CN102931492B - 中心馈电脊波导缝隙天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及中心馈电脊波导缝隙天线，在脊波导有脊的一面，在脊的两侧交错开缝形成缝隙阵，与缝隙相对的脊的另一侧放置金属调谐块，金属调谐块紧贴金属脊与波导面，用于调节辐射缝隙的等效导纳并使辐射缝隙的等效电纳为零，使辐射缝隙处于谐振状态，波导的激励采用中心馈电的方式以展宽带宽，由于激励位置位于脊波导非加脊的一面，可以采用同轴探针底馈的方式，也可以采用波导中心倾斜缝背馈等常规的波导馈电方式；本发明中心馈电脊波导缝隙天线提出了一种波导缝隙天线的新形式，可以实现低副瓣，且结构紧凑，馈电方式简单，易于加工，可以作为相控阵天线的组阵单元。

Description

中心馈电脊波导缝隙天线

技术领域

本发明涉及一种中心馈电脊波导缝隙天线，可作为大型相控阵天线的组阵单元，属于波导缝隙天线技术领域。

背景技术

波导缝隙天线由于具有辐射效率高、结构紧凑、易于实现低副瓣、性能稳定可靠等诸多优点，在弹载、机载等雷达设备中获得了广泛应用。

常规的宽边波导缝隙天线采用在波导宽边中心线两侧交替开纵缝实现同相辐射。一般波导的宽边长度约为0.75λ₀(λ₀为自由空间波长)。组成面阵时与波导垂直方向的组阵间距为波导的宽边尺寸加上波导壁厚。由相控阵的扫描角度θ与单元组阵间距S的关系可知，当S＜λ/(1+sinθ)才能避免方向图栅瓣的出现。因此常规的宽边波导缝隙天线不适用于相控阵天线的组阵单元。为了解决这个问题，可以采用脊波导缝隙天线形式。脊波导与常规的波导相比，宽边长度可以减小约一半。关于脊波导缝隙天线的形式已有多篇文献报道。南京电子十四所的金林在文章不对称脊波导宽边中心裂缝天线的设计中介绍了在不对称脊波导宽边中心线上开缝的缝隙天线形式，采用不对称脊波导段的不对称程度来控制每个缝隙辐射出的能量，天线结构复杂，加工难度也很大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种中心馈电脊波导缝隙天线，该天线可以实现低副瓣，且结构紧凑，馈电方式简单，便于加工和组成大型相控阵天线的中心馈电脊波导缝隙天线。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

中心馈电脊波导缝隙天线，包括脊波导、辐射缝隙和金属调谐块，其中脊波导由金属脊与波导组成，金属脊设置在波导腔内部的一个波导面上，在设置有金属脊的波导面上还开有一系列辐射缝隙，所述辐射缝隙在金属脊的两侧交替排列，形成缝隙阵；在波导腔内部与辐射缝隙相对的金属脊的另一例放置金属调谐块，金属调谐块紧贴金属脊与波导面，金属调谐块用于调节辐射缝隙的等效导纳并使辐射缝隙的等效电纳为零，使辐射缝隙处于谐振状态；波导的激励采用中心馈电的方式以展宽带宽，通过将同轴探针从波导腔内部与金属脊相对的波导面中插入对波导进行激励，或者通过在波导腔内部与金属脊相对的波导面上放置馈电波导，并在波导与馈电波导的公共壁上开设中心倾斜缝对波导进行激励。

在上述中心馈电脊波导缝隙天线中，在设置有金属脊的波导面上开设的缝隙阵中，相邻两个辐射缝隙的间距为半个波导波长。

在上述中心馈电脊波导缝隙天线中，辐射缝隙的长度决定辐射能量的大小，辐射缝隙越长，辐射能量越大。

在上述中心馈电脊波导缝隙天线中，辐射缝隙的长度决定金属调谐块的尺寸，辐射缝隙越长，金属调谐块的尺寸越大。

在上述中心馈电脊波导缝隙天线中，同轴探针从波导腔内部与金属脊相对的波导面中插入波导，使同轴探针位于波导的中心线上，并处在相邻两个辐射缝隙的中间位置。

在上述中心馈电脊波导缝隙天线中，波导与馈电波导的公共壁上开设有中心倾斜缝，中心倾斜缝的中心同时位于波导的中心线和馈电波导的中心线上，并处在相邻两个辐射缝隙的中间位置。

在上述中心馈电脊波导缝隙天线中，同轴探针两侧对称放置两个金属膜片，通过调节金属膜片的位置和高度，以匹配由同轴探针插入波导引起的反射，从而调节同轴馈电端口的驻波比。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明对脊波导缝隙天线结构进行了创新性设计，在脊波导中设置有金属脊的波导面上开有一系列在金属脊的两侧交替排列的辐射缝隙，形成缝隙阵；在波导内部与辐射缝隙相对的金属脊的另一侧放置金属调谐块，金属调谐块紧贴金属脊与波导面，波导的激励采用中心馈电的方式以展宽带宽，馈电方式简单，且结构紧凑，可以实现低副瓣，易于加工和组成大型相控阵天线；

(2)本发明波导的激励采用中心馈电的方式以展宽带宽，可以采用同轴探针底馈的方式对脊波导进行馈电，适用于相控阵，也可以采用中心倾斜缝背馈等常规的波导馈电方式进行馈电，适用于组成大型平面阵，馈电方式灵活，满足不同的应用需求；

(3)本发明在脊波导有脊的一面开缝形成缝隙天线，通过调节缝隙长度和缝隙对面放置的金属调谐块的尺寸来控制缝隙辐射的能量；在脊波导宽边紧靠脊的侧壁开缝，不再采用传统的改变缝的偏置来调节缝隙辐射的能量的方法，引入金属调谐块，通过调节缝长和金属调谐块的尺寸来控制缝隙辐射的能量，从而实现需要的口径分布；

(4)本发明采用同轴探针底馈的方式对脊波导进行激励时，将同轴线内导体延伸一小段沿电场方向插入波导内可以激励起波导内的场，但是探针插入波导内会引起反射，对波导内的场产生很大的扰动，因此利用金属膜片放入波导内产生的反射波来抵消探针插入波导内引起的反射波，从而减小端口的反射，降低驻波比。

附图说明

图1为本发明中心馈电脊波导缝隙天线的结构示意图；

图2为本发明中心馈电脊波导缝隙天线剖面图；

图3为本发明中心馈电脊波导缝隙天线采用同轴底馈结构示意图；

图4为本发明中心馈电脊波导缝隙天线采用同轴底馈结构的局部放大图；

图5为本发明中心馈电脊波导缝隙天线采用中心倾斜缝背馈结构示意图；

图6为本发明中心馈电脊波导缝隙天线中金属调谐块的尺寸示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明中心馈电脊波导缝隙天线的结构示意图，图2为本发明中心馈电脊波导缝隙天线剖面图；由图可知本发明脊波导缝隙天线，包括脊波导、辐射缝隙3和金属调谐块4，其中脊波导由金属脊2与波导1组成，金属脊2设置在波导1腔内部的一个波导1面上(波导的宽边)，在设置有金属脊2的波导1面上开有一系列辐射缝隙3，辐射缝隙3在金属脊2的两侧交替排列，形成缝隙阵，相邻两个辐射缝隙3的间距为半个波导波长。在波导1腔内部与辐射缝隙3相对的金属脊2的另一侧放置金属调谐块4，金属调谐块4紧贴金属脊2与波导1面，金属调谐块4用于调节辐射缝隙3的等效导纳使辐射缝隙3的等效电纳为零，使辐射缝隙3处于谐振状态。

辐射缝隙3的长度决定辐射能量的大小，辐射缝隙3越长，辐射能量越大。辐射缝隙3的长度决定金属调谐块4的尺寸，辐射缝隙3越长，金属调谐块4的尺寸越大。

根据天线尺寸和扫描角度等确定组阵间距。由垂直于波导方向的组阵间距确定脊波导宽边的尺寸，脊波导窄边尺寸约为宽边长度的一半。调节脊的尺寸使脊波导工作在需要的频率下。脊波导的尺寸确定后就可以得到脊波导的波导波长，从而确定沿波导方向的组阵间距，即半个波导波长。在脊波导宽边上紧贴金属脊2的位置开辐射缝隙3，辐射缝隙3的初始尺寸约为半个工作波长。在紧贴金属脊2的另一侧与辐射缝隙3相对的位置放置一个金属调谐决4，固定缝隙长度同时调节金属调谐块4的尺寸，使缝隙的等效电纳为零，同时得到缝隙谐振时的等效电导。如图2所示，考虑到加工的便利，一般固定金属调谐块4的高度与金属脊1高度相同、宽度为金属脊2与波导1侧壁(波导的窄边)之间的距离，只对金属调谐块4的长度进行调节。如图6所示为本发明金属调谐块的尺寸示意图。改变缝隙长度，重复上述步骤就可以得到缝隙长度与等效电导的对应关系以及谐振缝长与调谐块尺寸的关系。然后由需要的口径分布计算出每个单元对应的等效电导值，就可以反演出辐射缝隙3和金属调谐块4的相关参数。由于缝隙长度和等效电导的关系的获得不可能完全考虑到缝隙的实际辐射环境，因此理论计算得到的缝隙参数与实际有一定差别，因此还要在阵列中对缝隙参数进行微调以实现需要的口径分布。

波导1的激励采用中心馈电的方式以展宽带宽，可以采用同轴探针底馈的方式对波导进行激励，也可以采用波导中心倾斜缝背馈等常规的波导馈电方式进行馈电。即通过将同轴探针5从波导1内部与金属脊2相对的波导1面中插入对波导1进行激励，或者通过在波导1内部与金属脊2相对的波导1面上放置馈电波导8，并在波导1与馈电波导8的公共壁上开设中心倾斜缝9对波导1进行激励。

如图3所示为本发明中心馈电脊波导缝隙天线采用同轴底馈结构示意图；图4为本发明中心馈电脊波导缝隙天线采用同轴底馈结构的局部放大图，同轴探针5从波导1内部与金属脊2相对的波导1面中插入，使同轴探针5位于波导1的中心线上，并处在相邻两个辐射缝隙3的中间位置。为保证较强的激励使同轴探针5与脊波导的金属脊2的底面接触。在同轴探针5两侧对称放置两个金属膜片7，并调节金属膜片7的位置和高度，以匹配由同轴探针5插入波导引起的反射，从而调节同轴馈电端口的驻波比。同轴探针5包括内导体与外导体，内导体的一部分插入波导1内部。同轴底馈的馈电方式类似于波导的E-T功分器，因此为了保证缝隙同相，与同轴探针5相邻的两侧的辐射缝隙3对称放置，如图1所示。

如图5为本发明中心馈电脊波导缝隙天线采用中心倾斜缝背馈结构示意图，与常规的波导馈电方式相似，在馈电波导8与辐射波导1的公共壁上开倾斜一定角度的中心倾斜缝9。中心倾斜缝9的中心同时位于波导2的中心线和馈电波导8的中心线上，并处在相邻两个辐射缝隙3的中间位置。

中心倾斜缝9倾角的大小决定耦合量，长度决定缝隙的谐振。馈电波导8的波导波长确定后，馈电波导8的尺寸也因此而确定。

本发明中心馈电脊波导缝隙天线的原理如下：

在脊波导的宽边上开缝，切断波导表面电流，因而向外辐射能量。由于脊波导中脊的存在，改变了波导中场的分布，使场能量集中在脊的附近。在脊波导宽边紧靠脊的侧壁开缝，传统的改变缝的偏置来调节缝隙辐射的能量的方法不再适用，因此引入金属调谐块，通过调节缝隙长度和金属调谐块的尺寸来控制缝隙辐射的能量，从而实现需要的口径分布。采用同轴探针底馈的方式对脊波导进行激励时，将同轴线内导体延伸一小段沿电场方向插入波导内可以激励起波导内的场。但是探针插入波导内会引起反射，对波导内的场产生很大的扰动。因此利用金属膜片放入波导内产生的反射波来抵消探针插入波导内引起的反射波，从而减小端口的反射，降低驻波比。而用波导中心倾斜缝背馈的馈电方式对脊波导进行激励的原理与常规的波导相同。

本发明设计的中心馈电脊波导缝隙天线，可以实现低副瓣，且结构紧凑，馈电方式简单，易于加工和组成大型相控阵天线。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.中心馈电脊波导缝隙天线，其特征在于：包括脊波导、辐射缝隙(3)和金属调谐块(4)，其中脊波导由金属脊(2)与波导(1)组成，金属脊(2)设置在波导(1)腔内部的一个波导(1)面上，在设置有金属脊(2)的波导(1)面上还开有一系列辐射缝隙(3)，所述辐射缝隙(3)在金属脊(2)的两侧交替排列，形成缝隙阵；在波导(1)腔内部与辐射缝隙(3)相对的金属脊(2)的另一侧放置金属调谐块(4)，金属调谐块(4)紧贴金属脊(2)与波导(1)面，金属调谐块(4)用于调节辐射缝隙(3)的等效导纳并使辐射缝隙(3)的等效电纳为零，使辐射缝隙(3)处于谐振状态；波导(1)的激励采用中心馈电的方式以展宽带宽，通过将同轴探针(5)从波导(1)腔内部与金属脊(2)相对的波导(1)面中插入对波导(1)进行激励，所述同轴探针(5)两侧对称放置两个金属膜片(7)，通过调节金属膜片(7)的位置和高度，以匹配由同轴探针(5)插入波导(1)引起的反射，从而调节同轴馈电端口的驻波比；或者通过在波导(1)腔内部与金属脊(2)相对的波导(1)面上放置馈电波导(8)，并在波导(1)与馈电波导(8)的公共壁上开设中心倾斜缝(9)对波导(1)进行激励，中心倾斜缝9的中心同时位于波导2的中心线和馈电波导8的中心线上，并处在相邻两个辐射缝隙3的中间位置；所述金属调谐块(4)的高度与金属脊(2)高度相同，宽度为金属脊(2)与波导(1)侧壁之间的距离。

2.根据权利要求1所述的中心馈电脊波导缝隙天线，其特征在于：所述在设置有金属脊(2)的波导(1)面上开设的缝隙阵中，相邻两个辐射缝隙(3)的间距为半个波导波长。

3.根据权利要求1所述的中心馈电脊波导缝隙天线，其特征在于：所述辐射缝隙(3)的长度决定辐射能量的大小，辐射缝隙(3)越长，辐射能量越大。

4.根据权利要求1所述的中心馈电脊波导缝隙天线，其特征在于：所述辐射缝隙(3)的长度决定金属调谐块(4)的尺寸，辐射缝隙(3)越长，金属调谐块(4)的尺寸越大。

5.根据权利要求1所述的中心馈电脊波导缝隙天线，其特征在于：所述同轴探针(5)从波导(1)腔内部与金属脊(2)相对的波导(1)面中插入波导(1)，使同轴探针(5)位于波导(1)的中心线上，并处在相邻两个辐射缝隙(3)的中间位置。

6.根据权利要求1所述的中心馈电脊波导缝隙天线，其特征在于：所述波导(1)与馈电波导(8)的公共壁上开设有中心倾斜缝(9)，中心倾斜缝(9)的中心同时位于波导(1)的中心线和馈电波导(8)的中心线上，并处在相邻两个辐射缝隙(3)的中间位置。