CN101814661A - 梯形波导缝隙阵列天线单元 - Google Patents

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郑宏兴
成丹
王利强
冯立营
刘颖
孙程光
马兴兵
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Abstract

一种用于通信系统的梯形波导缝隙阵列天线单元，包括梯形截面金属波导，辐射缝隙，短路板，同轴馈电装置，调配螺钉。梯形截面两斜边之间的夹角设计为45度，宽边尺寸为高的二倍。通过将辐射缝隙交替分列于波导宽边的两侧，调节截面尺寸和缝隙长度，可形成工作于不同频率的阵列天线单元。本天线单元不但具有高增益、低副瓣等传统波导缝隙阵列天线单元的优点，而且随着缝隙数的增加可改善天线带宽，易于加工制造。

Description

梯形波导缝隙阵列天线单元
技术领域
本发明涉及一种在通信系统中使用的天线，尤其涉及一种梯形截面波导缝隙阵列天线单元。
背景技术
随着雷达、精确制导、遥感和无线电通信行业的迅猛发展，频率资源日益紧张的问题越来越突出，研制工作于更高频段上的各种形式的天线已经是通信领域的迫切需要。在众多的微波毫米波天线中，波导缝隙阵列天线具有结构紧凑、机械强度好、馈电损耗低、辐射效率高、功率容量大和可靠性高等优点，近年来倍受重视。传统的波导缝隙阵列天线采用矩形金属波导制成，但其缺点在于，带宽受到辐射缝隙数的限制(M.Hamadallah，Frequency limitations onbroad-band performance of shunt slot arrays，IEEE Trans Antennas Propagat Vol.37，1989，pp：817-823)，辐射缝隙数越多则带宽越窄。许多研究者通过给波导加脊来改善这种情况，David Y.Kim把矩形波导缝隙天线阵的设计理论推广到对称单脊波导宽边纵向裂缝天线的设计上(D.Y.Kim，R.S.Elliott，A design procedurefor slot arrays fed by single ridged waveguide，IEEE Trans Antennas Propagat Vol.36，1988，pp：1531-1536)。此后，有很多关于各种脊型波导缝隙天线的研究。加脊可以拓展波导的通频带宽，但当天线的工作带宽远远小于波导本身的通频带宽时，加脊的优势变得不明显，而且增加了加工工艺的复杂性。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种梯形波导缝隙阵列天线单元，可以在传统矩形波导缝隙阵列天线单元及加脊波导天线单元基础上改善工作带宽。
本发明采用如下的技术方案：
一种用于通信系统的梯形波导缝隙阵列天线单元，包括梯形截面金属波导，宽边设有辐射缝隙，辐射缝隙分列于宽边中心线两侧，波导两端均设有短路板，其中一端附近设有馈电点。
一种ku波段梯形波导缝隙阵列天线单元，横截面为梯形结构，波导一端短路板附近设计有同轴馈电装置及调配螺钉。
本发明的有益效果是，波导截面具有梯形结构，天线单元不使用介电材料，辐射缝隙分列于宽边中心线两侧，使得梯形波导缝隙阵列天线单元具有辐射效率高，低副瓣的优点，并可以改善相应的工作带宽，而且随着缝隙数量的增加更加明显。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是本发明的整体外观效果图。
图2是图1的主视图。
图3是图2的A——A面剖视图。
图4是本发明实施例的E面辐射方向图。
图5是本发明实施例的H面辐射方向图。
图6a至6c是本发明实施例(TWSA)与梯形单脊波导缝隙天线单元(STWSA)带宽比较。
图中：1-梯形截面波导，2-辐射缝隙，31-短路板，32-短路板，4-同轴馈电装置，51-调配螺钉，52-调配螺钉。
具体实施方式
图1所示为一种用于通信系统的梯形波导缝隙阵列天线单元，图2为图1的主视图。包括梯形截面波导1，波导宽边设有辐射缝隙2，缝隙长度为L2，缝隙间距为d，两端分别设有短路板31和32，其中短路板31距最近缝隙中心的距离为L1，短路板32附近设有同轴馈电装置4，短路板32至同轴馈电装置4的距离为L5，同轴馈电装置4距最近缝隙中心的距离为L6，同轴馈电装置4附近设计有调配螺钉51和52，两螺钉之间的距离为L3，调配螺钉52至同轴馈电装置4的距离为L4。
图3所示为梯形波导横截面示意图，梯形两斜边之间的夹角设计为45度，宽边尺寸为a，高b＝a/2，调节a值可获得不同的梯形波导截止波长，适用于不同工作频率的梯形波导缝隙阵列天线单元。
本发明实施例为工作在ku波段的梯形波导缝隙阵列天线单元，中心工作频率为13GHz，辐射缝隙数为十缝。梯形波导横截面宽边尺寸a＝17.31mm，高b＝a/2，对应的波导截止波长λc为28.26mm。本发明实施例中辐射缝隙2为半圆头矩形缝隙，缝隙中心线偏移波导宽边中心线的距离x由天线驻波比等要求确定，本实施例优选为1mm。缝隙长度约为中心工作波长的二分之一，本实施例优选L2为x＝1mm时的谐振长度11.28mm。缝隙间距d＝λg/2(λg为波导波长)＝20.00mm，辐射缝隙交替位于波导宽边中心线的两侧，使它们有着相同的馈电相位。优选短路板31距最近缝隙的距离L1＝λg/4＝10.00mm。调配螺钉51和52之间的距离L3及同轴馈电装置4至短路板32的距离为L5优选为λg/2＝20.00mm。同轴馈电装置4在本实施例中，置于波导宽边中心线上，也可令其偏移中心线相应的距离。同轴馈电装置4距最近缝隙中心的距离L6应为λg/2的整数倍，本实施例优选为L6＝g＝40.00mm。调节同轴馈电装置4的探针长度及调配螺钉52至同轴馈电装置4的距离L4和旋入深度可使天线单元在中心工作频率附近达到良好的匹配，本实施例优选L4为26.67mm。
图4和图5表示本发明实施例的E面和H面辐射方向图。由图4可知天线增益为18.28dB，前后比达到10dB以上，能量集中于前瓣。由图5知天线第一旁瓣电平为-13.62dB，具有较低的副瓣，大部分集中在-20～-40dB之间。
图6a至6c分别表示TWSA与相同工作频率，辐射缝隙数分别为六缝、八缝和十缝的STWSA工作带宽的比较结果。可知，在相同频率范围内，辐射缝隙数均为六缝时，虽然STWSA比TWSA的带宽稍微宽一些，但后者在中心频率附近的VSWR更加接近1，驻波性能更好。当辐射缝隙数量增加至八缝和十缝时，TWSA具有更宽的工作带宽。特别是缝隙数目均为十缝时，STWSA在工作频率范围内的VSWR均大于2，性能较差，而此时TWSA在工作频率范围内的VSWR基本上都小于2。可见，随着缝隙数量的增加，TWSA具有更宽的工作带宽。

Claims (3)

1.一种梯形波导缝隙阵列天线单元，包括梯形截面波导、辐射缝隙、短路板和同轴馈电装置，波导宽边设有辐射缝隙，交替分列于宽边中心线两侧，波导两端均设有短路板，在其中一端附近采用同轴馈电，其特征在于，波导横截面为梯形结构，同轴馈电点位于波导宽边，且附近装配有调配螺钉。
2.根据权利要求1所述的梯形波导缝隙阵列天线单元，其特征在于，波导横截面为梯形结构，且梯形两斜边的夹角为45度，其宽边尺寸为高的二倍。
3.根据权利要求1所述的梯形波导缝隙阵列天线单元，其特征在于，同轴馈电点附近装配有两个调配螺钉，调配螺钉之间的距离为波导波长的四分之一，调节同轴馈电装置的探针长度及调配螺钉至同轴馈电装置的距离和旋入深度，可使天线单元在工作中心频率附近达到良好的匹配。
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