一种低成本广角波束覆盖相控阵天线系统的制作方法

本发明属于相控阵天线技术领域，具体涉及一种低成本广角波束覆盖相控阵天线系统。

背景技术：

相控阵天线是随着雷达系统发展而诞生的产物。由于其波束可控、响应速度快、用途广泛等特点，多年来一直是天线领域研究的热门课题，同时也是高性能雷达或通信系统最先考虑的天线之一。传统的相控阵天线是由多个单元紧密排列构成，在不出现栅瓣的前提下单元间距是工作频率对应的半波长左右，通过独立控制每个单元的输入信号，改变其幅度、相位或时间延迟来实现天线的波束的扫描。因此，在每个单元后端都需要一组t/r组件来对收发信号进行控制，这便使得系统的成本无法降低，而且带来了空间利用、散热处理、功耗、控制电路、供电电路、结构设计等一系列复杂的问题。传统相控阵的例子在专利“cn201510568051.9”，“cn201610790949.5”中有具体描述。

对于有高定向性要求的天线来说，用相控阵天线来实现需要极大数量的单元，而且需要同等数量的t/r组件、移相器或延时器等等配套电路，这就造成了天线成本极其昂贵。以ka频段为例，以单元间距5mm排列阵面，并用微带贴片天线作为单元，要得到36dbi以上的增益，常规的方形面阵需要布置40*40(1600)个单元，则同时需要相同数量的后端射频组件来配合。由此才能实现二维空间的波束可调。

伴随着多个单元而产生的另一个问题就是功耗及散热，这种情况通常发生在阵元个数多的大型相控阵雷达上。由于众多单元的同时使用，导致相控阵天线发热量极大，而单元间距需维持在半波长左右，所以能预留的散热空间有限。因此许多大型的相控阵无法长时间不间断工作。

普通的相控阵沿轴向的波束覆盖角只能达到±60°，这将在一定程度上约束了相控阵的性能，如文献“adual-bandwide-anglescanningphasedarrayantennaink/kabandsforsatellite-on-the-moveapplications”(发表期刊：201711theuropeanconferenceonantennasandpropagation；发表日期：2017年3月；作者：kamilyavuzkapusuz,aydincivi,alexanderg.yarovoy)介绍的相控阵天线。

综上所述，相控阵应该向更低的生产成本，更大角度的波束覆盖范围，同时具有多个波束、降低功耗以及可持续不间断工作的目标进行发展。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种低成本广角波束覆盖相控阵天线系统，解决现有的相控阵天线生产成本较高，波束覆盖角度范围较窄的问题。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案实现：

一种低成本广角波束覆盖相控阵天线系统，包括至少一个天线单元，每个所述天线单元包括一个龙伯透镜、至少一个可切换馈源以及至少一个收发链路，所述可切换馈源位于所述龙伯透镜下方，所述收发链路与所述可切换馈源实现信号连接。

进一步地，作为优选技术方案，包括多个用于组建大间距阵列的天线单元，大间距阵列外围布置至少一个栅瓣消除单元，每个所述天线单元包括一个龙伯透镜、至少一个可切换馈源以及至少一个收发链路，所述可切换馈源位于所述龙伯透镜下方，所述收发链路与所述可切换馈源实现信号连接。

进一步地，作为优选技术方案，所述龙伯透镜采用3d打印制成，形状可以

为球形、扁平圆柱形或者其他形状。

进一步地，作为优选技术方案，所述可切换馈源为微带天线、vivaldi天线、喇叭天线、八木天线中的任意一种。

进一步地，作为优选技术方案，所述收发链路包括依次连接的至少一个射频单刀多掷开关、至少一个t/r组件、至少一个移相器。

进一步地，作为优选技术方案，所述收发链路为单波束高增益广角波束覆盖情况下的有源相控阵天线的收发链路，或者多波束阵列天线的收发链路，或者单龙伯透镜多馈源的多波束天线收发链路，或者其他形式的射频单收、单发或收发链路。

进一步地，作为优选技术方案，所述收发链路为单波束高增益广角波束覆盖情况下的有源相控阵天线的收发链路，所述天线单元包括多个龙伯透镜，每个龙伯透镜的下方设有多个可切换馈源，每个可切换馈源依次连接滤波器、放大器、移相器。此外，可根据实际使用情况将开关置于滤波器、放大器、移相器的后端，采用低频开关进行波束切换或者收发切换。

进一步地，作为优选技术方案，所述收发链路为多波束阵列天线的收发链路，所述天线单元包括多个龙伯透镜，每个龙伯透镜下方设置多个单刀多掷开关，每个单刀多掷开关依次连接滤波器、放大器、移相器。开关位置也可改变，置于链路最后端。

进一步地，作为优选技术方案，还包括天线罩和底座，所述天线罩扣合在底座上，所述天线单元位于天线罩。

进一步地，作为优选技术方案，还包括支架，所述支架设置在龙伯透镜下方，支架上设有与龙伯透镜的形状相匹配的凹槽，所述凹槽内设有若干贯穿凹槽的通孔，所述支架下方为镂空结构。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明通过将传统相控阵天线的阵元局部整合，用龙伯透镜来构造一个相对传统单个辐射单元较高增益的，进行大间距组阵来减少阵元个数，与40*40阵元的传统相控阵天线对比，本发明提出的龙伯透镜天线单元的直径是30mm，并在其下方布置了37个平面微带可切换馈源，以此单元做成相控阵天线，按照本发明所用的均匀六角形布阵仅仅需要91个单元便可以达到36dbi的辐射增益，并且本发明波束的覆盖范围达到±70°以上，相比传统的相控阵天线，本发明将后端射频组件数量由1600个减少到91个便能达到同样的效果，可以极大节省成本。

(2)本发明对微带贴片馈源进行了小型化处理，单个馈源最大口径仅4.4mm，结合广角波束覆盖的需求，在单个龙伯球型透镜下方布置了37个相同的微带贴片馈源，保证该天线单元的辐射波束覆盖角达到±70°以上，根据龙伯透镜的中心对称原理，可进一步将波束覆盖角增大，甚至达到±80°之多，且辐射性能不会变差。

(3)本发明通过采用3d打印技术来制作龙伯透镜，与传统的发泡技术相比，3d打印对材料的控制更加精准，所制作的透镜更接近理论情况，改善了传统龙伯透镜重量大、插损大的不足之处。

(4)本发明采用大间距的布阵方式为后端射频组件预留了较大的空间，不论是射频组件的摆放还是散热、支撑的处理都更加方便灵活；每个龙伯透镜下方均由多个可切换选择的馈源，通过合理的射频设计可实现多波束辐射及波数扫描；由于龙伯透镜具有的中心对称性，当需要广角波束覆盖时，只需要在相对应的角度上增加馈源即可实现，并且不会出现传统相控阵天线大角度扫描时波束增益会下降的问题。

附图说明

图1为本发明的剖视图；

图2为本发明的天线单元的俯视图；

图3为本发明的龙伯透镜天线单元的组成结构示意图；

图4为单波束高增益广角波束覆盖情况下的有源相控阵天线信号收发链路的结构示意图；

图5为多波束阵列天线的信号收发链路的结构示意图；

图6为单个龙伯透镜使用情况下的多波束天线信号收发链路的结构示意图；

图7为本发明单透镜下四个馈源的辐射方向图；

图8为本发明的广角波束覆盖有源相控阵天线的部分波束指向方向图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

本发明设计的天线工作频率为29ghz～31ghz，图1为本发明的剖视图，包括如下部分：天线罩101，天线罩可根据实际使用情况选取不同材料、形状以及性能的天线罩，图中仅作示意；整个天线的底座102，用来支撑整个相控阵天线，包括天线及射频组件；龙伯透镜天线单元200；栅瓣消除单元300，该相控阵天线的布阵方式会形成6个栅瓣，所以在相应位置摆放对应的6个消除单元。本实施例所述的龙伯透镜可根据不同的使用场景设计圆柱形、半球形等多种可3d打印的各种形状。

如图2所示为本发明的天线单元的俯视图，可以清楚的看到，龙伯透镜天线单元200按照均匀六角形形布阵的方式摆列了6圈，总共91个单元。在六条边的外侧分别排布了6个栅瓣消除单元300。本发明中龙伯透镜天线单元200之间的间距为51mm，达到工作中心频率的5个波长，所以会产生栅瓣。由于每个天线单元的辐射具有较高增益、较低旁瓣的特点，所以阵列最终只产生了6个具有较大影响的栅瓣，在阵列外围选取合适的六个位置分别放置微带辐射单元，并通过后端的射频组件进行幅相调整便可以实时地消除阵列栅瓣。除此之外，还可以用非周期结构、等效相位中心偏移、利用不同的阵元等多种方式进行栅瓣消除。

图3为本发明龙伯透镜天线单元200的具体结构图，自上而下依次为龙伯球型透镜201，多个微带贴片馈源202，进行馈电的同轴接头203，以及支撑固定上面各部分的六边形柱状支架204。本发明所用的龙伯球型透镜201是3d打印而成，材料轻巧，采用镂空设计，对相控阵天线整体有很好的减重效果。本发明设计的微带贴片馈源202进行了小型化处理，单个馈源最大口径仅4.4mm，结合广角波束覆盖的需求，在单个龙伯球型透镜下方布置了37个相同的微带贴片馈源，保证该天线单元的辐射波束覆盖角达到±70°以上。根据龙伯透镜的中心对称原理，可进一步将波束覆盖角增大，甚至达到±80°之多，且辐射性能不会变差。根据微带贴片馈源202的设计选用了尺寸较小的同轴接头203(ssmp)。在六边形柱状支架204的内部设计了用于固定馈源的结构，龙伯球型透镜201置于馈源上方的半球形凹槽内部，并用多个紧固柱206来固定，凹槽内设置多个通孔205，同轴接头203穿入通孔205中，该支架204下方为镂空结构，便于射频线路的摆放以及与后端射频组件的连接。

下面，本发明将介绍以该天线为硬件基础的三种使用说明：

图4所示为本发明最基础的使用方式，单波束高增益广角波束覆盖情况下的有源相控阵天线信号收发链路，包含多个龙伯透镜201a，201b…，每个透镜下方有多个可切换的馈源202a1,202a2…，202b1,202b2…分别在对应的龙伯透镜下方。接着在天线下方是射频单刀多掷开关401a，401b…，用来切换需要使用的馈源，由相控阵天线需要辐射的空间来决定。再往下依次为滤波器402a，402b…，放大器403a，403b…，移相器404a，404b…，最后通过合路器405汇总。以上述91元均匀六角形阵列为例，根据37个馈源的摆放将该相控阵天线的辐射空域分割为37个子空间，根据工作需求进行选择，假设辐射区域落在202a1,202b1…的辐射子空间，则需要将开关切换到相应的馈源位置，进一步的在该区域内进行辐射波束的精确指向，需要放大器及移相器的精确控制，来完成高增益的波束合成。最后通过整个阵列外围的栅瓣消除单元进行实时的栅瓣消除。该系统收发链路的特点是可以进行高功率的工作，辐射波束有很高的定向性，可以进行大范围的波束扫描，但同时只能有一个波束产生。

图5所示为一种多波束阵列天线的信号收发链路，其结构与图4所示结构相似，不同之处在于，透镜下方的射频组件500a，500b包含多路收发链路，每个龙伯透镜201下方包首先是多个单刀多掷开关501aa、501ab…，502aa、502ab…，在每个开关下方依次为滤波器502a，放大器503a，移相器504a，图中只作示意性的标注。从图中可以看出，开关501aa，501ba…下方的射频组件汇集到了合路器505a，开关501ab，501bb…下方的射频组件汇集到了合路器505b，合路器之间相互独立，这样便可根据实际需求同时进行多个辐射波束的合成。

图6展示了一种单个龙伯透镜使用的情况，是一种多波束天线信号收发链路示意，在龙伯透镜201下方有多个馈源202a，202b…，该链路去除了开关，每个馈源下方都有各自独立的射频收发组件，滤波器601a，601b…，放大器602a，602b…，移相器603a，604b…。该链路每一个馈源都可以进行独立的信号收发，拥有多波束辐射的特点，但每个波束不具备扫描功能。

除上述所示三种收发链路外，本发明设计的天线可拓展更多的使用方式，本发明在此不再逐一说明。最后利用cstmicrowavestudio对开始所提的91元均匀六角形阵进行建模仿真，得到如下结果：

首先单个龙伯透镜天线单元的波束覆盖范围达到-70°～+70°以上。如图7所示分别显示了其中波束指向为0°、20°、40°和60°的仿真结果。可见该单元在波束指向大角度时增益并未下降，波束也没有变形，可以确保组阵后天线的辐射性能。

由于91阵元模型较复杂，本发明给出波束指向法向时的仿真结果，以此说明栅瓣消除的效果及其增益情况。如图8所示，在0o指向增益达到36db以上，最高旁瓣在-13db以下，说明了本发明的可行性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。