專利名稱：一種基于互耦控制的低成本相控陣天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)、雷達技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于有效控制陣元間互耦的、低成本、重量輕的稀疏周期相控陣天線，可以用于相控陣雷達等波束掃描系統(tǒng)中。
背景技術(shù)：
天線陣列作為通信和雷達系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，為電磁波的高效率輻射和接收提供了可能，即將電磁信號從導(dǎo)波模式轉(zhuǎn)換為自由空間中的輻射模式，或相反的過程。出于波束掃描的需要，早期的天線陣采用機械掃描方式進行，但是波束掃描的速度很慢，同時一旦天線陣列設(shè)計完成之后，陣列波束就固定下來，不能進行靈活的控制。相控陣天線則利用對各個陣元激勵相位和幅度的獨立控制，通過電調(diào)的方式，可以快速進行波束掃描，同時也可以實現(xiàn)天線波束形狀的快速變換。此外，相控陣天線還具有很多其他方面的獨特優(yōu)勢，例如多目標搜索與跟蹤、高搜索數(shù)據(jù)率和跟蹤數(shù)據(jù)率、自適應(yīng)空間濾波能力與自適應(yīng)空時處理能力等等。但是，相控陣天線的造價非常高昂，使得對成本尤其看重的民用領(lǐng)域望而卻步，一般在對性能要求很高的軍用領(lǐng)域才會使用相控陣天線。同時在一些特殊的應(yīng)用場合，例如機載相控陣天線，重量也是限制其應(yīng)用的關(guān)鍵指標。眾所周期，連接于各個陣元的饋電網(wǎng)絡(luò)、移相器、收發(fā)組件、放大器等等組件占用了相控陣天線大部分的成本和總重量，顯然，越多的陣元就意味著越高昂的成本和越大的重量。在普通的相控陣系統(tǒng)中，首先越多的陣元數(shù)目就需要越多的饋電網(wǎng)絡(luò)端口與之相連，這無疑增加了饋電網(wǎng)絡(luò)插入損耗，而在整個相控陣天線中，這些損耗是導(dǎo)致系統(tǒng)增益和陣列總效率下降的直接元兇之一；再者，越大的陣元數(shù)目就需要越多的收發(fā)組件、移相器等與之對應(yīng)，即更多的重量會附加在相控陣系統(tǒng)中，使得相控陣天線的重量隨陣元數(shù)量成比例增長。很明顯的是，在高增益的相控陣天線系統(tǒng)中，如果希望有效地減小相控陣天線的成本和重量，最直接的方法就是減小陣元的數(shù)目，稀疏天線陣正是為解決這些問題而發(fā)明的。通過特殊的優(yōu)化設(shè)計過程，例如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法(Particle-Swarm Optimization)等，稀疏天線陣可以實現(xiàn)方向圖掃描、較大的陣元間距和較窄的波束。對于小型的稀疏陣列來講，這些優(yōu)化算法能夠在可以接受的時間內(nèi)完成可以承受的優(yōu)化工作量，但是對于大型的陣列而言，這些優(yōu)化算法所需的時間已經(jīng)不能被接受。再者，稀疏天線陣自身的一些缺點也決定了它不是某些大型相控陣天線的首選，例如它的低口徑效率造成寶貴的天線口徑資源的浪費等。第三，一般的稀疏陣列都是非周期性的，除了非周期結(jié)構(gòu)自身設(shè)計的困難外，較之周期性結(jié)構(gòu)，也存在加工、建造等更深層次的問題。周期性陣列仍然是目前研究應(yīng)用最為廣泛的陣列類型，它的設(shè)計可以參照目前已經(jīng)較為成熟的陣列設(shè)計理論和實踐經(jīng)驗，得到更為精確的結(jié)果。周期性的稀疏陣列天線雖然可以解決非周期性帶來的某些困難，但會導(dǎo)致電性能方面的惡化，例如較大的陣元間距會造成天線陣的副瓣增加、陣元間互耦的影響較大、掃描角度被限制在一個較小的范圍內(nèi)等等，且目前對周期性稀疏陣列天線的研究及應(yīng)用均很少。在一般的天線陣設(shè)計中，互耦是一個非常不利的因素，它會造成陣列方向圖的畸變、陣元輸入阻抗及匹配狀態(tài)的變化、陣列掃描角的減小等等，因此在天線陣設(shè)計的過程中人們往往采用抑制互耦的方法，使它的影響降低到最低限度，例如在陣元之間加電磁帶隙結(jié)構(gòu)(EBG)結(jié)構(gòu)、刻槽等等手段，達到抑制互耦的目的。這些方法可以取得一定的效果，但是這些結(jié)構(gòu)的引入無疑使天線陣的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，無形中也增加了天線陣的成本、重量或設(shè)計難度。另外一種選擇則是首先將互耦的影響考慮到每個陣元設(shè)計當中，然后在整個天線陣設(shè)計的過程中，就適當考慮了互耦影響的因素，但在實際的相控陣應(yīng)用中，陣元間的互耦、陣元的輸入阻抗等都會隨著掃描角的變化而變化，所以這種方法并不能較精確的將互耦的不利影響考慮到天線陣設(shè)計的當中。既然互耦的抑制是一項如此復(fù)雜的工作，反之在天線陣設(shè)計過程中利用互耦的影響、使其成為對設(shè)計有益的因素是一個較好的選擇。實際上，這種想法已經(jīng)在寬帶相控陣天線上得到應(yīng)用，在美國的幾所大學(xué)和公司里，以Ben Munk等人在寬帶相控陣天線的研究為代表，有意增加陣元之間的互耦，達到降低天線陣最低工作頻率的目的。這種天線陣的最低工作頻率由天線陣的總尺寸決定，滿足在最低頻率處的波長和天線陣的總大小相當；最高工作頻率由陣元間距決定，滿足陣元間距小于半個波長。這種天線陣列雖然可以工作于很寬的帶寬內(nèi)，但是在高頻段由于陣元間距很小(比如當高頻段位于Ku及更高的頻段時，陣 元間距只有毫米量級)，使得用于放置其他各電路組件的空間過于狹小，甚至沒有足夠的空間布置其他組件，例如移相器、收發(fā)組件、放大器等等。另外，對于基于強互耦的寬帶陣列，由于陣元同樣是緊密排列于陣列口徑面上，當陣列中陣元數(shù)量很大時，同樣會有成本過高、重量較大等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有相控陣天線的成本和重量問題。在不降低天線陣口徑效率、增益等性能的基礎(chǔ)上，利用陣元之間的互耦，實現(xiàn)周期性的稀疏天線陣列，達到減小饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度和損耗、減少直接饋電陣元和相關(guān)組件/部件數(shù)量的目的。該發(fā)明可以用作構(gòu)建應(yīng)用于軍事及民用領(lǐng)域的低成本、高性能相控陣天線。本發(fā)明所述的一種基于互耦控制的低成本相控陣天線，包括新型的線性/平面/其他曲面相控陣天線結(jié)構(gòu)、互耦控制和利用的思想及方法。該相控陣天線由饋電陣元(直接饋電的陣元)和啞元(非直接饋電的陣元)共同構(gòu)成輻射口徑，饋電陣元通過饋電網(wǎng)絡(luò)直接激勵，啞元則通過互耦間接激勵，形成對饋電單元而言是稀疏的、而對陣列口徑而言是密布的新型周期性陣列。本發(fā)明利用帶移相器的耦合結(jié)構(gòu)來控制陣元間互耦的幅度和相位，進而靈活控制相鄰啞元上由互耦激起的電流或電場。整個相控陣天線的波束掃描和變換能力則通過同時控制饋電陣元和耦合網(wǎng)絡(luò)的幅度與相位實現(xiàn)。在構(gòu)建一維相控陣天線時，饋電陣元、耦合網(wǎng)絡(luò)和啞元分布于陣列的軸線上，可直接通過控制饋電陣元和耦合網(wǎng)絡(luò)的幅度與相位，達到陣列口徑上所有陣元的電場或電流按照所需要的規(guī)律分布，實現(xiàn)波束掃描或變換。當用于構(gòu)建二維陣列時，有兩種可行的方法，其一是將饋電陣元、啞元和相應(yīng)的耦合網(wǎng)絡(luò)排布在一個維度上，在另一個維度上則根據(jù)普通密布陣列的形式排列，通過同時控制饋電單元和耦合網(wǎng)絡(luò)的幅度與相位，實現(xiàn)在一個維度上饋電陣元稀疏排布的二維相控陣天線；其二是同時將饋電陣元、啞元和相應(yīng)的耦合網(wǎng)絡(luò)排布在兩個維度上，通過控制饋電陣元和耦合網(wǎng)絡(luò)的幅度與相位，實現(xiàn)在兩個維度上饋電陣元均為稀疏排布的二維相控陣天線。其他形式的曲面相控陣天線可以由同樣的構(gòu)建方法進行構(gòu)建。本發(fā)明中構(gòu)建的新型相控陣天線不受陣元形式的限制，可以由不同的陣元形式實現(xiàn)，例如微帶天線、縫隙天線、半波偶極子等等，同時可以用于各種工作頻率和各種極化形式的相控陣天線中，例如中波、短波、射頻、微波、毫米波和亞毫米波等頻率。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是普通周期陣列陣元之間的互耦雖然對天 線陣性能的影響比較明顯，但這種強度的互耦還不足以促使新型相控陣天線的發(fā)明，同時這種互耦往往是通過空間、表面波等方式進行，不容易甚至不可能靈活控制。和普通周期陣列相比，本發(fā)明中的陣列是通過故意增強并控制陣元之間的互耦來實現(xiàn)的。當可以通過特殊手段控制陣元間互耦的幅度和相位時，便可以靈活控制耦合到相鄰陣元上的電流或電場，當在兩陣元上的電流相位和幅度滿足不同的關(guān)系時，便可實現(xiàn)不同的輻射方向圖和波束掃描角。也就是說，此時相控陣天線有部分陣元沒有直接饋電，但是其性能和普通全饋電的天線陣沒有區(qū)別；另一方面講，對于同樣的陣列，利用本發(fā)明可以在不損失電性能的基礎(chǔ)上，大大減小所需要的饋電網(wǎng)絡(luò)輸入/輸出端口、收發(fā)組件、放大器等組件/部件的數(shù)量，因為在相控陣系統(tǒng)中，這些組件占據(jù)了整個系統(tǒng)的很大一部分造價，所以本發(fā)明對降低相控陣系統(tǒng)的成本有著實質(zhì)性的作用，同時也可以顯著地減輕整個相控陣系統(tǒng)的重量。例如，兩種陣元可以交替排列在陣列口徑面上，這樣只需對其中總陣元數(shù)的一半直接激勵既可實現(xiàn)所需的效果，也可以按照每個饋電陣元附帶兩個啞元的方式進行排布，這樣就只需要對三分之一的陣元直接激勵，可以實現(xiàn)更低的造價和更小的重量。另外眾所周知，系統(tǒng)的可靠性和構(gòu)成該系統(tǒng)的組件數(shù)量成反比，越多的組件數(shù)量即意味著越低的系統(tǒng)可靠性，所以本發(fā)明也可以在不降低陣列性能的基礎(chǔ)上，通過減少所需組件的數(shù)量有效地提高系統(tǒng)的可靠性。雖然本發(fā)明中的陣列是一種稀疏天線陣，但是和普通非周期稀疏天線陣相比，在設(shè)計方法、電氣性能等方面有著較大的不同。首先，普通非周期的稀疏天線陣需要經(jīng)過特殊的優(yōu)化過程才能到達低副瓣等電性能，對于口徑較小的陣列而言，這種優(yōu)化過程也許可以較快地完成，但是當口徑相對較大、所需的陣元數(shù)量較多時，這種優(yōu)化過程所需要的時間往往難以承受，大大增加陣列的設(shè)計時間和設(shè)計難度。而本發(fā)明中的周期天線陣列，可以直接采用幾十年來已經(jīng)相對成熟的研究成果，設(shè)計出不同性能的天線陣。其次普通非周期稀疏天線陣口徑效率往往較緊密排布的周期陣列低，當用作高增益、高分辨率相控陣天線時，天線口徑這一寶貴資源的利用率也直接或間接地決定著相控陣系統(tǒng)的構(gòu)建成本、結(jié)構(gòu)設(shè)計難度等指標，而較小陣列口徑效率往往也預(yù)示著陣列設(shè)計的失??；但對于本發(fā)明中的周期陣列來講，則兼具普通密布周期陣列的高口徑效率和稀疏陣列較少的饋電陣元數(shù)量等優(yōu)勢，較好地克服了普通非周期稀疏天線陣的缺點。以上幾點僅僅是本發(fā)明具有的眾多有益效果的幾個典型例子，對改善目前相控陣天線系統(tǒng)成本高、重量大等缺點有著實質(zhì)性作用。


圖I (a)是普通線性天線陣中陣元間的互耦示意圖；圖I (b)是普通二維天線陣中陣元間的互耦示意圖2(a)是本發(fā)明中的新型陣元及線性陣列結(jié)構(gòu)示例之一；圖2(b)是本發(fā)明中的新型陣元及線性陣列結(jié)構(gòu)示例之二 ；圖2(c)是本發(fā)明中的新型陣元及線性陣列結(jié)構(gòu)示例之三；圖2(d)是本發(fā)明中的新型陣元及線性陣列結(jié)構(gòu)示例之四；圖3(a)是本發(fā)明中的新型二維陣列陣元示例之一；圖3(b)是本發(fā)明中的由第一種二維陣列陣元構(gòu)成的二維天線陣結(jié)構(gòu)示例；圖4(a)是本發(fā)明中的新型二維陣列陣元示例之二 ；圖4(b)是本發(fā)明中的由第二種二維陣列陣元構(gòu)成的二維天線陣結(jié)構(gòu)示例；圖5(a)是本發(fā)明中的新型二維陣列陣元示例之三；圖5(b)是本發(fā)明中的由第三種二維陣列陣元構(gòu)成的二維天線陣結(jié)構(gòu)示例；圖6是差分饋電的微帶天線(在此做為本發(fā)明的具體實施方案示例之用)；圖7(a)是由微帶天線陣元構(gòu)成的、基于本發(fā)明中第一種線性陣列結(jié)構(gòu)(如圖2a)的E面陣列示例之一；圖7(b)是由微帶天線陣元構(gòu)成的、基于本發(fā)明中第一種線性陣列結(jié)構(gòu)(如圖2a)的E面陣列示例之二；圖7(c)是由微帶天線陣元構(gòu)成的、基于本發(fā)明中第二種線性陣列結(jié)構(gòu)(如圖2b)的E面陣列示例之一；圖7(d)是由微帶天線陣元構(gòu)成的、基于本發(fā)明中第三種線性陣列結(jié)構(gòu)(如圖2c)的E面陣列示例之一；圖8(a)是由微帶天線陣元構(gòu)成的、基于本發(fā)明中第一種線性陣列結(jié)構(gòu)(如圖2a)的H面陣列示例之一；圖8(b)是由微帶天線陣元構(gòu)成的、基于本發(fā)明中第一種線性陣列結(jié)構(gòu)(如圖2a)的H面陣列示例之二；圖8(c)是由微帶天線陣元構(gòu)成的、基于本發(fā)明中第二種線性陣列結(jié)構(gòu)(如圖2b)的H面陣列示例之一；圖8(d)是由微帶天線陣元構(gòu)成的、基于本發(fā)明中第三種線性陣列結(jié)構(gòu)(如圖2c)的H面陣列示例之一；圖9是四單元相控陣天線的增益仿真和測試曲線；圖10是四單元相控陣天線的反射系數(shù)仿真和測試曲線；圖11是四單元相控陣天線的方向圖仿真和測試曲線；圖12是本發(fā)明中新型相控陣系統(tǒng)示意具體實施例方式下面結(jié)合附圖，以微帶天線為陣元對本發(fā)明技術(shù)方案進行詳細說明，但是本發(fā)明的保護范圍不局限于所述實施示例。
圖1(a)描述了線性天線陣Ia中，陣元11間的互耦情況，相鄰陣元間的互耦要顯著高于非相鄰陣元。類似地，圖1(b)描述了二維天線陣Ib中陣元12間的互耦，同樣相鄰陣元互耦要顯著高于非相鄰陣元或?qū)顷囋试诒景l(fā)明中只考慮相鄰陣元間的互耦。作為示例，設(shè)如圖1(a)所示的一維線性陣列Ia是E面(或H面)陣列，那么第i個和第i+1個陣元間互耦就可以用Ce(或Ch)表示。在通常的相控陣天線設(shè)計過程中，人們往往希望消除或最大限度地抑制Ce(或Ch)，采用的方法包括加電磁帶隙結(jié)構(gòu)等，使得最終的陣列結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計和加工成本增加，同時也會降低陣列的可靠性。對于二維陣列Ib而言，也存在同樣的問題，可以假設(shè)該陣列的E面和XZ面重合、H面和yz面重合，人們采用多種特殊手段來抑制CE、Ch或兩者，也會帶來上述復(fù)雜的陣列結(jié)構(gòu)和成本等問題。 在本發(fā)明中，采取的方案不是抑制陣元間的互耦，而是增強和控制它，使得陣列中部分陣元可以直接通過互耦傳遞的能量進行激勵，這樣由饋電網(wǎng)絡(luò)提供的能量便可以通過互耦更合理地分布在陣列的口徑上，從而達到提高天線陣效率、減少直接饋電的陣元數(shù)量、降低天線陣成本的目的。在構(gòu)建一維相控陣天線時，饋電陣元、耦合網(wǎng)絡(luò)和啞元分布于陣列的軸線上，可直接通過控制饋電陣元和耦合網(wǎng)絡(luò)的幅度與相位，達到陣列口徑上所有陣元的電場或電流按照所需要的規(guī)律分布，實現(xiàn)波束掃描或變換。圖2 (a)給出了如何利用互耦構(gòu)建第一種線性天線陣列的示例。其中每一個饋電陣元201被兩個啞元202包圍形成一個新的陣元21，新陣元21以周期2d排列于水平方向上，形成一個均勻的周期性線性陣列2a。在新陣列2a中，對于饋電陣元201而言，該陣列是稀疏的。值得注意的是，該陣列并不受極化等限制，水平方向可以是陣列的E面或H面，同時對于圓極化、雙極化等形式也同樣適用。通過合理設(shè)計饋電陣元201和啞元202之間的、帶移相功能的耦合結(jié)構(gòu)203，它們之間的互耦便可以得到合理地控制，使得耦合到啞元202上的能量和饋電陣元201在幅度和相位上保持一致，這時該新型陣列2a便為側(cè)射陣列。此時饋電陣元201和啞元202對天線的方向圖、增益等指標起著同等重要的作用，對于陣列2a的口徑而言，該陣列可以等效為輻射陣元(包括饋電陣元201和啞元202)周期性密布的普通陣列，故可以實現(xiàn)和普通周期密布陣列相當?shù)妮椛湫阅?。同樣，通過恰當?shù)卣{(diào)節(jié)耦合結(jié)構(gòu)203，可以達到控制互耦幅度和相位的目的，整個相控陣天線的波束掃描和變換能力便可通過同時控制饋電陣元201和耦合網(wǎng)絡(luò)203的幅度與相位實現(xiàn)。在天線陣2a中，饋電陣元201的數(shù)量僅僅為總陣元數(shù)的二分之一，與其連接的各射頻、微波、毫米波或亞毫米波組件的數(shù)量便可降低到普通陣列的二分之一，從而大大降低整個相控陣天線的成本?？梢钥闯?，這樣的設(shè)計方案不但具備稀疏陣列低成本、饋電陣元少的優(yōu)勢，同時在輻射特性上也具備普通密布周期陣列的高口徑效率、低副瓣等特性，再者相關(guān)的普通密布周期陣列設(shè)計理論和方法也可以直接應(yīng)用于該陣列的設(shè)計中，避免了非周期稀疏陣列設(shè)計的一系列麻煩。圖2(b)給出了本發(fā)明中的新型陣元22及第二種線性陣列結(jié)構(gòu)示例2b。在這種方案中，每一個饋電陣元201被兩個啞元202包圍，形成一個新的陣元22，因此饋電陣元201的數(shù)量為總陣元數(shù)量的三分之一，另外三分之二則為通過利用互耦間接饋電的啞元202。故可以很大程度上降低相控陣系統(tǒng)的成本和重量。圖2(c)給出了本發(fā)明中的新型陣元23及第三種線性陣列結(jié)構(gòu)示例2c。該方案中每一個啞元202被兩個饋電陣元201包圍，形成以新陣元23為陣元、以3d為周期的新型陣列2c。其中對饋電陣元201而言，該陣列為一個新型的稀疏天線陣，通過調(diào)節(jié)具有移相功能的耦合結(jié)構(gòu)203，在啞元202和饋電陣元201上可以得到所希望的電流或電場分布，使得在陣列2c的輻射口徑上，陣元(包括饋電陣元201和啞元202)可以等效為周期為d的密布排列，所以同樣有著和普通密布周期陣列相當?shù)妮椛湫阅?。同樣，整個相控陣天線的波束掃描和變換能力便可通過同時控制饋電陣元201和耦合網(wǎng)絡(luò)203的幅度與相位實現(xiàn)。同時，相比普通周期性密布陣列(周期為d)，該陣列同樣可以節(jié)約大量的成本、并減輕很多的重量。圖2(d)給出了本發(fā)明中的新型陣元24及第四種線性陣列結(jié)構(gòu)示例2d。在此陣列2d中饋電陣元201和啞元202雖然也是交錯排列于水平方向上，但是每一個饋電陣元201通過具有移相功能的耦合結(jié)構(gòu)203為一個啞元202提供能量，故在此陣列2d中，每個新陣元24由一個饋電陣元201和一個啞元202構(gòu)成，可以為新型的相控陣節(jié)約一半的饋電陣元數(shù)量。
當用于構(gòu)建二維陣列時，有兩種可行的方法，其一是將饋電陣元、啞元和相應(yīng)的耦合網(wǎng)絡(luò)排布在一個維度上，在另一個維度上則根據(jù)普通密布陣列的形式排列，通過同時控制饋電單元和耦合網(wǎng)絡(luò)的幅度與相位，實現(xiàn)在一個維度上饋電陣元稀疏排布的二維相控陣天線；其二是同時將饋電陣元、啞元和相應(yīng)的耦合網(wǎng)絡(luò)排布在兩個維度上，通過控制饋電陣元和耦合網(wǎng)絡(luò)的幅度與相位，實現(xiàn)在兩個維度上饋電陣元均為稀疏排布的二維相控陣天線。其他形式的曲面相控陣天線可以由同樣的構(gòu)建方法進行構(gòu)建。以下三個示例主要針對兩個維度上饋電陣元均為稀疏排布的二維相控陣天線。圖3 (a)給出了這種新型二維周期性稀疏陣列陣元的一個示例31，圖中陣元(i+1，j+1)為饋電陣元301，其余為啞元302，陣元的四個邊界均為周期邊界。通過控制水平面和垂直面上四個具有移相功能的耦合結(jié)構(gòu)303、304，便可靈活控制饋電陣元301和啞元302之間的互耦，達到將電磁能量按所需的幅度和相位要求進行重新分布的目的。利用圖3(a)中的陣列陣元31可以構(gòu)建出如圖3(b)所示的二維天線陣列結(jié)構(gòu)32，實現(xiàn)饋電陣元301在水平和垂直方面上均為稀疏分布的特性。同時，整個相控陣天線的波束掃描和變換能力可通過同時控制饋電陣元301和耦合網(wǎng)絡(luò)303、304的幅度與相位實現(xiàn)。在這種陣列中，每個饋電陣元31均被四個啞元302包圍，對整個陣列32而言，饋電陣元301和啞元302的比為
I 2，饋電陣元的數(shù)量為陣列陣元總數(shù)量的三分之一，故大大降低饋電網(wǎng)絡(luò)所需要的輸出端口數(shù)，即意味著可以顯著降低饋電網(wǎng)絡(luò)損耗以及陣列成本和重量。圖4(a)給出了本發(fā)明中的由第二種二維陣列陣元41構(gòu)成的二維天線陣結(jié)構(gòu)示例42，其中每個饋電陣元401由三個啞元402包圍，形成一個三角形陣列陣元41形式。通過控制水平和垂直方向上具有移相功能的耦合結(jié)構(gòu)403、404，同樣可以達到靈活控制互耦的目的，從而可以控制耦合到啞元上的電磁能量的相位和幅度。利用該陣元可以構(gòu)建出如圖4(b)所示的新型二維周期性稀疏陣列42，該陣列中饋電陣元401的數(shù)量僅為普通密布陣列的三分之一。圖5(a)給出了本發(fā)明中的由第三種二維陣列陣元51構(gòu)成的二維天線陣結(jié)構(gòu)示例52。其中每兩個饋電陣元501由兩個啞元502包圍，形成一個環(huán)形陣列陣元51。同樣通過控制水平和垂直方向上具有移相功能的耦合結(jié)構(gòu)503、504，可以達到靈活控制互耦的目的，進而可以控制耦合到啞元502上的電磁能量的相位和幅度。利用該陣元可以構(gòu)建出如圖5(b)所示的第三種二維周期性稀疏陣列52，該陣列中饋電陣元的數(shù)量僅為普通密布陣列的二分之一。以上僅僅是基于本發(fā)明的眾多關(guān)于一維和二維稀疏陣列可行方案中的七個示例，除此之外，基于互耦控制思想構(gòu)建的、具有低成本、重量輕等性能的所有稀疏陣列均屬于本發(fā)明的保護范圍。同時，本發(fā)明中構(gòu)建的新型相控陣天線不受陣元形式的限制，可以由不同的陣元形式實現(xiàn)，例如微帶天線、縫隙天線、半波偶極子等等，同時可以用于各種工作頻率和各種極化形式的相控陣天線中，如中波、短波、射頻、微波、毫米波和亞毫米波等。為了更具體地說明該發(fā)明的實施方式，在此以微帶天線為例進行詳解。圖6給出了雙探針差分饋電的微帶天線61，各包括輻射貼片601、微帶天線地面602、饋電點603、支撐介質(zhì)604以及與饋電用接頭605相連接的饋電探針606。在利用本發(fā)明構(gòu)建線性微帶相控陣天線時，考慮到極化等因素，可以構(gòu)建多種天線陣列形式，例如如圖7所示的E面微帶相控陣天線、如圖8所示的H面微帶相控陣天線等。利用圖2(a)所示的陣列2a和陣元結(jié)構(gòu)21構(gòu)建E面線性微帶相控陣天線7a時(如圖7 (a)所示)，每一個有源微帶天線陣元701被兩個無源微帶天線陣元702所包圍，構(gòu)成一維周期性稀疏微帶天線陣，它是以新型陣元71為基礎(chǔ)周期性排列的新型陣列。其中具有移相功能的耦合結(jié)構(gòu)703有 多種實現(xiàn)方法，例如帶線結(jié)構(gòu)，其相位可以通過移相器或者鐵電體材料(Ferroelectric material)等等進行控制。稱合結(jié)構(gòu)703和陣列陣元之間直接連接在一起，或通過邊緣耦合的方式進行設(shè)計，達到控制耦合量但不顯著影響陣元方向圖等目的。通過優(yōu)化耦合結(jié)構(gòu)703，可以實現(xiàn)各微帶陣元上(包括饋電陣元701和啞元702)的電流704按照所需要的方式進行分布的目的。通過控制饋電陣元701和耦合結(jié)構(gòu)703的幅度和相位便可實現(xiàn)波束的掃描。同樣地，利用如圖2(a)所示的陣列和陣元結(jié)構(gòu)，也可以構(gòu)建圖7(b)的E面線性微帶相控陣天線7b。在陣列7b中，饋電陣元701、啞元702、耦合結(jié)構(gòu)703可以按照和陣列7a相似的方法進行。所不同之處在于，現(xiàn)實中的陣列均為有限大陣列，陣列7a起始陣元為啞元702，陣列7b起始陣元則為饋電陣元701，兩者均可實現(xiàn)所需要的電流分布704。利用如圖2 (b)和2 (C)所示的陣列2a、2b和陣元結(jié)構(gòu)22、23，可以構(gòu)建出如圖I (C)和圖7(d)所示的E面線性微帶相控陣天線7c和7d。它們各以新型陣元73、74周期排列于水平方向上，達到對饋電陣元而言是周期稀疏特性的目的。同樣地，利用如圖2(d)所示的陣列2d和陣元結(jié)構(gòu)24，也可以相應(yīng)地構(gòu)建出另外一種新型E面線性微帶天線陣列，這里不再贅述。利用本發(fā)明同樣可以構(gòu)建H面線性微帶相控陣天線，利用和E面微帶相控陣天線相似的陣列結(jié)構(gòu)，分別得到如圖8(a)、(b)、(C)、(d)所示陣列8a、8b、8c和8d，分別由陣元81、82、83、84周期性地排列于水平方向上，其中不同的陣列結(jié)構(gòu)中饋電陣元801和啞元802所占的比例不盡相同，決定了這些陣列示例的成本構(gòu)成。進一步講，當利用本發(fā)明構(gòu)建其他極化形式的線性和二維微帶天線陣列時，其思想和圖7、圖8的陣列類似，這里不再一一給出。雖然隨著陣元天線形式的不同，所構(gòu)建的天線陣列在結(jié)構(gòu)形式上存在很大差別，但是均基于本發(fā)明中的陣列設(shè)計思想，故均屬于本發(fā)明的保護范圍。利用圖7(b)的陣列結(jié)構(gòu)和圖6的微帶陣元可以構(gòu)建出E面線性微帶相控陣天線，該天線陣由四個饋電陣元和三個啞元構(gòu)成。其中耦合結(jié)構(gòu)采用的是微帶線形式，通過探針直接和微帶天線陣元相連，耦合結(jié)構(gòu)對相位的控制是通過移相單元來實現(xiàn)的，因本實例僅為了說明本發(fā)明的具體實現(xiàn)形式，故僅采用了固定移相器。圖9和10給出了該實例反射系數(shù)和增益的仿真與測試結(jié)果，該陣列工作于4. 6GHz，可以實現(xiàn)14dBi的增益和低于_20dB的反射系數(shù)。由于天線模型制作的誤差和所用介質(zhì)材料較大的損耗，造成仿真結(jié)果和實驗結(jié)果的偏差。圖11給出了該陣列在4. 6GHz時的E面方向圖，波束指向為14°，仿真結(jié)果和實驗結(jié)果實現(xiàn)了較好的吻合。圖12給出了該發(fā)明在相控陣系統(tǒng)中的應(yīng)用示例，圖中該系統(tǒng)包括利用本發(fā)明構(gòu)建的新型相控陣天線121、信號源123和其他前端組件122。在不同的系統(tǒng)方案中，前端組件122所包括的組件及連接方式也有所不同,在本示例中包括收發(fā)組件(或稱T/R組件)127,移相器128、功分網(wǎng)絡(luò)129，這些組件占據(jù)了相控陣天線絕大部分的成本和重量，并且由多端口功分網(wǎng)絡(luò)引起的損耗也是相當可觀。天線陣121中包括啞元124、饋電陣元125、耦合結(jié)構(gòu)126，在本示例中饋電陣元僅占總陣元數(shù)的三分之一，故利用本發(fā)明新構(gòu)建的相控陣系統(tǒng)僅需要原系統(tǒng)三分之一的收發(fā)組件 127和移相器128，同時功分網(wǎng)絡(luò)129的輸出端口數(shù)量也降低至原來的三分之一，大大減小了其損耗，等效為間接增加了陣列的增益。以上是向熟悉本發(fā)明領(lǐng)域的工程技術(shù)人員提供的對本發(fā)明及其實施方案的描述，這些描述應(yīng)被視為是說明性的，而非限定性的。工程技術(shù)人員可據(jù)此發(fā)明權(quán)利要求書中的思想做具體的操作實施，在不脫離所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍前提下，可對其在形式上和細節(jié)上做出各種變化。上述這些都應(yīng)被視為本發(fā)明的涉及范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于互耦控制的低成本相控陣天線，包括直接饋電陣元、啞元(非直接饋電陣元)、耦合結(jié)構(gòu)和饋電網(wǎng)絡(luò)；其特征在于所述相控陣天線由饋電陣元(直接饋電的陣元)和啞元(非直接饋電陣元)共同構(gòu)成輻射口徑，饋電陣元通過饋電網(wǎng)絡(luò)直接激勵，啞元則通過互耦間接激勵，形成對饋電單元而言是稀疏的、而對陣列口徑而言是密布的新型周期性陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于互耦控制的低成本相控陣天線，其特征在于所述相控陣天線利用帶移相器的耦合結(jié)構(gòu)來控制陣元間互耦的幅度和相位，進而靈活控制相鄰啞元上由互耦激起的電流或電場；整個相控陣天線的波束掃描和變換能力則通過同時控制饋電陣元和耦合網(wǎng)絡(luò)的幅度與相位實現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I至2所述的一種基于互耦控制的低成本相控陣天線，其特征在于通過將饋電陣元、啞元和相應(yīng)的耦合結(jié)構(gòu)排布在一個維度上，控制其中饋 電陣元和耦合網(wǎng)絡(luò)的幅度與相位，實現(xiàn)一維相控陣天線；通過將饋電陣元、啞元和相應(yīng)的耦合結(jié)構(gòu)排布在一個或兩個維度上，控制一個維度上或同時控制兩個維度上的饋電陣元和耦合網(wǎng)絡(luò)的幅度與相位，實現(xiàn)兩種二維相控陣天線；采用和二維相控陣天線同樣的方法進行構(gòu)建曲面相控陣天線。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3所述的一種基于互耦控制的低成本相控陣天線，其特征在于通過控制饋電陣元和耦合網(wǎng)絡(luò)的幅度與相位構(gòu)建的相控陣天線不受陣元形式的限制，同時適用于各個頻段和各種極化形式。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于陣元間互耦控制技術(shù)的、低成本、全新的相控陣天線方案，在不降低天線陣性能的基礎(chǔ)上，可以大大減小相控陣雷達的總體成本和重量。本方案中的部分陣元通過連接到饋電網(wǎng)絡(luò)輸出端口上進行直接饋電，另一部分陣元則由可以靈活控制的互耦進行間接饋電，形成了一個對饋電網(wǎng)絡(luò)來講是稀疏的、對陣列口徑面來講是密布的全新陣列結(jié)構(gòu)。本發(fā)明最大的創(chuàng)新點在于利用而非抑制陣元間的互耦對陣列中的啞元進行耦合激勵，達到構(gòu)建新型低成本、輕重量相控陣天線的目的。本發(fā)明構(gòu)建的相控陣天線集中了眾多優(yōu)點，周期性的稀疏天線陣結(jié)構(gòu)保證了天線陣較輕的重量，并將其成本降低至約原普通相控陣的一半，本發(fā)明可用于無線通信和雷達系統(tǒng)中。
文檔編號H01Q21/00GK102623805SQ201210105160
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月11日
發(fā)明者何德軍, 夏明耀, 屈世偉, 楊仕文, 聶在平 申請人:電子科技大學(xué)