CN107248612A - 一种低副瓣槽隙波导驻波天线 - Google Patents

一种低副瓣槽隙波导驻波天线 Download PDF

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王宏建
薛飞
刘洋
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    • H01Q13/20—Non-resonant leaky-waveguide or transmission-line antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave

Abstract

本发明公开了一种槽隙波导低副瓣驻波天线，所述天线包括：馈电端口(1)、上平板(2)、短路墙(3)和下平板(4)，其中，所述馈电端口(1)设置在下平板(4)的前端处；在所述上平板(2)上设有辐射槽阵(5)；在所述下平板(4)上设有周期性排布的金属柱(6)，所述金属柱(6)上表面形成高阻抗表面，所述短路墙(3)在天线的末端处连接上平板(2)和下平板(4)。本发明的天线具有良好的辐射性能，成本低，易于工程实现。

Description

一种低副瓣槽隙波导驻波天线
技术领域
本发明属于波导天线技术领域，特别涉及一种低副瓣槽隙波导驻波天线。
背景技术
副瓣电平是天线电性能的一项重要指标，在很多具体应用中，其重要性已排在增益和波束宽度指标之前，例如在雷达技术中，为了提高抗干扰和反地面杂波的性能，要求副瓣尽量低。远距离噪声干扰机和反辐射导弹都是利用对方天线的副瓣发挥作用。在通讯方面，为了提高频谱容量，要求频谱复用；为了提高卫星轨道利用率，要求通信卫星分布密集，于是为了降低天线之间的相互干扰，要求天线副瓣电平较低。
目前，低副瓣天线主要分为反射面天线和阵列天线两大类以及特殊形式如透镜天线等。反射面天线一般增益较高，波束容易控制，但是反射面天线口径较大，加工精度要求很高；馈源不能与反射面集成，天线剖面很高；天线波束指向不容易控制，不易实现空间扫描，限制了其应用范围。阵列天线能够实现波束全空域快速扫描，具有多目标检测、跟踪、自适应、天线波束控制灵活等特点，已越来越多的应用于各种场景，如相控阵雷达、连续波扫描雷达等。阵列天线种类很多，多为平面结构，相比反射面天线，剖面很低。
目前高频段天线结构一般采用平板波导结构或者基片集成波导结构。平板波导槽天线不存在介质损耗和辐射损耗，适用于高增益、高效率的天线设计，但是天线阵馈电网络复杂，体积笨重；频率越高，天线加工精度要求越高，天线成本越高，且天线工作频段很窄；基片集成波导天线工作频段较宽，当工作频率很高时，由于介质存在，天线欧姆损耗和介质损耗严重，导致天线效率很低。槽隙波导技术突出优势在于结构全金属化，不存在介质，因而不存在介质损耗，当天线工作频率很高时，天线效率很高，且槽隙波导天线带宽较宽，同时克服了天线带宽和效率的缺点。另一方面，当天线工作频率较高时，波导宽边与窄边的连接问题必须考虑，对于平板波导槽阵天线，宽边与窄边若出现缝隙或衔接平坦度不够，会严重影响天线性能，而槽隙波导天线加工时无需考虑金属波导边的连接问题，而因天线加工精度要求低，成本低，应用前景非常广泛。
隙波导天线不仅天线带宽较宽，且天线效率较高，成本较低。目前采用隙波导技术设计的天线种类较少，需要进一步充分利用隙波导技术优势，以降低高频段天线设计中存在的加工精度高，鲁棒性差，成本过高的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提出一种低副瓣槽隙波导驻波天线，该槽隙波导驻波天线是一种新型的隙波导天线，对于扩大隙波导天线的种类具有一定的意义；而且该天线具有低副瓣的优点。
为了实现上述目的，本发明提出了一种低副瓣槽隙波导驻波天线，所述天线包括：馈电端口1、上平板2、短路墙3和下平板4，其中，所述馈电端口1设置在下平板4的前端处；在所述上平板2上设有辐射槽阵5；在所述下平板4上设有周期性排布的金属柱6，所述金属柱6上表面形成高阻抗表面，所述短路墙3在天线的末端处连接上平板2和下平板4。
优选的，所述天线为全金属结构。
优选的，所述馈电端口1采用Ku频段标准矩形波导。
优选的，所述辐射槽阵5由21个径向长槽组成，交替排列于波导宽边中心线两侧。
优选的，所述金属柱6为长方体，在波导宽边中心线的两侧，分别对称设置三排金属柱6。
优选的，所述辐射槽阵5的径向槽间距为二分之一波导波长，短路墙3距最近辐射槽间距为四分之一波长。
本发明的优点在于：
1、本发明在设计低副瓣槽隙波导驻波天线的过程中，首先将槽隙波导等效为矩形波导，然后按照天线低副瓣设计理论设计槽隙波导天线，该方法避免了直接设计槽隙波导低副瓣天线，是一种快速有效的设计方法；
2、本发明的天线的馈源采用标准Ku波段的矩形波导端口，馈电结构简单，天线具有良好的辐射性能，成本低，易于工程实现。
附图说明
图1为本发明的低副瓣槽隙波导驻波天线的结构图；
图2为本发明的低副瓣槽隙波导驻波天线的正视图；
图3为本发明的低副瓣槽隙波导驻波天线等效电路图；
图4为槽隙波导传输线二维色散表；
图5为槽隙波导传输线一维色散表；
图6为驻波天线辐射槽单元归一化槽电压图；
图7为所设计槽隙波导天线-25dB副瓣电平仿真及计算辐射方向图；
图8为所设计槽隙波导天线-30dB副瓣电平仿真及计算辐射方向图；
图9为所设计槽隙波导天线回波损耗图。
附图标记：
1、馈电端口 2、上平板 3、短路墙 4、下平板
5、辐射槽阵 6、金属柱
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明的低副瓣槽隙波导驻波天线作进一步描述。
如图1所示，一种槽隙波导低副瓣驻波天线，包括：馈电端口1、上平板2、短路墙3和下平板4，其中，所述馈电端口1采用Ku频段标准矩形波导；在上平板2上设有辐射槽阵5，所述辐射槽阵5由21个径向长槽组成，交替排列于波导宽边中心线两侧；所述下平板4上设有周期性排布的方形金属柱6，金属柱6上表面形成高阻抗表面，以阻止电磁波沿侧向传播。中间为槽，其作用在于导引电磁波传播，电磁波沿线传播过程中，通过顶层的辐射槽不断辐射电磁波，天线末端为短路墙3，连接上平板2和下平板4；根据传输线理论，短路墙距离最近辐射槽四分之一波长。
所述天线为全金属结构，可通过普通的数控机床加工。天线采用驻波天线结构，中心频率为15GHz。
所述辐射槽阵5的径向槽间距为二分之一波导波长，短路墙距最近辐射槽间距为四分之一波长。
图2为槽隙波导低副瓣驻波天线辐射槽正视图，通过周期性的排布单元槽，提高天线增益，其中径向槽交替放置于槽线两侧，以降低交叉极化电平。
设计上述天线的方法可以分为两个部分：首先，将槽隙波导等效为矩形波导，因为没有直接简便的公式可以利用求出等效矩形波导宽度，因此采用全波仿真软件仿真天线一维周期结构色散表，目的在于提取天线中心频率处的相位常数，然后由简易公式计算出等效矩形波导宽度；其次，天线辐射槽激励幅度为泰勒分布，渐变的幅度分布用以生成低副瓣的天线方向图，须根据泰勒分布给出激励幅度，根据史蒂芬森理论然后求出归一化电容值，然后转换为求辐射槽偏离波导宽边中心线的偏置位置，辐射槽长度统一为谐振长度。两天线副瓣电平分别为-24dB和-30dB，其结果与理论计算结果吻合的很好。
图3为槽隙波导驻波天线传输线等效电路图，每一个径向长槽可以等效为一个并联电容，每个径向长槽理论电容值由泰勒分布给出，泰勒分布设计参数由所设计天线副瓣电平决定，且按照史蒂芬森理论，其归一化电容总和为1。
图4为槽隙波导传输线二维色散表，其色散表获得条件如下：假定在无限大的二维平面内，探针周期性排列，然后研究电磁场的分布状况。通过色散表可以看出其阻带范围为10.4GHz-17.3GHz，说明电磁波并不会沿侧向传播，不会引起电磁波的泄露问题。
图5为槽隙波导传输线一维色散表，其色散表获得条件如下：假定在一维平面内，探针沿槽线方向周期性排列，然后研究电磁场的分布状况。通过色散表可以看出其阻带范围为10.9GHz-17.3GHz，说明电磁波在阻带范围内工作于单一模式，且从图中可以看出，在中心频率15GHz处，其天线相位常数为244rad/m,由矩形波导相位常数计算公式可以推出等效矩形波导宽边长度为15.87mm。
如图6所示，为所设计的两个驻波天线的辐射槽理论计算的归一化激励幅度，激励幅度分布为泰勒分布，其中中间槽激励幅度最大，然后两侧辐射槽激励幅度逐渐减小，不同的激励幅度对应不同的副瓣电平。
图7为所设计槽隙波导驻波天线(副瓣电平为-25dB)H面辐射方向图，其中实线为采用全波仿真软件仿真的方向图，虚线为理论计算的天线方向图。从图中可以看出，仿真结果与理论计算结果非常吻合，副瓣电平较理论值高1dB。
图8为所设计槽隙波导驻波天线(副瓣电平为-30dB)H面辐射方向图，其中实线为仿真方向图，虚线为理论计算的天线方向图。从图中可以看出，仿真结果与理论计算结果非常吻合，天线主波束吻合度较好。
图9为两天线回波损耗图，从图中可以看出，虽然天线副瓣电平不同，但天线带宽几乎相同。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种槽隙波导低副瓣驻波天线，其特征在于，所述天线包括：馈电端口(1)、上平板(2)、短路墙(3)和下平板(4)，其中，所述馈电端口(1)设置在下平板(4)的前端处；在所述上平板(2)上设有辐射槽阵(5)；在所述下平板(4)上设有周期性排布的金属柱(6)，所述金属柱(6)上表面形成高阻抗表面，所述短路墙(3)在天线的末端处连接上平板(2)和下平板(4)。
2.根据权利要求1所述的槽隙波导低副瓣驻波天线，其特征在于，所述天线为全金属结构。
3.根据权利要求1所述的槽隙波导低副瓣驻波天线，其特征在于，所述馈电端口(1)采用Ku频段标准矩形波导。
4.根据权利要求1所述的槽隙波导低副瓣驻波天线，其特征在于，所述辐射槽阵(5)由21个径向长槽组成，交替排列于波导宽边中心线两侧。
5.根据权利要求1所述的槽隙波导低副瓣驻波天线，其特征在于，所述金属柱(6)为长方体，在波导宽边中心线的两侧，分别对称设置三排金属柱(6)。
6.根据权利要求1所述的槽隙波导低副瓣驻波天线，其特征在于，所述辐射槽阵(5)的径向槽间距为二分之一波导波长，短路墙(3)距最近辐射槽间距为四分之一波长。
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