CN107257026A - 一种波导缝隙阵列天线 - Google Patents

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王宏建
易敏
陈雪
薛飞
董兴超
刘洋
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/10—Resonant slot antennas
    • H—ELECTRICITY
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Abstract

本发明提供了一种波导缝隙阵列天线，所述波导缝隙阵列天线的辐射阵面分为若干辐射子阵，每个所述辐射子阵包括：若干辐射波导(1)，耦合子阵(2)和馈电波导(3)；所述耦合子阵(2)位于所述若干辐射波导(1)之上，所述馈电波导(3)位于所述耦合子阵(2)之上。既实现传统耦合子阵的功能，又同时确保所述波导缝隙阵列天线尺寸的紧凑性，利于机载、星载等需要紧凑和共形天线的应用场景，具有重要的使用价值。

Description

一种波导缝隙阵列天线
技术领域
本发明涉及缝隙阵列天线的技术领域，特别涉及一种波导缝隙阵列天线。
背景技术
在雷达、卫星通信、机载导弹等应用中，由于波导缝隙阵天线具有口径利用率高、可靠性好、结构尺寸小等优点，因此，通常都需要高增益驻波波导缝隙阵天线。为了拓展波导缝隙阵天线带宽，往往采用分区馈电。一般来说，波导缝隙阵列天线包括：辐射子阵、耦合子阵和馈电波导。馈电波导通过缝隙将电磁波能量馈入耦合子阵，电磁波经由耦合子阵的斜缝传输至辐射子阵，由辐射子阵的直缝隙将能量辐射出去。对于等效于串联连接的耦合子阵，斜缝缝隙之间的间距为二分之一波导波长，如图1所示，耦合子阵的末端的斜缝到短路板的距离为二分之一波导波长，因此超出了波导阵列天线的整体包络，且超出辐射阵面四分之一波导波长。如图2所示，为了实现耦合子阵在天线包络之内，通常在耦合子阵末端的斜缝处采用波导折叠的方式，但加工难度加大，且使得天线厚度增大。
为了不增大天线加工难度，同时确保耦合子阵尺寸不超过波导阵列天线的整体包络，也有学者采用L形或者C形缝隙替代耦合子阵末端的斜缝，如图3所示，L形或C形缝隙位于辐射波导的中心处，调整缝隙的L形的纵向长度和横向宽度，使得L形缝隙的耦合量等同于末端斜缝的耦合量，但该方法L形、C形缝隙竖直段由于位于波导中心处，不参与辐射能量，耦合效率极低。
发明内容
本发明的目的在于，为了解决上述现有的波导阵列天线存在的缺陷，同时克服传统波导缝隙阵耦合子阵超出天线整体包络的难题，提出一种波导缝隙阵列天线，既实现传统耦合子阵的功能，又同时确保所述波导缝隙阵列天线尺寸的紧凑性，利于机载、星载等需要紧凑和共形天线的应用场景，具有重要的使用价值。
本发明提供了一种波导缝隙阵列天线，所述波导缝隙阵列天线的辐射阵面分为若干辐射子阵，每个所述辐射子阵包括：若干辐射波导，耦合子阵和馈电波导；所述耦合子阵位于所述若干辐射波导之上，所述馈电波导位于所述耦合子阵之上。
所述耦合子阵的两端分别采用偏置L型耦合缝隙，且所述L型耦合缝隙距离短路板的距离小于四分之一波导波长，所述耦合子阵在所述波导缝隙阵列天线的辐射阵面整体包络内。
所述L型耦合缝隙进一步包括：横向水平段长度L1和纵向垂直段长度L2；所述纵向垂直段长度L2作为所述波导缝隙阵列天线的主通道，所述横向水平段长度L1作为所述波导缝隙阵列天线的分支通道。
在所述横向垂直段长度L1距离所述辐射波导的中心处的距离为偏置量L3；在所述纵向垂直段长度L2距离所述辐射波导的中心处的距离为偏置量L4。
在所述波导缝隙阵列天线的主通道上，所述纵向垂直段长度L2是并联单元，满足谐振条件；所述横向水平段长度L1是串联单元。
在所述波导缝隙阵列天线的分支通道上，所述横向水平段长度L1是并联单元，满足谐振条件；所述纵向垂直段长度L2是串联单元。
根据所述波导阵列天线指标，确定所述耦合子阵两端的耦合斜缝的耦合量和s参数，采用HFSS全波分析软件，计算横向水平段长度L1和所述纵向垂直段长度L2，以及水平偏置量L3和纵向偏置量L4，满足L1和L2的耦合量和s参数等效于耦合斜缝的耦合量和s参数。
采用HFSS全波分析软件，计算所述波导缝隙阵列天线的整体方向图和驻波系数。
本发明的优点在于：本发明的波导缝隙阵列天线的耦合子阵的两端采用偏置L形缝隙替代传统斜缝和普通L形耦合缝隙，使得偏置L形缝隙距离短路板的距离小于四分之一波导波长，更有利于耦合，减小了耦合子阵的长度，增大了波导间的耦合的效率，确保耦合子阵不超过辐射子阵阵面的外包络，利于共形并保证了结构紧凑，成本较低，避免了折叠波导带来的加工难题，易于工程实现和应用，非常利于波导缝隙阵天线的共形和安装。
附图说明
图1是传统耦合子阵的波导缝隙阵列天线的结构示意图；
图2是传统的带有折叠耦合子阵的波导缝隙阵列天线的结构示意图；
图3是传统的波导缝隙阵列天线带有位于波导中心的普通L型耦合缝隙的耦合子阵的局部放大示意图；
图4是本发明的波导缝隙阵列天线的结构示意图；
图5是本发明的波导缝隙阵列天线的偏置L型耦合缝隙的耦合子阵的局部放大示意图；
图6是本发明的波导缝隙阵列天线的采用全波分析软件计算的偏置耦合缝隙的s参数随频率变化的特性曲线图；
图7是本发明的波导缝隙阵列天线的采用全波分析软件计算的偏置耦合缝隙的方向图；
图8是本发明的波导缝隙阵列天线的采用全波分析软件计算的偏置耦合缝隙和现有的波导缝隙阵列天线的频率随驻波系数变化的曲线图。
附图标识：
1、辐射波导 2、耦合子阵
3、馈电波导 4、短路版
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明提出的一种波导缝隙阵列天线，可用于常见的各种微波频段，不失一般性，仅以Ku频段为例，对于13.78GHz的工作频率来说，耦合波导尺寸选择为：14.81*4毫米。所述耦合子阵波导面板厚度0.8毫米，缝隙宽度1.6毫米，为降低加工难度，缝隙末端均采用半圆头替代矩形头，圆的直径为1.6毫米。
如图4所示，本发明提出一种波导缝隙阵列天线，所述波导缝隙阵列天线的辐射阵面分为若干辐射子阵，每个所述辐射子阵包括：若干辐射波导1，耦合子阵2和馈电波导3；所述耦合子阵2位于所述若干辐射波导1之上，所述馈电波导1位于所述耦合子阵2之上。
如图5所示，所述耦合子阵2的末端采用偏置L型耦合缝隙，且所述L型耦合缝隙距离短路板的距离小于四分之一波导波长，所述耦合子阵2在所述波导缝隙阵列天线的辐射阵面的整体包络内。
如图5所示，所述L型耦合缝隙进一步包括：横向水平段长度L1和纵向垂直段长度L2；所述纵向垂直段长度L2作为所述波导缝隙阵列天线的主通道，所述横向水平段长度L1作为所述波导缝隙阵列天线的分支通道。
如图5所示，在所述纵向垂直段长度L2距离所述辐射波导的中心处的距离为横向偏置量L4,横向长度L1距离所述辐射波导的中心处的距离为纵向偏置量为L3。
如图4和5所示，由于所述L形缝隙对于所述耦合子阵2来说，等效于并联连接，所以距离短路板为四分之一波导波长，相比现有的耦合子阵的耦合斜缝来说，其长度减小了四分之一波导波长，恰好使得所述耦合子阵处于所述波导缝隙阵列天线的辐射子阵阵面包络内，解决了现有的耦合子阵超出所述辐射子阵阵面四分之一波长的难题。
在所述波导缝隙阵列天线的主通道上，所述纵向垂直段长度L2是并联单元，满足谐振条件；所述横向水平段长度L1是串联单元。
在所述波导缝隙阵列天线的分支通道上，所述横向水平段长度L1是并联单元，满足谐振条件；所述纵向垂直段长度L2是串联单元。
根据所述波导阵列天线指标，确定所述耦合子阵2两端的耦合斜缝的耦合量和s参数，采用HFSS全波分析软件，计算横向水平段长度L1和所述纵向垂直段长度L2，以及各自的所述横向偏置量L3,所述纵向偏置量L4，其中，满足L1和L2的耦合量和s参数等效于耦合斜缝的耦合量和s参数。通过计算得出，所述横向水平段L1向左偏置2.4毫米，即L3＝2.4毫米；所述纵向垂直段长度L2向下偏置0.9毫米，即L4＝0.9毫米。
如图7和8所示，采用HFSS全波分析软件，计算所述波导缝隙阵列天线的整体方向图和驻波系数。
本发明由于仅仅将所述耦合子阵2两端的耦合斜缝采用所述偏置L形缝隙，所述耦合子阵中的剩余耦合斜缝不改变，且不改变所述波导辐射阵列天线的辐射子阵的直缝隙的结构参量，只需要优化所述偏置L形缝隙的所述纵向垂直段长度L2和所述横向水平段长度L1，使其等效于替换前的耦合斜缝的耦合参数和s参数，具有简单却有效的优点。
如图5和6所示，为本发明的波导缝隙阵列天线采用偏置L形耦合缝隙的s参数随频率变化特性曲线图，可以看出，耦合缝隙在13.78GHz处具有良好的耦合特性和s参数，同时2、3端口具有一样的耦合量。
如图7所示，天线副瓣约17dB，与设计值一样，天线增益为29.1dB。
如图8所示，为全波分析软件计算本发明采用所述波导缝隙阵列天线的驻波系数和采用现有的波导缝隙阵列天线的驻波系数比较，可以看出，本发明的所述波导缝隙阵列天线的驻波系数的带宽大于现有的波导缝隙阵列天线的驻波系数的带宽，非常有利于雷达的使用。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述波导缝隙阵列天线的辐射阵面分为若干辐射子阵，所述辐射子阵包括：若干辐射波导(1)，耦合子阵(2)和馈电波导(3)；所述耦合子阵(2)位于所述若干辐射波导(1)之上，所述馈电波导(3)位于所述耦合子阵(2)之上。
2.根据权利要求1所述的一种波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述耦合子阵(2)的两端分别采用偏置L型耦合缝隙，且所述L型耦合缝隙距离短路板(4)的距离小于四分之一波导波长，所述耦合子阵(2)在所述波导缝隙阵列天线的辐射阵面整体包络内。
3.根据权利要求2所述的一种波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述L型耦合缝隙包括：横向水平段长度L1和纵向垂直段长度L2；所述纵向垂直段长度L2作为所述波导缝隙阵列天线的主通道，所述横向水平段长度L1作为所述波导缝隙阵列天线的分支通道。
4.根据权利要求3所述的一种波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述横向垂直段长度L1距离所述辐射波导(1)的中心处的距离为偏置量L3；所述纵向垂直段长度L2距离所述辐射波导(1)的中心处的距离为偏置量L4。
5.根据权利要求3或4所述的一种波导缝隙阵列天线，其特征在于，在所述波导缝隙阵列天线的主通道上，所述纵向垂直段长度L2是并联单元，满足谐振条件；所述横向水平段长度L1是串联单元；
在所述波导缝隙阵列天线的分支通道上，所述横向水平段长度L1是并联单元，满足谐振条件；所述纵向垂直段长度L2是串联单元。
6.根据权利要求3所述的一种波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述横向水平段长度L1和所述纵向垂直段长度L2，以及所述水平偏置量L3和所述纵向偏置量L4，均通过全波分析计算得到，其中，满足L1和L2的耦合量和s参数等效于耦合斜缝的耦合量和s参数。
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