一种双相位中心测高频率扫描天线

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地面数字电视接收机本文设计研制了一种利用单基线相位干涉仪的组成原理,采用两个单相位中心频率扫描天线组成了双相位中心测高频率扫描天线,该天线工作于Ku 波段,具备优良的方位面频扫特性和俯仰面测高功能。通过对天线实物的测试,该天线可以实现方位面±45°宽角扫描,俯仰向超过30°的角度测量范围,方位面副瓣优于-20dB 。CC数据
菱镁材料频率扫描天线具有增益高、低副瓣、宽角扫描、成本低、结构简单等优点,被广泛应用于低空搜索雷达、地面警戒雷达等领域,常规的频率扫描天线可以完成方位向的波束扫描,确定目标在方位向的来波方向,而俯仰向却不能进行测量。
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本文介绍了一种双相位中心测高频率扫描天线,该天线在方位面具有±45°宽角扫描,增益平坦度好,低副瓣等优点,在俯仰面具备超过30°范围内的测高功能,能够满足实际低空小目标测高要求,结构设计新颖,性能指标优越。
1  天线设计
1.1  频率扫描天线的基本原理
频率扫描天线阵是通过改变馈电工作频率,从而改变天线阵波瓣
指向的天线阵列,即天线阵方向图主波束的指向是工作频率的函数。
图1 串馈频扫阵列天线原理示意图
频扫天线阵方向图主波束指向是工作频率的函数,工作频率与波瓣扫描角度相对应,如图1所示。可见,扫描角度越大,需要的Δφ越大。在频率f 1或波长λ1时,波瓣指向角θm1;在频率f 2或波长λ2时,波瓣指向角为θm2。d 为天线单元间距,L 为相邻两辐射单元间的馈线长度差, 为了不出现栅瓣, d 的值应小于d max ,N 为天线单元总数。
(1)
为了确定m 值,引入慢波系数P :
(2)
(3)为了不出现栅瓣,m max 可以用P 表示为:
(4)
m 为小于m max 的最大正整数。
天线阵波束扫描的原理就是天线阵中各单元的相位关系依次变化。扫描角度与相邻单元之间的相位差关系为:
(5)
扫描角度越大,需要的Δφ越大。另一方面为了减少天线方位向单元间的互耦,在不出现栅瓣的情况下,单元间距越大越好。1.2  单基线相位干涉仪原理简介
为了对俯仰向的目标高度进行测量,最简单的方法是利用两个接收天线组成双相位中心天线,通过接收目标回波相位进行比相,从而确定目标高度。两个单相位中心天线间距为d ,θ为入射波到达角,λ为入射波波长,当d 超过0.5λ时,的取值会超过[-π,+π]的范围,这就超出了鉴相器的测量范围,因此,为了不出现测角模糊,d 对应的测角范围为:
(6)
因此,为了满足一定的俯仰向测量角度范围,两个单相位中心天线之间的间距d 不能太大,对于频扫天线来说,由于慢波线的存在,两个接收频扫天线较小的间距实现将十分困难。1.3  高性能双相位中心测高频扫天线设计
慢波线采用波导蛇形线形式,天线工作频段为Ku 波段,为了不出现栅瓣,相邻单元的间距需满足±45°扫描要求,在满足不出现栅瓣的前提下相邻单元间距越大,天线单元间的互耦越小,综合考虑,本天线的单元间距为9.8mm 。
波导慢波线耦合器形式十分重要,耦合器的工作带宽和带内起伏特性将直接影响天线各单元的幅相分布,本天线采用波导双缝耦合器形式,结构如图2
所示。
图2 波导双缝耦合器模型
为满足系统方位面-20dB 副瓣的要求,对馈电网络进行了-29dB 的泰勒加权,如图3所示,考虑蛇形线为行波系统,能量边走边辐
射,在设计的过程中还需要考虑蛇形线的波导损耗和辐射效率。
图3 天线单元电导分布
天线在方位面需要实现±45°扫描,天线单元间的互耦会导致天线设计幅相和辐射效率的改变,特别是在大角度扫描时影响更加强烈。为了对目标结果进行优化,需要考虑天线单元在扫描情况下的有源驻波情况。E 面张角喇叭与耦合波导口的位置及高度比较关键。
为满足俯仰向30°以上的测角范围,两个接收天线之间间距为32mm ,通过耦合器结构180°弯的设计满足了间距的要求。为了压窄天线俯仰面波束宽度,通过加载介质透镜的形式,对俯仰面波束进行压窄,模型如图4、5所示。
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安徽四创电子股份有限公司  赵继明  李运志  胡卫东  金秀梅

本文发布于:2024-09-22 09:33:24,感谢您对本站的认可!

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