CN102810745A - 大型毫米波单脉冲平板缝隙阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种大型毫米波单脉冲平板缝隙阵列天线，包括：辐射纵缝及波导组成的四个象限天线阵面、宽边中心斜缝组成的耦合波导和馈电网络；每个象限又分为4×4个子象限，所述馈电网络采用相互连接在馈电波导之间的H-T不等功分器级联，级联组成一分十六功分器网络，功分器网络与16个子象限连接馈电，构成一个象限的天线阵面；两个相邻阵列的子象限各有两根成一条直线的耦合波导，一个子象限相连一根耦合波导馈电，每根耦合波导宽壁中心斜缝以非标准波导作为馈电波导，馈电波导通过缝耦合给耦合波导馈电，耦合波导两端短路，短路端与平面阵底部共壁，且宽壁上开有中心斜缝。

Description

大型毫米波单脉冲平板缝隙阵列天线

技术领域

本发明涉及一种平板波导缝隙阵列天线结构，尤其是一种尺寸≥500mm×530mm，增益大于42dB的大型毫米波单脉冲平板缝隙阵列天线。 

背景技术

由于波导缝隙天线具有结构紧凑，功率容量大，稳定性高，馈电方便和口径利用率高等特点而被广泛应用于雷达和通讯领域等各种微波、毫米波系统中。而波导宽边开谐振缝隙的天线又具有交叉极化电平比较低的优点，成为波导缝隙天线中比较常用的形式。自1948年美国的A.F.Stevensio n提出缝隙辐射问题以来，平板缝隙阵列形式的天线引起了人们广泛的关注和研究。经过几十年的研究，波导缝隙天线的理论及设计方法已经趋于成熟。上世纪80年代，R.S.Elliott等人对矩形波导宽边纵向缝隙阵列进行了深入的研究，提出了著名的裂缝设计三个方程，给出了设计方法，通过调节缝隙的长度和偏心距对缝隙的馈电幅度进行控制。波导缝隙天线阵在构成上包括辐射阵面和馈电网络，主要分成辐射阵面综合和馈电网络综合两大部分。首先根据技术指标要求(如增益、波宽等)确定天线阵列的尺寸，包括单元数、单元间距等，然后根据单元数以及副瓣要求再综合出每一个单元的幅度、相位分布，综合时要考虑单元之间的互耦。早期的单脉冲天线多使用卡塞格仑双反射器天线，其中的主、次反射器分别为抛物面和双曲面，用多喇叭或其它多模技术获得单脉冲天线的和、差信号。该天线的 前后径长、转动惯量大，且次反射器会影响天线效率。另外，抛物面反射引起的寄生极化产生交叉极化分量也会影响天线效率。 

目前对于尺寸为500mm×530mm，增益大于42dB的大型毫米波缝隙天线阵列，其难度主要在于阵列太大。由于整个阵面尺寸非常大，根据天线系统要实现单脉冲，方位及俯仰均要实现和、差波束的要求，即使分为四个象限，每一个象限的尺寸也同样很大，即使采用现有计算设备进行一体化设计，其难度仍然非常大，如果采用常规设计，制造如此大的阵列必然会存在极大的加工风险。因此目前国内外相关文献报道很少。 

发明内容

本发明的任务是针对大型单脉冲平板缝隙阵列天线阵面尺寸大，阵元间互耦大，加工风险高，一体化设计难的问题，提供一种具有高增益、低副瓣、能够减小馈电网络高度，便于进行加工的大型毫米波单脉冲平板缝隙阵列天线。 

本发明目的可以通过下述技术方案予以实现：一种大型毫米波单脉冲平板缝隙阵列天线，包括：辐射纵缝及波导组成的四个象限天线阵面、宽边中心斜缝组成的耦合波导和馈电网络；每个象限又分为4×4的子象限，其特征在于：所述馈电网络采用相互连接在馈电波导之间的H-T不等功分器级联。H-T不等功分器级联组成一分十六功分器网络，功分器网络与16个子象限连接馈电，构成天线一个象限的天线阵面。两个相邻阵列的子象限各有两根成一条直线的耦合波导，一个子象限相连一根耦合波导馈电，每根耦合波导宽壁中心斜缝数M_cs＝9，以非标准波导作为馈电波导，馈电波导通过缝耦合给耦合波导馈电，耦合波导两端短路，短路端与平面阵底部共壁，且宽壁上开有中心斜缝。 

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。 

本发明利用现有的计算机技术结合Ansoft HFSS仿真软件进行电磁仿真，完成辐射缝隙、馈电缝隙参数的提取，用小阵模拟大阵的方法克服现有的计算设备条件限制，完成整个天线的参数设计；馈电波导通过缝耦合给耦合波导馈电，非标准波导馈电波导，馈电波导之间由H-T相互连接，减小了馈电网络的高度。 

本发明将整个天线阵面分成4块，每个象限由1296个辐射缝隙、16个子象限组成，包含了5184个辐射缝隙单元，由4个象限来完成单脉冲功能(形成和波束、方位差波束以及俯仰差波束)。天线总厚度约为10mm。为便于加工这种大型的平板缝隙阵列，本发明在结构上将天线分成独立四块进行设计，将整个阵面的幅相分布简化到一个象限子阵，既减轻设计负担又减小了加工难度和加工成本。 

附图说明

图1是本发明的单脉冲平板缝隙天线的结构原理框图。 

图2是本发明4个象限天线阵面的分解示意图。 

图3是本发明整个平板缝隙天线阵面的立体结构示意图。 

图4是图3后视结构示意图。 

图5是本发明其中一个象限的平板缝隙天线阵面的结构示意图。 

图6是图5象限阵面天线的馈电网络结构图。 

图7是图5象限阵面天线的分层示意图。 

图中：1辐射纵缝，2宽边中心斜缝，3耦合波导，4馈电波导，5辐射波导，6耦合波导层，7馈电网络，8天线阵面，9非标准辐射波导，10标准波导，11子象限，12功分器网络，13辐射波导短路面，14耦合波导 短路面。 

具体实施方式

参阅图1。整个天线阵面分为四个象限，象限I、象限II、象限III和象限IV，来形成单脉冲功能所需的和波束、方位差波束以及俯仰差波束。每一个象限的输出信号分别令其为E1、E2、E 3、E4，通过和差馈电网络可形成和通道信号为E_∑、方位差通道信号为E_Δα，以及俯仰差通道信号为E_Δβ，从而完成单脉冲功能。具体可描述为：E_∑＝E1+E2+E3+E4；E_Δα＝(E1+E3)-(E2+E4)；E_Δβ＝(E1+E2)-(E3+E4)。 

参阅图2、图3、图4、图5。在以下实施例中，以尺寸为500mm ×530mm，增益大于42dB为最佳实施例组成的天线系统为单脉冲体制。由于平板缝隙阵电尺寸非常大，缝隙单元数非常多，缝隙阵列必须划分成许多子阵(这也是为满足天线工作带宽的需要)，一个象限共由16个子象限组成；与之对应的就是馈电网络的设计，馈电网络形式可以采用H-T不等功分器，级联成一分十六功分器网络，设计方法采用模式匹配法并结合电磁仿真设计软件HFSS进行仿真；功分器网络与16个子象限连接馈电，构成天线一个象限的结构。H-T为波导分支器，即从波导窄边(H面)接出的分支波导，形成H-T接头。 

该大型毫米波单脉冲平板缝隙阵列天线，主要包括：辐射纵缝及波导组成的平面阵阵列本体，所述阵列本体包含了5184个辐射缝隙单元。阵列天线本体从结构上可以分成三个部分：由辐射纵缝及波导组成的平面阵、由宽边中心斜缝(2)组成的耦合波导(3)和馈电网络(7)。耦合波导(3)和馈电网络(7)是由宽边中心斜缝(2)组成的。 

天线阵面分为四个象限，每一个象限又可以分为4×4的子象限(11)。 为实现天线俯仰面和方位面波束宽度均为1°，可选择平面阵为72行，每一个象限为36行。这样在方位面上的辐射纵缝(1)可达72个，可以满足方位面波束的要求。天线阵面由共计576根非标准辐射波导组成。考虑到天线阵面四个象限理论上可以设计成完全相同的子阵列，可以重点设计其中一个象限，将整个阵面的幅相分布简化到一个子阵，这样既减轻设计负担又减小加工难度。馈电网络采用互连接在馈电波导之间的H-T不等功分器级联，级联组成一分十六功分器网络，功分器网络与16个子象限连接馈电，构成天线一个象限的天线阵面。 

平板缝隙天线及馈电网络分为：由辐射纵缝(1)及波导(5)组成的平面阵、由宽边中心斜缝(2)组成的耦合波导(6)和馈电网络(7)。根据天线系统要实现单脉冲，方位及俯仰均要实现和、差波束的要求，为降低设计风险和加工难度，在分成四个象限的天线阵面中，可以将每一个象限分为4×4的子象限(11)。为方便描述，将一个象限分为图5所示的16个子阵A_ij，其中俯仰从上至下编号为i＝1，2，3，4，方位从左至右编号为j＝1，2，3，4。俯仰方位波束宽度均为1°，可选择平面阵为72行，每一个象限为36行，子阵的划分如表1所示。 

表1：子阵单元数划分 

A11：10×10	A12：10×10	A13：10×8	A14：10×8
				A21：10×10	A22：10×10	A23：10×8	A24：10×8
A31：8×10	A32：8×10	A33：8×8	A34：8×8
				A41：8×10	A42：8×10	A43：8×8	A44：8×8

设辐射波导(5)宽边尺寸为a₁，窄边尺寸为b₁，辐射波导(5)的公共侧壁厚为t₁(即每两根辐射波导之间的公共壁厚，图中未示出)，阵面四周波导壁厚取为t_s。整个阵面可排下如图3所示的5184个缝隙单元，在每 根波导(5)中，各缝沿波导纵向排列，其纵向间距为λ_g1/2，每根波导两端的缝隙距辐射波导短路面(13)距离为λ_g1/4，λ_g1为辐射波导内波长，每个辐射纵缝(1)的长度和所在波导的偏心距分别为l_n，x_n，(n＝1，2，...，N)。l_n应为谐振缝长，偏心距x_n由该缝的激励幅度决定。它们与各缝的内、外部互耦有关，即设计时应考虑互耦影响。 

对天线阵馈电作用的馈电网络，包括耦合波导(3)、馈电波导(4)、若干个H-T等。考虑整个天线厚度限制，耦合波导(3)的一个宽壁可与平面阵底部共壁，其壁厚为t₃＝0.8mm，耦合波导(3)仍为非标准波导，宽边尺寸为a₂，窄边尺寸为b₂，侧壁厚t₂。耦合波导(3)两端短路，与平面阵底部共壁的宽壁上开中心斜缝，各缝中心间距为λ_g2/2，波导两端的斜缝与短路面(14)相距也为λ_g2/2，λ_g2为耦合波导内波长。由于每一象限分为16个子象限，每一个子象限需要一根耦合波导(3)馈电，则每根耦合波导宽壁中心斜缝数M_cs＝9，它们与各斜缝之间的内部互耦(在耦合波导内)及与辐射缝之间的内部互耦(在对应的辐射波导内)有关。 

参阅图6。馈电波导(4)通过缝耦合给耦合波导(3)馈电。馈电网络(7)、馈电波导(4)之间由H-T不等功分器相互连接，级联成一分十六功分器网络(12)，功分器网络(12)与16个子象限连接馈电，构成天线一个象限的结构。 

参阅图7。整个天馈系统结构层次依次为矩形辐射缝天线阵面(8)、两面无盖的辐射波导层(5)、耦合波导层(6)、馈电波导(4)及互连的H-T等。耦合波导(3)两端短路，其宽壁上开的中心斜缝阵为驻波阵，根据驻波缝阵的设计要求，各缝中心间距为λ_g2/2，为保证耦合波导(3)每个斜缝的中心置于辐射波导(5)宽边中心，则辐射波导(5)宽边尺寸a₁和耦合波导(3)宽边尺寸a₂必须满足下式 

a₁+t₁＝λ_g2/2                    ① 

${\mathrm{\λ}}_{g2}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{\sqrt{1-{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2a_2}\right)}^2}}$ ② 

式中，中心频率为f₀，对应波长为λ₀，取辐射波导(5)宽边a₁＝5.62mm，取辐射波导(5)公共侧壁厚t₁＝1mm，由式①可得a₁+t₁＝6.62mm，则耦合波导(3)a₂＝5.62mm。考虑厚度限制及波导中为主模传输，辐射波导(5)窄边尺寸取为b₁＝1.5mm，耦合波导(3)及馈电网络(7)波导结构的窄边尺寸取为相同，即b₂＝1.5mm，壁厚也取为相同，即均为1mm。 

4个象限构成的整个阵面中，每一个象限分为16个子阵，即子象限(11)，子阵之间辐射波导均共用短路板(13)。选取平面阵行数M＝72，并取a₁＝5.62mm，t₁＝1mm，t_s＝1mm，则可计算出阵面俯仰尺寸为M(a₁+t₁)+2t_s-t₁＝477.64mm，该尺寸小于500mm。阵面方位设计为8根波导，共计N＝72个辐射缝，两相邻辐射缝纵向间距为λ_g1/2，波导两端单元距辐射波导短路面13为λ_g1/4，短路板的厚度t₂＝0.5mm，阵中央共用短路板厚度取为t₄＝1mm，因此方位面尺寸为N×λ_g1/2+6t₂+t₄+2t_s＝482.64mm，这一尺寸也小于6OOmm。矩形平面阵一个象限的辐射缝数为1296，则四个象限的总辐射缝数为M_tatol＝5184。 

以上所述仅是本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，类似的同类结构的等效变换，均落入本发明的保护范围。 

Claims (9)

1.一种大型毫米波单脉冲平板缝隙阵列天线，包括：辐射纵缝及波导组成的四个象限天线阵面、宽边中心斜缝组成的耦合波导和馈电网络；每个象限又分为4×4个子象限，所述馈电网络采用相互连接在馈电波导之间的H-T不等功分器级联，级联组成一分十六功分器网络，功分器网络与16个子象限连接馈电，构成一个象限的天线阵面；两个相邻阵列的子象限各有两根成一条直线的耦合波导，一个子象限相连一根耦合波导馈电，每根耦合波导宽壁中心斜缝以非标准波导作为馈电波导，馈电波导通过缝耦合给耦合波导馈电，耦合波导两端短路，短路端与平面阵底部共壁，且宽壁上开有中心斜缝。

2.根据权利要求1所述的一种大型的毫米波单脉冲平板缝隙阵列天线，其特征在于：阵列天线本体从结构上分成三个部分：由辐射纵缝及波导组成的平面阵、由宽边中心斜缝(2)组成的耦合波导(3)和馈电网络(7)。

3.根据权利要求1或2所述的大型的毫米波单脉冲平板缝隙阵列天线，其特征在于：耦合波导(3)和馈电网络(7)是由宽边中心斜缝(2)组成的。

4.根据权利要求1所述的大型的毫米波单脉冲平板缝隙阵列天线，其特征在于：每一个象限的输出信号分别令其为E1、E2、E3、E4，通过和差馈电网络形成的和通道信号为E_∑、方位差通道信号为E_Δ，以及俯仰差通道信号为E_Δβ，具有：E_∑＝E1+E2+E3+E4；E_Δα＝(E1+E3)-(E2+E4)；E_Δβ＝(E1+E2)-(E3+E4)。

5.根据权利要求1所述的大型的毫米波单脉冲平板缝隙阵列天线，其特征在于：H-T不等功分器级联组成一分十六功分器网络，功分器网络与16个子象限连接馈电，构成一个象限的天线阵面。

6.根据权利要求1所述的大型的毫米波单脉冲平板缝隙阵列天线，其特征在于：在每根波导(5)中，各缝沿波导纵向排列，其纵向间距为λ_g1/2，每根波导两端的缝隙距辐射波导短路面(13)距离为λ_g1/4，λ_g1为辐射波导内波长，每个辐射纵缝(1)的长度和所在波导的偏心距分别为l_n，x_n，(n＝1，2，...，N)，l_n为谐振缝长，偏心距x_n由该缝的激励幅度决定。

7.根据权利要求1所述的一种大型的毫米波单脉冲平板缝隙阵列天线，其特征在于：每一个象限为36行，子阵单元数划分如表1所示的子阵。

表1：

A₁₁：10×10  A₁₂：10×10  A₁₃：10×8  A₁₄：10×8 A₂₁：10×10  A₂₂：10×10  A₂₃：10×8  A₂₄：10×8 A₃₁：8×10  A₃₂：8×10  A₃₃：8×8  A₃₄：8×8 A₄₁：8×10  A₄₂：8×10  A₄₃：8×8  A₄₄：8×8

8.根据权利要求1所述的大型的毫米波单脉冲平板缝隙阵列天线，其特征在于：辐射波导(5)宽边尺寸a₁和耦合波导(3)宽边尺寸a₂满足下式

a₁+t₁＝λ_g2/2                  .①

${\mathrm{\λ}}_{g2}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{\sqrt{1-{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2a_2}\right)}^2}}$ ②

式中，中心频率为f₀，对应波长为λ₀，t₁为辐射波导(5)公共侧壁厚度，a₂为耦合波导(3)厚度，λ_g2为耦合波导内波长。

9.根据权利要求1所述的大型的毫米波单脉冲平板缝隙阵列天线，其特征在于：每根耦合波导宽壁中心斜缝数M_cs＝9。

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