[发明专利]一种波束赋形相控阵天线系统及其设计方法

说明书

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种波束赋形相控阵天线系统及其设计方法。解决现有技术方案存在的不能兼顾天线系统剖面低、易于其他模块集成设计、结构尺寸紧凑、波束赋形方向图效果好的的难题。本发明波束赋形相控阵天线系统采用串并馈结合的网络形式，天线与波束赋形馈电网络设计在同一层或不同层，具有结构尺寸紧凑和较低的剖面的优势，且便于与其他模块集成化设计，同时通过调整辐射单元间距以及馈电线参数，使波束赋形馈电网络实际输出的幅度相位值与目标幅度相位加权值高度吻合，最终实现比较理想的赋形方向图效果。

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种波束赋形相控阵天线系统及其设计方法。

背景技术

在雷达、通讯等众多应用领域中，有些场景需要在一个平面实现特殊形状的天线波束（如余割平方波束、宽波束等），而在另外一个平面进行波束扫描。同时要求射频部分的功能模块能够在一整张层压板中实现，在紧凑的空间内完成各射频模块的集成设计。由于在相位扫描这一维组阵时,对单元间距有着严格的限制，故需要实现波束赋形这一维的结构尺寸就需要大大压缩，要求既能满足波束赋形的要求，还应满足相位扫描这一维的单元间距、阵中方向图及线阵之间隔离度的要求。

现有波束赋形天线主要通过以下几种方式实现：

第一种方式：波束赋形一维采用波导裂缝天线形式，利用缝隙的不同偏置或者倾角实现所要求的的幅度加权值；利用缝隙间的不同间距实现所要求的天线赋形方向图。此方法的优点是不需要额外的功分移相单元，但是由于缝隙之间的耦合度较高，使得其设计难度较大，且波导形式剖面较高，也不易于与后端的射频部分集成设计，导致组阵后的面阵纵向尺寸加大。

第二种方式：波束赋形一维采用并馈网络，如加权幅度的实现采用多级不等功分威尔金森网络级联，加权相位可利用带线的长短调节，此方法的优点是可以精确地控制网络输出的幅相值，阵列天线的赋形方向图与目标方向图吻合度高，缺点是网络体积往往较大，只能在与功分网络所在平面垂直的平面内进行组阵设计，而无法在同一平面内组阵，这大大增加了整个面阵的纵向尺寸。

第三种方式是，波束赋形一维采用串馈微带贴片线阵形式，利用微带贴片天线的不同尺寸调节加权幅度，单元之间引入不等长的馈电线调节加权相位。此方法的优点是结构紧凑，不需要额外的波束赋形馈电网络，波束赋形线阵的宽度方向尺寸较小，可以满足波束扫描维组阵时对单元间距的限制要求。串馈微带贴片线阵多采用微带形式，易于与其他模块集成设计，缺点是贴片单元较难匹配，幅相控制不够精确，波束赋形方向图不理想。

第四种方式：整个面阵均为离散辐射单元，每个辐射单元后接T/R单元，独立控制其幅度与相位加权值；此方法的优点是幅相控制灵活、精确，缺点是控制复杂、成本明显增加。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术方案存在的不能兼顾天线系统剖面低、易于其他模块集成设计、结构尺寸紧凑、波束赋形方向图效果好的的难题，提供一种波束赋形相控阵天线系统及其设计方法。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种波束赋形相控阵天线系统，其特殊之处在于：包括辐射单元阵列、波束赋形馈电网络阵列、校准网络、校准T/R、负载和收发模块；

上述辐射单元阵列与波束赋形馈电网络阵列设置在同一层；

上述校准网络、负载、校准T/R和收发模块设置在同一层，且与辐射单元阵列和波束赋形馈电网络阵列位于不同层；

上述辐射单元阵列为二维矩形阵列，包括n×m个辐射单元,其中n和m均为大于1的整数;

上述波束赋形馈电网络阵列采用微带线形式，由m条波束赋形馈电网络并联构成;每条波束赋形馈电网络的一端作为输入端；每条波束赋形馈电网络在远离其输入端的微带线上设有n2个T型结功分器，n2个T型结功分器沿微带线长度方向排布，通过微带线相互串联；T型结功分器的其中一个输出端作为波束赋形馈电网络的输出端；其中n2为小于n的整数；