CN105470652B - 低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线，该天线采用波导缝隙阵作为天线辐射阵面，将波导缝隙辐射阵列、波导变换段、波导阵列至双平行板波导过渡段、双平行板波导四部分焊接成一体构成低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线的辐射系统。并采用波导缝隙线阵作为天线馈源主体，将波导缝隙线阵、耦合缝隙、馈电波导连接段焊接成一体构成天线的馈源系统。将馈源系统嵌套插入双平行板波导内对辐射系统进行馈电。在伺服电机的驱动下，馈源系统可绕设计的旋转轴在双平行板波导内进行宽角域快速转动。

Description

低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线
技术领域
本发明属于波束扫描天线技术领域，特别涉及一种低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线。
背景技术
波导缝隙阵天线具有低成本、高效率、高功率容量等优点，能够在极低的剖面内生成高增益窄波束。在现有精密加工水平下，通过改变天线辐射缝隙的尺寸、位置和倾角等参数，容易对辐射口面的幅度和相位分布进行控制，从而实现辐射波束的低副瓣特性。因此，该类天线在各种雷达和通信系统中的应用十分广泛。
然而，由于传统波导缝隙阵天线辐射波束的方向固定不变，为满足小载荷SAR、车载和机载动中通系统对波束宽角度扫描的要求，该类天线一般采用以下两种工作方式：一是基于伺服系统进行机械扫描，二是基于T/R组件进行相控电扫描。前者采用的伺服系统剖面较高，不仅无法实现与载体的共面设计，甚至常常难以布置在弹载、车载和机载有限的空间环境内。后者则需要使用大量的T/R组件，而现阶段T/R组件还存在着成本昂贵、效率不高、散热问题较为突出等缺点，限制了其在小载荷SAR、车载和机载动中通系统中的广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线，该天线同时具备低成本、低损耗、低副瓣、高增益、高功率容量优势。
本发明实现上述目的的技术方案如下：
低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线包括波导缝隙辐射阵列、波导变换段、过渡段、双平行板波导、波导缝隙线阵、耦合缝隙、馈电波导连接段和旋转轴；波导缝隙辐射阵列、波导变换段、过渡段和双平行板波导依次焊接为一体，构成天线的辐射系统；波导缝隙线阵、耦合缝隙和馈电波导连接段依次焊接为一体，构成天线的馈源系统；其中：
双平行板波导的上顶面和下底面间构成空腔，且侧面具有开口，下底面在所述开口一侧开设有弧形槽，且所述下底面上安装有旋转轴；馈源系统的一端从所述开口插入到双平行板波导的空腔内，即波导缝隙线阵和耦合缝隙，以及馈电波导连接段的一端位于所述空腔内，而馈电波导连接段的另一端从所述弧形槽伸出，并与旋转轴连接；旋转轴转动时带动馈源系统在双平行板波导的空腔内转动。
在上述的低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线中，馈电波导连接段伸出空腔外的一端具有输入输出接口，所述接口采用标准波导法兰接口。
在上述的低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线中，波导缝隙辐射阵列、波导变换段、过渡段和双平行板波导之间采用真空焊接工艺依次焊接为一体。
在上述的低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线中，馈源系统的波导缝隙线阵、耦合缝隙和馈电波导连接段分层加工后，再真空钎焊为一体。
在上述的低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线中，馈源系统绕所述旋转轴在双平行板波导的空腔内转动，且通过调整旋转轴的转动范围，限定馈源系统在空腔内的转动角度范围，所述转动角度范围最大为-60°～60°。
在上述的低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线中，波导缝隙辐射阵列为矩形波导缝隙阵、脊波导缝隙阵或多模波导缝隙阵，其中，通过调整所述缝隙阵的缝隙尺寸和位置，实现对天线辐射波束沿阵列方向的一维副瓣的调整。
在上述的低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线中，过渡段采用张角喇叭状过渡或双平行板阶梯过渡。
在上述的低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线中，波导缝隙阵列采用脊波导缝隙线阵、矩形波导缝隙线阵或多模波导缝隙阵；通过调整波导缝隙线阵的缝隙位置，实现对天线辐射波束沿垂直阵列方向的一维副瓣的调整。
在上述的低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线中，耦合缝隙采用“Z”字型缝隙的形式，实现能量从馈电波导连接段向波导缝隙线阵的传输。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
1.本发明采用波导缝隙线阵和双平行板波导嵌套馈电波导缝隙辐射阵列的天线结构形式，不仅具备低成本、低损耗、低副瓣、高增益、高功率容量的优点，这种馈电结构还使得馈源系统能够在双平行板波导内绕设计的旋转轴进行宽角域快速转动，在低剖面下实现辐射波束的宽角度快速扫描，从而有效克服了传统机械扫描波导缝隙天线宽角扫描时剖面高的缺陷；
2.本发明采用波导变换段连接波导缝隙辐射阵列和波导阵列至双平行板波导过渡段，可使得天线在宽角扫描时获取较好的驻波比特性，工作频段内可控制天线的驻波比≤1.6。
3.本发明的低剖面宽角扫描波导缝隙天线能够在低剖面内实现天线辐射波束的宽角扫描，而不需要采用昂贵的T/R组件，克服了基于T/R组件的低剖面相控电扫描天线成本高、效率低、散热问题突出的缺陷。
附图说明
图1为本发明的低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线整体结构图。
图2为本发明的低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线辐射系统结构图。
图3为本发明的低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线馈源系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
本发明为了得到低成本、低损耗、低副瓣、高增益、高功率容量的波导缝隙阵天线，采用波导缝隙阵作为天线辐射阵面，将波导缝隙辐射阵列、波导变换段、波导阵列至双平行板波导过渡段、双平行板波导四部分焊接成一体构成低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线的辐射系统。并采用波导缝隙线阵作为天线馈源主体，将波导缝隙线阵、耦合缝隙、馈电波导连接段焊接成一体构成天线的馈源系统。将馈源系统嵌套插入双平行板波导内对辐射系统进行馈电。在伺服电机的驱动下，馈源系统可绕设计的旋转轴在双平行板波导内进行宽角域快速转动。
如图1所示的天线整体结构图，本发明的低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线包括波导缝隙辐射阵列1、波导变换段2、过渡段3、双平行板波导4、波导缝隙线阵5、耦合缝隙6、馈电波导连接段7和旋转轴8。其中，波导缝隙辐射阵列1、波导变换段2、过渡段3和双平行板波导4依次焊接为一体，构成天线的辐射系统；波导缝隙线阵5、耦合缝隙6和馈电波导连接段7依次焊接为一体，构成天线的馈源系统。
如图2所示，天线辐射系统在结构上分为上中下三层，分别标记为9、10、11。其中，波导缝隙辐射阵列1位于上层，波导变换段2位于中层，波导阵列至双平行板波导的过渡段3和平行板波导4位于中层和下层。天线辐射系统的各部件分别进行精密机械加工，然后采用真空钎焊工艺焊接成一体。其中，双平行板波导4的上顶面和下底面间构成空腔，且侧面具有开口，下底面在所述开口一侧开设有弧形槽12，且所述下底面上安装有旋转轴8。
如图3所示，天线馈源系统由波导缝隙线阵5、耦合缝隙6和馈电波导连接段7三部分构成。其中，馈电波导连接段7输入输出接口14采用标准波导法兰接口。馈源系统采用分层加工再真空钎焊的工艺焊接成一体后，从双平行板波导4的开口插入到空腔内。其中，波导缝隙线阵5和耦合缝隙6，以及馈电波导连接段7的一端位于所述空腔内，而馈电波导连接段7的另一端从弧形槽12伸出，并与旋转轴8连接。该旋转轴8转动时带动馈源系统在双平行板波导4的空腔内转动。在转动过程中，馈电波导连接段7伸出空腔外的一端沿弧形槽12方向同步转动。在工程实现时，根据天线性能要求，通过调整旋转轴8的转动范围，限定馈源系统在空腔内的转动角度范围。目前，该转动角度范围最大为-60°～60°。
在本发明中，波导缝隙辐射阵列1可以采用矩形波导缝隙阵、脊波导缝隙阵或多模波导缝隙阵。其中，通过调整所述缝隙阵的缝隙尺寸和位置，实现对天线辐射波束沿阵列方向的一维副瓣的调整，该副瓣电平的调节范围在-40dB～-15dB。
在本发明中，波导缝隙阵列5采用脊波导缝隙线阵、矩形波导缝隙线阵或多模波导缝隙阵；通过调整波导缝隙线阵5的缝隙位置，实现对天线辐射波束沿垂直阵列方向的一维副瓣的调整，该副瓣电平的调节范围在-40dB～-15dB。
在本发明中，过渡段3采用张角喇叭状过渡或双平行板阶梯过渡。耦合缝隙6采用“Z”字型缝隙的形式，实现能量从馈电波导连接段7向波导缝隙线阵5的传输。
实施例：
在本实施例中，低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线的尺寸为297mm×172mm×35mm。经测试，该天线能够得到的性能指标如下：
工作频段：Ku频段；
驻波比：<1.6；
极化方式：线极化；
扫描角度范围：±60°；
副瓣电平：≤-18dB；
在不同扫描角状态下，测试得到的天线驻波比、增益值和波束宽度结果如表1所示。由该实施例得到的天线性能指标可以看出，本发明的低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线具有低成本、低损耗、低副瓣、高增益、高功率容量的优点。
表1 不同扫描角时天线的仿真驻波比、增益值及波束宽度
天线技术指标 不扫描 ±10°扫描角 ±20°扫描角 ±30°扫描角
驻波比 1.56 1.29 1.29 1.28
增益/dB 30.7 30.5 30.4 29.6
波束宽度/° 6.3×4.3 6.3×4.4 6.3×4.4 6.3×4.5
以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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 (9)

1.低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线，其特征在于：包括波导缝隙辐射阵列(1)、波导变换段(2)、过渡段(3)、双平行板波导(4)、波导缝隙线阵(5)、耦合缝隙(6)、馈电波导连接段(7)和旋转轴(8)；波导缝隙辐射阵列(1)、波导变换段(2)、过渡段(3)和双平行板波导(4)依次焊接为一体，构成天线的辐射系统；波导缝隙线阵(5)、耦合缝隙(6)和馈电波导连接段(7)依次焊接为一体，构成天线的馈源系统；其中：
双平行板波导(4)的上顶面和下底面间构成空腔，且侧面具有开口，下底面在所述开口一侧开设有弧形槽(12)，且所述下底面上安装有旋转轴(8)；馈源系统的一端从所述开口插入到双平行板波导(4)的空腔内，波导缝隙线阵(5)和耦合缝隙(6)，以及馈电波导连接段(7)的一端位于所述空腔内，而馈电波导连接段(7)的另一端从所述弧形槽(12)伸出，并与旋转轴(8)连接；旋转轴(8)转动时带动馈源系统在双平行板波导(4)的空腔内转动。
2.根据权利要求1所述的低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线，其特征在于：馈电波导连接段(7)伸出空腔外的一端具有输入输出接口(14)，所述接口采用标准波导法兰接口。
3.根据权利要求1所述的低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线，其特征在于：波导缝隙辐射阵列(1)、波导变换段(2)、过渡段(3)和双平行板波导(4)之间采用真空焊接工艺依次焊接为一体。
4.根据权利要求1所述的低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线，其特征在于：馈源系统的波导缝隙线阵(5)、耦合缝隙(6)和馈电波导连接段(7)分层加工后，再真空钎焊为一体。
5.根据权利要求1所述的低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线，其特征在于：馈源系统绕所述旋转轴(8)在双平行板波导(4)的空腔内转动，且通过调整旋转轴的转动范围，限定馈源系统在空腔内的转动角度范围，所述转动角度范围最大为-60°～60°。
6.根据权利要求1所述的低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线，其特征在于：波导缝隙辐射阵列(1)为矩形波导缝隙阵或脊波导缝隙阵，其中，通过调整所述缝隙阵的缝隙尺寸和位置，实现对天线辐射波束沿阵列方向的一维副瓣的调整。
7.根据权利要求1所述的低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线，其特征在于：过渡段(3)采用张角喇叭状过渡或双平行板阶梯过渡。
8.根据权利要求1所述的低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线，其特征在于：波导缝隙阵(5)采用脊波导缝隙线阵或矩形波导缝隙线阵；通过调整波导缝隙线阵(5)的缝隙位置，实现对天线辐射波束沿垂直阵列方向的一维副瓣的调整。
9.根据权利要求1所述的低剖面宽角扫描波导缝隙阵天线，其特征在于：耦合缝隙(6)采用“Z”字型缝隙的形式，实现能量从馈电波导连接段(7)向波导缝隙线阵(5)的传输。
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