CN102324624A - 一种超宽带波导缝隙阵单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信技术领域，具体公开了一种超宽带波导缝隙阵单元，包括上下连接的馈电波导、过模波导，过模波导中间留有空腔，所述过模波导的上表面切割设置有2行×2列的辐射缝隙，所述2行×2列的辐射缝隙的间隔之间设置有3个隔片，所述隔片设置于过模波导的上表面，每两个隔片之间设置有2个辐射缝隙；本发明采用“加脊过模波导缝隙”的新型结构，简单、紧凑，巧妙实现了天线单元的超宽带工作，天线驻波和方向图的工作带宽均超过40﹪，且保证了单元之间组合成大型阵列时，天线单元之间的隔离度，使大型阵列的天线几乎不用采取互耦补偿措施，同时所述隔片亦可作为窄边缝隙阵列天线的波导，从而实现双极化或者双频工作。

Description

一种超宽带波导缝隙阵单元

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种超宽带波导缝隙阵单元。

背景技术

波导缝隙阵列天线无口径遮挡效应和能量照射漏失，可精确控制天线口径电流分布，从而容易实现超低副瓣。同时它具有体积小、重量轻、口径效率高、功率容量大等特点，因此在机载火控雷达、制导、通信、遥测、遥感、天文及电视广播等方面有着非常广阔的应用前景。目前，波导缝隙阵的工作带宽成为该天线应用的瓶颈，因此，研制一种超宽带波导缝隙阵单元天线具有重要的现实意义。

目前波导缝隙阵的工作带宽一般小于5.5﹪，大型阵列要达到5.5﹪的工作带宽须采用多层馈电网络进行馈电，这就必然增加整体阵列的加工和焊接难度。现有的宽带过模波导缝隙阵列天线，其驻波小于2的工作带宽约20﹪，但由于侧面无隔片，其组阵后天线单元间的互耦严重，将影响整体阵列的性能，且天线仍无法满足驻波和方向图工作带宽均超过40﹪的要求，无法实现双频段或者单频双极化工作。

发明内容

为了解决一般波导缝隙阵列天线工作带宽窄、组阵后互耦补偿困难且不易调节等问题，本发明提供一种超宽带波导缝隙阵列天线单元，驻波和方向图工作带宽的均超过40﹪，且由该单元组阵的大型天线阵列无须进行互耦补偿就可实现良好的驻波性能和方向图技术指标，同时该单元所加的金属脊片，可用于另一频段的波导窄边缝隙阵设计，从而实现大型双频段波导缝隙阵设计。

本发明的目的具体通过以下技术方案实现：

一种超宽带波导缝隙阵单元，包括馈电波导、过模波导，馈电波导与过模波导的下端面中心相连，其特征在于：所述过模波导的上表面切割设置有2行×2列的辐射缝隙，所述过模波导的上表面按照2行×2列的辐射缝隙的间隔之间安装设置有3个隔片，每两个隔片之间设置有2个辐射缝隙；并且过模波导的每个边缘内侧均有2个辐射缝隙。通过隔片将辐射缝隙分割开，既展宽了天线的工作频带，又增加了辐射缝隙间的隔离。

所述隔片的长度方向与过模波导的长边方向一致。

同时，所述过模波导中间设置有用以形成传输高次膜的空腔，该空腔为长方体状，亦可为棱线倒圆角的长方体状。沿过模波导空腔腔体的长边方向，辐射缝隙的外边缘和位于最外侧的隔片的内边缘一般均与过模波导空腔腔体的长边内壁齐平；沿过模波导空腔腔体的短边方向，辐射缝隙的外边缘与过模波导空腔腔体的短边内壁齐平。

所述辐射缝隙的两端可为倒有圆角的弧形边，可以为直边。

所述过模波导空腔腔体内设置有金属脊片，所述金属脊片的长度与过模波导空腔腔体的长度相同。

进一步地，馈电波导可以为标准波导，只能传输TE10模式，过模波导为可传输高次模式的非标准波导。

进一步地，馈电波导亦可为非标准波导，根据整体天线的工作带宽要求，结合过模波导的尺寸进行优化设计，组成大型阵列时，馈电波导与一分多路宽带功分器的输出相连。

进一步地，所述过模波导的宽边尺寸一般超过一个工作波长（中心频率），以实现过模工作，波导高度根据工作带宽要求结合金属脊片进行优化设计。

进一步地，位于最外侧的两个隔片用以隔离2行×2列的辐射缝隙之间的较强的互耦，同时展宽了单元的E面波束宽度；亦可用作窄边波导缝隙阵的波导使用。

进一步地，所述过模波导为过模传输波导，与金属脊片配合，可以展宽工作频带，同时亦可与位于过模波导上表面中间的隔片组合成一个波导，在中间的隔片的上端（即波导的窄边）切割倾斜或者非倾斜缝隙构成波导窄边缝隙阵列，即可实现双极化或者双频段天线工作。

本发明的工作原理为：通过单模馈电波导在过模波导的下端面中心馈电，激励起多种可传输的波导模式，设置于过模波导腔体内的金属脊片用于展宽工作带宽，2行×2列的辐射缝隙切割过模波导的上表面电流，产生往自由空间的辐射；通过在过模波导上表面设置的间隔于辐射缝隙之间的3个隔片对两列辐射缝隙的互耦起隔离作用，同时，位于过模波导上表面中间的隔片与金属脊片的结合使用极大了展宽了天线的工作频带，并把天线的E面波束宽度展宽，同时亦可作为波导窄边缝隙阵列，实现双极化或者双频工作。

本发明的有益效果如下：

本发明采用“加脊过模波导缝隙”的新型结构，简单、紧凑，巧妙实现了天线单元的超宽带工作，天线驻波和方向图的工作带宽均超过40﹪，且保证了单元之间组合成大型阵列时，天线单元之间的隔离度，使大型阵列的天线几乎不用采取互耦补偿措施，且可实现双极化或者双频工作；过模波导通过加入金属脊片，进一步展宽频带，加入隔片可展宽工作频带，并在组成阵列时隔离相邻辐射缝隙单元，减小互耦；同时金属脊片和隔片相结合或者组阵时与相邻的隔片相结合可用作一个单独的辐射器，从而实现双频段或者双极化工作。

附图说明

图1 是本发明的具体实施方式的俯视结构示意图；

图2是图1的主视结构示意图

图3是图1的侧视结构示意图

图4是本发明的一具体实施例的驻波仿真结果示意图

图5是本发明的一具体实施例的单元E面仿真方向图

图6是本发明的一具体实施例的单元H面仿真方向图

以上附图中，附图标记为：1馈电波导，2过模波导，3金属脊片，4-7辐射缝隙，8-10隔片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不限定本发明。

如图1所示，一种超宽带波导缝隙阵单元，包括馈电波导1、过模波导2，一种超宽带波导缝隙阵单元，包括馈电波导1、过模波导2，馈电波导1与过模波导2的下端面中心相连，所述过模波导2的上表面切割设置有2行×2列的辐射缝隙4、5、6、7，所述过模波导2的上表面按照2行×2列的辐射缝隙4、5、6、7的间隔之间安装设置有3个隔片8、9、10，每两个隔片之间设置有2个辐射缝隙，即隔片8、9之间设置有辐射缝隙4、5，隔片9、10之间设置有辐射缝隙6、7；并且过模波导2的每个边缘内侧均有2个辐射缝隙。通过隔片8、9、10将辐射缝隙4、5、6、7分割开，既展宽了天线的工作频带，又增加了辐射缝隙间的隔离。

所述隔片8、9、10的长度方向与过模波导2的长边方向一致；

同时，所述过模波导2中间设置有用以形成传输高次膜的空腔，该空腔为长方体状，亦可为棱线倒圆角的长方体状。沿过模波导2空腔腔体的长边方向，辐射缝隙4、5、6、7的外边缘和位于最外侧的隔片8、10的内边缘一般均与过模波导2空腔腔体的长边内壁齐平；沿过模波导2空腔腔体的短边方向，辐射缝隙4、5、6、7的外边缘与过模波导2空腔腔体的短边内壁齐平。

所述辐射缝隙4、5、6、7的两端可为倒有圆角的弧形边，可以为直边。

所述过模波导2空腔腔体内设置有金属脊片3，所述金属脊片3的长度与过模波导2空腔腔体的长度相同。

进一步地，馈电波导1可以为标准波导，只能传输TE10模式，过模波导2为可传输高次模式的非标准波导。

进一步地，馈电波导1亦可为非标准波导，根据整体天线的工作带宽要求，结合过模波导2的尺寸进行优化设计，组成大型阵列时，馈电波导1与一分多路宽带功分器的输出相连。

进一步地，所述过模波导2的宽边尺寸一般超过一个工作波长（中心频率），以实现过模工作，波导高度根据工作带宽要求结合金属脊片3进行优化设计。

进一步地，位于最外侧的两个隔片用以隔离2行×2列的辐射缝隙之间的较强的互耦，同时展宽了单元的E面波束宽度；亦可用作窄边波导缝隙阵的波导使用。

进一步地，所述过模波导2为过模传输波导，与金属脊片3配合，可以展宽工作频带，同时亦可与位于过模波导上表面中间的隔片9组合成一个波导，在中间的隔片9的上端（即波导的窄边）切割倾斜或者非倾斜缝隙构成波导窄边缝隙阵列，即可实现双极化或者双频段天线工作。

本发明的工作原理为：通过单模馈电波导1在过模波导2的下端面中心馈电，激励起多种可传输的波导模式，设置于过模波导2腔体内的金属脊片3用于展宽工作带宽，2行×2列的辐射缝隙切割过模波导2的上表面电流，产生往自由空间的辐射；通过在过模波导上表面设置的间隔于辐射缝隙之间的3个隔片对两列辐射缝隙的互耦起隔离作用，同时，位于过模波导上表面中间的隔片9与金属脊片3的结合使用极大了展宽了天线的工作频带，并把天线的E面波束宽度展宽，同时亦可作为波导窄边缝隙阵列，实现双极化或者双频工作。

上述结构具体设计时，过模波导2的上表面设置有2行×2列的辐射缝隙4、5、6、7和三个隔片8、9、10。那么过模波导2的宽边尺寸约为1.12λ，窄边尺寸约为0.293λ，波导长度约为0.448λ；金属脊片3的尺寸为1.12λ×0.22λ×0.17λ；辐射缝隙4、5、6、7的尺寸均为0.544λ×0.11λ×0.144λ，辐射缝隙的端头倒圆角；隔片9的尺寸为1.12λ×0.22λ×0.097λ，隔片8和10可根据阵列单元间的间距进行调节，以满足阵元间距小于半波长的要求。

以X频段的超宽带波导缝隙单元天线为实例进行说明，过模波导2的宽边尺寸约为33.5mm，窄边尺寸约为13.4mm，波导长度约为8.8mm；金属脊片3的尺寸为33.5mm×6.6mm×5.1mm；辐射缝隙4、5、6、7的尺寸均为16.34mm×3.4mm×4.3mm，缝隙的端头倒半径为1.7mm的圆角；隔片9的尺寸为33.5mm×6.6mm×2.9mm，隔片8和10可根据阵列单元间的间距进行调节，以满足阵元间距小于半波长的要求。

对其辐射特性进行了验证，具体如下：

a)    仿真天线驻波小于2的带宽有41%，如图4所示；

b)    单元E面仿真方向图，如图5所示；

c)    单元H面仿真方向图，如图6所示。

最后说明的是：上述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超宽带波导缝隙阵单元，包括馈电波导（1）、过模波导（2），馈电波导（1）与过模波导（2）的下端面中心相连，其特征在于：所述过模波导（2）的上表面切割设置有2行×2列的辐射缝隙（4、5、6、7），所述过模波导（2）的上表面按照2行×2列的辐射缝隙（4、5、6、7）的间隔之间安装设置有3个隔片（8、9、10），每两个隔片之间设置有2个辐射缝隙；并且过模波导（2）的每个边缘内侧均有2个辐射缝隙。

2.根据权利要求1所述的超宽带波导缝隙阵单元，其特征在于：所述隔片（8、9、10）的长度方向与过模波导（2）的长边方向一致。

3.根据权利要求2所述的超宽带波导缝隙阵单元，其特征在于：所述过模波导（2）中间设置有用以形成传输高次膜的空腔，该空腔为长方体状，或者为棱线倒圆角的长方体状；沿过模波导（2）空腔腔体的长边方向，辐射缝隙（4、5、6、7）的长边的外边缘和位于最外侧的隔片（8、10）的内边缘均与过模波导（2）空腔腔体的长边内壁齐平；沿过模波导（2）空腔腔体的短边方向，辐射缝隙（4、5、6、7）的短边的外边缘与过模波导（2）空腔腔体的短边内壁齐平。

4.根据权利要求1或3所述的超宽带波导缝隙阵单元，其特征在于：所述辐射缝隙（4、5、6、7）的两端为倒有圆角的弧形边，或者为直边。

5.根据权利要求4所述的超宽带波导缝隙阵单元，其特征在于：所述过模波导（2）空腔腔体内设置有金属脊片（3），所述金属脊片（3）的长度与过模波导（2）空腔腔体的长度相同。

6.根据权利要求4所述的超宽带波导缝隙阵单元，其特征在于：所述馈电波导（1）为标准波导时，传输TE10模式；过模波导（2）为可传输高次模式的非标准波导；

所述馈电波导（1）为非标准波导时，馈电波导（1）与大型阵列中的一分多路宽带功分器的输出相连。

7.根据权利要求4所述的超宽带波导缝隙阵单元，其特征在于：所述过模波导（2）的宽边尺寸超过一个工作波长。

8.根据权利要求4所述的超宽带波导缝隙阵单元，其特征在于：位于最外侧的两个隔片（8、10）用作窄边波导缝隙阵的波导。

9.根据权利要求4所述的超宽带波导缝隙阵单元，其特征在于：所述过模波导（2）为过模传输波导时，与金属脊片（3）、位于过模波导（2）上表面中间的隔片（9）组合成一个波导，在中间的隔片（9）的上端切割倾斜或者非倾斜缝隙构成波导窄边缝隙阵列。

10.根据权利要求4所述的超宽带波导缝隙阵单元，其特征在于：首先通过单模馈电波导在过模波导（2）的下端面中心馈电，激励起多种可传输的波导模式；然后通过设置于过模波导（2）空腔腔体内的金属脊片（3）展宽工作带宽，通过在过模波导（2）上表面切割设置的2行×2列的辐射缝隙（4、5、6、7）切割过模波导（2）上表面的电流，产生往自由空间的辐射，同时，通过在过模波导（2）上表面设置的间隔于辐射缝隙（4、5、6、7）之间的3个隔片（8、9、10）对两列辐射缝隙的互耦起隔离作用；位于过模波导（2）上表面中间的隔片（9）与金属脊片（3）的结合还展宽了天线的工作频带，并把天线的E面波束宽度展宽，同时亦可作为波导窄边缝隙阵列，实现双极化或者双频工作。

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