一种基于3D打印的方向图可重构相控阵天线系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于3D打印的方向图可重构相控阵天线系统，包括若干天线辐射单元，每个所述天线辐射单元包括一个龙伯透镜和若干馈源，所述馈源紧贴在龙伯透镜下方，所述天线辐射单元采用六角形阵进行排布，所述龙伯透镜为填充式结构或者掏空式结构，所述龙伯透镜采用3D打印制成。本发明专利技术通过采用上述结构，通过选择不同位置的馈源来限定阵列合成后的波束指向范围，然后通过每个龙伯透镜下的TR组件进行幅相控制，从而达到在所选子空域内进行波束指向的精细化调整，大大减少了TR组件的使用，在保证相控阵性能的前提下有效降低其成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于3D打印的方向图可重构相控阵天线系统
本专利技术属于相控阵天线
，具体涉及一种基于3D打印的方向图可重构相控阵天线系统。
技术介绍
相控阵天线是随着雷达系统发展而诞生的产物。传统平面相控阵天线是通过电控制阵元相位的方法来改变方向图的波束指向，但研究表明这种传统相控阵天线其扫描范围仅仅局限在阵面法线-45°～+45°，即便是经过优化改造后也不过-60°～+60°。狭小的扫描范围和昂贵的造价极大程度地限制了相控阵的应用领域和发展空间，因此价格低廉并具有大角度扫描能力的相控阵天线越来越受到人们重视，成为天线领域一个重要的研究课题。此外，相控阵所具备的性能不论在雷达还是通信领域都具有绝对优势，但由于其高昂的成本，一般只用于军工产品，在民用领域还少有使用，所以如何在保证其性能的前提下降低成本也是近年来大家所关注的重点。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)介绍了一种双频相控阵天线，其扫描原理就是传统相控阵的控制方式，每个单元都有独立的TR来进行控制。文中表示其扫描范围达-60°～+60°，旁瓣保持在-10dB以下。其优势主要在双频工作，但其缺点便是做成实物所需投入的成本，由于TR的数量太高，所以成本也会很高。除文献中提到的天线外，有很多其他形式的相控阵，不同之处多在于辐射天线的形式不同，而天线后面的TR不会减少，所以存在高成本的问题。文献“多波束透镜天线理论与应用技术研究”(2009年博士论文；发表日期：2009年；作者：黄明)第二章详细说明了龙伯透镜天线的基本原理及实现方法，在第五章展示了该天线的扫描特性，最大可实现-90°～+90°以上的波束覆盖，并且保证增益及旁瓣的稳定，最后制作了用于卫星通信的龙伯透镜天线。但受限于当年的生产加工工艺，这种天线的尺寸很难做小，而且工艺稳定性较差，成品率低。近几年随着新工艺的发展，给这种天线提供了新的发展空间，本专利技术将在下文详细说明。文献“基于方向图可重构技术的相控阵大角度扫描特性研究”(2009年博士论文；发表日期：2009年；作者：丁霄)将方向图可重构技术引入相控阵设计中，实现了相控阵的大角度波束覆盖。其具体实施方式如下：首先构建了第三章所述的方向图可重构单元，该单元有三种工作状态，理想状态三种状态下单元的辐射波数指向分别为0°和±45°，并且通过控制馈电网络中的PIN二极管来进行选择不同的工作方式；然后将该单元进行阵列排布，文中第四章设计了1*4的线阵，并根据单元的辐射情况将扫描空域划分为-75°～-25°，-20°～+20°以及+25°～+75°三个区间，在不同的空域扫描时选用对应的单元工作状态，这样便实现了波束的大角度覆盖。同传统相控阵一样，控制这样的天线仍然需要相应数量的TR组件，而且可重构单元的工作状态有限，很难再划分更多的区域，此外，设计二维方向图可重构的天线单元也较为复杂。所以，如何实现二维大角度的波束覆盖，并且能够在工程上用相对低的成本实现，是接下来相控阵的发展方向和趋势，同样这也是相控阵天线研究领域中一个机遇和挑战并存的课题。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提出一种基于3D打印的方向图可重构相控阵天线系统，解决现有相控阵天线的波束覆盖角度较小，且生产成本较高的问题。本专利技术为实现上述目的，采用以下技术方案实现：一种基于3D打印的方向图可重构相控阵天线系统，包括若干天线辐射单元，每个所述天线辐射单元包括一个龙伯透镜和若干馈源，所述馈源紧贴在龙伯透镜下方。进一步地，作为优选技术方案，所述天线辐射单元采用六角形阵进行排布，中间有一个阵元，往外每一圈按照六角形进行均匀摆放，相邻阵元间距均为51mm。进一步地，作为优选技术方案，所述龙伯透镜为填充式结构或者掏空式结构。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。进一步地，作为优选技术方案，所述龙伯透镜为采用veroblack材料3D打印而成的类球型结构。进一步地，作为优选技术方案，所述天线辐射单元的辐射区域分为37个子空域。进一步地，作为优选技术方案，所述馈源为微带天线、Vivaldi天线、喇叭天线、八木天线、波导中的任意一种。进一步地，作为优选技术方案，所述馈源为微带天线，所述微带天线的介质基板的直径为4.4mm，微带天线的贴片为环形结构，且贴片的其中一个对角进行切角处理。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：(1)本专利技术中的天线是方向图可重构天线，通过选择不同位置的馈源来限定阵列合成后的波束指向范围，然后通过每个龙伯透镜下的TR组件进行幅相控制，从而达到在所选子空域内进行波束指向的精细化调整，大大减少了TR组件的使用，在保证相控阵性能的前提下有效降低其成本。(2)本专利技术利用3D打印技术实现了结构更精细的龙伯透镜，使其性能更接近理论情况，并且该方式可进行大批量生产，通过合理设计将波束覆盖空域分为37个子空域，极大提高了方向图可重构天线的空域划分能力，使整体控制更加精确。(3)本专利技术具有大角度波束指向特性，在-70°～+70°的二维空域上可进行波束的精确指向，且增益不下降，波束形状不变形，在不同指向保持相同的辐射特性。此外，本专利技术仅根据实际使用做了-70°～+70°波束扫描范围的馈源布置，本专利技术最大可扩展的波束扫描范围可达到±80°以上。附图说明图1为本专利技术的方向图可重构辐射单元结构图；图2为本专利技术的微带馈源结构示意图；图3为本专利技术的填充式龙伯透镜结构的立体图；；图4为本专利技术的填充式龙伯透镜结构的横截面图；图5为本专利技术的掏空式龙伯透镜结构的横截面图；图6为本专利技术的掏空式龙伯透镜结构的侧视图；图7为本专利技术的方向图可重构单元辐射空域划分示意图；图8为本专利技术的均匀六角形阵辐射单元的结构示意图；图9为本专利技术的微带馈源方向图及轴比图；图10为本专利技术的方向图可重构单元四种指向的方向图；图11为7阵元阵列在激活中心和最外侧单元时的波束扫描方向图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步地详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例：本专利技术设计的天线工作频率为29GHz～31GHz，方向图可重构辐射单元的结构如图1所示，为方便描述，本专利技术中的示意图未画出外围支撑结构，仅用于原理说明。本实施例所述的一种基于3D打印的方向图可重构相控阵天线系统，包括若干天线辐射单元，每个天线辐射单元包括一个龙伯透镜1和若干馈源2，本实施例优选采用37个馈源，馈源优选采用微带馈源，37个微带馈源均匀地分布在龙伯透镜1下方，并紧贴在龙伯透镜1的下半弧面上，依靠37个微带馈源的紧密排布，将天线的上半空间分割成37个子空域，每个子空域对应的波束宽度为20°左右，因此整个辐射区域可以被子空域的波束连续覆盖，并且保证了波束指向大角度时增益不衰减，组成阵列之后合成波束不变形。本实施例中，龙伯透镜采用3D打印制成，优选的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于3D打印的方向图可重构相控阵天线系统，其特征在于，包括若干天线辐射单元，每个所述天线辐射单元包括一个龙伯透镜和若干馈源，所述馈源紧贴在龙伯透镜下方。

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印的方向图可重构相控阵天线系统，其特征在于，包括若干天线辐射单元，每个所述天线辐射单元包括一个龙伯透镜和若干馈源，所述馈源紧贴在龙伯透镜下方。2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的方向图可重构相控阵天线系统，其特征在于，所述天线辐射单元采用六角形阵进行排布，中间有一个阵元，往外每一圈按照六角形进行均匀或非均匀摆放。3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的方向图可重构相控阵天线系统，其特征在于，所述龙伯透镜为填充式结构或者掏空式结构。4.根据权利要求1或3所述的一种基于3D打印的方向图可重构相控阵天线系统，其特征在于，所述龙伯透镜采用3D打印制成。5.根据权利要求4所述的一种基于3D打印的方向图可重构相控阵天线系统，其特征在于，所述龙伯透镜为采用veroblack材料3...

【专利技术属性】
技术研发人员：修威，裴瀛洲，杨光，
申请(专利权)人：北京神舟博远科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11