CN107123854B - 基于单脊蛇形波导的频相混合电扫双缝阵列天线 - Google Patents

基于单脊蛇形波导的频相混合电扫双缝阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于雷达天线技术领域，具体为基于单脊蛇形波导的频相混合电扫双缝阵列天线。其包含多根并列放置的蛇形单脊波导双缝阵。在沿波导线方向进行频扫，垂直于波导线方向则通过移相器来控制波束扫描。蛇形单脊波导由波导同轴过渡段、陡变折叠段、缓变折叠段和开在陡变折叠段上的双缝组成。波导两端设计有波导同轴过渡段，可以方便的用同轴线来馈电和接吸收负载；蛇形线在开有缝隙的一端采用陡变的结构而在下端采用缓变的结构；开在陡变折叠线上的双缝间按相同方向倾斜，而双缝内则按相反的方向倾斜。本天线的成本低；而与采用体移相器的阵列相比，结构更简单，损耗更小，性能更稳定。

Description

基于单脊蛇形波导的频相混合电扫双缝阵列天线
技术领域
本发明属于雷达天线技术领域，具体涉及一种频相混合电扫的脊波导双缝阵列天线，尤其涉及由多根单脊蛇形波导双缝阵列天线并列组成的两维电扫阵列天线。
背景技术
波导缝隙天线因其低损高增益、低剖面和结构稳定等优良特性而在通讯和雷达领域得到了广泛的应用。波导缝隙的形式多种多样，常用的有宽边偏置缝隙、窄边倾斜缝隙、脊波导双缝等。但是由于金属波导尺寸和缝隙辐射原理的限制，缝隙波导阵往往只能在一个面上进行电扫，这就大大限制了波导缝隙阵列的应用范围。
相控阵因其高数据率、快捷而精确的波束转换能力等优点在军事上等到了广泛的应用，但是由于其高昂的成本，因此其应用领域受了非常大的限制。为了能够将相控阵的成本降低，使其优越的性能能够发挥出更大的价值，因此发展出了各种各样的方案，如Rotman透镜，铁氧体体移相器等。
上述提到的廉价的方案，都有各种各样的问题，如结构复杂、损耗大以及性能不稳定等。
发明内容
本发明旨在突破原缝隙阵列天线只能在一个维度进行电扫描的限制，提供一种廉价的可以进行两维电扫的性能稳定的波导缝隙阵列天线。
本发明提供的波导缝隙阵列天线，是基于单脊蛇形波导的频相混合电扫双缝阵列天线，其主体结构为一根蛇形单脊波导管，波导管的两端都开路；蛇形单脊波导管通过法兰与同轴波导适配器连接，一端通过同轴线进行馈电，另一端则接匹配负载；
所述的蛇形单脊波导管，由陡变的折叠部分和缓变得折叠部分组合而成，陡变折叠部分构成波导管上半部的结构，而缓变折叠部分则构成波导管下半部的结构；
在陡变折叠部分的脊边上开有双缝，双缝之间的倾斜角度相同，而双缝内的倾斜角度则相反。
所述同轴波导适配器按切比雪夫四节匹配的方式设计。
所述法兰在垂直于波导线的方向与脊波导的尺寸一样，并沿波导线方向进行扩展。这是为了使并列放置的蛇形单脊波导缝隙阵之间的距离尽可能的小，以增大阵列沿波导线方向的扫描角度；在沿波导线方向法兰的尺寸要比脊波导的尺寸大，这是为了将同轴波导转换段与主体结构稳定的连接在一块。
所述陡变折叠部分由两段竖直方向的脊波导、两段四分之一圆弧和一段水平方向的脊波导组成，陡变折叠部分的竖直脊波导之间共用一波导壁，这是为了尽量减小沿波导线方向的缝隙之间的距离，使得频扫的角度可以最大；而采用陡变折叠结构的设计是为了尽量减小由于不连续部分产生的高阶模式对辐射方向图的影响，另外这样的结构设计也是为了降低天线阵列的回波损耗。
所述缓变折叠部分由两端曲率半径较大的弧线组成，这是为了尽可能的利用折叠波导线下方的空间，尽量的减小整体结构的厚度。
所述双缝开在陡变折叠部分的脊边上，双缝内的两个缝隙之间倾斜的角度相反，这是因为脊边上的电流方向相反；双缝之间的倾斜角度相同，这是为了防止没有衰减完全的高阶模式对辐射方向图产生影响；双缝所在脊边加厚，以提高结构的稳定性并且使缝隙共振。
其中，同轴波导适配器端部设有同轴接口，该同轴接口可以直接插拔，不需要额外的电连接措施，通过螺丝与同轴波导过渡段机械连接在一块。
本发明是基于单脊蛇形波导的频相混合电扫双缝阵列天线，既可以单独工作，在波导线方向进行频率扫描，在垂直于波导线方向不扫描；也可以将多根单脊波导缝隙阵并列放置组成一个大阵，在沿波导线方向进行频率扫描，而在垂直于波导线的方向则通过移相器来控制波束扫描。
本发明的有益效果：通过在一个维度上用频率扫描，在另一个维度上用移相器扫描的混合两维电扫模式代替原来的两维均通过移相器来控制波束扫描的模式，可以让阵列中T/R组件的数量减少到原来的几十到几百分之一，从而大大降低阵列的成本；由于全阵列均采用金属波导的结构，所以与传统的体移相器阵列相比，本发明的损耗更低，结构更简单，性能更稳定；另外由于免去了庞大数量的移相器，以及传统体移相器额外的附加架构，本阵列运输、安装、维护更方便，成本也更低。
附图说明
图1为单根蛇形脊波导双缝阵列的结构示意图。
图2为双缝示意图。
图3为脊波导结构示意图。
图4为多根蛇形单脊波导缝隙阵列并列放置组成一个大阵的示意图。
图5为不同频率下单根脊波导双缝阵的仿真方向图。
图6为不同频率下的电压驻波比。
图中标号：1为同轴接口，2为同轴波导适配器，3为法兰，4为双缝，5为陡变折叠部分，6为缓变折叠部分，7为脊波导共壁段，8为蛇形单脊波导线。
具体实施方式
图1是剥去了外层附加壳体的蛇形脊波导双缝阵列示意图。单根缝隙阵由同轴波导适配器2和蛇形单脊波导线8两部分组成，8为单根双缝阵列的主体。适配器2和缝隙阵列主体之间通过法兰3进行连接。
如图1所示，法兰3在垂直于波导线方向的尺寸与波导线8的尺寸一样，而在沿波导线放线的尺寸则要延伸出来，以便在法兰上加工定位孔和螺纹孔将同轴波导适配器2与缝隙阵主体8精确的安装以及牢固的连接在一块。
如图1所示，蛇形单脊波导线由陡变折叠部分5和缓变折叠部分6组成，陡变折叠部分5由两段竖直方向的脊波导7、两段四分之一圆弧和一段水平方向的脊波导组成，而竖直方向的脊波导7之间共用波导壁；缓变折叠部分6则由曲率半径较大的弧线组成。
如图1所示，辐射双缝4开在陡变折叠部分的脊边上，其具体的结构如图2所示，一个辐射双缝内部的两个缝隙之间的倾斜角度相反。
如图3所示为单脊波导横截面示意图，本例中给出的单脊波导的尺寸如下：宽a 为16 mm，高b为5 mm，脊宽s为5.25 mm，脊高d为1.8mm，波导壁的厚度t为1mm。阵列工作的中心频率为10 GHz，工作频段为9.6 GHz到10.4 GHz，在8%的相对带宽内，阵列的方向图扫描了60°，阵列仿真得到的方向图如图5所示。
如图6所示为单根蛇形脊波导双缝阵列仿真得到的电压驻波图。
在用数控机床加工时，将蛇形单脊波导双缝阵的主体分为三个部分（上下盖板，中间的脊状结构）分别加工，加工好后再将这三块部件焊接在一块。
如图4所示为将多根蛇形单脊波导双缝阵列并列放置组合成的一个大型阵列，整个整列在沿波导线方向进行频率扫描，而在与波导线垂直的方向则通过移相器来控制进入每根波导信号的相位差而实现沿该方向的波束扫描。

Claims (4)

1.一种基于单脊蛇形波导的频相混合电扫双缝阵列天线，其特征在于，主体结构为一根蛇形单脊波导管，波导管的两端都开路；蛇形单脊波导管通过法兰与同轴波导适配器连接，一端通过同轴线进行馈电，另一端则接匹配负载；
所述蛇形单脊波导管由陡变的折叠部分和缓变得折叠部分组合而成，陡变折叠部分构成波导管上半部的结构，缓变折叠部分则构成波导管下半部的结构；
在陡变折叠部分的脊边上开有双缝，双缝之间的倾斜角度相同，双缝内的倾斜角度相反；
所述法兰在垂直于波导线的方向与脊波导的尺寸一样，并沿波导线方向进行扩展；
所述陡变折叠部分由两段竖直方向的脊波导、两段四分之一圆弧和一段水平方向的脊波导组成，陡变折叠部分的竖直脊波导之间共用一波导壁；
所述缓变折叠部分由两段能利用折叠波导线下方的空间的大曲率半径的弧线组成。
2.根据权利要求1所述的基于单脊蛇形波导的频相混合电扫双缝阵列天线，其特征在于，双缝所在脊边加厚。
3.根据权利要求1所述的基于单脊蛇形波导的频相混合电扫双缝阵列天线，其特征在于，所述同轴波导适配器端部设有同轴接口，该同轴接口可以直接插拔，不需要额外的电连接措施，通过螺丝与同轴波导过渡段机械连接在一块。
4.根据权利要求1所述的基于单脊蛇形波导的频相混合电扫双缝阵列天线，其特征在于，该阵列天线单独工作时，在波导线方向进行频率扫描，在垂直于波导线方向不扫描；或者由多根单脊波导缝隙阵并列放置组成一个大阵，在沿波导线方向进行频率扫描，而在垂直于波导线的方向则通过移相器来控制波束扫描。
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