CN102931491A - 一种宽带介质加载的天线单元 - Google Patents

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Abstract

一种宽带介质加载的天线单元，包括：微带支撑底板、接触金属三角脊部分、过渡脊部分、金属波导、填充介质部分、探出金属波导口的方形介质和圆柱形介质、梯形变换单元和填充介质矩形波导；微带馈电网络中的微带线印制于微带支撑底板上，微带线通过接触金属三角脊部分将微带支撑底板上的微带线的电磁波过渡到脊波导内模式，再经过过渡脊部分过渡到填充介质矩形波导；再通过梯形变换单元将填充介质矩形波导过渡到填充介质部分,所述填充介质部分充满金属波导内部全部空间；最后依次通过方形介质及圆柱形介质探出，提供金属波导到空气的阻抗匹配，将电磁波发射到自由空间中。本发明可应用于高温多粉尘环境下，满足了工作于高炉内成像阵列雷达需求。

Description

一种宽带介质加载的天线单元
技术领域
本发明涉及一种宽带介质加载的天线单元，特别是一种可工作在高温多粉尘环境下的X波段介质加载天线单元，可使用多个此类单元天线组成工作在恶劣条件下的相控阵天线阵列或者是数字扫描波束阵列，特别是工作在高炉或者高温反应炉体内的雷达天线阵列。
背景技术
工业现场的高炉内料面的监测在钢铁生产中非常重要，通过料面的观测一方面可以了解到高炉内的炉料的分布情况从而生产人员可以根据料面的分布对下一次的布料进行针对性的控制用来提高生产效率；另一方面，当高炉内料面分布发生异常情况时，现场操作人员可以立即做出相应的处理措施，保障生产的顺利进行，避免发生安全事故。
目前常用的料面测量方法有机械探尺测量法，间接料面判断法，高炉视频监控系统，红外成像技术，激光扫描测量法，微波雷达料面测量技术。下面将这些测量方法优缺点进行描述：
机械探尺法测量料面是采用直接接触测量方式，通常采用2-3个机械探尺采集不同位置料面高度信息，成本较低，测量的数据准确。但是存在测量周期较长，测量点较少不能反映出整个料面的形状，且在开炉布料过程中不能测量。
间接料面判断法是利用十字测温热电偶来监测煤气流温度分布，间接推测出料面大致分布，这并不能测得料面的形状，而且此方法对工人的工作经验要求较高。
高炉视频监控系统由炉内可见光摄像头摄像，在高炉内光线充足时可以直接观察到料面形状，由于高炉内复杂的环境此装置只能在较短的时间内测量，不能实时跟踪料面形状。视频监控测量高炉料面虽然有很多不利因素，但在一定情况（光线充足或料面温度较高时）下，可以直接得到料面的形状，即“是所见即所得”的测量方式，这是其他测量方式所欠缺的优点。
红外成像技术，也是一种间接测量料面的方法，该技术对料面表面的红外图像进行处理，能够检测出高炉内料面的温度分布，并用彩色图像区分出来，主要用以测定原料的分布均匀性；该技术的缺点同样不能得到料面的形状，并且容易受到高炉内粉尘及高温气流的影响。
激光扫描测量法属于非接触式测量方法，其利用在高炉炉顶上装的激光扫描装置对料面进行扫描测点，后将所测数据点进行三维重建得到料面形状。但是该方法极易受到粉尘、水雾等恶劣条件的影响，在高炉生产过程中效果不佳，且其需要机械转台等辅助装置。此方法在开炉状态时有很好的检测效果。
微波雷达测量技术中包括单点雷达、相控阵雷达以及运用分集技术的MIMO雷达。采用微波波长较长的特点以及电磁波在空气中传播速度受温度压力影响很小的特点可以在完全黑暗以及充满灰尘的环境下准确测得料面上的信息点，在正常的生产阶段可以克服高炉内部的不利因素影响直接测得所需数据，并且可以跟踪料面变化情况，实时显示高炉料面的三维形状。
为满足阵列雷达能够工作于高炉内部，需要提供一种能工作在高温多粉尘环境下的阵列天线单元，同时需要满足易阵列馈电以及易更换等工业产品需求。而工作于高温多粉尘环境下的阵列雷达天线单元在之前还未有公开介绍。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种可应用于高温多粉尘环境下的宽带（相对带宽超过40%）介质加载的天线单元，为满足工作于高炉内成像阵列雷达需求。
本发明的技术解决方案是：一种宽带介质加载的天线单元，如图1、2所示，包括：微带支撑底板1、接触金属三角脊部分2、过渡脊部分3、金属波导5、填充介质部分6、探出金属波导口的方形介质7和圆柱形介质8、梯形变换单元9和填充介质矩形波导10；微带馈电网络中的微带线印制于微带支撑底板1上，微带线通过接触金属三角脊部分2将微带支撑底板上的微带线的电磁波过渡到脊波导内模式，再经过过渡脊部分3过渡到填充介质矩形波导10；再通过梯形变换单元9将填充介质矩形波导10过渡到填充介质部分6,所述填充介质部分6充满金属波导5内部全部空间；最后依次通过方形介质7及圆柱形介质8探出，提供金属波导到空气的阻抗匹配，将电磁波发射到自由空间中。
为满足阵列天线扫描角度范围内不产生栅瓣的要求，所述填充介质部分6的口径为0.5-0.6倍的电磁波工作波长，具体在X波段，口径可以在13mm-16mm之间，通常填充介质部分6的口径为14mm；
所述金属波导5的内口径为14mmm，外口径为18mm。
为满足天线单元与微带线连接，所述接触金属三角脊部分2与微带线的宽度接近，接触金属三角脊部分2与微带线之间接触位置距离过渡脊部分3起始位置长度为2-2.5mm。
所述过渡脊部分3采用切比雪夫阶梯过渡或者指数曲线过渡，阶梯级数为3-6级。
所述填充介质6在外界温度为200度内时，填充PTFE介质，探出金属波导口的方形介质7长度13mm，圆柱形介质8直径为8mm、长度9mm；整个结构将满足9-11GHz内电磁波从微带过渡到自由空间的匹配需要；如果在200-260度，填充PEEK介质材料；
所述金属波导5的壳体采用铝或铜材料。
所述金属波导5的壳体结构为方形结构，方形结构内部开散热孔4，能够通过散热孔4添加循环冷却液或者冷却气体进行散热，使所述天线单元工作在100-260度的高温多粉尘环境下。
本发明与现有技术相比较的优点在于：
（1）本发明采用介质加载天线单元，天线单元的金属波导壳体与填充介质部分紧密结合，可应用于高温多粉尘环境下，满足工作于高炉内成像阵列雷达需求。
（2）本发明的带介质加载天线单元直接与微带线相连接，使的大规模阵列馈电结构可采用微带馈电网络，具有加工容易，成本低廉以及馈电各支路长度一致性好的特点。
（3）本发明利用方形波导口面尺寸使发射电磁波E面和H面波束角度相近，同时方形波导尺寸利于阵列化结构天线安装布阵。
（4）本发明采用金属波导壳体使得冷却方式灵活，通过介质密封和散热孔冷却方式可工作于高温粉尘环境下，探头尺寸小巧，易于清扫防止积灰。
附图说明
图1为本发明介质加载天线单元的结构图；
图2为本发明的金属波导上腔内部结构图；
图3为本发明所仿真的H面天线方向图；
图4为本发明所仿真的E面天线方向图；
图5为本发明介质加载天线单元工作频带内的天线驻波比性能；
图6为本发明组成的一种天线阵列应用结构图。
具体实施方式
如图1、2所示，本发明介质加载天线单元主要由介质加载波导，介质加载辐射单元和微带波导转换单元所构成，具体而言包括微带支撑底板1、接触金属三角脊部分2、过渡脊部分3、散热孔4、金属波导5、填充介质部分6及介质伸出金属波导口的方形介质7和圆柱形介质8、梯形变换单元9和填充介质矩形波导10。
微带支撑底板上主要用于印制微带电路，微带电路终端微带线与本发明的介质加载天线单元相连接。为满足阵列天线扫描角度范围+-40度内不产生栅瓣的要求，填充介质部分6的口径为方形，边长确定为0.5-0.6倍的电磁波工作波长，具体在X波段，填充介质部分6的口径为14mm*14mm，金属波导5壳体的内口径和外口径均为方形，内口径边长为14mmm，外口径边长为18mm。为满足与微带线连接需要，接触金属三角脊部分2的宽度与微带线的宽度接近，接触金属三角脊部分2的高度为4mm，与微带线之间接触位置距离过渡脊部分3起始位置长度为2.2mm。过渡脊部分3采用4阶切比雪夫过渡，考虑稳定性和强度，其宽度为2mm，过渡脊部分3的高度依次为8.6mm，7.9mm，4.2mm和1.4mm，长度分别接近于相应介质填充脊波导波长的四分之一。填充介质部分6充满金属波导5的壳体内部全部空间。采用PTFE时，探出金属波导口和方形介质7长度13mm，圆柱形介质8直径8mm，长度9mm，整个结构将满足9-11GHz内电磁波从微带过渡到自由空间的匹配需要。
内部填充介质6一方面可以缩小介质加载天线的口径，另一方面也起密闭天线作用，在外界温度为200度以内，填充PTFE介质，如果在200-260度，可填充PEEK介质材料。同时金属波导5的壳体采用铝或者铜材料，为方形结构，厚度为2mm，可在内部开散热孔4添加循环冷却液或者冷却气体进行散热，使天线单元可工作在高温多粉尘环境下。
图3~5为本发明介质加载天线单元的电性能，包括E面H面方向图和驻波比性能。
图3为本发明介质加载天线单元工作频带内E面远场天线辐射方向图，图中分别给出了9GHz、10GHz和11GHz的E面远场天线辐射方向图，方向图的单位为dBi。从图3中可看到，该天线单元E面可满足+-40度扫描角。
图4为本发明介质加载天线单元工作频带内H面远场天线辐射方向图，图中分别给出了9GHz、10GHz和11GHz的E面远场天线辐射方向图，方向图的单位为dBi。从图4中可看到，该天线单元H面可满足+-40度扫描角。
图5为本发明介质加载天线单元工作频带内驻波比性能，从图5中可看到，该天线单元在20%的相对带宽内驻波小于1.4，同时在40%相对带宽内驻波小于2。
图6为本发明介质加载天线单元组成的16单元线阵示意图，从图6可明显看出其具有体积小，易加工和易馈电成本低的特性，同时具有一致性好的特点，这对于阵列馈电各通道相位补偿具有极大的优势，同时多个线阵可以组成平面阵或者MIMO阵列可对整个半空域进行扫描成像满足3维料面测量的需求。
总之，本发明天线单元采用微带-脊波导过渡，使之非常适合阵列天线的馈电，保证不同天线单元馈电的幅相一致性，并缩小单个天线的体积，通过介质加载，实现电小尺寸下驻波优化，同时等化E面H面方向图。介质填充的另一项优势是实现天线单元的密闭功能，使天线单元可在高温、多粉尘环境下正常工作并易于组成波束扫描阵列天线。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种宽带介质加载的天线单元，其特征在于包括：微带支撑底板（1）、接触金属三角脊部分（2）、过渡脊部分（3）、金属波导（5）、填充介质部分（6）、探出金属波导口的方形介质（7）和圆柱形介质（8）、梯形变换单元（9）和填充介质矩形波导（10）；微带馈电网络中的微带线印制于微带支撑底板（1）上，微带线通过接触金属三角脊部分（2）将微带支撑底板上的微带线的电磁波过渡到脊波导内模式，再经过过渡脊部分（3）过渡到填充介质矩形波导（10）；再通过梯形变换单元（9）将填充介质矩形波导（10）过渡到填充介质部分（6）,所述填充介质部分（6）充满金属波导（5）内部全部空间；最后依次通过方形介质（7）及圆柱形介质（8）探出，提供金属波导到空气的阻抗匹配，将电磁波发射到自由空间中。
2.根据权利要求1所述的宽带介质加载的天线单元，其特征在于：所述填充介质部分（6）的口径为13mm-16mm之间。
3.根据权利要求1所述的宽带介质加载的天线单元，其特征在于：所述金属波导（5）的内口径为14mmm，外口径为18mm。
4.根据权利要求1所述的宽带介质加载的天线单元，其特征在于：所述接触金属三角脊部分（2）与微带线的宽度接近，接触金属三角脊部分（2）与微带线之间接触位置距离过渡脊部分（3）起始位置长度为2-2.5mm。
5.根据权利要求1所述的宽带介质加载的天线单元，其特征在于：所述过渡脊部分（3）采用切比雪夫阶梯过渡或者指数曲线过渡，阶梯级数为3-6级。
6.根据权利要求1所述的宽带介质加载的天线单元，其特征在于：所述填充介质（6）在外界温度为200度内时，填充PTFE介质；如果在200-260度，填充PEEK介质材料。
7.根据权利要求1所述的宽带介质加载的天线单元，其特征在于：所述金属波导（5）采用铝或铜材料。
8.根据权利要求1所述的宽带介质加载的天线单元，其特征在于：所述金属波导（5）的壳体结构为方形结构，方形结构内部开散热孔（4），能够通过散热孔（4）添加循环冷却液或者冷却气体进行散热，使所述天线单元工作在100-260度的高温多粉尘环境下。
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