一种偏馈型反射面和差网络天线

1.本发明属于射频天线领域，具体为一种偏馈型反射面和差网络天线。


背景技术：

2.随着毫米波雷达技术的发展，在视频监控设备无法满足的雾天、暴雨、隧道、雾霾、桥梁、水域、空域等特殊情况下，毫米波雷达成为了一种性能优越的替代品。毫米波雷达穿透力强，不容易受到障碍物的遮挡，可全天时全天候地透过物体帮助人们“看清”情况，因此其在交通监管、安防布控、目标搜寻等方面有着广泛的工程应用。
3.人们已研制出了各种毫米波雷达天线，如单脉冲天线、多波束天线、相控阵天线等，作为毫米波雷达的重要组成部分，天线性能的好坏可以直接影响雷达的探测和跟踪能力。其中反射面和差网络天线是单脉冲天线中一种重要的精密跟踪天线，这类天线通常每发射一个脉冲天线就可以同时接收多个目标的回波信号，常用的半阵法将面阵分为左右、上下两部分，将左右阵元接收的波束之间做差得到方位差波束，作和得到方位和波束，上下部分同理可得俯仰方向的和、差波束。和波束的主瓣或者差波束的零陷处即对应目标所在方向，这种和差测角的方法测角精度高且工程容易实现。
4.根据馈源的安装方式，反射面天线分可为正馈和偏馈两种。在一般的正馈式反射面天线中，多个馈源喇叭需要安装在抛物面焦点附近，因此馈源会不可避免地对传播中的电信号产生遮挡，同时产生一定程度的横向偏焦，导致天线波束的主瓣电平的降低、副瓣电平上升、天线增益降低，当馈源越多越大时，遮挡越严重。虽然这个问题可以通过提高喇叭性能得到解决，但是避免这个问题的最优解还是使用偏馈型反射面天线，这类天线的反射面部分是截取旋转对称反射面的一部分得到的，馈源以一定偏置角度照射反射面，因此很好地避免了馈源和支撑部分对反射面造成的遮挡，使得偏馈型反射面天线比正馈反射面天线有更高的增益、更低的副瓣和更好的驻波特性。但对于和差网络天线来讲，要求和差波束的相位、方向图对称，而偏置的问题会引起结构的不对称，使得馈源的纵向偏焦程度不一，其中，一半的馈源在抛物面轴线方向上相位中心靠前偏离抛物面焦点，而另外一半的相位中心靠后偏离抛物面焦点，这对形成状貌良好对称的和差波束往往是不利的，总会导致差波束的方向图变形，左右大小不一样，所以偏馈的方式难以得到应用。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提出了一种偏馈型反射面和差网络天线，以解决目前偏馈型反射面和差网络天线存在的偏焦问题，可以有效减小由于偏馈时馈源相位中心在方位或者俯仰方向上的不对称偏焦引起的天线差波束变形，提高差波束对称性，实现反射面和差网络天线的偏馈式安装。
6.实现本发明目的的技术方案为：一种偏馈型反射面和差网络天线，包括偏置反射面天线、馈源以及和差网络，所述馈源与和差网络连接，其特征在于，所述馈源采用单耳型喇叭对，所述单耳型喇叭对以设定角度分布在偏置反射面焦点；所述单耳型喇叭对包括一
对或者多对对称设置的单耳型喇叭，且至少有一对单耳型喇叭对两边的单耳结构不对称设置。
7.优选地，所述偏置反射面天线为抛物面天线、卡塞格伦天线、格里高利天线或者盒式反射面天线。
8.优选地，所述单耳结构为向外侧翻边的弧面结构。
9.优选地，所述弧面结构为圆柱面、椭圆柱面或抛物柱面的一部分。
10.优选地，至少有一对单耳型喇叭对两边的单耳结构为形状大小不同。
11.优选地，当单耳型喇叭对由三对以上的单耳型喇叭构成时，只有最外侧的单耳型喇叭的单耳结构为不对称结构而中间的喇叭馈源均为对称结构。
12.优选地，所述单耳型喇叭对的不对称单耳结构位于馈源偏置照射方向上，在馈源对应偏置方向的最外侧边上，另一方向上为对称结构。
13.优选地，每个单耳型喇叭通过波导连接至和差网络。
14.优选地，所述单耳型喇叭为角锥喇叭的形状。
15.本发明与现有技术相比，其显著优点为：
16.(1)本发明通过对喇叭馈源的创新结构设计，能够相对减小偏馈结构的不对称性，在偏馈条件下实现对称性接近正馈型天线的和差波束；
17.(2)本发明使用非对称单耳型喇叭馈源对，减小了喇叭馈源偏焦程度不一的情况，修正馈源相位分布的不均程度，恢复差波束主瓣的对称性；
18.(3)本发明在对喇叭口径、非对称单耳结构形状大小、天线口径等合适参数设计基础上，可应用于任意毫米波频段；
19.(4)本发明的天线形状和结构较为简单，设计灵活，易于制造，同时可以得到高增益、低旁瓣和高度对称的和差波束，有利于提高雷达性能。
附图说明
20.图1为本发明实施例1中一种水平偏馈型反射面和差网络天线的结构示意图。
21.图2为图1天线的分解结构图。
22.图3为本发明实施例1中天线的几何结构示意图。
23.图4为本发明实施例1中的非对称单耳型喇叭馈源结构示意图。
24.图5为本发明实施例1中的天线在76.5ghz下使用一般喇叭及非对称单耳型喇叭方位面差波束方向图。
25.图6为本发明实施例2中一种方位偏馈型反射面和差网络天线的结构示意图。
26.图7为本发明实施例2中的一种非对称单耳型喇叭2
×
2馈源结构示意图。
27.图8为本发明实施例2中的另一种非对称单耳型喇叭2
×
3馈源结构示意图。
具体实施方式
28.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。所描述的实施例仅用于图示说明，而不是对本发明范围的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于
本发明的保护范围。
29.一种偏馈型反射面和差网络天线，包括偏置反射面天线、馈源以及和差网络，所述馈源与和差网络连接，所述馈源采用单耳型喇叭对，喇叭对以一定角度分布在偏置反射面天线焦点；所述喇叭对包括一对或者多对对称设置的单耳型喇叭，所述单耳型喇叭喇叭口的边缘延伸设置有单耳结构，且至少有一对单耳型喇叭对两边的单耳结构不对称设置。
30.进一步地，所述偏置反射面天线为抛物面天线、卡塞格伦天线、格里高利天线或者盒式反射面天线。
31.进一步地，所述单耳结构为向外侧翻边的弧面结构。
32.进一步地，所述弧面结构为圆柱面、椭圆柱面或抛物柱面的一部分。
33.进一步地，至少有一对单耳型喇叭对两边的单耳结构形状大小不同。
34.进一步地，当喇叭对由三对以上的单耳型喇叭构成时，只有最外侧的单耳型喇叭的单耳结构为不对称结构而中间的喇叭馈源均为对称结构。
35.进一步地，所述喇叭对的不对称单耳结构位于馈源偏置照射方向上，在馈源对应偏置方向(俯仰或方位)的最外侧边上，另一方向上应为对称结构。
36.进一步地，每个单耳型喇叭通过波导连接至和差网络。
37.进一步地，所述单耳型喇叭为角锥喇叭。
38.本发明利用了馈源赋形手段，改变偏置方向上馈源阵列的喇叭结构，使它们的边缘延伸为单耳结构，并做非对称设计。在这种非对称单耳结构的作用下，馈源喇叭的能量照射分布发生了改变。原本相对抛物面轴线靠前偏焦的喇叭外侧形成一个较小的单耳结构，靠后偏焦的喇叭外侧形成一个较大的单耳结构，在两者的共同作用下，由于纵向偏焦程度不一引起的相位分布不对称得到了弥补，使得原来不对称的差波束主瓣显著恢复对称。因此能够在完全避免正馈天线遮挡问题时的同时，满足和差波束要求的对称性问题，一定程度上修正了馈源偏焦问题，得到了高增益、低副瓣和高度对称的和差波束。
39.实施例1
40.参照图1、图2，本实施例设计了一个方位向偏置的偏馈型反射面和差网络天线，偏置反射面天线选用盒式反射面天线，具体地，一种偏馈型反射面和差网络天线，包括一个偏置反射面天线201、一对金属板202、非对称单耳型喇叭馈源对203、一对过渡结构204、弯波导205以及和差网络206。金属板202将偏置抛物反射面201和喇叭馈源203夹在中间，上下两块金属板202本身完全相同且互相平行。两个过渡结构204分别与一个金属板202连接，让电磁波更加平缓地过渡到空气中，过渡结构204与各自相连接的金属板之间夹角为θ。最后用弯波导205将喇叭馈源203与和差网络206连接起来。
41.所述偏置反射面天线201截取了母抛物面上的一部分，在水平方向(x方向)上的口径投影为d
e
，在垂直方向(z方向)上的口径投影为d
h
，所截取的偏置反射面天线口径为矩形口面场。f为偏置抛物面的焦距，与母抛物面的焦距相同，焦点为o，d为偏置抛物面下边缘与y轴的垂直距离，为偏置抛物面的偏置角，为偏置抛物面下边缘与y轴的夹角，为馈源的照射角(如图3所示)。从几何结构图中可以得出制约关系如下：
[0042][0043]
[0044]
d的选取原则是以馈源对偏置抛物面下边缘的反射线不遮挡为出发点，不宜取的过大，d
e
和d
h
则按波束要求根据经验公式得出估计值。根据中心工作频率76.5ghz估算出对应的工作波长λ约为3.92mm，然后抛物反射面的矩形口面场的口径d(d
e
和d
h
)分别由和波束的目标方位角和俯仰角估计得出，经验公式如下：
[0045][0046]
这里的k值为一个估计值，可先在范围内取中间值，估算出天线方位与俯仰方向的口径d(d
e
或d
h
)，最后结合式(1)、(2)和(3)估算出大致符合要求的天线重要结构参数。实施例为使得结构更为完整，在截取偏置抛物面时多截取了一段，对性能没有影响。非对称喇叭馈源对203的口径d
h1
和d
h2
要求与抛物反射面的口径d
h
互相平行并垂直于上下两块金属板平面，并以为照射角进行偏转。紧接着加入两个过渡结构204让电磁波更加平缓地过渡到空气中，过渡结构204与各自相连接的金属板之间夹角为θ。最后用弯波导205从盒子侧面穿出将喇叭馈源203与和差网络206连接起来。
[0047]
如图4所示，本实施例的非对称单耳型喇叭馈源对203设计如下：首先根据目标频率要求，选取标准波导301，然后要求馈源喇叭的方位(水平)、俯仰(垂直)方向上的
‑
10db波束宽度刚好照射于偏置抛物反射面的边缘，再将其扩展为常规的角锥喇叭得到两个喇叭302和304，其口径长度分别为d
e1
、d
h1
和d
e2
、d
h2
。然后再将这两个相同的角锥喇叭302和304对称放置(d
h1
平行于d
h2
，d
e1
与d
e2
平行且在同一直线)，并向右偏置角度让左边喇叭302的左侧壁向外延伸为半径是r1角度是θ1的弧面单耳结构303，再将右边喇叭304的右侧壁向外延伸为半径是r2角度是θ2的弧面单耳结构305，使得满足θ1＜θ2，r1＜r2。最后用仿真软件调整天线的各项估计参数得到最终符合要求的天线结构。
[0048]
本实施例的非对称单耳型喇叭馈源对通过弯波导将各自接收到的信号送入和差器之中，可以得到和信号与差信号。模拟仿真的差信号结果表明，原本一般结构下差波束零值偏移了0.1度，并且双肩不对称，增益较低只有25.85dbi，但在使用了非对称结构后，原本不对称的双肩得到了很大程度的修正，恢复了一定程度的对称性，且增益上升至27.23dbi，证实了利用非对称结构可以对偏置馈源时的偏焦问题有一定的弥补消除作用。
[0049]
实施例2
[0050]
参照图6、图7、图8，本实施例设计为一个俯仰向偏置的多馈源反射面天线，偏置方向为向上偏置设计步骤如下：本实施例的俯仰向偏置的多馈源反射面天线包括偏置反射面天线501、非对称单耳型喇叭2
×
2馈源对502、和差网络503、连接波导504、支撑杆505以及底座506。所述非对称单耳型喇叭2
×
2馈源对502中的喇叭都由标准波导结构601扩展为喇叭天线并分为上方的两个喇叭602和下方的两个喇叭604，根据偏置方向，则上方的两个喇叭602的上边缘扩展为较大的单耳结构603，下方的两个喇叭604扩展为较小的单耳结构605，两组喇叭为不对称结构设置。
[0051]
其中，反射面天线501、和差网络503、标准波导601为常见结构。本实施例仅为说明有多组喇叭时非对称结构应当位于偏置方向上的两个外侧边上，且馈源水平向左(右)偏置照射，则非对称馈源对中左(右)边的弧面单耳结构较右(左)边的大；馈源水平向上(下)偏置照射，则非对称馈源对中上(下)边的弧面单耳结构较下(上)边的大，即馈源偏置方向对应的单耳结构较大。
[0052]
如图8所示，当喇叭对由三对以上的单耳型喇叭构成时，只有最外侧的单耳型喇叭的单耳结构为不对称结构而中间的喇叭馈源均为对称结构。本实施例的另一种非对称单耳型喇叭2
×
3馈源结构与图7中的2
×
2馈源对类似，上下两排共计6个喇叭的基本结构均相同，以上方3只喇叭为例，均由标准波导结构701扩展为喇叭天线702，不同之处在于，上方的喇叭位于偏置方向上外侧的3个相同单耳结构703与下方的喇叭位于偏置方向下外侧的3个相同单耳结构705形状大小为不对称设置，以此实现偏置弥补作用。在非偏置方向上，最外侧的4个相同耳瓣结构704为对称结构，以此保证了这个方向上喇叭的结构对称，需要说明的是在非偏置方向上对喇叭结构不做限定，但要保证此方向上的结构对称性。
[0053]
本领域技术人员可以理解附图只是优选实施例的示意图，并不用于限制本发明，本发明不限制于盒式反射面天线，也包括抛物面、卡塞格伦、格里高利等反射面天线，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。