CN102299421A - 一种幅相加权的窄边波导缝隙阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种幅相加权的窄边波导缝隙阵列天线，包括波导窄边辐射阵面(1)和一体化幅相加权赋形波导窄边馈电网络(2)；所述波导窄边辐射阵面(1)的距离向包括6-14根窄边开缝波导(11)；波导窄边辐射阵面(1)的方位向包括2-100个辐射缝隙(12)；所述一体化幅相加权赋形馈电网络(2)包括馈电传输波导(23)、幅相同时加权馈电耦合缝隙(24)和过度转接波导(26)。本发明的天线辐射阵面为波导窄边开交替倾斜的缝隙进行同相辐射，馈电网络为波导窄边上开同方向倾斜缝隙实现不同幅相分配，可有效减少馈电网络的结构复杂性和传输损耗，降低天线系统的加工难度和制造成本。

Description

一种幅相加权的窄边波导缝隙阵列天线

技术领域

本发明属于无线通信领域的天线技术，特别涉及一种幅相加权、高增益、方向图呈现不对称的不规则波束赋形的窄边波导缝隙阵列天线。

背景技术

随着航天空间探测与卫星遥感领域的快速发展，高增益赋形波束天线被广泛应用于地表信息获取。

星载赋形天线可采用的有赋形反射面天线或波导缝隙阵天线等，由于赋形反射面天线通常包络尺寸大，难于满足小卫星平台的安装要求；而波导缝隙阵天线具有低剖面特性、结构紧凑、易于实现波束赋形、且具有大功率容量等优点，同时全金属的结构设计充分考虑了天线的力学、热、抗辐照等，这些优势能够满足航天器对有效载荷的小型化、轻型化、高可靠性的应用需求，因此基于波导缝隙阵高增益赋形天线成为星载天线发展重要方向。

对波导缝隙阵列天线的研究很多，但主要用于实现高增益、低副瓣的笔形波束天线，由于该波束方向图形状对称，仅需要对馈电网络进行调幅设计即可实现。当波束方向图形状不对称时，比如遥感卫星在固定轨道对一定区域进行观测，需要所测绘区域的远端近端回波信号强度相等，因此方向图呈现不对称的特殊形状——余割扇形波束(与所测绘区域远近端连线方向平行的为距离向，与距离向相互垂直的为方位向)，则需要对天线进行重新设计。

针对方向图呈现不对称的不规则的波束形状，需同时调幅调相设计，分别设计调幅网络和调相网络，如北京航空航天大学学报，2002.10，28(5)：P574-577王杰，吕善伟的文章《有限元方法设计赋形波束缝隙面阵馈电网络》介绍的调幅调相馈电网络，即采用耦合缝隙实现调幅、增加等高但不等宽的波导段实现调相对整个天线阵面进行馈电，但这样的波导缝隙阵列天线，其整个缝隙阵为多层结构，较复杂、体积大，当应用于Ku及更高频段时，会导致加工复杂、精度难于控制、天线重量增加，不能满足卫星平台安装要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种更适于星载天线应用的结构紧凑、加工简单、不规则波束赋形的高增益窄边波导缝隙阵列赋形天线。

本发明的技术解决方案是：一种幅相加权的窄边波导缝隙阵列天线，包括波导窄边辐射阵面和一体化幅相加权赋形波导窄边馈电网络；所述波导窄边辐射阵面的距离向包括6-14根窄边开缝波导；相邻的窄边开缝波导呈上下镜像排列；所述窄边开缝波导采用中心馈电方式，两端设置有封闭短路块，中间设置耦合隔离段，耦合隔离段两侧的辐射缝隙呈同倾角方向分布；所述波导窄边辐射阵面的方位向包括2-100个窄边辐射缝隙，窄边辐射缝隙呈交替对称排列；窄边辐射缝隙通过不同倾角和谐振长度实现不同辐射量和副瓣抑制，窄边辐射缝隙的间距为窄边开缝波导的1/2波导波长，末端的窄边辐射缝隙与封闭短路块的间距为窄边开缝波导的1/4波导波长；所述一体化幅相加权赋形馈电网络包括馈电传输波导、幅相同时加权馈电耦合缝隙和过度转接波导；通过对馈电传输波导窄边开耦合缝隙实现不同幅相加权信号由馈电传输波导到过度波导耦合，再经由过度转接波导连接辐射波导中心馈电接头，实现信号向辐射阵面的传输。

所述波导窄边辐射阵面的阵列间距以天线距离向方向图不出现栅瓣为选择准则。

所述波导窄边辐射阵面距离向的窄边开缝波导根据阵列间距采用最大最小值优化算法获取波束赋形所需的激励幅度和相位。

所述波导窄边辐射阵面方位向的窄边辐射缝隙根据泰勒加权幅度分布在单根波导上进行中心馈电驻波阵列设计。

所述窄边开缝波导选择以工作频带在波导管内传输而不被截止为准则。

所述幅相同时加权耦合缝隙通过联合调整缝隙开缝倾角、切割深度及开缝宽度三个参数实现所需赋形方向图幅相加权，馈电耦合缝隙阵列为驻波形式，端接短路金属板。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)相对于赋形反射面天线形式，本发明的天线采用在波导窄边上开倾斜缝隙给窄边辐射波导馈电的形式实现。辐射阵面在波导窄边上开交替倾斜缝隙进行同相辐射，辐射缝隙通过不同倾斜角度和谐振长度实现不同辐射量和副瓣抑制；馈电网络在波导窄边上开同向倾斜耦合缝隙实现幅相同时加权，在适当选择开缝宽度的情况下对耦合缝隙的倾角和长度进行联合优化得到方向图赋形所需的幅相分布，直接等幅同相在辐射阵面中心进行馈电，使天线结构紧凑、剖面低、辐射效率高、赋形效果好，更适合安装在对体积和重量要求高的机载平台及星载平台，具有广泛的应用前景。

(2)相对于传统波导缝隙阵列赋形天线，本发明的天线辐射阵面为波导窄边开交替倾斜的缝隙进行同相辐射，馈电网络为波导窄边上开同方向倾斜缝隙实现不同幅相分配，然后通过波导H-T接头等幅同相在辐射阵面中心进行馈电，仅通过耦合缝隙参数调整实现幅相同时加权，可有效减少馈电网络的结构复杂性和传输损耗，有利于降低天线系统的加工难度和制造成本。

(3)本发明的天线采用在辐射波导中心馈电处添置耦合隔离段方式，有效降低相邻阵列间不同幅相相互耦合影响，使实际赋形结果与理论优化结果良好吻合。

附图说明

图1为本发明所述天线外观立体效果图；

图2为本发明天线辐射阵面俯视图；

图3为本发明天线辐射阵面A-A方向的截面图；

图4为本发明一体化馈电网络俯视图；

图5为本发明一体化馈电网络俯视图A-A方向的截面图；

图6为实施例1天线方位向和距离向实测方向图性能；

图7为实施例2天线外观立体效果图；

图8为实施例2天线方位向和距离向实测方向图性能。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。

实施例1：

本实施例优选一个星载余割赋形窄边波导缝隙阵列天线，距离向为余割赋形波束、方位向为低副瓣笔形波束；工作于Ku频段，工作带宽为中心频率的0.3％。

参见图1，该天线由辐射阵面1和一体化幅相加权赋形馈电网络2组成。根据天线实际需要，由方位向3dB波束宽度可确定单根辐射波导的缝隙个数，选择范围约为2～100，本实施例中为68个；由距离向特殊波束方向图形状的优化设计可确定辐射波导的根数和辐射波导阵列间距，辐射波导根数选择范围约为6～14，本实施例中为10根，阵列间距以方向图不出现栅瓣为原则。

参见图2，辐射阵面1由10根窄边开缝波导11组成，所述窄边开缝波导11采用标准BJ140波导管，相邻的窄边开缝波导11呈上下镜像排列；每根窄边开缝波导11在窄边开68个辐射缝隙12作为辐射单元，单根波导上所开辐射缝隙12为驻波阵列，其幅度分布按泰勒-22dB加权设计；辐射缝隙12通过不同倾角和谐振长度实现不同辐射量和副瓣抑制，辐射缝隙12的间距为1/2波导波长，呈交替对称排列；单根窄边开缝辐射波导11采用中心馈电方式，两端设置有封闭短路块13，中间设置耦合隔离段14，耦合隔离段14两侧的辐射缝隙12呈同倾角方向分布。

参见图3，单根窄边开缝波导11采用内嵌H-T功分15实现信号的等幅同相馈电，中心隔板151实现功分，中心隔板151两侧分布匹配调节柱152，匹配调节柱152尽量靠近中心隔板151，以减少对辐射缝隙12的影响。

参见图4和图5，一体化幅相加权赋形馈电网络2由输入信号波导法兰盘21、波导驻波匹配调节段22、馈电信号传输波导23、波导窄边幅相同时加权馈电耦合缝隙24、封闭短路金属块25、过度转接波导26和过度转接波导法兰盘27组成。

单根辐射波导的H面T形功分15与过度转接波导26相连接，由法兰盘27固定连接。

馈电信号传输波导23为非标波导，其1/2传输波导波长与辐射阵面1的辐射阵列间距相同；馈电信号传输波导23一端为信号输入口，另一端为金属波导封闭短路端；封闭短路金属块25距离最后一个耦合缝隙中心为馈电信号传输波导23的1/2波导波长；过度转接波导26横向跨接在馈电信号传输波导23上，馈电信号传输波导23通过波导窄边幅相同时加权馈电耦合缝隙24将不同幅相信号传递给过度转接波导26。

波导窄边幅相同时加权馈电耦合缝隙24存在于馈电信号传输波导23和过度转接波导26相交的波导窄边上，其两两之间的间距为馈电信号传输波导23的1/2波导波长。波导窄边幅相同时加权馈电耦合缝隙24由开缝倾角、切割深度及开缝宽度三个参数来确定，其中倾角大小实现幅度控制、长度大小实现相位控制，而耦合缝隙的倾角和长度对幅相的影响并不是孤立存在的，在适当选择开缝宽度的情况下需通过对耦合缝隙的倾角和长度多次迭代得到方向图赋形所需的幅相分布。

由于需要获取较好的赋形效果，其馈电网络幅相加权值相对较为离散，导致波导窄边幅相同时加权馈电耦合缝隙24出现不同倾角和切割深度，大部分耦合缝隙倾角不大如241，正好位于馈电信号传输波导23和过度转接波导26相交的波导窄边上，可直接与转接波导261相对接；而小部分耦合缝隙倾角较大如242、243，需要采用加宽过度波导窄边262、263的方式进行连接，再进行宽窄波导变换实现对波导H-T功分15的直接连接。

参见图6，给出了本实施例天线中心频点方位向和距离向实测增益方向图，可以看出：距离向余割波束赋形效果良好，增益达到21dBi-10°、31dBi0°、23dBi20°，旁瓣电平低于-20dB；方位向为笔形波束，3dB波束宽度为1.2°，旁瓣电平低于-20dB；整个天线为余割扇形波束，其性能可以很好的满足工程应用。

实施例2：

本实施例优选一个星载余割赋形窄边波导缝隙阵列天线，距离向为余割赋形波束、方位向为低副瓣笔形波束；工作于Ku频段，工作带宽为中心频率的0.3％。

参见图7，该天线由辐射阵面3和一体化幅相加权赋形馈电网络4组成，采用在波导宽边上开倾斜缝隙给宽边辐射波导馈电的形式实现。根据天线实际需要，由方位向3dB波束宽度可确定单根辐射波导的缝隙个数，选择范围约为2～100，本实施例中为54个；由距离向特殊波束方向图形状的优化设计可确定辐射波导的根数，选择范围约为6～14，本实施例中为8根。本实施例天线各部分的结构和连接与实施例1相类似。

图8为本实施例天线中心频点方位向和距离向实测增益方向图，可以看出：距离向余割波束赋形效果良好，增益达到24dBi-10°、32dBi0°、19dBi20°，旁瓣电平低于-27dB；方位向为笔形波束，3dB波束宽度为1.2°，旁瓣电平低于-20dB；整个天线为余割扇形波束，其性能可以很好的满足工程应用。

以上内容是结合具体的优选实施案例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。对于本发明所述技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，对本发明的各组成部件、位置关系及连接方式在不改变其功能的情况下，进行的等效变换或替代，如其他特殊形状的赋形方向图设计等，也落入本发明的保护范围。本发明未公开的技术属本领域公知技术。

Claims (6)

1.一种幅相加权的窄边波导缝隙阵列天线，其特征在于：包括波导窄边辐射阵面(1)和一体化幅相加权赋形波导窄边馈电网络(2)；所述波导窄边辐射阵面(1)的距离向包括6-14根窄边开缝波导(11)；相邻的窄边开缝波导(11)呈上下镜像排列；所述窄边开缝波导(11)采用中心馈电方式，两端设置有封闭短路块(13)，中间设置耦合隔离段(14)，耦合隔离段(14)两侧的辐射缝隙(12)呈同倾角方向分布；所述波导窄边辐射阵面(1)的方位向包括2-100个辐射缝隙(12)，辐射缝隙(12)呈交替对称排列；辐射缝隙(12)通过不同倾角和谐振长度实现不同辐射量和副瓣抑制，辐射缝隙(12)的间距为窄边开缝波导(11)的1/2波导波长，末端的辐射缝隙(12)与封闭短路块(13)的间距为窄边开缝波导(11)的1/4波导波长；所述一体化幅相加权赋形馈电网络(2)包括馈电传输波导(23)、幅相同时加权馈电耦合缝隙(24)和过度转接波导(26)；通过对馈电传输波导(23)窄边开耦合缝隙实现不同幅相加权信号由馈电传输波导(23)到过度波导(26)耦合，再经由过度转接波导(26)连接辐射波导中心馈电接头，实现信号向辐射阵面的传输。

2.根据权利要求1的一种幅相加权的窄边波导缝隙阵列天线，其特征在于：所述波导窄边辐射阵面(1)的阵列间距以天线距离向方向图不出现栅瓣为选择准则。

3.根据权利要求1的一种幅相加权的窄边波导缝隙阵列天线，其特征在于：所述波导窄边辐射阵面(1)距离向的窄边开缝波导(11)根据阵列间距采用最大最小值优化算法获取波束赋形所需的激励幅度和相位。

4.根据权利要求1的一种幅相加权的窄边波导缝隙阵列天线，其特征在于：所述波导窄边辐射阵面(1)方位向的辐射缝隙(12)根据泰勒加权幅度分布在单根波导上进行中心馈电驻波阵列设计。

5.根据权利要求1的一种幅相加权的窄边波导缝隙阵列天线，其特征在于：所述窄边开缝波导(11)选择以工作频带在波导管内传输而不被截止为准则。

6.根据权利要求1的一种幅相加权的窄边波导缝隙阵列天线，其特征在于：所述幅相同时加权耦合缝隙(24)通过联合调整缝隙开缝倾角、切割深度及开缝宽度三个参数实现所需赋形方向图幅相加权，馈电耦合缝隙阵列为驻波形式，端接短路金属板。

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