專利名稱：全空域覆蓋波束賦形相控陣天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于飛行器目標(biāo)跟蹤與測控領(lǐng)域，特別涉及一種需要覆蓋仰角0° 90°、方位360°的空域范圍，并實(shí)現(xiàn)同時(shí)多目標(biāo)跟蹤的接收天線。
背景技術(shù)：
在進(jìn)行飛行器多目標(biāo)的跟蹤與測控時(shí)，地面測控站接收天線需要同時(shí)多個獨(dú)立的高增益波束覆蓋仰角0° 90°、方位360°的空域范圍，即半球覆蓋。采用方位、俯仰二維掃描相控陣是最自然的實(shí)現(xiàn)方式，但是普通平面二維掃描相控陣天線一般最大掃描角不超過±60°，因此必須采用多平面表面(棱錐)或曲面共形陣列。但此種實(shí)現(xiàn)方式的缺點(diǎn)在 于二維掃描需要大量的輻射單元，且每個輻射單元均需配有對應(yīng)的R組件，導(dǎo)致R組件數(shù)量多、成本高、功耗大。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的研究，在平面陣、多棱錐、曲面陣中，多棱錐對有效面積的利用率最低，也就是說，為了在相同的掃描角范圍內(nèi)具有相當(dāng)?shù)脑鲆嫠剑嗬忮F需要更大的面積、更多的輻射單元，因此性價(jià)比最低。而半球面、橢球面或拋物面等曲面共形陣，由于其輻射單元的分布特點(diǎn)，波控碼計(jì)算程序比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度大，且無法方便的合成差波束。實(shí)際上在進(jìn)行目標(biāo)掃描與跟蹤時(shí)，系統(tǒng)對天線的增益并不要求在仰角0° 90°均具有較高的增益。為了實(shí)現(xiàn)低仰角遠(yuǎn)距離檢測，往往要求天線的增益與仰角呈余割平方關(guān)系，因此，可以在天線俯仰方向設(shè)計(jì)成水平方向增益最高的余割平方波束，實(shí)現(xiàn)仰角
0° 90°覆蓋。現(xiàn)階段常見的余割平方天線一般采用偏置賦形波束反射面天線，但是賦形波束反射面天線只能在俯仰面形成余割平方波束，方位面仍是窄波束，要達(dá)到多目標(biāo)同時(shí)跟蹤與測控，則需要多個反射面天線，且在方位面進(jìn)行機(jī)械掃描。如此，則天線的掃描速度、體積、重量、成本、復(fù)雜度都是必須考慮的問題。因此，設(shè)計(jì)一種增益高、掃描速度快、可實(shí)現(xiàn)同時(shí)多波束、成本低、功耗小的天線，是解決多目標(biāo)跟蹤與測控的關(guān)鍵難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種多波束、成本低、功耗小，能實(shí)現(xiàn)快速掃描和多目標(biāo)跟蹤的全空域覆蓋波束賦形相控陣天線。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為全空域覆蓋波束賦形相控陣天線，包括由若干天線陣元組成的無源天線陣面、波束賦形網(wǎng)絡(luò)、R組件、波束合成網(wǎng)絡(luò)、以及用于產(chǎn)生波控碼的波束控制器、用于各通路幅相校準(zhǔn)的校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)、用于有源電路供電的二次電源和用于安裝固定的支撐結(jié)構(gòu)；所述天線陣面采用圓錐臺陣列，沿錐體母線方向?yàn)榱蟹较?，沿錐體周向?yàn)樾蟹较?，在列方向等間距排列，每一列為一個子陣，在行方向等間隔角排列；每個天線陣元與其對應(yīng)的波束賦形網(wǎng)絡(luò)采用背靠背方式安裝；波束賦形網(wǎng)絡(luò)、R組件、波束合成網(wǎng)絡(luò)和校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)之間采用射頻電纜連接；波束控制器對外通過通信接口與測控終端進(jìn)行雙向通信，對內(nèi)通過TTL接口將波控碼轉(zhuǎn)化為驅(qū)動電平控制各R組件的輸出功率和相移。在所述天線外部有一用透波材料加工而成的天線罩。所述波束賦形網(wǎng)絡(luò)根據(jù)賦形波束綜合法計(jì)算得到的復(fù)饋電電流完成列子陣陣元饋電，合成俯仰方向的余割平方波束，實(shí)現(xiàn)俯仰方向0° 90°覆蓋。所述R組件和波束合成網(wǎng)絡(luò)根據(jù)波束控制器產(chǎn)生的波控碼對所選擇的列子陣信號進(jìn)行功率放大、移相和波束合成，形成周向上的掃描波束，實(shí)現(xiàn)方位面360°覆蓋。所述每個子陣對應(yīng)的R組件通過等幅功分可生成多路獨(dú)立信號分別進(jìn)行移相，各自進(jìn)入相應(yīng)的波束合成網(wǎng)絡(luò)，從而生成多個獨(dú)立的和差波束實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)跟蹤。
所述校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)將測控終端發(fā)過來的校準(zhǔn)信號進(jìn)行等幅同相功分后通過R組件前端內(nèi)含的耦合器耦合入各接收通路，給測控終端提供通路幅相信息，作為通路幅相校準(zhǔn)的依據(jù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于1.本發(fā)明采用一維賦形、一維掃描圓錐臺相控陣天線的形式，在列方向通過波束賦形網(wǎng)絡(luò)形成水平方向增益最高的余割平方波束，實(shí)現(xiàn)俯仰方向0° 90°覆蓋，在周向方向通過相控陣波束掃描實(shí)現(xiàn)方位面360°覆蓋；通過多通路移相和波束合成形成獨(dú)立多波束解決多目標(biāo)跟蹤問題。2.本發(fā)明由于在俯仰方向?yàn)楣潭ǖ馁x形波束，只在方位面內(nèi)作一維掃描，因此只需一個列子陣配備一個R組件，而無需每個輻射單元配備一個R組件，使得R組件的使用數(shù)量大大減少，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。3.本發(fā)明在俯仰方向通過波束賦形形成余割平方波束，天線的最大增益指向水平方向附近，隨著仰角的上升，增益逐步下降，完全符合目標(biāo)跟蹤與測控的實(shí)際使用要求。4.本發(fā)明在周向方向通過相控陣技術(shù)實(shí)現(xiàn)波束連續(xù)掃描，遠(yuǎn)場相位波動很小，滿足目標(biāo)連續(xù)跟蹤要求。5.本發(fā)明通過將每個子陣對應(yīng)的R組件進(jìn)行等幅功分生成多路獨(dú)立信號分別進(jìn)行移相，合成多個獨(dú)立掃描的和差波束，在共用一副天線口徑的情況下實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)跟蹤。


圖1為本發(fā)明的天線整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的天線不含天線罩的斜視圖；圖3為本發(fā)明的天線不含天線罩的俯視圖；圖4為本發(fā)明的相控陣天線原理框圖；圖5為圓形陣激活區(qū)域示意圖；圖6為圓形陣坐標(biāo)系示意圖；圖7為方位面波束掃描原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1、2、3、4所示，本發(fā)明的全空域覆蓋波束賦形相控陣天線，包括無源天線陣面1、波束賦形網(wǎng)絡(luò)2、R組件3、波束合成網(wǎng)絡(luò)4、波束控制器5、校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)6和二次電源7 ；在天線外部有一采用透波材料加工而成的天線罩8，避免天線在各種惡劣環(huán)境下可能造成的損壞；各零部件均安裝在支撐結(jié)構(gòu)9上，一體化設(shè)計(jì)。無源天線陣面I采用圓錐臺陣列，其中陣元可用陣子天線、微帶天線等形式，本實(shí)施例中采用陣子天線。所述陣元沿錐體母線方向?yàn)榱蟹较?，每一列含有Ntl個單元，以間距d(取(1>0.5λ，λ為自由空間波長)等間距排列，每一列為一個子陣；沿錐體周向?yàn)樾蟹?br> 向，共Mtl個子陣，以等間隔角^)排列。R組件3等功分為i(i =所需跟蹤的
目標(biāo)個數(shù)，本實(shí)施例中為4)路獨(dú)立信號輸出，分別進(jìn)行移相，各自進(jìn)入相應(yīng)的波束合成網(wǎng)絡(luò)4，從而生成i個獨(dú)立的和差波束實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)跟蹤。每個列子陣與其對應(yīng)的波束賦形網(wǎng)絡(luò)2采用背靠背方式安裝；波束賦形網(wǎng)絡(luò)2、R組件3、波束合成網(wǎng)絡(luò)4和校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)6之間采用射頻電纜連接；波束控制器5對外通過通信 接口與測控終端進(jìn)行雙向通信，對內(nèi)通過TTL接口將波控碼轉(zhuǎn)化為驅(qū)動電平控制各R組件3的輸出功率和相移。本發(fā)明中涉及兩種陣列設(shè)計(jì)方法賦形波束設(shè)計(jì)和共形陣列設(shè)計(jì)。在列方向上，每個子陣通過波束賦形網(wǎng)絡(luò)2形成水平方向增益最高的余割平方波束，實(shí)現(xiàn)俯仰方向0° 90°覆蓋；在周向方向，R組件3和波束合成網(wǎng)絡(luò)4根據(jù)波束控制器5產(chǎn)生的波控碼對所選擇的列子陣信號進(jìn)行功率放大、移相和波束合成，形成周向上的掃描波束，實(shí)現(xiàn)方位面360°波束覆蓋。本發(fā)明的相控陣天線在俯仰方向采用賦形波束設(shè)計(jì),利用Woodward_Sample綜合法計(jì)算出各陣元的復(fù)饋電電流初始值，利用仿真軟件和優(yōu)化程序相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)仿真設(shè)計(jì)的多次迭代，對各陣元的復(fù)饋電電流不斷優(yōu)化、修正，可以獲得逼近指標(biāo)需求的方向圖。由于需要覆蓋俯仰0° 90°，波束范圍較寬，陣元數(shù)Ntl不可取得太大，以免波束范圍過窄；但也不能取得太小，否則無法達(dá)到理想的賦形效果。在相同陣元數(shù)量的情況下，陣元間距越小，合成的波束寬度越寬，但陣元間距也不可過小，以免陣元間互耦影響太大，導(dǎo)致天線性能降低，一般取d > O. 5 λ。在本實(shí)施例中，列方向Ntl采用8個陣元，間距d為O. 52λ，所組成的圓錐臺錐角為16°，這樣既可以保證最大波束指向在仰角0°附近，又可以兼顧仰角90°增益不過低,從而覆蓋俯仰0° 90°范圍。本發(fā)明的相控陣天線在方位面采用共形陣列設(shè)計(jì)，可視為以等間隔角Δρ排列在
半徑為a (a為等效半徑)的圓上的Mtl個子陣組成的圓形陣，如圖5所示，其坐標(biāo)系如圖6所
示。波束掃描時(shí)，只有激活區(qū)域內(nèi)的單元對增益有貢獻(xiàn)，激活區(qū)域的大小由系統(tǒng)增益要求確
定。在口徑一定的情況下，適當(dāng)減少陣元數(shù)(對應(yīng)的間隔角Δ爐比較大)可降低成本，但前提
是合成方向圖不出現(xiàn)柵瓣。Mtl個子陣可將方位面的360°空域劃分為Mtl個子空域，每個子360°
空域包含I的范圍。根據(jù)系統(tǒng)增益和波束寬度要求，可確定天線有效面積的大小，進(jìn)而選
取適當(dāng)?shù)淖雨嚁?shù)Mtl，確定間隔角知(圓形陣的方向圖函數(shù)為
Ε{θ,φ) = YjIm exp[/恤sin Θcos(爐-%) + ]}( I )
m
式中，Imexp (j ￥m)為第m號陣元的復(fù)饋電電流；k為傳播常數(shù)，a為球的半徑'(pm為第m號陣元在圓環(huán)上的角位置。當(dāng)波束最大指向?yàn)?Qtl，&)時(shí)，陣元電流的相位應(yīng)為
Wm = -βαsinθ cos(爐0 -φη)( 2 )在本發(fā)明中，方位面共Mtl = 45個子陣，間隔角為8°，錐臺下端面直徑8. 62 λ，上端面直徑7.44 λ，臺高4. 15 λ。波束掃描示意圖見圖7，方位面的360°空域劃分為45個子空域，每個子空域包含8°的范圍。每個子空域由一個波束覆蓋，該波束由12個列子陣合成，并利用相掃原理在±4°的范圍內(nèi)掃描，從而覆蓋8°的空域范圍。整個空域由45個波束覆蓋，波束之間的轉(zhuǎn)換通過選擇不同列子陣實(shí)現(xiàn)。舉例來說，列子陣I 12形成指向方位0°的波束1，利用相掃原理，波束I可在±4°的范圍內(nèi)進(jìn)行掃描；列子陣2 13形成指 向方位8°的波束2，利用相掃原理，波束2可在4° 12°的范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，波束1、2的覆蓋范圍交疊，不會發(fā)生因天線增益跳變過大導(dǎo)致信號中斷的情況，同時(shí)能夠保證由波束I轉(zhuǎn)換到波束2時(shí)，接收信號的載波相位跳變滿足測控需求。當(dāng)目標(biāo)連續(xù)移動時(shí)，利用開關(guān)迅速切換工作列子陣，天線的波束能夠連續(xù)、快速地移動到所需指向處。天線的這一功能由R組件3、波束合成網(wǎng)絡(luò)4和波束控制器5共同完成。本發(fā)明全空域覆蓋波束賦形相控陣天線的工作流程為在未知目標(biāo)來向的情況下，相控陣天線工作于搜索模式，此時(shí)只輸出和波束，相控陣通過完成45個波束的切換，即可完成整個空域的搜索，判斷出目標(biāo)所在的子空域。之后天線轉(zhuǎn)入跟蹤模式，此時(shí)輸出和、差單通道調(diào)制信號，測控終端根據(jù)誤差信號的極性和大小解算出目標(biāo)的偏軸角度，將結(jié)果反饋給波束控制器，波束控制器計(jì)算出相應(yīng)的波控碼不斷調(diào)整天線的波束指向目標(biāo)來向，完成連續(xù)跟足示。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施案例對本發(fā)明所作的詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明具體實(shí)施僅限于這些說明。對于本發(fā)明所述技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，對本發(fā)明的各組成部件、位置關(guān)系及連接方式在不改變其功能的情況下，進(jìn)行的等效變換或替代，也落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明未公開的技術(shù)屬本領(lǐng)域公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.全空域覆蓋波束賦形相控陣天線，其特征在于包括由若干天線陣元組成的無源天線陣面(I)、波束賦形網(wǎng)絡(luò)(2)、R組件(3)、波束合成網(wǎng)絡(luò)(4)、以及用于產(chǎn)生波控碼的波束控制器(5)、用于各通路幅相校準(zhǔn)的校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)￠)、用于有源電路供電的二次電源(7)和用于安裝固定的支撐結(jié)構(gòu)(9);所述天線陣面(I)采用圓錐臺陣列，沿錐體母線方向?yàn)榱蟹较?，沿錐體周向?yàn)樾蟹较?，在列方向等間距排列，每一列為一個子陣，在行方向等間隔角排列；每個天線陣元與其對應(yīng)的波束賦形網(wǎng)絡(luò)(2)采用背靠背方式安裝；波束賦形網(wǎng)絡(luò)(2)、R組件(3)、波束合成網(wǎng)絡(luò)(4)和校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)(6)之間采用射頻電纜連接；波束控制器(5)對外通過通信接口與測控終端進(jìn)行雙向通信，對內(nèi)通過TTL接口將波控碼轉(zhuǎn)化為驅(qū)動電平控制各R組件(3)的輸出功率和相移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的全空域覆蓋波束賦形相控陣天線，其特征在于在所述天線外部有一用透波材料加工而成的天線罩(8)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的全空域覆蓋波束賦形相控陣天線，其特征在于所述波束賦形網(wǎng)絡(luò)(2)根據(jù)賦形波束綜合法計(jì)算得到的復(fù)饋電電流完成列子陣陣元饋電，合成俯仰方向的余割平方波束，實(shí)現(xiàn)俯仰方向0° 90°覆蓋。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的全空域覆蓋波束賦形相控陣天線，其特征在于所述R組件(3)和波束合成網(wǎng)絡(luò)(4)根據(jù)波束控制器(5)產(chǎn)生的波控碼對所選擇的列子陣信號進(jìn)行功率放大、移相和波束合成，形成周向上的掃描波束，實(shí)現(xiàn)方位面360°覆蓋。
5.根據(jù)權(quán)利要求5的全空域覆蓋波束賦形相控陣天線，其特征在于所述每個子陣對應(yīng)的R組件(3)通過等幅功分可生成多路獨(dú)立信號分別進(jìn)行移相，各自進(jìn)入相應(yīng)的波束合成網(wǎng)絡(luò)(4)，從而生成多個獨(dú)立的和差波束實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)跟蹤。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的全空域覆蓋波束賦形相控陣天線，其特征在于所述校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)(6)將測控終端發(fā)過來的校準(zhǔn)信號進(jìn)行等幅同相功分后通過R組件(3)前端內(nèi)含的耦合器耦合入各接收通路，給測控終端提供通路幅相信息，作為通路幅相校準(zhǔn)的依據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于飛行器目標(biāo)跟蹤與測控的全空域覆蓋波束賦形相控陣天線，包括由若干天線陣元組成的無源天線陣面(1)，由波束賦形網(wǎng)絡(luò)(2)、R組件(3)、波束合成網(wǎng)絡(luò)(4)組成的波束形成網(wǎng)絡(luò)，以及用于產(chǎn)生波控碼的波束控制器(5)、用于各通路幅相校準(zhǔn)的校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)(6)、用于有源電路供電的二次電源(7)和用于安裝固定的支撐結(jié)構(gòu)(9)。本發(fā)明采用一維賦形、一維掃描圓錐臺相控陣天線的形式，在列方向通過波束賦形網(wǎng)絡(luò)形成水平方向增益最高的余割平方波束，實(shí)現(xiàn)俯仰方向0°～90°覆蓋，在周向方向通過相控陣波束掃描實(shí)現(xiàn)方位面360°覆蓋；通過多通路移相和波束合成形成獨(dú)立多波束解決多目標(biāo)跟蹤問題。
文檔編號H01Q21/00GK103022726SQ20121052787
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月6日
發(fā)明者肖偉清, 孫向珍, 郭恒, 劉昊 申請人:北京遙測技術(shù)研究所, 航天長征火箭技術(shù)有限公司