CN107181064A - 一种二维高密度矩形波导组阵设计 - Google Patents

一种二维高密度矩形波导组阵设计 Download PDF

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Abstract

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种二维高密度矩形波导组阵设计。包括矩形波导E面叠层阵和矩形波导H面叠层阵，该矩形波导E面叠层阵和矩形波导H面叠层阵相当于两个分级组阵；矩形波导E面叠层阵的一面与所述矩形波导H面叠层阵的一面对接，相当于将两个分级组阵级联。这种分级组阵、两个分级组阵级联的结构，可以实现在两个维度上对工作波的传输路径进行任意变换，从而使工作波的传输路径从前端天线阵顺利过渡到后端的电路模块，解决了现有技术中后端电路模块不易于与前端天线阵列集成的问题。

Description

一种二维高密度矩形波导组阵设计
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种二维高密度矩形波导组阵设计。
背景技术
相控阵天线是一种通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线，在军事和民用领域都发挥着重要作用。相控阵天线阵列结构需要对辐射单元、阵列综合、无线收发系统中视频与天线部分(Transmitter and Receiver，T/R组件)、功率分配网络、波束控制、直流电源(DC电源)等电性能和结构布局进行考虑。
传统的相控阵天线集成的阵列结构有两种：基于瓦片式面子阵的横向集成纵向组装和基于砖块式线子阵的纵向集成横向组装。无论是瓦片式还是砖块式结构，天线阵面相邻阵元之间的间距通常都设计为半个波长长度，由于毫米波频段天线相邻阵元之间半个波长长度间距狭小，会导致T/R组件部分的器件安装空间非常有限，而且每个阵元后端要依次连接功放芯片、移相器芯片、低噪声放大器等器件，由于器件数量较多，导致传统的组件集成系统结构复杂、集成困难。在毫米波频段，受限于前端天线阵列的空间距离，使得后端电路模块不易于与前端天线阵列集成。
发明内容
本发明所要解决的技术问题为提供一种二维高密度矩形波导组阵设计，旨在解决传统的后端电路模块不易于与前端天线阵列集成的问题。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的，本发明提供了一种二维高密度矩形波导组阵设计，该设计包括矩形波导E面叠层阵和矩形波导H面叠层阵；
所述矩形波导E面叠层阵由2M个E面半波导层在垂直于矩形波导E面的方向镜像组合并依次叠加形成，其中，M为正整数；
所述矩形波导H面叠层阵由第一半波导边套层、N个H面半波导层和第二半波导边套层，在垂直于矩形波导H面的方向镜像组合并依次叠加形成，其中，N为正整数；
所述矩形波导E面叠层阵的一波导口径阵面与所述矩形波导H面叠层阵的一波导口径阵面对接。
进一步地，所述E面半波导层的一面开有半波导口；所述2M个E面半波导层分成M组，每组的两个E面半波导层的开有半波导口面叠加对接，以形成能够传播工作波的波导口。
进一步地，所述第一半波导边套层和所述第二半波导边套层均一面开有半波导口；所述H面半波导层的两面都开有半波导口；
所述第一半波导边套层的开有半波导口面与第1个所述H面半波导层叠加对接，以形成能够传播工作波的波导口；第N个所述H面半波导层与所述第二半波导边套层的开有半波导口面叠加对接，以形成能够传播工作波的波导口。
进一步地，所述矩形波导E面叠层阵的一波导口径阵面的波导口与所述矩形波导H面叠层阵的一波导口径阵面的波导口匹配对接。
进一步地，所述矩形波导E面叠层阵形成M个长度相同的矩形波导传输路径，所述每个矩形波导传输路径为任意形状，以使所述矩形波导E面叠层阵的波导口与后端电路模块的波导口匹配对接。
进一步地，所述矩形波导H面叠层阵形成N+1个长度相同的矩形波导传输路径，所述每个矩形波导传输路径为任意形状，以使所述矩形波导H面叠层阵的波导口与前端天线阵的波导口匹配对接。
进一步地，所述H面半波导层的厚度是所述第一半波导边套层的厚度的两倍；所述第一半波导边套层和所述第二半波导边套层厚度相同。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
本发明提供了一种二维高密度矩形波导组阵设计，包括由2M个E面半波导层在垂直于矩形波导E面的方向镜像组合并依次叠加形成的矩形波导E面叠层阵，和由第一半波导边套层、N个H面半波导层、第二半波导边套层在垂直于矩形波导H面的方向镜像组合并依次叠加形成的矩形波导H面叠层阵，该矩形波导E面叠层阵和矩形波导H面叠层阵相当于两个分级组阵；且矩形波导E面叠层阵的一面与所述矩形波导H面叠层阵的一面对接，相当于将两个分级组阵级联。这种分级组阵、两个分级组阵级联的结构，可以实现在两个维度上对工作波的传输路径进行任意变换，从而使工作波的传输路径从前端天线阵顺利过渡到后端的电路模块，解决了现有技术中后端电路模块不易于与前端天线阵列集成的问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的二维高密度矩形波导组阵设计示意图；
图2是本发明实施例提供的矩形波导E面叠层阵示意图；
图3是本发明实施例提供的矩形波导E面叠层阵的一波导口径阵面示意图；
图4是本发明实施例提供的矩形波导H面叠层阵示意图；
图5是本发明实施例提供的矩形波导H面叠层阵的一波导口径阵面示意图；
图6是本发明实施例提供的H面半波导层示意图；
图7是本发明实施例提供的第一半波导边套层/第二半波导边套层示意图；
图8是本发明实施例提供的二维高密度矩形波导组阵设计的输入信号的平面示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
作为本发明的第一个实施例，如图1所示，为本发明提供的一种二维高密度矩形波导组阵设计，包括矩形波导E面叠层阵10和矩形波导H面叠层阵20。
矩形波导E面叠层阵10由2M个E面半波导层101在垂直于矩形波导E面的方向镜像组合并依次叠加形成，其中，M为正整数。
矩形波导H面叠层阵20由第一半波导边套层202、N个H面半波导层201和第二半波导边套层202，在垂直于矩形波导H面的方向镜像组合并依次叠加形成，其中，N为正整数。
矩形波导E面叠层阵10的一波导口径阵面与矩形波导H面叠层阵20的一波导口径阵面对接。
本发明提供的设计，该二维高密度矩形波导组阵中的E面和H面方向上的波导口最终会组成M*(N+1)的二维阵。在本实施例中，M＝2，N＝1，则最终形成了一个2*2的阵列。
综上所述，本发明第一个实施例提供的二维高密度矩形波导组阵设计，其矩形波导E面叠层阵和矩形波导H面叠层阵相当于两个分级组阵；且矩形波导E面叠层阵的一面与所述矩形波导H面叠层阵的一面对接，相当于将两个分级组阵级联。这种分级组阵、两个分级组阵级联的结构，可以实现在两个维度上对工作波的传输路径进行任意变换，从而使工作波的传输路径从前端天线阵顺利过渡到后端的电路模块，解决了现有技术中后端电路模块不易于与前端天线阵列集成的问题。
作为本发明的第二个实施例，如图1所示，为本发明提供的一种二维高密度矩形波导组阵设计，该系统包括矩形波导E面叠层阵10和矩形波导H面叠层阵20。
矩形波导E面叠层阵10由2M个E面半波导层101在垂直于矩形波导E面的方向镜像组合并依次叠加形成，其中，M为正整数。如图2所示，为矩形波导E面叠层阵10的示意图，如图3所示，为矩形波导E面叠层阵10的波导口径阵面示意图，该波导口径阵面为与矩形波导H面叠层阵20对接的那一面。图3中E面半波导层的一面开有半波导口101-1，2M个E面半波导层可两两分组，共分成M组，其中，每一组的两个E面半波导层的开有半波导口面叠加对接，以形成能够传播工作波的波导口102，本实施例中，工作波主要指特定频段的电磁波。图3中D表示矩形波导E面叠层阵10的阵列间距，阵列间距是指相邻的两个波导口的中心之间的距离，该阵列间距一般为工作波的波长的一半左右。
矩形波导H面叠层阵20由第一半波导边套层202、N个H面半波导层201和第二半波导边套层202，在垂直于矩形波导H面的方向镜像组合并依次叠加形成，其中，N为正整数。如图4所示，为矩形波导H面叠层阵20的示意图，如图5所示，为矩形波导H面叠层阵10的波导口径阵面示意图。
如图7所示，第一半波导边套层201和第二半波导边套层201均一面开有半波导口202-1，如图6所示，H面半波导层的两面都开有半波导口201-1。如图5所示，该矩形波导H面叠层阵20的具体叠加结构如下：
第一半波导边套层202的开有半波导口面与第1个H面半波导层201叠加对接，以形成能够传播工作波的波导口203；第N个H面半波导层201与第二半波导边套层202的开有半波导口面叠加对接，以形成能够传播工作波的波导口。图5中D表示矩形波导H面叠层阵20的阵列间距，阵列间距是指相邻的两个波导口的中心之间的距离，该阵列间距一般为工作波的波长的一半左右。在本实施例中，H面半波导层201的厚度是第一半波导边套层202的厚度的两倍，第一半波导边套层和第二半波导边套层厚度相同。
矩形波导E面叠层阵10的一波导口径阵面与矩形波导H面叠层阵20的一波导口径阵面对接，其具体的对接要求为：矩形波导E面叠层阵10的一波导口径阵面的波导口与矩形波导H面叠层阵20的一波导口径阵面的波导口直接匹配对接，以实现工作波从矩形波导E面叠层阵到矩形波导H面叠层阵的传输。如图8所示，为E面叠层阵10的另一个波导口径阵面示意图，该波导口径阵面的波导口与后端电路模块的波导口应匹配对接。在本实施例中，矩形波导E面叠层阵10的输入信号的平面与输出信号的平面分别为该矩形波导E面叠层阵10的正面和背面，矩形波导H面叠层阵20的输入信号的平面与输出信号平面分别为该矩形波导E面叠层阵10的正面和背面。
矩形波导E面叠层阵10的E面半波导层两两分组，每个分组会形成一个矩形波导传输路径，最终共形成M个长度相同的矩形波导传输路径，每个矩形波导传输路径为任意形状(如图2中101-2所示)，以使矩形波导E面叠层阵的波导口与后端电路模块的波导口匹配对接。在矩形波导E面叠层阵10中，每个矩形波导传输路径的形状可以相同，也可以不同，其形状主要根据后端电路模块的波导口径阵面在该维度上的实际间距来设计，最终达到该维度上的组阵要求即可。即矩形波导E面叠层阵10的一面的波导口与后端电路模块的波导口匹配对接，另一面的波导口与矩形波导H面叠层阵20的波导口对接，其中间的矩形波导传输路径部分的形状任意设置。例如：假设E面叠层阵共有8层，每2层可以形成一个矩形波导传输路径，一共就会形成4个矩形波导传输路径，而这4个矩形波导传输路径的形状并不一定全部相同，但是一般要求保证4个矩形波导传输路径的长度相同。在本实施例中，为了达到使矩形波导E面叠层阵的波导口能够与后端电路模块的波导口匹配对接的要求，将该传输路径设计为带一个直角拐弯的结构。
矩形波导H面叠层阵20最后形成N+1个长度相同的矩形波导传输路径(如图4中201-2和202-2所示)，每个矩形波导传输路为任意形状，以使矩形波导H面叠层阵20的波导口与前端天线阵的波导口匹配对接。在矩形波导H面叠层阵20中，每个矩形波导传输路径的形状可以相同，也可以不同，其形状主要根据前端天线阵的波导口径阵面在该维度上的实际间距来设计，最终达到该维度上的组阵要求即可。即矩形波导H面叠层阵20的一面的波导口与前端天线阵的波导口匹配对接，另一面的波导口与矩形波导E面叠层阵10的波导口对接，其中间的矩形波导传输路径的形状可以任意设计，但一般要求所有的矩形波导传输路径的长度相同。
本发明的设计，工作波传播顺序可以从后端电路模块-矩形波导E面叠层阵-矩形波导H面叠层阵-前端天线阵依次传输，也可以从前端天线阵-矩形波导H面叠层阵-矩形波导E面叠层阵-后端电路模块依次传输。
本发明提供的设计，该二维高密度矩形波导组阵中的E面和H面方向上的波导口最终会组成M*(N+1)的二维阵。
综上所述，本发明第二个实施例提供的二维高密度矩形波导组阵设计，其矩形波导E面叠层阵和矩形波导H面叠层阵相当于两个分级组阵；且矩形波导E面叠层阵的一面与所述矩形波导H面叠层阵的一面对接，相当于将两个分级组阵级联。这种分级组阵、两个分级组阵级联的结构，可以实现在两个维度上对工作波的传输路径进行任意变换，从而使工作波的传输路径从前端天线阵顺利过渡到后端的电路模块，解决了现有技术中后端电路模块不易于与前端天线阵列集成的问题；且其高频、高密度的二维矩形波导组阵结构使得天线接入网络、或T/R组件互联时的结构简单，提高了T/R组件的集成度，该组阵系统的结构简单、紧凑、可靠，非常适用于相控阵天线的馈电网络设计，更适用于毫米波频段；这种结构的组阵M与N的个数不被限定，可以在两个维度上进行任意扩展。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种二维高密度矩形波导组阵设计，其特征在于，包括矩形波导E面叠层阵和矩形波导H面叠层阵；
所述矩形波导E面叠层阵由2M个E面半波导层在垂直于矩形波导E面的方向镜像组合并依次叠加形成，其中，M为正整数；
所述矩形波导H面叠层阵由第一半波导边套层、N个H面半波导层和第二半波导边套层，在垂直于矩形波导H面的方向镜像组合并依次叠加形成，其中，N为正整数；
所述矩形波导E面叠层阵的一波导口径阵面与所述矩形波导H面叠层阵的一波导口径阵面对接。
2.如权利要求1所述的二维高密度矩形波导组阵设计，其特征在于，所述E面半波导层的一面开有半波导口；
所述2M个E面半波导层分成M组，每组的两个E面半波导层的开有半波导口面叠加对接，以形成能够传播工作波的波导口。
3.如权利要求1所述的二维高密度矩形波导组阵设计，其特征在于，所述第一半波导边套层和所述第二半波导边套层均一面开有半波导口；
所述H面半波导层的两面都开有半波导口；
所述第一半波导边套层的开有半波导口面与第1个所述H面半波导层叠加对接，以形成能够传播工作波的波导口；
第N个所述H面半波导层与所述第二半波导边套层的开有半波导口面叠加对接，以形成能够传播工作波的波导口。
4.如权利要求1所述的二维高密度矩形波导组阵设计，其特征在于，所述矩形波导E面叠层阵的一波导口径阵面的波导口与所述矩形波导H面叠层阵的一波导口径阵面的波导口匹配对接。
5.如权利要求1所述的二维高密度矩形波导组阵设计，其特征在于，所述矩形波导E面叠层阵形成M个长度相同的矩形波导传输路径，所述每个矩形波导传输路径为任意形状，以使所述矩形波导E面叠层阵的波导口与后端电路模块的波导口匹配对接。
6.如权利要求1所述的二维高密度矩形波导组阵设计，其特征在于，所述矩形波导H面叠层阵形成N+1个长度相同的矩形波导传输路径，所述每个矩形波导传输路径为任意形状，以使所述矩形波导H面叠层阵的波导口与前端天线阵的波导口匹配对接。
7.如权利要求1所述的二维高密度矩形波导组阵设计，其特征在于，所述H面半波导层的厚度是所述第一半波导边套层的厚度的两倍；
所述第一半波导边套层和所述第二半波导边套层厚度相同。
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