集成宽带小型化和差相位比较网络的单脉冲天线阵列

摘要

本发明设计了一种集成宽带小型化和差相位比较网络的单脉冲天线阵列，包括小型化宽带平面和差相位比较网络和平面八木阵列天线；小型化宽带平面和差相位比较网络由双面平行带线构成，包括第一级网络和第二级网络，第一级网络包括第一级环形耦合器，第二级网络包括两个第二级环形耦合器，耦合器环形部分设置有反相器，反相器上下两层之间通过金属化通孔形成电连接。本发明增加了和差相位比较网络的带宽，并具有更小的结构尺寸，比一般的T型功分馈电网络的尺寸还小，同时不需要馈电网络到天线间的过渡结构；采用平面结构大大简化了整体构造，加工难度低，易于大规模生产，且易于同其它平面电路集成，尤其适合集成在雷达系统中，安装调试极为方便。

说明书

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及单脉冲雷达系统中的天线，更为具体地说，是涉及一种集成宽带小型化和差相位比较网络的单脉冲天线阵列。

背景技术

单脉冲雷达是一种高精密的跟踪定向雷达。单脉冲雷达可以在一个脉冲周期内，获取目标的全部方向信息及距离信息，定向精准且抗干扰力强。单脉冲天线作为单脉冲雷达的关键组件很大程度上决定了单脉冲雷达的性能，因此对单脉冲天线的研究具有重要意义。传统的单脉冲雷达多采用抛物面天线、卡塞格伦天线等，其对应的相位比较网络也多采用金属波导结构，因此存在体积大、重量大、结构复杂、成本高和不易与其它平面电路集成的缺点。此外，由于传统和差相位比较网络的带宽比较窄，会限制整个天线阵列乃至雷达系统的带宽。

发明内容

为解决上述问题，本发明设计了一种结构紧凑、宽带、易于集成并且生产成本较低的平面单脉冲天线。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

集成宽带小型化和差相位比较网络的单脉冲天线阵列，包括小型化宽带平面和差相位比较网络和平面八木阵列天线阵列；所述小型化宽带平面和差相位比较网络由双面平行带线构成，包括第一级网络和第二级网络，第一级网络包括第一级环形耦合器，第二级网络包括两个第二级环形耦合器，各级环形耦合器均具有四个端口，耦合器环形部分设置有反相器，反相器上下两层之间通过金属化通孔形成电连接，第一级环形耦合器的两个输入端口一个实现等幅同相输出进而实现和波束，另一个实现等幅反相输出进而实现差波束，第二级环形耦合器为等幅同相输出，第一级环形耦合器的两个输出端口分别与第二级网络中两个第二级环形耦合器形成电连接；所述平面八木阵列天线包括引向振子和反射板。

进一步的，所述环形耦合器中设置有梯形开路短截线。

进一步的，所述梯形开路短截线为四根，在环形耦合器内均匀设置。

进一步的，所述第一级环形耦合器具有等幅同相/反相两种输出模式。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1.通过使用一种集成反相器结构的新型环形耦合器，增加了和差相位比较网络的带宽，解决了和差相位比较网络窄带的问题。

2.具有更小的结构尺寸，比一般的T型功分馈电网络的尺寸还小，同时不需要馈电网络到天线间的过渡结构。

3.采用平面结构大大简化了整体构造，加工难度低，易于大规模生产，且易于同其它平面电路集成，尤其适合集成在雷达系统中，安装调试极为方便。

4.天线仅用单层介质板与上下两层金属敷层及少量金属化通孔构成，实例中介质板采用FR4，价格低廉，有效降低整个天线的成本。

附图说明

图1为本发明提供的集成宽带小型化和差相位比较网络的单脉冲天线阵列结构示意图。

图2为环形耦合器立体结构示意图。

图3为环形耦合器上下两层分开状态示意图，其中(a)和(b)分别为第一层和第二层示意图。

图4为反相器立体结构示意图。

图5为单个八木天线单元与环形耦合器的尺寸标示图。

图6为一个单脉冲天线阵列的正面和反面结构示意图。

图7为图6天线输入端S参数的测试结果。

图8为图6天线的E面、H面辐射方向图测试结果，其中(a)为和波束，(b)为差波束。

附图标记说明：

101-环形耦合器，102-反相器，103-金属化通孔，104-梯形开路短截线，105-引向振子，106-反射板，107-介质基片。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，集成宽带小型化和差相位比较网络的单脉冲天线阵列，包括小型化宽带平面和差相位比较网络和平面八木阵列天线。其中小型化宽带平面和差相位比较网络由多个小型新型宽带小型化环形耦合器(下简称为环形耦合器101)组成，由于引入了反相器，整个网络采用上下层金属相互对称的双面平行带线结构。

环形耦合器101结构如图2～图4所示，耦合器环形部分设置有反相器102，如图4所示，反相器上下两层之间设有金属化通孔103，该耦合器在双面平行带线上通过2个金属化通孔103使得传输线的信号与地互换从而实现反相，即相位增加180°，通常的环形耦合器通过180°的传输线来实现，这样本发明中耦合器新结构就节省了180°传输线的尺寸。同时这种反相器能提供更加宽的带宽，从而使得本发明中环形耦合器比传统的环形耦合器带宽更宽。此外，在环形耦合器101环形内部还设置有四根梯形开路短截线104，开路短截线较小的一端朝向环形中心，四根梯形开路短截线104在环形耦合器内沿环均匀分布。需要说明的是，梯形开路短截线104的形状并非为正规的梯形，由于其较大的一端在环上，因此大端边缘为弧形。梯形开路短截线设计令环形耦合器的尺寸更小。测试结果表明，相比传统环型耦合器，本发明中的环形耦合器尺寸为原来的10％，并且相对带宽达到80％。环形耦合器101有两种工作模式，一种是等幅同相输出，这样可以用于天线阵列的功分网络；另一种是等幅反相输出，这样可以实现相位相差180°的和差相位比较网络。具体地说，如图1所示，环形耦合器具有四个端口，分别为端口1、端口2、端口3、端口4，1端口输入时，2、3端口等幅同相输出，4端口隔离；4端口输入时，2、3端口等幅反相输出，1端口隔离。隔离端口接50Ω电阻保证匹配。

基于这种小型化宽带环形耦合器，本发明设计的小型化宽带和差相位比较网络包括第一级网络和第二级网络，端口一(Port1)输入为和波束，端口二(Port2)输入为差波束，如图1所示。第二级网络为等幅同相输出。具体地说，第一级网络包括第一级环形耦合器，第二级网络包括两个第二级环形耦合器，第一级和第二级环形耦合器结构均为前段所述结构。第一级环形耦合器的2、3端口分别与第二级网络中两个第二级环形耦合器中的端口1形成电连接，1、4端口为输入端口，端口1输入时为等幅同相输出，端口4输入为等幅反向输出，第二级环形耦合器中的端口4隔离并接50Ω电阻。

平面八木阵列天线包括七个引向振子105和一对反射板106，单天线的增益达到了10dBi，并且天线单元的相对带宽达到25％。组阵后天线的和波束增益达14dBi，差波束增益12.5dBi，零陷28dB。

如图1为集成宽带小型化和差相位比较网络的完整单脉冲天线示意图，整个天线阵列设置在介质基片107上，图中黑色填充为正面图形，黑色斜线为反面图形，第一级环形耦合器101实现和差比较；第二级为等幅同相输出，实现功分网络的作用。通常馈电网络的单脉冲天线需要从双面平行带线-微带线-同轴接头转换，本发明中由于应用了新结构的和差相位比较网络，只需要从双面平行带线-同轴接头，省去了中间的转换电路。天线端口一(Port1)输入为和波束，端口二(Port2)输入则为差波束。

实施数据：

图5中示出了单个八木天线单元的尺寸与环形耦合器的尺寸，下表1为一个单脉冲天线阵列的具体尺寸。

参数值(mm)参数值(mm)参数值(mm)参数值(mm)W₅₀2Ld230Ld428Ld628Lref30Wd28Wd48Wd68Wref14Ls215Ls417Ls618Ds3Ld328Ld528Ld729Wm6Wd38Wd58Wd79Lm19.5Ls317Ls517Ls720Ld23W11.9L24L15.6Ld128W25.95ds0.1Wa75Wd16Ls112.5Ws0.4R0.05

图6为该天线阵列的结构示意图。整个天线阵列采用平面电路工艺制作在介质基片上。实例中介质基片采用了厚度为1mm的介电常数为4.4的FR4敷铜板。图7为在实际天线的两个输入端口处S参数的测试结果。图8为和差波束的天线辐射方向图。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。