CN107086362A - 一种共形低副瓣波导缝隙阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种共形低副瓣波导缝隙阵列天线，其特征是：由辐射矩形波导阵列、馈电矩形波导和同轴馈电组成；辐射矩形波导阵列的宽边垂直于馈电矩形波导的宽边；顶部的辐射矩形波导阵列宽边开有偏置辐射缝隙，馈电矩形波导的宽边开有倾斜耦合缝隙；在馈电矩形波导的端部设置有同轴馈电接口。其中馈电分两级，第一级是底部同轴线缆对中间的馈电矩形波导馈电，第二级是馈电矩形波导利用其上制有的倾斜耦合缝隙完成对辐射矩形波导阵列的馈电，偏置辐射缝隙作为天线辐射阵面完成天线辐射。本发明根据现代雷达技术对天线抗干扰能力以及对微信号灵敏度等指标要求，设计出了具有易共形、低副瓣、高增益、易于设计、结构紧凑等特点的天线。

Description

一种共形低副瓣波导缝隙阵列天线
技术领域
本发明属于雷达天线技术领域，具体涉及一种共形低副瓣波导缝隙阵列天线。
背景技术
随着对雷达抗干扰要求的提高以及脉冲多普勒可视雷达的发展,天线应具有低副瓣甚至极低副瓣的性能，发展到现在，低副瓣天线主要分为阵列天线和反射面天线两大类以及一些根据应用场合不同而制造的特殊天线等。
微带贴片阵列天线，是一种典型的阵列天线。由于微带具有体积小、重量轻、剖面薄、易于加工等优点，得到了广泛的研究和应用，但是微带天线具有较大的损耗，所以天线增益比较低，同时介质基板对天线性能的影响较大，可能存在表面波等缺点，制约了微带天线在雷达应用中更广泛的应用。
卡塞格伦天线，是一种常用的反射面天线。标准的卡塞格伦天线由主反射面、副反射面和馈源组成。为了获得聚焦特性，主反射面必须是旋转抛物面，副反射面是旋转双曲面，馈源可以是各种形式，但一般用喇叭作馈源，因此卡塞格伦天线的尺寸就相对而言较大，不符合小型化的设计需求，同时该天线的造价往往也更昂贵。
特殊馈源天线，是一种通过特殊设计的馈源来实现低副瓣的天线。比如帽子形自支撑式旋转波纹馈源，用这种馈源给反射面馈电，可以实现很好的低副瓣效果，然而这些馈电系统是天线设计中的一个重要问题，在天线与馈源的匹配、结构的复杂性和馈电网络的准确性之间权衡、解决内外噪声干扰的问题上很难实现较好的平衡。
发明内容
本发明为克服现有技术存在的缺陷与不足之处，提供一种易共形、低副瓣、高增益、易于设计、结构紧凑的共形低副瓣波导缝隙阵列天线，以期能满足现代雷达技术对天线抗干扰能力以及对微信号灵敏度等指标要求，从而实现雷达对目标波束的精确截取并提高了反干扰的能力。
为实现上述技术目的，采本发明用的技术方案为：
本发明一种共形低副瓣波导缝隙阵列天线的特点是，所述波导缝隙阵列天线是N个波导缝隙天线组成，并以圆柱体为载体形成共形；每个波导缝隙天线是由辐射矩形波导阵列和馈电矩形波导构成；
所述辐射矩形波导阵列的宽边垂直于所述馈电矩形波导的宽边，且所述馈电矩形波导位于所述辐射矩形波导阵列长边中心的正下方；
在所述辐射矩形波导阵列的宽边上开有所述若干个偏置辐射缝隙；所述若干个偏置辐射缝隙纵向分布于所述辐射矩形波导阵列宽边中心线的两侧，且左右交错排列；所述若干个偏置辐射缝隙的宽度相同，但长度和相对于宽边中心线的偏移量不同，并根据电导与长度的反三角函数计算得到；
在所述馈电矩形波导的宽边开有若干个倾斜耦合缝隙；所述馈电矩形波导宽边上的若干个倾斜耦合缝隙的宽度和长度均相同，但相对于所述馈电矩形波导宽边中心线的倾斜角度不同，并根据电导与角度的反三角函数计算得到；
在所述波导缝隙阵列天线任意一侧的馈电矩形波导的底部设置有所述同轴馈电及其接口；
由所述同轴馈电对所述馈电矩形波导的馈电形成第一级馈电，由所述倾斜耦合缝隙对所述辐射矩形波导阵列的馈电形成第二级馈电；
所述波导缝隙阵列天线是以两级馈电为馈电区和传输区，以所述若干个偏置辐射缝隙为辐射区，从而实现能量的接收和发送。
本发明所述的一种共形低副瓣波导缝隙阵列天线的特点也在于，
根据电导与长度的反三角函数，利用式(1)获得所述偏置辐射缝隙的相对于宽边中心线的偏移量x和导纳之间的关系：
式(1)中，a表示所述辐射矩形波导阵列的内壁宽边长度；gn表示所述辐射矩形波导阵列上第n个所述偏置辐射缝隙的电导，并有：
式(2)中，an表示第n个所述偏置辐射缝隙的电平分布值；1≤n≤M，M为所述偏置辐射缝隙的个数。
根据电导gi与角度θi的反三角函数，利用式(3)获得第i个馈电矩形波导上的倾斜耦合缝隙相对于宽边中心线的倾斜角度θi：
式(3)中，gi表示所述馈电矩形波导上第i个所述倾斜耦合缝隙的电导；1≤i≤N，N为所述波导缝隙天线的个数；G0表示电导gi与倾斜角度θi之间的比例系数。
与现有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明天线中辐射矩形波导阵列的宽边开有偏置辐射缝隙，偏置辐射缝隙通过切割辐射矩形波导阵列宽边金属外壁上表面电流，实现了天线能量辐射。偏置辐射缝隙的宽度相同，缝隙长度和缝隙偏移量不同，其参数根据反三角函数计算得出，与常见的泰勒加权不同，降低了天线的副瓣，提高了天线接收的灵敏度。
2、本发明天线中馈电矩形波导宽边中心线上开有倾斜耦合缝隙，倾斜耦合缝隙切割馈电矩形波导宽边金属外壁上表面电流，实现了对辐射矩形波导阵列的馈电。倾斜耦合缝隙的宽度和长度均相同，只有倾斜角度不同，其参数根据电导与角度的反三角函数计算得出，与常见的泰勒加权不同，提高了天线的增益。
3、本发明天线采用两级馈电。第一级是底部同轴馈电对中间的馈电矩形波导馈电，馈电方式简单，且结构紧凑，易于加工和组成大型阵列天线；第二级是利用馈电矩形波导上制有的倾斜耦合缝隙对辐射矩形波导阵列馈电，有效地提高了馈电网络的效率，减小了馈电系统对天线的影响，保证了天线性能。
4、本发明过使用全金属的材料的方式，将馈电矩形波导和同轴馈电从上自下焊接压合一体化，易加工，并有效的控制了天线的体积，更有利于延长天线的使用寿命及提高稳定性。
5、本发明天线适合共形。传统的波导缝隙阵列天线，基本上都是平面结构，不宜应用于雷达和飞机等天线面积有限的情况，所以采用共形结构可以减少天线的占地面积，并且减少天线对共形载体的影响。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图；
图2是本发明的单根波导缝隙天线三维结构示意图；
图3是本发明的侧视图；
图4是本发明的增益图；
图中标号：1圆柱体；2辐射矩形波导阵列；3馈电矩形波导；4同轴馈电；5倾斜耦合缝隙；6偏置辐射缝隙。
具体实施方式
本实施例中，如图1所示，一种共形低副瓣波导缝隙阵列天线，是由N个波导缝隙天线组成，并以圆柱体1为载体形成共形；每个波导缝隙天线是由辐射矩形波导阵列2和馈电矩形波导3构成；
辐射矩形波导阵列2的宽边垂直于馈电矩形波导3的宽边，且馈电矩形波导3位于辐射矩形波导阵列2长边中心的正下方，呈一体化设计，有利于延长天线的使用寿命及提高稳定性，并有效的控制了天线的体积。天线全部采用金属材料，可以加强整个天线的物理强度，在恶劣条件下使用时间更加持久。选择全金属结构一方面保证了在结构所必要的支撑强度下节省了材料，降低成本，另一方面单一加工材料降低了天线加工的复杂程度。
如图1所示，在辐射矩形波导阵列2的宽边上开有若干个偏置辐射缝隙6；偏置辐射缝隙6切割辐射矩形波导阵列2宽边金属外壁上表面电流，表面电流一部分绕过偏置辐射缝隙6，另一部分以位移电流的形式沿原表面电流方向流过偏置辐射缝隙6，位移电流的电力线向外空间辐射，实现天线能量辐射。若干个偏置辐射缝隙6纵向分布于辐射矩形波导阵列2宽边中心线的两侧，且左右交错排列；若干个偏置辐射缝隙6的宽度相同，但长度和相对于宽边中心线的偏移量不同，并需要根据天线性能要求来确定，同时各个偏置辐射缝隙6之间中心距为1/2波导波长λg为基准，再根据电导与长度的反三角函数计算得到各个增量，这样得到的一个类似于正态分布的增量可以使天线辐射更加集中，以实现天线阵面低副瓣性能。具体的说，在辐射矩形波导阵列2的宽边上开有M个偏置辐射缝隙6，可利用式(1)和式(2)获得相对于宽边中心线的偏移量x与导纳gn之间的关系：
式(1)和式(2)中，1≤n≤M，M为偏置辐射缝隙6的个数；a表示辐射矩形波导阵列2的内壁宽边长度；采用Chebyshev电流分布，an表示第n个偏置辐射缝隙(6)的电平分布值；gn表示辐射矩形波导阵列2上第n个偏置辐射缝隙6的电导。同时，偏置辐射缝隙6的长度可以由HFSS的优化功能来确定，宽度可以根据实际的加工确定。
如图1所示，馈电矩形波导3的宽边开有若干个倾斜耦合缝隙5，倾斜耦合缝隙5切割馈电矩形波导3宽边金属外壁上表面电流，表面电流一部分绕过倾斜耦合缝隙5，另一部分以位移电流的形式沿原表面电流方向流过倾斜耦合缝隙5，位移电流的电力线向外空间辐射，实现对辐射矩形波导阵列2的馈电。N个波导缝隙天线上的倾斜耦合缝隙5的宽度和长度均相同，但相对于馈电矩形波导3宽边中心线的倾斜角度不同，并根据电导与角度的反三角函数计算得到。倾斜耦合缝隙5可以控制电磁波的辐射强度，馈电矩形波导3中的电磁波是在馈电矩形波导3壁上不断反射向前传播的，通过控制倾斜耦合缝隙5的旋转角度可以控制从馈电矩形波导3中耦合到辐射矩形波导阵列2的电磁波辐射强度，旋转角度越大对应的辐射强度越大，从而使相应的辐射矩形波导阵列2获得不同功率的能量，实现天线的高增益。具体的倾斜角度θi与电导gi之间的关系如式(3)：
式(3)中，1≤i≤N，N为波导缝隙天线的个数；θi表示第i个馈电矩形波导3上倾斜耦合缝隙5相对于宽边中心线的倾斜角度；gi表示馈电矩形波导3上第i个倾斜耦合缝隙5的电导；G0表示电导gi与倾斜角度θi之间的比例系数。
如图1、图2所示，波导缝隙阵列天线任意一侧的馈电矩形波导3的底部设置有同轴馈电4及其接口。同轴馈电4对馈电矩形波导3的馈电形成第一级馈电，由倾斜耦合缝隙5对辐射矩形波导阵列2的馈电形成第二级馈电。第一级是外部直接馈电，在馈电矩形波导3的一端处设置同轴馈电4的接口，采用同轴馈电4，馈电方式简单，结构紧凑，可以实现低副瓣，易于加工和组成大型阵列天线，同时减少了微带线或者带状线等馈电结构中特性阻抗容易随频率的变化而发生改变的现象，提高了馈电和天线的匹配，减少了产生的色散现象，降低了寄生辐射。第二级是天线内部通过倾斜耦合缝隙5实现馈电，通过改变倾斜耦合缝隙5的排列规律和倾斜耦合缝隙5的位置、尺寸等参数，可以改变倾斜耦合缝隙5切割表面电流的大小，而使不同的倾斜耦合缝隙5处的金属表面电流不同，这种馈电方式有效地提高了馈电网络的效率，减小馈电系统对天线的影响，保证天线性能。
如图3所示，由于传统的波导缝隙阵列天线，基本上都是平面结构，不利于用在天线面积有限的情况，考虑到共形载体以及单元间互耦效应对阵列以及阵列单元的谐振频率、带宽和极化等性能的影响，该天线以圆柱体1为载体形成共形。采用共形结构增加了载体可以安装天线的位置，大大减小了天线的气动阻力，减少天线对共形载体的影响。
波导缝隙阵列天线是以两级馈电为馈电区和传输区，若干个偏置辐射缝隙6为辐射区，从而实现能量的接收和发送。
如图4所示，通过仿真测试，通过调整各个偏置辐射缝隙6的尺寸和位置，实现对天线辐射波束阵列方向的副瓣的调整，观察在激励方向和垂直于激励方向的二维方向图，主瓣增益为24dB，副瓣增益为0.7dB，与主瓣相差23dB左右，满足波导缝隙阵天线使用场合的低副瓣要求。

Claims (3)

1.一种共形低副瓣波导缝隙阵列天线，其特征是，所述波导缝隙阵列天线是N个波导缝隙天线组成，并以圆柱体(1)为载体形成共形；每个波导缝隙天线是由辐射矩形波导阵列(2)和馈电矩形波导(3)构成；
所述辐射矩形波导阵列(2)的宽边垂直于所述馈电矩形波导(3)的宽边，且所述馈电矩形波导(3)位于所述辐射矩形波导阵列(2)长边中心的正下方；
在所述辐射矩形波导阵列(2)的宽边上开有所述若干个偏置辐射缝隙(6)；所述若干个偏置辐射缝隙(6)纵向分布于所述辐射矩形波导阵列(2)宽边中心线的两侧，且左右交错排列；所述若干个偏置辐射缝隙(6)的宽度相同，但长度和相对于宽边中心线的偏移量不同，并根据电导与长度的反三角函数计算得到；
在所述馈电矩形波导(3)的宽边开有若干个倾斜耦合缝隙(5)；所述馈电矩形波导(3)宽边上的若干个倾斜耦合缝隙(5)的宽度和长度均相同，但相对于所述馈电矩形波导(3)宽边中心线的倾斜角度不同，并根据电导与角度的反三角函数计算得到；
在所述波导缝隙阵列天线任意一侧的馈电矩形波导(3)的底部设置有所述同轴馈电(4)及其接口；
由所述同轴馈电(4)对所述馈电矩形波导(3)的馈电形成第一级馈电，由所述倾斜耦合缝隙(5)对所述辐射矩形波导阵列(2)的馈电形成第二级馈电；
所述波导缝隙阵列天线是以两级馈电为馈电区和传输区，以所述若干个偏置辐射缝隙(6)为辐射区，从而实现能量的接收和发送。
2.根据权利要求1所述的一种共形低副瓣波导缝隙阵列天线，其特征是，根据电导与长度的反三角函数，利用式(1)获得所述偏置辐射缝隙(6)的相对于宽边中心线的偏移量x和导纳之间的关系：
<mrow> <mi>x</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>a</mi> <mi>&amp;pi;</mi> </mfrac> <mi>a</mi> <mi>r</mi> <mi>c</mi> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1.066</mn> <msqrt> <msub> <mi>g</mi> <mi>n</mi> </msub> </msqrt> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式(1)中，a表示所述辐射矩形波导阵列(2)的内壁宽边长度；gn表示所述辐射矩形波导阵列(2)上第n个所述偏置辐射缝隙(6)的电导，并有：
<mrow> <msub> <mi>g</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msubsup> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mrow> <mn>2</mn> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>M</mi> </munderover> <msubsup> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式(2)中，an表示第n个所述偏置辐射缝隙(6)的电平分布值；1≤n≤M，M为所述偏置辐射缝隙(6)的个数。
3.根据权利要求1所述的一种共形低副瓣波导缝隙阵列天线，其特征是，根据电导gi与角度θi的反三角函数，利用式(3)获得第i个馈电矩形波导(3)上的倾斜耦合缝隙(5)相对于宽边中心线的倾斜角度θi：
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式(3)中，gi表示所述馈电矩形波导(3)上第i个所述倾斜耦合缝隙(5)的电导；1≤i≤N，N为所述波导缝隙天线的个数；G0表示电导gi与倾斜角度θi之间的比例系数。
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