CN102255144A - 辐射单元、辐射阵列及加工成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及辐射单元、辐射阵列及其加工成型方法。辐射单元，包括介质结构和金属结构；介质结构分为两部分，第二部分介质横向突出于第一部分介质的上表面；金属结构也分为两部分，第一部分金属导体层覆盖在第一部分介质的下表面，第二部分金属导体层覆盖在第一部分介质的上表面和第二部分介质的侧壁。本发明可以轻易地改变形状以适应弯曲的安装表面(机翼边缘、飞行器表面、轿车车体等)，其多模式的工作机理允许结构发生大的变形而不会改变内部的耦合特性，因此很容易形成各种曲面共形广义波导连续缝隙节阵列天线。

Description

辐射单元、辐射阵列及加工成型方法

技术领域

该项发明主要用于天线的生产设计，尤其涉及辐射单元、辐射阵列及加工成型方法。 

背景技术

在微波频段，传统的天线形式包括波导裂缝阵天线、微带阵列天线、反射面天线和透镜天线等。然而，当频率达到30GHz甚至更高时，用传统的天线方式很难实现，特别是对成本有严格限制时就更加难以实现。 

该项发明非常适合于生产加工30GHz甚至毫米波和准光学频段的部件。 

传统的波导裂缝阵由于复杂精密的加工工艺，比较难应用于30GHz以上。 

微带天线阵列在高频或大型阵列的情况下，由于色散及馈电网络的传输损耗比较严重，导致天线效率比较低。同时微带天线阵列的带宽比较窄，天线的性能受介质材料影响比较大。 

抛物面天线和透镜天线一般应用于低剖面天线不能胜任的地方，他的体积和重量比较大，同时由于该类天线的馈源一般是单个激励源，因此很难通过阵列方法降低副瓣和波束赋型。 

传统天线形式很难将滤波器、耦合器及辐射单元集成一体，最大限度节省系统空间。 

发明内容

广义波导连续缝隙节辐射单元主要是由金属平行板波导及横向凸起部分构成，平行板波导可以由两块相互平行的平面或曲面金属板构成，其中可以填充空气和介质材料。横向凸起部分是一段或若干段渐开平板波导级联构成，其中可以填充空气和介质材料，分布于平行板波导宽面的一面或两面，这种渐开平板波导构成的横向凸起结构，更加适用于曲面共形阵列天线的设计。当渐开平板波导的渐开角为零时，渐开平板波导退化为平行板波导，横向凸起部分则转变为由平行板波导级联构成。 

这些电磁不连续性凸起结构(或称为缝隙节)把主馈入平行板波导产生的纵向电流分量切断，在缝隙节与平行板波导交界处产生位移电流，该位移电流进一步激励起沿缝隙节纵向传播的电磁波到达缝隙节的末端，当切向缝隙节高 可以填充空气和介质材料，分布于平行板波导宽面的一面或两面，这种渐开平板波导构成的横向凸起结构，更加适用于曲面共形阵列天线的设计。当渐开平板波导的渐开角为零时，渐开平板波导退化为平行板波导，横向凸起部分则转变为由平行板波导级联构成。 

这些电磁不连续性凸起结构(或称为缝隙节)把主馈入平行板波导产生的纵向电流分量切断，在缝隙节与平行板波导交界处产生位移电流，该位移电流进一步激励起沿缝隙节纵向传播的电磁波到达缝隙节的末端，当切向缝隙节高度合适并且末端开放，切向缝隙节就会向自由空间辐射能量。通过改变切向缝隙节的长度、高度、平行板间隔和填充介质的特性可以精确控制单元的耦合或激励。由于缝隙节在主馈入平行板波导的能量传播方向的切(横)向是连续分布的，因而也可以称为连续切向缝隙节。 

若干个广义波导连续缝隙节辐射单元排列组合，并由平行板波导组成的馈电网络馈电形成广义波导连续缝隙节天线阵列。通常广义波导连续缝隙节辐射单元包括：(1)由介质材料构成的两部分，一部分是平板，另一部分横向突起于平板；(2)覆盖在第一部分介质上的金属导体；(3)覆盖于第二部分介质突起的金属导体，第二部分介质的截面为一段或若干段以一定张角展开的扇环形或梯形。通过更改切向缝隙节单元的高度、宽度、长度、横截面可以形成不同的切向缝隙节单元。 

加工介质填充的广义波导连续缝隙节天线阵列主要分为三步：首先要通过机加、挤压或成型介质材料；其次在介质上均匀覆盖金属导体；最后通过机加或研磨等手段将特定区域(如：激励端口、切向缝隙节末端，等)外表面的金属去除，使这些特定区域的介质材料暴露在空气中。 

广义波导连续缝隙节单元构成的线阵可以组成平面阵列或任意形状的阵列天线，激励方式可以是传统的线源激励方式。可以用传统的频域或时域方法去分析和综合广义波导连续缝隙节构成的天线阵列。 

该项发明的设计方法可以应用于微波、毫米波和准光学频段的所有平面或 曲面阵列天线，如赋形波束、多波束、双极化、双波段和单脉冲天线。在一些平面天线不太适合应用的情况下(例如在带宽或成本方面)，广义波导连续缝隙节天线是替代抛物面和透镜天线的首选方案。 

广义波导连续缝隙节辐射结构可以轻易地改变形状以适应弯曲的安装表面(机翼边缘、飞行器表面、轿车车体等)，其多模式的工作机理允许结构发生大的变形而不会改变内部的耦合特性，因此很容易形成各种曲面共形广义波导连续缝隙节阵列天线。 

附图说明

通过以下介绍，结合视图，可以更加容易地理解该项发明的特点和优点： 

图1(a)和图1(b)分别是渐开平板波导结构示意图及其传输的主模TEM模的电磁场分布示意图； 

图2(a)、图2(b)和图2(c)分别呈现了广义波导连续缝隙节辐射单元的主视图、A-A剖视图及局部放大视图； 

图3是广义波导连续缝隙节辐射单元的另一种变形，即由图2(a)、图2(b)和图2(c)中的若干段扇环级联演变为若干段梯形级联； 

图4(a)和图4(b)分别为一级梯形截面广义波导连续缝隙节辐射单元和一级扇环形截面广义波导连续缝隙节辐射单元； 

图5是没有介质填充的广义波导连续缝隙节辐射单元的示意图； 

图6和图7是慢波结构和非均匀结构情况下的广义波导连续缝隙节辐射单元的示意图； 

图8是广义波导连续缝隙节构成双边辐射单元的示意图； 

图9是两个完全相同的广义波导连续缝隙节辐射单元构成的匹配对示意图； 

图10是两个不同的广义波导连续缝隙节辐射单元构成的匹配对示意图； 

图11(a)、图11(b)和图11(c)分别是E面弯曲广义波导连续缝隙节辐射单 元的立体视图、主视图及A-A剖视图； 

图12(a)、图12(b)和图12(c)分别是H面弯曲广义波导连续缝隙节辐射单元的立体视图、主视图及A-A剖视图； 

图13(a)、图13(b)和图13(c)分别是有限宽度广义波导连续缝隙节辐射单元的立体视图、主视图及A-A剖视图； 

图14(a)、图14(b)和图14(c)分别是横向尺寸变化的广义波导连续缝隙节辐射单元的立体视图、主视图及A-A剖视图； 

图15(a)、图15(b)和图15(c)分别是广义波导连续缝隙节径向辐射单元的立体视图、主视图及A-A剖视图； 

图16(a)、图16(b)和图16(c)分别是广义波导连续缝隙节单极化辐射单元施加线源激励时的立体视图、主视图及A-A剖视图； 

图17(a)是广义波导连续缝隙节双极化辐射单元的立体视图； 

图17(b)是广义波导连续缝隙节双极化辐射单元的一个端口施加线源激励的原理示意图； 

图17(c)是广义波导连续缝隙节双极化辐射单元形成双圆极化辐射单元的原理示意图； 

图18是广义波导连续缝隙节辐射单元组成串馈平面阵列天线时的立体视图； 

图19是由广义波导连续缝隙节辐射单元组成的串馈平面阵列天线在E面形成频率扫描方向图的原理示意图； 

图20(a)和图20(b)是机械扫描激励线源施加于由广义波导连续缝隙节辐射单元组成的串馈平面阵列天线输入端口时，H面形成扫描方向图的原理示意图； 

图21(a)和图21(b)是相位扫描激励线源施加于由广义波导连续缝隙节辐射单元组成的串馈平面阵列天线输入端口时，H面形成扫描方向图的原理示意图； 

图22是可以实现双极化的正交广义波导连续缝隙节阵列天线原理图； 

图23(a)、图23(b)和图23(c)分别是图15(a)、图15(b)和图15(c)所示的广义波导连续缝隙节径向辐射单元组成同心圆环阵列天线时的立体视图、主视图及A-A剖视图； 

图24(a)和图24(b)是典型的广义波导连续缝隙节阵列天线的连续加工过程，包括成型、金属化和修边； 

图25是广义波导连续缝隙节阵列天线的分步加工过程，包括开模、金属化和修边； 

图26(a)、图26(b)和图26(c)分别是E面弯曲广义波导连续缝隙节单极化阵列天线的立体视图、主视图及A-A剖视图； 

图27(a)、图27(b)、图27(c)和图27(d)分别是H面弯曲广义波导连续缝隙节单极化阵列天线的立体视图、主视图及剖视图； 

图28是相邻广义波导连续缝隙节辐射单元间的连续切向金属沟槽示意图； 

图29(a)和图29(b)是广义波导连续缝隙节阵列天线复合缝隙天线示意图； 

图30(a)和图30(b)是TEM和TE₀₁模的电力线分布示意图； 

图31分别是单级广义波导连续缝隙节辐射单元和四级广义波导连续缝隙节辐射单元输入端口反射系数的全波仿真结果； 

具体实施方式

图1(a)是渐开平板波导结构示意图，该结构中ρ方向和z方向均无边界，两块平板的夹角为α。渐开平板波导中存在三种模式的电磁场：沿ρ方向传播的TE^(ρ)模、沿ρ方向传播的TM^(ρ)模及沿ρ方向传播的TEM^(ρ)模，渐开平板波导中的场与平行板波导中的场类似，只是平行板波导传输平面波，而渐开平板波导传输柱面波。为满足宽带特性，广义波导连续缝隙节中必须保证只传播TEM模式 

$E_{\mathrm{\φ}}=-{\mathrm{jk}}^2\mathrm{\η}[V_{-}{H}_1^{\left(1\right)}\left(\mathrm{k\ρ}\right)+V_{+}{H}_1^{\left(2\right)}\left(\mathrm{k\ρ}\right)]$

$H_z=k^2[V_{-}{H}_0^{\left(1\right)}\left(\mathrm{k\ρ}\right)+V_{+}{H}_0^{\left(2\right)}\left(\mathrm{k\ρ}\right)]$

这种模式的电力线分布如图1(b)所示。 

作为一个多模结构，由金属板12、13构成的平行板波导内同时存在一定数量的模式满足边界条件。这些传输模式的数量和强度完全取决于激励线源的方式，一旦激励，所激励起的模式系数不会因为广义波导连续缝隙节的出现而改变。理论上，每个模式都以自己特有的传播速度传播，只要传播距离足够，不需要的模式都会逐步衰减掉。 

图2(a)-图2(c)是广义波导连续缝隙节辐射单元11的主视图、A-A剖视图及局部放大视图，通常它由均匀介质填充，是平行板波导或传输线10的一部分，包含第一和第二导电平行板12、13。切向缝隙节单元11有一个辐射能量的横向凸起15，它的末端没有金属覆盖，暴露在自由空间中。横向凸起15是一级或若干级渐开平板波导级联构成(本实施例中横向凸起15由四级渐开平板波导级联所成，据此称之为四级广义波导连续缝隙节辐射单元，其中：第一级渐开平板波导的展开角为α1，长度为L1；第二级渐开平板波导的展开角为α2，长度为L2；第三级渐开平板波导的展开角为α3，长度为L3；第四级渐开平板波导的展开角为α4，长度为L4)，其中可以填充空气和介质材料ε_r，分布于平行板波导宽面的某一面，并且横向凸起15的介质部分是放置在第一和第二平行板12、13中间的介质材料的一部分，其中一个平行板13覆盖了切向缝隙节11的侧壁。由线源激励起沿z方向传播的入射波导模式，在波导壁上形成纵向电流，该电流被连续的横向缝隙节切断，因此在切向缝隙节单元11和平行板13的交界处激励起纵向的位移电流。这个感应的位移电流反过来在切向缝隙节单元11内部激励起等效的沿x方向传播的波导模式，该模式被辐射到自由空间中去。辐射电场矢量是z方向的线极化，辐射磁场矢量是-y方向的线极化，按照辐射方向图主平面的定义：最大辐射方向处的电场方向与能量传播方向构成E面，最大辐射方向处的磁场方向与能量传播方向构成H面，广义波导连续缝隙节辐射单 元11的E面是xoz平面，H面是xoy平面。利用广义波导连续缝隙节辐射单元组阵，可以构成微波、毫米波和准光学频段的阵列天线。 

广义波导连续缝隙节从平行板波导耦合能量的耦合系数只取决于横截面的几何尺寸(详见图2(c)局部放大视图J的尺寸标注)，而与工作频率和介质的介电常数ε_r无关，因此广义波导连续缝隙节辐射单元11从本质上具有宽带特性，同时对机械形变及材料参数的变化具有鲁棒性。 

制造介质填充的广义波导连续缝隙节单元11主要通过机加或开模的工艺制造介质部分，再在介质表面喷涂均匀的金属镀层，来形成渐开平板波导和平行板波导。如果是作为天线使用，就要研磨掉切向缝隙节终端的金属镀层，以使切向缝隙节单元11向自由空间辐射能量。广义波导连续缝隙节单元11有非常多的变化，以适应不同的应用场合，下面介绍这些变化。 

图3是内部填充介质材料24的广义波导连续缝隙节辐射单元11的另一种变形，即由图2(a)-图2(c)中的若干段扇环级联演变为若干段梯形级联，可以使广义波导连续缝隙节辐射单元的结构更简单，加工成本更低。 

图4(a)和图4(b)分别是单级梯形截面和单级扇环形截面广义波导连续缝隙节辐射单元11，横向凸起15由一级渐开平板波导构成，故称之为单级广义波导连续缝隙节辐射单元。 

单级广义波导连续缝隙节辐射单元的最大缺点是带宽较窄(相对带宽20％)，而多级广义波导连续缝隙节辐射单元依赖多级缝隙节间的电磁不连续性可以抵消输入阻抗中的电抗部分实现宽带匹配(一般能够达到5∶1的倍频程带宽)，并且匹配带宽随着广义波导连续缝隙辐射节级数的增多而增加。

图5是无介质填充的广义波导连续缝隙节单元11，其中填充的介质是低密度泡沫或空气，这样的切向缝隙节单元可用来实现端射广义波导连续缝隙节阵列天线。 

图6和图7分别是慢波结构21和非均匀结构22情况下的广义波导连续缝隙节单元11示意图。周期性开槽介质23或多层介质24a、24b应用于平行板金 属波导12、13之间，主要用来减轻重量或者控制波导内的相位传播速度。 

广义波导连续缝隙节双向辐射单元10如图8所示，双向辐射单元10由分别位于平行板金属波导两个宽面的广义波导连续缝隙节单元11b和11a组成，11b、11a的横向凸起15b、15a均由四级渐开平板波导级联所成，15b和15a的各级渐开平板波导的展开角及波导长度可以相同，也可以不同。双向辐射单元10可以起到减小空间或双向辐射的目的。 

图9采用若干个完全相同的广义波导连续缝隙节辐射单元11i、11j组成串馈平面阵列天线，横向凸起15i、15j是参数完全相同的单级渐开平板波导，单元间距一般选择波导波长的整数倍如一个波导波长，可以形成边射笔形波束，该阵列也可以应用于单脉冲工作模式。 

图10采用若干个不相同的广义波导连续缝隙节辐射单元11m、11n组阵，横向凸起15m、15n分别由参数不同的单级渐开平板波导构成，通过变化广义波导连续缝隙节辐射单元的横截面尺寸(详见图2(c)局部放大视图J的尺寸标注)来精确控制每个单元的激励幅度和相位，实现比较复杂的赋形波束形状，如余割平方波束和不对称副瓣波束，同样采用非均匀阵列也可以实现波束赋形。 

图11(a)、图11(b)和图11(c)分别是E面弯曲广义波导连续缝隙节辐射单元10e的立体视图、主视图及A-A剖视图，其连续缝隙节辐射单元11e的横向凸起15e由四级渐开平板波导级联所成。要保证E面弯曲广义波导连续缝隙节单元10e具有图2(a)-图2(c)所示的平面广义波导连续缝隙节单元10的全部特性，必须保证E面弯曲半径适当，以避免出现过度弯曲而引起的高次模传输。弯曲切向缝隙节辐射单元10e组阵可以形成曲面共形阵列天线。 

图12(a)、图12(b)和图12(c)分别是H面弯曲广义波导连续缝隙节辐射单元10h的立体视图、主视图及A-A剖视图，其连续缝隙节辐射单元11h的横向凸起15h由四级渐开平板波导级联所成。要保证H面弯曲广义波导连续缝隙节单元10h具有图2(a)-图2(c)所示的平面广义波导连续缝隙节单元10的全部特性，必须保证H面弯曲半径适当，以避免出现过度弯曲而引起的高次模传输。 弯曲切向缝隙节辐射单元10h组阵可以形成曲面共形阵列天线。 

图13(a)、图13(b)和图13(c)是有限宽度广义波导连续缝隙节单元10g的立体视图、主视图及A-A剖视图。传统的切向缝隙节单元在y方向非常宽，当然广义波导连续缝隙节单元11可以利用侧壁17在y方向截断来减小宽度，这两个侧壁17可以是金属、非金属或吸收材料，以实现短路、开路或负载特性。侧边的影响主要取决于广义波导连续缝隙节阵列天线的激励线源分布函数，但是这个影响一般来说比较小，因为电场严格沿着纵向传播。对于锥削幅度很大的激励线源分布，侧边采用电壁短路，对于阵列天线的口径场分布影响很小甚至可以忽略不计；但对于均匀分布或锥削不大的激励线源，需要考虑侧边的影响。 

图14(a)、图14(b)和图14(c)是横向参数连续变化的广义波导连续缝隙节辐射单元10v的立体视图、主视图及A-A剖视图。切向缝隙节单元11v的横向凸起15v由单级渐开平板波导变形构成，其横向(y方向)的缓慢变化可以用来实现渐变耦合，利用这个特点可以在H面实现方向图赋形，这个在连续口径分布或非矩形口径的天线中有非常重要的应用。 

图15(a)、图15(b)和图15(c)是径向广义波导连续缝隙节辐射单元10c的立体视图、主视图及A-A剖视图，环状连续缝隙节辐射单元11c的横向凸起15c由四级渐开平板波导旋转构成。径向广义波导连续缝隙节辐射单元10c可以应用于圆柱波导模式中(径向辐射)，该辐射单元沿径向排列形成封闭的同心圆环，激励源可以是一个或多个点源，本实施例采用传输TEM模式的同轴探针26激励，25为同轴连接器的外导体。图2(a)～图8中的广义波导连续缝隙节的横截面形状都可以旋转形成这种径向广义波导连续缝隙节辐射单元10c，这种径向广义波导连续缝隙节辐射单元非常适合应用于水平面需要360度高增益覆盖的阵列天线中。 

图16(a)、图16(b)和图16(c)分别是广义波导连续缝隙节单极化辐射单元10施加斜入射线源激励时的立体视图、主视图及A-A剖视图。通过机械或电控 的方法来改变波前27的入射角度，来实现广义波导连续缝隙节天线波束在H面扫描，这个主要是通过机械或电控的方法改变输入线源的激励相位来实现的。波束的精确扫描角和波导模式波前的入射角之间的关系符合Snell定律，在切向缝隙节单元和自由空间交界面处的折射可以用来增大天线的扫描角度。通过选择合适的填充介质的介电常数，激励线源微小程度的旋转或相移就能使广义波导连续缝隙节辐射单元产生很大的扫描角度。 

图17(a)是广义波导连续缝隙节双极化辐射单元的立体视图，图17(b)是广义波导连续缝隙节双极化辐射单元的一个端口施加线源激励的原理示意图。根据电磁场理论及边界条件，我们知道：施加于广义波导连续缝隙节双极化辐射单元左侧端口的激励线源沿着波前27纵向入射，与该激励线源能量传播方向正交的切向缝隙节11e(11e的横向凸起15e由四级渐开平板波导级联构成)所耦合的波导主模不会在与11e正交的11f(11f的横向凸起15f由四级渐开平板波导级联构成)中传输，这个特点可以用来产生两个隔离度很高的正交极化，也可以用来实现双频段或双波束。 

圆极化正交切向缝隙节单元如图17(c)所示，激励线源1和2同时施加于广义波导连续缝隙节单元11f和11e，分别产生两个幅度相等、极化正交的很纯的线极化，这两个线极化通过3dB电桥30而形成双圆极化(左旋和右旋圆极化)。 

图18是广义波导连续缝隙节辐射单元组成串馈平面阵列天线50时的立体视图。用线源激励串馈平面阵列天线50的左端口，同时右端口端接匹配负载(串馈阵列天线的终端需要端接短路、开路或匹配负载，以形成传统的驻波或行波阵)，这样的设置就构成了行波阵列天线50，它在E面的主波束指向随着频率发生变化，如图19所示(其中：a(n)、a(n+1)和a(n+2)分别是第n个、第(n+1)个和第(n+2)个广义波导连续缝隙节辐射单元的渐开波导展开角；L(n)、L(n+1)和L(n+2)分别是第n个、第(n+1)个和第(n+2)个广义波导连续缝隙节辐射单元的渐开波导长度)。通过改变切向缝隙节单元的间距和填充介质的介电常数，可以增强这种特性，如用介电常数ε_r＝12的材料加工的广义波导连续缝隙节阵列天 线，频率每变化1％，波束倾斜角度变化2度。 

如果再结合图16(a)-图16(c)所示的改变激励线源的入射角度实现波束H面扫描的特点，广义波导连续缝隙节阵列天线50可以在一面或两面同时形成固定或变化的倾斜波束。 

通过机械旋转改变激励线源的入射方向来进行波束H面扫描的阵列天线50如图20(a)和图20(b)所示。广义波导连续缝隙节阵列天线50的线源入射角度可以通过机械旋转改变，这样就可以实现H面的波束扫描。 

调整激励线源的相速也可以使线源的入射方向发生改变，利用这种方法实现波束H面扫描的阵列天线50如图21(a)和图21(b)所示。 

图22是可以实现双极化的正交广义波导连续缝隙节阵列天线45的原理示意图。它是由两个正交的广义波导连续缝隙节阵列天线共口径构成，在线源49a、49b间通过电桥连接或在阵列天线45的口面加载圆极化器，阵列天线45就可以实现圆极化或椭圆极化。广义波导连续缝隙节辐射单元11的高纯度线极化和平行板波导模式的天然正交性，决定了阵列天线45具有超宽频带的高极化隔离度。 

和上述提到的双极化阵列天线一样，不同频段或不同参数的广义波导连续缝隙节阵列天线正交，可以用来同时实现双波束阵列天线45，如一个广义波导连续缝隙节阵列天线可以提供垂直极化笔形波束，另一个与之正交的广义波导连续缝隙节阵列天线可以提供水平极化的余割平方波束。 

径向广义波导连续缝隙节阵列天线56如图23(a)、图23(b)和图23(c)所示。它的切向缝隙节辐射单元11i、11j、11k是同心圆环，环状连续缝隙节辐射单元11i、11j、11k的横向凸起29i、29j、29k均由四级渐开平板波导旋转构成。单点或多点(多模工作模式情况)点源馈电方式替代了线源馈电方式，本实施例采用传输TEM模式的同轴探针26激励，25为同轴连接器的外导体。径向波导的工作模式和平面波导的工作模式相似，因此可以推导它的模式方程。通过激励源的选择、径向广义波导连续缝隙节辐射单元的设计，径向广义波导连续缝隙节阵列天线同样可以实现双频段、双波束、双极化特性。 

如上所述，广义波导连续缝隙节辐射单元11可以组合或布阵形成任意线源激励的阵列天线结构。这个线源可以是离散线阵，如波导裂缝阵列；也可以是连续线源，如扇形喇叭或透镜天线。锥削分布的线源可以用来实现H面的口径分布，E面的口径分布可以通过改变广义波导连续缝隙节辐射单元11的参数来实现。 

一些比较成熟的加工工艺如冲压、注塑和热模技术都可以应用于广义波导连续缝隙节阵列天线的制造加工。在大多数情况下，整个广义波导连续缝隙节阵列天线，包括激励源，都可以用一个外部模具加工。 

加工过程包括三个典型步骤：一是结构成型，包括冲压和开模的方式；二是外表面金属化，主要通过溅射或电镀等方法，将金属导体附着在介质结构上；三是表面研磨，主要是将辐射单元的末端、输入和输出端的金属去除。由于不用考虑广义波导连续缝隙节的内部，它外表面金属的厚度没有严格要求。 

图24(a)和图24(b)是广义波导连续缝隙节阵列天线30的切向缝隙节辐射单元11的连续冲压加工过程。该过程中包括成型31、金属化32和研磨33，是一个连续加工过程，这个过程可以用来加工生产比较长的广义波导连续缝隙节阵列天线30。图25是广义波导连续缝隙节阵列天线30的分步骤加工过程，同样包括成型或模压31、金属化32和研磨33，但是这三个步骤是独立分开进行的。 

由于广义波导连续缝隙节辐射单元11是一个非谐振结构，它对尺寸和填充材料的介电常数的变化不是很敏感，相对于谐振器件的加工生产，广义波导连续缝隙节辐射单元11的生产加工难度大大降低，比较适合大批量生产，生产成本较低。 

由图11(a)-图11(c)所示的E面弯曲广义波导连续缝隙节单极化辐射单元58沿着E面弯曲组阵，形成E面弯曲串馈广义波导连续缝隙节单极化阵列天线66，图26(a)、图26(b)和图26(c)分别是其立体视图、主视图及A-A剖视图。要保证E面弯曲广义波导连续缝隙节阵列天线66具有图18所示的平面广义波 导连续缝隙节阵列天线50的全部特性，必须保证E面弯曲半径适当，以避免出现过度弯曲而引起的高次模传输。用线源激励串馈阵列天线66的左端口，同时右端口端接匹配负载(串馈阵列天线的终端需要端接短路、开路或匹配负载，以形成传统的驻波或行波阵)，这样的设置就构成了行波阵列天线66，它在E面的主波束指向随着频率发生变化。 

由图12(a)-图12(c)所示的H面弯曲广义波导连续缝隙节单极化辐射单元59在E面组阵，形成H面弯曲串馈广义波导连续缝隙节单极化阵列天线67，图27(a)、图27(b)、图27(c)和图27(d)分别是其立体视图、主视图及剖视图。要保证H面弯曲广义波导连续缝隙节阵列天线67具有图18所示的平面广义波导连续缝隙节阵列天线50的全部特性，必须保证H面弯曲半径适当，以避免出现过度弯曲而引起的高次模传输。用线源激励串馈阵列天线67的左端口，同时右端口端接匹配负载(串馈阵列天线的终端需要端接短路、开路或匹配负载，以形成传统的驻波或行波阵)，这样的设置就构成了行波阵列天线67，它在E面的主波束指向随着频率发生变化。 

图26(a)-图27(d)所示的是共形广义波导连续缝隙节阵列天线。由于广义波导连续缝隙节阵列天线的结构简单，因而可以非常方便地将其外形弯曲以和载体表面共形，如飞机尾翼、弹体表面等。在较大曲率半径的变形情况下，广义波导连续缝隙节阵列天线的多模工作特性决定了它的耦合特性不会发生明显改变，并且广义波导连续缝隙节辐射单元间的空槽可以用来抑制广义波导连续缝隙节阵列天线共形时产生的表面波。 

广义波导连续缝隙节阵列天线中的广义波导连续缝隙节辐射单元11的面积占整个平面口径的面积不超过10％～20％。这些切向缝隙节突出于平行板波导，两个切向缝隙节之间有比较大的空槽43区域，如图28所示。这些空槽43区域可以用来设计复合天线阵列，如：空槽43的下表面44可以放置微带天线阵列；可以在空槽43的下表面44上开槽，耦合出平行板波导的其他模式。另外，也可以将有源器件放置在空槽43区域。 

图29(a)和图29(b)是双频段复合阵列天线46的示意图，它更具体地说明了图28的运用。在广义波导连续缝隙节辐射单元间的空槽内开周期性缝隙47，从平行板波导内耦合出其他模式，如TE01模的电场方向平行于金属平行板12、13，因此可以在广义波导连续缝隙节辐射单元间的空槽43的下表面44上开厚或薄的斜缝，将该模式耦合出来，而TE01模并不会被广义波导连续缝隙节给耦合出来(如图30(a)和图30(b)所示)。加工的时候斜缝47略微高出平行板波导的上表面13，比较有利于加工。运用这种方法，通过调节广义波导连续缝隙节辐射单元间的间距和斜缝47的参数，就可以实现双频段复合阵列天线。 

单级广义波导连续缝隙节辐射单元和四级广义波导连续缝隙节辐射单元输入端口反射系数的全波仿真结果如图31所示，从中可以清晰地看出：如果按照-10dB回波损耗来定义阻抗带宽，单级广义波导连续缝隙节辐射单元的相对带宽为20％左右，四级广义波导连续缝隙节辐射单元的相对带宽为145％，因此多级广义波导连续缝隙节辐射单元在阻抗带宽特性方面远远优于单级广义波导连续缝隙节辐射单元。 

综上所述，广义波导连续缝隙节阵列天线具有传统天线如裂缝阵、微带天线阵、抛物面天线和透镜天线所不具备的易加工、高性能和应用范围广的特性。 

该发明的性能优点如下：高口径效率，广义波导连续缝隙节阵列天线馈电网络的复杂度为2N，传统阵列天线馈电网络的复杂度为N²，加之馈电平行板波导及广义波导连续缝隙节辐射单元的损耗远比带状线、微带线甚至是波导低，所以广义波导连续缝隙节阵列天线的辐射效率高于波导裂缝阵列天线的效率，比抛物面天线和微带阵列天线的效率更是高出许多；宽频带，由于没有谐振结构，频带宽度超过1个倍频层；高极化纯度，交叉极化小于-45dB；超强波束赋形能力，通过激励源的幅度相位控制和广义波导连续缝隙节辐射单元的参数设计，可以赋形设计复杂波束形状。 

该发明的加工优点如下：由于没有谐振结构，该发明对尺寸和介质材料的介电常数不敏感；完全是外形加工，不用考虑内部细节；简单的生产加工流程 和过程，广义波导连续缝隙节结构可以通过热成型、冲压或注塑的方式加工，而不需要其他焊接或组装工艺；由于模块化、标准化生产，没有返工开销和循环时间周期，同时原理简单可靠，将两维问题简化成一维问题。 

该发明应用方面的优点如下：外形轮廓低、重量轻；易共形；双极化、双波束、双频段应用；频率扫描特性；可以进行两维电扫描设计；低雷达散射截面设计；低耗散损耗特性使其可以应用到毫米波和准光学频段。 

上述描述仅仅是广义波导连续缝隙节辐射单元及辐射阵列应用和设计方法的一部分，从上述介绍可以引申很多应用和设计，但明显都在该项发明设计范围内。 

Claims (30)

1.辐射单元，其特征在于，包括介质结构和金属结构；介质结构分为两部分，第二部分介质横向突出于第一部分介质的上表面；金属结构也分为两部分，第一部分金属导体层覆盖在第一部分介质的下表面，第二部分金属导体层覆盖在第一部分介质的上表面和第二部分介质的侧壁。

2.如权利要求1所述的辐射单元，其特征在于，第二部分介质的横向尺寸和整个介质结构的横向尺寸相同。

3.如权利要求1所述的辐射单元，其特征在于，介质部分是空气或者慢波结构。

4.如权利要求1所述的辐射单元，其特征在于，介质部分包含多层不同介电常数的介质。

5.如权利要求1所述的辐射单元，其特征在于，介质结构还包括第三部分介质和第四部分介质，第三部分介质和第一部分介质正交放置；第四部分介质和第二部分介质正交放置。

6.如权利要求5所述的辐射单元，其特征在于，在第一部分介质和第三部分介质的侧边各有一个独立的馈电线源。

7.如权利要求1所述的辐射单元，其特征在于，第一部分介质、第二部分介质、第一部分金属导体层及第二部分金属导体层的相对两个侧壁被截断，形成有限宽度的切向缝隙节单元。

8.如权利要求7所述的辐射单元，其特征在于，第一部分介质、第二部分介质的侧壁覆盖金属，第一部分金属导体层、第二部分金属导体层的侧壁覆盖金属；或者第一部分介质、第二部分介质的侧壁覆盖非金属，第一部分金属导体层、第二部分金属导体层的侧壁覆盖非金属；或者第一部分介质、第二部分介质的侧壁覆盖吸收材料，第一部分金属导体层、第二部分金属导体层的侧壁覆盖吸收材料。

9.如权利要求1所述的辐射单元，其特征在于，第二部分介质的横截面是渐变形式的。

10.如权利要求1所述的辐射单元，其特征在于，第二部分介质有一级以上的台阶。

11.如权利要求10所述的辐射单元，其特征在于，第一部分介质有一级以上的台阶。

12.如权利要求1所述的辐射单元，其特征在于，第一部分介质有一级以上的台阶。

13.如权利要求10所述的辐射单元，其特征在于，所述一级以上的台阶的截面为一段或若干段以一定张角展开的扇环形或梯形。

14.如权利要求1所述的辐射单元，其特征在于，第二部分介质是圆形，形成一个圆形切向缝隙节单元。

15.如权利要求1所述的辐射单元，其特征在于，介质结构包含的第二部分介质形成的突起横向放置于第一部分的上表面上，突起之间互相隔离，按一定间距排成辐射阵列。

16.如权利要求15所述的辐射单元，其特征在于，切向缝隙节单元的高度小于辐射阵列的纵向尺寸。

17.如权利要求15所述的辐射单元，其特征在于，相邻切向缝隙节单元之间的金属覆盖部分形成一个横向金属槽。

18.如权利要求15所述的辐射单元，其特征在于，介质结构的外形弯曲以和非平面结构共形。

19.如权利要求15所述的辐射单元，其特征在于，每个切向缝隙节在横截面尺寸及介质参数方面保持一致。

20.如权利要求15所述的辐射单元，其特征在于，特定切向缝隙节在横截面尺寸或介质参数方面与其它切向缝隙节不同。

21.如权利要求15所述的辐射单元，其特征在于，介质单元是半圆形。

22.辐射阵列，其特征在于，包含若干如权利要求1-21任意一项所述的辐射单元，若干辐射单元排列成辐射阵列。

23.如权利要求22所述的辐射阵列，其特征在于，辐射阵列具有由介质材料形成的平面或曲面层，上下两个宽面平行；在介质材料层上表面突起多个截面为一段或若干段以一定张角展开的扇环形或梯形的介质单元，介质单元的宽度和平面或曲面介质的宽面宽度一致，介质单元按一定间距分隔排列；并且在平面或曲面介质材料和扇环或梯形截面的介质单元表面覆盖导电金属层以形成平行板波导和渐开平板波导传输能量的阵列天线，同时平面或曲面介质材料的一侧不覆盖金属，作为该阵列天线的能量馈入端口；扇环或梯形截面的介质单元顶部不覆盖金属层。

24.如权利要求22所述的辐射阵列，其特征在于，各介质单元的高度小于辐射阵列的纵向尺寸。

25.辐射单元的加工成型方法，其特征在于，包括：

步骤1，加工介质结构，其中介质结构分为两部分，第二部分介质横向突出于第一部分介质的上表面；

步骤2，在第一部分介质的下表面覆盖第一部分金属导体层，在第一部分介质的上表面和第二部分介质的侧壁覆盖第二部分金属导体层。

26.如权利要求25所述的加工成型方法，其特征在于，步骤1中，介质结构具有由介质材料形成平面或曲面层，上下两个宽面平行，在介质材料层上表面突起一截面为一段或若干段以一定张角展开的扇环形或梯形的介质单元，介质单元的宽度和平面或曲面介质的宽面宽度一致。

27.如权利要求25所述的加工成型方法，其特征在于，步骤2中，将介质结构的外表面金属化，并将特定区域外表面的金属去除，使连续缝隙节辐射单元能够从平行板波导中耦合能量并辐射出去。

28.辐射阵列的加工成型方法，其特征在于，包括：

步骤10，加工介质结构，其中介质结构分为一第一部分介质和若干第二部分介质，第二部分介质横向突出于第一部分介质的上表面，并且若干第二部分介质排成阵列；

步骤20，在第一部分介质的下表面覆盖第一部分金属导体层，在第一部分介质的上表面和第二部分介质的侧壁覆盖第二部分金属导体层。

29.如权利要求28所述的加工成型方法，其特征在于，步骤10中，介质结构具有由介质材料形成平面或曲面层，上下两个宽面平行，在介质材料层上表面突起若干截面为一段或若干段以一定张角展开的扇环形或梯形的介质单元，介质单元的宽度和平面或曲面介质的宽面宽度一致。

30.如权利要求28所述的加工成型方法，其特征在于，步骤20中，将介质结构的外表面金属化，并将特定区域外表面的金属去除，使连续缝隙节辐射单元能够从平行板波导中耦合能量并辐射出去。

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