一种基于MIMO体制雷达的收发天线阵列的制作方法

一种基于mimo体制雷达的收发天线阵列
技术领域
1.本实用新型涉及雷达天线技术领域，更具体的说，特别涉及一种基于mimo体制雷达的收发天线阵列。


背景技术：

2.mimo雷达是利用多个发射天线同步地发射分集的波形,同时使用多个接收天线接收回波信号,并集中处理的一种新型雷达体制。在克服信道衰落、提高分辨率和抑制干扰等方面具有巨大的潜力。将mimo理论应用于雷达系统,能显著提高系统的目标检测、跟踪、识别和参数估计等性能。分集增益是mimo雷达具有这些潜能的根源:传统单基地雷达对目标的探测所获得信息较为单一,而mimo雷达能获得多维目标信息,通过多维信息的联合处理可以获得目标更多、更本质的特征。mimo雷达为空间分集、波形分集、结构分集和极化分集等分集技术的使用提供了平台。同时不难看出mimo雷达在性能上的优势通常以增加系统复杂性为代价,如何处理好性能与复杂性之间的关系是系统设计的难点。
3.对于发射方向图，传统雷达采用单个窄波束扫描的方式对目标进行搜索或跟踪。例如机械扫描雷达工作方式固定不灵活，导致其资源利用率较低，且影响目标跟踪性能。相控阵雷达可以灵活的对波束进行切换，但通常也采用单波束扫描方式，从而会影响速度估计精度及跟踪性能。传统单个窄波束的发射方向图并不适用于任意场合。当需要对整个空间进行观测时，希望采用全向的方向图。但全向方向图会造成增益损失，需要进行长时间积累，这不利于快速目标的检测，因此该方式更适合慢速目标的搜索或对环境信息的获取。当需要对某部分区域进行观测时，可采用覆盖该区域的宽波束，另外宽波束也是窄波束与全向方向图的折中。
4.基于基片集成波导的缝隙阵列天线的结构优点使得它可以进行高度的集成化，整个天馈系统都能容纳在单片基片中，有效地弥补了传统金属波导缝隙阵在这方面的缺点。并且其制造工艺简单方便，pcb和ltcc技术都可以制作基片集成波导，这使得其加工成本大大得到改善。此外，用pcb工艺在介质基片上缝代替金属波导表面开缝，避免了加工后对开槽缝隙进行二次修正，并且加工一致性能够得到保证，这为量产带来巨大的便利。基片介质集成波导缝隙阵列天线，很好的中和了传统的金属波导结构、成本与性能之间的矛盾，在保持了金属波导的大部分优异性能的同时，有着很大的结构上的优势，尤其随着毫米波技术的发展，毫米波系统对天线提出了低剖面、低损耗、小型化和易于与平面电路集成等要求，在这些方面，介质基片集成波导有独特的优势，所以研究这项技术具有重要的理论与工程意义。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种基于mimo体制雷达的收发天线阵列，能够实现雷达方位宽波束，其结构简单、功能可靠也易于实现。
6.为了解决以上提出的问题，本实用新型采用的技术方案为：
7.本实用新型提供一种基于mimo体制雷达的收发天线阵列，包括含有发射天线单元的两组发射子阵和含有接收天线单元的接收子阵；所述接收子阵对应在两组发射子阵之间；所述发射子阵中最外侧两端设置有耦合天线单元；每个天线单元均采用基片集成波导缝隙驻波天线。
8.进一步的，所述发射子阵包括16个发射通道，每个发射天线单元的间距大于二分之一波长。
9.进一步的，所述接收子阵包括16个接收通道，每个接收天线单元的间距大于一个波长。
10.进一步的，所述发射子阵包括12个发射天线单元，其中部的8个发射天线单元作为辐射单元，由最外侧两端的发射天线单元依次向外分别设置2个耦合天线单元。
11.进一步的，所述耦合天线单元后加50欧姆电阻。
12.进一步的，所述天线单元包括介质基板，所述介质基板包括相对设置的辐射面和金属地，所述辐射面上设置有辐射间隙，所述辐射面上设置有将所述辐射间隙完全包围的金属柱；所述辐射面上并位于所述辐射间隙的一侧设置有馈电探针，所述馈电探针所述金属柱形成的包围圈内。
13.进一步的，所述辐射间隙采用两道并列设置，所述馈电探针对应在两道辐射间隙之间。
14.进一步的，所述金属柱均匀设置，并形成将所述辐射间隙和馈电探针包围在内的矩形腔。
15.进一步的，所述发射天线单元采用了tly
‑
5材料为介质基板，其介电常数为2.2。
16.进一步的，所述接收天线单元采用了tly
‑
5材料为介质基板，其介电常数为2.2。
17.与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
18.本实用新型提供的基于mimo体制雷达的收发天线阵列，通过在发射天线单元两侧设置耦合天线单元来展宽了发射波束，实现了较宽的覆盖，而接收子阵的方向图由于采用了基片集成波导缝隙驻波天线，方向图具有高对称性，波束指向不随频率偏移的特点，且在较小口径前提下实现了低副瓣，使雷达实现方位宽波束，进一步提高了资源利用率，其结构简单、功能可靠也易于实现。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明中的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
20.图1为本实用新型基于mimo体制雷达的收发天线阵列的布局示意图。
21.图2为本实用新型收发天线阵列中发射子阵的结构示意图。
22.图3为本实用新型天线单元的结构示意图。
23.图4为本实用新型中双程方位方向图的仿真结果图。
24.图5为本实用新型中双程接收方向图的仿真结果图。
25.附图标记说明如下：1为介质基板；2为辐射面；3为金属地；4为辐射缝隙；5为金属柱；6为馈电探针。
具体实施方式
26.除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，例如，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。
27.本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；本发明的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中，当元件被称为“固定于”或“安装于”或“设置于”或“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接位于该另一个元件上。例如，当一个元件被称为“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接连接到该另一个元件上。
28.此外，在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
29.参阅图1所示，本实用新型提供一种基于mimo体制雷达的收发天线阵列，包括含有发射天线单元的两组发射子阵100和含有接收天线单元的接收子阵200；所述接收子阵200对应在两组发射子阵100之间；
30.所述发射子阵100中最外侧两端设置有耦合天线单元，可以增加波束宽度，并能够将发射波束展宽实现雷达方位宽波束的需求；每个天线单元采用基片集成波导缝隙驻波天线，其副瓣低且对称。
31.本实用新型中，两组发射子阵100分别位于所述雷达的左右上角，形成两个子阵面。所述天线单元采用基片集成波导缝隙驻波天线，采用smp同轴连接器探针从中间馈电的方式，具有较好的方向图对称性，副瓣低，且波束指向不会随着频率偏移，使得接收天线单元在单元数少的情况下形成了低副瓣，有利于提高雷达杂波抑制能力。
32.进一步的，所述发射子阵100包括16个发射通道，每个发射天线单元的间距大于二分之一波长，保证了发射子阵100中发射天线单元之间能有较好的隔离度。具体的，每个发射天线单元的间距s1为9.3mm，工作中心频点为16.2ghz。
33.进一步的，所述接收子阵200包括16个接收通道，每个接收天线单元的间距大于一个波长，保证了接收子阵200中接收天线单元之间有很好的隔离度。具体的，每个接收天线单元的间距s2为74.4mm。
34.本实用新型中，所述发射子阵100采用密集排布的发射天线阵列，所述接收子阵200采用方位向稀疏排布的接收天线阵列。为了保证方位向不产生栅瓣，密布的发射天线单元间距不大于半波长。稀疏排布的接收天线单元间距为单组发射子阵100中辐射单元的总宽度，即大于一个波长。
35.进一步的，参阅图2所示，所述发射子阵100包括12个发射天线单元，其中部的8个发射天线单元作为辐射单元，由最外侧两端的发射天线单元依次向外分别设置2个耦合天线单元，用来展宽边上两个辐射单元的方向图。进一步的，所述耦合天线单元后加50欧姆电
阻，减少反射以及防止耦合天线单元通过端口辐射，保证了发射方向图的一致性和平坦度。
36.本实用新型中，为了展宽方位波束方向图，所述发射子阵100中最外侧的辐射单元依次向外分别设置两个耦合天线单元形成宽波束，使得16通道发射方向图均有相同的展宽效果。进一步的，发射天线单元与发射通道相连并具有较好的阻抗匹配，其端口间不易产生反射。
37.进一步的，参阅图3所示，所述天线单元(即发射天线单元、接收天线单元和耦合天线单元)均包括介质基板1，所述介质基板1包括相对设置的辐射面2和金属地3，所述辐射面2上设置开有辐射间隙4，所述辐射面2上还设置有将所述辐射间隙4完全包围的金属柱5，其作用是形成类似于金属波导的封闭腔。所述辐射面2上并位于所述辐射间隙4的一侧设置有馈电探针6，其作用是将同轴线的电场通过smp同轴连接器的探针传输到天线辐射面，所述馈电探针6位于所述金属柱5形成的包围圈内。
38.进一步的，所述金属柱5均匀设置，并形成将所述辐射间隙4和馈电探针6包围在内的矩形腔，其方便加工、工作也可靠。
39.进一步的，所述辐射间隙4采用两道并列设置，其功能是方便将电磁波辐射至空间，所述馈电探针6对应在两道辐射缝隙4之间。
40.进一步的，所述发射天线单元采用了tly
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5材料为介质基板1，其介电常数为2.2，厚度为1mm，外形尺寸为120mm*45mm，该材料具有较高的稳定性，能保证发射子阵100的一致性。
41.进一步的，所述接收天线单元采用了tly
‑
5材料为介质基板1，其介电常数为2.2，厚度为1mm，外形尺寸为30mm*55mm，该材料具有较高的稳定性，能保证接收子阵200的一致性。
42.本实用新型中，所述发射子阵100中宽波束形成方式是将端口发射的能量通过介质基板1耦合到耦合天线单元上，耦合天线单元和辐射单元在空间叠加，合成发射宽波束。
43.本实用新型中，通过调节辐射间隙4的宽度与长度实现所需频段，方向图的波束宽度及副瓣可根据指标要求调节辐射缝隙4的间距，来满足雷达系统的需求。本实用新型中天线单元的尺寸如下表所示：
44.项目wlfwflahpfdfrd尺寸(mm)9.1350.6910.50.311.113.50.19
45.上表中并结合图3所示天线单元的结构图，其中w代表金属柱5所组成的矩形腔的短边长度，l代表金属柱5所组成的矩形腔的长边长度，fw代表辐射缝隙4的宽度，fl代表辐射缝隙4的长度，a代表金属柱5的直径，h代表介质基板1的厚度，pf代表辐射缝隙4偏离水平中心线的距离，df代表两条辐射缝隙4中心线的垂直距离，rd代表馈电探针6对应的馈电孔的直径。
46.如图4所示为收发天线阵列的双程6db方位方向图，双程即发射和接收两个过程，双程方位方向图是表征雷达在方位维可探测范围主要指标，其波束宽度为104
°
，本实用新型的该项指标满足雷达系统需求。
47.如图5所示为收发天线阵列的双程6db俯仰方向图，同样地，双程俯仰方向图则表征雷达在俯仰维可探测范围，其波束宽度为35
°
，本实用新型的该项指标满足雷达系统需求。
48.本实用新型提供的雷达收发天线阵列具有方位宽波束、俯仰维，也具有高对称性，在该口径鲜有低副瓣天线，而本实用新型的双程副瓣低于
‑
49db，有效的降低了杂波对雷达成像的影响。
49.上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。