CN102891376A - 一种毫米波圆极化平板裂缝阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明为一种毫米波圆极化平板裂缝阵天线，包括自上而下叠合在一起的天线辐射层、天线耦合层、天线馈电层和天线接收层，所述天线辐射层，包括多个天线单元，所述每个天线单元由喇叭单元、辐射缝隙、辐射匹配块组成，一个喇叭单元构成一个喇叭子阵，所述天线馈电层，包括馈电缝隙、馈电波导和馈电匹配块，共同形成馈电网络，所述天线辐射层的天线单元采用无极化罩设计，选用喇叭子阵实现圆极化辐射；本发明采用无极化罩设计，具有圆极化性、高增益特性和完美的差波束覆盖性，差波束对和波束的覆盖率达100％，与现有技术相比，降低了电装工艺难度，生产的一致性大幅度提高，无后期调试工作量，天线环境适应性增强，降低了生产成本。

Description

一种毫米波圆极化平板裂缝阵天线

技术领域

本发明涉及平板裂缝天线领域，特别是涉及一种毫米波圆极化平板裂缝阵天线。

背景技术

随着现代战场态势的错综复杂化，战场环境较之以前更加恶劣，在这种形式下，要求通信系统能够全天候工作在沙、尘、雾等各种复杂环境和战场态势中。这就要求射频前端中的天线既要工作在毫米波频段，又要具有圆极化性、高增益特性和完美的和差波束覆盖性，可见，毫米波圆极化天线具有广泛的应用价值，前景广阔。

微带天线近年来发展态势迅猛，形式多种多样，在实现圆极化的方法上有其独特的优势。但是在毫米波频段，其缺点也比较明显，表面波效应强、功率容量小，增益偏低。波导裂缝天线可避开这些缺点，业内均采用波导宽边缝阵天线加装圆极化罩，由于天线工作在毫米波频段，极化罩生产一致性差，馈电网络中的串馈设计及波导内单元间的互扰现象导致指标随尺寸变化敏感，差波束对和波束的覆盖率一般只做到95％。尽管通过调校工艺参数可满足设计指标要求，但合格率不高，后期调试工作量大，导致天线批量生产性差。这种常规设计的天线长时间使用，极化罩有可能受环境的影响，导致天线性能下降。由于极化罩和天线是独立零件组装而成，如要达到抗冲击振动的要求，电装工艺流程须严格控制，并对天线罩和线极化天线进行整体灌封。上述做法，如要提高成品率，需用较为高昂的代价去控制极化罩的生产工艺流程和天线的电装工艺流程。

常规毫米波波导宽边缝阵天线，为了简化馈电网络设计，通常都是串馈、并馈混合使用，由于串馈因素存在，直接导致加工精度变高，频带内指标容易恶化。

发明内容

本发明的目的是在解决上述现有问题上，提供一种毫米波圆极化平板裂缝天线，一改业内波导宽边缝阵天线加圆极化罩的方案，采用无极化罩平板裂缝阵天线的方案，通过优化馈电网络设计及调校子阵个数可使加工难度大大降低，生产的一致性大幅度提高，无调试工作量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种毫米波圆极化平板裂缝阵天线，包括自上而下叠合在一起的天线辐射层、天线耦合层、天线馈电层和天线接收层；

所述天线辐射层，包括多个天线单元，所述每个天线单元由喇叭单元、辐射缝隙、辐射匹配块组成，一个喇叭单元为一个喇叭子阵；

所述天线馈电层，包括馈电缝隙、馈电波导和馈电匹配块，共同形成馈电网络；

所述天线辐射层的天线单元采用无极化罩设计，选用喇叭子阵实现圆极化辐射。

上述技术方案中，所述喇叭单元选用双模角锥喇叭。

上述技术方案中，所述喇叭单元依靠45度斜缝馈电，在喇叭内激励两种空间电场相互正交、幅度相等的不同模式的电磁波，这两种电磁波在喇叭中的相速度是不同的，两种模式的电磁波在喇叭口径面上形成90度相位差，并在自由空间叠加形成圆极化电磁波。

上述技术方案中，所述天线馈电层的馈电网络采用全并馈设计，馈电网络对每一个天线单元分别进行馈电时，馈电网络以树状分支形式馈给每两个天线单元，两天线单元内部以辐射波导匹配块进行并行功分。

上述技术方案中，所述并行功分时采用一节长度为11mm的辐射波导实现无空间分支的功率分配。。

以现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用无极化罩设计，具有圆极化性、高增益特性和完美的差波束覆盖性，差波束对和波束的覆盖率达100％；

采用全并馈设计彻底避免了传统裂缝阵天线中的串联馈电，使其指标相对于结构尺寸的变化不再敏感，一定程度上拓展了带宽，其馈电网络可应用到其他更宽频带的场合；

与现有技术相比，降低了电装工艺难度，生产的一致性大幅度提高，无后期调试工作量，天线环境适应性增强，降低了生产成本。

附图说明

本发明将通过实施例并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的顶视结构分解图；

图2是本发明的底视结构分解图；

图3为本发明的辐射层示意图；

图4为本发明的耦合层示意图；

图5为本发明的馈电层示意图；

图6为本发明的接口层示意图；

1是辐射层   2是耦合层  3是馈电层   4是接口层   5是喇叭子阵   

6是辐射波导  7是耦合波导  8是馈电波导  10是辐射缝隙 

  11是耦合缝隙  13是接口缝隙  15是接口波导  17是辐射匹配块   

18是耦合匹配块    19是馈电匹配块   。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1、图2所示，天线结构被分解平板化为满足大面积精密连接工艺性要求的拼装组合层,即平板组件，分别是辐射层1、耦合层2、馈电层3、接口层4四个平板组件，各平板组件采用CAD /CAM一体化技术和高精密数控机床完成波导腔体、辐射隙缝等设计要素的加工;各平板组件拼装后组合形成天线,采用高精密连接技术实现天线的高精密、高可靠整体连接，整体连接完成以后采用真空铝钎焊技术将各部分平板组件钎焊在一起形成天线；整个天线具有多层、空腔和薄壁的显著特点，具有复杂的结构性和高精度加工要求；其中天线的辐射阵面由20个裂缝喇叭子阵5组合成喇叭面阵,子阵后接有辐射波导6、耦合波导7、馈电波导8部分组成；如图3～图6为辐射层1、耦合层2、馈电层3、接口层4的平板组件的示意图。

在天线中，外部信号通过接口波导15进入天线，并经接口缝隙13进入馈电波导8，馈电波导8以树状分支形式把信号并行输送到各个耦合波导7，馈电匹配块19可保证各路信号按设计要求的幅度、相位，接近无损状态地到达耦合波导7。

耦合波导7将各路信号通过耦合缝隙11进入辐射波导6，耦合匹配块18可保证各路信号按设计要求的幅度、相位，接近无损状态地到达辐射波导6。

辐射波导6将各路信号通过辐射缝隙10进入喇叭子阵5，辐射匹配块17可保证各路信号按设计要求的幅度、相位，接近无损状态地到达喇叭子阵5。

45度倾斜的辐射缝隙10将信号送入喇叭子阵5，可在喇叭内激励两个空间电场相互正交、幅度相等的不同模式的电磁波，这两个电磁波在喇叭中的相速度是不同的，传输一定距离后两种模式的电磁波在喇叭口径面上形成90度相位差，并在自由空间叠加形成圆极化电磁波。馈电波导8、耦合波导7、辐射波导6按设计要求的幅度相位将信号并行馈入各个喇叭子阵5，以保证空间合成的方向图完全满足设计要求。

在本发明中，天线的成功实施，重点在于需要有以下加工工艺流程做支撑。

●加工和焊接变形的控制

为满足组装前单个裂缝线源外形尺寸和两面平行度要求,考虑到薄铝板加工变形很大,工艺上采取:

选用厚板毛坯,去掉板材轧制过程中形成的表面高应力层；

以加工腔体的方法在数控加工中心采用高速切削原理分粗精铣保波导腔体及厚度尺寸精度为保证天线裂缝阵各尺寸和形位精度要求在5～6 级左右 ,选择在高精度数控加工中心进行加工,该机床定位精度和重复定位精度都在±0. 008 mm 以上；

工序间辅以多次热处理去应力校平；

最后线切割外形等加工手段,减少组装前的加工应力变形。

●焊接技术的控制

在控制焊接变形方面,采用焊接变形较小的真空铝钎焊工艺,并按照确定的焊接工艺参数进行焊接,包括焊料厚度的选择、焊料布局、焊接温度和时间的设定,以及焊前装夹方式的确定等来减少焊接变形。精密连接时温度场、变形场和应力场交变,连接温度与天线材料熔化温度临近,处于材料塑性区。因此,要求连接夹具必须具有足够的热刚度,以有效地控制连接温度下天线的变形,同时能提供一个高平面度的基准面,以保证天线口径的高精度要求。精密连接时热学、力学行为复杂,进行了连接应力及变形数值分析,对连接过程中的温度场、变形场和应力场进行计算和仿真,实现精密连接夹具的优化设计。为保证平板天线阵面的高精度,选择稳定性好具有较高热强度的耐热钢作为夹具材料。

●组装定位精度的控制

精密组装定位工艺设计是天线实施的重要内容,其关键是保证零件加工、检测、装配采用统一的定位基准,避免基准不统一而造成误差。首先确定各波导入口的相对位置精度;其次保证裂缝面波导窄边内壁处于同一平面内,否则将导致天线与T/ R 组件无法连接、后续加工裂缝时部分裂缝不通等现象。

为此工艺设计时,设计制作高精度的定位芯子定位各波导口的相对位置,保证各单元线源波导窄边内壁处于同一平面内,并用定位销作固定,从而保证了以上要求。同时,定位芯子还将在后续裂缝阵加工中,起工艺基准作用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种毫米波圆极化平板裂缝阵天线，包括自上而下叠合在一起的天线辐射层、天线耦合层、天线馈电层和天线接收层；

所述天线辐射层，包括多个天线单元，所述每个天线单元由喇叭单元、辐射缝隙、辐射匹配块组成，一个喇叭单元构成一个喇叭子阵；

所述天线馈电层，包括馈电缝隙、馈电波导和馈电匹配块，共同形成馈电网络；

其特征为所述天线辐射层的天线单元采用无极化罩设计，选用喇叭子阵实现圆极化辐射。

2.根据权利要求1所述的一种毫米波圆极化平板裂缝阵天线，其特征为所述喇叭单元选用双模角锥喇叭。

3.根据权利要求2所述的一种毫米波圆极化平板裂缝阵天线，其特征为所述喇叭单元依靠45度斜缝馈电，在喇叭内激励两种空间电场相互正交、幅度相等的不同模式的电磁波，这两种电磁波在喇叭中的相速度是不同的，两种模式的电磁波在喇叭口径面上形成90度相位差，并在自由空间叠加形成圆极化电磁波。

4.根据权利要求3所述的一种毫米波圆极化平板裂缝阵天线，其特征为所述天线馈电层的馈电网络采用全并馈设计，馈电网络对每一个天线单元进行馈电时，馈电网络以树状分支形式馈给每两个天线单元，两天线单元内部以辐射波导匹配块进行并行功分。

5.根据权利要求4所述的一种毫米波圆极化平板裂缝阵天线，其特征为所述并行功分时采用一节长度为11mm的辐射波导实现无空间分支的功率分配。

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