CN105006635B - 集成内校正通道的开口脊波导阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种集成内校正通道的开口脊波导阵列天线，由底部的同轴连接器馈电，经渐变阶梯状的过渡匹配段实现同轴线和脊波导之间基模的宽带转换，由带方形脊的矩形开口波导向空间辐射电磁波，并充分压缩开口波导的截面尺寸使其获得二维宽扫特性；在相邻天线单元之间设置扼流槽；在开口波导底部纵向设置耦合槽连接校正波导，形成内校正通道，且一条校正波导可耦合相邻的两列天线单元；校正波导内设置校正波导脊和同轴连接器以实现内校正信号的传输和接口。与现有技术相比，本发明具有宽频带、二维宽角扫描、结构紧凑、小体积、低重量、高可靠性和高集成度等优点，且实现了小单元间距相控阵天线的内校正功能。

Description

集成内校正通道的开口脊波导阵列天线

技术领域

本发明涉及相控阵天线技术领域，尤其涉及一种集成内校正通道的开口脊波导阵列天线，具体是一种宽频带、二维宽角扫描、小体积、高集成度且具有内校正功能的平面阵列天线。

本发明可用于发射、接收无线电波，应用场景广泛。在军事方面，可用作宽带宽扫的相控阵雷达系统的终端天线；在民用方面，可作为微波通信的中继天线等。

背景技术

随着相控阵雷达和通信系统的快速发展，对相控阵天线性能的要求越来越高。特别是基于机载、无人机载、弹载和星载等平台的相控阵雷达，除了要求相控阵天线具有宽频带、宽角扫描、高效率的性能，还要求天线具有小体积、轻重量和高集成度的特点。开口波导天线由于具有结构紧凑、体积小、机械强度好、可靠性高等优点，并且在波导内腔加载馈电单脊或双脊可以扩展工作带宽，同时缩小腔体尺寸，减轻重量，因此成为上述相控阵雷达天线的优选方案。

由于器件不一致性、制造公差、装配误差等多种原因，相控阵天线系统的各通道之间必然存在幅度和相位误差，所以需要对各通道的幅相分布进行校正补偿，使整个相控阵天线系统达到设计要求的最佳技术状态。因此，校正是相控阵天线不可或缺的重要功能。而在雷达工作时，为确保相控阵天线性能的可靠性和稳定性，还需要对相控阵天线系统进行必要的实时校正，这就要求相控阵天线具有内校正功能。

然而，对于宽带宽角扫描的平面天线阵列，受最大扫描角方向图不出现栅瓣的限制，要求天线单元之间的距离很小。特别是对于工作在较高频段、二维大角度扫描，例如工作在Ku频段、二维扫描范围±60°的天线阵列，其单元间距仅为几个毫米。这么小的单元间距对相控阵天线的设计集成度提出了很高的要求，而在小单元间距天线中集成内校正通道更成为相控阵天线设计和加工的难点。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中小单元间距天线中集成内校正通道困难的缺陷，提供一种集成内校正通道的开口脊波导阵列天线来解决上述问题。

本发明是通过以下技术方案来实现上述技术目的：

集成内校正通道的开口脊波导阵列天线，所述开口脊波导阵列天线包括：n×m个开口脊波导天线单元、n/2条校正波导；横向每行由n个开口脊波导天线单元组成，纵向每列由m个开口脊波导天线单元组成；n、m均为自然数；

其中，所述开口脊波导天线单元包括：矩形的开口波导、设置在开口波导横向的两侧内壁中心线处的两个方形脊、设置在其中一个方形脊下部的过渡匹配段、设置在开口波导底部的馈电同轴连接器；所述过渡匹配段连接所述馈电同轴连接器和所述其中一个方形脊；所述馈电同轴连接器的纵轴方向和所述开口波导的传输轴方向一致；

一条所述校正波导内腔设置校正波导脊和2个校正同轴连接器；所述2个校正同轴连接器分别设置在一条校正波导的两端；所述2个校正同轴连接器的纵轴方向和所述开口波导的传输轴方向一致；

一条所述校正波导沿纵向水平设置在相邻两列开口脊波导天线单元的中间位置，且处于所述相邻两列开口脊波导天线单元的两列馈电同轴连接器之间；相邻两列开口脊波导天线单元的部分底壁共同构成一条所述校正波导的顶壁；在所述相邻两列开口脊波导天线单元的部分底壁上分别设置一列耦合槽，使所述相邻的两列开口脊波导天线单元的内腔和一条所述校正波导的内腔连通，形成阵列天线的内校正通道。

进一步的，所述开口脊波导阵列天线还包括扼流槽；所述扼流槽设置在相邻两个开口脊波导天线单元之间的公共壁上部。

进一步的所述过渡匹配段为渐变的阶梯状结构。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明所述开口脊波导阵列天线采用包含渐变阶梯状过渡匹配段的方形脊，同时充分压缩开口波导的截面尺寸，实现了宽频带、二维宽角扫描的工作性能；并将连接器偏离中心设置，在开口脊波导底部设置耦合槽以及校正波导，在小单元间距天线中集成了内校正通道，使其具有了内校正功能，实现了高集成度设计；同时还具有结构紧凑、体积小、重量轻、机械强度好、可靠性高的优点，特别是其集成度高，可以有效提高平台利用率，适合作为机载、无人机载、弹载和星载等平台的相控阵天线。

附图说明

图1为本发明实施例集成内校正通道的开口脊波导天线单元的组成结构图；

图2为本发明实施例集成内校正通道的开口脊波导天线单元的主视图；

图3为本发明实施例集成内校正通道的开口脊波导天线单元的侧视图；

图4为本发明实施例集成内校正通道的开口脊波导天线单元的俯视图；

图5为本发明实施例开口脊波导天线单元的驻波曲线；

图6为本发明实施例集成内校正通道的开口脊波导阵列天线的组成示意图；

图7为本发明实施例集成内校正通道的开口脊波导阵列天线的水平向典型方向图；

图8为本发明实施例集成内校正通道的开口脊波导阵列天线的垂直向典型方向图。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

本发明的集成内校正通道的开口脊波导阵列天线由n×m个开口脊波导天线单元组成，横向每行由n个开口脊波导天线单元组成，纵向每列由m个开口脊波导天线单元组成。图1～图4是本发明实施例阵列天线的其中两个相邻的开口脊波导天线单元的组成结构图和三视图，开口脊波导天线单元包含以下组成部分：馈电同轴连接器1、过渡匹配段2、开口波导3、方形脊4、扼流槽5、耦合槽6、校正波导7、校正波导脊8、校正同轴连接器9。

开口波导3为矩形，为了扩展开口波导天线的工作带宽并压缩腔体尺寸，在开口波导3沿横向的两壁内侧中心线处设置有两个方形脊4，在其中一个方形脊4上设置过渡匹配段2，以连接设置在开口波导3底部的馈电同轴连接器1，馈电同轴连接器1的纵轴方向和开口波导3的传输轴方向一致，实现同轴线和脊波导之间基模的转换；过渡匹配段2为阶梯状结构，通过调整方形脊4及过渡匹配段2的各阶梯结构的尺寸，可以改变开口脊波导天线单元的辐射阻抗使其与空间波传输阻抗匹配，由于过渡匹配段2的阶梯状结构是渐变的，可以使开口脊波导天线单元的辐射阻抗变化比较平缓，从而具有宽带工作性能。同时，在开口波导3中加载两个方形脊4，可以大幅度地压缩开口波导3的腔体截面尺寸，使其具有二维宽角扫描的性能，并减轻重量，提高集成度，从而有效提高平台的空间利用率。

在相邻的两个开口脊波导天线单元的公共壁上部设置有扼流槽5，以抵消面电流，减小相邻天线单元之间的互耦，从而有效提高天线的宽角扫描性能。扼流槽5根据信号频率不同而设置不同的槽深。

一条校正波导7内设置有校长波导脊8和两个校正同轴连接器9，两个校正同轴连接器9分别设置在一条校正波导7的两端，且校正同轴连接器9的纵轴方向和开口波导3的传输轴方向一致。

为了实现了高集成度设计，将一条校正波导7沿纵向水平设置在相邻两列开口脊波导天线单元下方的中间位置且处于相邻两列馈电同轴连接器1之间，相邻两列的开口脊波导天线单元的部分底壁共同构成其下方的一条校正波导7的顶壁。当相邻两列馈电同轴连接器1之间间距较小时，可以将馈电同轴连接器1偏离开口波导3的中心设置，且相邻的两列开口脊波导天线单元的两列馈电同轴连接器1对称设置，以满足校正波导7的设置空间。在相邻两列开口脊波导天线单元的部分底壁上分别设置一列耦合槽6，一条校正波导7可以通过两列耦合槽6与相邻的两列开口脊波导天线单元连通，作为相邻的两列开口脊波导天线单元的内校正通道，从而使小单元间距的相控阵天线具有内校正功能。

本发明实施例天线可用于发射、接收无线电波。发射时，无线电波信号从开口波导3底部的馈电同轴连接器1注入开口脊波导天线单元，经过过渡匹配段2流向方形脊4，由方形脊4与开口波导3一起形成谐振感应电流，激励起高频电磁波向空间辐射；同时，一小部分能量的电磁场经过耦合槽6耦合到校正波导7中，在校正波导7内传输并由校正波导7内的校正同轴连接器9输出，形成发射内校正信号。

接收时，开口脊波导天线单元收集空间电磁波，由方形脊4与开口波导3形成谐振感应电流，流向方形脊4和过渡匹配段2，经开口波导3底部的馈电同轴连接器1输出，形成接收信号。接收校正时，无线电波信号由校正波导7内的校正同轴连接器9注入校正波导7，一小部分能量经过耦合槽6耦合到开口波导3中，由开口波导3底部的馈电同轴连接器1输出，形成接收校正信号。

图5是本发明实施例开口脊波导天线单元的实测驻波曲线，在15～17GHz工作带宽内的驻波小于2，说明本发明实施例的开口脊波导天线单元具有宽带工作特性。

图6是本发明实施例集成内校正通道的开口脊波导阵列天线的组成示意图，包含8×8个开口脊波导天线单元和4条校正波导，每条校正波导可以作为相邻2列2×8个开口脊波导天线单元的内校正通道。

图7是本发明实施例集成内校正通道的开口脊波导阵列天线(8×8个单元)水平向的法向和扫描60°的实测方向图，图8是本发明实施例集成内校正通道的开口脊波导阵列天线(8×8个单元)垂直向的法向和扫描60°的实测方向图，从图7和图8可以看出本发明实施例集成内校正通道的开口脊波导阵列天线具有二维宽角扫描的性能。

基于本发明实施例的开口脊波导天线单元，可以构建任意规模的n×m个单元的集成内校正通道的开口脊波导阵列天线，通过与功分网络或T/R组件的连接可以构建大型有源相控阵天线。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (3)

1.集成内校正通道的开口脊波导阵列天线，其特征在于：所述开口脊波导阵列天线包括：n×m个开口脊波导天线单元、n/2条校正波导(7)；横向每行由n个开口脊波导天线单元组成，纵向每列由m个开口脊波导天线单元组成；n、m均为自然数；

其中，所述开口脊波导天线单元包括：矩形的开口波导(3)、设置在开口波导(3)横向的两侧内壁中心线处的两个方形脊(4)、设置在其中一个方形脊下部的过渡匹配段(2)、设置在开口波导(3)底部的馈电同轴连接器(1)；所述过渡匹配段(2)连接所述馈电同轴连接器(1)和所述其中一个方形脊(4)；所述馈电同轴连接器(1)的纵轴方向和所述开口波导(3)的传输轴方向一致；

一条所述校正波导(7)内腔设置校正波导脊(8)和2个校正同轴连接器(9)；所述2个校正同轴连接器(9)分别设置在一条校正波导(7)的两端；所述2个校正同轴连接器(9)的纵轴方向和所述开口波导(3)的传输轴方向一致；

一条所述校正波导(7)沿纵向水平设置在相邻两列开口脊波导天线单元的中间位置，且处于所述相邻两列开口脊波导天线单元的两列馈电同轴连接器(1)之间；相邻两列开口脊波导天线单元的部分底壁共同构成一条所述校正波导(7)的顶壁；在所述相邻两列开口脊波导天线单元的部分底壁上分别设置一列耦合槽(6)，使所述相邻的两列开口脊波导天线单元的内腔和一条所述校正波导(7)的内腔连通，形成阵列天线的内校正通道。

2.根据权利要求1所述的集成内校正通道的开口脊波导阵列天线，其特征在于：所述开口脊波导阵列天线还包括扼流槽(5)；所述扼流槽(5)设置在相邻两个开口脊波导天线单元之间的公共壁上部。

3.根据权利要求1所述的集成内校正通道的开口脊波导阵列天线，其特征在于：所述过渡匹配段(2)为渐变的阶梯状结构。