CN103956568A - 一种盒状扇形波束天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种盒状扇形波束天线，包括：馈电喇叭，柱面主反射器，柱面副反射器，上、下盖板及左、右挡板。柱面主反射器和副反射器的母线采用卡塞格伦天线几何形式，柱面主反射器和副反射器的上、下、左、右分别通过上、下盖板及左、右挡板形成盒状腔体，对其进行馈电的喇叭藏于盒状腔体内部，馈电口为喇叭后部的波导口。该天线能够提供俯仰(/方位)范围很宽、方位(/俯仰)范围很窄的扇形波束，并且结构形式简单，易于加工制造，非常适合毫米波及亚毫米波以上频段的应用。

Description

一种盒状扇形波束天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体地，涉及一种盒状扇形波束天线。

背景技术

在雷达与导航技术领域，为了容易发现目标，通常要求在保持一个主平面有尖锐方向图的同时，加宽另一个主平面的方向图，即希望得到扇形波束。随着雷达与导航技术的发展，工作频带正向毫米波、亚毫米波频段发展，扇形波束也要求俯仰(/方位)范围越宽越好、方位(/俯仰)范围越窄越好，以达到增大扫描范围，提高分辨率，尽快发现目标的目的。

现已公开的产生扇形波束的天线有抛物柱面天线，盒状短背射天线、阵列天线及透镜天线等。目前的抛物柱面天线及盒状短背射天线产生的扇形波束，宽度方面较窄，窄度方面则较宽，无法实现大的宽窄比。阵列天线工作于较低工作频段时，目前的加工制造水平能够实现，而到达毫米波、亚毫米波频段后，目前的加工制造基本无法实现或成本过高。而透镜天线则需要特殊的介质材料，存在介质损耗、重量较重、体积较大等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种结构形式简单，易于加工制造的盒状扇形波束天线；该天线能够提供俯仰范围很宽、方位范围很窄的扇形波束，非常适合毫米波及亚毫米波以上频段的应用。此外，该天线与透镜天线不同，其不使用介质材料，无介质损耗等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术解决方案包括：

一种盒状扇形波束天线，其特征在于，包括：馈电喇叭、柱面主反射器、柱面副反射器、上盖板和下盖板、以及左挡板和右挡板，其中，柱面主反射器和柱面副反射器的母线采用卡塞格伦天线形式；馈电喇叭为矩形口面角锥喇叭形式，位于盒状腔体内，其相位中心与柱面副反射器的焦点重合，对整个天线起到馈电作用；左挡板和右挡板分别位于柱面主反射器的两端、并垂直于柱面主反射器两端之间的连线；上盖板和下盖板分别盖设在柱面主反射器以及左挡板和右挡板的上面和下面；上盖板和下盖板、柱面主反射器以及左挡板和右挡板共同构成一端具有矩形天线辐射口的盒状腔体；柱面副反射器位于盒状腔体内部，其上端和下端分别抵靠上盖板和下盖板，并与柱面主反射器一起组成卡塞格伦天线柱面反射系统。

优选地，柱面副反射器的两端分别设置有柱状加厚部分，并且在柱面副反射器的除其两端的柱状加厚部分之外的部分上开设有横向缝隙，并且缝隙的宽度约为1/6个工作波长。

优选地，在上盖板和下盖板的内表面上均设置有阶梯变换。

优选地，矩形天线辐射口的边缘具有棱形倒角。

与现有技术相比，根据本发明的盒状扇形波束天线具有有益的技术效果：

(1)天线形式新颖，充分发挥了固面天线结构简单、馈电方便及易于加工的优势，适合V频段、W频段及亚毫米波的应用，并且能够提供俯仰(/方位)范围很宽、方位(/俯仰)范围很窄的扇形波束。

(2)馈源与盒式腔体、副反射器、主反射器集成一体，将馈源、副反射器藏于卡式柱面盒内，不需要支杆类的支撑结构。

(3)柱面副反射器中心进行了开缝处理，缝隙的形式可以是简单横缝，也可以是曲线形式的缝或是齿状缝，通过缝隙使部分电磁能量泄露出来，减少了副反射器的遮挡效应，降低了天线的副瓣电平，同时也改善了天线的电压驻波比。

(4)相对于阵列天线和前馈抛物柱面天线，本发明采用简单后馈形式，只需单根直波导与天线相接即可，避免了功分网络及复杂波导组件的使用。

附图说明

图1为根据本发明的盒状扇形波束天线的立体示意图；

图2为根据本发明的盒状扇形波束天线去掉上盖板后的结构示意图；

图3为根据本发明的盒状扇形波束天线的分解示意图；

图4为根据本发明的柱面副反射器的结构示意图；

图5为采用本发明的天线得到的天线端口驻波比仿真曲线图；

图6为采用本发明的天线得到的95GHz天线俯仰、方位面幅度方向图仿真曲线。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的盒状扇形波束天线做进一步详细的描述。

根据本发明的盒状扇形波束天线如图1和图2所示，其包括：馈电喇叭1，柱面主反射器2，柱面副反射器3，上、下盖板4，及左、右挡板5。

柱面主反射器2和柱面副反射器3的母线采用卡塞格伦天线形式。柱面主反射器的母线为抛物线，柱面副反射器的母线为双曲线。当然，柱面主反射器2和柱面副反射器3的柱面母线也可采用环焦天线形式，但由于其副瓣电平高，不建议采用。

左、右挡板5分别位于柱面主反射器2的两端、并垂直于柱面主反射器2两端之间的连线。上、下盖板4分别盖设在柱面主反射器2以及左、右挡板5的上面和下面。上、下盖板4、柱面主反射器2以及左、右挡板5共同构成一端具有矩形天线辐射口9的盒状腔体。该盒状腔体一方面能够防止馈源辐射及柱面副反射器散射能量的漏失，另一方面保证了入射到柱面副反射器上的波及由柱面副反射器反射到柱面主反射器上的波是柱面波。

柱面主反射器2位于盒状腔体的后部。柱面副反射器3位于盒状腔体内部，其上端和下端分别抵靠上、下盖板4，并与柱面主反射器2一起组成卡塞格伦天线柱面反射系统。

馈电喇叭1为矩形口面角锥喇叭形式，其基本上位于盒状腔体内部(波导馈电口位于盒状腔体外部)，其相位中心与柱面副反射器3的焦点重合，对整个天线起到馈电作用；馈电形式为后馈。

如上所示，馈电喇叭1和柱面副反射器3均藏于盒状腔体内部，由上、下盖板4及自身形成支撑，不需其他支杆类的支撑结构。

天线辐射口9为矩形口，天线辐射口内侧为矩形腔，矩形腔内部存在阶梯变换7(或称阻抗变换)，即，该阶梯变换7包括分别设置在上盖板和下盖板4的内表面上的阶梯变换。此外，辐射口的边缘具有棱形倒角8。阶梯变换7和棱形倒角8均用于天线阻抗匹配调节。

此外，如图4所示，柱面副反射器3的两端均设置有柱状加厚部分10，并且柱面副反射器3的中心部位(即除两端的柱状加厚部分10之外的部分)进行了横向(即，沿着柱面副反射器3的弧形延伸的方向)开缝处理，缝隙6的宽度约为1/6个工作波长。通过缝隙6可使部分电磁能量泄露出来，减少了副反射器的遮挡效应，降低了天线的副瓣电平，同时也有改善天线的电压驻波比的好处。可选地，缝隙6的形式可以是简单的横缝，也可以是曲线形式的缝或是齿状缝。

根据本发明的盒状扇形波束天线的设计实施过程如下：

第一步，根据预期使用的工作频率和扇形波束的窄面波束宽度要求，计算出相应的天线辐射口的长边长度W，计算公式为其中，为窄面半波宽度，单位为°，λ为工作波长；并根据工作频率和扇形波束的宽面波束宽度要求，计算出相应的天线辐射口的窄边长度H，即柱面的高度，其计算公式为其中，为宽面半波宽度，单位为°。

第二步，根据卡塞格伦天线的几何配置，确定主、副反射器的母线，主反射器的母线口径长度与天线辐射口的长边长度W相等。

第三步，确定馈电喇叭

馈电喇叭的形式为矩形口面角锥喇叭，其相位中心与柱面副反射器3的焦点重合。此外，优选地，馈电喇叭相对于副反射器的边缘照射电平为-10dB左右。

第四步，基于第二步得到的主、副反射器母线、第三步得到的馈电喇叭和第一步得到的柱面高度H建立天线仿真模型，并调节天线辐射口9的长度L，然后进行仿真，若天线的方向图与扇形波束宽度不符，矫正第一步得到的参数W和H，并进行仿真，直到天线的方向图与扇形波束宽度相符为止。

第五步，对柱面副反射器进行开缝处理，对柱面副反射器的除两侧的柱状加厚部分10之外的部分进行开横缝处理，缝隙宽度约为1/6个工作波长；缝隙的形式可以是简单横缝，也可以是曲线形式的缝或是齿状缝。

第六步，对矩形腔内的阶梯变换通过电磁仿真软件进行微调，天线辐射口的边缘可进行倒角，目的是为了提高天线端口驻波比性能。

通过上述设计步骤，可以设计出工作于W频段(92GHz～98GHz)的扇形波束天线，并且可通过频率缩比，使天线工作于其他频段。

根据本发明的天线的端口驻波比如图4所示，从图4中可以看出，其端口驻波比小于1.5。根据本发明的天线的辐射方向图如图5所示，其俯仰面波束宽度约为30°，方位波束宽度约为1°。

根据本发明的盒状扇形波束天线的工作原理为：电磁信号从馈电喇叭处馈入，经柱面副反射器反射至柱面主反射器，在盒状腔体内传输至长条形辐射口，最后形成了俯仰(/方位)范围很宽、方位(/俯仰)范围很窄的扇形波束。

本发明可以举一反三的进行频率缩比，用于设计K、Q、V、W及亚毫米其他频段的扇形波束天线，在侦察、预警、导航等需要扇形波束的领域有广泛应用，具有很强的实用性和市场竞争力。

在此，需要说明的是，本说明书中未详细描述的内容，是本领域技术人员通过本说明书中的描述以及现有技术能够实现的，因此，不做赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换，所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种盒状扇形波束天线，其特征在于，包括：馈电喇叭(1)、柱面主反射器(2)、柱面副反射器(3)、上盖板(4)和下盖板(4)、以及左挡板(5)和右挡板(5)，其中，

柱面主反射器(2)和柱面副反射器(3)的母线采用卡塞格伦天线形式；馈电喇叭(1)为矩形口面角锥喇叭形式，位于盒状腔体内，其相位中心与柱面副反射器(3)的焦点重合，对整个天线起到馈电作用；

左挡板(5)和右挡板(5)分别位于柱面主反射器(2)的两端、并垂直于柱面主反射器(2)两端之间的连线；

上盖板(4)和下盖板(4)分别盖设在柱面主反射器(2)以及左挡板(5)和右挡板(5)的上面和下面；上盖板(4)和下盖板(4)、柱面主反射器(2)以及左挡板(5)和右挡板(5)共同构成一端具有矩形天线辐射口(9)的盒状腔体；柱面副反射器(3)位于盒状腔体内部，其上端和下端分别抵靠上盖板(4)和下盖板(4)，并与柱面主反射器(2)一起组成卡塞格伦天线柱面反射系统。

2.根据权利要求1所述的盒状扇形波束天线，其特征在于，柱面副反射器(3)的两端分别设置有柱状加厚部分(10)，并且在柱面副反射器(3)的除其两端的柱状加厚部分(10)之外的部分上开设有横向缝隙(6)，并且缝隙(6)的宽度约为1/6个工作波长。

3.根据权利要求1所述的盒状扇形波束天线，其特征在于，在上盖板(4)和下盖板(4)的内表面上均设置有阶梯变换(7)。

4.根据权利要求1所述的盒状扇形波束天线，其特征在于，矩形天线辐射口(9)的边缘具有棱形倒角(8)。