一种二维阵电扫描天线及其扫描方法
【专利摘要】本发明提供了一种二维阵电扫描天线，所述天线包括N个并联的复合左右手漏波天线；所述复合左右手漏波天线包括M个串联的复合左右手辐射单元；每个复合左右手漏波天线连接一个馈电通道；所述馈电通道由放大器、衰减器和移相器顺序连接组成，所述放大器和衰减器用于控制激励幅度，优化天线方向图性能；所述移相器用于控制每个通道的相位；该天线具有结构简单，成本低的特点。基于上述二维阵电扫描天线，本发明还提供了一种二维阵电扫描天线的扫描方法，能够实现二维空间的无盲点扫描。
【专利说明】
一种二维阵电扫描天线及其扫描方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电磁领域，特别涉及一种二维阵电扫描天线及其扫描方法。
【背景技术】
[0002] 随着空间技术的快速发展，对现代雷达和通信技术的要求越来越高，天线作为现 代雷达的重要组成部分，对其波瓣能作快速而灵活扫描的要求也越来越高，而这种要求仅 靠天线的机械运动是无法实现的，于是人们就在雷达领域中引入电扫描天线技术。电扫描 天线不仅能实现波束指向、波束形状的快速变化，而且容易形成多波束天线，可以在空间进 行信号的功率合成（见参考文献[1]:张光义，赵玉洁.相控阵雷达技术.电子工业出版 社，2006.)。
[0003] 从20世纪60年代开始，电扫描雷达技术获得很大的发展和应用，主要用于探测空 间目标。为了观察高速飞行的卫星和洲际导弹，雷达必须具有快速转换天线波束指向、高速 跟踪多批目标的能力，这些要求只有电扫描技术能满足。
[0004] 现有的天线阵电扫描技术主要有四种：相位扫描、频率扫描、时延扫描和电子馈电 开关扫描，其中最常见的是相位扫描和频率扫描。它们的电扫描原理大致如下：
[0005] 1)相位扫描，即控制阵列天线每个阵元或子阵的相位，改变波束指向。具有这种扫 描方式的天线称为相控阵。
[0006] 2)频率扫描，即改变工作频率使天线波束指向变化的扫描方式，相应的天线称为 频扫阵。
[0007] 3)时延扫描，即对阵列中阵元或子阵的馈电时间做实时延迟控制，实现波束扫描。
[0008] 4)电子馈电开关扫描，即通过波束形成网络和电子开关对阵元或子阵的馈电端实 现程控通断或切换，改变波束指向的扫描方式。
[0009] 相控阵是应用很广泛的一种电扫描天线阵，20世纪60年代初，无源相控阵就已经 问世。60年代末，为了完成对远程洲际弹道导弹的预警任务，固态有源相控阵雷达横空出 世。有源相控阵对无源相控阵的众多局限产生了革命性变革，作用距离大幅增长。相控阵 天线具有远距离边扫描、边跟踪的能力，扫描范围大，能将孔径上离散分布的发射机辐射功 率空间合成，轻而易举地得到其他任何雷达难以获得的巨大功率孔径积。然而相控阵的缺 憾也很明显，结构笨重，造价昂贵。尤其是二维电扫描相控阵，虽然其能够实现二维空间内 无盲点扫描，但是其馈电网络尤其复杂。
[0010] 频扫阵常见有矩形波导窄边行波缝隙阵，虽然其馈电结构简单，但是其扫描角度 只能限制在前向的一个小范围角度里，无法实现边射扫描和后向扫描。70年代以来陆续 有人提出具有波束扫描能力的微带天线阵列（见参考文献[2] :Danielsen M, Jorgensen R. Frequency scanning microstrip antennas. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1979, 27 (2) : 146-50.)，其主要是利用微带慢波线结构的高次模来进行福射 扫描。但是这些频扫天线扫描角度也受到限制，其扫描范围被限制在前向或者后向的一个 小范围角度里，仍然无法实现边射扫描；可见，利用传统的频扫阵组成二维频率-相位扫描 的天线阵，其扫描范围受限，无法实现二维全空间的无盲点扫描。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的在于克服目前传统的频扫阵组成二维频率-相位扫描的天线存在 的扫描范围受限，无法实现二维全空间的无盲点扫描；提供了一种二维阵电扫描天线，具有 结构简单，成本低廉的优点，此外，基于该二维阵电扫描天线，本发明还提供了一种扫描方 法，该方法能够实现二维全空间无盲点扫描。
[0012] 为了实现上述目的，本发明提供了一种二维阵电扫描天线；包括N个并联的复合 左右手漏波天线；其特征在于，所述复合左右手漏波天线包括Μ个串联的复合左右手辐射 单元；每个复合左右手漏波天线连接一个馈电通道；所述馈电通道由放大器、衰减器和移 相器顺序连接组成，所述放大器和衰减器用于控制激励幅度，优化天线方向图性能；所述移 相器用于控制每个通道的相位。
[0013] 上述技术方案中，所述复合左右手辐射单元为平面结构或三维波导结构。
[0014] 上述技术方案中，所述Ν不小于2。
[0015] 上述技术方案中，所述Ν个复合左右手漏波天线呈竖直方向直线排列；所述Μ个复 合左右手辐射单元呈水平方向直线排列。
[0016] 基于上述二维阵电扫描天线，本发明还提供了一种二维阵电扫描天线的扫描方 法，所述方法包括：
[0017] 步骤1)在所述天线的辐射区域的频率范围内选择所需扫描的频点，记录扫描的 频点：fi, i = 1…L ;令 1 = 1 ;
[0018] 步骤2)判断扫描频点所属的辐射区域；
[0019] 步骤3)在扫描频点&上选取扫描的相位差值，并在选取的相位差值上依次进行 相位扫描；
[0020] 步骤4)判断1是否等于L ;如果判断结果是肯定的，转入步骤6);否则，进入步骤 5)；
[0021] 步骤5) 1 = 1+1，转入步骤2);
[0022] 步骤6)扫描结束。
[0023] 上述技术方案中，所述步骤1)的在天线的辐射区域的频率范围内选择所需扫描 的频点的具体实现过程为：
[0024] 设天线的辐射区域的频率范围为[fu f2]，平衡频点值为f。，f。e [f f2];取
[fi，fc]区间的扫描频率个数为Q，则此区间的选取的扫描频率值为：fd (心-f J 1/k 1 =0, 1，一U-l，；[f。，f2]区间的扫描频率个数为L2，则此区间的选取的扫描频率值为： f〇+(f2-f〇)i/L2,1 = 1, 1 = 0, 1, 0, f〇+(f2_f。) 1/L2, 1 = 1，…L2;扫描个数 L = L i+k+l。
[0025] 上述技术方案中，LdP L2根据天线的主瓣宽度确定，使天线主瓣能够随着频点变 化进行无盲点空间覆盖。
[0026] 上述技术方案中，所述步骤2)的具体实现过程为：
[0027] 当扫描频点为复合左右手漏波天线的左手辐射区域，此时波束指向后向空间， 即-X轴方向；当扫描频点&为复合左右手漏波天线的左右手平衡频点处，此时波束指向X =0方向；当扫描频点fi为复合左右手漏波天线的右手辐射区域，此时波束指向前向空间， 即+X轴方向。
[0028] 上述技术方案中，所述步骤3)中的在扫描频点&上选取扫描的相位差值的具体 实现过程为：
[0029] 在扫描频点&上，相位差值的变化范围为：[_α，α ];变化间隔为：2 α /K，K相 位差值的扫描个数，为整数；如果Κ为偶数，则扫描的相位差值依次为：_ a +2 a k-K，k = 0,…K ;如果K为奇数，则扫描的相位差值依次关
[0030] 上述技术方案中，所述Κ与扫描频点、所述复合左右手漏波天线的间隔有关，使 天线主瓣能够随着相位差值的变化实现无盲点的空间覆盖。
[0031] 本发明的优点在于：
[0032] 1、本发明的二维阵电扫描天线与现有的二维相控阵相比（其馈电通道为MXN)， 其馈电通道减少了一个数量级，大大简化了馈电系统的复杂性，具有结构简单，成本低廉等 优点；
[0033] 2、本发明的二维阵电扫描天线的扫描方法能够实现二维全空间无盲点扫描。
【附图说明】
[0034] 图1为平衡状态下CRLH单元的色散曲线；
[0035] 图2为本发明的二维阵电扫描天线的结构示意图；
[0036] 图3为本发明的一个二维阵电扫描天线的实施例的结构示意图；
[0037] 图4 (a)为本发明的天线阵工作在左手频点8. 6GHz时，相位差为-140°下的天线 辐射方向图；
[0038] 图4 (b)为本发明的天线阵工作在左手频点8. 6GHz时，相位差为-100°下的天线 辐射方向图；
[0039] 图4 (c)为本发明的天线阵工作在左手频点8. 6GHz时，相位差为-60°下的天线辐 射方向图；
[0040] 图4 (d)为本发明的天线阵工作在左手频点8. 6GHz时，相位差为-20°下的天线辐 射方向图；
[0041] 图4(e)为本发明的天线阵工作在左手频点8. 6GHz时，相位差为0°下的天线辐射 方向图；
[0042] 图4 (f)为本发明的天线阵工作在左手频点8. 6GHz时，相位差为20°下的天线辐 射方向图；
[0043] 图4 (g)为本发明的天线阵工作在左手频点8. 6GHz时，相位差为60°下的天线辐 射方向图；
[0044] 图4 (h)为本发明的天线阵工作在左手频点8. 6GHz时，相位差为100°下的天线辐 射方向图；
[0045] 图4 (i)为本发明的天线阵工作在左手频点8. 6GHz时，相位差为140°下的天线辐 射方向图；
[0046] 图5 (a)为本发明的天线阵工作在左手频点8. 97GHz时，相位差为-140°下的天线 辐射方向图；
[0047] 图5 (b)为本发明的天线阵工作在左手频点8. 97GHz时，相位差为-100°下的天线 辐射方向图；
[0048] 图5 (c)为本发明的天线阵工作在左手频点8. 97GHz时，相位差为-60°下的天线 辐射方向图；
[0049] 图5 (d)为本发明的天线阵工作在左手频点8. 97GHz时，相位差为-20°下的天线 辐射方向图；
[0050] 图5 (e)为本发明的天线阵工作在左手频点8. 97GHz时，相位差为0°下的天线辐 射方向图；
[0051] 图5(f)为本发明的天线阵工作在左手频点8. 97GHz时，相位差为20°下的天线辐 射方向图；
[0052] 图5 (g)为本发明的天线阵工作在左手频点8. 97GHz时，相位差为60°下的天线辐 射方向图；
[0053] 图5 (h)为本发明的天线阵工作在左手频点8. 97GHz时，相位差为100°下的天线 辐射方向图；
[0054] 图5 (i)为本发明的天线阵工作在左手频点8. 97GHz时，相位差为140°下的天线 辐射方向图；
[0055] 图6 (a)为本发明的天线阵工作在左手频点9. 8GHz时，相位差为-140°下的天线 辐射方向图；
[0056] 图6(b)为本发明的天线阵工作在左手频点9. 8GHz时，相位差为-100°下的天线 辐射方向图；
[0057] 图6 (c)为本发明的天线阵工作在左手频点9. 8GHz时，相位差为-60°下的天线辐 射方向图；
[0058] 图6 (d)为本发明的天线阵工作在左手频点9. 8GHz时，相位差为-20°下的天线辐 射方向图；
[0059] 图6(e)为本发明的天线阵工作在左手频点9. 8GHz时，相位差为0°下的天线辐射 方向图；
[0060] 图6 (f)为本发明的天线阵工作在左手频点9. 8GHz时，相位差为20°下的天线辐 射方向图；
[0061] 图6(g)为本发明的天线阵工作在左手频点9. 8GHz时，相位差为60°下的天线辐 射方向图；
[0062] 图6 (h)为本发明的天线阵工作在左手频点9. 8GHz时，相位差为100°下的天线辐 射方向图；
[0063] 图6 (i)为本发明的天线阵工作在左手频点9. 8GHz时，相位差为140°下的天线辐 射方向图；
【具体实施方式】
[0064] 在对本发明的实施方式做详细说明之前，首先对相关的原理进行说明。
[0065] 本发明的天线利用平衡状态下的复合左右手（Composite Right/Left-Handed : CRLH)漏波天线组成天线阵；平衡状态下CRLH单元的色散表达式为：
[0066]
[0067] 其中，β为传播常数，p为单元长度，LR和CR为等效的右手（Right-Handed: RH) 电感和右手电容，LL和CL为等效的左手（Left-Handed:LH)电感和左手电容。该色散曲线 如图1所示，图中还给出了空气传播常数线w = 士fe，可以看出空气传播常数线把取-#图 分为了四个区域：左手导波区域，左手漏波辐射区域，右手漏波辐射区域和右手导波区域。 如果CRLH-TL是非平衡的，在LH漏波辐射区域和RH漏波辐射区域之间，从)到 max(Mie，:a^)存在阻带间隙，但是在漏波天线的设计中，阻带间隙是需要尽量避免的，否则 就无法得到边射：Θ MB= 0°。
[0068] 当天线工作在左手辐射频率区域时，天线的主波束指向在后向，此时CRLH辐射单 元的相位差是负值；当天线工作在平衡频点时，天线的主波束指向在边射方向，此时CRLH 辐射单元是同相的；当天线工作在右手辐射频率区域时，天线的主波束指向在前向，因为此 时CRLH辐射单元的相位差是正值。由此即得到了平衡状态的CRLH漏波天线随频率变化进 行后向到前向的连续波束扫描方法。
[0069] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
[0070] 如图2所示，一种二维阵电扫描天线；包括N个并联的复合左右手漏波天线；其特 征在于，所述复合左右手漏波天线包括Μ个串联的复合左右手辐射单元；每个复合左右手 漏波天线阵元连接一个馈电通道；所述馈电通道由放大器、衰减器和移相器顺序连接组成， 所述放大器和衰减器用于控制激励幅度，优化天线方向图性能；所述移相器用于控制每个 通道的相位。
[0071] 所述复合左右手辐射单元为平面结构或三维波导结构。
[0072] 所述Ν不小于2。
[0073] 所述Ν个复合左右手漏波天线阵元呈竖直方向直线排列；所述Μ个复合左右手辐 射单元呈水平方向直线排列。
[0074] 在所述二维阵电扫描天线上建立一个坐标系，原点在天线阵面的中心，X轴沿所述 复合左右手辐射单元排列方向，y轴沿所述复合左右手漏波天线阵元方向。
[0075] 基于上述二维阵电扫描天线，本发明还提供了一种二维阵电扫描天线的扫描方 法，所述方法包括：
[0076] 步骤1)在天线的辐射区域的频率范围内选择所需扫描的频点，记录扫描的频点： (i，t)，i = 1...L ;令 1 = 1 ;
[0077] 设天线的辐射区域的频率范围为[fu f2]，平衡频点值为f。，f。e [f d f2];取
[fi，心]区间的扫描频率个数为Q，则此区间的选取的扫描频率值为：fd (心-f J 1/k 1 =0, 1，一U-l，；[f。，f2]区间的扫描频率个数为L2，则此区间的选取的扫描频率值为： f〇+(f2-f〇)i/L2,1 = 1, 1 = 0, 1, 0, f〇+(f2_f。) 1/L2, 1 = 1，…L2;扫描个数 L = L i+k+l。
[0078] LdP L2根据天线的主瓣宽度确定，使天线主瓣能够随着频点变化进行无盲点空 间覆盖。由于复合左右手天线的左手频带和右手频带色散变化率不一致，通常情况下， Li L 2 °
[0079] 步骤2)判断扫描频点所属的辐射区域；
[0080] 当扫描频点fiSCRLH漏波天线的左手辐射区域，此时波束指向后向空间，即-X轴 方向；当扫描频点&为CRLH漏波天线的左右手平衡频点处，此时波束指向X = 0方向；当 扫描频点&为CRLH漏波天线的右手辐射区域，此时波束指向前向空间，即+x轴方向。
[0081] 步骤3)在扫描频点&上选取扫描的相位差值，并在选取的相位差值上依次进行 相位扫描；
[0082] 在扫描频点&上，相位差值的变化范围为：[_ α，α ];变化间隔为：2 α /K， Κ相位差值的扫描个数，为整数；如果Κ为偶数，则扫描的相位差值依次为：-α +2 a k/ K，k = 0,…K;如果K为奇数，则扫描的相位差值依次为
[0083] 所述Κ与扫描频点、所述复合左右手漏波天线的间隔有关，使天线主瓣能够随着 相位差值的变化实现无盲点的空间覆盖。
[0084] 步骤4)判断1是否等于L ;如果判断结果是肯定的，转入步骤6);否则，进入步骤 5)；
[0085] 步骤5) 1 = 1+1，转入步骤2);
[0086] 步骤6)扫描结束。
[0087] 如图3所示，作为所述二维阵电扫描天线的一个实施例，所述二维阵电扫描天线 由16个复合左右手漏波天线沿y方向依次等间距排列，每个阵元的间隔为p y= 15. 4_，所 述复合左右手漏波天线由21个复合左右手辐射单元串联而成，所述复合左右手辐射单元 之间的间隔为px= 11. 2_ ;整个天线为21 X 16的二维阵面；该阵面在X方向上激励分布 为指数衰减，衰减因子为复合左右手漏波天线阵元的漏波因子a，y方向上漏波天线的激 励分布为均勾分布。
[0088] 利用CST Microwave Studio仿真所述二维阵电扫描天线，频率分别为左手福射区 域f = 8. 6GHz，平衡频点f = 8. 97GHz，以及右手辐射区域f = 9. 8GHz，在每个频点处，通过 改变所述CRLH漏波天线之间的相位差来改变天线的波束指向。
[0089] f = 8. 6GHz频率位于CRLH漏波天线的左手辐射区域，此时波束指向后向空间， 即-X轴方向；改变CRLH漏波天线之间的相位差，从-140°到+140°每间隔40°改变（实 际操作中该相位差间隔较小，使得天线主瓣能够进行无盲点的空间覆盖，本处只是为了说 明方向图能够随着相位差的改变在y轴方向上扫描），从图4(a)到图4(i)可以看出，天线 阵的波束指向从+y轴方向连续扫描到-y轴方向，而且在同相时，波束位于y = 〇方向。
[0090] f = 8. 97GHz频率为CRLH漏波天线的左右手平衡频点处，此时波束指向X = 0方 向，即y轴上；改变CRLH漏波天线之间的相位差，从-140°到+140°每间隔40°改变，从 图5 (a)到图5 (i)可以看出，天线阵的波束指向从+y轴方向连续扫描到-y轴方向，而且在 同相时，波束位于y = 〇方向。
[0091] f = 9. 8GHz频率位于CRLH漏波天线的右手辐射区域，此时波束指向前向空间，即 +X轴方向；改变CRLH漏波天线之间的相位差，从-140°到+140°每间隔40°改变，从图 6(a)到图6(i)可以看出，天线阵的波束指向从+y轴方向连续扫描到-y轴方向，而且在同 相时，波束位于y = 〇方向。
[0092] 可以看出，通过改变频率和相位差能很好地实现该二维阵电扫描天线的二维无盲 点电扫描，验证了本发明的二维阵电扫描天线的扫描方法。
[0093] 在采取不同类型的漏波天线和天线间非等间距排列的情况下，经过多次实验同样 可以证明，本发明提出的二维阵电扫描方法能够很好地实现二维无盲点扫描的目的。
[0094] 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参 照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方 案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 一种二维阵电扫描天线，包括N个并联的复合左右手漏波天线；其特征在于，所述复 合左右手漏波天线包括M个串联的复合左右手福射单元；每个复合左右手漏波天线连接一 个馈电通道；所述馈电通道由放大器、衰减器和移相器顺序连接组成，所述放大器和衰减器 用于控制激励幅度，优化天线方向图性能；所述移相器用于控制每个通道的相位。2. 根据权利要求1所述的二维阵电扫描天线，其特征在于，所述复合左右手福射单元 为平面结构或=维波导结构。3. 根据权利要求1所述的二维阵电扫描天线，其特征在于，所述N不小于2。4. 根据权利要求1所述的二维阵电扫描天线，其特征在于，所述N个复合左右手漏波天 线呈竖直方向直线排列；所述M个复合左右手福射单元呈水平方向直线排列。5. -种二维阵电扫描天线的扫描方法，基于权利要求1-4之一所述的二维阵电扫描天 线实现，所述方法包括如下具体步骤： 步骤1)在所述天线的福射区域的频率范围内选择所需扫描的频点，记录所需扫描的 频点：fi，i = 1…L ;令 1 = 1 ; 步骤2)判断扫描频点所属的福射区域； 步骤3)在扫描频点上选取扫描的相位差值，并在选取的相位差值上依次进行相位 扫描； 步骤4)判断1是否等于L ;如果判断结果是肯定的，转入步骤6);否则，进入步骤5); 步骤5)1 = 1+1，转入步骤2); 步骤6)扫描结束。6. 根据权利要求5所述二维阵电扫描天线的扫描方法，其特征在于，所述步骤1)中在 所述天线的福射区域的频率范围内选择所需扫描的频点的具体实现过程为： 设天线的福射区域的频率范围为[fi，f2]，平衡频点值为CdJdE [f I，f2];取[fi，f。]区 间的扫描频率个数为Li,则此区间的选取的扫描频率值依次为：fi+(fa-fi)l/Li，1 = 0, 1，… Li-L ;[fe，f2]区间的扫描频率个数为L2,则此区间的选取的扫描频率值依次为：f。+成-f。） I/L2, 1 = 1，…L2;则选取的扫描频率值为：f i+(f〇-fi)l/Li，1 = 0, 1，...Li-LOJ。+成-f〇)l/ L2, I = 1，…L2;扫描个数 L = L 1+L2+I。7. 根据权利要求6所述二维阵电扫描天线的扫描方法，其特征在于，Ll和L2根据天线 的主瓣宽度确定，使天线主瓣能够随着频点变化实现无盲点空间覆盖。8. 根据权利要求5所述二维阵电扫描天线的扫描方法，其特征在于，所述步骤2)的具 体实现过程为： 当扫描频点为所述复合左右手漏波天线的左手福射区域，此时波束指向后向空间， 即-X轴方向；当扫描频点为所述复合左右手漏波天线的左右手平衡频点处，此时波束指 向X = 0方向；当扫描频点为所述复合左右手漏波天线的右手福射区域，此时波束指向 前向空间，即+X轴方向。9. 根据权利要求5所述二维阵电扫描天线的扫描方法，其特征在于，所述步骤3)中的 在扫描频点上选取扫描的相位差值的具体实现过程为： 在扫描频点上，相位差值的变化范围为：[-a，a ];变化间隔为：2 a/K，K为相位差 值的扫描个数，为整数；如果K为偶数，则扫描的相位差值依次为：-a巧a k/X k = 0,… K;如果K为奇数，则扫描的相位差值依次为：-a巧ak/K，A = 0，~[^j，0, -a巧曰k/ K, k = [y^\+\,---K .10.根据权利要求9所述二维阵电扫描天线的扫描方法，其特征在于，所述K与扫描频 点fi、所述复合左右手漏波天线的间隔有关，使天线主瓣能够随着相位差值的变化实现无 盲点的空间覆盖。
【文档编号】H01Q1/36GK105990688SQ201510065360
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月6日
【发明人】杨青山, 张云华
【申请人】中国科学院空间科学与应用研究中心