CN107645031A

CN107645031A - 锥状波束扫描cts天线

Info

Publication number: CN107645031A
Application number: CN201710759246.0A
Authority: CN
Inventors: 齐世山; 印倩; 吴文; 刘亮亮; 王轶豪
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2017-08-30
Filing date: 2017-08-30
Publication date: 2018-01-30

Abstract

本发明公开一种锥状波束扫描CTS天线，包括H面加脊喇叭(1)、Pillbox偏置抛物盒(2)、U型平板弯头(3)和平板波导CTS阵列(4)；所述平板波导CTS阵列(4)置于Pillbox偏置抛物盒(2)上方，其一侧与U型平板弯头(3)一端相连，所述的U型平板弯头(3)的另一端与Pillbox偏置抛物盒(2)的口径端口相连；所述H面加脊喇叭(1)置于与Pillbox偏置抛物盒(2)反射面相对的Pillbox偏置抛物盒(2)侧壁上，其相位中心对准Pillbox偏置抛物盒(2)反射面上某一固定点。本发明的锥状波束扫描CTS天线，频带宽、增益高、波束稳定。

Description

锥状波束扫描CTS天线

技术领域

本发明涉及微波毫米波天线领域，特别是一种频带宽、增益高、波束稳定的锥状波束扫描CTS天线。

技术背景

CTS(Continuous Transverse Stub，连续横向枝节)天线，通过在平板波导上开设横向缝隙，并在缝隙的两个长边放置金属档板以减小反射。由于CTS天线馈电结构简单，对加工精度和介质材料不敏感，辐射效率高，因此成为高增益天线研究的重要方向。

中国发明专利申请“抛物盒馈电多波束CTS平板天线”(申请号：2017103329527，申请日：2017.05.16)公开了一种抛物盒馈电多波束CTS平板天线，包括平板波导CTS阵列、2个抛物反射面馈电盒和6个波导喇叭。该装置将两个相同的抛物反射面馈电盒对称放置在平板波导CTS阵列两侧端口，与CTS阵列相连；每个抛物反射面馈电盒的焦点处各放置1个波导喇叭，其最大辐射方向对准抛物盒反射面的中心位置；焦点位置的波导喇叭两侧分别放置一个相同的波导喇叭；每个抛物盒放置的三个波导喇叭均在垂直于抛物盒反射面几何中心和焦点连线的直线上。通过分时激励CTS阵列一侧的三个波导喇叭，实现波束在H面的扫描功能；通过分时激励CTS阵列两侧相同位置的波导喇叭，实现波束在E面分时双波束功能。

虽然该天线具有E面分时倾斜双波束、H面波束扫描的特点，但同时具有下列缺点：1、该天线两个抛物馈电盒和CTS阵列在同一平面上，尺寸较大；2、该天线采用普通矩形波导作为一级馈源，受到矩形波导喇叭的限制，带宽较窄；3、该天线虽然将焦点处的波导喇叭最大辐射方向指向抛物面的几何中心，但由于抛物线结构的不对称，置于焦点两侧的波导喇叭辐射的能量没有全部照射到CTS阵列端口，因此增益有所降低，天线性能较差。

总之，现有技术存在的问题是：波束扫描CTS天线尺寸较大、带宽较窄、增益低，不能满足5G通信、精密测量、火控、侦查校射、空间探测以及导弹制导等雷达跟踪技术的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锥状波束扫描CTS天线，频带宽、增益高、波束稳定。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种锥状波束扫描CTS天线，包括H面加脊喇叭1、Pillbox偏置抛物盒2、U型平板弯头3和平板波导CTS阵列4；

所述平板波导CTS阵列4置于Pillbox偏置抛物盒2上方，其一侧与U型平板弯头3一端相连，所述的U型平板弯头3的另一端与Pillbox偏置抛物盒2的口径端口相连；

所述H面加脊喇叭1置于与Pillbox偏置抛物盒2反射面相对的Pillbox偏置抛物盒2侧壁上，其相位中心对准Pillbox偏置抛物盒2反射面上某一固定点。本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、频带宽：采用H面加脊喇叭作为一级馈源，弥补普通波导喇叭带宽较窄的缺点，拓宽天线带宽；

2、增益高：将H面加脊喇叭的相位中心对准抛物线上一固定点，优化固定点的位置，使H面加脊喇叭在左右移动时，大部分能量均能照射到CTS阵列端口，提高天线增益和辐射效率。

3、波束稳定性好：工作频率较小时，由于波长限制，根据Pillbox偏置抛物线的-10dB照射波束宽度设计的一级馈源喇叭的尺寸较大，此时采用机械扫描控制H面波束，在一定波束扫描角度内，天线方向图较稳定。。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明锥状波束扫描CTS天线三维结构示意图。

图2是图1中Pillbox偏置抛物盒三维结构示意图。

图3是图1中U型平板弯头三维结构示意图。

图4是图1中平板波导CTS阵列三维结构示意图。

图5是图4中CTS单元三维结构示意图。

图6是图1中H面加脊喇叭俯视图。

图7是图1中H面加脊喇叭剖视图。

图8是图2中Pillbox偏置抛物盒俯视图。

图9是图3中U型平板弯头侧视图。

图10是图5中CTS单元侧视图。

图11是金属栅侧视图。

图12是H面加脊喇叭放置在焦点处时E面增益方向图。

图13是H面加脊喇叭左右移动时H面增益方向图。

图14是H面加脊喇叭左右移动时S参数仿真图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种锥状波束扫描CTS天线，

包括1个H面加脊波导喇叭、1个Pillbox偏置抛物盒、U型平板波导和平板波导CTS阵列；

所述H面加脊波导喇叭置于与Pillbox偏置抛物盒反射面相对的Pillbox偏置抛物盒侧壁上，其相位中心对准Pillbox偏置抛物盒反射面上某一固定点；

所述平板波导CTS阵列置于Pillbox偏置抛物盒上方，其一侧与U型平板弯头一端连接，所述U型平板弯头的一端和Pillbox偏置抛物盒口径相连；

如图2所示，Pillbox偏置抛物盒包括平行放置的顶板、底板、抛物线曲面，左侧壁、前侧壁、右前侧壁和后侧壁；

所述顶板、底板形状相同，上下相对，其后缘为偏置抛物线，前缘与右侧的口径边垂直，左侧为底边；

所述抛物线曲面沿后缘，左侧壁沿底边、左前侧壁沿前缘将顶板、底板上下固连，所述右前侧壁一端与左前侧壁相连，另一端与U型平板弯头相连，所述后侧壁一端与抛物线曲面端头相连，另一端与U型平板弯头相连。

如图3所示，所述U型平板弯头包括下平板波导、侧平板波导和上平板波导；

所述下平板波导与上平板波导平行，所述侧平板波导的下端与下平板波导右侧垂直相连，所述侧平板波导的上端与上平板波导右侧垂直相连；

所述侧平板波导与下平板波导、上平板波导连接处的外侧均有45°切角；

如图4所示，所述平板波导CTS阵列包括平板波导、横向均布在所述平板波导上方的多个CTS单元和多个金属栅，所述每两个相邻CTS单元之间横向均布2个金属栅；

如图5所示，所述CTS单元由平板波导上开设的横向缝隙和置于缝隙两侧金属枝节构成；

如图6、7所示，H面加脊喇叭参数为：

H面喇叭口径A1＝50mm，喇叭长W1＝22mm；

波导长W＝30mm，宽边A＝16.8mm，窄边B0＝8.4mm；

脊宽S＝8mm，间隙C＝4.2mm，脊距离波导短路面长W3＝9mm，脊在喇叭部分为指数曲线：y＝2.1*exp(0.043*x)；

馈电探针内半径：L1＝0.6mm，外半径：L2＝2mm，距离波导短路面W2＝11.5mm；

馈电探针深入到下层脊内部；

如图8所示，偏置抛物面参数为：

抛物面口径为D1＝375mm，焦径比为：Z0＝0.35，偏置角度α＝24°，抛物线上某一固定点距离下边缘：D0＝0.4*D1；

如图9所示，U型平板弯头参数为：

三个平板波导厚度分别为：B1＝8.4mm，B2＝6mm，B3＝3.7mm；长度为：P1＝28mm，P2＝28mm，P3＝25mm；每两个平板波导连接处切面长：

如图10所示，CTS单元参数为：

横向缝隙长度Q＝375mm；

横向缝隙宽度分别为：H1＝2.3mm；H2＝2.5mm；H3＝2.4mm；H4＝3.1mm；H5＝3.1mm；H6＝3.3mm；H7＝3.2mm；H8＝3.1mm；H9＝3.1mm；H10＝3.2mm；H11＝3.3mm；H12＝3.1mm；H13＝3.1mm；H14＝2.4mm；H15＝2.5mm；H16＝2.3mm；

横向缝隙两侧金属枝节高度为：L＝4.4mm，厚度：R＝0.5mm。

如图11所示，金属栅参数为：

金属栅厚度分别为：M1＝M2＝2.5mm；M3＝M4＝2.4mm；M5＝M6＝2.4mm；M7＝M8＝2.3mm；M9＝M10＝2.4mm；M11＝M12＝2.3mm；M13＝M14＝2.5mm；M15＝M16＝2.3mm；M17＝M18＝2.5mm；M19＝M20＝2.3mm；M21＝M22＝2.4mm；M23＝M24＝2.3mm；M25＝M26＝2.4mm；M27＝M28＝2.4mm；M29＝M30＝2.5mm；

金属栅间距分别为：N1＝N2＝2.4mm；N3＝N4＝2.45mm；N5＝N6＝2.35mm；N7＝N8＝2.3mm；N9＝N10＝2.2mm；N11＝N12＝2.25mm；N13＝N14＝2.15mm；N15＝N16＝2.3mm；N17＝N18＝2.15mm；N19＝N20＝2.25mm；N21＝N22＝2.2mm；N23＝N24＝2.3mm；N25＝N26＝2.35mm；N27＝N28＝2.45mm；N29＝N30＝2.4mm；

金属栅高度为：K＝7.2mm。

利用Pillbox偏置抛物盒作为二级馈源，对平板波导CTS阵列进行馈电，根据抛物线几何原理，从焦点处发射的柱面波，经抛物线反射后，将沿着与抛物线焦轴平行的方向传播，且到达过焦垂线的直线时，形成相位相等的平面波；将H面加脊喇叭沿着Pillbox偏置抛物盒前侧壁左右移动时，由H面加脊喇叭发射的柱面波经偏置抛物线曲面反射后，到达过焦垂线的直线时，相位发生偏移，对平板波导CTS阵列进行馈电时，改变H面波束指向，实现H面波束扫描功能。

H面加脊喇叭放置于Pillbox焦点处时，优化喇叭相位中心对准抛物面上的某一固定点，使得在左右移动喇叭时均保证-10dB照射锥削，提高天线增益和辐射效率。

采用H面加脊喇叭作为一级馈源，弥补普通波导馈电端口带宽较窄的不足，拓宽天线带宽。

采用机械移动馈电喇叭的方法代替放置三个馈电波导，减小焦点两侧喇叭馈电时的能量损耗，提高增益，增加天线方向图的稳定性。

将Pillbox偏置抛物盒和平板波导CTS阵列放置在上下两层，通过U型平板弯头连接，减小天线尺寸。

平板波导CTS阵列，由于CTS单元的金属枝节高度小于四分之一波长，在平板波导与空气的交界处产生表面波，使方向图端射方向出现了不期望的辐射，因此通过添加一组金属栅抑制表面波的影响，降低天线副瓣。

图12是利用HFSS仿真软件，在工作频率为14GHz、H面加脊喇叭放置在抛物线焦点处时，E面增益方向图；如图9所示，平板波导CTS阵列天线增益为30dB，副瓣电平为-16dB。

图13是利用HFSS仿真软件，在工作频率为14GHz、H面加脊喇叭沿着Pillbox偏置抛物盒左前侧壁左右移动时的H面增益方向图；如图13所示，H面波束扫描角度为-15°～15°，且随着H面加脊喇叭偏离焦点两侧距离增大，增益降低。

图14是利用HFSS仿真软件，在工作频率为14GHz、H面加脊喇叭放置在抛物线焦点处时的反射系数曲线图，由图11可知，此时天线-10dB阻抗带宽为：12.6GHz～16GHz。

Claims

1.一种锥状波束扫描CTS天线，其特征在于：

包括H面加脊喇叭(1)、Pillbox偏置抛物盒(2)、U型平板弯头(3)和平板波导CTS阵列(4)；

所述平板波导CTS阵列(4)置于Pillbox偏置抛物盒(2)上方，其一侧与U型平板弯头(3)一端相连，所述的U型平板弯头(3)的另一端与Pillbox偏置抛物盒(2)的口径端口相连；

所述H面加脊喇叭(1)置于与Pillbox偏置抛物盒(2)反射面相对的Pillbox偏置抛物盒(2)侧壁上，其相位中心对准Pillbox偏置抛物盒(2)反射面上某一固定点。

2.根据权利要求1所述的锥状波束扫描CTS天线，其特征在于：

所述Pillbox偏置抛物盒(2)包括平行放置的顶板(21)、底板(22)、抛物线曲面(23)，左侧壁(24)、左前侧壁(25)、右前侧壁(26)和后侧壁(27)；

所述顶板(21)、底板(22)形状相同，上下相对，其后缘为偏置抛物线，前缘与右侧的口径边垂直，左侧为底边；

所述抛物线曲面(23)沿后缘，左侧壁(24)沿底边、左前侧壁(25)沿前缘将顶板(21)、底板(22)上下固连，所述右前侧壁(25)一端与左前侧壁(25)相连，另一端与U型平板弯头(3)相连，所述后侧壁(27)一端与抛物线曲面(23)端头相连，另一端与U型平板弯头(3)相连。

3.根据权利要求1所述的锥状波束扫描CTS天线，其特征在于：

所述U型平板弯头(3)包括下平板波导(31)、侧平板波导(32)和上平板波导(33)；

所述下平板波导(31)与上平板波导(33)平行，所述侧平板波导(32)的上端与上平板波导(33)右侧垂直相连，侧平板波导(33)的下端与下平板波导(31)右侧垂直相连。

4.根据权利要求3所述的锥状波束扫描CTS天线，其特征在于：

所述侧平板波导(33)与上平板波导(31)、下平板波导(32)连接处的外侧均有45°切角。

5.根据权利要求1所述的锥状波束扫描CTS天线，其特征在于：

所述平板波导CTS阵列(4)包括平板波导(41)和横向均布在所述平板波导(41)上方的多个CTS单元(42)，还包括多个金属栅(43)，所述每两个相邻CTS单元(42)之间横向均布2个金属栅(43)；

所述每个CTS单元(42)由平板波导上方开设的横向缝隙(421)和置于缝隙两侧的金属枝节(422)构成。