一种紧凑型毫米波单脉冲天线的制作方法

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种紧凑型毫米波单脉冲天线，可用于减小传统单脉冲天线的体积、质量，提高单脉冲天线与系统的集成度。

背景技术：

毫米波属于微波与远红外波相交叠的波长范围，它具有特有的大气传输特性、可利用的频带宽以及毫米波波长短三大特点。特有的大气传输特性使得毫米波天线利用大气窗口传播时衰减小，受自然光和热辐射源影响小；可利用频带宽利于毫米波天线降低多径效应和抑制杂波影响，增强系统的抗干扰能力；毫米波波长短，意味着在相同天线尺寸下毫米波天线波束要比微波天线的波束窄得多，即毫米波天线可提供更高精度的分辨力。

单脉冲天线是在二战后出现并在五六十年代迅速发展起来的一种精密跟踪天线。单脉冲天线能同时提供多个波束，利用单个脉冲回波形成探测目标距离并进行距离跟踪的和波束，以及两个探测目标的方位角和俯仰角信息并进行角跟踪的差波束。当目标位置恰好位于和波束最大值方向上，则差波束接收的信号非常弱(接近于零)。当目标位置发生改变，则差波束接收的信号由弱变强。因此，可根据差信号变化情况来驱动伺服机构，使天线在方位或者俯仰方向上转动直到和波束的最大值方向对准目标，从而实现目标的跟踪。

卡塞格伦天线是单脉冲天线最常用的形式之一，其基本结构包括馈源、主反射面、副反射面、支撑结构以及和差网络。其基本工作原理是利用两个反射面将入射的平行射线聚焦于一点。与单反射面的抛物面天线相比,卡塞格伦天线具有轴向尺寸短、噪声温度低、维修调整方便及有效焦距长等突出优点。

专利号为CN201210330178.3，题目为一种W波段单脉冲卡塞格伦天线的设计方法提出了一种传统单脉冲天线的设计方法。基于该方法所设计的单脉冲天线虽然有利于克服传统圆锥扫描和顺序波束转换对回波幅度起伏敏感、跟踪误差大以及W波段天线难与系统集成的缺点。但是所涉及的抛物面天线笨重、体积庞大，且波导结构的和差网络结构复杂，使单脉冲天线加工成本大，不利于紧凑化设计。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服传统单脉冲天线形体笨重、体积庞大、难于与其它集成化高频元部件相连接等缺点，提出了一种紧凑型毫米波单脉冲天线。

本发明采用如下技术方案：

一种紧凑型毫米波单脉冲天线，包括馈源、主反射面、副反射面、支撑结构以及和差网络。

所述支撑结构包括主反射面衬底、副反射面衬底、以及固定两者的支撑杆、以及和差网络衬底。

所述主反射面为中心开口的圆形平面反射阵列天线，且固定于主反射面衬底上。

所述副反射面为设置于主反射面正上方的平面反射阵列天线，通过副反射面衬底固定。

所述馈源为喇叭天线，设置于主反射面中心开口处，通过法兰连接后端的和差网络衬底，并使馈源保持正馈的馈电方式。

所述和差网络采用基片集成波导的形式，和差网络放置于两和差网络衬底之间，并固定于主反射面衬底背面，为单脉冲天线提供和差信号。

所述主反射面天线与副反射面天线由双层介质板组成，包括从上至下依次贴合的第一金属层、第一介质层、第二金属层、以及第二介质层，其中两金属层由若干方形贴片周期排列组成，贴片尺寸及分布通过空间相位差计算得到。

本发明中主反射面与副反射面均采用平面反射阵列天线，而平面反射阵列天线基本结构是由大量无源谐振单元组成的周期性阵列，当馈源将电磁波辐射到平面周期反射阵面上，反射阵面上各个谐振单元结构的不同可以补偿空间相位差，以使得反射波在预定辐射方向的垂直面上实现等相位叠加，形成高增益的笔形波束。其中单元补偿空间相位差的方式主要有改变谐振单元本身尺寸、改变谐振单元的旋转角度以及改变谐振单元所连接的相位延迟线长度。

和差网络是采用基片集成波导技术设计而成，它是在介质基片上制作两排等间距的金属化通孔，介质基片的上下金属面与两排金属化通孔之间形成一个类似矩形波导的结构，电磁波就在两排金属通孔与介质基片上下表面所围成的矩形区域里传播。改变金属化通孔位置、增加或者减小金属化通孔数量等方式可形成一定数量的移相器和耦合器，通过优化设计移相器与耦合器的摆放位置可设计得到和差网络。

相比于现有技术，本发明的有益效果：

(1)由于本发明的主反射面与副反射面均使用了平面反射阵列天线，和差网络也是平面结构，因此，与传统的单脉冲天线相比，本发明的单脉冲天线的体积小、重量轻。

(2)制造精度高、加工成本低、可以批量生产。相比于金属波导制作加工和开槽工艺，成熟的PCB、LTCC等制造工艺不仅使其加工成本大幅度降低，同时也提高了制造精度，这就保证了本发明的单脉冲天线加工成品容易满足设计要求，不需要对加工过程中出现的误差进行修正，为大规模批量生产提供了可能性。

(3)和差网络采用基片集成波导形式，并使用标准波导进行馈电，馈电损耗适中并且易于与天线装置后端模块进行电气和结构连接，大大提高了单脉冲天线的集成度。

附图说明

图1.本发明具体实施例中紧凑型单脉冲天线整体示意图。

图2.本发明具体实施例中紧凑型单脉冲天线侧视图。

图3.本发明具体实施例中紧凑型单脉冲天线背视图。

图4.本发明具体实施例中四喇叭馈源总体结构图。

图5.本发明具体实施例中平面反射阵列天线单元结构图。

图6.本发明具体实施例中紧凑型单脉冲天线主反射面第一金属层中单元分布示意图。

图7.本发明具体实施例中紧凑型单脉冲天线主反射面第二金属层中单元分布示意图。

图8.本发明具体实施例中紧凑型单脉冲天线副反射面第一金属层中单元分布示意图。

图9.本发明具体实施例中紧凑型单脉冲天线副反射面第二金属层中单元分布示意图。

图10.本发明具体实施例中紧凑型单脉冲天线和差网络结构示意图。

图11.本发明具体实施例中紧凑型单脉冲天线和波束在频点35GHz时方向图。

图12.本发明具体实施例中紧凑型单脉冲天线方位差波束与俯仰差波束在频点35GHz处方向图。

附图标号说明：1.主反射面；2.支撑杆；3.副反射面；4.单脉冲馈源；5.和差网络；6.和差网络衬底；7.主反射面衬底；8.副反射面衬底；9.固定安装孔；10.销钉孔；11.第一金属层；12.第一介质层；13.第二金属层；14.第二介质层；15.90°移相器；16.3dB耦合器；17.和差网络和端口；18.和差网络俯仰差端口；19.和差网络方位差端口；20.和差网络吸收负载端口。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明内容作进一步说明。

本发明以Ka波段、主反射面口径为170mm、副反射面口径为48mm的紧凑型单脉冲天线为例对本发明内容做具体说明。

参见图1、图2以及图3，本实施例的紧奏型单脉冲天线由主反射面1、支撑结构、副反射面3、馈源4、和差网络5构成。支撑结构包括和差网络衬底6、主反射面衬底7、副反射面衬底8、以及固定连接两者的三根支撑杆2。

所述主反射面1固定于主反射面衬底7上，中心处设有口径为40mm的孔，用于馈源4与和差网络5连接。和差网络5放置于两和差网络衬底6之间，并通过螺钉固定于主反射面衬底7的背面。副反射面3贴合于副反射面衬底8上，位于主反射面1正上方52mm处。

主反射面1和副反射面3均采用平面反射阵列天线，考虑到改变单元尺寸来补偿单元相位，不仅具有更优的宽带和多极化性能，辐射效率高，同时仿真设计和加工也较为简单，因此，本实施案例中阵列单元补偿相位方式选择改变谐振单元本身尺寸，并且所涉及单元具有双层结构，这样不仅可使单元所需的移相特性，而且有利于增大天线带宽，单元结构参见图5。为了避免天线出现栅瓣，阵列单元周期大小L为3mm(约0.35λ)。第一金属层11与第二金属层13的方形贴片分别位于第一介质层12、第二介质层14的上表面，介质层的基片材料采用Rogers5880，介电常数2.2，损耗角正切值为0.0009，介质基片厚度为20mil。假设第二金属层13中方贴片边长为a，则第一金属层11中方贴片边长为0.6×a，通过改变a可得到单元移相曲线。

本实施例利用馈源相位中心到主反射面、副反射面上每个单元中心的光程差计算出需要补偿的相位，由上述单元移相曲线可确定反射阵面各单元尺寸，最后通过印刷电路板工艺可得到主反射面1中第一金属层与第二金属层、副反射面3中第一金属层与第二金属层贴片单元分布情况，如图6-8所示。

本案例馈源4采用四喇叭馈源，设置于主反射面中心开口处，且放置于副反射面3正下方27.5mm处，并通过法兰固定于和差网络衬底6上表面，调整馈源位置使其以正馈方式进行馈电，参见图4。

参见图10，本实施例中所涉及的和差网络5由4个3dB定向耦合器16和4个90度移相器15组成，和差网络整体尺寸为95mm×100mm，选用的介质基板为Rogers 5880(介电常数为2.2、正切损耗值0.0009、厚度为20mil)。和差网络衬底6是两块厚度为3mm的铝板，其作用是用于和差网络与馈源、主反射面等前端设备以及单脉冲接收机后端设备固定和安装。

在微波暗室里分别测量安装正确的单脉冲天线和端口、方位差端口、俯仰差端口方向图和增益等特性参数，测试结果如图11与图12所示。从图中可以看出所设计的单脉冲天线在35GHz的最大增益为29.5dBi，E面和H面的第一副瓣电平分别为-14.9dB和-15.7dB。确认各项指标满足要求，完成一种Ka波段紧凑型单脉冲天线的设计。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，只用于对本发明进行具体的描述，使熟悉该项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明内容所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。