一种可切换波束天线装置及方法与流程

本发明涉及雷达天线技术领域，尤其涉及一种可切换波束天线装置及方法。

背景技术：

雷达传感器是毫米波传感器中主要部件，其是通过天线的辐射来覆盖指定区域，其中采用调频连续波体制的单发单收毫米波雷达，能够获取目标的速度信息，而采用多收天线还能获取目标的角度信息。在越来越多的应用场合需要使用到多个雷达传感器来获取目标的信息，以进行全方位监测，如周界安防系统，即通过在固定区域的周界上部署多个雷达传感器，当入侵目标穿越周界或者在周界附近活动时传感器就能够探测到运动目标，并实时的给出报警信息，从而起到周界防护的作用。

表征天线辐射特性的一个重要参数即是天线的辐射方向图，辐射方向图的主波束即为波束，发射天线和接收天线的波束则决定了雷达传感器的探测区域。目前的毫米波传感器通常为固定单波束雷达传感器，成本较低，但天线方向图只有一个固定的主波束，无法满足如周界安防系统等需要进行全方位监测的需求；电扫雷达传感器天线的主波束能够在一定角度范围内实现波束扫描，但电扫雷达需要一定数量的模拟或者数字移相器，其成本较固定单波束雷达传感器高的多。因此，亟需提供一种空间覆盖范围大，同时成本低的可切换波束天线装置，实现多波束的切换。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能够实现多波束的切换，结构简单紧凑、所需成本低、空间覆盖范围大且体积小的可切换波束天线装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种可切换波束天线装置，包括多个按行间隔布置的天线单元，每个所述天线单元从左至右间隔布置有用于收发雷达高频信号的两路行波天线阵列，左侧、右侧各路所述行波天线阵列的长度分别从上至下逐渐增大、减小，并使得左侧各路所述行波天线阵列能够产生多个不同偏转指向的波束以覆盖左侧指定范围，以及右侧各路所述行波天线阵列能够产生多个不同偏转指向的波束以覆盖右侧指定范围。

作为本发明装置的进一步改进：各个所述天线单元中，其中一侧所述行波天线阵列的长度逐渐增大、另一侧所述行波天线阵列的长度逐渐减小，使得各个所述天线单元整体构成矩形阵列结构。

作为本发明装置的进一步改进：左侧各路所述行波天线阵列构成的左侧天线结构，与右侧各路所述行波天线阵列构成的右侧天线结构中心对称。

作为本发明装置的进一步改进：左侧的所述行波天线阵列与右侧的所述行波天线阵列传输方向相反。

作为本发明装置的进一步改进：还包括与各路所述行波天线阵列连接的波束切换控制单元，所述波束切换控制单元控制切换各路所述行波天线阵列，以控制切换波束。

作为本发明装置的进一步改进：各路所述行波天线阵列分别包括等数量的天线辐射单元，每路所述行波天线阵列中所述天线辐射单元之间具有指定间距以产生所需偏转指向的波束。

作为本发明装置的进一步改进：所述行波天线阵列为斜极化、水平极化、垂直极化、左旋圆极化或右旋圆极化的线阵天线；各路所述行波天线阵列分别为印刷结构阵列天线；所述印刷结构阵列天线为贴片天线阵列或缝隙阵列天线。

本发明进一步公开用于实现上述可切换波束天线装置的方法，步骤包括：

根据所需覆盖的范围分别确定所需布置的左侧、右侧所述行波天线阵列的数量，以及每路所述行波天线阵列的长度；布置各路所述行波天线阵列，使得左侧、右侧各路所述行波天线阵列的长度分别从上至下逐渐增大、减小，得到所述天线装置；

控制切换左侧、右侧各路所述行波天线阵列，实现左侧、右侧指向波束的切换。

作为本发明方法的进一步改进：所述行波天线阵列中天线辐射单元的数量，具体根据所需最大增益及半功率波瓣宽度确定得到；布置得到所述天线装置后，通过设定各个所述天线辐射单元的激励电流，使得各路所述行波天线阵列产生的多个波束的最大电平与副瓣电平之间的差值大于预设阈值。

作为本发明方法的进一步改进：各个所述天线辐射单元等间距排列布置在基片集成波导中心同一侧，且距离波导中心线指定纵向偏置距离；

所述纵向偏置距离的确定步骤为：根据计算得到的各个所述天线辐射单元的激励电流，计算出各个所述天线辐射单元的电导值；根据计算得到的电导值，以及电导值与天线辐射单元纵向偏置的关系，确定得到各个所述天线辐射单元的纵向偏置距离；

各个所述天线辐射单元的谐振长度的确定步骤为：建立基于基片集成波导的天线辐射单元仿真模型，将所述天线辐射单元仿真模型输入确定得到的所述纵向偏置距离，当电导值达到最大、且电纳为零时得到的所述天线辐射单元的长度，作为对应的谐振长度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明通过设置多个天线单元，每个天线单元均布置两路行波天线阵列，左侧、右侧各路行波天线阵列的长度逐渐增大、减小变化，从而由长度逐渐变化的行波天线阵列可以产生多个不同偏转角度的波束，实现多波束的切换，同时由左侧各路行波天线阵列产生多个波束覆盖左侧指定范围，以及由右侧各路行波天线阵列产生多个波束覆盖右侧指定范围，使得能够同时覆盖左侧、右侧空间范围，极大增加了雷达天线的探测范围，实现宽角度覆盖；

2)本发明通过由一侧行波天线阵列的长度逐渐增大、另一侧行波天线阵列的长度逐渐减小，使各个天线单元中两路行波天线阵列按照长、短天线阵列交叉组合，得到结构紧凑的矩形阵列结构，天线布局合理，能够最大限度的减小天线阵面体积，从而减少所需成本。

附图说明

图1是本实施例可切换波束天线装置的结构示意图。

图2是本发明具体实施例中行波天线阵列的结构示意图。。

图3是本发明具体实施例中所采用的基片集成波导的结构示意图。

图4是本发明具体实施例中天线辐射单元的布置原理示意图。

图5是本发明具体实施例中一个行波天线阵列得到的方位面辐射方向图。

图6是本发明具体实施例中得到的天线装置的方位面辐射方向图。

图7是本发明具体实施例中天线装置的结构示意图。

图例说明：1、天线单元；11、行波天线阵列。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例可切换波束天线装置包括多个按行间隔布置的天线单元1，每个天线单元1从左至右间隔布置有用于收发雷达高频信号的两路行波天线阵列11，左侧、右侧各路行波天线阵列11的长度分别从上至下逐渐增大、减小，并使得左侧各路行波天线阵列11能够产生多个不同偏转指向的波束以覆盖左侧指定范围，以及右侧各路行波天线阵列11能够产生多个不同偏转指向的波束以覆盖右侧指定范围。

本实施例可切换波束天线装置，具体包括n个天线单元1，n个天线单元1共包含2n路行波天线阵列11，分为左侧C1～Cn天线阵列以及右侧D1～Dn天线阵列，左侧C1～Cn天线阵列从上至下长度逐渐增大，其中Cn为第一路天线阵列，对应最短天线长度，C1为第n路天线阵列，对应最长天线长度；右侧D1～Dn天线阵列从上至下长度逐渐减小，其中D1为第一路天线阵列，对应最长天线长度，Dn为第n路天线阵列，对应最长天线长度。当然，左侧各路行波天线阵列11也可以根据实际需求设置为从上至下长度逐渐减小，右侧各路行波天线阵列11也可以根据实际需求设置为从上至下长度逐渐增大。

天线阵列的长度越短，半功率波瓣宽度越大、方位面辐射方向图中波束越偏离边射方向；反之，天线阵列的长度越长，半功率波瓣越小，波束越靠近边射方向。本实施例上述可切换波束天线装置，通过设置多个天线单元1，每个天线单元1均布置两路行波天线阵列11，左侧、右侧各路行波天线阵列11的长度逐渐增大、减小变化，从而由长度逐渐变化的行波天线阵列11可以产生不同偏转角度的多个波束，实现多波束的切换，同时由左侧各路行波天线阵列11产生多个波束覆盖左侧指定范围，以及由右侧各路行波天线阵列11产生多个波束覆盖右侧指定范围，使得能够同时覆盖左侧、右侧空间范围，极大增加了雷达天线的探测范围，实现宽角度覆盖。

本实施例中，左侧的行波天线阵列11与右侧的行波天线阵列11传输方向相反，从而可以同时覆盖左侧、右侧指定空间范围，极大的扩大了多波束的测角范围，提高角度分辨率。

本实施例中，各个天线单元1中，其中一侧行波天线阵列11的长度逐渐增大、另一侧行波天线阵列11的长度逐渐减小，使得各个天线单元1整体构成矩形阵列结构。如图1所示，本实施例具体左侧C1～Cn天线阵列的长度逐渐增大、右侧D1～Dn天线阵列的长度逐渐减小，使得各个天线单元1中两路行波天线阵列11为长天线阵列与短天线阵列的交叉组合，如第一各天线单元1为由左侧对应最短天线长度的天线阵列Cn、与右侧对应最长天线长度的天线阵列D1交叉组合排列得到，最终构成矩形阵列结构C0。当然在其他实施例中，还可以布置为左侧行波天线阵列11的长度逐渐减小、右侧行波天线阵列11的长度逐渐增大。

本实施例通过由一侧行波天线阵列11的长度逐渐增大、另一侧行波天线阵列11的长度逐渐减小，使各个天线单元1中两路行波天线阵列11按照长、短天线阵列交叉组合，得到结构紧凑的矩形阵列结构，天线布局合理，能够最大限度的减小天线阵面体积，从而减少所需成本。

本实施例中，左侧各路行波天线阵列11构成的左侧天线结构，与右侧各路行波天线阵列11构成的右侧天线结构中心对称。如图1所示，每个天线单元1的天线阵列长度相等，将左侧C1～Cn天线阵列顺时针旋转180度，即得到右侧D1～Dn天线阵列结构。由对称的两侧行波天线阵列11，则可获取到左侧、右侧对称的空间覆盖范围。当然也可以根据实际所需覆盖的范围，将各个天线单元1的天线阵列长度设置为不同。

本实施例中还包括与各路行波天线阵列11连接的波束切换控制单元，波束切换控制单元控制切换各路行波天线阵列11，实现天线阵列切换，以控制切换波束。

本实施例中，各路行波天线阵列11分别包括等数量的天线辐射单元，每路行波天线阵列11中天线辐射单元之间具有指定间距以产生所需偏转指向的波束，即由不同间距的天线辐射单元对应得到不同长度的行波天线阵列11，通过控制天线阵列中相邻辐射单元的间距即可控制波束指向。

当相邻天线辐射单元之间的间距不为一个波导波长时，此时天线阵列为行波阵，波束指向偏离于边射方向，其中当间距小于一个波导波长时，且阵列长度减少，则波束指向边射方向左边；当间距大于一个波导波长时，且阵列长度增加，则波束指向边射方向右边。本实施例各路行波天线阵列11中相邻天线辐射单元之间的间距具体为小于一个波导波长，且相邻天线辐射单元之间的间距越小，则波束越偏离边射方向，能够减少天线尺寸，使得天线结构紧凑。本实施例由左侧行波天线阵列11相邻天线辐射单元之间的间距小于一个波导波长，使得产生覆盖左侧范围的波束，且其中行波天线阵列11的长度越短，对应波束越向左偏离；右侧行波天线阵列11中相邻天线辐射单元之间的间距小于一个波导波长，且传输方向与左侧行波天线阵列11相反，使得波束指向边射方向右边，且其中行波天线阵列11的长度越短，对应波束越向右偏离边射方向。

本实施例具体根据所需的最大增益及半功率波瓣宽度，设定行波天线阵列11中天线辐射单元的数目，且使得获得较高天线增益的同时，还能使得雷达的探测宽度在距雷达较远距离位置不至于扩散的太宽，从而满足窄波束、高增益辐射特性等的辐射阵列天线要求。

本实施例中，行波天线阵列11为线阵天线，线阵天线的极化方式可以为斜极化、水平极化、垂直极化、左旋圆极化或右旋圆极化等。

本实施例中，各路行波天线阵列11分别为印刷结构阵列天线，具体可采用贴片天线阵列或缝隙阵列天线等印刷结构阵列天线，也可以根据实际需求采用其他形式阵列天线。各路行波天线阵列11的辐射体可以相同，当然也可以分别采用不同的辐射体。

辐射阵列天线的多个波束即为辐射天线方向图的主波束，在方位面上除主波束外具有其他波束为副瓣，本实施例中，各路行波天线阵列11产生的多个波束的最大电平与副瓣之间的差值大于预设阈值(具体取18dB)，即主波束的最大电平比副瓣大至少18dB；通过设置各个天线辐射单元的电流激励幅度，使得各个天线辐射单元具有不等功率分配，使各路行波天线阵列11的主波束的最大电平比副瓣大至少18dB，可以极大的减少来自主波束外目标的干扰。

本实施例中，各路行波天线阵列11具体印刷在高频基板上。

以下以产生多波束分别覆盖左侧、右侧60度，共覆盖120度角度范围为例，进一步说明本发明。

如图2～7所示，本实施例中根据相邻缝隙间距与天线偏转角度的关系，具体布置26路行波天线阵列11，左侧设置13路具有不同间距的行波天线阵列11，实现左侧60度空间覆盖，以及右侧设置13路具有不同间距的行波天线阵列11，实现右侧60度空间覆盖；左侧13路天线阵列和右侧13路天线阵列从上至下长度逐渐变化，使得每行天线阵列按长短一一交叉组合排列，整体构成矩形阵列结构，其中右侧天线阵列可以由左侧天线阵列顺时针旋转180度得到。天线布置结构如图7所示，通过波束切换控制单元实现波束子阵切换。

如图2所示，本实施例中行波天线阵列11采用缝隙阵列天线，缝隙天线阵元极化方式选定为垂直方式，行波天线阵列11中具体设置30个缝隙单元，以实现高增益、窄波束特性，同时各个缝隙单元等间距的排列在基片集成波导(SIW)中心线的同一侧，通过增大缝隙单元间的间距，可以减少辐射单元间的互耦影响。30个缝隙阵元按上述方式构成基片集成波导(SIW)行波阵天线，一端为馈电端口、另一端为匹配端口，得到行波天线阵列11。

如图3所示，本实施例中所采用的基片集成波导为集成在介质基片上的平面导波结构，在介质基片以及上下导体中制作两排平行的金属化通孔阵列，形成准封闭的类波导结构，具有体积小、重量轻、结构紧凑、易与高频信号处理电路集成等优点。本实施例通过设置基片集成波导宽度a、通孔直径d和通孔周期p，使通孔间能量泄露可以忽略不计，使得基片集成波导可以等效为介质填充矩形波导。按上述方式得到行波天线阵列11后，从馈电端口馈入的能量按指定比列分配至各个缝隙单元，并以垂直极化方式辐射出去，根据所需得到的方位面的辐射方向图确定各个缝隙单元的电流分布，以及根据所需产生波束的偏转角度确定相邻缝隙单元之间的间距。

如图4所示为本实施例中建立的基片集成波导单缝模型，上下等周期性的排列有金属化通孔，缝隙单元在波导中心线的一侧，缝隙单元的中心距波导中心线的纵向偏置距离为x，左端为馈电端、右端为短路面。缝隙中心距馈电端的水平距离具体为二分之一导波长，缝隙中心距短路面的水平距离具体为四分之一导波长。由缝隙纵向偏置距离x，基于上述建立的缝隙单元模型，当缝隙电导值最大且电纳为零时，可得到缝隙单元的谐振长度。

如图5所示为本实施例中得到的一个行波天线阵列11的方位面辐射方向图，其中在方位面辐射方向图的半功率波束宽度为5.7度，副瓣电平小于-22dB，波束偏转边射方向43.2度。

如图6所示为左侧13路行波天线阵列11得到的方位面辐射方向图，由图中可知，相邻缝隙的间距越小(天线阵列越短)，对应的波束越往左偏离，且半功率波瓣宽度越大、天线增益越小，最终由该13路行波阵列天线能够覆盖边射方向左侧区域60度范围。

本实施例进一步公开用于实现上述可切换波束天线装置的方法，步骤包括：

根据所需覆盖的范围分别确定所需设置的左侧、右侧行波天线阵列11的数量，以及每路行波天线阵列11的长度；布置各路行波天线阵列11，使得左侧、右侧各路行波天线阵列11的长度分别从上至下逐渐增大、减小，得到上述天线装置；

控制切换左侧、右侧各路行波天线阵列11，实现左侧、右侧指向波束的切换。

采用上述方法，能够实现具有多个不同偏转指向的波束同时覆盖左侧指定范围、右侧指定范围的天线装置，具有多波束切换功能以及宽覆盖范围，且天线装置的结构紧凑，阵面面积小。

本实施例中，行波天线阵列11中天线辐射单元的数量，具体根据所需最大增益及半功率波瓣宽度确定得到，使得获得所需天线性能的同时，还能使得雷达的探测宽度在距雷达较远距离位置不至于扩散的太宽，实现窄波束、高增益辐射特性。布置得到天线装置后，通过设定各个天线辐射单元的激励电流，使得各路行波天线阵列11产生的多个波束的最大电平与副瓣电平之间的差值大于预设阈值(具体取18dB)。通过设置各个天线辐射单元的电流激励幅度，使得各个天线辐射单元具有不等功率分配，可以极大的减少来自主波束外目标的干扰。

本实施例中，各个天线辐射单元等间距排列布置在基片集成波导中心同一侧，且距离波导中心线指定纵向偏置距离；

纵向偏置距离的确定步骤为：根据计算得到的各个天线辐射单元的激励电流，计算出各个天线辐射单元的电导值；根据计算得到的电导值，以及电导值与天线辐射单元纵向偏置的关系，确定得到各个天线辐射单元的纵向偏置距离；

各个天线辐射单元的谐振长度的确定步骤为：建立基于基片集成波导的天线辐射单元仿真模型，将天线辐射单元仿真模型输入确定得到的纵向偏置距离，当电导值达到最大、且电纳为零时得到的天线辐射单元的长度，作为对应的谐振长度。

本实施例实现如图2～7所示天线装置的具体步骤为：

①按照所需副瓣电平(具体为-30dB)计算各缝隙单元的激励电流；

采用泰勒分布计算得到的一路行波天线阵列11中30个缝隙激励电流分布从左至右依次为：

0.245:0.266:0.306:0.362:0.430:0.506:0.585:0.663:0.738:0.807:0.868:0.919:0.959:0.986:1:1:0.986:0.959:0.919:0.868:0.807:0.738:0.663:0.585:0.506:0.430:0.362:0.306:0.266:0.245。

②根据计算得到的激励电流计算各缝隙单元的电导值；

基于公式(1)具体采用MATLAB计算出30元缝隙电导分布，各个缝隙单元从左到右的缝隙电导分布依次为：

0.003:0.004:0.005:0.007:0.010:0.015:0.020:0.027:0.034:0.042:0.052:0.061:0.072:0.082:0.092:0.101:0.109:0.115:0.118:0.118:0.113:0.104:0.092:0.077:0.061:0.046:0.034:0.025:0.019:0.017。

其中，q，α为波导衰减因子，d为相邻缝隙间距，E为各缝隙电流。

③由电导值与缝隙纵向偏置距离的关系，根据公式(2)得出各缝隙单元与波导中心线之间的纵向偏置距离x；

其中，λ_g为波导波长，λ为工作波长，a为等效波导宽度，b为介质厚度，x缝隙中心线与基片集成波导中心线的纵向偏置距离。

④基于基片集成波导单缝仿真模型(如图4所示)，在上述计算得到的纵向偏置距离x下，当电导值达到最大、且电纳为零时得到的缝隙长度即为谐振长度。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。