一种微带COCO天线及纵列双频平板天线的制作方法

一种微带coco天线及纵列双频平板天线
技术领域
1.本发明涉及气象雷达技术领域，特别涉及一种微带coco天线及纵列双频平板天线。


背景技术：

2.风廓线雷达是近年重点发展的一种气象雷达，主要用于高空大气风廓线的监测。近些年风廓线雷达天线经历了从反射面天线到相控阵天线的发展，现代风廓线雷达相控阵天线波束扫描要求，在两个相互正交的方向和垂直方向对大气风廓线进行测量。为实现风廓线天线波束扫描特性，一般要求采用分布式馈电来实现阵列波束扫描，天线阵列结构复杂，成本高昂。l波段高空气象探测雷达通常采用面天线形式，其具有体积较大，重量较重，风负载大的特点，同时其结构复杂，成本较高，制约了l波段高空气象探测雷达的小型化和低成本化。
3.其次，风廓线雷达中应用的coco天线(coaxial colinear antenna)多为同轴线形式(见图1和图2)，图2同轴线每一节辐射部分内导体与外导体跨接，每一节长度为半个波长，由此产生180度相差，使得每节同轴线输入电流与前一节电流相位相同，因此在整个辐射部分同轴线上形成同相和近似等幅的表面电流，在辐射远区形成较高增益。随着对天线增益要求的提高，同轴线节数增加，天线的设计难度和加工难度随之加大，多处焊接除了影响天线性能外，对产品的长期可靠性有着巨大隐患，直接影响到了天线产品的成本和可靠性。
4.现有技术中的风廓线雷达采用分布式馈电，每个幅射单元(或阵列)都连接一个移相器(或t/r组件)，天线阵列结构复杂，成本高昂。


技术实现要素：

5.基于上述问题，本发明提供了一种微带coco天线及纵列双频平板天线，其优点是结构简单、成本低，有利于降低气象雷达中的天线的成本及结构复杂度。
6.一方面，本发明提供一种微带coco天线，包括射频接头和微带板，射频接头和微带板连接，所述微带板上刻蚀有微带电路。
7.本发明进一步设置为，所述微带电路包括分别位于微带板正反两侧的正面电路和背面电路，正面电路包括靠近射频接头一端的匹配段、远离射频接头的谐振段以及设置在匹配段与谐振段之间的中间辐射段，中间辐射段包括多个中间段微带电路，每个中间段微带电路的长度等于电磁波在微带电路中波长的一半；背面电路包括多节大面积地，相邻两节大面积地之间有缝隙，中间段微带电路的两端设置金属过孔跨接两节大面积地。
8.本发明进一步设置为，还包括接头连接器，所述接头连接器设置在射频接头和微带板之间，接头连接器的一端连接微带板，另一端连接射频接头。
9.本发明进一步设置为，还包括介质套筒，所述微带板置于介质套筒内，介质套筒的端部与接头连接器连接，所述介质套筒内填充绝缘介质材料，所述绝缘介质材料为空气或
稀有气体。
10.另一方面，本发明还提供一种纵列双频平板天线，包括金属地板、上层低频coco纵列天线、下层高频coco纵列天线、支撑介质柱、低频功分器、高频功分器和波控盒，所述上层低频coco纵列天线、下层高频coco纵列天线、支撑介质柱设置在金属地板的上方，所述低频功分器、高频功分器和波控盒设置在金属地板的下方，所述支撑介质柱设有多个，所述支撑介质柱固定在金属地板上并用于支撑上层低频coco纵列天线和下层高频coco纵列天线，所述低频功分器用于上层低频coco纵列天线的功率分配，所述高频功分器用于下层高频coco纵列天线的功率分配，高频功分器连接至波控盒，所述上层低频coco纵列天线和下层高频coco纵列天线均是由权利要求1
‑
4任意一项所述的微带coco天线组成的天线阵列。
11.本发明进一步设置为，所述上层低频coco纵列天线包括24个1.3ghzcoco天线，24个1.3ghzcoco天线分为两组，每组12个1.3ghzcoco天线平行并列设置，两组1.3ghzcoco天线以头部相对的方式对称设置在同一平面内；所述下层高频coco纵列天线包括32个1.7ghzcoco天线，32个1.7ghzcoco天线分为两组，每组16个1.7ghzcoco天线平行并列设置，两组1.7ghzcoco天线以头部相对的方式对称设置在同一平面内；所述上层低频coco纵列天线设置在下层高频coco纵列天线的上方且上层低频coco纵列天线与下层高频coco纵列天线正交设置。
12.本发明进一步设置为，所述介质支撑柱上设有径向贯穿的支撑孔，所述1.7ghzcoco天线和1.3ghzcoco天线穿过支撑孔中。
13.本发明进一步设置为，所述低频功分器包括两个1分12功分器和一个1分2功分器，两个1分12功分器的分口分别与两组1.3ghzcoco天线连接，两个1分12功分器的和口反相连接至1分2功分器的分口；所述高频功分器包括两个2分16功分器，两个2分16功分器的分口分别与两组1.7ghzcoco天线连接，两个2分16功分器的和口反相连接至波控盒。
14.本发明进一步设置为，所述2分16功分器由两个1分8功分器组成。
15.本发明进一步设置为，所述金属地板为镂空结构。
16.综上所述，本发明的有益效果有：
17.1.本发明中的微带coco天线，通过蚀刻有微带电路的微带板进行信号辐射，与传统的同轴线形式的coco天线相比，微带coco天线的设计难度和加工难度显著降低，尤其适用于高增益天线的使用；
18.2.本发明中的微带coco天线，通过介质套筒对微带板进行保护，微带板内填充绝缘介质，提高天线的强度以及使用可靠性；
19.3.本发明中的纵列双频平板天线，能够解决现有技术中风廓线雷达相控阵天线阵列结构复杂、成本高昂的问题，有利于减少天线部件、降低天线成本；此种天线结构形式简洁，将其设计成垂直交叉的两个极化的天线，再根据两天线的不同频率的特性又可将其阵面前后错位放置，从而实现将两幅对称结构布置天线巧妙的结合于一个平板之内，降低天线整体的体积、重量以及复杂程度；
20.4.本发明中的纵列双频平板天线，采用镂空形式的金属地板，可以有效减少天线的重量和风阻。
附图说明
21.图1为同轴线coco天线示意图；
22.图2为同轴线coco天线电路模型；
23.图3为本发明微带coco天线的正面示意图：
24.图4为本发明微带coco天线的反面示意图：
25.图5为本发明微带coco天线仿真的反射系数示意图；
26.图6为本发明微带coco天线仿真的俯仰面增益方向图：
27.图7为同轴线coco纵列天线原理图；
28.图8为本发明中1.3ghzcoco天线单根结构示意图图；
29.图9为本发明中1.3ghzcoco天线实测方向图；
30.图10为本发明中下层高频coco纵列天线的阵列示意图：
31.图11为本发明实施例二中纵列双频平板天线示意图；
32.图12为图11的局部放大图；
33.图13为本发明高频l.7ghz偏波束方向图；
34.图14为本发明低频1.3ghz方向图；
35.图中，1、金属地板；2、上层低频coco纵列天线；3、上层低频coco纵列天线射频接头；4、下层高频coco纵列天线；5、下层高频coco纵列天线射频接头；6、支撑介质柱；7、1分12功分器；8、2分16功分器；9、1分2功分器；10、波控盒；101、一子阵；102、二子阵；103、三子阵；104、四子阵；201、射频接头；202、接头连接器；203、微带电路；204、介质套筒；205、微带板；206、金属过孔。
具体实施方式
36.下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
37.实施例一：参考图3
‑
6，一种微带coco天线，包括射频接头201和微带板205，射频接头201和微带板205连接，所述微带板205上刻蚀有微带电路203。微带电路203包括两层，分别是位于微带板205正反两侧的正面电路和背面电路。正面电路包括三个部分，分别是靠近射频接头一端的匹配段、远离射频接头的谐振段以及设置在匹配段与谐振段之间的中间辐射段，中间辐射段包括多个中间段微带电路，每个中间段微带电路的长度等于电磁波在微带电路中波长的一半，即λ
g
/2，其中λ
g
为电磁波在微带板上微带电路中的波长。背面电路包括多节大面积地，为平板形，相邻两节大面积地之间有缝隙，每一节中间段微带电路的两端均设置金属过孔跨接两节大面积地。
38.还包括接头连接器202，接头连接器202设置为圆形，接头连接器202设置在射频接头201和微带板205之间，接头连接器202的一端连接微带板205，另一端连接射频接头201，实现微带板205与射频接头201的连接。
39.还包括介质套筒204，所述微带板205置于介质套筒204内，介质套筒204的端部与接头连接器202连接，所述介质套筒204内填充绝缘介质材料，所述绝缘介质材料为空气或稀有气体。
40.本实施例中的微带coco天线的辐射部分为中间辐射段部分的多节中间段微带电路，每一节中间段微带电路既是传输线又是辐射体，每节中间段微带电路的长度为λ
g
/2，当
激励电流经过λ
g
/2的微带电路后，在相位上产生180度的相位差，同时由于微带电路在λ
g
/2处正面电路与背面电路的金属过孔的跨接也产生180度相差，两者抵消后下一节微带电路输入电流与前一节电流相位相同，因此在整个辐射部分所有微带电路上形成同相和近似等幅的表面电流，在辐射远区形成较高增益，从而在微带板法向方向形成全向辐射。
41.图5为本发明微带coco天线仿真的反射系数示意图，使用频段内，反射系数小于
‑
20db；
42.图6为本发明微带coco天线仿真的俯仰面增益方向图，天线向微带板法向辐射。
43.通过使用微带电路结构来设计coco天线，在微带板上刻蚀微带电路，替代同轴线coco天线结构，可以保证每节辐射部分长度；采用微带金属过孔完成正面电路与背面电路的跨接，避免了同轴线每一节辐射部分内导体与外导体的跨接焊接而造成的设计难度和加工难度，从而大大降低了天线的实现难度。
44.实施例二：参考图7
‑
14，一种纵列双频平板天线，包括金属地板、上层低频coco纵列天线、下层高频coco纵列天线、支撑介质柱、低频功分器、高频功分器和波控盒，所述上层低频coco纵列天线、下层高频coco纵列天线、支撑介质柱设置在金属地板的上方，所述低频功分器、高频功分器和波控盒设置在金属地板的下方，所述支撑介质柱设有多个，所述支撑介质柱固定在金属地板上并用于支撑上层低频coco纵列天线和下层高频coco纵列天线，所述低频功分器用于上层低频coco纵列天线的功率分配，所述高频功分器用于下层高频coco纵列天线的功率分配，高频功分器连接至波控盒，所述上层低频coco纵列天线和下层高频coco纵列天线均是实施例一中所述的微带coco天线组成的天线阵列。
45.上层低频coco纵列天线包括24个1.3ghzcoco天线，24个1.3ghzcoco天线分为两组，每组12个1.3ghzcoco天线平行并列设置，两组1.3ghzcoco天线以头部相对的方式对称设置在同一平面内；类似的，下层高频coco纵列天线包括32个1.7ghzcoco天线，32个1.7ghzcoco天线分为两组，每组16个1.7ghzcoco天线平行并列设置，两组1.7ghzcoco天线以头部相对的方式对称设置在同一平面内。
46.上层低频coco纵列天线和下层高频coco纵列天线的阵列结构如图10所示，需要说明的是，图10仅用于展示天线阵列结构，图中的天线数量不代表具体的天线数量，整个天线阵列分为上下两个阵列，上下两个阵列的天线对称设置，且天线的射频接头设置在外侧，考虑到天线数量较多，上下两个阵列各分为左右两个阵列，形成四个子阵，即一子阵101、二子阵102、三子阵103及四子阵104，便于对天线功率的分配。
47.上层低频coco纵列天线设置在下层高频coco纵列天线的上方且上层低频coco纵列天线与下层高频coco纵列天线正交设置。
48.介质支撑柱上设有径向贯穿的支撑孔，所述1.7ghzcoco天线和1.3ghzcoco天线穿过支撑孔中，介质支撑柱的具体数量和位置以能够很好支撑天线为宜。
49.低频功分器包括两个1分12功分器和一个1分2功分器，两个1分12功分器的分口分别与两组1.3ghzcoco天线连接，两个1分12功分器的和口反相连接至1分2功分器的分口；所述高频功分器包括两个2分16功分器，两个2分16功分器的分口分别与两组1.7ghzcoco天线连接，两个2分16功分器的和口反相连接至波控盒。所述2分16功分器由两个1分8功分器组成。
50.下层高频coco纵列天线工作时，上下阵列输出信号相差180度，相位差在阵列后端
网络的连接电缆中反相进行弥补，形成等相信号在远区同相叠加。每个天线的长度设置为1m左右，阵列两端的coco纵列天线受外形尺寸所限，长度可以略短。4个对称子阵信号通过两个2分16功分器合成输出4组(对应四个天线子阵)信号进入波控盒，波控盒中每个子阵端接低噪声放大器和移相器，通过移相器的相位控制实现波束的上、下、左、右扫描，对目标进行跟踪，实现对1.7ghz探空仪的跟踪。
51.对于低频阵列来说，形式与高频阵列基本相同，不同的是，低频阵列左、右两组纵列共24个纵列天线，通过两个1分12功分器，合成为左、右两组信号，再经一个1分2等分功分器，输出低频和信号。
52.高、低频两个阵列信号极化正交，高、低频coco纵列天线同样正交布置，且高度不一致，两个频段间的相互影响很小，因此可以共用一幅平板支架。
53.为了减少机动跟踪时天线的风阻，金属地板为镂空结构，镂空设计采用矩形切口设计，同时降低天线重量。
54.本实施例中，纵列双频平板天线的外形如图11所示，包括金属底板1、上层低频coco纵列天线2、下层高频coco纵列天线4、支撑介质柱6、1分12功分器7、2分16功分器8、1分2功分器9和波控盒10，支撑介质柱6安装于金属地板1上。上层低频coco纵列天线2和下层高频coco纵列天线4上分别设有低频coco纵列天线射频接头3和高频coco纵列天线射频接头5，24根上层低频coco纵列天线2和32根下层高频coco纵列天线4穿过支撑介质柱6上的孔位安装至金属底板l上，射频接头朝外。两个低频1分12功分器7分别安装于金属地板1背后左、右位置，分口朝外，分口通过电缆连接至上层低频coco纵列天线2上的低频coco纵列天线射频接头3，两个1分12功分器7的和口再次通过两根反相电缆连接至低频1分2功分器9的分口。这样，低频coco纵列天线要辐射的信号进入低频1分2功分器9和口，反相信号传输至两个低频1分12功分器7，均分并传输至低频coco纵列天线2，辐射至空中。两个高频2分16功分器分别安装于金属地板1背后上、下位置，分口朝外，分口通过电缆连接至高频coco纵列天线4上的高频coco纵列天线射频接头5，四个和口再次通过反相电缆(上下电缆反相)连接至波控盒10，形成偏波束接收信号。高频l.7ghz偏波束方向图如图13所示，其中1301为左波束/上波束图，1302为右波束/下波束图。
55.以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。