CN103384032A - 宽带低副瓣脊波导缝隙阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种宽带低副瓣脊波导缝隙阵列天线，辐射单脊波导（3）是由两个相同脊波导对接而成的天线阵面结合体，连接处的金属外壁将两个波导腔体隔开分成两个子阵；中心端部制有馈电缝隙（4）的馈电矩形波导（1），嵌套在凹凸双脊波导（2）的凹脊中，凹凸双脊波导凸脊上制有耦合缝隙（5），所述凸脊嵌于辐射单脊波导的凹脊中；馈电分两级，第一级是底部矩形波导对中间凹凸双脊波导馈电，第二级是凹凸双脊波导对顶部辐射脊波导馈电，矩形波导利用其上制有的馈电缝隙完成对凹凸双脊波导的馈电，凹凸双脊波导利用其上制有的耦合缝隙完成对辐射脊波导的馈电，辐射缝隙（6）完成天线辐射，形成完整的脊波导缝隙阵列天线。本发明宽频带、低副瓣，结构简单紧凑。

Description

宽带低副瓣脊波导缝隙阵列天线

技术领域

本发明涉及一种主要应用于X波段的宽带低副瓣脊波导缝隙阵列天线。

背景技术

波导缝隙阵天线以其口径面利用效率高、口径分布容易控制、易于实现低副瓣等优点获得了广泛应用，但是，它也有一个明显的不足之处就是在谐振状态下的工作带宽很窄。目前解决波导缝隙阵列天线带宽问题的主要途径有两个：1）增加天线阵面的分区数；2）在矩形波导宽边内加脊。但是这两种手段都存在一定的制约：天线阵面的分区数增加可以有效的展宽天线频带，但分区数过多会增加馈电网络的复杂度；宽边加脊能够在拓展天线带宽的同时，控制波导宽边尺寸，减少天线的体积，但是因为加脊的影响，使脊波导在采用同轴馈电时探针伸入脊波导内长度受到限制，不能达到理想的馈电效果，另外由于脊波导上辐射缝隙距离同轴探针的距离变小，紧邻探针的两个缝隙辐射场受同轴探针影响很大，并且同轴馈电时，探针两侧辐射缝隙镜像对称分布，中间两个辐射缝隙的间距过小，耦合过强，以上因素都会造成天线性能变差。

基于上述情况，设计波导缝隙阵列天线不但要充分考虑天线电性能，也要兼顾天线馈电系统，使整个天线系统设计方案既要满足天线性能要求，同时整体结构又要做到简单紧凑。

发明内容

为了拓展波导缝隙阵列天线工作带宽，本发明提供一种工作频带宽，副瓣低，结构紧凑，馈电系统简单，易于加工，且对天线性能影响很小的波导缝隙阵列天线。

本发明实现上述目的所采用的技术方案是：一种宽带低副瓣脊波导缝隙阵列天线，包括，无脊宽边平面上，纵向制有偏置辐射缝隙6的辐射单脊波导3、凹凸双脊波导2和馈电矩形波导1，其特征在于，中心端部制有馈电缝隙4的馈电矩形波导1，嵌套在凹凸双脊波导2的凹脊中，凹凸双脊波导2凸脊上制有耦合缝隙5，所述凸脊嵌于辐射单脊波导3的凹脊中；所述辐射单脊波导3是由两个相同脊波导对接而成的天线阵面结合体，且两个脊波导连接处的金属外壁将两个波导腔体隔开将天线阵面分成两个子阵；上述三层波导由下至上焊接压合，其中，馈电分为馈电缝隙4和耦合缝隙5两级，第一级是底部矩形波导1对中间凹凸双脊波导2馈电，第二级是凹凸双脊波导2对顶部辐射脊波导3馈电，矩形波导1利用其上制有的馈电缝隙4完成对凹凸双脊波导2的馈电，凹凸双脊波导2利用其上制有的耦合缝隙5完成对辐射脊波导的馈电，辐射缝隙6完成天线辐射，形成完整的脊波导缝隙阵列天线。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明包括三层波导的波导缝隙阵列天线，辐射波导采用脊波导代替常规矩形波导，拓展了天线带宽；另外辐射单脊波导由两个相同波导对接而成，对接处两个波导的金属外壁将两个波导空腔隔开，从而将天线阵面分成两个子阵，进一步展宽天线工作频带。位于矩形波导与凹凸双脊波导连接处的馈电缝隙，因为该缝隙与矩形波导金属外壁上表面电流方向平行，未能切割电流，需要在该耦合缝隙两侧添加一对梯形金属膜片，改变矩形波导金属外壁上表面电流方向，使馈电缝隙切割改变方向后的矩形波导金属外壁上表面电流，从而实现矩形波导对凹凸双脊波导馈电。位于凹凸双脊波导与辐射单脊波导连接处的耦合缝隙切割凹凸双脊波导金属外壁上表面电流，实现凹凸双脊波导对辐射单脊波导馈电。位于辐射单脊波导无脊宽边金属外壁上的辐射缝隙切割辐射单脊波导无脊宽边金属外壁上表面电流，完成天线能量辐射。辐射缝隙分布参数利用泰勒加权方式进行计算，降低了天线副瓣。泰勒加权是降低天线副瓣的一种方法。

本发明由三层长度和形状不同的波导组成宽带低副瓣脊波导缝隙阵列天线，通过波导相互连接处分别制有的馈电缝隙和耦合缝隙，完成对阵列天线的馈电，有效地提高了馈电网络的效率，减小馈电系统对天线的影响，保证天线性能。由两个相同脊波导对接而成的辐射脊波导，对接处两个波导的金属外壁将两个波导空腔隔开，从而使天线阵面变成了两个子阵形式，增加了天线分区数，这种增加阵面分区数的方式可以有效的展宽天线的工作带宽；另外天线采用脊波导代替常规的矩形波导，增大了天线的工作带宽，同时有效的控制了天线体积；辐射脊波导上辐射缝隙按照泰勒加权分布，降低了天线副瓣，整个天线系统工作频带宽，副瓣低，且整个天线由三部分嵌套焊接而成，体积小，结构简单紧凑。

本发明特别适用于X波段缝隙阵列天线。

附图说明

本发明的具体结构由以下的实施及其附图给出。

图1是本发明宽带低副瓣脊波导缝隙阵列天线的结构透视示意图。

图2是图1的主视图。

图3是图2的俯视图。

图4是图2的剖视图。

图5是图4的H面局部放大剖面图。

图6是图4的I面局部放大剖面图。

图7是图2的A-A向剖面图。

图8是图2的B-B向剖面图。

图9是图2的C-C向剖面图。

图10是图2的D-D向剖面图。

图11是图2的E-E向剖面图。

图中：1馈电矩形波导，2凹凸双脊波导，3辐射单脊波导，4馈电缝隙，5耦合缝隙，6辐射缝隙，7金属膜片，8馈电矩形波导空腔，9馈电矩形波导金属外壁，10凹凸双脊波导空腔，11金属凹脊，12凸起空腔脊，13辐射脊波导空腔，14辐射脊波导金属凹脊，15辐射脊波导金属外壁。

具体实施方式

参阅图1-11。以下实施例描述的宽带低副瓣脊波导缝隙阵列天线，包括，馈电矩形波导1及其端部所开馈电缝隙4、凹凸双脊波导2及其开在凸起空腔脊12外面金属外壁上的耦合缝隙5，辐射单脊波导3及其无脊宽边所开纵向偏置辐射缝隙6，辐射脊波导3下方的辐射脊波导金属凹脊14和馈电缝隙4两侧、位于矩形波导1内的一对金属膜片7组成。辐射单脊波导3、凹凸双脊波导2和馈电矩形波导1经切割缝隙后，三层波导由上到下焊接压合组成脊波导缝隙阵列天线。辐射单脊波导3由两个相同脊波导对接而成，对接面上两个波导金属外壁将两个波导空腔隔开将天线阵面分成两个子阵。偏置辐射缝隙6位于辐射单脊波导3上表面无脊宽边中心线两侧，以矩形通孔的方式沿纵向分布，左右交错排列。辐射缝隙6宽度相同，缝隙长度以及缝隙偏移中心线距离均不同，需要根据天线性能要求来确定，缝隙之间中心距为1/2波导波长，边缘辐射缝隙中心距单脊波导3端面的距离为1/4波导波长。

馈电矩形波导1嵌套在凹凸双脊波导2的金属凹脊11中，并在矩形波导1插入凹凸双脊波导2的端面上、连接二者的金属壁上沿金属壁开有U形馈电缝隙4，该缝隙位于馈电矩形波导端面中心处，两个梯形金属膜片7分别位于馈电缝隙4两侧、馈电矩形波导1两宽边上。凹凸双脊波导2的凸脊嵌于辐射单脊波导3的金属凹脊中，辐射脊波导3金属凹脊挖空部位保留的一部分金属将作为金属壁分隔凹凸双脊波导2的凸起空腔脊12和辐射单脊波导1的凹陷空腔，并在金属壁上开耦合缝隙5，该缝隙距离凹凸双脊波导2端面1/2波导波长。馈电缝隙4实现矩形波导1对凹凸双脊波导2馈电，耦合缝隙5实现凹凸双脊波导2对辐射单脊波导1馈电，并最终通过辐射单脊波导3上辐射缝隙6完成天线辐射。在馈电矩形波导1与凹凸双脊波导2连接处中心线制有图6所示的馈电缝隙4，使此处矩形波导空腔8与凹凸双脊波导2的空腔10相连。图4剖视图平面切割馈电矩形波导1中两个梯形金属膜片7，并且馈电缝隙4和耦合缝隙5在此剖面中均可见，其中馈电缝隙4实现底部矩形波导1对中间凹凸双脊波导2的馈电，图5所示耦合缝隙5实现中间凹凸双脊波导2对顶部辐射单脊3的馈电，辐射缝隙6完成天线辐射，形成完整的脊波导缝隙阵列天线。

参阅图7-图11。图7A-A面所示两个辐射脊波导对接处剖面为辐射脊波导的金属壁15，辐射脊波导空腔13不可见。图8B-B面示出了耦合缝隙5所在位置。耦合缝隙5中心距离凹凸双脊波导2断面1/2波导波长，该耦合缝隙5导致凹凸双脊波导空腔10与辐射单脊波导空腔13相连。图9C-C面为矩形波导中梯形金属膜片7所在平面，两个梯形金属膜片7分别位于馈电缝隙4两侧、矩形波导1宽边上，该梯形金属膜片7的存在是为了改变矩形波导1的馈电矩形波导金属外壁9上电流方向，使馈电缝隙4切割改变方向后的电流，从而实现矩形波导1对凹凸双脊波导2的耦合馈电。图10D-D面为三个波导嵌套结构的剖面图。图11E-E面为凹凸双脊波导2和辐射脊波导1嵌套结构的剖面图。

本发明的工作原理是：波导金属壁上表面电流按照一定规律分布，凡是波导壁上缝隙切割波导壁表面电流时，表面电流一部分绕过缝隙，另一部分以位移电流的形式沿原表面电流方向流过缝隙，位移电流的电力线将向外空间辐射。由于馈电缝隙4与馈电矩形波导1表面电流方向平行，不能切割电流实现耦合馈电，为此在馈电缝隙4两侧、矩形波导1的两个宽边上分别添加一个梯形金属膜片7，使矩形波导1表面电流方向发生改变，改变后方向近似平行于两膜片连线方向，此时馈电缝隙切割改变方向后的矩形波导1表面电流，实现了对凹凸双脊波导2的耦合馈电。同理，开在凹凸双脊波导2凸脊上的耦合缝隙5切割此处表面电流，最终实现对辐射单脊波导3的耦合馈电，并将此缝隙开在与该缝隙方向垂直的电流最强，即耦合缝隙5距凹凸双脊波导2端面1/2波导波长位置处，使整个装置的馈电效率最高，最终实现由底部矩形波导到顶部辐射单脊波导的电磁能量耦合。辐射单脊波导3是由两个相同脊波导对接而成，对界面上两个波导的金属外壁将两个波导空腔隔开。辐射缝隙6沿着辐射脊波导3中心线左右交错排列，缝隙中心距为1/2波导波长，边缘辐射缝隙中心距辐射脊波导3端面1/4波导波长。辐射缝隙6宽度相同，长度以及偏离辐射脊波导3中心线的距离不同，需要根据天线性能要求来确定。本发明辐射缝隙分布参数利用泰勒分布进行加权计算，确定缝隙长度和偏移量，以实现天线阵面低副瓣性能。说明：天线的分布方式有很多种，其中泰勒分布方式是一种实现天线低副瓣的一种分布方法。

Claims (10)

1.一种宽带低副瓣脊波导缝隙阵列天线，包括，无脊宽边平面上，纵向制有偏置辐射缝隙（6）的辐射单脊波导（3）、凹凸双脊波导（2）和馈电矩形波导（1），其特征在于，中心端部制有馈电缝隙（4）的馈电矩形波导（1），嵌套在凹凸双脊波导（2）的凹脊中，凹凸双脊波导（2）凸脊上制有耦合缝隙（5），所述凸脊嵌于辐射单脊波导（3）的凹脊中；所述辐射单脊波导（3）是由两个相同脊波导对接而成的天线阵面结合体，且两个脊波导连接处的金属外壁将两个波导腔体隔开将天线阵面分成两个子阵；上述三层波导由下至上焊接压合，其中，馈电分为馈电缝隙（4）和耦合缝隙（5）两级，第一级是底部矩形波导（1）对中间凹凸双脊波导（2）馈电，第二级是凹凸双脊波导（2）对顶部辐射脊波导（3）馈电，矩形波导（1）利用其上制有的馈电缝隙（4）完成对凹凸双脊波导（2）的馈电，凹凸双脊波导（2）利用其上制有的耦合缝隙（5）完成对辐射脊波导（3）的馈电，辐射缝隙（6）完成天线辐射，形成完整的脊波导缝隙阵列天线。

2.如权利要求1所述的宽带低副瓣脊波导缝隙阵列天线，其特征在于，偏置辐射缝隙（6）位于辐射单脊波导（3）无脊宽边中心线两侧，沿纵向分布，左右交错排列。

3.如权利要求2所述的宽带低副瓣脊波导缝隙阵列天线，其特征在于，辐射缝隙（6）宽度相同，缝隙长度以及缝隙偏移中心线距离不同。

4.如权利要求3所述的宽带低副瓣脊波导缝隙阵列天线，其特征在于，辐射缝隙（6）缝隙中心距为1/2波导波长，边缘辐射缝隙中心距单脊波导（3）端面的距离为1/4波导波长。

5.如权利要求1所述的宽带低副瓣脊波导缝隙阵列天线，其特征在于，馈电缝隙（4）是位于馈电矩形波导（1）端面的倒U形切缝。

6.如权利要求5所述宽带低副瓣脊波导缝隙阵列天线，其特征在于，两个梯形金属膜片（7）分别位于馈电缝隙（4）两侧、馈电矩形波导（1）两宽边上。

7.如权利要求1所述的宽带低副瓣脊波导缝隙阵列天线，其特征在于，耦合缝隙（5）距离凹凸双脊波导（2）端面1/2波导波长。

8.如权利要求1所述的宽带低副瓣脊波导缝隙阵列天线，其特征在于，波导壁上缝隙切割波导壁表面电流时，表面电流一部分绕过缝隙，另一部分以位移电流的形式沿原表面电流方向流过缝隙，位移电流的电力线向外空间辐射。

9.如权利要求1所述的宽带低副瓣脊波导缝隙阵列天线，其特征在于，矩形波导（1）的两个宽边上的梯形金属膜片（7），改变矩形波导（1）表面电流方向，改变后方向近似平行于两金属膜片（7）连线方向，馈电缝隙切割改变方向后的矩形波导（1）表面电流，实现对凹凸双脊波导（2）的耦合馈电。

10.如权利要求1所述的宽带低副瓣脊波导缝隙阵列天线，其特征在于，耦合缝隙（5）导致此处凹凸双脊波导空腔（10）与辐射单脊波导空腔（13）相连。

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