度变化为0.46dB，相位变化为4.00。
与现有技术相比，本实施例基于阵列天线的可加载红外源的毫米波准平面波生成器具有成本低、重量轻、频带宽、毫米波与红外共轴、优化后阵元数目较少等优点，可在一定距离区域内实现良好的近场准平面波静区。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (8)

1.一种基于阵列天线的可加载红外源的毫米波准平面波生成器，其特征在于，包括平面阵列天线、红外馈孔和阵列天线馈电网络，所述阵列天线馈电网络通过同轴线与平面阵列天线连接；其中，所述平面阵列天线单元为微带贴片天线，通过同轴线馈电；红外馈孔为平面阵列天线中央设一圆形孔，用于透红外信号；阵列天线馈电网络为平面阵列天线提供幅度和相位可控的毫米波信号；工作时平面阵列天线通过馈电网络发射毫米波信号，红外馈孔透红外信号，红外与毫米波共轴，在前方区域内实现近场准平面波静区；利用遗传算法及最小二乘法，通过优化阵元的排列方式以及阵元的间距，在阵元数目减少下生成所需的近场平面波。
2.如权利要求1所述的基于阵列天线的可加载红外源的毫米波准平面波生成器，其特征在于，所述平面阵列天线口面为矩形或圆形。
3.如权利要求1所述的基于阵列天线的可加载红外源的毫米波准平面波生成器，其特征在于，所述平面阵列天线单元的微带贴片为矩形、圆形、椭圆或圆环贴片，通过同轴线底馈，所述平面阵列天线的谐振频率在8GHz~40GHz。
4.如权利要求1所述的基于阵列天线的可加载红外源的毫米波准平面波生成器，其特征在于，所述平面阵列天线单元为周期性排列或非周期性排列；采用周期性排列时，各阵元间距变化范围为0.6～2倍波长即最低工作频率；采用非周期性排列即稀疏布阵时，各阵元间距变化范围为0.6～5倍波长即最低工作频率。
5.如权利要求1所述的基于阵列天线的可加载红外源的毫米波准平面波生成器，其特征在于，所述红外馈孔直径范围为40mm～60mm。
6.如权利要求1所述的基于阵列天线的可加载红外源的毫米波准平面波生成器，其特征在于，所述平面阵列天线的高导电率的金属材料是金或铜；所述平面阵列天线的低损耗介质基片是蓝宝石、高阻硅、多孔硅、红宝石、高频陶瓷或聚四氟乙烯。
7.如权利要求1所述的基于阵列天线的可加载红外源的毫米波准平面波生成器，其特征在于，所述近场准平面波静区性能为：当静区与平面阵列天线的距离小于1m时，静区最小范围为160mm*160mm，电场幅度误差小于±1dB，相位误差小于±5º，毫米波与红外共轴。
8.如权利要求1所述的基于阵列天线的可加载红外源的毫米波准平面波生成器，其特征在于，所述平面阵列天线的单元数量范围为30-300。
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