天氣雷達(dá)是一種對(duì)災(zāi)害性天氣的有效監(jiān)測(cè)設(shè)備。傳統(tǒng)天氣雷達(dá)經(jīng)歷了模擬、數(shù)字、多普勒三個(gè)階段，新一代天氣雷達(dá)向雙偏振以及采用相控陣體制的方向發(fā)展。副瓣電平是天氣雷達(dá)陣面分系統(tǒng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，一方面，采用超低副瓣技術(shù)能極大程度地提高天氣雷達(dá)的整機(jī)性能，另一方面，如何在保持高性能的同時(shí)有效地降低成本也是實(shí)際工程應(yīng)用的一個(gè)重點(diǎn)?；诠?jié)省成本的需要，由行饋陣列組成的俯仰相掃、方位機(jī)掃的相控陣是氣象雷達(dá)的一種常見形式。其在方位上依靠固定的幅度加權(quán)實(shí)現(xiàn)超低副瓣，而在俯仰方向上采用單元級(jí)數(shù)字化，通過高精度的數(shù)字調(diào)幅實(shí)現(xiàn)超低副瓣。關(guān)于超低副瓣行饋陣列，目前工程上的主要類型有行波波導(dǎo)陣列與不等功分饋電的無源行饋。其中，行波波導(dǎo)陣列通過在波導(dǎo)窄邊上開不同角度傾斜或不同寬度、深度的縫隙來實(shí)現(xiàn)低副瓣幅度加權(quán)。終端接匹配負(fù)載，能在較寬的頻帶內(nèi)良好地匹配；不等功分饋電的無源行饋則采用一整個(gè)由不等功分器組成的功分網(wǎng)絡(luò)，對(duì)整行天線單元實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功率分配。這些類型的陣列都有各自的優(yōu)點(diǎn)而被不同用途的氣象雷達(dá)所采用。但他們也存在一定的缺點(diǎn)，比如前者由于存在方位頻掃角，導(dǎo)致存在天頂掃描盲點(diǎn)，且頻偏角越大，掃描球頂盲區(qū)越大，且方位向波束固定無法形成多波束；后者雖然波束指向法向，但是存在損耗較大的缺點(diǎn)。

背景技術(shù)：

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出了一種變單元數(shù)和不等功分的超低副瓣雙極化有源行饋陣列，用于相控陣天氣雷達(dá)，采用了基于不等單元有源子陣的形式，實(shí)現(xiàn)了雙極化有源行饋，且具有超低副瓣與低成本、低損耗特點(diǎn)。該行饋采用子陣級(jí)有源化體制，分為數(shù)個(gè)有源子陣(5),相比無源陣列大大提高了發(fā)射效率和可靠性，而相比單元級(jí)有源化，則節(jié)省了成本。每個(gè)有源子陣(5)有數(shù)行，每行有一個(gè)多功能芯片(3),其有數(shù)個(gè)通道，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)一個(gè)單元陣列(11)，每個(gè)單元陣列(11)由數(shù)量不等的雙極化天線單元(1)構(gòu)成。多功能芯片(3)的收發(fā)鏈路不同。發(fā)射工作時(shí)，每行輸入信號(hào)被總功分網(wǎng)絡(luò)(4)均分給多功能芯片(3)。多功能芯片的每個(gè)通道對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，并通過加權(quán)功分網(wǎng)絡(luò)(2)分配給不同單元陣列(11)中的天線單元。由于每個(gè)單元陣列(11)的單元數(shù)量不等，但輸入的功率相等，因此不同單元數(shù)量的單元陣列(11)中的天線單元被分到的能量也不同，這就形成了一級(jí)幅度加權(quán)。在此基礎(chǔ)上，單元數(shù)量較多的單元陣列(11)采用不等功率功分器或串饋網(wǎng)絡(luò)，可以進(jìn)一步細(xì)化單元間功率分配，實(shí)現(xiàn)二級(jí)幅度加權(quán)，最終實(shí)現(xiàn)了發(fā)射低副瓣加權(quán)。單元數(shù)量較少的單元陣列(11)仍采用等功率功分器，在不影響性能的情況下減少了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)成本。接收工作時(shí)，對(duì)各單元陣列(11)還進(jìn)行了不同大小的整體幅度衰減，形成了第三級(jí)幅度加權(quán)，使得整個(gè)行饋陣列單元的幅度比更趨向于泰勒權(quán)分布或其他低副瓣權(quán)分布，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了接收超低副瓣加權(quán)。

2、本發(fā)明的一種變單元數(shù)和不等功分的超低副瓣雙極化有源行饋陣列，具體包括n個(gè)不同的有源子陣(5)，每個(gè)有源子陣(5)包含雙極化天線單元(1)、加權(quán)功分網(wǎng)絡(luò)(2)、多功能芯片(3)和總功分網(wǎng)絡(luò)(4)；加權(quán)功分網(wǎng)絡(luò)(2)由多個(gè)功分器構(gòu)成，功分器連接多功能芯片(3)的一個(gè)有源通道，每個(gè)功分器連接的所有雙極化天線單元(1)構(gòu)成一個(gè)單元陣列(11)，多功能芯片(3)連接總功分網(wǎng)絡(luò)(4)；其中，雙極化天線單元(1)的將信號(hào)經(jīng)由自由空間發(fā)送出去，或者接收自由空間中的電磁波信號(hào)，加權(quán)功分網(wǎng)絡(luò)(2)將雙極化天線單元(1)與多功能芯片(3)的之間的信號(hào)進(jìn)行不等功率分配或合成，多功能芯片(3)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、衰減、移相，總功分網(wǎng)絡(luò)(4)再將多功能芯片(3)與后端通道的信號(hào)等功率分配或合成；每個(gè)有源子陣(5)有多行，每行對(duì)應(yīng)一個(gè)多功能芯片(3)，構(gòu)成多個(gè)通道，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)加權(quán)功分網(wǎng)絡(luò)(2)的一個(gè)功分器和一個(gè)單元陣列(11)。

3、進(jìn)一步地，雙極化天線單元(1)等間距排列，并組合成包含不同數(shù)量雙極化天線單元(1)的單元陣列(11)，所述加權(quán)功分網(wǎng)絡(luò)(2)包括v極化功分網(wǎng)絡(luò)(21)與h極化功分網(wǎng)絡(luò)(22)，每個(gè)單元陣列(11)的v極化和h極化端口分別接入對(duì)應(yīng)極化功分網(wǎng)絡(luò)的功分器，并與多功能芯片(3)的一個(gè)通道相連，v極化或者h(yuǎn)極化的信號(hào)經(jīng)總功分網(wǎng)絡(luò)(4)合成后最終送入后端通道。

4、進(jìn)一步地，行饋陣列包括3層微波板、1層母板，多功能芯片(3)位于母板上，使v極化通道和h極化通道呈兩行平行排列，v極化功分網(wǎng)絡(luò)(21)與雙極化天線單元(1)位于第一層微波板的上方，第一層微波板與第二層微波板之間為開有縫隙的金屬地板，第二層微波板的下方為h極化功分網(wǎng)絡(luò)(22)的微帶饋線，第二層微波板與第三層微波板之間為空氣腔，信號(hào)通過層間的金屬線傳至第三層微波板，第三層微波板中的饋線將信號(hào)傳至位于母板下方的多功能芯片(3)，信號(hào)經(jīng)過多功能芯片(3)處理后繞回第三層微波板，由位于第三層微波板的總功分網(wǎng)絡(luò)(4)進(jìn)行合成后，送至后端端口。

5、進(jìn)一步地，加權(quán)功分網(wǎng)絡(luò)(2)由與單元陣列(11)相同數(shù)量的功分器組成，功分器包括等功率功分器和不等功率功分器，預(yù)設(shè)天線單元數(shù)量為ne，當(dāng)單元陣列中單元數(shù)量超過ne時(shí)各天線單元幅度滿足泰勒分布，單元數(shù)量小于等于ne時(shí)各天線單元幅度相等，即單元陣列(11)單元數(shù)少于等于ne的，采用等功率功分器，而單元陣列(11)單元數(shù)大于ne的采用不等功率功分器。每個(gè)單元陣列(11)所含天線單元數(shù)量不等，且單元陣列(11)內(nèi)部各天線單元之間的功率分配也不等，從而實(shí)現(xiàn)超低副瓣。

6、進(jìn)一步地，所述多功能芯片(3)包括收發(fā)開關(guān)(31)、高功率放大器(32)、低噪聲放大器(33)、衰減器(34)、移相器(35)；其中，收發(fā)開關(guān)(31)為兩個(gè)，其中一個(gè)位于前端通道端口，并連接發(fā)射鏈路和接收鏈路，高功率放大器(32)位于發(fā)射鏈路，一端連接前端的收發(fā)開關(guān)，另一端連接另一個(gè)收發(fā)開關(guān)，低噪聲放大器(33)和衰減器(34)位于接收鏈路，低噪聲放大器(33)一端連接前端的收發(fā)開關(guān)，另一端連接衰減器(34)，衰減器(34)的另一端連接另一個(gè)收發(fā)開關(guān)，另一個(gè)收發(fā)開關(guān)連接移相器(35)；收發(fā)開關(guān)(31)控制切換收發(fā)狀態(tài)。

7、本發(fā)明的有益效果在于

8、1、能夠?qū)崿F(xiàn)雙線極化同時(shí)工作，是高性能的相控陣天氣雷達(dá)陣面分系統(tǒng)的一種有效解決方案。

9、2、超低副瓣特性：該行饋陣列實(shí)現(xiàn)了發(fā)射副瓣-34.2db以及接收副瓣-39.8db，收發(fā)副瓣和為-73.5db。超低副瓣性能大大提高雷達(dá)的抗干擾與反地面雜波能力。

10、3、低成本特性：該行饋陣列采用子陣級(jí)有源化，在降低發(fā)射饋線損耗、降低饋線承受的功率電平的同時(shí)，相比單元級(jí)有源化，只使用了接近五分之一的有源芯片，節(jié)省了大量成本。

11、4、設(shè)計(jì)靈活，適用性廣：本發(fā)明涉及的子陣劃分及不等功率功分器的分配比可以通過設(shè)置不同目標(biāo)進(jìn)行快速優(yōu)化，可以滿足不同規(guī)模的行饋陣列的低副瓣要求，該設(shè)計(jì)方法也可以為其他低副瓣陣列設(shè)計(jì)提供參考。

技術(shù)特征：

1.一種變單元數(shù)和不等功分的超低副瓣雙極化有源行饋陣列，其特征在于：包括n個(gè)不同的有源子陣(5)，每個(gè)有源子陣(5)包含雙極化天線單元(1)、加權(quán)功分網(wǎng)絡(luò)(2)、多功能芯片(3)和總功分網(wǎng)絡(luò)(4)；加權(quán)功分網(wǎng)絡(luò)(2)由多個(gè)功分器構(gòu)成，功分器連接多功能芯片(3)的一個(gè)有源通道，每個(gè)功分器連接的所有雙極化天線單元(1)構(gòu)成一個(gè)單元陣列(11)，多功能芯片(3)連接總功分網(wǎng)絡(luò)(4)；其中，雙極化天線單元(1)的將信號(hào)經(jīng)由自由空間發(fā)送出去，或者接收自由空間中的電磁波信號(hào)，加權(quán)功分網(wǎng)絡(luò)(2)將雙極化天線單元(1)與多功能芯片(3)的之間的信號(hào)進(jìn)行不等功率分配或合成，多功能芯片(3)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、衰減、移相，總功分網(wǎng)絡(luò)(4)再將多功能芯片(3)與后端通道的信號(hào)等功率分配或合成；每個(gè)有源子陣(5)有多行，每行對(duì)應(yīng)一個(gè)多功能芯片(3)，構(gòu)成多個(gè)通道，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)加權(quán)功分網(wǎng)絡(luò)(2)的一個(gè)功分器和一個(gè)單元陣列(11)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變單元數(shù)和不等功分的超低副瓣雙極化有源行饋陣列，其特征在于：所述雙極化天線單元(1)等間距排列，并組合成包含不同數(shù)量雙極化天線單元(1)的單元陣列(11)，所述加權(quán)功分網(wǎng)絡(luò)(2)包括v極化功分網(wǎng)絡(luò)(21)與h極化功分網(wǎng)絡(luò)(22)，每個(gè)單元陣列(11)的v極化和h極化端口分別接入對(duì)應(yīng)極化功分網(wǎng)絡(luò)的功分器，并與多功能芯片(3)的一個(gè)通道相連，v極化或者h(yuǎn)極化的信號(hào)經(jīng)總功分網(wǎng)絡(luò)(4)合成后最終送入后端通道。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變單元數(shù)和不等功分的超低副瓣雙極化有源行饋陣列，其特征在于：所述行饋陣列包括3層微波板、1層母板，多功能芯片(3)位于母板上，使v極化通道和h極化通道呈兩行平行排列，v極化功分網(wǎng)絡(luò)(21)與雙極化天線單元(1)位于第一層微波板的上方，第一層微波板與第二層微波板之間為開有縫隙的金屬地板，第二層微波板的下方為h極化功分網(wǎng)絡(luò)(22)的微帶饋線，第二層微波板與第三層微波板之間為空氣腔，信號(hào)通過層間的金屬線傳至第三層微波板，第三層微波板中的饋線將信號(hào)傳至位于母板下方的多功能芯片(3)，信號(hào)經(jīng)過多功能芯片(3)處理后繞回第三層微波板，由位于第三層微波板的總功分網(wǎng)絡(luò)(4)進(jìn)行合成后，送至后端端口。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變單元數(shù)和不等功分的超低副瓣雙極化有源行饋陣列，其特征在于：所述加權(quán)功分網(wǎng)絡(luò)(2)由與單元陣列(11)相同數(shù)量的功分器組成，功分器包括等功率功分器和不等功率功分器，預(yù)設(shè)天線單元數(shù)量為ne，當(dāng)單元陣列中單元數(shù)量超過ne時(shí)各天線單元幅度滿足泰勒分布，單元數(shù)量小于等于ne時(shí)各天線單元幅度相等，即單元陣列(11)單元數(shù)少于等于ne的，采用等功率功分器，而單元陣列(11)單元數(shù)大于ne的采用不等功率功分器。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于不等單元子陣的超低副瓣雙極化有源行饋陣列，其特征在于：每個(gè)單元陣列(11)所含天線單元數(shù)量不等，且單元陣列(11)內(nèi)部各天線單元之間的功率分配也不等，從而實(shí)現(xiàn)超低副瓣。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于不等單元子陣的超低副瓣雙極化有源行饋陣列，其特征在于：所述多功能芯片(3)包括收發(fā)開關(guān)(31)、高功率放大器(32)、低噪聲放大器(33)、衰減器(34)、移相器(35)；其中，收發(fā)開關(guān)(31)為兩個(gè)，其中一個(gè)位于前端通道端口，并連接發(fā)射鏈路和接收鏈路，高功率放大器(32)位于發(fā)射鏈路，一端連接前端的收發(fā)開關(guān)，另一端連接另一個(gè)收發(fā)開關(guān)，低噪聲放大器(33)和衰減器(34)位于接收鏈路，低噪聲放大器(33)一端連接前端的收發(fā)開關(guān)，另一端連接衰減器(34)，衰減器(34)的另一端連接另一個(gè)收發(fā)開關(guān)，另一個(gè)收發(fā)開關(guān)連接移相器(35)；收發(fā)開關(guān)(31)控制切換收發(fā)狀態(tài)。

技術(shù)總結(jié)
超低副瓣行饋陣列，目前工程上的主要類型有行波波導(dǎo)陣列與不等功分饋電的無源行饋。前者由于存在方位頻掃角，導(dǎo)致存在天頂掃描盲點(diǎn)，且頻偏角越大，掃描球頂盲區(qū)越大，且方位向波束固定無法形成多波束；后者雖然波束指向法向，但是存在損耗較大的缺點(diǎn)。針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出了一種變單元數(shù)和不等功分的超低副瓣雙極化有源行饋陣列，采用了基于不等單元有源子陣的形式，實(shí)現(xiàn)了雙極化有源行饋，且具有超低副瓣與低成本、低損耗特點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：孫磊,楊磊,韓旭,王陽,李樹良,萬繼偉,姬碩生
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十四研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30