CN104752830B - 一种频率选择性天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种频率选择性天线。包括扁盒状空心的金属腔体，金属腔体的顶部开设有辐射缝，底部设有多个金属柱和同轴连接器；所述辐射缝包括位于正中位于的X形辐射缝和两侧的[]形辐射缝，X形辐射缝的上方和下方的金属腔体的顶部分别设有三字形缝，X形辐射缝的左方和右方的金属腔体的顶部分别设有二字形缝；频率选择性天线工作于X波段，具有稳定的带内辐射特性和带通滤波器特性，且具有极低的交叉极化性能。本发明实现工作频带外射频信号的抑制，无附加设备，无附加损失；相对于微带天线而言，本发明损耗低，效率高；相对于开口波导天线而言，本发明的腔体结构剖面低，仅有0.1(中心工作频率波长)，而开口波导则大于0.25。

Description

一种频率选择性天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及金属腔体缝隙天线。本发明既可用于接收、也可用于发射无线电波。在军事方面，可用作抗干扰相控阵雷达系统的终端天线。在民用方面，可作为通信、气象雷达、航管雷达等系统的天线。

背景技术

随着应用与需求的快速发展，对电磁频谱的利用已得到极大的拓展和充分应用，并且越来越显的拥挤不堪。一方面，工作于各个频率的电子设备越来越多；另一方面，一些平台如舰船、飞机和卫星等空间受到限制。在这种高密度频谱情况下，使各电子设备的电磁环境非常恶劣，因此在设计各个电子系统时都要考虑干扰和抗干扰等电磁兼容性问题。

对于电子系统之间电磁兼容性问题的解决，常规的方法是外加滤波器，或者增加两种设备之间的空间距离从而增加空间隔离度。

目前，在各类电子系统中针对电磁干扰通常采用外加滤波器的方法。这种方法简单有效，但是设备量增加，尤其是在一些大型相控阵天线中，天线单元数成千上万。外加滤波器时增加了馈线损耗，尤其是滤波器加在组件与天线之间的情况下，对系统指标影响大。

对于增加电子设备之间的空间距离的方法，将造成整个系统结构、体积、重量等方面的牺牲，在实际应用中受限条件非常大，特别是安装平台狭小的情况，如在星载合成孔径雷达(SAR)中，为了解决数传天线对SAR系统的干扰，将数传天线通过展开结构伸出卫星平台近3米左右(M.斯坦厄，R.沃宁豪斯，R.扎恩，X波段地面观测合成孔径雷达有源相控阵天线，2003年国际相控阵系统与技术会议，美国，波士顿，2003年10月，pp:70-75/M.Stangle,R.Werninghaus,and R.Zahn,The TerrSAR-X Active Phased Array Antenna,IEEEInternational Symposium on Phased Array Systems and Technology 2003,Boston,USA,Oct.,2003,pp:70-75)，这样不仅造成重量的增加，也增加了设计难度和系统故障点，降低了系统的可靠性。

汪伟、李磊、张洪涛等人发明的“频率选择性宽带波导缝隙天线阵”(CN10557040B)利用宽带缝隙波导天线阵中的馈电波导段，集成了波导滤波器，实现了天线频率选择性工作能力，抑制了带外射频信号干扰。但是，这种抗干扰是实施在子阵级天线上，这种天线仅能应用于一维大角度扫描，而另一维有限的几度范围内扫描情况，无法应用于两维大角度扫描情况下的天线阵中。

孙立春、汪伟和张洪涛等在“金属腔体宽带天线”(中国专利申请号：201410514936.6)中提出一种宽带低剖面天线单元，但在该天线中对抗干扰和交叉极化抑制能力方面未做考虑。

发明内容

为了解决现有天线抗带外干扰能力差的问题，降低系统抗干扰设计难度，同时提升交叉极化抑制性能，本发明提供一种可实现本系统工作频带匹配传输，而抑制其它频带电磁波传输，消除工作带外干扰的频率选择性天线，应用于诸如两维大角度扫描情况下的相控阵天线中，附加限流缝，极大地提升了交叉极化抑制性能。具体方案如下：

一种频率选择性天线包括扁盒状空心的金属腔体1，所述金属腔体1的顶部开设有辐射缝；金属腔体1的底部设有同轴连接器8，所述同轴连接器8的内导体7伸入金属腔体1内，并连接着金属腔体1内的顶部，同轴连接器8的外导体连接着金属腔体1底部，具体结构如下：

所述金属腔体1内底部均布设有直立的金属柱9，所述金属腔体1和均布的金属柱9实现天线带通滤波性能；

所述金属腔体1的顶部2周边开设有[]形辐射缝4，中部开设有X形辐射缝3，与X形辐射缝3的上方和下方对应的金属腔体1的顶部2分别开设有限流的三字形缝5，与X形辐射缝3的左侧和右侧对应的金属腔体1的顶部2分别开设有限流的二字形缝6；

所述[]形辐射缝4谐振于工作频率低端，X形辐射缝3谐振于工作频率高端，两者结合拓展工作带宽；位于X形辐射缝3的上方和下方的三字形缝5限制该区域电流分布；位于X形辐射缝3的左侧和右侧的二字形缝6限制该区域的电流分布；实现天线辐射低交叉极化性能。

所述金属柱9为四棱柱或六棱柱或圆柱形，限制腔体内高频段带外电磁波工作。

所述频率选择性天线具有稳定的带内辐射特性和带通滤波器特性，且具有极低的交叉极化性能。

以所述频率选择性天线为天线单元，两个以上的天线单元组成天线阵，相邻天线单元的金属腔体1的侧壁为公共壁。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

本发明频率选择性天线工作于X波段，具有稳定的带内辐射特性和带通滤波器特性，且具有极低的交叉极化性能；

本发明实现工作频带外射频信号的抑制，达到20dB以上，无附加设备，无附加损失；

本发明天线由于限流缝隙的使用，使交叉极化低于-50dB以下；

本天线采用完全金属结构，相对于微带天线而言，损耗低，效率高，达到90％以上；

相对于开口波导天线而言，腔体结构剖面低，仅有0.1λ₀左右(工作中心频率波长)，而开口波导则大于0.25λ₀；

多天线单元一体化加工构成近似蜂窝结构，自身强度高；

采用纯金属材料加工，天线可靠性高，环境应用范围广。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为图1的分解图。

图3为图1的俯视图。

图4为图3标示相关尺寸示意图。

图5为本发明腔体底部金属柱分布图。

图6为本发明天线端口反射损耗结果图。

图7为本发明天线增益频率响应图。

图8为本发明天线在8.1GHz频率上的方向图及交叉极化图。

图9为本发明天线在9.6GHz频率上的方向图及交叉极化图。

图10为本发明天线在10.0GHz频率上的方向图及交叉极化图。

图11为本发明天线在11.5GHz频率上的方向图及交叉极化图。

图12为本发明腔体底部六边形金属柱分布图。

图13为本发明腔体底部圆形金属柱分布图。

图14为本发明天线单元扩展为8×8平面天线阵示意图。

上图中序号：金属腔体1、顶部2、X形辐射缝3、[]形辐射缝4、三字形缝5、二字形缝6、内导体7、同轴连接器8、金属柱9。

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：

参见图1和图2，一种频率选择性天线包括扁盒状空心的金属腔体1，金属腔体1的顶部2周边开设有[]形辐射缝4，中部开设有X形辐射缝3，与X形辐射缝3的上方和下方对应的金属腔体1的顶部2分别开设有限流的三字形缝5，与X形辐射缝3的左侧和右侧对应的金属腔体1的顶部2分别开设有限流的二字形缝6；金属腔体1内底部均布设有直立的金属柱9，金属柱9为六棱柱或圆柱形，图12中的金属柱为六边形，图13中的金属柱为圆形，作用在于限制腔体内高频段带外电磁波工作。金属腔体1的底部安装有同轴连接器8，同轴连接器8的内导体7伸入金属腔体1内，并连接着金属腔体1内的顶部，同轴连接器8的外导体连接着金属腔体1底部。

参见图2，金属腔体1是一个长a、宽b高h的长方体，尺寸与工作频率和扫描范围相关，通常a和b选择在0.5λ₀～λ₀之间，而h在0.1λ₀左右，此处λ₀为工作中心频率波长，四周金属壁厚度t选择相同尺寸，金属壁厚度t与机械加工水平和天线机械强度相关，通常选择在0.5～2mm之间。

参见图4，金属腔体1的顶部2长度为a+2t，宽度为b+2t。辐射缝包括位于正中位于的X形辐射缝3和位于两侧边缘的[]形辐射缝4，X形缝隙3工作于高频段，[]形辐射缝4工作于低频段，两者结合实现宽频带工作；X形辐射缝3的上方和下方的金属腔体1的顶部2分别设有三字形缝5，三字形缝5限制该区域电流分布，使之平行于缝隙方向；X形辐射缝3的左方和右方的金属腔体1的顶部2分别设有二字形缝6，二字形缝6限制该区域电流分布，使之平行于缝隙方向；辐射缝与限流缝隙相结合实现低交叉极化性能。

中间的X形辐射缝3的长度为2R，宽度L5，两侧向内凹的半圆的半径为R，λ₀≤2R<b，L5略大于2R，保证X形辐射缝3中间狭窄部分留有缝隙，该缝隙可以在0.1～3mm之间；

[]形辐射缝4由两条尺寸相同、对称的缝隙组成，缝长与金属腔体相同为a，缝宽为W1，最小尺寸由机械加工能力确定，最大尺寸与工作频率相关，缝宽W1在0.5mm～0.1λ₀之间，[]形辐射缝4的两端端部之间的间隙相等为d6，d6与工作频率和天线结构强度相关，选择在1mm～a+0.5b-0.5λ₀之间，此处λ₀为工作中心频率波长。

三字形缝5的缝宽相同均为W2，缝宽W2在0.05λ₀左右，缝长度分别为L1、L2、L3，均在0.5λ_K～0.5λ_I之间，此处λ_K是工作频率上边频波长、λ_I是下边频波长；其中顶缝和中缝之间的缝间距为d1，中缝和末缝之间的缝间距为d2，d1或d2均在0.5mm至(a-2W1-2R-6W2)/6之间，顶缝距离[]形辐射缝4端部边缘之间的间距为d5，d5在0.5mm至(a-2W1-2R-6W2)/6之间。

二字形缝6的缝长L4在(b-2W1)/5至(b-2W1)/3之间；缝宽W3在0.05λ₀左右，此处λ₀为工作中心频率波长；两条缝之间的间隙为d3，d3在0.5mm至R之间；二字形缝隙4与[]形辐射缝4之间的距离为d4，d4在1mm至5mm之间。

图5是金属腔体1底部M×N(行×列)个金属柱9的分布，优选为6×8排列，其中第4、5行4、5列金属柱位置需要放置同轴连接器8，因此缺省，金属柱9长ls、宽ws、高hs，长度0<ls<a/N，宽0<ws<b/M，高度0<hs<h。

下表给出实施例1针对X波段设计的优选尺寸，中心频率f0为9.8GHz，上、下边频 (fK、fI)分别为8.1GHz、11.5GHz。

	a	b	h	T	W1	W2	W3	L1	L2	L3	L4
												尺寸(mm)	17.2	13.5	3.4	0.8	1.5	0.5	0.6	5.5	4.5	5.5	3
	L5	d1	d2	d3	d4	d5	d6	ls	ws	hs
												尺寸(mm)	6.8	1.25	1.25	1.6	0.75	0.6	3.3	1.6	1.7	1.2

图6是本发明天线端口反射损耗结果，天线在8.08～11.51GHz宽带范围内反射损耗小于-10dB，而在2～7GHz和13～18GHz的计算频带范围，天线基本为全反射状态，在全部计算频带内表现为带通滤波器特性。

图7是天线辐射增益频率响应曲线，在8.08～11.51GHz宽带范围内天线增益平稳增加，与天线方向性系数理论值曲线一致，在整个计算频带范围内，表现为带通滤波器特性，在通带两边6.4GHz和14.35GHz频率上是两个零点，带外抑制大于20dB。

图8、图9、图10和图11是工作频带内8.1GHz、9.6GHz、10GHz、11.5GHz四个频率点的方向图特性，可以看出在整个工作频带内具有稳定的辐射方向图和极低的交叉极化性能，交叉极化分量低于主极化分量-50dB以下。

实施例2：

参见图14，以实施例1的一种频率选择性天线为天线单元，扩展得到一个8×8的平面天线阵，相邻天线单元的金属腔体1的侧壁均为公共壁；该8×8的平面天线阵可作为平面相控阵天线的一个模块进行整体加工，大型阵列再由这种模块扩展。可见多个单元一体化加工时，天线阵在结构上类似于蜂窝结构。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，如圆柱形或椭圆柱形腔体，在现有缝隙基础上增加缝隙数量等；改变尺寸使天线工作于其他频段等，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的发明保护范围。

Claims (3)

1.一种频率选择性天线，包括扁盒状空心的金属腔体（1），所述金属腔体（1）的顶部（2）开设有辐射缝；金属腔体（1）的底部设有同轴连接器（8），所述同轴连接器（8）的内导体（7）伸入金属腔体（1）内，并连接着金属腔体（1）内的顶部，同轴连接器（8）的外导体连接着金属腔体（1）底部，其特征在于：

所述金属腔体（1）内底部均布设有直立的金属柱（9），所述金属腔体（1）和均布的金属柱（11）实现天线带通滤波性能；

所述金属腔体（1）的顶部（2）周边开设有[]形辐射缝（4），中部开设有X形辐射缝（3），与X形辐射缝（3）的上方和下方对应的金属腔体（1）的顶部（2）分别开设有限流的三字形缝（5），与X形辐射缝（3）的左侧和右侧对应的金属腔体（1）的顶部分别开设有限流的二字形缝（6）；

所述[ ]形辐射缝（4）谐振于工作频率低端，X形辐射缝（3）谐振于工作频率高端，两者结合拓展工作带宽；位于X形辐射缝（3）的上方和下方的三字形缝（5）限制顶部（2）切割了三字形缝（5）所在区域、位于X形辐射缝（3）的上方和下方区域电流分布；位于X形辐射缝（3）的左侧和右侧的二字形缝（6）限制顶部（2）切割了二字形缝（6）所在区域、位于X形辐射缝（3）的左侧和右侧区域的电流分布；

实现天线辐射低交叉极化性能。

2.根据权利要求1所述的一种频率选择性天线，其特征在于：所述金属柱（9）为四棱柱或六棱柱或圆柱。

3.根据权利要求1所述的一种频率选择性天线，其特征在于：以权利要求1所述的一种频率选择性天线为天线单元，两个以上的天线单元组成天线阵，相邻天线单元的金属腔体（1）的侧壁为公共壁。