CN102570002A - 毫米波单侧辐射全金属宽波束天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种毫米波单侧辐射全金属宽波束天线，包括具有阻抗调节作用的矩形馈电波导，十字形耦合缝隙，天线辐射组件。矩形馈电波导包括空心传导腔和实心阻抗调整部分。矩形馈电波导与矩形辐射腔通过十字形耦合缝隙实现能量交换。耦合缝隙呈十字形，由两条完全相同的长条矩形组成，十字形缝隙的中心点位于波导长边的中垂线上，两矩形缝隙开缝可采用两种结构。天线辐射单元外表为立方体，由辐射腔和上表面的开槽组成。辐射腔的几何中心与耦合缝隙几何中心的连线垂直与矩形馈电波导的开孔面。本发明天线结构紧凑，口径效率高，旁瓣和后瓣较低，结构较为简单，加工精度要求低，实现简单，造价便宜。

Description

毫米波单侧辐射全金属宽波束天线

技术领域

本发明属于微波通信领域，涉及一种天线，尤其涉及一种毫米波单侧辐射全金属宽波束天线。 

背景技术

缝隙天线的研究最早开始于20世纪40年代。1946年，H.G.Booker提出了缝隙天线的概念，但在当时并没有引起广泛的注意。随着研究的发展，波导缝隙天线由于其本身具有的效率高，结构紧凑，口径分布可以独立控制，加工和安装简单等优点，得到了广泛的重视和应用。目前，波导馈电的缝隙天线在地面、舰载、机载、导航、气象、航管、信标和弹载雷达等领域得到了广泛的应用。近年来，由于电子对抗技术的升级，例如电磁干扰的信号更强，频率更加具有针对性等等原因，拥有低副瓣性能的波导缝隙天线在该领域得到了深入的研究和应用。另外，波导缝隙天线的尺寸与波导的尺寸相同，容易实现共形，适宜于装在飞机、导弹等飞行器上使用。波导裂缝天线由于其体积小、重量轻、口径效率高、功率容量大和容易实现低副瓣及超低副瓣等优点，在机载火控雷达、导弹导引头等方面也有着极为广泛的应用。目前已经投入使用的波导缝隙天线主要在军事方面，其中包括俄罗斯的“珍珠”机载火控雷达、英国马可尼公司和韩国联合研制的X波段卫星SAR、加拿大星载RadarSAT等等。机载雷达中的抛物面天线现已普遍被波导宽边开缝的平板缝隙天线替代。我国也已将平板缝隙天线技术成功应用到机载火控雷达、无人机载SAR等领域，也成功地将波导窄边开缝的行波天线阵技术应用到具有超低副瓣的机载预警雷达等领域。 

下面简单介绍几种波导缝隙天线，并以此提出本发明的内容。泰国的P.Rakluea和N.Anatrasirichai提出一种双L型波导缝隙天线，中心频率为2.4GHz时带宽有322MHz(VSWR，2∶1)，5.2GHz时有250MHz(VSWR，2∶1)，可以满足WLAN(the Wireless Local Area Network)对覆盖频率的要求。加拿大马尼托巴大学的Saeed I.Latif和L.Shafai在2004年设计出了一种L型和倒T形的微带缝隙天线，其尺寸较小(50mm×80mm)，中心频率为4GHz左右，带 宽超过80％，可以在无线电通信设备中使用。美国的Shinho Kim等人提出一种缝隙天线阵口，可以发送及接收数字调制波，具有体积小、低耦合的优点，在数字波束方面具有向二维天线阵发展的潜力，也可以在MIMO(Multi-inputMulti-output)系统中使用。日本科学家K.Sudo和T.Hirano等利用矩形馈电波导上的一对相互交叉的直缝来激励旋转模式，这种馈源结构的波导缝隙天线被设计用于太阳能卫星(SPS)和地面之间的大功率微波传输，工作在5.8GHz，并且这种天线反射小于15dB的带宽为7％，优于其它形式的馈源结构。韩国学者Y.Kim等提出适配器形式的矩形馈电波导馈源结构，这种馈源结构激励出的主模不是旋转模式，而是TEM模。在60GHz频段，天线的直径100mm，增益30dBi。 

目前，在毫米波段利用波导缝隙结构实现宽波束天线的报导相对较少，性能也不够理想，这局限了其在航空航天、导弹导引方面的应用前景。 

发明内容

本发明针对现有技术的不足，设计了一种可在高温下应用的毫米波单侧辐射全金属宽波束天线。 

一种毫米波单侧辐射全金属宽波束天线，包括具有阻抗调节作用的矩形馈电波导，十字形耦合缝隙，天线辐射单元。矩形馈电波导包括空心传导腔和实心阻抗调整部分。矩形馈电波导与矩形辐射腔通过十字形耦合缝隙实现能量交换。耦合缝隙呈十字形，由两条完全相同的长条矩形组成，十字形缝隙的中心点位于波导长边的中垂线上，两矩形缝隙开缝可采用两种结构，一种为两矩形的长边分别与矩形馈电波导长边中垂线成45度和135度夹角，另外一种为两矩形的长边分别与矩形馈电波导长边中垂线成0度和90度夹角。天线辐射单元外表为立方体，由辐射腔和上表面的开槽组成。辐射腔的几何中心与耦合缝隙几何中心的连线垂直与矩形馈电波导的开孔面。辐射腔采用螺丝固定，螺孔开孔于辐射腔上表面的四个顶点处，打通辐射腔壁和矩形馈电波导壁。螺丝使用平头螺丝。 

辐射腔上表面的开槽可采用四种结构，一种为四个L形转角槽结构，其中四个转角槽开孔的直角开口朝向上表面中心；每个槽的L形的两边均与辐射腔边缘平行且每个L形槽的直角顶点均在辐射腔上表面对角线上，四个L形槽开口均朝向辐射腔上表面中心；每条对角线上的两个L形槽完全相同，即四个L形槽关于辐射腔上表面中心成中心对称，使四个L形槽形成一个正方形轮廓。 也可通过调整辐射腔上表面开槽的长度比例实现线极化和圆极化，可根据所需要的天线的极化方式及增益大小进行适当调整。进一步地，本发明的这种开槽模式可采用一种替代方式，即四个L形槽以辐射腔上表面中心顺时针旋转45度或135度。本天线还可以采用另外一种开槽方式，替代方案为在辐射腔的上表面开四个直边槽，四个槽分别与辐射腔的四条边界平行且每一对不相邻的直边槽到辐射腔上表面的中心点的距离相同；四条直边槽均关于所平行的辐射腔边缘的中垂线成轴对称，使四个直边槽形成一个正方形轮廓。本天线也可实现线极化和圆极化，实现原理与转角槽结构相同，当实现线极化时垂直于矩形馈电波导端口面长边的两条直边槽可以省去。其同样具有相似的替代开槽模式，即四个直边槽也以辐射腔上表面中心为中心顺时针旋转45度或135度。 

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：1、天线结构紧凑，口径效率高，旁瓣和后瓣较低。2、可采用全金属结构，没有使用介质材料，适于在高温条件下使用。3、可实现线极化和圆极化，适用范围广。4、增益可调整，可满足不同增益要求。5、实现宽波束发射接收。6、采用波导馈电，具有更低的辐射损耗和更小的散射。7、主体部分结构较为简单，加工精度要求低，实现简单，造价便宜。 

附图说明

图1为本发明毫米波单侧辐射金属波导缝隙天线的立体结构示意图； 

图2为图1的全剖视图； 

图3为图1的对矩形馈电波导的俯视结构示意图； 

图4为图1的对辐射腔的俯视结构示意图； 

图5为图1的对辐射腔的上表面结构的放大示意图； 

图6为图5的对4个L形槽顺时针旋转45度或135度的替代方案示意图； 

图7为图1的对辐射腔上表面采用直边槽结构的替代方案图； 

图8为图7的对4个直边槽顺时针旋转45度或135度的替代方案示意图。 

具体实施方式

如图1、图2所示，一种毫米波单侧辐射全金属宽波束天线包括一个矩形馈电波导1，一组耦合缝隙2，一组天线辐射单元3。矩形馈电波导包括空心传导腔8和实心阻抗调整部分4，天线辐射单元3包括辐射腔7和上表面的开槽6组成. 

能量以毫米波形式从矩形馈电波导空腔端口5射入矩形馈电波导1。矩形馈电波导1采用标准波导，即波导的长边与宽边的长度比为2∶1，设工作波长为λ，矩形馈电波导1长边为A，为使矩形馈电波导1保证单模工作(传输TE₁₀模)，要求A＜λ＜2A。实心阻抗调整部分4作为阻抗调节部分调节矩形馈电波导内部达到谐振状态，消除回波反射。实心阻抗调整部分4位于矩形馈电波导空腔端口5对侧，与矩形馈电波导1一体，可以通过矩形馈电波导1加工时部分掏空实现。 

如图3所示，十字型耦合缝隙2由两条完全相同的相互垂直的矩形长条缝隙组成。两条矩形缝隙的中心重合并位于矩形馈电波导两边的中线的交点上，两矩形缝隙开缝可采用两种结构，一种为两矩形的长边分别与矩形馈电波导长边中垂线成45度和135度夹角，另外一种为两矩形的长边分别与矩形馈电波导长边中垂线成0度和90度夹角。矩形馈电波导1中的能量通过耦合缝隙2耦合到天线辐射腔中。由于每条缝隙与长边中垂线均成45度角，每条缝隙各将矩形馈电波导中一半的能量耦合到辐射腔中，所以这样使得耦合实现了很低的损耗。在辐射腔中被激励的电场分布沿缝隙宽边方向，上下两个半平面的旋转方向相反，变化周期与馈电毫米波周期相同，辐射腔内的能量再通过上表面的四个槽向外发射。 

如图4所示，辐射腔上表面四个槽分为两组，槽a和c为一组，槽b和d为一组，分别命名为组1和组2。每个组中的两个L型槽完全相同。 

如图5所示，四个槽均呈L型，L型槽的每一条边要求分别与k₁k₂和k₃k₄平行，每个槽的L型的两边均与辐射腔边缘平行且每个L形槽的直角顶点均在辐射腔上表面对角线上，四个L形槽开口均朝向辐射腔上表面中心；每条对角线上的两个L形槽完全相同，上表面中心到四个L形槽的顶点的距离相同，这样，辐射腔的上表面关于其中心成中心对称。本发明转角槽的对称分布使本发明的远区场方向图与平面槽天线相比更加均匀。当四个槽的两条L型边完全相等时，两条缝隙在k₁k₂方向上产生的电场大小相等，方向相反，相互抵消；在k₃k₄方向上产生的电场方向相同，效果加强，实现k₃k₄方向上的线极化，此时工作频率与馈电毫米波频率相同。关于实现圆极化，本实施方式采用分别调整组1和组2的L型槽的长度的方法。这种调整要求四个L型转角槽所构成的轮廓为正方形，即要求不相邻的两条直边槽应完全相同。调整长度后组1和组2的工作频率分别为f₁和f₂，这样两对边在工作状态的极化方式相互垂直，这样使整个 天线在工作频率f₀(f₀落在f₁和f₂之间)处在远区场的场量在一定的立体角范围内相位相差90度，从而实现圆极化。 

本发明可实现增益可调功能，适用于不同增益要求的场合使用。增益的调整依靠调整四个转角槽间距实现。调整间距的前提是保证4个槽的对称结构，即4个槽关于上表面中心的中心对称。调整方法为4个槽的直角顶点与上表面中心的距离进行同步的放缩。 

天线辐射单元与馈电矩形馈电波导的固定依靠辐射腔体四个角的四个平顶螺丝完成。螺孔开孔于辐射腔上表面的四个顶点处，打通辐射腔壁和矩形馈电波导壁。螺丝采用平顶是为了保证天线辐射的方向不受螺丝干扰。由于螺丝本身具有一定的直径，因此要求矩形馈电波导在宽边方向的厚度不能过薄。为实现固定的目的，螺丝的长度应大于辐射腔的高度与矩形馈电波导高度一半的和并小于整个天线的高度。螺丝的具体安装方法根据天线的具体尺寸以及加工要求决定，附图中暂不标注。 

如图6所示，辐射腔上表面结构可作为本发明的另一实施方案。其结构可由图5所示结构中四个L形槽以辐射腔上表面中心顺时针旋转45度或135度得到。其原理与图5所示结构相同，故可作为一种替代方案。 

图7为图5所示结构的又一替代方案。图7所示的直边槽结构实际为图5转角槽的原型结构，其实现原理与转角槽类似。其特征在于在辐射腔的上表面开有四个直边槽，四个槽的长边分别与辐射腔的四条边界平行且辐射腔上表面的中心点到四条直边槽的距离均相同；四条直边槽均关于所平行的辐射腔边缘的中垂线成轴对称，使四个直边槽形成一个正方形轮廓。矩形轮廓中与矩形馈电波导端口面长边平行的两边为工作波长的一半，另外两边根据极化要求长度为工作波长的1/4～3/4。当四条边的长度都为工作波长的一半时，天线工作在线极化状态。而当与矩形馈电波导端口面长边垂直的两边长度在要求范围内取其它值时，在工作状态时与矩形馈电波导端口面平行的两边产生水平极化波，另外两边在工作状态时产生垂直极化波，这样两对边在工作状态的极化方式相互垂直，这样使整个天线在工作频率f₀(f₀落在f₁和f₂之间)处在远区场的场量在一定的立体角范围内相位相差90度，从而实现圆极化。可以提到的一点是在利用图7所示方案实现线极化时，只需要原来与矩形馈电波导端口面长边平行的两槽即可实现，另外的两槽不再需要，可以节约加工成本。 

图8是由图7所示结构演化而来的一种替代方案，其辐射腔上表面开槽方式为图7中四个直边槽以辐射腔上表面中心顺时针旋转45度或135度，其工作原理与图7所示结构相同，故可作为一种替代方案。但需要注意的一点是当实现线极化工作时，这种开槽方式需要四条直边槽同时工作，不可以省去任何一条直边槽。 

Claims (1)

1.毫米波单侧辐射全金属宽波束天线，包括一个具有阻抗调节作用的矩形馈电波导，一个十字形耦合缝隙，一个天线辐射单元，其特征在于：矩形馈电波导包括空心传导腔和实心阻抗调整部分，矩形馈电波导与矩形辐射腔通过十字形耦合缝隙实现能量交换，耦合缝隙由两条完全相同的长条矩形组成，十字形缝隙的中心点位于波导长边的中垂线上，两矩形缝隙开缝可采用两种结构，一种为两矩形的长边分别与矩形馈电波导长边中垂线成45度和135度夹角，另外一种为两矩形的长边分别与矩形馈电波导长边中垂线成0度和90度夹角，天线辐射单元外表为立方体，由辐射腔和上表面的开槽组成，辐射腔的几何中心与耦合缝隙几何中心的连线垂直与矩形馈电波导的开孔面，辐射腔采用螺丝固定，螺孔开孔于辐射腔上表面的四个顶点处，打通辐射腔壁和矩形馈电波导壁，螺丝使用平头螺丝；

辐射腔上表面的开槽可采用四种结构，一种为四个L形转角槽结构，其中四个转角槽开孔的直角开口朝向上表面中心；每个槽的L形的两边均与辐射腔上表面边缘平行且每个L形槽的直角顶点均在辐射腔上表面对角线上，四个L形槽开口均朝向辐射腔上表面中心；每条对角线上的两个L形槽完全相同，即四个L形槽关于辐射腔上表面中心成中心对称，使四个L形槽形成一个正方形轮廓，也可通过调整辐射腔上表面开槽的长度比例实现线极化和圆极化，可根据所需要的天线的极化方式及增益大小进行调整，这种开槽模式可采用一种替代方式，即四个L形槽以辐射腔上表面中心顺时针旋转45度或135度；另外一种开槽方式，其替代方案为在辐射腔的上表面开四个直边槽，四个槽分别与辐射腔的四条边界平行且每一对不相邻的直边槽到辐射腔上表面的中心点的距离相同；四条直边槽均关于所平行的辐射腔边缘的中垂线成轴对称，使四个直边槽形成一个正方形轮廓，本天线也可实现线极化和圆极化，实现原理与转角槽结构相同，当实现线极化时垂直于矩形馈电波导端口面长边的两条直边槽可以省去，其同样具有相似的替代开槽模式，即四个直边槽也以辐射腔上表面中心为中心顺时针旋转45度或135度。

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