CN101000979A - 一种宽带单脊波导宽边纵缝驻波天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽带单脊波导宽边纵缝驻波天线。解决了现有纵缝驻波天线体积、重量、损耗和扫描角等方面不能满足特殊要求的问题。特点是：辐射波导为底边中线处设有对称金属单脊、横截面为矩形的金属辐射脊波导，辐射波导的底部正下方连接着馈电波导；馈电波导底边中线处设有对称金属单脊；辐射波导与馈电波导之间沿横向设有耦合缝隙。本发明采用单脊辐射波导，压缩了天线的宽度；将线阵划分成多个子阵，由功分器馈电，提高天线的工作带宽；采用脊波导提高天线效率并降低加工难度；馈电波导和辐射波导采用缝隙进行耦合，结构简单；输入端采用同轴连接器，易于实现端口阻抗匹配。

Description

一种宽带单脊波导宽边纵缝驻波天线

技术领域

本发明涉及一种宽带单脊波导宽边纵缝驻波天线。

背景技术

宽带天线在军用和民用领域的应用越来越广泛。同时，在某些具体的应用中，还有诸如：体积、重量、损耗和扫描角等方面的特殊要求。

例如：对于宽角扫描平面天线阵，要求天线单元之间距离较小，接近于二分之一波长；对于双极化合成孔径雷达天线，要求设计的天线具备剖面低、双极化、低交叉极化、高隔离度等特性。

尽管微带天线是一个很好的选择，但是由于较大的损耗，限制了其应用范围，特别是效率要求高的情况下。

对于波导缝隙谐振阵，带宽受到单元数的限制，单元数越多则带宽越窄。但其具有效率高和方向图稳定等优点。展宽这种天线阵工作带宽的方法是将天线阵划分成多个子阵形式，再由功分器对子阵馈电，这在机/弹载平板缝隙天线中应用广泛。

当天线需要实现宽角扫描时，要求对波导线阵宽度进行压缩。脊波导缝隙天线阵和不对称脊波导缝隙天线阵可以满足这一要求。

在早期的双极化波导缝隙天线阵中，两种缝隙波导线阵都采用常规设计方法，即垂直极化线阵采用矩形波导宽边开纵缝的缝隙天线形式，而水平极化线阵采用波导窄边开倾斜缝隙方式，水平极化线阵置于垂直极化线阵表面，从而导致面阵厚度加大，且对性能影响较大。另外，也没有采用展宽带宽的措施，工作带宽较窄。

在文献(R.Petersson，E.Kallas，et al，Radiation performance of the ERS-1 SAR EMantenna，IEEE AP-S 1988，212-215.)中，为得到可工作于C波段的双极化波导缝隙天线阵，工作带宽仅15.5MHz。

在文献(L.Josefsson，，C.G.M.Klooster，Dual polarized slotted waveguide SAR antenna，IEEE AP-S，1992，pp：625-628，和P.J.Wood，N.Sultan and G.Seguin，A dual-polarizedreconfigurable-beam antenna for the DSAR synthetic aperture radar，IEEE AP-S，1996，pp：1717-1719)中，也都是工作在C波段，其结构布局也采用常规方式。

后来，为TerrSAR开发的双极化波导天线阵采用一种新型空间布局，两种极化的波导线阵都进行了压缩，使两种线阵在平面阵中并排排列(Herschlein，C.Fischer，H.Braumann，et al，Development and measurement results for TerraSAR-X phased array，5^thEuropean Conference on Synthetic Aperture Radar，EUSAR 2004，Ulm，Germany，May，2004)，16单元谐振线阵采用中馈方式，带宽为300MHz，相对带宽为3.1％。

发明内容

本发明旨在提供一种具有良好的宽频带特征，线阵宽度压缩，结构简单，便于单独组成具有大扫描角的平面阵，或与波导窄边缝隙天线阵构成双极化波导缝隙天线阵的一种宽带单脊波导宽边纵缝驻波天线。

本发明的结构设计方案如下：

一种宽带单脊波导宽边纵缝驻波天线，包括辐射波导、输出输入接头，所述辐射波导的辐射边中线两侧交错均布着纵向辐射缝隙，

所述辐射波导为底边中线处设有对称金属单脊、横截面为矩形的金属辐射脊波导，辐射波导的底部正下方连接着馈电波导；

所述馈电波导为内腔内凹的金属波导，其底边中线处设有对称金属单脊；

输出输入接头位于馈电波导底边中部，构成一个功分器；

输出输入接头两侧的辐射波导与馈电波导之间沿横向设有耦合缝隙。

所述耦合缝隙为“工”字形缝隙，或为“十”字形缝隙。

所述辐射波导宽度小于0.7波长。

所述馈电波导与辐射波导宽度相同。

所述馈电波导终端距耦合缝隙的距离为0.5波导导长。

所述辐射波导和馈电波导的材料为金属材料，或为表面镀金属的复合材料。

所述输出输入接头为同轴连接器，或为N型接头，或为SMA同轴接头。

所述一个以上宽带单脊波导宽边纵缝驻波天线并列组成天线阵。

所述天线阵通过功分器划分为两个以上的子阵。

本发明采用单脊波导开缝作为辐射波导，来压缩天线的宽度。

鉴于限制波导谐振阵带宽的是辐射单元数，将单元较多的线阵分成几个子阵，通过功分器对子阵馈电，从而提高线阵的工作带宽。

考虑到微带功分器损耗大，同轴线和带状线功分器需要内导体、介质支撑和相应的阻抗变换段，因此结构复杂。

本发明采用波导功分器，该波导功分器采用与辐射波导相同的加单脊形式，使其高度和宽度与辐射脊波导相适应，大大降低了天线的宽度和高度，且加工较简单。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：将脊波导缝隙线阵分成几个子阵，由功分器馈电，有效地展宽了天线的工作带宽。功分器由脊波导实现，相对于微带功分器而言，具有低损耗的优势，相对于同轴线和带状线功分器而言，具有结构简单易于加工的优势。辐射波导和馈电波导都采用脊波导形式，压缩了天线的宽度，同时具有小的高度。馈电波导和辐射波导采用缝隙进行耦合，结构简单。输入端采用SMA同轴接头，易于与T/R组件连接；且SMA内导体与脊波导内腔连接处外加一匹配块，易于实现端口阻抗匹配。因此本发明结构简单、紧凑、横截面小、效率高。

附图说明

图1为本发明结构示意图，

图2为图1的仰视图，

图3为图1的俯视图，

图4为图1的A-A剖视图，

图5为图1的B-B剖视图，

图6为图1的C-C剖视图，

图7为本发明天线阵结构示意图，

图8为本发明所述天线的测试电压驻波比图，

图9为本发明所述天线在9.2频点上的测试方向图及交叉极化，

图10为本发明所述天线在9.3频点上的测试方向图及交叉极化，

图11为本发明所述天线在9.8频点上的测试方向图及交叉极化，

图12为本发明所述天线在10.1频点上的测试方向图及交叉极化，

图13为本发明所述天线在10.2频点上的测试方向图及交叉极化，

图14为本发明所述天线的增益。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本实用新型作进一步地说明。

实施例1：

一种宽带单脊波导宽边纵缝驻波天线包括辐射波导1、馈电波导2和同轴连接器3，见图1、图2、图3、图4、图5和图6。

辐射波导1的辐射边中线两侧交错均布着纵向辐射缝隙7，并纵向将天线阵分成两个相同的子阵；辐射缝隙长为0.5312波长，缝宽远小于缝长；相邻辐射缝隙之间间距为0.5波导波长，辐射缝隙偏离辐射脊波导中心线为0.0576波长；子阵中距离最后一个辐射缝隙0.25波导波长处短路；子阵采用中馈方式，馈电脊波导与子阵之间通过缝隙进行能量耦合，耦合馈电波导终端距离耦合缝隙0.5波导波长处短路。

辐射波导1为底边中线处设有对称金属单脊4、横截面为矩形的金属辐射脊波导，辐射波导1的底部正下方连接着馈电波导2；

馈电波导2为内腔内凹的金属波导，其底边中线处设有馈电对称金属单脊5；

同轴连接器3位于馈电波导底边中部，构成一个功分器；匹配块6为一圆形或矩形金属块，，位于辐射波导底边，匹配块6与同轴连接器内导体连接。

同轴连接器3两侧的辐射波导1与馈电波导2之间沿横向开有耦合缝隙8，耦合缝隙8为“工”字形缝隙，也可以是“十”字形缝隙。辐射波导和馈电波导通过缝隙耦合。

辐射波导宽度≤0.5波长，辐射波导截面宽、高和内部脊尺寸由实际要求的宽度和保证主模传输要求确定；

馈电波导宽度与辐射波导相同，馈电波导宽、高和内部脊尺寸由辐射波导宽和保证主模传输要求确定。

实施例2：

为本发明天线阵结构实施例，见图7。

该实施例是均匀分布的16单元波导缝隙线阵。由对称单脊辐射波导及在其上设置的16个偏置纵向细长辐射缝隙、加脊凹形对称馈电波导、两种脊波导之间的耦合缝隙和同轴连接器组成。

辐射波导1为一内部加脊、宽度压缩的矩形金属辐射脊波导，底边中线加一个金属脊，金属脊中空。

馈电波导2为一底边加脊的凹形金属馈电脊波导，波导的底边中线外设置金属脊，位于辐射波导正下方，两者在结构上互补吻合。

馈电脊波导与辐射脊波导之间通过‘工’字形缝8耦合。

16个辐射缝隙7交错位于辐射波导1宽边中线两侧，16单元波导缝隙天线阵按纵向分成相同的两组，构成两个子阵，纵向辐射细长缝7开在辐射波导宽边中线的两侧，辐射缝隙为对称交错的纵向细矩形缝或圆头细长缝。天线阵划分成两个独立的天线子阵，每个子阵由馈电脊波导与辐射脊波导之间的耦合缝隙8中馈激励。

辐射缝隙长为0.5312波长，缝宽远小于缝长。相邻辐射缝之间间距为0.5波导波长，辐射缝隙偏离中心线为0.0576波长，子阵中距离最后一个辐射缝隙0.25波导波长处短路。

两个子阵采用中馈方式，馈电脊波导与子阵之间通过缝隙进行能量耦合，耦合缝隙长与波导宽边相同，耦合馈电脊波导终端距离耦合缝隙0.5波导波长处短路。

辐射脊波导1宽度小于0.5波长，底边内陷成脊，辐射脊波导截面宽、高和内部脊尺寸由实际要求的宽度和保证电磁波主模传输要求确定。

馈电脊波导2宽度与辐射脊波导相同，馈电脊波导宽、高和内部脊尺寸由辐射脊波导宽和保证电磁波主模传输要求确定。

所述天线阵的输入、输出端口为同轴结构接头的同轴连接器3，同轴连接器与馈电波脊导构成T形结构，同轴连接器内导体与馈电脊波导腔体连接处设置一匹配块6，具体为一个圆形金属块，匹配金属块直径与馈电脊波导脊宽度相同。

天线阵总输入、输出端口为一50欧姆的同轴连接器3，同轴线与馈电波导之间为一T形结构接头，构成一个3dB功分器。也可以通过功分器将天线阵划分为两个以上的子阵。

波导选择金属或表面镀金属的复合材料。

本发明所述宽带脊波导缝隙天线的辐射波导为矩形对称单脊波导1，细长辐射缝隙7开在辐射波导宽边中线的两边，辐射波导底部是腔体上凸的加脊馈电波导2，馈电脊波导与辐射脊波导通过耦合缝隙8连接。16单元波导缝隙天线阵的总输入口、输出端口是同轴连接器3，以便于与同轴线连接，同轴连接器的内导体深入馈电波导内，与波导上壁连接，接触的地方加一个圆形金属匹配块6。

图7是在X波段本发明所述均匀分布16×16单元波导缝隙线阵的整体外观结构图。

通常要求给出一定的指标来设计天线，一般的宽带波导缝隙天线的指标为驻波带宽、方向图、增益和扫描角或结构要求的天线阵宽度，下面将说明如何根据指标要求来设计本发明所述的天线。

假设给定的频率范围为f₁～f_h，其中f₁为最低频率，f_h为最高频率，f₀是中心频率。同轴接头可以是N型接头或者SMA接头等。

具体的参数确定如下：

如图1-图6所示：根据频率范围、天线空间扫描角或双极化线阵结构限制的空间范围，确定波导的宽度；根据f₁主模传输要求，确定脊波导的各尺寸；缝长和缝间距由中心频率f₀确定，约等于二分之一波长，缝宽满足缝宽/缝长＜＜1的细长缝要求；线阵终端短路位置由f₀确定，最佳选取：短路位置≈λ_g0/4；缝隙偏置位置X由分块后子阵单元数和驻波比要求确定。

馈电脊波导宽度的选取与辐射脊波导宽度相同，根据f₁主模传输要求确定脊波导的各尺寸；耦合缝隙长接近于波导宽度，缝宽选择：缝宽/缝长≈1/10，耦合缝短路位置选取：短路位置≈λ_g0/2，其余尺寸根据驻波比计算仿真确定。

同轴接头选择SMA接头，匹配块宽度选择与馈电脊波导上凸部分相同，厚度和长度根据驻波比计算仿真确定。

图8为用Agilent 8720ES矢量网络分析仪测得驻波随频率变化的曲线。在VSWR≤1.5的条件下，实验测试的驻波带宽为9.28到10.28GHz，即天线的相对带宽为10.2％。

图9-图13给出了本发明所述天线五个频点上的测试方向图。比较这几个曲线图形，不难发现，该均匀分布波导缝隙线阵在9.2-10.2GHz范围内副瓣低于-11.5dB，交叉极化低于-39.8dB。

图14是本发明所述天线带有反射板的增益计算和测量值，在9.2-10.2GHz范围内，增益在29.8-31.2dB范围之内。

Claims (9)

1、一种宽带单脊波导宽边纵缝驻波天线，包括辐射波导、输出输入接头，所述辐射波导的辐射边中线两侧交错均布着纵向辐射缝隙，其特征在于：

所述辐射波导为底边中线处设有对称金属单脊、横截面为矩形的金属辐射脊波导，辐射波导的底部正下方连接着馈电波导；

所述馈电波导为内腔内凹的金属波导，其底边中线处设有对称金属单脊；

输出输入接头位于馈电波导底边中部，构成一个功分器；

输出输入接头两侧的辐射波导与馈电波导之间沿横向设有耦合缝隙。

2、根据权利要求1所述的一种宽带单脊波导宽边纵缝驻波天线，其特征在于：所述耦合缝隙为“工”字形缝隙，或为“十”字形缝隙。

3、根据权利要求1所述的一种宽带单脊波导宽边纵缝驻波天线，其特征在于：所述辐射波导宽度小于0.7波长。

4、根据权利要求1所述的一种宽带单脊波导宽边纵缝驻波天线，其特征在于：所述馈电波导与辐射波导宽度相同。

5、根据权利要求1所述的一种宽带单脊波导宽边纵缝驻波天线，其特征在于：所述馈电波导终端距耦合缝隙的距离为0.5波导导长。

6、根据权利要求1所述的一种宽带单脊波导宽边纵缝驻波天线，其特征在于：所述辐射波导和馈电波导的材料为金属材料，或为表面镀金属的复合材料。

7、根据权利要求1所述的一种宽带单脊波导宽边纵缝驻波天线，其特征在于：所述输出输入接头为同轴连接器，或为N型接头，或为SMA同轴接头。

8、根据权利要求1所述的一种宽带单脊波导宽边纵缝驻波天线，其特征在于：所述一个以上宽带单脊波导宽边纵缝驻波天线并列组成天线阵。

9、根据权利要求8所述的一种宽带单脊波导宽边纵缝驻波天线，其特征在于：所述天线阵通过功分器划分为两个以上的子阵。

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