CN101557040A - 频率选择性宽带波导缝隙天线阵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及频率选择性宽带波导缝隙天线阵，解决了现有波导缝隙天线的抗频带外干扰能力差的问题。本发明包括辐射波导、馈电波导、同轴连接器和辐射缝隙；辐射波导和馈电波导均为一内部加脊、终端封闭的矩形金属脊波导管，金属脊均位于底边中心线上；同轴连接器位于馈电波导的下边中间位置；在同轴连接器与两侧耦合缝隙之间的馈电脊波导的金属脊上对称设有三条以上的凹槽，整体结构呈城墙垛形，构成了波导消失模滤波器；所述波导消失模滤波器在3dB功分器两个输出臂的直波导段上，一边一个，共两个，结构上完全相同。本发明实现了抑制工作频带外信号对天线的干扰，同时具有损耗小、减轻重量、无额外设备、可靠性高和结构紧凑的优势。

Description

频率选择性宽带波导缝隙天线阵

技术领域

本发明涉及波导缝隙谐振式天线阵的结构改进，具体是一种频率选择性宽带波导缝隙天线阵。本发明既可用于接收、也可用于发射无线电波。在军事方面，可用作宽带、抗干扰相控阵雷达系统的终端天线。在民用方面，可作为极化分集通信的基站天线等。

背景技术

随着应用与需求的快速发展，对电磁频谱的利用已得到极大的拓展和充分应用，并且越来越显的拥挤不堪。一方面，工作于各个频率的电子设备越来越多；另一方面，一些平台如舰船、飞机和卫星等空间受到限制；另外，部分电子设备的频带要求越来越宽。在这种高密度频谱情况下，使各电子设备的电磁环境非常恶劣，因此在设计各个电子系统时都要考虑干扰和抗干扰等电磁兼容性问题。

另外，基于承载平台的限制，一些情况下对电子设备的重量、体积、功耗等都有特殊要求，特别是各种雷达系统中，天线所占比例较大，因此对其进行减重、剖面压缩、提高效率和集成化设计是非常必要的。

在阵列天线的应用中，辐射天线通常选择微带天线或波导缝隙天线，两者各有优缺点，选择何种形式，需要根据系统对天线的体积、重量、效率、带宽、机械、温度甚至是热传导等方面要求综合折衷考虑。

波导缝隙天线阵由于其高效、易于幅相控制、加工简单等因素得以大量应用，特别是雷达系统。波导缝隙阵有行波阵和驻波阵(谐振阵)两种，前者带宽较宽、有频扫特性，但效率稍低，适合于大型平面阵；后者效率高，但带宽窄，通常应用于尺寸较小的天线阵中。

对于波导缝隙谐振阵，带宽受到单元数的限制(马增.哈马达拉，波导并联缝隙天线阵宽带频率限制，国际电气与电子工程师协会-天线与传播学报，Vol.37，1989，pp：817-823./M.Hamadallah，Frequency limitations on broad-band performance ofshunt slot arrays，IEEE Trans Antennas Propagat Vol.37，1989，pp：817-823.)，单元数越多则带宽越窄。我们在波导缝隙谐振阵的宽带研究方面作了卓有成效的工作(1.汪伟，齐美清，金谋平，“波导并联缝隙谐振阵带宽研究”，现代电子技术/增刊，2006.9，pp：178-180；2.汪伟，钟顺时，齐美清，梁仙灵，背靠背脊波导馈电宽带脊波导缝隙天线阵，微波与光技术快报，2005，45(2)：102-104/Wang Wei，Zhong Shun-Shi，Qi Mei-Qingand Liang Xian-Ling，Broadband ridged waveguide slot antenna array fed byback-to-back ridged waveguide，Microwave and Optical Tech.Lett.，2005，45(2)：102-104；3.汪伟，宽带印刷天线与双极化微带及波导缝隙天线阵，博士毕业论文，2005.2)。这些研究中，波导缝隙谐振阵带宽拓展主要依赖于采用子阵设计方法，由功分器对各个子阵馈电激励，从而达到降低单元数的目的。设计中还采用了馈电波导与辐射波导之间一体化集成设计方法，使天线阵剖面压缩、结构紧凑。

对于电子系统之间电磁兼容性问题的解决，通常的方法是外加滤波器，或者增加两种设备之间的空间距离从而增加空间隔离度。前者在微波系统中应用较多，例如为了抑制发射机寄生干扰，在发射机输出端外加漏壁式滤波器(张轶江，王小陆，李磊，脊波导漏壁式滤波器的简化算法，雷达科学与技术，2007，5(5)：394-396)，或为了抑制其它信号对本系统的干扰，在系统接收端外加滤波器等。其中，滤波器种类繁多，以传输线形式来划分，主要包括波导滤波器、带状线滤波器、微带滤波器、腔体滤波器等等，在实际设计中根据系统电讯及机械接口要求选择适当的滤波器类型。微带滤波器谐振腔体的Q值较低，带来插入损耗较大；同轴腔体滤波器主要应用于微波频率较低的频段，损耗较大；带状线结构的滤波器插入损耗低于微带结构；各种滤波器相比，波导滤波器损耗最小(加洛斯澳.尤俄，天馈系统中的波导元件-理论与计算机辅助设计，1993/Jaroslaw Uher，WaveguideComponents for Antenna Feed Systems：Theory and CAD，Artech House，1993)，例如文献(简.波恩曼，弗瑞斯.阿德特，脊波导本征值问题横向谐振、驻波和谐振公式及在E面鳍波导滤波器的应用，国际电气与电子工程师协会-微波理论与技术学报，Vol38(8)，1990，pp：1104-1113/Jens Bornemann，and Fritz Arndt，Transverse Resonance，Standing Wave，and Resonator Formulations of the Ridge Waveguide EigenvalueProblem and Its Application to the Design of E-Plane Finned Waveguide Filters，IEEE Trans.On MTT，Vol38(8)，1990，pp：1104-1113)中设计试验的Ku波段3级消失模滤波器，带内损失仅0.2dB。由于波导滤波器低损耗和高功率容量的优势，因此该类滤波器被广泛应用于星载通讯和雷达等设备中(威森特.恩波瑞阿，本利特.季门诺，卫星应用中的波导滤波器，国际电气与电子工程师协会-微波杂志，2007.10，pp：60-70/Vicente E.Boriaand Benito Gimeno，Waveguide Filters for Satellites，IEEE MicrowaveMagazine，Oct.，2007，pp：60-70)。对于增加电子设备之间的空间距离的方法，将造成整个系统结构、体积、重量等方面的牺牲，特别是安装平台狭小的情况，如在星载合成孔径雷达(SAR)中，为了解决数传天线对SAR系统的干扰，将数传天线通过展开结构伸出卫星平台近3米左右(M.斯坦厄，R.沃宁豪斯，R.扎恩，X波段地面观测合成孔径雷达有源相控阵天线，2003年国际相控阵系统与技术会议，美国，波士顿，2003年10月，pp：70-75/M.Stangle，R.Werninghaus，and R.Zahn，The TerrSAR-X Active Phased Array Antenna，IEEEInternational Symposium on Phased Array Systems and Technology 2003，Boston，USA，Oct.，2003，pp：70-75)，这样不仅造成重量的增加，也增加了设计难度和系统故障点，降低了系统的可靠性。

总之，就目前波导缝隙天线而言，不管是窄带还是宽带设计，都未考虑带外抑制功能，即，不具备抗带外干扰能力。在抗干扰要求的系统中，仅仅是通过机械安装将天线和滤波器简单地级联，两者是各自独立的设备，在体积、重量、安装等方面具有较大劣势，这在诸如机载和星载电子设备应用中尤为突出。

发明内容

为了解决现有波导缝隙天线的抗外干扰能力差的问题，本发明提供一种可实现本系统工作的频带匹配传输，而其它频带不传输，可消除工作带外干扰的频率选择性宽带波导缝隙天线阵。

本发明在现有宽频带特征的波导缝隙天线阵的基础上，通过结构改进实现频率选择性，具体的结构改进技术方案如下：

频率选择性宽带波导缝隙天线阵包括辐射波导、馈电波导和同轴连接器；

所述辐射波导为对称加金属脊、终端封闭的矩形金属辐射脊波导，辐射脊波导宽边中线的两侧交错均布设置纵向细长辐射缝隙，辐射脊波导与辐射缝隙构成波导缝隙谐振天线；辐射波导通过其中间的金属辐射脊波导的波导壁隔开构成两个独立的腔体，将所述波导缝隙谐振天线分成两个相同的部分，即两个子阵天线；所述馈电波导同样为对称加金属脊、终端封闭的矩形金属馈电脊波导，与辐射波导上下相叠平行排列，所述馈电脊波导与辐射脊波导之间通过耦合缝隙6相连，对两个相同的子阵天线进行中间馈电；所述同轴连接器位于馈电波导的下边中间位置，其内导体深入所述馈电脊波导腔体，与馈电波导腔体上壁接触，同轴连接器与馈电脊波导构成T形结构，构成一个3dB功分器，即等功率分配器；其改进在于：

所述同轴连接器与两侧耦合缝隙之间的馈电脊波导的金属脊上对称设有三条以上的凹槽，整体结构呈城墙垛形，构成了波导消失模滤波器。

所述波导消失模滤波器在3dB功分器两个输出臂的直波导段上，一边一个，共两个，结构上完全相同；波导消失模滤波器在结构上表征为馈电金属脊呈墙垛形的直波导段，金属脊凹槽的直波导段，为波导阻抗反向器，相间其中的脊波导段，为波导谐振器，一起构成波导滤波器。

所述同轴连接器两侧的馈电脊波导的金属脊上对称设有3-7条凹槽，滤波器级数即波导谐振器个数，可以选择在2-6级，由天线对干扰信号频率和抑制度确定。

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：

充分利用宽带波导缝隙天线阵的馈电单脊波导的直波导段，简单地在金属脊上开多个凹槽，构成带通滤波器，在原来天线宽带性能基础上实现了工作频带外抑制功能，具有抗干扰能力。该滤波器可以根据实际需要选择2-6级谐振器，实现约15-60dB的带外抑制，与同等抑制度的其它滤波器相比，波导滤波器带内插入损耗小，如：下述X波段滤波器，数传频段抑制度为30dB时，波导滤波器带内插入损耗在0.2dB以内，而采用微带结构的小型化滤波器(置于T/R组件接收通道)将带来大于1.2dB的插入损耗；

该天线仅在原宽带波导缝隙天线中馈电波导的金属脊上切割出多个凹槽，没有增加额外结构，因此未增加天线加工难度。

由于在金属脊上开多个凹槽，减少了天线阵中金属实体，降低了单个波导缝隙天线阵重量，与独立宽带波导缝隙天线连接独立波导滤波器的方法相比，重量减轻约10％，这在拥有几千根所述天线组成的大型星载合成孔径雷达有源相控阵天线中，重量减轻明显。

由于本发明宽带抗干扰天线的实现，使得一些多种电子设备(特别是多天线)安装在有限空间的情况下，电磁兼容性得以改善。典型应用实例是X波段星载合成孔径雷达(SAR)与X波段数传之间的干扰问题，由于该天线的使用，使得数传天线对SAR系统的干扰得到有效抑制，该天线应用于星载SAR中，与常规的SAR天线与数传天线电磁兼容性设计方法相比(1.将数传天线通过折叠展开机构伸出3米左右；2.在T/R组件与天线之间加独立的滤波器；3.在T/R组件的接收通道加滤波器；4.或第一种与第二、三种方法相结合使用)，具有如下优点：对于第一种现有方案，可以将数传天线靠近SAR天线，无需伸出结构，降低了数传天线的结构设计难度，减小了数传天线的馈线损耗，减轻了数传天线的重量；对于第二种现有方案，由于滤波器集成于天线之中，无需独立的滤波器，因此降低了整个卫星有效载荷的重量，减小了器件连接点，降低了系统故障点的数量；对于第三种方案，基于结构体积和电路集成方面的考虑，在T/R组件的接收通道所加滤波器需要采用微带结构，并且要小型化，因此损耗大，并且增加T/R组件设计难度，另外，尽管采用小型化微带滤波器结构，仍然增加了T/R组件的体积和重量。采用本发明所述天线将彻底解决上述问题，综上所述，应用了本发明所述宽带抗干扰天线阵的SAR系统与常规X波段SAR系统相比，实现了抑制数传天线的干扰，同时具有损耗小、减轻重量、无额外设备、可靠性高和结构紧凑的优势。

附图说明

图1为本发明天线整体外观效果图；

图2为本发明二级滤波天线的纵向剖面图；

图3为本发明五级滤波天线的纵向剖面图；

图4为图2的B-B剖视图；

图5为图3的C-C剖视图；

图6为图2的A-A剖视图；

图7为本发明所述五级滤波天线实施例与传统天线输入端口反射损耗比较；

图8为本发明所述五级滤波天线实施例与传统天线增益比较。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

实施例1：

参见图1、图3、图5和图6，一个优选实施例是工作于X波段的均匀分布的16单元波导缝隙天线阵(五级滤波天线)，天线工作频率范围为f_L～f_H，其中f_L为最低频率，f_H为最高频率，f₀是中心频率，阻带上边频为f_S。

天线阵包含辐射波导1、馈电波导2、同轴连接器3和辐射缝隙4组成，如图1所示。

辐射波导1为一内部加脊的矩形金属脊波导管，终端封闭，金属脊5a位于底边中心线上，如图3和6所示。

馈电波导2为同样是一终端封闭、内部加脊的矩形金属脊波导管，金属脊5b位于底边中心线上，如图3和6所示。

所述天线阵的输入、输出端口为同轴结构的同轴连接器3，本实施例优选为50欧姆的SMA商用连接器。同轴连接器与馈电波脊导构成T形结构，其内导体伸入馈电波导2中与波导上壁相连，如图3和6所示，在电性上实现3dB功分器，两个输出臂为馈电脊波导，如图1、3和6所示。

16个辐射缝隙4交错位于辐射波导1宽边中线两侧，辐射缝隙4为纵向细矩形长缝或圆头矩形细长缝，如图1所示。16单元波导缝隙按纵向分成相同的两组，构成两个独立的子阵，两个子阵按中截面镜像对称，如图1和图3所示。

馈电波导2腔体与辐射波导1腔体之间通过耦合缝隙6连接，如图3所示。

所述馈电波导2的金属脊5b上，位于同轴连接器3与两侧耦合缝隙6之间各开有6个凹槽，相间其中的短金属脊有5个，整体结构呈城墙垛形，构成了波导消失模滤波器，如图3和图5所示。金属脊切割凹槽的波导段表征为波导阻抗反向器，相间其中带有短金属脊的波导段表征为波导谐振器，波导谐振器个数代表滤波器级数，这些结构相连构成5级波导滤波器。

所述波导滤波器在3dB功分器的两个输出臂上一边一个，共两个，如图3和5所示。

具体的参数确定如下：

根据工作频率范围、天线空间扫描角或结构限制的等空间范围，确定波导缝隙天线的宽度。在设计中，辐射缝隙单元间距以不出现栅瓣为限制条件，本实施例中选择0.77λ₀。另外，因为在谐振阵中，辐射缝隙之间的间距必须满足λ_g0/2条件，因此，由选定的辐射缝之间的纵向间距，确定辐射波导中工作中心频率的波导波长λ_g0，进而确定辐射波导高度和金属脊的高度。

辐射缝隙4长度约等于二分之一波长，本实施例优选尺寸为0.475λ₀，缝宽远小于缝长，优选尺寸为十分之一缝长；缝隙偏置位置由分块后子阵单元数和驻波比要求确定，本实施例优选为0.016λ₀；线阵终端距离最后一个缝隙λ_g0/4处短路。

馈电脊波导宽度的选取与辐射脊波导宽度相同，波导高度和金属脊高度以满足通带电磁波传播为条件，具体地说选择波导截止频率位于0.8倍工作频带的下边频率f_L，耦合缝隙6与馈电波导终端短路面间距为0.5λ_g0。

以上天线具体参数的计算方法为本专业设计人员所熟知。

本实施例中的5级滤波器尺寸由常规单脊波导消失模滤波器设计方法仿真计算得到，该方法为本专业设计人员所熟知。本实施例优选为：L1＝0.098λ₀，L2＝0.248λ₀，L3＝0.304λ₀，W1＝0.154λ₀，W2＝0.107λ₀，W3＝0.104λ₀。其中表征滤波器位置的参数W0无严格要求，通常选择使滤波器位于同轴连接器3与耦合缝隙6中间，本实施例优选为0.61λ₀。

图7是本发明所述5级滤波的频率选择性天线阵与常规天线阵端口反射损耗比较，频率选择性天线阵在低于f_S频点的干扰频段表现为全反射，而常规天线阵无此性能，可以看出本发明天线阵具有良好的频率选择性。

图8是本发明所述天线与常规天线阵增益值，在通带内本发明天线增益略小于常规天线，在0.4dB以内，在阻带增益低于通带50dB以上，说明对干扰信号具有大于50dB的抑制。

实施例2：

参见图2、图4和图6，工作于X波段、均匀分布的16单元波导缝隙天线阵(二级滤波天线)，馈电波导2的金属脊5b上，位于同轴连接器3与两侧耦合缝隙6之间，各开有3个凹槽，如图2和4所示，相间其中的短金属脊有2个，即2级滤波器。本实施例中滤波器尺寸和位置参数优选为：L1＝0.171λ₀，L2＝0.252λ₀，W0＝1.74λ₀，W1＝0.168λ₀。

其它同实施例1。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，如矩形或其它形状波导构成的辐射波导和馈电波导集成的宽带波导缝隙天线，在馈电波导中集成E面滤波器、波纹波导滤波器等形式的波导滤波器，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的发明保护范围。

Claims (3)

1、频率选择性宽带波导缝隙天线阵，包括辐射波导、馈电波导和同轴连接器；

所述辐射波导为对称加金属脊、终端封闭的矩形金属辐射脊波导，辐射脊波导宽边中线的两侧交错均布设置纵向细长辐射缝隙，辐射脊波导与辐射缝隙构成波导缝隙谐振天线；辐射波导通过其中间的金属辐射脊波导的波导壁隔开构成两个独立的腔体，将所述波导缝隙谐振天线分成两个相同的部分，即两个子阵天线；所述馈电波导同样为对称加金属脊、终端封闭的矩形金属馈电脊波导，与辐射波导上下相叠平行排列，所述馈电脊波导与辐射脊波导之间通过耦合缝隙相连，对两个相同的子阵天线进行中间馈电；所述同轴连接器位于馈电波导的下边中间位置，其内导体深入所述馈电脊波导腔体，与馈电波导腔体上壁接触，同轴连接器与馈电脊波导构成T形结构，构成一个3dB功分器，即等功率分配器；其特征在于：

所述同轴连接器与两侧耦合缝隙之间的馈电脊波导的金属脊上对称设有三条以上的凹槽，整体结构呈城墙垛形，构成了波导消失模滤波器。

2、根据权利要求1所述的频率选择性宽带波导缝隙天线阵，其特征在于：

所述波导消失模滤波器在3dB功分器两个输出臂的直波导段上，一边一个，共两个，结构上完全相同。

3、根据权利要求1或2所述的频率选择性宽带波导缝隙天线阵，其特征在于：

所述同轴连接器两侧的馈电脊波导的金属脊上对称设有3-7条的凹槽。

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