CN103414030B - 一种宽频带低剖面平板缝隙阵列天线 - Google Patents

Abstract

一种宽频带低剖面平板缝隙阵列天线包括宽频带低剖面平板缝隙天线单元和波导馈电网络，其中宽频带低剖面平板缝隙天线单元包括辐射方腔、辐射缝、激励波导腔、激励缝和馈电波导，其中波导馈电网络由多个等功分和不等功分波导H-T功分器组成，其与馈电波导相接，且与其分布在同一层；信号经波导馈电网络进入馈电波导，再通过激励缝将其送入激励波导腔中，辐射缝从激励波导腔耦合出信号再经过辐射方腔辐射到自由空间。本发明设计的一种宽频带低剖面平板缝隙阵列天线具有宽频带、高效率、低剖面，且加工简单等特点，与和差器结合可扩展为单脉冲天线。

Description

一种宽频带低剖面平板缝隙阵列天线

技术领域

本发明涉及一种宽频带低剖面平板缝隙阵列天线，属于平板缝隙天线技术领域。

背景技术

目前常用的平板天线形式主要有微带阵列天线和波导缝隙阵列天线。微带阵列天线具有剖面低、重量轻、易于加工等优点，但是当频率升高或天线阵列规模变大时，微带天线由于导体损耗和介质损耗导致其插损增大，效率大大降低无法满足高频率和高增益的应用。

波导缝隙阵列天线分为波导缝隙行波阵和驻波阵两种形式，波导缝隙天线具有没有介质损耗，效率较高且性能稳定的优点，但是波导缝隙行波阵天线波束指向随频率变化导致天线波束在宽频带范围内指向不一致从而导致波导缝隙行波阵一般情况下只能在极窄的带宽内应用，频带无法展宽，限制了波导缝隙行波阵天线的应用；波导缝隙驻波阵由于本质上是谐振天线，一旦频率偏离谐振频率，方向图、副瓣电平等电性能指标会发生明显恶化，从而导致波导缝隙驻波阵天线只适用于窄频带应用，且带宽与阵列天线规模成反比，例如当天线增益达到30dB时，带宽只能做到3%左右，为了展宽波导缝隙驻波阵天线带宽，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，因此如何展宽波导缝隙天线的带宽成为行业内的一个热点和难点问题，金剑在《宽带单脊波导缝隙阵列天线设计》中采用多级功分网络进行分区馈电实现了一种宽带波导缝隙天线的设计，带宽达到11.3%，但是功分网络采用立体布局，即网络所在平面与阵列天线面垂直，因此天线总厚度非常高、体积大，难以满足低剖面、宽频带、高效率平板天线的需求，所以现在急需研究一种宽频带、高效率、剖面低的天线，适用于多种应用场合。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种宽频带低剖面平板缝隙阵列天线，解决了传统平板天线频带窄、效率低、剖面高的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种宽频带低剖面平板缝隙阵列天线包括宽频带低剖面平板缝隙天线单元和波导馈电网络，其中宽频带低剖面平板缝隙天线单元包括辐射方腔、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且馈电波导一端短路；波导馈电网络与多个宽频带低剖面平板缝隙天线单元的馈电波导的另一端相接实现对缝隙阵列天线的馈电，波导馈电网络与多个宽频带低剖面平板缝隙天线单元的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。

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线极化的极化状态。

所述辐射缝开在激励波导腔短路表面，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输出臂端口与波导输入臂宽边中心线延长线距离相等，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。

（3）本发明具有明显的分层结构，可以采用多层板焊接的方式加工，易于加工，便于产业化生产。

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为本发明的底层馈电端口结构剖面图;

图6为本发明的宽频带低剖面平板缝隙天线单元俯视图；

图7为本发明的宽频带低剖面平板缝隙天线单元侧视图；

图8为本发明的馈电波导内腔结构示意图；

图9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。

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所示，本发明一种宽频带低剖面平板缝隙阵列天线包括宽频带低剖面平板缝隙天线单元11和波导馈电网络6，其中宽频带低剖面平板缝隙天线单元11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，本发明阵列天线总厚度约为0.6λ（λ为自由空间波长）。

如图2、6、7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，线极化方向与辐射缝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、6、7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8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9所示，波导馈电网络6采用的等臂长不等分波导H-T功分器，其包括波导输入臂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、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。

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。

本发明一种宽频带低剖面平板缝隙阵列天线的工作原理如下：

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。

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 (3)

1.一种宽频带低剖面平板缝隙阵列天线，其特征在于包括：宽频带低剖面平板缝隙天线单元(11)和波导馈电网络(6)，其中宽频带低剖面平板缝隙天线单元(11)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)且馈电波导(5)一端短路；波导馈电网络(6)与多个宽频带低剖面平板缝隙天线单元(11)的馈电波导(5)的另一端相接实现对缝隙阵列天线的馈电，波导馈电网络(6)与多个宽频带低剖面平板缝隙天线单元(11)的馈电波导(5)分布在同一平面；所述波导馈电网络(6)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；

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；

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；

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，a为馈电波导(5)的宽边尺寸；

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。

2.根据权利要求1所述的一种宽频带低剖面平板缝隙阵列天线，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所述的一种宽频带低剖面平板缝隙阵列天线，其特征在于：所述辐射缝(2)的形状决定了天线线极化的极化状态。