本發(fā)明涉及雷達天線技術領域，尤其涉及一種可切換波束天線裝置及方法。

背景技術：

雷達傳感器是毫米波傳感器中主要部件，其是通過天線的輻射來覆蓋指定區(qū)域，其中采用調頻連續(xù)波體制的單發(fā)單收毫米波雷達，能夠獲取目標的速度信息，而采用多收天線還能獲取目標的角度信息。在越來越多的應用場合需要使用到多個雷達傳感器來獲取目標的信息，以進行全方位監(jiān)測，如周界安防系統(tǒng)，即通過在固定區(qū)域的周界上部署多個雷達傳感器，當入侵目標穿越周界或者在周界附近活動時傳感器就能夠探測到運動目標，并實時的給出報警信息，從而起到周界防護的作用。

表征天線輻射特性的一個重要參數(shù)即是天線的輻射方向圖，輻射方向圖的主波束即為波束，發(fā)射天線和接收天線的波束則決定了雷達傳感器的探測區(qū)域。目前的毫米波傳感器通常為固定單波束雷達傳感器，成本較低，但天線方向圖只有一個固定的主波束，無法滿足如周界安防系統(tǒng)等需要進行全方位監(jiān)測的需求；電掃雷達傳感器天線的主波束能夠在一定角度范圍內實現(xiàn)波束掃描，但電掃雷達需要一定數(shù)量的模擬或者數(shù)字移相器，其成本較固定單波束雷達傳感器高的多。因此，亟需提供一種空間覆蓋范圍大，同時成本低的可切換波束天線裝置，實現(xiàn)多波束的切換。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題就在于：針對現(xiàn)有技術存在的技術問題，本發(fā)明提供一種能夠實現(xiàn)多波束的切換，結構簡單緊湊、所需成本低、空間覆蓋范圍大且體積小的可切換波束天線裝置及方法。

為解決上述技術問題，本發(fā)明提出的技術方案為：

一種可切換波束天線裝置，包括多個按行間隔布置的天線單元，每個所述天線單元從左至右間隔布置有用于收發(fā)雷達高頻信號的兩路行波天線陣列，左側、右側各路所述行波天線陣列的長度分別從上至下逐漸增大、減小，并使得左側各路所述行波天線陣列能夠產生多個不同偏轉指向的波束以覆蓋左側指定范圍，以及右側各路所述行波天線陣列能夠產生多個不同偏轉指向的波束以覆蓋右側指定范圍。

作為本發(fā)明裝置的進一步改進：各個所述天線單元中，其中一側所述行波天線陣列的長度逐漸增大、另一側所述行波天線陣列的長度逐漸減小，使得各個所述天線單元整體構成矩形陣列結構。

作為本發(fā)明裝置的進一步改進：左側各路所述行波天線陣列構成的左側天線結構，與右側各路所述行波天線陣列構成的右側天線結構中心對稱。

作為本發(fā)明裝置的進一步改進：左側的所述行波天線陣列與右側的所述行波天線陣列傳輸方向相反。

作為本發(fā)明裝置的進一步改進：還包括與各路所述行波天線陣列連接的波束切換控制單元，所述波束切換控制單元控制切換各路所述行波天線陣列，以控制切換波束。

作為本發(fā)明裝置的進一步改進：各路所述行波天線陣列分別包括等數(shù)量的天線輻射單元，每路所述行波天線陣列中所述天線輻射單元之間具有指定間距以產生所需偏轉指向的波束。

作為本發(fā)明裝置的進一步改進：所述行波天線陣列為斜極化、水平極化、垂直極化、左旋圓極化或右旋圓極化的線陣天線；各路所述行波天線陣列分別為印刷結構陣列天線；所述印刷結構陣列天線為貼片天線陣列或縫隙陣列天線。

本發(fā)明進一步公開用于實現(xiàn)上述可切換波束天線裝置的方法，步驟包括：

根據(jù)所需覆蓋的范圍分別確定所需布置的左側、右側所述行波天線陣列的數(shù)量，以及每路所述行波天線陣列的長度；布置各路所述行波天線陣列，使得左側、右側各路所述行波天線陣列的長度分別從上至下逐漸增大、減小，得到所述天線裝置；

控制切換左側、右側各路所述行波天線陣列，實現(xiàn)左側、右側指向波束的切換。

作為本發(fā)明方法的進一步改進：所述行波天線陣列中天線輻射單元的數(shù)量，具體根據(jù)所需最大增益及半功率波瓣寬度確定得到；布置得到所述天線裝置后，通過設定各個所述天線輻射單元的激勵電流，使得各路所述行波天線陣列產生的多個波束的最大電平與副瓣電平之間的差值大于預設閾值。

作為本發(fā)明方法的進一步改進：各個所述天線輻射單元等間距排列布置在基片集成波導中心同一側，且距離波導中心線指定縱向偏置距離；

所述縱向偏置距離的確定步驟為：根據(jù)計算得到的各個所述天線輻射單元的激勵電流，計算出各個所述天線輻射單元的電導值；根據(jù)計算得到的電導值，以及電導值與天線輻射單元縱向偏置的關系，確定得到各個所述天線輻射單元的縱向偏置距離；

各個所述天線輻射單元的諧振長度的確定步驟為：建立基于基片集成波導的天線輻射單元仿真模型，將所述天線輻射單元仿真模型輸入確定得到的所述縱向偏置距離，當電導值達到最大、且電納為零時得到的所述天線輻射單元的長度，作為對應的諧振長度。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1)本發(fā)明通過設置多個天線單元，每個天線單元均布置兩路行波天線陣列，左側、右側各路行波天線陣列的長度逐漸增大、減小變化，從而由長度逐漸變化的行波天線陣列可以產生多個不同偏轉角度的波束，實現(xiàn)多波束的切換，同時由左側各路行波天線陣列產生多個波束覆蓋左側指定范圍，以及由右側各路行波天線陣列產生多個波束覆蓋右側指定范圍，使得能夠同時覆蓋左側、右側空間范圍，極大增加了雷達天線的探測范圍，實現(xiàn)寬角度覆蓋；

2)本發(fā)明通過由一側行波天線陣列的長度逐漸增大、另一側行波天線陣列的長度逐漸減小，使各個天線單元中兩路行波天線陣列按照長、短天線陣列交叉組合，得到結構緊湊的矩形陣列結構，天線布局合理，能夠最大限度的減小天線陣面體積，從而減少所需成本。

附圖說明

圖1是本實施例可切換波束天線裝置的結構示意圖。

圖2是本發(fā)明具體實施例中行波天線陣列的結構示意圖。。

圖3是本發(fā)明具體實施例中所采用的基片集成波導的結構示意圖。

圖4是本發(fā)明具體實施例中天線輻射單元的布置原理示意圖。

圖5是本發(fā)明具體實施例中一個行波天線陣列得到的方位面輻射方向圖。

圖6是本發(fā)明具體實施例中得到的天線裝置的方位面輻射方向圖。

圖7是本發(fā)明具體實施例中天線裝置的結構示意圖。

圖例說明：1、天線單元；11、行波天線陣列。

具體實施方式

以下結合說明書附圖和具體優(yōu)選的實施例對本發(fā)明作進一步描述，但并不因此而限制本發(fā)明的保護范圍。

如圖1所示，本實施例可切換波束天線裝置包括多個按行間隔布置的天線單元1，每個天線單元1從左至右間隔布置有用于收發(fā)雷達高頻信號的兩路行波天線陣列11，左側、右側各路行波天線陣列11的長度分別從上至下逐漸增大、減小，并使得左側各路行波天線陣列11能夠產生多個不同偏轉指向的波束以覆蓋左側指定范圍，以及右側各路行波天線陣列11能夠產生多個不同偏轉指向的波束以覆蓋右側指定范圍。

本實施例可切換波束天線裝置，具體包括n個天線單元1，n個天線單元1共包含2n路行波天線陣列11，分為左側C1～Cn天線陣列以及右側D1～Dn天線陣列，左側C1～Cn天線陣列從上至下長度逐漸增大，其中Cn為第一路天線陣列，對應最短天線長度，C1為第n路天線陣列，對應最長天線長度；右側D1～Dn天線陣列從上至下長度逐漸減小，其中D1為第一路天線陣列，對應最長天線長度，Dn為第n路天線陣列，對應最長天線長度。當然，左側各路行波天線陣列11也可以根據(jù)實際需求設置為從上至下長度逐漸減小，右側各路行波天線陣列11也可以根據(jù)實際需求設置為從上至下長度逐漸增大。

天線陣列的長度越短，半功率波瓣寬度越大、方位面輻射方向圖中波束越偏離邊射方向；反之，天線陣列的長度越長，半功率波瓣越小，波束越靠近邊射方向。本實施例上述可切換波束天線裝置，通過設置多個天線單元1，每個天線單元1均布置兩路行波天線陣列11，左側、右側各路行波天線陣列11的長度逐漸增大、減小變化，從而由長度逐漸變化的行波天線陣列11可以產生不同偏轉角度的多個波束，實現(xiàn)多波束的切換，同時由左側各路行波天線陣列11產生多個波束覆蓋左側指定范圍，以及由右側各路行波天線陣列11產生多個波束覆蓋右側指定范圍，使得能夠同時覆蓋左側、右側空間范圍，極大增加了雷達天線的探測范圍，實現(xiàn)寬角度覆蓋。

本實施例中，左側的行波天線陣列11與右側的行波天線陣列11傳輸方向相反，從而可以同時覆蓋左側、右側指定空間范圍，極大的擴大了多波束的測角范圍，提高角度分辨率。

本實施例中，各個天線單元1中，其中一側行波天線陣列11的長度逐漸增大、另一側行波天線陣列11的長度逐漸減小，使得各個天線單元1整體構成矩形陣列結構。如圖1所示，本實施例具體左側C1～Cn天線陣列的長度逐漸增大、右側D1～Dn天線陣列的長度逐漸減小，使得各個天線單元1中兩路行波天線陣列11為長天線陣列與短天線陣列的交叉組合，如第一各天線單元1為由左側對應最短天線長度的天線陣列Cn、與右側對應最長天線長度的天線陣列D1交叉組合排列得到，最終構成矩形陣列結構C0。當然在其他實施例中，還可以布置為左側行波天線陣列11的長度逐漸減小、右側行波天線陣列11的長度逐漸增大。

本實施例通過由一側行波天線陣列11的長度逐漸增大、另一側行波天線陣列11的長度逐漸減小，使各個天線單元1中兩路行波天線陣列11按照長、短天線陣列交叉組合，得到結構緊湊的矩形陣列結構，天線布局合理，能夠最大限度的減小天線陣面體積，從而減少所需成本。

本實施例中，左側各路行波天線陣列11構成的左側天線結構，與右側各路行波天線陣列11構成的右側天線結構中心對稱。如圖1所示，每個天線單元1的天線陣列長度相等，將左側C1～Cn天線陣列順時針旋轉180度，即得到右側D1～Dn天線陣列結構。由對稱的兩側行波天線陣列11，則可獲取到左側、右側對稱的空間覆蓋范圍。當然也可以根據(jù)實際所需覆蓋的范圍，將各個天線單元1的天線陣列長度設置為不同。

本實施例中還包括與各路行波天線陣列11連接的波束切換控制單元，波束切換控制單元控制切換各路行波天線陣列11，實現(xiàn)天線陣列切換，以控制切換波束。

本實施例中，各路行波天線陣列11分別包括等數(shù)量的天線輻射單元，每路行波天線陣列11中天線輻射單元之間具有指定間距以產生所需偏轉指向的波束，即由不同間距的天線輻射單元對應得到不同長度的行波天線陣列11，通過控制天線陣列中相鄰輻射單元的間距即可控制波束指向。

當相鄰天線輻射單元之間的間距不為一個波導波長時，此時天線陣列為行波陣，波束指向偏離于邊射方向，其中當間距小于一個波導波長時，且陣列長度減少，則波束指向邊射方向左邊；當間距大于一個波導波長時，且陣列長度增加，則波束指向邊射方向右邊。本實施例各路行波天線陣列11中相鄰天線輻射單元之間的間距具體為小于一個波導波長，且相鄰天線輻射單元之間的間距越小，則波束越偏離邊射方向，能夠減少天線尺寸，使得天線結構緊湊。本實施例由左側行波天線陣列11相鄰天線輻射單元之間的間距小于一個波導波長，使得產生覆蓋左側范圍的波束，且其中行波天線陣列11的長度越短，對應波束越向左偏離；右側行波天線陣列11中相鄰天線輻射單元之間的間距小于一個波導波長，且傳輸方向與左側行波天線陣列11相反，使得波束指向邊射方向右邊，且其中行波天線陣列11的長度越短，對應波束越向右偏離邊射方向。

本實施例具體根據(jù)所需的最大增益及半功率波瓣寬度，設定行波天線陣列11中天線輻射單元的數(shù)目，且使得獲得較高天線增益的同時，還能使得雷達的探測寬度在距雷達較遠距離位置不至于擴散的太寬，從而滿足窄波束、高增益輻射特性等的輻射陣列天線要求。

本實施例中，行波天線陣列11為線陣天線，線陣天線的極化方式可以為斜極化、水平極化、垂直極化、左旋圓極化或右旋圓極化等。

本實施例中，各路行波天線陣列11分別為印刷結構陣列天線，具體可采用貼片天線陣列或縫隙陣列天線等印刷結構陣列天線，也可以根據(jù)實際需求采用其他形式陣列天線。各路行波天線陣列11的輻射體可以相同，當然也可以分別采用不同的輻射體。

輻射陣列天線的多個波束即為輻射天線方向圖的主波束，在方位面上除主波束外具有其他波束為副瓣，本實施例中，各路行波天線陣列11產生的多個波束的最大電平與副瓣之間的差值大于預設閾值(具體取18dB)，即主波束的最大電平比副瓣大至少18dB；通過設置各個天線輻射單元的電流激勵幅度，使得各個天線輻射單元具有不等功率分配，使各路行波天線陣列11的主波束的最大電平比副瓣大至少18dB，可以極大的減少來自主波束外目標的干擾。

本實施例中，各路行波天線陣列11具體印刷在高頻基板上。

以下以產生多波束分別覆蓋左側、右側60度，共覆蓋120度角度范圍為例，進一步說明本發(fā)明。

如圖2～7所示，本實施例中根據(jù)相鄰縫隙間距與天線偏轉角度的關系，具體布置26路行波天線陣列11，左側設置13路具有不同間距的行波天線陣列11，實現(xiàn)左側60度空間覆蓋，以及右側設置13路具有不同間距的行波天線陣列11，實現(xiàn)右側60度空間覆蓋；左側13路天線陣列和右側13路天線陣列從上至下長度逐漸變化，使得每行天線陣列按長短一一交叉組合排列，整體構成矩形陣列結構，其中右側天線陣列可以由左側天線陣列順時針旋轉180度得到。天線布置結構如圖7所示，通過波束切換控制單元實現(xiàn)波束子陣切換。

如圖2所示，本實施例中行波天線陣列11采用縫隙陣列天線，縫隙天線陣元極化方式選定為垂直方式，行波天線陣列11中具體設置30個縫隙單元，以實現(xiàn)高增益、窄波束特性，同時各個縫隙單元等間距的排列在基片集成波導(SIW)中心線的同一側，通過增大縫隙單元間的間距，可以減少輻射單元間的互耦影響。30個縫隙陣元按上述方式構成基片集成波導(SIW)行波陣天線，一端為饋電端口、另一端為匹配端口，得到行波天線陣列11。

如圖3所示，本實施例中所采用的基片集成波導為集成在介質基片上的平面導波結構，在介質基片以及上下導體中制作兩排平行的金屬化通孔陣列，形成準封閉的類波導結構，具有體積小、重量輕、結構緊湊、易與高頻信號處理電路集成等優(yōu)點。本實施例通過設置基片集成波導寬度a、通孔直徑d和通孔周期p，使通孔間能量泄露可以忽略不計，使得基片集成波導可以等效為介質填充矩形波導。按上述方式得到行波天線陣列11后，從饋電端口饋入的能量按指定比列分配至各個縫隙單元，并以垂直極化方式輻射出去，根據(jù)所需得到的方位面的輻射方向圖確定各個縫隙單元的電流分布，以及根據(jù)所需產生波束的偏轉角度確定相鄰縫隙單元之間的間距。

如圖4所示為本實施例中建立的基片集成波導單縫模型，上下等周期性的排列有金屬化通孔，縫隙單元在波導中心線的一側，縫隙單元的中心距波導中心線的縱向偏置距離為x，左端為饋電端、右端為短路面?？p隙中心距饋電端的水平距離具體為二分之一導波長，縫隙中心距短路面的水平距離具體為四分之一導波長。由縫隙縱向偏置距離x，基于上述建立的縫隙單元模型，當縫隙電導值最大且電納為零時，可得到縫隙單元的諧振長度。

如圖5所示為本實施例中得到的一個行波天線陣列11的方位面輻射方向圖，其中在方位面輻射方向圖的半功率波束寬度為5.7度，副瓣電平小于-22dB，波束偏轉邊射方向43.2度。

如圖6所示為左側13路行波天線陣列11得到的方位面輻射方向圖，由圖中可知，相鄰縫隙的間距越小(天線陣列越短)，對應的波束越往左偏離，且半功率波瓣寬度越大、天線增益越小，最終由該13路行波陣列天線能夠覆蓋邊射方向左側區(qū)域60度范圍。

本實施例進一步公開用于實現(xiàn)上述可切換波束天線裝置的方法，步驟包括：

根據(jù)所需覆蓋的范圍分別確定所需設置的左側、右側行波天線陣列11的數(shù)量，以及每路行波天線陣列11的長度；布置各路行波天線陣列11，使得左側、右側各路行波天線陣列11的長度分別從上至下逐漸增大、減小，得到上述天線裝置；

控制切換左側、右側各路行波天線陣列11，實現(xiàn)左側、右側指向波束的切換。

采用上述方法，能夠實現(xiàn)具有多個不同偏轉指向的波束同時覆蓋左側指定范圍、右側指定范圍的天線裝置，具有多波束切換功能以及寬覆蓋范圍，且天線裝置的結構緊湊，陣面面積小。

本實施例中，行波天線陣列11中天線輻射單元的數(shù)量，具體根據(jù)所需最大增益及半功率波瓣寬度確定得到，使得獲得所需天線性能的同時，還能使得雷達的探測寬度在距雷達較遠距離位置不至于擴散的太寬，實現(xiàn)窄波束、高增益輻射特性。布置得到天線裝置后，通過設定各個天線輻射單元的激勵電流，使得各路行波天線陣列11產生的多個波束的最大電平與副瓣電平之間的差值大于預設閾值(具體取18dB)。通過設置各個天線輻射單元的電流激勵幅度，使得各個天線輻射單元具有不等功率分配，可以極大的減少來自主波束外目標的干擾。

本實施例中，各個天線輻射單元等間距排列布置在基片集成波導中心同一側，且距離波導中心線指定縱向偏置距離；

縱向偏置距離的確定步驟為：根據(jù)計算得到的各個天線輻射單元的激勵電流，計算出各個天線輻射單元的電導值；根據(jù)計算得到的電導值，以及電導值與天線輻射單元縱向偏置的關系，確定得到各個天線輻射單元的縱向偏置距離；

各個天線輻射單元的諧振長度的確定步驟為：建立基于基片集成波導的天線輻射單元仿真模型，將天線輻射單元仿真模型輸入確定得到的縱向偏置距離，當電導值達到最大、且電納為零時得到的天線輻射單元的長度，作為對應的諧振長度。

本實施例實現(xiàn)如圖2～7所示天線裝置的具體步驟為：

①按照所需副瓣電平(具體為-30dB)計算各縫隙單元的激勵電流；

采用泰勒分布計算得到的一路行波天線陣列11中30個縫隙激勵電流分布從左至右依次為：

0.245:0.266:0.306:0.362:0.430:0.506:0.585:0.663:0.738:0.807:0.868:0.919:0.959:0.986:1:1:0.986:0.959:0.919:0.868:0.807:0.738:0.663:0.585:0.506:0.430:0.362:0.306:0.266:0.245。

②根據(jù)計算得到的激勵電流計算各縫隙單元的電導值；

基于公式(1)具體采用MATLAB計算出30元縫隙電導分布，各個縫隙單元從左到右的縫隙電導分布依次為：

0.003:0.004:0.005:0.007:0.010:0.015:0.020:0.027:0.034:0.042:0.052:0.061:0.072:0.082:0.092:0.101:0.109:0.115:0.118:0.118:0.113:0.104:0.092:0.077:0.061:0.046:0.034:0.025:0.019:0.017。

其中，q，α為波導衰減因子，d為相鄰縫隙間距，E為各縫隙電流。

③由電導值與縫隙縱向偏置距離的關系，根據(jù)公式(2)得出各縫隙單元與波導中心線之間的縱向偏置距離x；

其中，λ_g為波導波長，λ為工作波長，a為等效波導寬度，b為介質厚度，x縫隙中心線與基片集成波導中心線的縱向偏置距離。

④基于基片集成波導單縫仿真模型(如圖4所示)，在上述計算得到的縱向偏置距離x下，當電導值達到最大、且電納為零時得到的縫隙長度即為諧振長度。

上述只是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內容，依據(jù)本發(fā)明技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應落在本發(fā)明技術方案保護的范圍內。