一种相控阵天线及相控阵雷达制造技术

本发明专利技术实施例公开了一种相控阵天线及相控阵雷达，该相控阵天线的天线阵元为Vivaldi天线，所述Vivaldi天线设有开口向上的缝隙结构，所述Vivaldi天线的侧面宽度从所述Vivaldi天线的底部至顶部逐渐减小。

A Phased Array Antenna and Phased Array Radar

【技术实现步骤摘要】
一种相控阵天线及相控阵雷达
本专利技术涉及天线
中的相控阵天线技术，尤其涉及一种相控阵天线及相控阵雷达。
技术介绍
相控阵天线，是一种通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变天线方向图形状的天线，其可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的。相控阵天线克服了机械扫描惯性大、速度慢的特点，被广泛应用在雷达中，用于解决高速运动目标观测、多目标跟踪等方面问题。在目前日益复杂的电磁环境背景下，现有的相控阵天线在扫描角度上已无法满足多目标、多功能探测场景下的综合应用需求，导致雷达的探测能力和范围受限。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术实施例提供一种相控阵天线及相控阵雷达，能够达到宽角扫描的特性，提升雷达的探测能力和范围。本专利技术的技术方案是这样实现的：本专利技术实施例的第一方面提供了一种相控阵天线，所述相控阵天线的天线阵元为Vivaldi天线，所述Vivaldi天线设有开口向上的缝隙结构，所述Vivaldi天线的侧面宽度从所述Vivaldi天线的底部至顶部逐渐减小。作为本专利技术实施例第一方面的第一种可能的实现方式，所述Vivaldi天线的侧面包括下宽上窄的梯形结构。结合本专利技术实施例第一方面的第一种可能的实现方式，作为第二种可能的实现方式，所述梯形为等腰梯形。作为本专利技术实施例第一方面的第三种可能的实现方式，所述缝隙结构的上部由相对于竖直方向的对称轴对称的两辐射臂形成，所述辐射臂对应的槽线满足指数函数曲线：z＝±(c1eRx+c2)其中，为单侧的所述槽线的顶端在所述Vivaldi天线的正面的投影坐标，(x1，z1)为所述单侧的所述槽线的底端在所述Vivaldi天线的正面的投影坐标，R为设定的所述槽线的曲率。结合本专利技术实施例第一方面的第三种可能的实现方式，作为第四种可能的实现方式，所述槽线的曲率为0.052。作为本专利技术实施例第一方面的第五种可能的实现方式，所述Vivaldi天线为全金属表面的Vivaldi天线。作为本专利技术实施例第一方面的第六种可能的实现方式，所述Vivaldi天线的馈电结构采用同轴线对所述相控阵天线进行馈电。作为本专利技术实施例第一方面的第七种可能的实现方式，所述相控阵天线的天线阵列的两两间距小于或等于9.76mm。作为本专利技术实施例第一方面的第八种可能的实现方式，所述Vivaldi天线的宽度和高度均小于所述相控阵天线的最低工作频率对应的波长的二分之一。本专利技术实施例的第二方面提供了一种相控阵雷达，所述相控阵雷达包括如上所述的相控阵天线。本专利技术实施例选取Vivaldi天线作为相控阵天线的天线阵元，通过对Vivaldi天线的侧面结构和进行改进，使得Vivaldi天线具备更好的宽角扫描特性，通过一系列的仿真，可明确本专利技术实施例提供的相控阵天线能够实现全频带范围内±45°的宽角扫描特性，由此带来雷达探测能力和范围的提升。附图说明图1是本专利技术实施例提供的相控阵天线中Vivaldi天线的主视结构示意图；图2是本专利技术实施例提供的相控阵天线中Vivaldi天线的三维结构示意图；图3是本专利技术实施例提供的相控阵天线中Vivaldi天线的侧视结构示意图；图4是本专利技术实施例提供的相控阵天线中Vivaldi天线的尺寸示例图；图5是本专利技术实施例提供的Vivaldi天线仿真过程的周期边界条件示意图；图6是本专利技术实施例提供的Vivaldi天线仿真结果示意图一；图7是本专利技术实施例提供的Vivaldi天线仿真结果示意图二；图8a至图8b本专利技术实施例提供的Vivaldi天线仿真结果示意图三；图9a至图9c本专利技术实施例提供的相控阵天线的天线阵列仿真结果示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。在本专利技术实施例中，相控阵天线的天线阵元采用的是Vivaldi天线。Vivaldi天线，是通过采用指数形状的缝隙结构来控制电磁波从缝隙的一端向开口端辐射电磁能量的缝隙微带天线，其具有宽频带特性和稳定的方向图特性，方向图在宽频带范围内变化不大。由于天线阵元的性能决定了天线阵列的性能，因此，在本专利技术实施例中，将Vivaldi天线选作相控阵天线的天线阵元，使得相控阵天线也具备了宽频带的特性。进一步地，作为本专利技术的一个实施例，对Vivaldi天线采用全金属表面，此外，作为本专利技术的一个实施例，Vivaldi天线的馈电结构还可采用同轴线进行馈电。Vivaldi天线采用全金属表面以及同轴馈电，使得本专利技术实施例中的Vivaldi天线较之其他微带天线具有性能稳定且易于加工的优点。Vivaldi天线由馈电结构、匹配结构、传输结构和辐射结构组成，图1示出了Vivaldi天线的主视结构示意图。对应于构成Vivaldi天线的馈电结构、匹配结构、传输结构和辐射结构，Vivaldi天线的主视结构从平面上来看分别相应地由图1中示出的馈电区1、匹配区2、传输区3和辐射区4组成，其中，馈电区：位于Vivaldi天线的底部。本专利技术实施例中，馈电区采用同轴馈电结构，示例性地，同轴馈电结构为50Ω同轴线，且该同轴馈电结构的介质材料可以为RogersRT5880。在此，馈电区采用同轴线进行馈电，同轴线的辐射损耗小，且可以通过选择馈电点位置来实现阻抗匹配。传输区：从主视图来看，是一段连接馈电区和辐射区的弯曲槽线，传输区远离缝隙开口的末端连接谐振腔，以实现谐振匹配。为了使馈电区的同轴线直接接入Vivaldi天线的底部，弯曲槽线的一部分须与Vivaldi天线的辐射方向垂直，其余部分再弯曲向辐射区延伸。在此，这部分弯曲槽线的弯曲设计可减少由于将弯曲槽线90°转变方向产生的场不对称性而造成的端口耦合。此外，通过调整这部分弯曲槽线的长度和形状，能够平滑阻抗的电抗，以匹配整个频段。传输区弯曲槽线的设置可参照现有技术，在此不赘述。辐射区：Vivaldi天线的辐射结构由相对于Vivaldi天线的竖直方向的对称轴对称的两条辐射臂形成，构成了Vivaldi天线缝隙结构的上部。从主视图来看，辐射臂对应的槽线满足指数函数曲线：z＝±(c1eRx+c2)其中，为单侧的槽线的顶端在Vivaldi天线的正面的投影坐标，(x1，z1)为该条槽线的底端在所述Vivaldi天线的正面的投影坐标，R为设定的槽线的曲率，其为一小于1的常数。因此，由图1可知，x2-x1的差值即为Vivaldi天线的缝隙结构的张口宽度的一半，z2-z1即为Vivaldi天线的辐射结构的高度。在天线进行E面扫描时，在5°附近会出现扫描盲区，影响扫描特性，这是由于天线在扫描到该角度时，没有或仅有很少能量从天线阵列发射出，或者没有或仅有很少能量被天线阵列接收。若扫描盲区出现在相控阵天线要求的扫描角域内，将会严重影响其整体性能。因此，在本专利技术实施例中，在传统的Vivaldi天线的结构的基础上，对Vivaldi天线的侧面结构进行改进。结合图2示出的Vivaldi天线的三维结构示意图，其设有开口向上的缝隙结构，而本专利技术实施例涉及的改进包括将Vivaldi天线的侧面宽度由Vivaldi天线的底部至顶部逐渐减小。进一步地，在技术实现过程中，为了易于加工，如图3示出的，Vivaldi天线的侧面包括下宽上窄的梯形结构。更进一步地，该梯形结构可以为等腰梯形结构，对应的等腰梯形的腰的斜率k为其中，l为Viv本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种相控阵天线，其特征在于，所述相控阵天线的天线阵元为Vivaldi天线，所述Vivaldi天线设有开口向上的缝隙结构，所述Vivaldi天线的侧面宽度从所述Vivaldi天线的底部至顶部逐渐减小。

【技术特征摘要】
1.一种相控阵天线，其特征在于，所述相控阵天线的天线阵元为Vivaldi天线，所述Vivaldi天线设有开口向上的缝隙结构，所述Vivaldi天线的侧面宽度从所述Vivaldi天线的底部至顶部逐渐减小。2.根据权利要求1所述的相控阵天线，其特征在于，所述Vivaldi天线的侧面包括下宽上窄的梯形。3.根据权利要求2所述的相控阵天线，其特征在于，所述梯形为等腰梯形。4.根据权利要求1所述的相控阵天线，其特征在于，所述缝隙结构的上部由相对于竖直方向的对称轴对称的两辐射臂形成，所述辐射臂对应的槽线满足指数函数曲线：z＝±(c1eRx+c2)其中，(x2，z2)为单侧的所述槽线的顶端在所述Vivaldi天线的正面的投影坐标，(x1，z1)为所述单侧的所述槽线的底端在所述Vivald...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯建春，赵凤军，王楠，吴亮，袁诚，
申请(专利权)人：中国科学院电子学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11