CN104282988A - 金属腔体宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属腔体宽带天线，其基本结构包括：顶部开有缝隙的扁盒状空心金属腔体和同轴连接器。所述的金属腔体上表面所开缝隙由顶部中部的“工”字缝与两侧的“一”字缝和沿长度方向的两侧工艺缝呈[]形构成，所述同轴连接器的内导体伸入金属腔体内，并连接着金属腔体内顶部。本发明采用一体式单金属腔体结构，结构简单，降低了天线的加工难度；单一的金属材料，消除了因多种材料之间膨胀系数不同导致的变形、层间脱离等隐患；金属材料良好的热传导性与导电性，有利于星载相控阵天线热控设计与静电防护；充分利用金属腔体和缝隙组合，实现天线宽带性能；天线剖面低，天线组合成平面天线阵时，呈蜂窝结构，具有结构强度高的优势。

Description

金属腔体宽带天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体是一种金属腔体宽带天线。
背景技术
宽带天线在军用和民用领域的应用越来越广泛。同时，在某些具体的应用中，对于天线还有诸如：体积、重量、效率和环境适应性等方面的特殊要求。例如：对于机/星载平台，要求天线剖面薄、重量轻、效率高并且满足一定环境应用条件。
适合于平面天线阵的辐射天线有多种形式，主要有波导缝隙天线、开口波导天线、印刷振子天线和微带贴片天线阵等。波导缝隙天线通常是包含多个辐射单元的线阵或面阵,应用于集中馈电或者是子阵级馈电的天线阵中，不适于两维大角度扫描的阵列中。开口波导天线剖面高，通常需要大于四分之一波长。印刷振子天线阵剖面高、需要支撑结构、构成平面阵列时组装相对复杂。普通的微带贴片天线具有阻抗带宽窄的缺点，研究人员对展宽微带天线的阻抗带宽已经做了大量的研究，比较典型的方法有：1.采用多层贴片的方式，尤其是双层贴片天线形式，但多层介质板会引入不同材料介质板粘结的粘胶选择和加工工艺问题，不同材料热涨系数差异带来整个天线热变形问题，对于星载SAR天线而言还有天线阵面热传导低下的问题；2.采用同轴馈电形式的各种槽（如：E型槽，U型槽等）加载的微带贴片天线也能增加微带天线的阻抗带宽，但这些天线单元的介质板厚度通常都较厚，因此增加了天线的重量；3.其它诸如L形微带、终端加载等电磁耦合馈电微带贴片天线以及背腔式微带贴片天线都具有以上类似的缺陷。尽管目前微带天线已实现了宽带化，但是微带天线本身固有的一个特点限制了其应用，即材料本身刚强度低，需要有结构板支撑件或者利用平台本身结构支撑件，材料多样性造成加工、热变形、热传导等系列问题。
发明内容
为了使上述各种天线单元的优点得到尽可能的集中，并尽可能的克服缺陷，本发明提供一种结构简单，材料单一、易加工，辐射效率高，天线剖面低，便于组成平面阵列天线的金属腔体宽带天线。
具体的技术解决方案如下：
金属腔体宽带天线包括扁盒状空心的金属腔体1，所述金属腔体1的顶部中部开设有工字缝2，工字缝2的两端为横缝，中部为竖缝，所述工字缝2的中部两侧分别对称开设有一字缝3，所述工字缝2和两侧的一字缝3均为辐射缝；金属腔体1的底部设有同轴连接器6，所述同轴连接器6的内导体7伸入金属腔体1内，并连接着金属腔体1内顶部；
所述金属腔体1的顶部沿长度方向的两侧分别对称开设有工艺缝5。
所述金属腔体宽带天线的工作波段为波长25.6~41.1mm的X波段，中心频率波长λ0为31.58mm。
两个以上的金属腔体宽带天线组成天线阵，相邻金属腔体宽带天线的相邻侧壁均为公共壁，所述天线阵的工作频率7.3~11.7GHz，工作波段为波长25.6~41.1mm的X波段，中心频率波长λ0为31.58mm。
本发明与现有技术相比，具有的有益技术效果体现在以下方面：
1.天线采用一体式单金属腔体结构，结构简单，减少了加工工艺流程，降低了天线的加工难度；
2.天线采用单一的金属材料加工，消除了因多种材料之间膨胀系数不同导致的变形、层间脱离等隐患；金属材料热传导性能好，与微带贴片天线相比，有利于星载相控阵天线热控设计；金属材料导电性能好，与微带贴片天线相比，有利于星载天线静电放电防护设计；
3.充分利用金属腔体和缝隙组合，实现天线宽带性能，相对带宽达到42%，远大于宽带微带贴片天线10～20%带宽性能；
4.由所述天线组合成平面天线阵时，众多腔体整体加工，呈蜂窝结构，自身结构强度高；
5.天线剖面低，仅0.1中心频率波长，远小于开口波导天线0.3中心频率波长尺寸。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明的主视图。
图3为图2的A-A剖视图。
图4为金属腔体内部长宽尺寸的标注图。
图5为金属腔体内高度尺寸的标注图。
图6为辐射缝尺寸的标注图。
图7为工艺缝尺寸的标注图。
图8为本发明所述天线的回波损耗图。
图9为本发明所述天线在7.3GHz频点上的交叉极化方向图。
图10为本发明所述天线在9.5GHz频点上的交叉极化方向图。
图11为本发明所述天线在11.7GHz频点上的交叉极化方向图。
图12为所述天线组成的４×４平面阵单元模块立体效果图。
上图中序号：金属腔体1、工字缝2、一字缝3、顶部4、 工艺缝5、同轴连接器6、内导体7。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。
实施例1
工作于波长25.6~41.1mm的 X波段的金属腔体宽带天线，中心频率波长λ0为31.58mm，中心频率为9.5GHz，下边频为7.3GHz，上边频为11.7GHz。
参见图1、图2和图3，金属腔体宽带天线为包括扁盒状空心的金属腔体1，金属腔体1的顶部中部开设有工字缝2，工字缝2的两端为横缝，中部为竖缝；工字缝2的中部两侧分别对称开设有一字缝3，工字缝2和两侧的一字缝3均为辐射缝。金属腔体1的底部安装有同轴连接器6，同轴连接器6的内导体7伸入金属腔体1内，并连接着金属腔体1内顶部。
参见图4和图5，金属腔体1的内部尺寸：长度Lb为0.6λ0、宽度Wb为0.45λ0、高度Hb为0.1λ0，壁厚为0.5～2 mm；
参见图6和图7，工字缝2的竖缝缝长 Lf0为0.125λ0, 竖缝缝宽W f0根据加工能力可取0.5～0.8mm, 工字缝2的横缝缝长 Lf1为0.225λ0, 横缝缝宽W f1根据加工能力可取0.5～0.8mm；一字缝3的缝长Lf2为0.1λ0左右, 其中λ0为所述金属腔体宽带天线的中心频率；缝宽W f2根据加工能力选择，起到抑制交叉极化的作用。
参见图1、图6和图7，金属腔体1的顶部沿长度方向的两侧分别对称开设有工艺缝5，工艺缝5呈[]形；工艺缝5的缝长Lf3为0.54λ0、缝宽W f3为0.05λ0、弯端的缝长Lf4为0.15λ0、弯端的缝宽W f4为0.05λ0, 其中λ0为所述金属腔体宽带天线的中心频率。
参见图8，天线S11参数随频率变化的曲线。在7.3GHz到11.7GHz内S11≤-10dB，绝对带宽达到4.4GHz，相对带宽为46.3%。
参见图9、图10和图11，本实施例天线高中低三个频点上的方向图曲线。比较这几个曲线图形，在整个阻抗带宽内，方向图无恶化，说明方向图带宽同样达到46.3%。
实施例2
参见图12，本实施例是由实施例1扩展而成，主要针对实际应用中需要的两维扫描平面相控阵天线。
该平面阵天线由4×4个实施例1的金属腔体宽带天线组成，16个金属腔体宽带天线单元两维扩展排布，相邻金属腔体宽带天线的相邻侧壁均为公共壁（相邻腔体共用金属壁）；该4×4平面阵天线可作为平面相控阵天线的单元模块进行整体加工。天线阵的工作频率7.3~11.7GHz，工作于波长25.6~41.1mm 的X波段，中心频率波长λ0为31.58mm。
根据实际工程需要或实际加工能力，该实例亦可扩展为由8×8或16×16个实施例1天线组成的平面相控阵天线的单元模块。

Claims (5)

1.金属腔体宽带天线，其特征在于：包括扁盒状空心的金属腔体（1），所述金属腔体（1）的顶部中部开设有工字缝（2），工字缝（2）的两端为横缝，中部为竖缝，所述工字缝（2）的中部两侧分别对称开设有一字缝（3），所述工字缝（2）和两侧的一字缝（3）均为辐射缝；金属腔体（1）的底部设有同轴连接器（6），所述同轴连接器（6）的内导体（7）伸入金属腔体（1）内，并连接着金属腔体（1）内顶部；
所述金属腔体宽带天线的工作波段为波长25.6~41.1mm的X波段，中心频率波长λ0为31.58mm。
2. 根据权利要求1所述的金属腔体宽带天线，其特征在于：所述金属腔体（1）的顶部沿长度方向的两侧分别对称开设有工艺缝（5）。
3.根据权利要求1所述的金属腔体宽带天线，其特征在于：所述金属腔体（1）的内部尺寸：长度Lb为0.6λ0、宽度Wb为0.45λ0、高度Hb为0.1λ0，壁厚为0.5～2 mm；
所述工字缝（2）的竖缝缝长 Lf0为0.125λ0, 竖缝缝宽W f0根据加工能力可取0.5～0.8mm, 工字缝（2）的横缝缝长 Lf1为0.225λ0, 横缝缝宽W f1根据加工能力可取0.5～0.8mm；一字缝（3）的缝长Lf2为0.1λ0左右, 缝宽W f2根据加工能力选择，起到抑制交叉极化的作用；所述λ0为所述金属腔体宽带天线的中心频率波长。
4.根据权利要求1所述的金属腔体宽带天线，其特征在于：金属腔体（1）的顶部沿长度方向的两侧工艺缝（5）呈[]形；工艺缝（5）的缝长Lf3为0.54λ0、缝宽W f3为0.05λ0、弯端的缝长Lf4为0.15λ0、弯端的缝宽W f4为0.05λ0, 所述λ0为所述金属腔体宽带天线的中心频率波长。
5.根据权利要求1所述的金属腔体宽带天线，其特征在于：两个以上的金属腔体宽带天线组成天线阵，相邻金属腔体宽带天线的相邻侧壁均为公共壁，所述天线阵的工作频率7.3~11.7GHz，工作波段为波长25.6~41.1mm的X波段，中心频率波长λ0为31.58mm。
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