专利名称：采用无源加载方式控制副瓣电平的有源相控阵天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种有源相控阵天线，更确切地说本发明涉及一种采用无源加载的方 式以及控制多个有源发射单元中信号的幅值和相对相位来获得不同的波束形状以及不同 俯仰角的波束。
背景技术：
随着微波/毫米波固态电路、计算机及数字信号处理等级数的日趋成熟，制约相 控阵天线发展的“瓶颈”因素正逐步被克服。相控阵天线可以使卫星或者地面通信系统具 有快速改变天线波束指向和波束覆盖形状的能力，是近年来通信卫星有效载荷中发展很快 的一项关键技术。无论是静止轨道的大型通信卫星还是中、低轨道的小卫星，直接辐射的相 控阵天线或者反射面天线的馈源阵列采用相控阵单元都可以极大改善卫星天线波束覆盖 的灵活性。随着微波固态器件特别是单片微波集成电路(MMIC)的发展，由固态发射/接受组 件构成的有源相控阵天线发展迅速。有源相控阵天线的显著特征是阵列包含了大量有源器 件，即相控阵天线的每一辐射单元(或子阵)在发射端的高功率产生和接收端的低噪声放 大均有T/R组件来实现。相控阵天线集成的阵列结构有两种基于砖块式线子阵的纵向集成横向组装；基 于瓦片式面子阵横向集成纵向组装。通常砖块式用于较高频段，瓦片式用于较低频段。一 般对于脉冲工作的雷达系统，阵元数目多且间距小，功耗大，砖块式设计相对容易，缺点是 纵向尺寸大。砖块式子阵集成的典型例子是AN/APG-77有源相控阵机载雷达，雷声公司开 发的35GHz低成本相控阵导引头，俄罗斯的全球空间监视雷达等。瓦片式结构如德国IMST 为智能天线终端开发的Ka波段8*8LTCC模块，共16层，不仅集成了混频器，滤波器与功放， 还集成了液体冷却系统。相控阵雷达的主要特点是天线波束的快速扫描及灵活性能。对于大型有源相控阵 天线，阵面的造价十分昂贵，是雷达耗资的主要部分。为了降低雷达的造价，有必要尽量减 小阵面的有源阵元数目。鉴于抗干扰的需要，雷达往往要求天线具有比较低的旁瓣。对于 大型阵列采用阵元的密度加权来模拟满阵的幅度加权可以用较少的有源阵元实现较低的 副瓣。从而引导出本发明的构思。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采取无源加载方式控制副瓣电平的有源相控阵天线。 本发明所述的组成阵列天线的辐射单元形式可以是任意的，在同一阵列天线中可以有几种 不同形式的辐射单元，各辐射单元之间的相对位置和激励电流的幅度和相位也可以是任意 的。但为了便于调试，实际的阵列天线大都使用同一类型的辐射单元，且其相互位置、激励 电流的幅度和相位均有一定的规律性。因此，决定阵列天线的辐射性能的因素包括辐射单 元的数目、辐射单元的位置、阵列单元之间的间距、阵列单元的排列、辐射单元激励电流的幅度和相位等。同时，采用控制天线单元表面电流的幅度来控制天线阵波束的形状，可以达 到工程上对副瓣、半功率波束宽度、增益、波陷等要求。由于受到天线最大调幅范围的限制， 使得天线的副瓣调整无法达到工程的要求，从而会影响到整个系统的最佳性能。对于阵列天线辐射副瓣的抑制是靠天线表面电流的幅度加权来实现，现有技术是 采用微带馈电网络来控制馈入每个辐射单元的电流幅度，也可以通过矢量调制器微调馈入 天线的信号幅度，来实现天线幅度的综合。但是这两种方式在毫米波频段实现天线表面电 流的泰勒分布或切比雪夫分布都存在局限性。本发明提出一种采用无源加载方式来控制天线副瓣电平的有源相控阵天线，不但 可以明显达到降低副瓣的目的，而且大大的降低了成本。本发明的特征在于采用无源加载方式控制副瓣电平的有源相控阵天线，所述的有 源相控阵天线的阵面是由有源加载单元和无源加载单元共同组成；无源加载单元位于有源 加载单元的四周；每个有源加载单元通道由独立的矢量调制器和低噪声放大器控制，每个 矢量调制器同时控制馈源的幅度和相位，进而改变天线单元表面电流的幅度和相位，以控 制波束扫描角度和抑制波束的副瓣电平；无源加载单元靠有源加载单元耦合一部分能量实 现再次辐射，使得整个阵列的电流分布接近幅度加权分布，达到降低旁瓣的要求。所述的相控阵天线，每个天线单元均是线极化准方形微带天线；所述的准方形微 带天线单元间距为半个自由空间波长；每个天线单独由同轴连接器与后面的通道相连接，构成相控阵天线馈源结构；所述的相控阵天线馈源结构，特征在于每个通道都有独立的矢量调制器和低噪声 放大器控制；所述的相控阵天线阵列中有源加载单元的幅度和相位均为可调，但其中幅度的可 调范围有限；所述的相控阵天线结构，对阵列边缘四周的天线单元无源加载，靠中间馈电单元 耦合一部分能量，产生再次辐射；所述的相控阵天线，由所述辐射单元中心处所能产生的电流幅度大于所述辐射单 元在所述阵列周围边缘的电流幅度；所述的相控阵天线结构，其功分器输出端接无源加载单元靠连接匹配负载将该路 的能量吸收掉来保证整个8路能量的平衡。所述的相控阵天线由同轴连接器同后面的有源电路连接，如图1，8个1*8功分器 并联馈电，单个1*8单元也是由功分器并馈，使得每个天线单元具有相同的初始相位，每个 辐射单元通道可单独电控，从而实现快速和精确地切换波束的可能性。其中接无源加载部 分的功分电路将不使用移相器和低噪声放大器，终端接匹配负载吸收该通道的能量，达到 整个电路的匹配。该有源相控阵采用矩形栅格，根据扫描角度的要求，阵元间距采用半个波长。相控 阵天线由于互耦效应，阵元的有源输入阻抗不同于自由自有分布和普通阵列，而随扫描角 变化。互耦越强，阵列孔径上幅相分布偏离预定的分布越烈。这将导致天线与馈电网络失 配，孔径效率降低，辐射方向图在某些方向出现凹陷，扫描波束可能呈现盲点，阵列辐射场 的计划特性也将恶化。然而，有效的利用阵元间的互耦可以有效地降低成本和实现相控阵 天线低旁瓣、超低旁瓣扫描。
阵面四周的无源加载单元如图3，靠中间有激励的辐射单元耦合一部分电流，来产 生辐射，弥补矢量调制器对幅度的有限调整，使得整个阵面的幅度分布更接近于低旁瓣的 幅度加权分布。整个馈电网络是准六边形接近旋转圆对称结构，实现了在方位面0-360 °范 围具有均勻的副瓣电平。该馈电方式与方形满阵加载的阵列(如图4)以及准8边形口径 加载(如图幻相比具有更低副瓣的辐射性能。综上所述，通常的有源相控阵发射天线包括64个辐射单元，采用同轴连接器激励 的方式，每个辐射单元由独立的相位和幅度控制。通过改变天线孔径上的相位分布来实现 空间波束扫描，改变每个辐射单元上表面电流的幅度来获得所需要的波束形状和不同俯仰 角的波束。本发明提供的采用无源加载的方式，控制副瓣电平的有源相控阵天线，使得有源 天线的方形口径变成具有圆对称结构的八边形口径，有效地利用了阵元间的互耦，在降低 了馈源成本的基础上，使天线俯仰方向的副瓣电平比方形满阵口径馈电降低5dB。
图1为有源相控阵天线装配图；图2为有源相控阵天线形式；图3为具有无源加载单元的有源相控阵天线馈电形式；图4为有源调制器网络结构图；图5为方形满阵馈电口径的有源相控阵阵列；图6为准8边形满阵馈电口径的有源相控阵形式。图中，1微带馈源，2同轴连接器，3天线基板，4准方形天线单元。
具体实施例方式下面结合附图的说明，进一步阐述本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明 决非仅局限于实施例。如图1所示，整个有源相控阵天线是由64个天线单元组成，天线单元按照8*8形 成二维矩阵排列。为了满足在无栅瓣情况下天线波束扫描角的最大要求，每个辐射单元的 间距均为0. 5个自由空间波长。馈电网络由8个1*8功分器组成，采用8路功分器是为了 便于使每个辐射单元具有相同的初始幅度及相位。图2所示为64个辐射单元同时激励的有源相控阵天线。该天线的缺点是具有较 高的副瓣。图5与图6分别表示方形口径和准八边形口径激励的有源相控阵形式，这两种 方式的辐射性能都比采用无源加载的有源相控阵的副瓣高，抗干扰性能比较差。图3为本发明提供的采用无源加载方式控制副瓣电平的有源相控阵天线，黑色辐 射单元均为有源加载部分。周围辐射单元为无源加载单元，是通过有源加载单元耦合一部 分能量来产生二次辐射。配合矢量调制器调整馈入每个辐射单元信号的幅度，更容易达到 整个阵面辐射的低副瓣的特性，从而克服了矢量调制器对信号幅度调整的局限性。图4为有源调制器的网络结构，信号进入毫米波模块后，首先经过一分八的功分 器分配至8个子模块，在每个子模块内部再进行一分八功率分配，获得64路信号馈源。每 一路内部均有独立的移相器控制馈源的电流幅度和相位，并采用放大器来得到足够的发射 功率馈入天线单元被发送。
作为对比例之一，如图5所述的对于方形满阵馈电加载的阵面，该馈电方式的优 点是具有上下左右对称结构，便于有源馈电网络的结构分配，直接采用T形功分器馈电，不 需要考虑整个馈电网络的平衡性。但该馈电网络的相控阵天线的口径不具有旋转圆对称结 构，当阵列单元等幅馈电的时候，扫描波束在方位角+-45°和+-135°位置出现较高副瓣， 因此会出现干扰信号，对整个相控阵天线的辐射性能产生很大的影响。作为对比例之一如图6所示的对于准8边形满阵馈电加载的阵面，该馈电方式的 优点是馈电口径接近圆对称结构，便于在整个方位角平面上产生均勻的副瓣，但副瓣电平 降低的幅度有限。
权利要求
1.采用无源加载方式控制副瓣电平的有源相控阵天线，其特征在于所述的有源相控阵 天线的阵面是由有源加载单元和无源加载单元共同组成，无源加载单元位于有源加载单元 的四周；每个有源加载单元通道由独立的矢量调制器和低噪声放大器控制，每个矢量调制 器同时控制馈源的幅度和相位，进而改变天线单元表面电流的幅度和相位，以控制波束扫 描角度和抑制波束的副瓣电平。
2.根据权利要求1所述的相控阵天线，其特征在于每个天线单元均是线极化准方形微 带天线，所述的准方形微带天线单元间距为半个自由空间波长。
3.根据权利要求1所述的相控阵天线，其特征在于无源加载单元靠中间的有源加载单 元耦合一部分能量实现再次辐射，使得整个阵列的电流分布为幅度加权分布，达到降低旁 瓣的要求。
4.根据权利要求1所述的相控阵天线阵列，其有源加载单元的幅度和相位可调。
5.根据权利要求1所述的相控阵天线，其特征在于再次辐射的辐射单元中心处所能产 生的电流幅度大于所述辐射单元在所述阵列周围边缘的电流幅度。
6.根据权利要求1所述的相控阵天线，其特征在于所述的有源加载单元包括64个辐射 单元，采用同轴连接器同后面有源电路连接，每个辐射单元由功分器并馈。
7.根据权利要求1所述的相控阵天线，其特征在于功分器输出端接无源加载单元靠连 接负载匹配将该路的能量吸收，保证整个能量的平衡。
8.根据权利要求1所述的相控阵天线，其特征在于控制多个有源加载单元中信号的幅 值和相对应相位获得不同的波束形状和不同俯仰角的波束。
9.根据权利要求1所述的相控阵天线，其特征在于采用无源加载方式之后，使有源天 线的方形口径变成具有圆对称结构的八边形口径。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的天线的副瓣电平比方形满阵口径馈电降低5dB。
全文摘要
本发明涉及一种采用无源加载方式控制副瓣电平的有源相控阵天线，其特征在于所述的有源相控阵天线的阵面是由有源加载单元和无源加载单元共同组成，无源加载单元位于有源加载单元的四周；每个有源加载单元通道由独立的矢量调制器和低噪声放大器控制，每个矢量调制器同时控制馈源的幅度和相位，进而改变天线单元表面电流的幅度和相位，以控制波束扫描角度和抑制波束的副瓣电平；其中有源相控阵发射天线包括64个辐射单元，采用同轴连接器激励的方式，通过改变天线孔径上的相位分布来实现空间波束扫描，改变每个辐射单元上表面电流的幅度来获得所需要的波束形状。利用了阵元间的互耦，在降低了馈源成本的基础上，使天线俯仰方向的副瓣电平比方形满阵口径馈电降低5dB。
文档编号H01Q3/34GK102110884SQ201010617940
公开日2011年6月29日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者孙晓玮, 孙芸, 杨明辉, 韩克武 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所