一种基于共形Vivaldi天线的复合极化敏感阵列装置的制作方法

本发明涉及极化敏感阵列天线传感器技术领域，具体的说是一种基于共形Vivaldi天线的复合极化敏感阵列装置。

背景技术：
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电子战中，被动雷达导引头是导弹完成对目标的捕捉以及跟踪的关键部件，测向过程中要求导引头有较大的瞬间视野、较高的测角精度和角度分辨力以及较快的测向速度。现代反辐射导引头常用的测向技术包括比幅法测向、相位干涉仪测向以及比幅干涉仪测向等。被动雷达制导主要有以下几点：(1)攻击频率覆盖宽，弹上装备的无源雷达干扰头工作频率宽，覆盖了警戒和火控雷达所常使用的反辐射导弹的频段；(2)能根据对方雷达参数和特征重编程，发射前，将预定攻击的目标波长输入，发射后导引头便对所储存的频率进行搜索，直到选出目标；(3)能待机攻击。被动雷达制导系统包括导引和控制两部分，其主要特点是采用被动雷达寻的制导方式。制导系统性能的优劣决定了导弹发现目标、跟踪目标和抗干扰的能力，也决定了导弹命中目标的精度。新一代的导弹中段以全球定位/惯性导航技术控制，末端则改用双模制导体制，即红外和被动雷达复合或者主动和被动雷达复合，用以替代传统的INS和被动雷达制导。被动雷达制导只会是反辐射导弹的一种固有的制导方式，而GPS制导、电视制导、激光制导、红外制导、主动毫米波制导等其他制导方式将会更加灵活的与之综合在一起。导弹采用复合制导技术，优势互补，增强导弹适应能力，这样，即使目标雷达关机，反辐射导弹也能大大提高击中目标雷达的概率。复合制导技术可在失去目标雷达辐射的电磁波时继续利用其他制导体制进行制导，以有效对付各种干扰。可将被动雷达导引头与主动雷达、红外、毫米波、激光、电视等制导技术结合，进行复合制导，提高命中概率和命中精度。

被动导弹的导引头实际上是—个电子侦察系统，在复杂的电磁环境中对信号进行捕获、分选、识别，最终选定目标雷达的辐射源信号，对其进行打击摧毁。被动雷达导引头主要由天线、接收机、信号处理器等部分组成，分为高频和低频两部分。为了测量出雷达信号及到达导引头的方位和俯仰两个偏角，一般需要4个天线，或者由更多的天线组成1个天线系统。每个天线后面都接着1个接收机，来放大接收到的信号。4个天线和接收机通道组成的测角系统测出每个雷达脉冲的方位和俯仰角，形成数字代码，送入信号处理器。导引头高频部分将4个天线所接收的信号加以处理，形成上下、左右两个通道的波束信号，若导弹正好对准目标，则这两个通道的波束信号强度相等，信号经检波、放大、相减，其误差信号输出均为零，控制系统不工作。在雷达导引头上，为了提高其生存力、战斗力，天线设计必须以小型化、低剖面、高性能、低RCS为前提。高精度、小型化导引头发展的需要，以及成本和体积问题的制约，捷联末制导技术应运而生。基于共形天线的捷联被动导引头采用的天线能与飞行器外壳形状完全融合，满足导弹飞行器空气动力学外形要求。同时去除常平架天线稳定系统，数字方式对弹体扰动造成的天线波束指向偏差实施实时修正，稳定天线波束在惯性空间的指向。这种导引头与通常的被动导引头相比具有以下特点：导引头上设备简单，质量轻；一般不挤占弹体头部空间，对主动雷达天线的性能不会产生大的影响；易于主被动融合；不使弹径尺寸增加，可显著减小导弹尺寸和体积，减少伺服系统机械跟踪限制。这些特点决定了基于共形天线的捷联被动导引头能显著提高雷达对预警机的攻击性能，是导引头的发展趋势。随着导弹技术的不断发展，在未来局部战争中基于导弹武器的对抗与反对抗会愈演愈烈。国内外对导弹抗诱偏技术进行了专门研究，主要方法集中在三个方面：复合制导技术，窄波束天线与高分辨测向技术。这些方法主要是想通过提高导引头的测向精度和角度分辨力，使导弹能尽早地分辨出雷达和诱饵，从而有足够的时间修正失误距离。将极化阵列应用到导弹导引头上，导引头利用目标与诱饵的极化差异，采用极化域一空域联合估计技术进行抗诱偏是一种有效途径。

极化敏感阵列(polarization sensitive array,PSA)是一种能实现空域-极化域联合滤波,获取完整极化信息的特殊阵列,和普通阵列相比,具有明显的优势。极化敏感阵列是信号处理的一个前沿热门领域，它具有时、空和极化多维性，能够更大限度上利用信号的固有属性和传播信息，提高雷达、侦察等电子系统的综合性能，因此引起了很多相关领域学者的关注。然而,对于目前的大型雷达系统而言,在孔径不变的前提下,必然会造成信道数翻倍,天线成本增加,极大地限制了其在大型雷达系统中的应用。极化敏感阵列信号处理主要包括目标检测、自适应处理和参数估计等3个方面，其研究历史可以追溯到20世纪70年代初美国贝尔实验室Lee博士等关于极化分集的工作，尽管其研究针对的主要应用背景为无线通信领域。随后的研究主要围绕无线通信和电子侦察中的极化敏感阵列波束形成和信号多维参数估计问题展开。整体来看，雷达极化敏感阵列信号处理的研究尚处于起步阶段，有关复杂目标与复杂环境、以及模型失配条件下，雷达极化敏感阵列空-时-极化自适应匹配接收、鲁棒自适应波束形成、高容错性多维参数估计等方面的研究工作亟待开展。

技术实现要素：
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本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种能够充分利用宝贵的弹体飞行器空间，天线系统结构可靠，适合于工程实践的基于共形Vivaldi天线的复合极化敏感阵列装置。

本发明可以通过以下措施达到：

一种基于共形Vivaldi天线的复合极化敏感阵列装置，其特征在于设有介质天线罩，天线罩底端设有连接环，天线罩内设有柔性介质基板，还设有双极化辐射器以及被动天线和主动天线；

所述双极化辐射器采用半圆形谐振腔，通过介质基板上的平面半圆形谐振腔体与矩形金属腔体的结合实现两个极化辐射器的接卸装配和电气连接；

所述被动天线基于与天线罩共形的各向异性单元实现对对入射电磁波的极化敏感，具体为：天线罩内共形安装两个以上超宽带Vivaldi天线单元，超宽带Vivaldi天线单元等间距排列，依靠阵元的各向异性实现对入射电磁信号的极化敏感；所述超宽带Vivaldi天线单元为采用共面波导传输线馈电的共形Vivaldi天线，共形Vivaldi天线的馈电区、传输区以及辐射区均放在柔性介质基板的同一侧，Vivaldi天线单元正面由指数渐变线以及与指数渐变线末端等宽的槽线和谐振腔体构成，背面由微带线以及扇形枝节构成，分别印制在介质板的两侧，通过电磁耦合的方式馈电，由于槽线的特性阻抗较大，难以匹配，因此加载圆形腔体作为短路终端，微带终端采用扇形枝节作为开路终端；

所述主动天线采用正交双极化天线单元实现对入射电磁波的两个正交极化分量的感知和接收；

在天线罩内的中央空间布置双极化的相控阵列，该双极化的相控阵列采用主动工作方式；

双极化辐射器与介质天线罩不直接接触，同轴线接头直接安装在金属连接环上且与共面波导连接。

本发明共形Vivaldi天线中每个平面型的基于共面波导馈电的Vivaldi天线设有渐变缝隙的喇叭开口结构、调谐用的谐振腔、用来实现宽带内的阻抗匹配、共面波导传输线，其中共面波导传输线的终端接入同轴传输线接头。

本发明所述共面波导的传输主模为准TEM波，而且没有上下截止频率，共面波导中h为介质基板的厚度，εr为介质板的介电常数。w为接地板与中心导带之间缝隙的宽度，s为中心导带的宽度，共面波导的特性阻抗计算公式为：

本发明采用背腔式双极化波导口径天线作为辐射器单元，设计平面型的双极化相控阵天线阵列，实现快速波束扫描，同时天线具有极化敏感性，可探测目标信号的极化信息；所述背腔式双极化波导口径天线的工作频点f0，采用Vivaldi天线形状的激励器，激励矩形波导谐振腔体，金属波导谐振腔体的高度与Vivaldi形状的激励器的高度相差为d，通过尺寸d，可以实现良好的阻抗匹配和方向图的极化电平。

本发明采用微带-槽线的阻抗变换器，该背腔式双极化波导口径天线馈电时，50Ω同轴电缆直接连接微带线，故而微带线的端口输入阻抗要与同轴电缆匹配，故而在输入端处，根据等效电路法，可知wmic约为0.8mm，所以一个馈线阻抗变换器的结构参数共有θm、rm、hm、hs、wm和wsl几个参数，为了实现双极化天线，两对单极化天线在中心处能够可以正交放置，槽线的长度要满足大于馈线扇形的高度的要求，为了实现双极化天线较好的隔离度，双极化天线中每一个天线单元的馈线不能同与它正交的天线单元的馈线距离太近，所以在设计这种背腔式双极化波导口径天线时，天线与天线共同的hm需要做一些调整，以便于两个天线单元正交放置互不影响。

本发明所述背腔式双极化波导口径天线的Vivaldi形状激励器如设有金属地板、馈电微带线、介质基板以及接地半圆形谐振腔体，该半圆形谐振腔体与矩形波导腔体共同作用，实现Vivaldi形状双极化激励器的阻抗匹配。

本发明提出了一种基于载体共形的共面波导馈电超宽带Vivaldi天线结构，实现了天线罩与天线的一体化设计，具有结构紧凑、适合于工程实现等显著的优点。

附图说明：

附图1是本发明中与天线罩共形的被动天线阵列结构模型。

附图2是隐藏了天线罩之后的共形天线结构模型。

附图3是共面波导馈电Vivaldi天线单元结构模型。

附图4是共面波导结构示意图。

附图5是金属波导背腔式双极化天线的三维电磁仿真模型。

附图6是双极化波导背腔式天线的一个剖面图。

附图7是Vivaldi天线馈线阻抗变换器示意图，其中7(a)是传统Vivaldi天线馈线，7(b)是新型Vivaldi天线馈线。

附图8是双极化背腔式天线Vivaldi激励器结构模型。

附图9是基于双极化背腔式波导口径的相控阵天线结构模型。

附图10是本发明实施例中平面超宽带Vivaldi天线在频率f1处的辐射特性仿真结果。

附图11是本发明实施例中平面超宽带Vivaldi天线在频率f2处的辐射特性仿真结果。

附图12是本发明实施例中共形超宽带Vivaldi天线在频率f1处的辐射特性仿真结果。

附图13是本发明实施例中共形超宽带Vivaldi天线在频率f2处的辐射特性仿真结果。

附图14是本发明实施例中端口1的电压驻波比仿真结果。

附图15是本发明实施例中端口2的电压驻波比仿真结果。

附图16是本发明实施例中端口1和2之间隔离度的仿真结果。

附图17是本发明实施例中中心频率处双极化天线的辐射方向图。

附图18是本发明实施例中双极化阵列端口1的方位面的波束。

附图19是本发明实施例中双极化阵列端口2的方位面的波束。

附图标记：1为介质天线罩，2为天线罩的连接环，3为共形Vivaldi天线，4为共面波导馈电Vivaldi天线喇叭开口渐变缝隙，5为谐振腔，6为馈电的共面波导，7为金属波导双极化天线的背腔，8为双极化的激励器。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明提出了一种基于超宽带共形Vivaldi天线的主被动复合极化敏感阵列装置，它可用于制导雷达主被动复合探测制导等领域。本发明的主要工作是提出了一种结构紧凑的复合式极化敏感天线方案，可实现对探测目标的宽频段和宽角度的电磁覆盖与探测。根据制导雷达系统的天线罩的几何形状和尺寸，设计了与天线罩内表面共形安装的超宽带Vivaldi天线单元；为了便于实现超宽带Vivaldi天线在天线罩共形条件下的馈电以及与同轴线接头的连接，本发明设计了一种新型的基于共面波导馈电的Vivaldi天线结构。超宽带被动雷达天线布置在天线内表面且等间距排列，依靠阵元的各向异性，实现对入射电磁信号的极化敏感，采用全极化数字信号处理技术实现对辐射源的波达方向以及极化参数的联合估计。为了解决辐射源的关机问题，在天线罩内的中央空间，布置双极化的相控阵列，该双极化的相控阵列采用主动工作方式，在近距离实现对敌方目标的精确探测与导引。本发明中设计的主被动复合极化敏感阵列的结构，充分利用了天线平台的空间，可解决主被动复合天线系统的协同工作问题。本发明设计的与天线罩共形的被动天线阵列结构如图1所示，图2为隐藏了天线罩之后的共形天线结构模型。

Vivaldi天线从结构上可以分为馈电区，波导区以及辐射区。天线单元正面由指数渐变线以及与指数渐变线末端等宽的槽线和谐振腔体构成。背面由微带线以及扇形枝节构成，分别印制在介质板的两侧，通过电磁耦合的方式馈电。由于槽线的特性阻抗较大，难以匹配，因此加载圆形腔体作为短路终端。微带终端采用扇形枝节作为开路终端。Vivaldi天线具有体积小、重量轻、低剖面等特性，易于共形。常规的Vivaldi天线为双面结构，采用电磁耦合的馈电方式，在与介质天线罩紧密接触时，天线与天线罩耦合严重，馈电区敏感，且微带线与同轴连接处加工安装困难。本发明设计了一种采用共面波导传输线馈电的共形Vivaldi天线结构，该结构将馈电区与传输区以及辐射区放在柔性介质基板的同一侧，天线金属辐射器与介质天线罩不直接接触，天线辐射器的边界条件得以改善；采用共面波导馈电时，同轴线接头便于和共面波导连接，同轴线接头可直接安装在天线罩的金属连接环上，结构紧凑，牢固可靠；平面型的基于共面波导馈电的Vivaldi天线如图3所示，在图3中，4为渐变缝隙的喇叭开口结构，5为调谐用的谐振腔，用来实现宽带内的阻抗匹配，5为共面波导传输线，其终端接入同轴传输线接头；在介质天线罩安装条件下，Vivaldi传输线的辐射口径场发生变化，共面波导传输线由平面型变为曲面形，其特性阻抗、传播常数和相波长都和天线罩的电磁参数和尺寸结构有关，需采用全波电磁仿真技术设计和优化实现；宽带Vivaldi辐射器面临的边界条件包括了介质天线罩、柔性介质基板和金属连接环等，电磁环境尤为复杂，需采用全波电磁仿真和实验模拟的方法研究。

共面波导属于微波集成传输线的一种。与传统微带传输线相比，它有以下优点：共面波导的信号传输线和接地板在介质基板的同侧，不像同轴馈电需要穿孔技术处理。所以，共面波导结构简单，设计加工容易，便于集成。共面波导馈电具有更高的设计灵活性，可以通过调整共面波导中间微带信号传输线的宽度和信号线与接地板之间的缝隙宽度，实现端口阻抗匹配。共面波导辐射损耗较低、特性阻抗受介质基板高度的影响不大。共面波导的传输主模为准TEM波，而且没有上下截止频率。共面波导具体结构示意图如图4所示，其中h为介质基板的厚度，εr为介质板的介电常数。w为接地板与中心导带之间缝隙的宽度，s为中心导带的宽度。严格计算共面波导的特性阻抗十分复杂，当假设其接地板无限大时，其近似计算公式为：

双极化天线系统的特色是天线系统具有极化敏感性，天线为双极化工作模式，能够提供双极化的发射和接收通道，可以实现发射极化捷变、接收时的极化信号处理，因而双极化雷达在低截获概率、目标检测与识别、抗电自干扰等方面有着明显的优越性，代表着未来雷达导引头的发展方向。双极化相控阵雷达天线的任务是形成主动探测波束，对目标进行检测、识别和跟踪。目前主动雷达采用的常用测角方法是单脉冲测角体制。在使用数字阵列雷达的条件下，天线单元的设计需要考虑波束宽度、极化端口隔离度、交叉极化电平、天线单元之间的间距、双极化端口的馈电方式以及机械结构等问题。本发明采用背腔式双极化波导口径天线作为辐射器单元，设计平面型的双极化相控阵天线阵列，实现快速波束扫描，同时天线具有极化敏感性，可探测目标信号的极化信息。

本发明设计的背腔式双极化波导口径天线的工作频点f0，采用Vivaldi天线形状的激励器，激励矩形波导谐振腔体，整体天线的结构单元如图5所示，为了显示背腔式双极化波导口径天线的内部结构，图6给出了背腔式双极化波导口径天线的一个剖面图。在Vivaldi形状激励器设计中，双极化激励器采用印刷电路技术实现。金属波导谐振腔体的高度与Vivaldi形状的激励器的高度相差为d，通过尺寸d，可以实现良好的阻抗匹配和方向图的极化电平。常见的Vivaldi天线的馈电结构主要分三种形式：(1)同轴线-槽线馈电、(2)共面波导-槽线馈电、(3)微带线-槽线馈电。典型Vivaldi天线是用微带线转槽线的馈电结构进行馈电的。这种天线馈电部分由三部分组成：(1)微带线-槽线转换器；(2)微带短截线；(3)槽线谐振腔。在Vivaldi天线的设计过程中，由于馈电结构影响高频性能故而其馈电结构的设计将会直接影响天线的辐射特性。微波工程中，槽线是一种适用于微波集成电路的平面传输线结构，它是在介质常数较高的介质基片上一面敷有金属导体层，在其上面刻出一条窄槽，这样就构成的这种传输线，在介质基片的另一面则没有金属层覆盖。描述槽线的传输参量主要有特性阻抗和相对波长比λs为槽线内的波导波长，λ0为自由空间的波长。对于槽线，有：

其中εr为介质基片的相对介电常数。一般εr≥1，在槽线内的电磁波的波长总比自由空间内的电磁波波长小，由于电磁场紧聚在槽线的附近，它辐射损耗也很小，与微带线很相当。本项目设计一个微带-槽线的阻抗变换器，如图7所示。该背腔式双极化波导口径天线馈电时，50Ω同轴电缆直接连接微带线，故而微带线的端口输入阻抗要与同轴电缆匹配，故而在输入端处，根据等效电路法，可知wmic约为0.8mm。所以一个馈线阻抗变换器的结构参数共有θm、rm、hm、hs、wm和wsl等参数。为了实现双极化天线，两对单极化天线在中心处能够可以正交放置，，槽线的长度要满足大于馈线扇形的高度的要求。在双极化天线的设计中，为了实现双极化天线较好的隔离度，双极化天线中每一个天线单元的馈线不能同与它正交的天线单元的馈线距离太近，所以在设计这种背腔式双极化波导口径天线时，天线与天线共同的hm需要做一些调整，以便于两个天线单元正交放置互不影响。背腔式双极化波导口径天线的Vivaldi形状激励器如图8所示，图8中，9为金属地板，10为馈电微带线，11为介质基板，12为接地半圆形谐振腔体，该半圆形谐振腔体与矩形波导腔体共同作用，实现Vivaldi形状双极化激励器的阻抗匹配。本发明设计的平面双极化背腔式波导口径相控阵天线结构米型如图9所示。

实施例：

本发明设计了一个具体的基于共形超宽带Vivaldi天线的主被动复合极化敏感阵列结构装置，采用全波电磁仿真软件对该天线阵列进行了性能仿真和优化设计，仿真实验结果验证了本发明所提出的极化敏感阵列天线装置的可行性和有效性。

图10和图11分别给出了设计的共面波导馈电平面超宽带Vivaldi天线在频率为f1处和f2处的辐射方向图仿真结果。在两个工作频点上，设计的共形超宽带Vivaldi天线的增益分别约为5.29dB和5.24dB，主辐射方向的大于20dB，具有良好的线极化特性。在频率为f1处，设计的超宽带Vivaldi天线在xoz面和yoz面的半功率波束宽度分别约为76度和105度。在频率为f2处，设计的超宽带Vivaldi天线在xoz面和yoz面的半功率波束宽度分别约为77度和145度。

在与天线罩共形平台安装条件下，本发明设计的超宽带Vivaldi天线的辐射方向图分别如图12和图13所示，图12和图13分别为在频率为f1处和f2处的辐射方向图仿真结果。在两个工作频点上，设计的宽带LPDA的增益分别约为6.7dB和10.4dB，极化特性随着空间位置的变化发生剧烈变化，说明在共形条件下，必须采用数字补偿技术实现雷达的信号参数测量。在频率为f1处，设计的共形超宽带Vivaldi天线在xoz面和yoz面的半功率波束宽度分别约为45度和40度。在频率为f2处，设计的超宽带Vivaldi天线A在xoz面和yoz面的半功率波束宽度分别约为28度和30度。可以看出，引入介质天线罩后，超宽带Vivaldi天线的方向图无论是在幅度、相位还是极化方面都发生较大变化，方向图出现较大的起伏和波动，需引入数字补偿技术。

本发明设计双极化天线的端口1和端口2的电压驻波比(VSWR)的仿真结果分别如图14和图15所示。端口1与端口2之间的隔离度如图16所示。在工作带宽内，端口1和端口2的电压驻波比约为2，端口隔离度大于20dB。

中心在频率处，双极化天线的辐射方向图特性仿真结果如图17所示。端口1和2均表现出宽度波束性能；随着工作频率的升高，波束变窄，增益虽有提高，但变化较小。

图18和图19分别给出了在中心频点上两个极化端口的波束扫描仿真结果，可以看出，两个极化端口均实现了较大空间范围的波束扫描，实现了双极化的工作模式。

综上所述，本发明提出了一种基于超宽带共形Vivaldi天线的主被动复合极化敏感阵列装置，采用与天线罩内表面共形的宽带Vivaldi天线和双极化波导腔体式相控阵天线阵列的复合方案，在超宽带频率范围内实现宽波束覆盖、极化敏感和信号多参数测量功能，本发明在基于导弹飞行器平台上的极化敏感阵列实现方案上具有创新性。本发明设计了一种基于载体共形的共面波导馈电超宽带Vivaldi天线结构，实现了天线罩与天线的一体化设计，结构紧凑、适合于工程实现，同时利用各个共形天线阵元的各向异性，实现对入射电磁信号的极化敏感，采用全极化数字信号处理技术实现对入射信号的波达方向和极化参数的联合估计。在主动雷达天线设计中，本发明设计了一种背腔式波导口径双极化天线，具有辐射效率高、交叉极化电平低和适合于相控阵应用等优点，在主动雷达天线设计上具有创新性和实用性。本发明适用于星载、机载、弹载以其他相关的无线电测向系统，具有更为全面的参数测量功能和平台的适应性。