专利名称：全空域覆盖波束赋形相控阵天线的制作方法
技术领域：
本发明属于飞行器目标跟踪与测控领域，特别涉及一种需要覆盖仰角0° 90°、方位360°的空域范围，并实现同时多目标跟踪的接收天线。
背景技术：
在进行飞行器多目标的跟踪与测控时，地面测控站接收天线需要同时多个独立的高增益波束覆盖仰角0° 90°、方位360°的空域范围，即半球覆盖。采用方位、俯仰二维扫描相控阵是最自然的实现方式，但是普通平面二维扫描相控阵天线一般最大扫描角不超过±60°，因此必须采用多平面表面(棱锥)或曲面共形阵列。但此种实现方式的缺点在 于二维扫描需要大量的辐射单元，且每个辐射单元均需配有对应的R组件，导致R组件数量多、成本高、功耗大。根据相关文献的研究，在平面阵、多棱锥、曲面阵中，多棱锥对有效面积的利用率最低，也就是说，为了在相同的扫描角范围内具有相当的增益水平，多棱锥需要更大的面积、更多的辐射单元，因此性价比最低。而半球面、椭球面或抛物面等曲面共形阵，由于其辐射单元的分布特点，波控码计算程序比较复杂，设计难度大，且无法方便的合成差波束。实际上在进行目标扫描与跟踪时，系统对天线的增益并不要求在仰角0° 90°均具有较高的增益。为了实现低仰角远距离检测，往往要求天线的增益与仰角呈余割平方关系，因此，可以在天线俯仰方向设计成水平方向增益最高的余割平方波束，实现仰角
0° 90°覆盖。现阶段常见的余割平方天线一般采用偏置赋形波束反射面天线，但是赋形波束反射面天线只能在俯仰面形成余割平方波束，方位面仍是窄波束，要达到多目标同时跟踪与测控，则需要多个反射面天线，且在方位面进行机械扫描。如此，则天线的扫描速度、体积、重量、成本、复杂度都是必须考虑的问题。因此，设计一种增益高、扫描速度快、可实现同时多波束、成本低、功耗小的天线，是解决多目标跟踪与测控的关键难题。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术不足，提供一种多波束、成本低、功耗小，能实现快速扫描和多目标跟踪的全空域覆盖波束赋形相控阵天线。本发明的技术解决方案为全空域覆盖波束赋形相控阵天线，包括由若干天线阵元组成的无源天线阵面、波束赋形网络、R组件、波束合成网络、以及用于产生波控码的波束控制器、用于各通路幅相校准的校准网络、用于有源电路供电的二次电源和用于安装固定的支撑结构；所述天线阵面采用圆锥台阵列，沿锥体母线方向为列方向，沿锥体周向为行方向，在列方向等间距排列，每一列为一个子阵，在行方向等间隔角排列；每个天线阵元与其对应的波束赋形网络采用背靠背方式安装；波束赋形网络、R组件、波束合成网络和校准网络之间采用射频电缆连接；波束控制器对外通过通信接口与测控终端进行双向通信，对内通过TTL接口将波控码转化为驱动电平控制各R组件的输出功率和相移。在所述天线外部有一用透波材料加工而成的天线罩。所述波束赋形网络根据赋形波束综合法计算得到的复馈电电流完成列子阵阵元馈电，合成俯仰方向的余割平方波束，实现俯仰方向0° 90°覆盖。所述R组件和波束合成网络根据波束控制器产生的波控码对所选择的列子阵信号进行功率放大、移相和波束合成，形成周向上的扫描波束，实现方位面360°覆盖。所述每个子阵对应的R组件通过等幅功分可生成多路独立信号分别进行移相，各自进入相应的波束合成网络，从而生成多个独立的和差波束实现多目标跟踪。
所述校准网络将测控终端发过来的校准信号进行等幅同相功分后通过R组件前端内含的耦合器耦合入各接收通路，给测控终端提供通路幅相信息，作为通路幅相校准的依据。本发明与现有技术相比的优点在于1.本发明采用一维赋形、一维扫描圆锥台相控阵天线的形式，在列方向通过波束赋形网络形成水平方向增益最高的余割平方波束，实现俯仰方向0° 90°覆盖，在周向方向通过相控阵波束扫描实现方位面360°覆盖；通过多通路移相和波束合成形成独立多波束解决多目标跟踪问题。2.本发明由于在俯仰方向为固定的赋形波束，只在方位面内作一维扫描，因此只需一个列子阵配备一个R组件，而无需每个辐射单元配备一个R组件，使得R组件的使用数量大大减少，降低了系统的复杂度和成本。3.本发明在俯仰方向通过波束赋形形成余割平方波束，天线的最大增益指向水平方向附近，随着仰角的上升，增益逐步下降，完全符合目标跟踪与测控的实际使用要求。4.本发明在周向方向通过相控阵技术实现波束连续扫描，远场相位波动很小，满足目标连续跟踪要求。5.本发明通过将每个子阵对应的R组件进行等幅功分生成多路独立信号分别进行移相，合成多个独立扫描的和差波束，在共用一副天线口径的情况下实现了多目标跟踪。
图1为本发明的天线整体结构示意图；图2为本发明的天线不含天线罩的斜视图；图3为本发明的天线不含天线罩的俯视图；图4为本发明的相控阵天线原理框图；图5为圆形阵激活区域示意图；图6为圆形阵坐标系示意图；图7为方位面波束扫描原理图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明。如图1、2、3、4所示，本发明的全空域覆盖波束赋形相控阵天线，包括无源天线阵面1、波束赋形网络2、R组件3、波束合成网络4、波束控制器5、校准网络6和二次电源7 ；在天线外部有一采用透波材料加工而成的天线罩8，避免天线在各种恶劣环境下可能造成的损坏；各零部件均安装在支撑结构9上，一体化设计。无源天线阵面I采用圆锥台阵列，其中阵元可用阵子天线、微带天线等形式，本实施例中采用阵子天线。所述阵元沿锥体母线方向为列方向，每一列含有Ntl个单元，以间距d(取(1>0.5λ，λ为自由空间波长)等间距排列，每一列为一个子阵；沿锥体周向为行方
向，共Mtl个子阵，以等间隔角^)排列。R组件3等功分为i(i =所需跟踪的
目标个数，本实施例中为4)路独立信号输出，分别进行移相，各自进入相应的波束合成网络4，从而生成i个独立的和差波束实现多目标跟踪。每个列子阵与其对应的波束赋形网络2采用背靠背方式安装；波束赋形网络2、R组件3、波束合成网络4和校准网络6之间采用射频电缆连接；波束控制器5对外通过通信 接口与测控终端进行双向通信，对内通过TTL接口将波控码转化为驱动电平控制各R组件3的输出功率和相移。本发明中涉及两种阵列设计方法赋形波束设计和共形阵列设计。在列方向上，每个子阵通过波束赋形网络2形成水平方向增益最高的余割平方波束，实现俯仰方向0° 90°覆盖；在周向方向，R组件3和波束合成网络4根据波束控制器5产生的波控码对所选择的列子阵信号进行功率放大、移相和波束合成，形成周向上的扫描波束，实现方位面360°波束覆盖。本发明的相控阵天线在俯仰方向采用赋形波束设计,利用Woodward_Sample综合法计算出各阵元的复馈电电流初始值，利用仿真软件和优化程序相结合的方式，实现仿真设计的多次迭代，对各阵元的复馈电电流不断优化、修正，可以获得逼近指标需求的方向图。由于需要覆盖俯仰0° 90°，波束范围较宽，阵元数Ntl不可取得太大，以免波束范围过窄；但也不能取得太小，否则无法达到理想的赋形效果。在相同阵元数量的情况下，阵元间距越小，合成的波束宽度越宽，但阵元间距也不可过小，以免阵元间互耦影响太大，导致天线性能降低，一般取d > O. 5 λ。在本实施例中，列方向Ntl采用8个阵元，间距d为O. 52λ，所组成的圆锥台锥角为16°，这样既可以保证最大波束指向在仰角0°附近，又可以兼顾仰角90°增益不过低,从而覆盖俯仰0° 90°范围。本发明的相控阵天线在方位面采用共形阵列设计，可视为以等间隔角Δρ排列在
半径为a (a为等效半径)的圆上的Mtl个子阵组成的圆形阵，如图5所示，其坐标系如图6所
示。波束扫描时，只有激活区域内的单元对增益有贡献，激活区域的大小由系统增益要求确
定。在口径一定的情况下，适当减少阵元数(对应的间隔角Δ炉比较大)可降低成本，但前提
是合成方向图不出现栅瓣。Mtl个子阵可将方位面的360°空域划分为Mtl个子空域，每个子360°
空域包含I的范围。根据系统增益和波束宽度要求，可确定天线有效面积的大小，进而选
取适当的子阵数Mtl，确定间隔角知(圆形阵的方向图函数为
Ε{θ,φ) = YjIm exp[/恤sin Θcos(炉-%) + ]}( I )
m
式中，Imexp (j ￥m)为第m号阵元的复馈电电流；k为传播常数，a为球的半径'(pm为第m号阵元在圆环上的角位置。当波束最大指向为(Qtl，&)时，阵元电流的相位应为
Wm = -βαsinθ cos(炉0 -φη)( 2 )在本发明中，方位面共Mtl = 45个子阵，间隔角为8°，锥台下端面直径8. 62 λ，上端面直径7.44 λ，台高4. 15 λ。波束扫描示意图见图7，方位面的360°空域划分为45个子空域，每个子空域包含8°的范围。每个子空域由一个波束覆盖，该波束由12个列子阵合成，并利用相扫原理在±4°的范围内扫描，从而覆盖8°的空域范围。整个空域由45个波束覆盖，波束之间的转换通过选择不同列子阵实现。举例来说，列子阵I 12形成指向方位0°的波束1，利用相扫原理，波束I可在±4°的范围内进行扫描；列子阵2 13形成指 向方位8°的波束2，利用相扫原理，波束2可在4° 12°的范围内进行扫描，波束1、2的覆盖范围交叠，不会发生因天线增益跳变过大导致信号中断的情况，同时能够保证由波束I转换到波束2时，接收信号的载波相位跳变满足测控需求。当目标连续移动时，利用开关迅速切换工作列子阵，天线的波束能够连续、快速地移动到所需指向处。天线的这一功能由R组件3、波束合成网络4和波束控制器5共同完成。本发明全空域覆盖波束赋形相控阵天线的工作流程为在未知目标来向的情况下，相控阵天线工作于搜索模式，此时只输出和波束，相控阵通过完成45个波束的切换，即可完成整个空域的搜索，判断出目标所在的子空域。之后天线转入跟踪模式，此时输出和、差单通道调制信号，测控终端根据误差信号的极性和大小解算出目标的偏轴角度，将结果反馈给波束控制器，波束控制器计算出相应的波控码不断调整天线的波束指向目标来向，完成连续跟足示。以上内容是结合具体的优选实施案例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所述技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，对本发明的各组成部件、位置关系及连接方式在不改变其功能的情况下，进行的等效变换或替代，也落入本发明的保护范围。本发明未公开的技术属本领域公知技术。
权利要求
1.全空域覆盖波束赋形相控阵天线，其特征在于包括由若干天线阵元组成的无源天线阵面(I)、波束赋形网络(2)、R组件(3)、波束合成网络(4)、以及用于产生波控码的波束控制器(5)、用于各通路幅相校准的校准网络￠)、用于有源电路供电的二次电源(7)和用于安装固定的支撑结构(9);所述天线阵面(I)采用圆锥台阵列，沿锥体母线方向为列方向，沿锥体周向为行方向，在列方向等间距排列，每一列为一个子阵，在行方向等间隔角排列；每个天线阵元与其对应的波束赋形网络(2)采用背靠背方式安装；波束赋形网络(2)、R组件(3)、波束合成网络(4)和校准网络(6)之间采用射频电缆连接；波束控制器(5)对外通过通信接口与测控终端进行双向通信，对内通过TTL接口将波控码转化为驱动电平控制各R组件(3)的输出功率和相移。
2.根据权利要求1的全空域覆盖波束赋形相控阵天线，其特征在于在所述天线外部有一用透波材料加工而成的天线罩(8)。
3.根据权利要求1的全空域覆盖波束赋形相控阵天线，其特征在于所述波束赋形网络(2)根据赋形波束综合法计算得到的复馈电电流完成列子阵阵元馈电，合成俯仰方向的余割平方波束，实现俯仰方向0° 90°覆盖。
4.根据权利要求1的全空域覆盖波束赋形相控阵天线，其特征在于所述R组件(3)和波束合成网络(4)根据波束控制器(5)产生的波控码对所选择的列子阵信号进行功率放大、移相和波束合成，形成周向上的扫描波束，实现方位面360°覆盖。
5.根据权利要求5的全空域覆盖波束赋形相控阵天线，其特征在于所述每个子阵对应的R组件(3)通过等幅功分可生成多路独立信号分别进行移相，各自进入相应的波束合成网络(4)，从而生成多个独立的和差波束实现多目标跟踪。
6.根据权利要求1的全空域覆盖波束赋形相控阵天线，其特征在于所述校准网络(6)将测控终端发过来的校准信号进行等幅同相功分后通过R组件(3)前端内含的耦合器耦合入各接收通路，给测控终端提供通路幅相信息，作为通路幅相校准的依据。
全文摘要
本发明公开了一种用于飞行器目标跟踪与测控的全空域覆盖波束赋形相控阵天线，包括由若干天线阵元组成的无源天线阵面(1)，由波束赋形网络(2)、R组件(3)、波束合成网络(4)组成的波束形成网络，以及用于产生波控码的波束控制器(5)、用于各通路幅相校准的校准网络(6)、用于有源电路供电的二次电源(7)和用于安装固定的支撑结构(9)。本发明采用一维赋形、一维扫描圆锥台相控阵天线的形式，在列方向通过波束赋形网络形成水平方向增益最高的余割平方波束，实现俯仰方向0°～90°覆盖，在周向方向通过相控阵波束扫描实现方位面360°覆盖；通过多通路移相和波束合成形成独立多波束解决多目标跟踪问题。
文档编号H01Q21/00GK103022726SQ20121052787
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月6日 优先权日2012年12月6日
发明者肖伟清, 孙向珍, 郭恒, 刘昊 申请人:北京遥测技术研究所, 航天长征火箭技术有限公司