CN103414027A

CN103414027A - 一种宽频带单脉冲平板缝隙阵列天线

Info

Publication number: CN103414027A
Application number: CN2013103033892A
Authority: CN
Inventors: 史永康; 孟明霞; 丁克乾
Original assignee: Aerospace Long March Launch Vehicle Technology Co Ltd; Beijing Institute of Telemetry Technology
Current assignee: Aerospace Long March Launch Vehicle Technology Co Ltd; Beijing Institute of Telemetry Technology
Priority date: 2013-07-18
Filing date: 2013-07-18
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2033-07-18
Also published as: CN103414027B

Abstract

一种宽频带单脉冲平板缝隙阵列天线包括4个宽频带低剖面平板缝隙天线子阵列和1个单脉冲波导和差器；宽频带低剖面平板缝隙天线子阵列又包括宽频带低剖面平板缝隙天线单元和波导馈电网络；宽频带低剖面平板缝隙天线单元又包括辐射方腔、辐射缝、激励波导腔、激励缝和馈电波导，波导馈电网络由若干个等臂长等功分和等臂长不等功分波导H-T功分器级联而成，单脉冲波导和差器由3个平面魔T和1个等臂长等功分波导H-T功分器组成，单脉冲波导和差器的输出口与宽频带低剖面平板缝隙天线子阵列相连，在3个输入端口分别形成和波束、方位差和俯仰差波束。本发明与传统单脉冲波导缝隙天线相比，具有更宽的频带和效率、且设计更容易、加工更简单。

Description

一种宽频带单脉冲平板缝隙阵列天线

技术领域

本发明涉及一种宽频带单脉冲平板缝隙阵列天线，属于平板缝隙天线技术领域。

背景技术

单脉冲雷达在当今世界范围内使用非常广泛，与连续波雷达等其它雷达模式相比，脉冲模式可以获得更高的测量精度，早期的单脉冲天线多使用卡塞格伦双反射面天线，该天线的前后径长，转动惯量大，且次反射器会影响天线效率，另外卡塞格伦双反射面天线的抛物面反射引起的寄生极化产生交叉极化分量也会影响雷达的定位精度。单脉冲波导缝隙阵列天线是目前常用的单脉冲天线，单脉冲波导缝隙阵列天线采用驻波阵形式，一旦频率偏离谐振频率，方向图等性能指标会发生恶化，带宽极窄，且与天线阵列规模成反比。为了展宽带宽，通常需要对天线进行分区馈电，导致馈电网络复杂，设计难度增大。当天线增益达到30dB时，带宽只能做到3%左右，当增益要求更高时，带宽就难以满足需求，所以现在急需研究一种宽频带高效率的单脉冲阵列天线。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种宽频带单脉冲平板缝隙阵列天线，采用宽频带平板缝隙单元天线和单脉冲波导和差器相结合的方式实现了宽频带单脉冲平板波导缝隙天线,解决了目前常用的单脉冲平板波导缝隙天线效率明显不足的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种宽频带单脉冲平板缝隙阵列天线包括：4个宽频带低剖面平板缝隙天线子阵列和1个单脉冲波导和差器；每个宽频带低剖面平板缝隙天线子阵列又包括宽频带低剖面平板缝隙天线单元和波导馈电网络；宽频带低剖面平板缝隙天线单元又包括辐射方腔、辐射缝、激励波导腔、激励缝和馈电波导；用于提高辐射口径效率和增加相邻辐射缝之间隔离度的辐射方腔位于辐射缝正上方，相邻辐射缝之间的距离与相邻辐射方腔之间的距离相等；激励波导腔四个角的上表面开有个辐射缝，个辐射缝紧贴激励波导腔的侧壁；激励缝位于激励波导腔的正下方；馈电波导的上表面开有激励缝；波导馈电网络与多个天线单元的馈电波导相接实现对缝隙阵列天线的馈电，波导馈电网络与馈电波导分布在同一平面；所述波导馈电网络由若个等臂长等功分和等臂长不等功分波导H-T功分器级联而成。

单脉冲波导和差器采用平面结构，其由3个平面魔T和1个等臂长等功分波导H-T功分器组成，单脉冲波导和差器的4个输出口分别与宽频带低剖面平板缝隙天线子阵列相连，并在3个输入端口分别形成和波束、方位差和俯仰差波束。

所述辐射方腔的高度与天线的增益有关，辐射方腔的高度越高，天线增益提高的越多。

所述辐射缝的形状决定了天线的极化状态。

所述辐射缝开在激励波导腔的短路面上，且在紧靠侧壁处。

所述激励缝位于馈电波导上表面偏离波导中心线a/4处。

所述馈电波导由规则矩形波导改变部分宽边和窄边尺寸变形而成。

所述波导平面魔T采用1个功率分配膜片和2个阻抗调谐膜片实现四个端口的匹配，两个输入端口方向相互垂直。

所述等臂长不等功分波导H-T功分器包括波导输入臂、第一波导输出臂、第二波导输出臂、功率分配膜片、阻抗相位调节块和阻抗调谐膜片，波导输入臂、第一波导输出臂和第二波导输出臂均为矩形开口波导，波导输入臂、第一波导输出臂和第二波导输出臂组成T形结构，第一波导输出臂和第二波导输出臂臂长相等且两输出臂端口到与波导输入臂宽边中心线延长线的距离相等，波导输入臂的两个波导窄边分别与第一波导输出臂、第二波导输出臂的其中一个波导窄边相接，功率分配膜片位于波导输入臂宽边中心线延长线的一侧，阻抗相位调节块紧靠功率分配膜片且位于波导输入臂宽边中心线延长线的另一侧，阻抗调谐膜片位于波导输入臂与第一波导输出臂、第二波导输出臂的窄边连接处。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明提出了一种宽频带高效率平板缝隙天线单元结构，采用多模波导馈电结构克服了传统波导缝隙阵列天线由于谐振天线本质而导致的带宽窄的缺点；对多模波导的激励采用了缝隙耦合结构，与常规的采用波导口进行激励的方式相比，此种形式具有更低的剖面；在辐射缝隙的上方引入辐射方腔，不但增加相邻辐射缝单元之间的隔离度，同时提高了口径效率；与传统波导缝隙天线相比，此种天线形式效率更高。

（2）本发明波导馈电网络提出了一种紧凑型等臂长不等功分波导H-T功分器，结构简单、级联方便；级联组成的波导馈电网络与馈电波导分布在同一层，不会增加阵列天线整体的剖面高度，减小了天线的体积。

（3）本发明提出了一种新型波导和差器结构，由3个平面魔T和1个波导H-T功分器组成，采用平面结构，相对于传统的四端口网络，结构简单、阵列整体的剖面高度小；同时波导平面魔T采用几个膜片实现四个端口的匹配，结构简单，同时两个输入端口方向相互垂直，便于级联，有利于减小整个天线的体积。

（4）本发明一种宽频带单脉冲平板缝隙阵列天线具有明显的分层结构，可以采用多层板焊接的方式加工，易于生产。

附图说明

图1为本发明的分层结构示意图；

图2为本发明的辐射方腔和辐射缝结构俯视图;

图3为本发明的激励波导腔和激励缝结构俯视图;

图4为本发明的馈电波导和波导馈电网络结构俯视图;

图5为本发明的波导和差器上表面结构剖面图;

图6为本发明的波导和差器下表面结构剖面图;

图7为本发明的底层馈电端口结构剖面图;

图8为本发明的宽频带低剖面平板缝隙天线单元俯视图；

图9为本发明的宽频带低剖面平板缝隙天线单元侧视图；

图10为本发明的馈电波导内腔结构示意图；

图11为本发明波导功分网络采用的等臂长不等功分器内腔结构示意图；

图12为本发明波导和差器内腔结构示意图;

图13为本发明平面魔T内腔结构示意图。

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、2、3、4、5、6、7、8、9所示，本发明一种宽频带单脉冲平板缝隙阵列天线包括4个宽频带低剖面平板缝隙天线子阵列11和1个单脉冲波导和差器71；每个宽频带低剖面平板缝隙天线子阵列11又包括宽频带低剖面平板缝隙天线单元12和波导馈电网络6；宽频带低剖面平板缝隙天线单元12又包括辐射方腔1、辐射缝2、激励波导腔3、激励缝4和馈电波导5；单脉冲波导和差器71由3个平面魔T7和1个等臂长等功分H-T波导功分器组成，采用平面结构，单脉冲波导和差器71的4个输出端口分别与宽频带低剖面平板缝隙天线子阵列11相连，并在3个输入端口分别形成和波束、方位差和俯仰差波束。

如图2、8、9所示，用于提高辐射口径效率和增加相邻辐射缝2之间隔离度的辐射方腔1位于辐射缝2正上方，相邻辐射缝2之间的距离与相邻辐射方腔1之间的距离相等；辐射缝2形状决定了天线线极化的极化状态，极化方向与辐射缝2的窄边方向一致。辐射方腔1的高度与天线的增益有关，辐射方腔1的高度越高，天线增益提高的越多，一般取为0.1λ，这样既保证了天线的高效率同时不增加天线整体的剖面高度。

如图3、8、9所示，激励波导腔3是一种多模波导，其上表面的四个角开有4个辐射缝2，4个辐射缝2紧贴激励波导腔3的侧壁以保证四个缝隙的激励为等幅同相且辐射效率最高，激励波导腔3的高度一般为0.2λ，既保证了能量的有效传输同时对天线整体的剖面高度贡献很小；在馈电波导5的上表面偏离波导中心线a/4处（a为馈电波导5宽边尺寸）开有激励缝4，同时激励缝4位于激励波导腔3的正下方实现对激励波导腔3的馈电，与传统采用方波导对激励波导腔3（多模波导）馈电的方式相比，此种馈电方式使天线整体剖面高度大大降低。

如图1、4所示，波导馈电网络6与宽频带低剖面平板缝隙天线单元12的馈电波导5相接实现对缝隙阵列天线的馈电。波导馈电网络6由若干个等臂长等功分波导H-T功分器和等臂长不等功分波导H-T功分器组成，波导馈电网络6与馈电波导5分布在同一平面。

如图10所示，馈电波导5一端短路，另一端接波导馈电网络6，馈电波导5由规则矩形波导改变部分宽边和窄边尺寸变形而成（规则矩形波导采用全高波导、半高波导或者1/4高波导，同时调节馈电波导5中的dx₁、dx₂、dy、dz的尺寸完成变形），这样的波导结构可以使馈电波导5内部的能量集中于激励缝4附近，以保证能量的有效传输。

如图11所示，本发明波导功分网络6采用的等臂长不等分波导H-T功分器6A，包括等臂长不等功分波导H-T功分器波导输入臂61、第一波导输出臂62、第二波导输出臂63、功率分配膜片64、阻抗相位调节块65和阻抗调谐膜片66，波导输入臂61、第一波导输出臂62和第二波导输出臂63均为矩形开口波导，波导输入臂61、第一波导输出臂62和第二波导输出臂63组成T形结构，第一波导输出臂62和第二波导输出臂63臂长相等且两输出臂端口到与波导输入臂（61）宽边中心线延长线的距离相等，波导输入臂61的两个波导窄边分别与第一波导输出臂62、第二波导输出臂63的其中一个波导窄边相接，功率分配膜片64位于波导输入臂61宽边中心线延长线的任意一侧，阻抗相位调节块65紧靠功率分配膜片64且位于波导输入臂61宽边中心线延长线的另一侧，阻抗调谐膜片66位于波导输入臂61与第一波导输出臂62、第二波导输出臂63的窄边连接处。功率分配膜片64位于波导输入臂61宽边中心线延长线的一侧。功率分配膜片64偏离波导输入臂61宽边中心线延长线越远，功率分配比越大。功率分配膜片64的厚度H1一般取为1mm以便于加工，改变功率分配膜片64的长度L1用于调节波导输入臂61的端口阻抗。

阻抗相位调节块65位于波导输入臂61宽边中心线延长线的另一侧即功率分配膜片64和阻抗相位调节块65分别位于波导输入臂61宽边中心线延长线的两侧，阻抗相位调节块65一端紧靠功率分配膜片64，另一端延伸至波导输入臂61的其中一窄边的延长线处，与波导输入臂61的窄边延长线紧邻的一端采用梯形过渡以减小拐角不连续引起的反射。阻抗相位调节块65高度与波导窄边的尺寸相等，长度和宽度用于调节波导输入臂61与波导输出臂62或波导输出臂63之间的相位差，阻抗相位调节块65的宽度W1和长度L3与对应的这一侧的波导输出臂2或3的端口的相位有关，一般为了避免长度过长而固定阻抗相位调节块65的长度，长度即为功率分配膜片64到波导输入臂61的其中一窄边的延长线的长度，只调节宽度用于调节波导输出臂端口的相位，阻抗相位调节块65的宽度越宽，则输出臂的端口相位也越大，所以波导输入臂61与波导输出臂62或波导输出臂63之间的相位差也就越大。

阻抗调谐膜片66位于波导输入臂61与波导输出臂62、波导输出臂63的连接处。阻抗调谐膜片66的厚度H2一般取1mm以便于加工。调节阻抗调谐膜片66的长度L2可以产生任意大小的电抗，以匹配波导输入臂61的端口引起的反射。

如图12所示，本发明波导和差器结构示意图，由3个平面魔T7和1个等臂长等功分H-T波导功分器组成，相对于传统的四端口网络，结构简单、阵列整体的剖面高度小；3个输入（输出）端口分别形成和波束（A端口）、方位差波束（B端口）和俯仰差波束（C端口），其中定义x-z所在平面为俯仰面。

如图13所示，本发明平面魔T7的结构示意图，包括端口71、端口72、端口73（H臂）、端口74（E臂）、功率分配膜片75、阻抗调谐膜片76和耦合缝隙77，其中从端口74（E臂）输入的信号通过耦合缝隙77耦合到端口71或端口72中；耦合缝隙77位于H臂宽边中心线上，确保E臂与H臂的隔离良好。信号从端口73（H臂）输入时，71、72端口输出的信号等幅同相，端口74无信号；信号从端口74（E臂）输入时，71、72端口输出的信号等幅反相，端口73无信号。通过调节功率分配膜片75、阻抗调谐膜片76、E臂与H臂的相对位置实现平面魔T各个端口的匹配，结构简单；端口73（H臂）与端口74（E臂）相互垂直，便于级联。

本发明一种宽频带单脉冲平板缝隙阵列天线的工作原理如下：

单脉冲天线的口径一般分为四个象限，每个象限构成一个独立的子阵，和差网络在四个象限分别激励0°或180°的信号，通过在空间叠加最终形成和差波束。信号经波导馈电网络6进入馈电波导5，再通过激励缝4将其送入激励波导腔3中，辐射缝2从激励波导腔3耦合出信号再经过辐射方腔1辐射到自由空间从而形成需要的方向图。

在激励波导腔3短路表面上开辐射缝2，切断激励波导腔3表面电流，因而向外辐射能量；激励波导腔3是一种多模波导，在工作频带内，该段波导可传输一个或多个工作模式，由波导内电磁场的激励过程可知，多模波导中只能存在和模，即m为奇数，n为偶数的TE_mn模或TM_mn，由短路面上的电流分布可知，采用紧靠侧壁的开缝形式辐射效率最高，且能保证四个缝隙的激励为等幅同相。

功率分配膜片64位于波导输入臂61宽边中心线延长线的一侧使得功率分配比不再相等，同时第一波导输出臂62端口和第二波导输出臂63端口的相位也有了区别。为了使两波导输出臂端口相位相等，同时保证两个波导输出臂长度相等，需要改变其中一个输出臂端口的相位，采用通过改变波导波长来改变相位的方法，而波导波长只与波导宽边长度相关，因此采用在波导中加入阻抗相位调节块65的方法来使波导宽边长度发生改变，进而改变波导波长，从而实现等臂长等相位不等功分波导功分器。

波导和差器采用的平面魔T利用波导宽壁上开耦合谐振缝实现E壁功能，简化了结构，便于加工。当电磁波从E臂输入时，耦合缝切割E壁内表面电流，形成辐射口径面，将E臂中的能量耦合到下面的波导中。由于耦合缝位于H臂中轴线，不能在H臂中激励起电磁波，从而实现E、H两臂隔离。在两臂交接处附近放置金属膜片，可以产生任意大小的电抗，以匹配接头处不连续引起的反射。

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

1.一种宽频带单脉冲平板缝隙阵列天线，其特征在于包括：4个宽频带低剖面平板缝隙天线子阵列（11）和1个单脉冲波导和差器（71）；每个宽频带低剖面平板缝隙天线子阵列（11）又包括宽频带低剖面平板缝隙天线单元（12）和波导馈电网络（61）；宽频带低剖面平板缝隙天线单元（12）又包括辐射方腔（1）、辐射缝（2）、激励波导腔（3）、激励缝（4）和馈电波导（5）；用于提高辐射口径效率和增加相邻辐射缝（2）之间隔离度的辐射方腔（1）位于辐射缝（2）正上方，相邻辐射缝（2）之间的距离与相邻辐射方腔（1）之间的距离相等；激励波导腔（3）四个角的上表面开有4个辐射缝（2）；激励缝（4）位于激励波导腔（3）的正下方；馈电波导（5）的上表面开有激励缝（4）；波导馈电网络（6）与多个天线单元的馈电波导（5）相接实现对缝隙阵列天线的馈电，波导馈电网络（6）与馈电波导（5）分布在同一平面；所述波导馈电网络（6）由若个等臂长等功分和等臂长不等功分波导H-T功分器级联而成；

单脉冲波导和差器（71）采用平面结构，其由3个平面魔T（7）和1个等臂长等功分波导H-T功分器组成，单脉冲波导和差器的4个输出口分别与宽频带低剖面平板缝隙天线子阵列（11）相连，并在3个输入端口分别形成和波束、方位差和俯仰差波束。

2.根据权利要求1所述的一种宽频带单脉冲平板缝隙阵列天线，其特征在于：所述辐射方腔（1）的高度与天线的增益有关，辐射方腔（1）的高度越高，天线增益提高的越多。

3.根据权利要求1所述的一种宽频带单脉冲平板缝隙阵列天线，其特征在于：所述辐射缝（2）的形状决定了天线的极化状态。

4.根据权利要求1所述的一种宽频带单脉冲平板缝隙阵列天线，其特征在于：所述辐射缝（2）开在激励波导腔（3）的短路面上，且在紧靠侧壁处。

5.根据权利要求1所述的一种宽频带单脉冲平板缝隙阵列天线，其特征在于：所述激励缝（4）位于馈电波导（5）上表面偏离波导中心线a/4处。

6.根据权利要求1所述的一种宽频带单脉冲平板缝隙阵列天线，其特征在于：所述馈电波导（5）由规则矩形波导改变部分宽边和窄边尺寸变形而成。

7.根据权利要求1所述的一种宽频带单脉冲平板缝隙阵列天线，其特征在于：所述波导平面魔T（7）采用1个功率分配膜片和2个阻抗调谐膜片实现四个端口的匹配，两个输入端口方向相互垂直。

8.根据权利要求1所述的一种宽频带单脉冲平板缝隙阵列天线，其特征在于：所述等臂长不等功分波导H-T功分器包括波导输入臂（61）、第一波导输出臂（62）、第二波导输出臂（63）、功率分配膜片（64）、阻抗相位调节块（65）和阻抗调谐膜片（66），波导输入臂（61）、第一波导输出臂（62）和第二波导输出臂（63）均为矩形开口波导，波导输入臂（61）、第一波导输出臂（62）和第二波导输出臂（63）组成T形结构，第一波导输出臂（62）和第二波导输出臂（63）臂长相等且两输出臂端口到与波导输入臂（61）宽边中心线延长线的距离相等，波导输入臂（61）的两个波导窄边分别与第一波导输出臂（62）、第二波导输出臂（63）的其中一个波导窄边相接，功率分配膜片（64）位于波导输入臂（61）宽边中心线延长线的一侧，阻抗相位调节块（65）紧靠功率分配膜片（64）且位于波导输入臂（61）宽边中心线延长线的另一侧，阻抗调谐膜片（66）位于波导输入臂（61）与第一波导输出臂（62）、第二波导输出臂（63）的窄边连接处。