一種多頻共口徑複合相控陣天線結構的製作方法

2023-05-18 19:52:56

本實用新型涉及天線設計技術領域，特別是一種多頻共口徑複合相控陣天線結構。

背景技術：

相控陣天線因其具備快速的波束掃描、靈活的波束賦形、較高的可靠性等優點，被廣泛應用於雷達制導和無線通信領域。傳統的相控陣天線只有一種單頻段單極化工作模式，這種模式可以滿足普通雷達和普通通信系統應用的需求，但若想要使用同一雷達設備獲取更多的目標信息或更為靈活的工作模式，這種只有一種單頻段單極化工作模式的傳統相控陣天線就無能為力了，此時就需要能夠實現多種工作模式或多頻段多級化工作模式的相控陣天線，而如果簡單的將具有多頻段多極化的天線陣面集成在一起，又容易出現各工作模式相互幹擾，從而造成具有多頻多極化工作模式的雷達整體系統的各個工作模式性能均受到影響，從而不能達到設計要求。

技術實現要素：

本實用新型的實用新型目的在於針對傳統相控陣天線只能工作在單頻段單極化工作模式，且使用同一天線口徑空間的具有多頻段工作模式的相控陣天線如果隨意設置天線陣面，又容易發生各頻段互相干擾，造成系統無法正常工作問題，提供一種系統各頻段之間互不影響或較少影響的，兩個或多個頻段的天線陣面共用一個天線口徑空間的多頻共口徑相控陣天線結構。

為了實現上述目的，本實用新型採用的技術方案為：

一種多頻共口徑複合相控陣天線結構，包括，

安裝載板，所述安裝載板上設置有用於固定安裝射頻連接器的安裝通孔，所述安裝通孔至少分為第一通孔組別與第二通孔組別，所述第一通孔組別和第二通孔組別中的安裝通孔均成規則陣列交叉排列；

射頻連接器陣列，用於與高頻通道、低頻通道、中頻通道中的一種或多種連接；

天線輻射陣面，用於設置輻射天線陣列，所述輻射天線陣列至少分為第一天線組別和第二天線組別，所述第一天線組別呈規則陣列排列，第二天線組別呈稀布陣列排列；所述第一天線組別中的輻射天線與第一通孔組別中的射頻連接器一一對應，第二天線組別中的輻射天線與第二通孔組別中的射頻連接器一一對應。

優選的，所述輻射天線為喇叭天線、微帶天線或縫隙天線。

進一步的，不同通孔組別中的安裝通孔，分別用於安裝不同頻率的射頻連接器，或分別用於安裝同一頻率的不同極化的射頻連接器。

一些實施例中，所述第一通孔組別中的安裝通孔用於安裝低頻射頻連接器；所述第二通孔組別中的安裝通孔用於安裝高頻射頻連接器。

另外一些實施例中，所述安裝通孔還包括第三通孔組別，所述第三通孔組別中的安裝通孔成規則陣列排列；並用於安裝中頻射頻連接器；

所述輻射天線陣列還包括第三天線組別；所述第三天線組別中的輻射天線與第三通孔組別中的中頻射頻連接器一一對應，且其為規則陣列排列或呈稀布陣排列。

另外一些實施例中，所述安裝通孔還包括第四通孔組別，所述第四通孔組別中的安裝通孔與第一通孔組別中的安裝通孔一一對應相鄰設置。

還有一些實施例中，所述第一通孔組別中的安裝通孔用於安裝低頻水平極化射頻連接器；所述第四通孔組別中的安裝通孔用於安裝低頻垂直極化射頻連接器；所述第二通孔組別中安裝通孔用於安裝高頻射頻連接器。

進一步的，每個所述低頻水平極化射頻連接器與其對應相鄰設置的低頻垂直極化射頻連接器共用同一輻射天線；我們將該輻射天線稱為低頻雙極化共用天線。

進一步的，所述安裝載板為由一個或2個以上的完全相同的載板子模塊拼接而成；

同時，所述天線輻射陣面為由一個或兩個以上完全相同的天線子陣面拼接而成。

優選的，每個天線子陣面上的呈稀布排列的第二天線組別中，包含的輻射天線的數量為128個以下，更優選的是，第二天線組別中包含的輻射天線的數量為64個以下，這時，例如每個載板模塊上可以分別含有64個低頻和高頻連接器，這是因為，所述第二通孔組別的天線輻射體的排列方式是通過稀布優化算法計算得出的稀布不規則陣列，而對於稀布算法來說，其所需計算的優化天線單元數量越多，則計算越複雜，需要的優化時間越長，且陣面尺寸過大會導致加工和裝配的工藝變得複雜；但優化的天線輻射體數量太少，得不到好的優化效果，因此綜合考慮，將天線子陣面的輻射天線數量限定在64個，與之對應的高低頻天線通道數目也為64個，從而使得相控陣天線的陣面可以由完全相同的多個天線子陣面組成。

綜上所述，由於採用了上述技術方案，本實用新型的有益效果是：

本實用新型提供一種多頻共口徑複合相控陣天線結構，其中多頻共口徑是指多種頻段的射頻連接器共用安裝在同一安裝載板上，本實用新型提供的天線結構通過在同一安裝載板上將安裝通孔設置為不同通孔組別，不同通孔組別中通孔分別呈規則排列，規則排列可降低生產成本並方便工藝製作，通過將不同頻段（高頻、中頻、低頻）的射頻連接器設置在不同通孔組別的安裝通孔中；同時，將天線輻射陣面上與不同頻段對應的輻射天線分為不同天線組別，其中至少一個天線組別中的輻射天線是規則的均勻布陣，而至少一個天線組別中的輻射天線是稀布陣，不同天線組別分別對應不同頻段的射頻通道，這樣能夠確保兩種頻段的陣列在波束掃描時均不會出現柵瓣，從而實現在同一天線口徑空間內具有多頻段工作模式。

附圖說明

圖1為多頻共口徑複合的相控陣天線結構示意圖；

圖2為高低頻均為單極化天線的安裝載板上安裝通孔示意圖；

圖3為高中低三個頻段均為單極化的安裝載板上安裝通孔示意圖；

圖4為低頻雙極化和高頻單極化的安裝載板上安裝通孔示意圖；

圖5是低頻雙極化共用天線單元示意圖；

圖6是雙頻共口徑複合相控陣天線輻射陣面的示意圖；

圖7是本實用新型應用的稀布陣算法具體示例流程圖；

附圖標記：1-射頻連接器陣列，14-低頻水平極化射頻連接器，15-低頻垂直極化射頻連接器，2-安裝載板，21-第一通孔組別，22-第二通孔組別，23-第三通孔組別，24-第四通孔組別，3-天線輻射陣面，31-第一天線組別，32-第二天線組別，33-低頻雙極化共用天線，34-矩形鋸齒邊緣。

具體實施方式

下面結合附圖，對本實用新型作詳細的說明。

為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。

實施例1：如圖1所示，本實施例提供一種多頻共口徑複合相控陣天線結構，包括，

安裝載板22，所述安裝載板上設置有用於固定安裝射頻連接器的安裝通孔，所述安裝通孔至少分為第一通孔組別21與第二通孔組別22，所述第一通孔組別和第二通孔組別中的安裝通孔均成規則陣列交叉排列；同樣的，也可根據需要將安裝通孔設置為多個通孔組別，如三個通孔組別、四個通孔組別或五個通孔組別；此時，所有通孔組別的安裝通孔成規則陣列交叉排列，這樣設計的目的是為了產品的標準化、低成本和工程化考慮。

射頻連接器陣列1，用於與高頻通道、低頻通道、中頻通道中的一種或多種連接；

天線輻射陣面3，用於設置輻射天線陣列，所述輻射天線陣列至少分為第一天線組別31和第二天線組別32，所述第一天線組別31呈規則陣列排列，第二天線組別32呈稀布陣列排列；所述第一天線組別31中的輻射天線與第一通孔組別21中的射頻連接器一一對應，第二天線組別32中的輻射天線與第二通孔組別21中的射頻連接器一一對應。同樣的，也可根據需要射頻連接器通孔組別的數量設置更多天線組別，如三個天線組別、四個天線組別或五個天線組別；此時，至少其中第一天線組別31中的輻射天線成規則陣列排布，至少其中第二天線組別32中的輻射天線成稀布陣列排布，具體第二天線組別32中的輻射天線的位置布局根據稀布算法優化而來，該稀布算法不同於常見的數學稀布算法，需要扣除被第一天線組別31中的輻射天線的位置，具體如圖7所示，應注意的是，通過不同的稀布算法會得出不同的稀布排列位置。

具體的，所述輻射天線可以是喇叭天線、微帶天線或縫隙天線，同時，所述輻射天線的結構可以是單層結構、多層結構或者混合結構，

本實施例中，所述安裝載板2上，不同通孔組別的安裝通孔，分別用於安裝不同頻率的射頻連接器，或分別用於安裝同一頻率的不同極化的射頻連接器，不同頻率的射頻連接器例如可以是低頻射頻連接器、中頻射頻連接器或高頻射頻連接器；同一頻率的不同極化射頻連接器例如可以是同一頻率的雙極化射頻連接器（如水平極化、垂直極化）或多極化射頻連接器，如圓極化射頻連接器、線極化射頻連接器；射頻連接器可以是SMP、SMA等類型。

應注意的是，各個實施例中，不同頻段通道（高中低頻或同頻段中的不同極化通道）的數量可以相同，也可以不同。

具體的，本實施例中，稀布算法可以如圖7所示的算法實行，具體流程如下：

（1）首先產生一初始種群，種群中的個體（高頻段天線位置）都分布於陣面內扣除低頻天線所佔據的區域；初始化迭代次數，n=0；

（2）運用適應度函數計算個體的適應度值，若最優個體適應度值（ε 為設定的目標值）或者迭代次數n達到最大迭代次數，則算法停止運行，跳出循環並保留最優結果；否則，進入下一步；

（3）初始化i=1,i為每一代內個體的編號，其最大值為種群規模值；進入代內（第n代）循環。

（4）首先通過變異產生第i個實驗個體，即通過變異產生實驗變量vi，它的每一個基因（代表變量）變異方式如圖中流程所示，其中與為第p1與p2個父代個體上的第j個基因，為父代最優個體上的第j個基因，為伸縮因子。變異完後判定該個體是否位於低頻天線天線區域內，若是則重新進行變異操作，直到變異得到的新個體不在低頻天線區域內；

（5）其次，通過交叉算子將vi與xi進行重組得到下一代個體yi，重組方式如圖中所示，其中γj為0~1之間的隨機數。當γj<交叉概率時yi上的基因為，否則為。重組完後判定該個體是否位於低頻天線區域內，若是則重新進行重組操作，直到重組得到的新個體不在低頻區域內；

（6）運用適應度函數評估新個體yi，若適應度值，則用yi代替xi;接下來再判定是否小於最優值，若是則更新最優個體的編號；

（7）判定i是否為種群最大尺寸，若是，則進入下一代循環，更新n到n+1；否則，進行代內的循環；

（8）重複(2)~(7) 步驟，直到滿足算法設置的要求為止。

實施例2：與實施例1不同在於，本實施例提供一種高頻、低頻均為單極化的共口徑複合相控陣天線結構，本實施例中，所述安裝載板2上的安裝通孔只分為兩個通孔組別，分別為第一通孔組別21、第二通孔組別22，圖2給出了不同通孔組別的安裝通孔區分示意圖（如圖2所示，圖中圓形均表示第一通孔組別21中的通孔，正方形均表示第二通孔組別22中的通孔，該圓形及方形僅作為不同通孔組別區分，不代表真實的通孔形狀），本實施例中，第一通孔組別21和第二通孔組別22中的安裝通孔均成規則陣列排列，這樣設計的目的是為了產品的標準化、低成本和工程化考慮；同時，如圖6所示，與之對應的天線輻射結構也為兩個天線組別，分別為第一天線組別31和第二天線組別32，其中第一天線組別31中的輻射天線成規則陣列排布並與第一通孔組別中安裝的射頻連接器一一對應，第二天線組別32中的輻射天線成稀布陣列排列（即不規則排列，陣列中的每個天線輻射體的位置根據如圖7所示的稀布算法計算出，該算法中，將第一天線組別31的規則陣列輻射天線位置先行摳出，在空閒區域進行稀布布局），具體的，第一通孔組別21中安裝通孔用於安裝低頻射頻連接器，同時，第二通孔組別22中安裝通孔用於安裝高頻射頻連接器；眾所周知的，低頻射頻連接器用於與相控陣雷達中低頻通道連接，高頻射頻連接器用於與高頻通道連接。此時，第一天線組別31中的輻射天線用於輻射相控陣雷達的中的低頻電磁波，第二天線組別32中的天線輻射結構（即輻射天線）用於輻射高頻電磁波。

均勻陣和稀布陣混合使用，是根據雷達系統應用需求，在波束掃描範圍內，保證天線的波束不能出現柵瓣，不能出現柵瓣的原因一方面是為了避免能量分散造成系統探測距離的縮短；另一方面是為了避免柵瓣過高導致目標誤判；但是，如果不同頻率的通道（每個通道對應一個射頻連接器）均為規則陣列並布滿整個口徑面時，高頻陣面在波束掃描範圍內會出現柵瓣，這是系統應用所不允許的；因此，本實施例中，在低頻天線輻射結構（即第一天線組別31中的輻射天線）採用規則陣列並布滿整個口徑面的同時，高頻陣列的天線輻射結構（即第二天線組別32中的輻射天線）採用稀布陣的非規則布局方式。

同時，具體應用時，相控陣雷達的低頻一般是用於遠距離跟蹤探測，這需要較大的功率輸出；而同時，高頻用於近距離跟蹤探測（如末段制導或成像等功能），這有對口徑解析度要求較高；即不同的工作頻率有著不同的要求和性質；同時，在單通道輻射功率相同的前提下，理論上相控陣雷達天線通道數（每個通道對應一個天線輻射結構）越多，系統的發射功率越大，但同時通道的增多也會造成天線間的耦合增強、結構難以實現及散熱困難等一系列問題，更為重要的是，通道數的增多也會帶來成本的大幅上升，因此本實施例中，高頻通道與低頻通道數量相等。這樣，即能保證低頻段天線能夠獲得儘量大的輸出功率，同時去除規則排列安裝通孔後的的稀布排列方式也讓高頻段天線也能夠具備大口徑實現高解析度。

本實施例中，每個單獨的低頻或高頻通道均單獨對應一個輻射天線，圖6給出了本實施例中天線輻射陣面3典型的輻射天線分布圖，我們可以看到，圖中與低頻通道連接的第一天線組別31成規則矩陣排列，而與高頻通道連接的第二天線組別32成稀布不規則排列；應注意的是，圖6中第一天線組別31及第二天線組別32的形狀僅為區別兩者，不代表真實的天線形狀。

實施例3：與實施例1不同在於，本實施例提供一種高頻、中頻、低頻均為單極化的共口徑複合相控陣天線結構，本實施例中，如圖3所示，所述安裝載板2上的安裝通孔分為三個通孔組別，分別為第一通孔組別21、第二通孔組別22、第三通孔組別23；其中，第一通孔組別21中安裝通孔用於安裝低頻射頻連接器，第二通孔組別22中安裝通孔用於安裝高頻射頻連接器，第三通孔組別23中安裝通孔用於安裝中頻射頻連接器；同樣的，第一通孔組別21、第二通孔組別22及第三通孔組別23中安裝通孔均呈規則陣列交叉排列，不同通孔組別的規則陣列可以相同或不同（不同是指，如通孔之間的距離不同）；

與之對應的天線輻射陣面3上的輻射天線也為三個天線組別，分別為第一天線組別31和第二天線組別32及第三天線組別，其中第一天線組別31中的輻射天線成規則陣列排布並與第一通孔組別中安裝的射頻連接器一一對應，第二天線組別32中的輻射天線成稀布陣列排列，第三天線組別中的天線陣列可根據情況呈規則陣列排列或呈稀布陣列排列具體的，應注意的是，不同的稀布算法會得出不同的稀布排列方式；

本實施例中，第一通孔組別21中安裝通孔用於安裝低頻射頻連接器，同時，第二通孔組別22中安裝通孔用於安裝高頻射頻連接器；第三通孔組別23中用於安裝中頻射頻連接器，眾所周知的，低頻射頻連接器用於與相控陣雷達中低頻通道連接，高頻射頻連接器用於與高頻通道連接，而中頻射頻連接器用於與中頻通道連接。此時，第一天線組別31中的輻射天線用於輻射相控陣雷達的中的低頻電磁波，第二天線組別32中的天線輻射結構（即輻射天線）用於輻射高頻電磁波；而第三天線組別中的天線輻射結構（即輻射天線）用於輻射中頻電磁波。

同樣的，第二天線組別32及第三天線組別中各個輻射天線的位置均為去除以設置的其他組別輻射天線位置後，通過特定稀布算法得出。

應注意的是，圖3中通孔形狀僅作為不同通孔組別區分，不代表真實的通孔形狀為圖中所示；同時，圖3中不同通孔組別相互位置僅為示例，不代表個通孔組別僅能以該方式實現。

實施例4：與實施例1不同在於，本實施例提供一種低頻雙極化和高頻單極化的共口徑複合相控陣天線結構，本實施例中，如圖4所示，所述安裝載板2上的安裝通孔分為三個通孔組別，分別為第一通孔組別21、第二通孔組別22、第四通孔組別24；所述第四通孔組別24中的安裝通孔與第一通孔組別21中的安裝通孔一一對應相鄰設置；

其中，第一通孔組別21、第四通孔組別24中安裝通孔均用於安裝低頻射頻連接器，不同點在於，第一通孔組別21中低頻射頻連接器用於連接低頻水平極化通道；所述第四通孔組別24安裝通孔中低頻射頻連接器用於連接低頻垂直極化通道；第一通孔組別21中安裝通孔與第四通孔組別24中安裝通孔分別一一相鄰對應且成規則陣列排列，所述第二通孔組別22中安裝通孔用於安裝高頻射頻連接器，其用於連接高頻通道。如圖5所示，本實施例中，每一個低頻水平極化射頻連接器14（與低頻水平極化通道連接）和其對應的低頻垂直極化射頻連接器14（與低頻垂直極化通道連接）共用同一天線輻射結構（輻射天線），我們將該天線稱為低頻雙極化共用天線，即本實施例中，天線輻射陣面3上的輻射天線還是分為兩個天線組別，分別為第一天線組別31、第二天線組別32，其中第一天線組別31呈規則排列，且，第一天線組別31中的每個輻射天線均為低頻雙極化共用天線；而與高頻通道對應的第二天線組別32中的輻射天線依然呈稀布陣列排列。

且對應的第一天線組合陣列同樣為規則排布，第二通孔組別22中的安裝通孔對應的天線輻射結構成稀布陣列排列；同時，第二天線組別32中安裝通孔對應的天線輻射結構（輻射天線）的稀布陣列依然是在第一通孔組別21、第三通孔組別23對應的第一天線組別31規則矩陣設置好後，通過將第一天線組別31中天線輻射結構位置均去除後，通過稀布算法計算得來。

具體的，另外一些實施例中，同頻率的不同極化通道也可以分別單獨對應一個天線輻射結構（輻射天線），只是該方式中，天線輻射陣面3上的輻射天線需要三個天線組別，且三個天線組別中的天線分別對應低頻水平極化通道、低頻垂直極化通道和高頻通道，這就意味著該種方式中，輻射天線數量更多，且其需要佔用更大的天線輻射陣面3空間。

實施例5：本實施例同樣提供一種多頻共口徑複合相控陣天線結構，但與實施例1不同點在於，本實施例中，所述安裝載板2為由2個以上的相同的載板模塊拼接而成的整體，同時，所述天線輻射陣面3為由兩個以上完全相同的天線子陣面拼接而成的整體。這是因為，案子載板上第二天線組別32中的輻射天線的排列方式是通過稀布優化算法計算得出的稀布不規則陣列，而對於稀布算法來說，其所需優化的輻射天線數量越多，則計算越複雜，進而導致生產和裝配工藝越複雜；但若優化太少，得不到好的優化效果，因此綜合考慮，將天線子陣面的連接器高低頻數量均限定在64個，從而對應的高低頻天線單元數目也分別為64個，從而使得相控陣天線的陣面可以由完全相同的多個天線子陣面組成，

同時，本實施例中，為了方便後續工序中各個天線子陣面的拼合，天線子陣面邊緣做異形處理，且該異形可滿足相同天線子陣面的拼合需求，如圖6所示的矩形鋸齒邊緣34。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。