CN102496784B - 脊波导宽边横向直缝隙天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及脊波导宽边横向直缝隙天线。所述辐射波导管为对称单脊波导管，两条又上的辐射缝隙位于辐射波导管的宽边金属壁上，且为横向直辐射缝隙；射缝隙一侧的辐射波导管的两侧窄边金属壁端部分别设有矩形的侧壁金属膜片，且两侧的侧壁金属膜片相互对称；辐射缝隙另一侧的辐射波导管的单脊两侧分别设有矩形的单脊金属膜片，且两侧的单脊金属膜片均垂直于单脊；辐射波导管的一端为天线输入口、另一端为封闭的短路端，构成波导缝隙驻波阵。本发明天线结构尺寸小，波导管的横截面积压缩了一半以上；可以实现全空间的交叉极化抑制；该天线结构易于采用与同样横截面的波导功分器简单的上下叠加，实现宽带波导缝隙天线阵，加工工艺好。

Description

脊波导宽边横向直缝隙天线

技术领域

本发明涉及一种波导缝隙天线，具体是一种宽带脊波导宽边横向直辐射缝隙天线阵。本发明既可用于接收、也可用于发射无线电波。在军事方面，可用作雷达系统的终端天线。在民用方面，可作为通信的基站天线、卫星地面移动终端天线等。

背景技术

随着应用与需求的快速发展，为了充分利用宝贵的频谱，双极化天线在军用和民用领域的应用也越来越广泛，因此对每种极化天线的极化纯度要求提高。同时，在电子设备的某些具体应用中，还有诸如：体积、重量、损耗和扫描角的特殊要求。

波导缝隙天线阵作为发射和接收电磁信号的天线，由于其效率高、结构强度高等优点，被广泛应用于雷动和通讯领域。

波导缝隙谐振天线主要包括：矩形波导宽边纵向偏置长缝隙、倾斜缝隙天线，矩形波导窄边倾斜缝隙天线（巴拉尼兹，现代天线手册，A Jhon Wiley & Sons, Inc.，出版，2008）。在实际应用中，波导宽边纵向偏置缝隙天线通常作为垂直极化天线，而波导窄边倾斜缝隙天线作为水平极化天线使用。对于波导宽边纵向偏置长辐射缝隙天线，由于其辐射缝隙平行一致，可以得到很好的交叉极化抑制性能，采用波导功分器与波导天线一体化设计可以实现宽带特性。对于波导窄边倾斜缝隙天线阵，由于单根线阵上倾斜辐射缝隙电流不但有平行于缝隙方向的电流分量，还有垂直于缝隙方向的电流分量，因此对于单根波导窄边倾斜辐射缝隙天线阵很难实现低交叉极化。而波导窄边横向直辐射缝隙可以实现很好的低交叉极化性能（汪伟、钟顺时，等，极低交叉极化波导窄边非倾斜缝隙天线，微波与光快报，2005，44（1）:91-93），但是由于采用矩形波导，要实现宽带特性，采用矩形波导功分器与辐射天线一体化设计，这样天线厚度很大，相当于两个波导宽边的尺寸，在某些具体的应用当中厚度显得太大；若采用非对称的脊波导，则加工难度较大，增加天线的成本。互补型脊波导宽带窄边缝隙天线可以实现极高的极化纯度和低剖面（汪伟、金剑，等，宽带双极化波导缝隙天线阵，国际电气和电子工程师天线与传播协会国际会议，2006，7月：2237-2240），但是由于采用互补型脊波导，结构较复杂，加工难度大，成本较高。脊波导倾斜缝隙对天线可以实现极高的极化纯度、加工工艺好（汪伟，张洪涛，等，脊波导倾斜缝隙对天线，发明专利，专利申请号：200910184962.6），但是由于金属波导管中央是一条狭长的缝隙，因此加工倾斜缝隙时，加工精度差，并且这条狭长的缝隙上也有电流辐射，这对于组成双极化天线来说，影响垂直极化天线的辐射特性，增加垂直极化天线的设计难度。

总之，以上介绍的水平极化波导驻波天线阵要么体积大、交叉极化高；要么实现宽带特性时，体积大、结构复杂，加工难度大、成本高；要么组成双极化天线阵时，垂直极化天线设计难度大。

发明内容

本发明旨在提供一种具有良好的宽频带、低交叉极化特性、特别是天线高度压缩、结构简单，组成双极化天线阵时，降低垂直极化天线的设计难度的脊波导宽边横向直辐射缝隙水平极化天线。

具体的结构设计方案如下：

脊波导宽边横向直缝隙天线包括辐射波导管1，辐射波导管1上设有等间距的两条以上的辐射缝隙2，所述辐射波导管1为对称单脊波导管，辐射波导管1的横截面为“凹”形，中部内凹处为金属的单脊，所述辐射缝隙2位于辐射波导管1的宽边金属壁4上，且为横向直辐射缝隙；所述辐射缝隙2一侧的辐射波导管1的两侧窄边金属壁端部分别设有矩形的侧壁金属膜片3.1，且两侧的侧壁金属膜片3.1相互对称，侧壁金属膜片3.1垂直于辐射波导管1的窄边金属壁；所述辐射缝隙2另一侧的辐射波导管1的单脊两侧分别设有矩形的单脊金属膜片3.2，且两侧的单脊金属膜片3.2均垂直于单脊；相邻的两条辐射缝隙2上的侧壁金属膜片3.1和单脊金属膜片3.2呈中心对称状。

辐射波导管1一端为天线输入口、另一端为封闭的短路端，构成波导缝隙驻波阵。

所述辐射缝隙2宽度为1～3毫米，与单脊相对应处的辐射缝隙2的深度小于单脊的高度，与辐射波导管1两侧窄边金属壁对应处的辐射缝隙2的深度小于辐射波导管1的高度。

所述侧壁金属膜片3.1和单脊金属膜片3.2均为矩形金属膜片，且大小相同，其高度小于所述辐射波导管1的单脊的高度，宽度小于0.25所述宽边金属壁4的宽度。

所述的相邻辐射缝隙之间的间距相等，为0.5λ_g0，λ_g0为中心频率波导波长。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1、本发明采用金属脊波导管作为辐射波导管，有效减小了天线的尺寸，波导管的横截面积压缩了一半以上；

2、在“凹”形单脊波导管上面金属壁上开膜片激励的横向直缝隙作为辐射缝隙单元，与波导窄边开金属膜片激励的直缝隙天线相比，大大降低了天线的高度；

3、在“凹”形单脊波导管上面金属壁上开膜片激励的横向直缝隙作为辐射缝隙单元，与在“凹”形单脊波导管两侧上突的金属壁上开对称倾斜缝隙天线相比，辐射缝隙上的电流纯度高，这样带来的极化纯度更高，可以实现全空间极高的交叉极化抑制；

4、该天线波导结构易于采用与同样截面的波导功分器简单的上下叠加，实现宽带波导缝隙天线阵，加工难度低。

附图说明

图1为本发明天线外观立体图。

图2为本发天线波导管横截面图。

图3为本发明具有局部剖视的示意图。

图4为图3的局部放大图。

图5为本发明四个缝隙单元天线的俯视图。

图6为图5的A-A剖视图。

图7为图5的仰视图。

图8为图5的B-B剖视图。

图9为本发明七个缝隙单元天线的俯视图。

图10为图9的C-C剖视图。

图11为图9仰视图。

图12为图9的D-D剖视图。

图13为本发明用于8×8双极化天线阵示意图。

图14为本发明四个缝隙单元天线方向图及交叉极化性能图。

图15为本发明七个缝隙单元天线方向图及交叉极化性能图。

图16为本发明用于8×8双极化天线垂直极化天线方向图及交叉极化性能图。

图17为本发明用于8×8双极化天线水平极化天线方向图及交叉极化性能图。

图1-13上序号：辐射波导管1、辐射缝隙2、侧壁金属膜片3.1、单脊金属膜片3.2、宽边金属壁4、天线输入端5、短路端6、金属单脊7、垂直极化天线8。

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描述。

实施例1：

参见图1，脊波导宽边横向直缝隙天线包括辐射波导管1，辐射波导管1为对称单脊波导管，辐射波导管1的横截面为“凹”形，中部内凹处为金属单脊7，见图2；辐射缝隙2位于辐射波导管1的宽边金属壁4上，且为横向直辐射缝隙；参见图3和图4，辐射缝隙2一侧的辐射波导管1的两侧窄边金属壁端部分别设有矩形的侧壁金属膜片3.1，且两侧的侧壁金属膜片3.1相互对称，侧壁金属膜片3.1垂直于辐射波导管1的窄边金属壁；所述辐射缝隙另一侧的辐射波导管1的单脊两侧分别设有矩形的单脊金属膜片3.2，且两侧的单脊金属膜片3.2均垂直于单脊。相邻的两条辐射缝隙2上的侧壁金属膜片3.1和单脊金属膜片3.2呈中心对称状，见图4，即左边的辐射缝隙上位于右侧的侧壁金属膜片3.1与右边的辐射缝隙上位于左侧的侧壁金属膜片3.1呈中心对称状，左边的辐射缝隙上位于左侧的单脊金属膜片3.2与右边的辐射缝隙上位于右侧的单脊金属膜片3.2呈中心对称状。

辐射波导管1一端为天线输入端、另一端为封闭的短路端，构成波导缝隙驻波阵。

参见图5、图6、图7和图8，工作于Ｘ波段的均匀分布的4个辐射单元波导缝隙驻波阵，辐射波导管1的端头5为天线输入端，其另一端6为短路端。工作中心频率为f₀，下边频为f_L，上边频为f_H，本实施例分别选择9.6、9.0、10.2GHz。

波导管截面为“凹”形的对称单脊辐射波导管1，其宽度为a，高度为b，金属单脊7宽度为Rw，高度为Rh，如图2所示。

辐射波导管1的封闭终端距离相邻的辐射缝隙2的间距Lsh为0.25λ_g0。

横向直的缝隙辐射单元是开在对称单脊辐射波导管1上宽边金属壁4上，由矩形金属膜片激励。

本实施例天线沿波导纵向分布4个横向直的辐射缝隙2，相邻辐射缝隙2之间的中心距离Ls为0.5λ_g0，矩形金属膜片关于辐射波导管1纵向中心对称面镜像对称排列，如图3所示。

横向直的辐射缝隙2切入金属单脊7内的深度为LRh，切入两侧窄边金属壁的深度为L₂，上宽边波导壁上的宽度为L₁，缝宽为Ws，如图5-8所示。

具体参数确定如下：由天线阵实际需要，确定脊波导宽度a，其选择范围为：a大于0小于等于0.9λ_H(λ_H是上变频自由空间波长)，本实施例为0.442λ_H；天线高度b选择范围为：b大于0小于等于0.5λ_H，金属脊宽度Rw选择范围为： Rw大于0小于a，金属脊高度Rh选择范围为： Rh大于0小于等于b。天线高度b、金属脊宽度Rw和金属脊高度Rh三者相关联，选择以工作频带在波导管内传输而不被截止为准则，同时考虑机械加工能力和加工精度条件限制等因素，该参数计算方法为本专业设计人员所熟知，此处不再赘述，本实施例优选为：b=0.218λ₀，Rw=0.138λ₀，Rh=0.115λ₀（λ₀是中心频率自由空间波长）。

即侧壁金属膜片3.1和单脊金属膜片3.2均为矩形金属膜片，且大小相同，其宽度Te和高度Th以七个横向直辐射缝隙的电导之和为1作为设计准则，该参数的计算方法为本专业设计人员所熟知，本实施例为Te=0.046λ₀（权利要求中宽度小于0.25所述宽边金属壁4的宽度），Th=0.158λ₀，横向直缝尺寸：L₁=a，LRh大于0小于Rh，优选为0.102λ₀； L₂大于0小于b，优选为0.206λ₀，横向直的辐射缝隙2的总长度为L₁+2*L₂为0.46λ₀。缝宽为0.1*（L₁+2*L₂），本实施例优选为2mm。

相邻辐射缝隙2的中心距离Ls大于0小于0.9λ_H，以天线不出现栅瓣为选择准则，等于0.5λ_g0（λ_g0是中心频率波导波长），本实施例优选为0.81λ₀，波导管封闭终端与其相邻横向直缝隙辐射单元中心间距Lsh=0.25λ_g0。

金属波导壁厚度t以加工能力确定，优选为0.8mm。

该实施例四单元天线E面和H面典型辐射方向图和交叉极化性能，参见图14所示，可以看出在两个切面交叉极化电平低于主极化电平40dB以上，实现了很好的交叉极化抑制。

实施例2

参见图9、10、11和图12，工作于Ｘ波段七单元缝隙驻波天线，七个缝隙几何尺寸完全相同，辐射波导管1的端头5为信号输入口，其另一端头6为短路端，频率选择同实施例1。本实施例天线尺寸选择方法、范围、原则与实施例1相同。其中，矩形金属膜片几何尺寸优选为：Te=0.046λ₀，Th=0.152λ₀；横向直缝隙切入金属脊的深度优选为：LRh=0.121λ₀，其它尺寸同实施例1。

该实施例七单元天线E面和H面典型辐射方向图和交叉极化性能，参见图15所示，可以看出在两个切面交叉极化电平低于主极化电平48dB以上，实现了很好的交叉极化抑制。

实施例3

参见图13，工作于Ｘ波段8×8双极化天线子阵，本实施例中，水平极化天线为脊波导宽边横向直缝隙天线，该天线的尺寸选择方法、范围、原则与实施例1相同；垂直极化天线8为波导宽边纵向直缝隙天线，该垂直极化天线的尺寸选择方法、范围、原则为业内人员所熟知，这里不再赘述。此子阵与T/R组件相连，辅以电源、波控和安转结构件等可以扩展成大型子阵级有源相控阵天线。

该实施例8×8双极化天线子阵E面和H面典型辐射方向图和交叉极化性能，参见图16和图17所示，可以看出垂直极化天线和水平极化天线在两个切面交叉极化电平低于主极化电平45dB以上，实现了很好的交叉极化抑制。

Claims (4)

1.脊波导宽边横向直缝隙天线，包括辐射波导管（1），辐射波导管（1）上设有等间距的两条以上的辐射缝隙（2），其特征在于：所述辐射波导管（1）为对称单脊波导管，辐射波导管（1）的横截面为“凹”形，中部内凹处为金属单脊，所述辐射缝隙（2）位于辐射波导管（1）的宽边金属壁（4）上，且为横向直辐射缝隙；所述辐射缝隙（2）一侧的辐射波导管（1）的两侧窄边金属壁端分别设有矩形的侧壁金属膜片（3.1），且两侧的侧壁金属膜片（3.1）相互对称，侧壁金属膜片（3.1）垂直于辐射波导管（1）的窄边金属壁端；所述辐射缝隙（2）另一侧的辐射波导管（1）的单脊两侧分别设有矩形的单脊金属膜片（3.2），且两侧的单脊金属膜片（3.2）均垂直于单脊；相邻的两条辐射缝隙（2）上的侧壁金属膜片（3.1）和单脊金属膜片（3.2）呈中心对称状；辐射波导管（1）一端为天线输入口、另一端为封闭的短路端，构成波导缝隙驻波阵。

2.根据权利要求1所述的脊波导宽边横向直缝隙天线，其特征在于：所述辐射缝隙（2）宽度为1～3毫米，与单脊相对应处的辐射缝隙（2）的深度小于单脊的高度，与辐射波导管（1）两侧窄边金属壁对应处的辐射缝隙（2）的深度小于辐射波导管（1）的高度。

3.根据权利要求1所述的脊波导宽边横向直缝隙天线，其特征在于：所述侧壁金属膜片（3.1）和单脊金属膜片（3.2）均为矩形金属膜片，且大小相同，其高度小于所述辐射波导管（1）的单脊的高度，宽度小于0.25所述宽边金属壁（4）的宽度。

4.根据权利要求1所述的脊波导宽边横向直缝隙天线，其特征在于：所述的相邻辐射缝隙之间的间距相等，为0.5λ_g0，λ_g0为中心频率波导波长。

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