CN103326125B - 一维可扫波导窄边缝隙天线 - Google Patents

一维可扫波导窄边缝隙天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种一维可扫波导窄边缝隙天线，目的是解决现有波导窄边缝隙阵列天线单元辐射不均匀、单频条件下难以波束扫描及功率容量不高等问题。本发明由矩形缝隙波导、滑动平板及步进电机组成；矩形缝隙波导由第一窄壁、第二窄壁以及两条宽壁构成，矩形缝隙波导的一端为微波馈入端口，另一端接有匹配负载，矩形缝隙波导的第一窄壁开有N个缝隙，第二窄壁上固定有步进电机；第一窄壁与第二窄壁之间嵌入滑动平板，滑动平板可沿着与波导第二窄壁垂直的方向滑动。本发明各个缝隙单元基本达到均匀辐射、在单频工作条件下实现微波波束在一维方向扫描，具有大规模组阵能力和高功率微波领域应用潜力，且结构简单，操作方便。

Description

一维可扫波导窄边缝隙天线
技术领域
本发明涉及一种微波技术领域的天线，尤其是用于高功率微波单频工作条件下辐射波束能在一维方向受控扫描且具有大规模组阵潜力的一种阵列天线。
背景技术
近年来，微波，特别是高功率微波(根据Benford和Swegle的约定，高功率微波指峰值功率大于100MW、频率在1～100GHz之间的电磁波)在众多领域中的诱人前景引起了许多国家的广泛关注和大量研究投入，并已取得极大的技术进步。微波发射天线是微波系统的重要组成部分，作用是实现微波的有效定向辐射。现有的微波天线多种多样，基本能够满足微波的定向辐射，然而，随着微波技术的发展需要，现有微波天线尤其是高功率微波天线存在难以实现微波单频工作条件下波束扫描及大规模组阵等不足，因此，新型可扫描且可大规模组阵的微波天线亟待研究。波导缝隙阵列天线由于结构紧凑、重量轻、加工方便、成本低、增益高和容易实现超低副瓣要求等显著优点而在常规微波中获得广泛应用。但是常规微波中波导缝隙阵列天线多用于频率扫描，而在某些场合如高功率微波领域，微波工作于窄带，难以调频，不能实现频率扫描。另外常规微波中缝隙阵列单元非均匀辐射，难以在平面两个方向都能拓展组阵。因此，如何使波导窄边缝隙天线成为单频工作条件下微波辐射的一种可一维扫描且具有大规模组阵能力及高功率微波领域应用潜力的阵列天线形式是本领域技术人员极为关注的技术问题。
由于商业应用的推动，国内外对波导窄边缝隙阵列天线的研究主要集中在通信等低功率微波领域中，在高功率微波领域关于波导窄边缝隙天线仍未见报道。在通信领域应用的波导窄边缝隙天线追求的是超低副瓣，其窄边缝隙单元辐射非均匀，且一般用于频率扫描，另外其工作于正常环境中功率容量很低，因此很难直接应用于高功率微波领域。典型的波导窄边缝隙天线设计可见文献【钟顺时，费桐秋，孙玉林.波导窄边缝隙阵天线设计.西安:西北电讯工程学院学报,1976：165-184】，文献【葛悦禾.频扫低副瓣波导窄边缝隙平面阵列天线的研究.雷达与对抗，1997，2：39-42】，以及文献【张祖稷，金林，束咸荣.雷达天线技术.北京：电子工业出版社，2004】等等，这些论文或著作均对波导窄边缝隙天线的设计和应用进行了较为详细的研究，取得了很好的结果。类似的文献还很多，但正如前面所述，这些文献所涉及的波导窄边缝隙天线的研究未涉及微波单频工作条件下波束扫描问题，难以实现大规模组阵，不能直接应用于高功率微波领域。因此，尽管人们已经了解和熟悉波导窄边缝隙天线，但在高功率微波领域未能成功使用这种天线形式。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有波导窄边缝隙阵列天线单元辐射不均匀，难以大规模组阵、单频条件下难以波束扫描等不足，提供一种各个缝隙单元基本达到均匀辐射、在单频工作条件下实现一维波束扫描，具有大规模组阵能力和能工作于真空环境下的高功率容量波导窄边缝隙阵列天线。
本发明的技术方案是：
本发明一维可扫波导窄边缝隙天线，微波传输工作在TE10模式，且为行波状态。本发明由一个矩形缝隙波导，滑动平板及步进电机构成。矩形缝隙波导由第一窄壁、第二窄壁以及两条宽壁构成。第一窄壁与第二窄壁之间的距离为a，两条宽壁之间的距离为b，第一窄壁、第二窄壁、宽壁的厚度均为t，波导的长度为l。矩形缝隙波导的一端为微波馈入端口，微波馈入端口截面尺寸为a0×b，a0是微波馈入端口宽边尺寸，另一端口接有匹配负载，在矩形缝隙波导的第一窄壁上离开端口位置等间距开有N个缝隙，相邻缝隙中心之间的距离为d，缝隙的宽度为w，缝隙的倾角依次为βn，缝隙切入波导宽壁的深度为hn，1≤n≤N。在矩形缝隙波导第一窄壁及第二窄壁之间嵌入一滑动平板，微波实际在矩形缝隙波导的第一窄壁及滑动平板之间传输，滑动平板与矩形缝隙波导第一窄壁的距离(即微波实际传输波导的宽边尺寸)为a’，滑动平板可沿着与波导第二窄壁垂直的方向滑动，改变微波实际传输的宽边尺寸a’。步进电机固定在矩形缝隙波导的第二窄壁上。为了使滑动平板滑动更精确，可以使用螺旋测微计，螺旋测微计的测量杆与固定在滑动平板上的轴承相连，螺旋测微计的滑环与步进电机的转轴相连。步进电机工作时，驱动滑环可联动滑动平板在与矩形缝隙波导第二窄壁垂直的方向滑动，改变微波实际传输波导的宽边尺寸a’。整个天线可工作于真空环境中，如置于可密封的高分子介质套中。
上述涉及的参数满足以下条件：
1、为保证微波工作于行波状态，缝隙数目N≥50，微波频率较高时N可以适当增加，缝隙间距d接近于微波在波导中传输的波导波长λg的一半，λg为微波在矩形波导中的波导波长，矩形缝隙波导的长度l＞N×d。
2、根据常规波导窄边缝隙天线设计方法，第n个缝隙的归一化等效电导公式(该公式可在文献【钟顺时，费桐秋，孙玉林.波导窄边缝隙阵天线设计.西安:西北电讯工程学院学报,1976：165-184】中获得)，gn为第n个缝隙的归一化等效电导，En为第n个缝隙的相对辐射电场；q＝e-2αd，α为波导的衰减系数；η为天线效率，定义为天线的总辐射功率与输入功率之比；Ei为第i个缝隙的相对辐射电场。为了得到各缝隙单元均匀辐射的波导缝隙天线，即各缝隙单元辐射电场相等，Ei取常数1，因此由归一化等效电导公式得到第n个缝隙的等效电导gn。应用电磁仿真软件如HFSS仿真得到gn与倾角βn的函数关系F(βn)，根据F(βn)得到第n个缝隙对应的倾斜角度βn＝F'(gn)，F'(gn)是F(βn)的逆函数，1≤n≤N，为了减小微波辐射交叉极化分量，可以使相邻的缝隙单元倾斜方向相反。
3、缝隙切入波导宽壁的深度hn满足hn＝1/2[λg/2-b/cos(βn)]，缝隙宽度w一般选择2mm左右。
4、微波馈入端口宽边尺寸a0略大于λ/2，缝隙波导尺寸a，b可参照参考文献【王文祥.微波工程技术,北京：国防工业出版社，2009。附录Ⅲ】进行选择，a为34.86mm、b为10.16mm，波导壁厚t通常选2mm，微波实际传输波导的宽边尺寸a’调节范围为a0≤a'＜2λ，通过螺旋测微计的测量杆长度控制，λ为微波在自由空间中的波长。
确定以上参数后，通过电磁仿真软件如CST按照上述确定的缝隙参数建立整体的仿真模型，优化计算各个缝隙的辐射电场，使得一维可扫波导窄边缝隙天线各个缝隙单元达到均匀辐射，得到一个各个缝隙基本达到均匀辐射的波导窄边缝隙天线。
本发明的工作过程是：微波从矩形缝隙波导的一端输入，经过缝隙辐射，没有辐射的能量传输到波导末端被匹配负载吸收。当微波经过缝隙时，由于滑动平板的存在，微波实际传输的矩形波导的尺寸为a’×b。根据微波理论，微波在矩形波导中以TE10模式传输时，其波导波长决定于矩形波导的宽边尺寸，改变矩形波导的宽边尺寸可以改变微波在波导中的波导波长，根据波导窄边缝隙天线辐射的波束指向公式， θ为波束最大指向方向，d即相邻缝隙之间的距离，因此，通过滑动板滑动改变矩形波导的宽边尺寸a’，可以调节相邻缝隙之间的相位差，实现波束扫描。
采用本发明可以达到以下技术效果：
第一，通过上述缝隙倾角βn、缝隙切入深度hn等参数选取，波导窄边各个缝隙基本达到均匀辐射，以此缝隙波导作为天线阵的基本单元为大规模拼接组阵提供了可能；
第二，通过步进电机控制滑动平板滑动改变微波传输波导宽边尺寸a’实现微波波束方位角扫描，结构简单，操作方便，且与滑动平板连接的滑杆为精密刻度的螺旋测微计，滑动平板的滑动改变调节精度可达0.01mm；
第三，本发明通过调节波导宽边尺寸a’实现波束在一维方向扫描，微波传输过程中处于行波状态，且保持TE10模式，在边界条件变化过程中不会出现局部电场集中，使得功率容量高；另外该天线可整体密封，如将天线置于高分子介质套中，工作于真空环境，能够进一步提高本发明的功率容量，满足高功率微波领域中的应用需求。
附图说明
图1为背景技术【钟顺时，费桐秋，孙玉林.波导窄边缝隙阵天线设计.西安:西北电讯工程学院学报,1976：165-184】中提供的典型的波导窄边缝隙结构示意图；
图2为背景技术【葛悦禾.频扫低副瓣波导窄边缝隙平面阵列天线的研究.雷达与对抗，1997，2：39-42】中公布的频率扫描天线结构示意图；
图3为背景技术【张祖稷，金林，束咸荣.雷达天线技术.北京：电子工业出版社，2004】中公布的波导窄边缝隙阵结构示意图；
图4为本发明三维视图；
图5为本发明俯视图。
具体实施方式
图1为背景技术【钟顺时，费桐秋，孙玉林.波导窄边缝隙阵天线设计.西安:西北电讯工程学院学报,1976：165-184】中提供的典型的波导窄边缝隙结构示意图。该结构主要由微波输入通道1、辐射缝隙2及匹配负载3构成。微波从输入通道1馈入，在波导传输过程中经过缝隙2辐射，剩余的能量通过匹配负载3吸收，传输过程中微波模式为TE10模，且处于行波状态。这是通信领域波导窄边缝隙最典型的结构，但该设计缝隙辐射不均匀，难以大规模组阵，且不能在单频工作时进行波束扫描，因此不能在高功率微波领域直接使用。
图2为背景技术【葛悦禾.频扫低副瓣波导窄边缝隙平面阵列天线的研究.雷达与对抗，1997，2：39-42】中公布的频率扫描天线结构示意图。该结构主要由天线输入端口4、蛇形波导慢波线5、功率吸收负载6、矩形波导H面T型接头7、缝隙波导8、窄边缝隙9及低功率吸收负载10组成。微波从输入端口4馈入，经过蛇形慢波线5及T型接头7将微波功率分配到各个缝隙波导8中，并经过窄边缝隙9辐射。在蛇形波导慢波线5中传输的微波没能进入到缝隙波导8中的微波最终被功率吸收负载6吸收，而在缝隙波导8中的微波没能被窄边缝隙9辐射的微波被低功率吸收负载10吸收。该结构能实现俯仰角波束扫描，但是扫描角是随频率变化而变化的，不能实现单频条件下微波波束扫描，因此也不能应用到窄带高功率微波领域。
图3为背景技术【张祖稷，金林，束咸荣.雷达天线技术.北京：电子工业出版社，2004】中公布的波导窄边缝隙阵列结构示意图。该结构主要由微波功分器11及窄边缝隙波导12组成。微波功率经过功分器11分配到窄边缝隙波导12中经过缝隙辐射。从该实物图中可以看出，该天线阵应用于通信雷达中，各缝隙波导及缝隙非均匀辐射以达到超低副瓣的效果，这种组阵方式难以大规模拓展。
图4为本发明一维可扫波导窄边缝隙天线的三维视图，图5为本发明俯视图。
一维可扫波导窄边缝隙天线由矩形缝隙波导13、滑动平板17及步进电机20组成。矩形缝隙波导13的一端为微波馈入端口14，另一端接有匹配负载16，矩形缝隙波导13的第一窄壁21开有N个缝隙15，第二窄壁19上固定有步进电机20。第一窄壁21与第二窄壁19之间嵌入滑动平板17，滑动平板17上固定有一个轴承22，轴承22与螺旋测微计18的测量杆相连，螺旋测微计18的滑环与步进电机20的转轴相连。微波在矩形缝隙波导13的第一窄壁21和滑动平板17之间传输。步进电机20工作时，驱动滑环并联动滑动平板17在垂直于第二窄壁19的方向滑动，改变微波传输的宽边尺寸a’。为了提高功率容量，可以将整个结构置于真空环境中，如将天线置于高分子介质套中。
国防科技大学设计了中心频率为9.4GHz(对应微波波长为31.9mm)的高功率微波一维可扫描波导窄边缝隙天线，根据标准矩形波导尺寸手册(可参考文献【王文祥.微波工程技术,北京：国防工业出版社，2009。附录Ⅲ)，选择矩形缝隙波导13的横截面尺寸b＝10.16mm，a＝34.86mm，微波馈入端口尺寸a0＝17.86mm。波导壁及滑动平板厚t＝2mm，缝隙数目N＝51，相邻缝隙间距d＝20mm，缝隙宽度w＝2mm，根据发明内容中各参数的计算方法可得到从微波馈入端口至匹配负载按顺序各缝隙切入宽壁的深度hn及倾角βn如表1所示，相邻缝隙倾斜方向相反。a’＝a-h-t，滑动平板可滑动的距离h，0mm≤h≤15mm，17.86mm≤a’≤32.86mm。将这样的天线建立模型应用电磁仿真软件如HFSS进行仿真分析，得到该天线结构能实现各个缝隙基本达到均匀辐射，微波的传输效率大于80％，真空环境中工作功率容量超过300MW，可实现的一维波束扫描达24度，能够满足高功率微波应用需求。
本发明这种实施方式能实现微波窄边缝隙天线均匀辐射，实现一维波束扫描，具有大规模组阵能力，且在真空工作环境中具有较高的功率容量，能满足高功率微波辐射要求。此外本发明结构简单，采用步进电机在线工作，操作方面，调节精度高。
表1波导窄边缝隙阵51个缝隙对应的切入宽壁深度hn及倾角βn
缝隙单元 切割深度hn/mm 倾角βn/deg 缝隙单元 切割深度hn/mm 倾角βn/deg
1 -7.911 2.871239 27 7.984 2.870328
2 9.952 2.842473 28 8.952 2.857422
3 6.569 2.886463 29 9.328 2.851995
4 5.634 2.895366 30 9.314 2.852201
5 5.901 2.892965 31 9.112 2.855141
6 6.071 2.891378 32 9.424 2.850572
7 6.241 2.889744 33 9.951 2.842488
8 6.441 2.887764 34 10.593 2.832015
9 6.510 2.887066 35 10.653 2.831001
10 6.629 2.885844 36 10.935 2.826153
11 7.950 2.870753 37 11.242 2.820723
12 6.734 2.884747 38 11.574 2.81467
13 6.821 2.883825 39 11.939 2.807798
14 6.910 2.882869 40 12.342 2.799944
15 6.624 2.885896 41 12.789 2.790902
16 6.900 2.882977 42 13.290 2.780354
17 7.500 2.87621 43 13.856 2.767903
18 7.004 2.881845 44 14.503 2.752969
19 7.114 2.880629 45 15.252 2.734734
20 7.527 2.875891 46 16.136 2.711883
21 7.546 2.875667 47 17.199 2.682457
22 7.768 2.873 48 18.512 2.643097
23 7.399 2.877389 49 20.197 2.587527
24 8.033 2.869711 50 22.473 2.502972
25 8.476 2.863959 51 25.814 2.357511
26 8.427 2.864611

Claims (6)

1.一种一维可扫波导窄边缝隙天线，其特征在于一维可扫波导窄边缝隙天线由矩形缝隙波导(13)、滑动平板(17)、轴承(22)、螺旋测微计(18)及步进电机(20)组成；矩形缝隙波导(13)由第一窄壁(21)、第二窄壁(19)以及两条宽壁构成，矩形缝隙波导(13)的一端为微波馈入端口(14)，另一端接有匹配负载(16)，矩形缝隙波导(13)的第一窄壁(21)开有N个缝隙(15)，相邻缝隙中心之间的距离为d，缝隙的宽度为w，缝隙的倾角依次为βn，缝隙切入波导宽壁的深度为hn，1≤n≤N；缝隙数目N≥50；第二窄壁(19)上固定有步进电机(20)；第一窄壁(21)与第二窄壁(19)之间嵌入滑动平板(17)，滑动平板(17)上固定有一个轴承(22)，轴承(22)与螺旋测微计(18)的测量杆相连，螺旋测微计(18)的滑环与步进电机(20)的转轴相连，微波在第一窄壁(21)及滑动平板(17)之间传输，滑动平板(17)与矩形缝隙波导第一窄壁(21)的距离为a’，滑动平板(17)沿着与波导第二窄壁(19)垂直的方向滑动，从而改变a’，使得a’满足a0≤a’<2λ，a0为微波馈入端口宽边尺寸，a0略大于λ/2，λ为微波在自由空间中的波长；缝隙间距d接近于微波在矩形波导中传输的波导波长λg的一半，矩形缝隙波导(13)的长度l＞N×d；缝隙的宽度w为2mm；缝隙切入波导宽壁的深度hn满足hn＝1/2[λg/2-b/cos(βn)]，b为两条宽壁之间的距离，βn为第n个缝隙对应的倾斜角度，βn＝F'(gn)，F'(gn)是F(βn)的逆函数，F(βn)是应用电磁仿真软件仿真得到的gn与βn的函数关系，gn为第n个缝隙的归一化等效电导，q＝e-2αd，α为波导的衰减系数，η为天线效率，定义为天线的总辐射功率与输入功率之比，Ei为第i个缝隙的相对辐射电场，En为第n个缝隙的相对辐射电场。
2.如权利要求1所述的一维可扫波导窄边缝隙天线，其特征在于整个一维可扫波导窄边缝隙天线置于可密封的高分子介质套中。
3.如权利要求1所述的一维可扫波导窄边缝隙天线，其特征在于所述步进电机(20)工作时，驱动滑环并联动滑动平板(17)在垂直于第二窄壁(19)的方向滑动。
4.如权利要求1所述的一维可扫波导窄边缝隙天线，其特征在于所述第一窄壁(21)与第二窄壁(19)之间的距离a为34.86mm、两条宽壁之间的距离b为10.16mm，第一窄壁(21)、第二窄壁(19)的厚度t选2mm。
5.如权利要求1所述的一维可扫波导窄边缝隙天线，其特征在于所述Ei取常数1。
6.如权利要求1所述的一维可扫波导窄边缝隙天线，其特征在于通过电磁仿真软件按照缝隙参数N、d、w、βn、hn建立整体的仿真模型，优化计算各个缝隙的辐射电场，使得一维可扫波导窄边缝隙天线各个缝隙达到均匀辐射。
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