一种基于平面阵列结构的卡塞格伦单脉冲天线

摘要

本发明公开了一种基于平面阵列结构的卡塞格伦单脉冲天线，属于天线技术领域。本发明天线包括馈源、主反射面、副反射面、支撑结构以及和差网络。本发明天线的主反射面采用多块阵面组成凹槽形式的主反射面，阵面由无源单元阵列构成，单元形状为两个同心设置的正方形环。通过调节阵面上各个单元尺寸参数可实现所需的相位分布，提高了设计自由度和灵活度。本发明的卡塞格伦单脉冲天线具有高增益、体积小、易加工等优势；同时，与单块阵面构成主反射面的卡塞格伦天线相比，天线的口径效率得到改善。

说明书

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于平面阵列结构的卡塞格伦单脉冲天线。

背景技术

单脉冲雷达是在第二次世界大战后发展起来的，伴随着军事方面的需求，得到了快速发展。单脉冲天线是一种精密跟踪天线。它在单个脉冲上能同时提供多个波束，包括探测目标距离并进行距离跟踪的和波束，以及两个探测目标的方位角和俯仰角信息并进行角跟踪的差波束。单脉冲天线只需要一个回波脉冲就能获得目标的距离和全部角坐标信息。因此，它可以快速测得目标角度信息，定向精准，抗干扰能力强。

卡塞格伦天线是单脉冲天线最常用的形式之一，其基本结构包括馈源、主反射面、副反射面、支撑结构以及和差网络。其基本的工作原理是：馈源的等效相位中心发出具有球面波前的电磁波照射至副反射面上，由双曲面的几何光学特性可知该球面波也可以等效看作从双曲面的右半支焦点发射的电磁波，该电磁波照射至主反射面后进行二次辐射，并在远场区域同相叠加，形成高增益波束。与单反射面的抛物面天线相比，卡塞格伦天线具有馈线距离短、等效焦距长、设计灵活等突出优势。

平面阵列天线是结合了抛物面天线和大型阵列天线优点形成的一种新型天线。与抛物面天线相比，平面阵列天线以平面反射阵面代替抛物曲面反射面，具有易于实现灵活的波束以及质量轻、易加工的优点；与大型微带阵列天线相比，平面阵列天线采用的空间馈电方式避免了复杂馈电网路带来的损耗，提高了天线的增益和效率。2016年，电子科技大学的赵加宁利用平面阵列结构设计了一种Ka波段的卡塞格伦单脉冲天线。该天线的纵向长度只有传统等效卡塞格伦天线纵向长度的67.85％，实现了天线的紧凑化设计，但是该天线的口径效率只有22.43％。因此，如何提高平面阵列卡塞格伦单脉天线的口径效率，是本发明需要解决的主要问题。

发明内容

本发明提出了一种基于平面阵列结构的卡塞格伦单脉冲天线。该天线通过采用多块阵面组成凹槽形式的主反射面，有效改善了平面阵列结构卡塞格伦单脉冲天线口径效率低的问题，同时具有高增益、结构简单、易加工等优点。

本发明采用如下技术方案：

一种基于平面阵列结构的卡塞格伦单脉冲天线，包括馈源、主反射面、副反射面、支撑结构以及和差网络。

所述馈源为喇叭天线，设置于主反射面中心开口处，通过法兰连接后端的和差网络，并使馈源保持正馈的馈电方式。

所述支撑结构包括主反射面衬底、副反射面衬底、以及固定两者的支撑杆；所述主反射面衬底的正面用于支撑固定主反射面，所述副反射面衬底用于支撑固定副反射面。

所述副反射面为设置于主反射面正上方的金属双曲面。

其特征在于，所述主反射面的口径面为圆形；主反射面由一块正方形平面阵列、以及设置于正方形平面阵列四周的四块尺寸相同的扇形平面阵列拼接而成；所述扇形平面与正方形平面阵列之间的夹角取值为33.27度；

进一步地，所述正方形平面阵列以及扇形平面阵列由无源微带谐振单元周期排列组成，所述无源微带谐振单元包括介质基片、设置于介质基片上表面的金属贴片、以及覆盖介质基片下表面的金属层。通过调整各金属贴片的尺寸补偿空间相位差，使得馈源辐射的电磁波经过主反射面得到的反射波在预定辐射方向的垂直面上实现等相位叠加，形成高增益的笔形波束。

进一步地，所述金属贴片的形状为矩形贴片、或平行振子、或矩形环、或圆环等基本谐振单元结构，或基本谐振单元结构的组合。

进一步地，所述和差网络采用波导形式的和差器，固定于主反射面衬底的背面，为单脉冲天线提供和差信号。

相比于现有技术，本发明的有益效果：

(1)本发明天线的主反射面通过调节各无源微带谐振单元的尺寸实现所需相位分布，提高了设计自由度与灵活度。

(2)本发明天线通过采用多块阵面组成凹槽形式的主反射面，相比于同口径的单块平面反射面，波束照射到口径面边缘处入射角度减小，边缘处单元的相位补偿精度增加。因此，天线的口径效率得到了有效的改善。

(3)和差网络采用波导形式的和差器，使用标准波导进行馈电，损耗极小并且易于与天线后端模块进行电气和结构连接，大大提高了单脉冲天线的集成度。

附图说明

图1.本发明具体实施例中卡塞格伦单脉冲天线的整体结构示意图。

图2.本发明具体实施例中金属双曲面副反射面结构示意图。

图3.本发明具体实施例中四喇叭馈源结构示意图。

图4.本发明具体实施例中平面反射阵列天线单元结构示意图。

图5.本发明具体实施例中单脉冲天线和差器整体和盖板结构示意图。

图6.本发明具体实施例中单脉冲天线和差器底板结构示意图。

图7.本发明具体实施例中单脉冲天线主反射面结构示意图。

图8.本发明具体实施例中单脉冲天线单元相移曲线。

图9.本发明具体实施例中单脉冲天线和波束在频点16GHz的方向图。

图10.本发明具体实施例中单脉冲天线差波束在频点16GHz的方向图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的、优点及技术方案，以下结合具体实施例，对本发明作进一步阐述。应当说明，以下给出的具体实施例是在本发明技术方案前提下进行实施的，仅仅为了更好地解释说明本发明，并不用于限定本发明。

本实施例为一种工作于中心频点16GHz的基于平面阵列结构的卡塞格伦单脉冲天线。参见图1，本实施例的卡塞格伦单脉冲天线由主反射面1、支撑结构、副反射面3、馈源4、和差网络5构成。支撑结构包括主反射面衬底6、副反射面衬底7、以及固定连接二者的四根支撑杆2。

所述主反射面1固定于主反射面衬底6上，中间处设有口径为60mm的通孔，用于馈源4与和差网络5连接。和差网络5通过螺钉固定于主反射面衬底6的背面。副反射面3固定于副反射面衬底7上，位于主反射面1正上方75mm处。

副反射面3为铝制双曲面结构，参见图2，其口径大小为60mm。根据双曲面的几何光学特性，当馈源4发出的电磁波照射到副反射面上，可以等效为从副反射面的等效虚焦点发出的电磁波。该电磁波照射到主反射面1上经过二次反射，形成等相位高增益的定向波束。

本实施例中馈源采用四喇叭馈源，设置于中心开口处，参见图3。馈源通过法兰连接和差网络5，调整馈源位置使其以正馈方式进行馈电。

本实施例中主反射面1由一块正方形平面阵列14、以及设置于正方形平面阵列四周的四块尺寸相同的扇形平面阵列15拼接而成；扇形平面阵列与正方形平面阵列之间的夹角为33.27度；从俯视图上看，主反射面的口径为圆形，直径为210mm。相比于由单块圆形阵面构成的同口径面的主反射面，本实施例的主反射面可以有效降低阵面边缘电磁波入射角。解决了当入射角过大时，单元的移相精度降低的问题，天线的口径效率从30.7％提升至47.5％。

本实施例采用无源微带谐振单元构成平面阵列，通过改变各贴片的尺寸来补偿单元相位。这种相位补偿方式不仅具有更优的工作带宽和多极化性能，辐射效率高，同时仿真设计和加工也较为简单。本实施例单元结构参见图4，单元结构包括金属贴片8、介质基板9、金属接地层10。其中，介质基板材料采用Rogers5880，介电常数2.2，损耗角正切值为0.0009，介质基板厚度3.175mm。本实施例利用馈源相位中心到副反射面再到主反射面这一过程中每个单元中心的光程差计算出需要补偿的相位，从而确定各单元金属贴片的尺寸，得到主反射面1中贴片单元分布情况，如图7所示。

本实施例中的金属贴片由两个同心设置的正方形环构成，即同一谐振单元存在两个谐振结构。假设外部正方形环外边长为Lx1,内部正方形环外边长为Lx2,且Lx1和Lx2之间满足比例因子k。谐振单元的反射相位曲线描述了谐振单元反射相位与Lx1的关系。由于谐振单元存在两个谐振结构，因此谐振单元在Lx1的变化范围内存在两个谐振点。在谐振点附近，谐振单元的反射相位变化剧烈，相位曲线较陡峭。通过优化比例因子k，可以优化两个谐振点的位置，使得谐振单元的反射相位曲线既可以满足360°的最大相移范围，同时具有良好的线性度。本发明中的比例因子k＝Lx2/Lx1＝0.65，谐振单元的相移曲线参见图8。

本实施例中设计的和差网络由4个3dB定向耦合器和4个90度移相器组成，和差网络整体尺寸为240mm×190mm。参见图5、图6，和差器整体结构由底板和盖板两部分组成，材料均为铝制金属板。其中，盖板包含了与馈源连接口11；底板包含了和差网络挖槽部分12和标准矩形波导连接口13。

图9和图10分别展示了本实施例中卡塞格伦单脉冲天线中心频点16GHz处的和波束和差波束方向图。其中，和波束增益为27.7dB，宽度为5.3°,口径效率为47.5％。俯仰差和方位差的和差矛盾分别为3.77dB和4.2dB，差波束零深均小于-25dB。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，只用于对本发明进行具体的描述，使熟悉该项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。