CN107910642A - 一种具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线及其设计方法 - Google Patents

Abstract

一种具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线及其设计方法，涉及波导缝隙天线。从下至上依次为T型功分器主波导，馈电波导，耦合缝隙，辐射波导，辐射缝隙和开放式空气腔。该天线具有解耦结构，在辐射缝隙外部增设开放式腔体，通过优化空气腔的三维尺寸抑制辐射缝隙间的互耦效应，有效改善大规模阵列中互耦对天线带宽的制约。根据天线带宽设计要求，设计适当的天线馈电网络，通过天线子阵化，将天线整体简化为若干个子阵从而改善天线带宽和降低设计难度。每个子阵中串联的辐射缝隙和耦合缝隙数量较少，可采用谐振式阵列即驻波阵的形式设计，具体采用过载技术大幅改善天线子阵的匹配带宽和辐射带宽。

Description

一种具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线及其设计方法

技术领域

本发明涉及波导缝隙天线，尤其是涉及一种具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线与一种基于过载技术的谐振式二维阵列的宽带设计方法。

背景技术

波导缝隙阵列天线具有效率高、结构紧凑、功率容量高等优点，易于实现高频段、高增益、低副瓣性能，广泛应用于航空航天和雷达通信系统等。它是在波导壁上按一定规律开细长的裂缝，通过切断波导壁上的电流通路，使缝隙受到激励，波导中传输的电磁波通过缝隙向自由空间中辐射而形成的一种口径天线。

常见的缝隙有开在波导的窄边上的倾斜缝隙、开在波导宽上边的横向缝隙和纵向缝隙、还有开在波导宽边中央的倾斜缝隙。其中窄壁上开斜缝和宽壁上开纵缝等效于传输线上的并联导纳，宽壁上开横缝和中央开斜缝等效于传输线上串联阻抗。

从阵元间距的角度，波导缝隙阵列可分为两种形式：谐振式缝隙阵和非谐振式缝隙阵。谐振式阵列又称为驻波阵，阵元间距等于二分之一导波波长，串联阵元数量增大时天线性能的频率响应变化大、带宽窄，适合设计实现小规模阵列；非谐振式缝隙阵又称为行波阵，间距不等于二分之一导波波长，与谐振式阵列相比有带宽相对较宽的特点，更适合设计实现大规模阵列。两者相比，当串联阵列数量小于5时，谐振式阵列的带宽特性优于非谐振式阵列。

为了改善波导缝隙阵列天线的带宽，目前有多种方法：可采用较宽的辐射缝隙，但是容易造成交叉极化的恶化；可降低辐射波导高度，但是将提升波导的金属损耗从而直接降低天线效率；也可用脊波导代替传统的矩形波导，但是会大幅增加天线设计和加工难度。

天线的子阵化是最行之有效的方法，采用多级并联馈电网络并利用周期性可将二维天线分解成若干个子阵，从而减少子阵中串联阵元数量，改善天线带宽并降低天线设计难度。最终，天线的宽带设计简化为如何有效扩宽子阵的带宽。

由于每个子阵中串联的辐射缝隙和耦合缝隙数量较少，可采用谐振式阵列即驻波阵的形式进行设计，而辐射缝隙子阵与耦合缝隙子阵还可独立设计。首先，辐射缝隙间距为二分之一导波波长，当子阵输入端的归一化导纳值为1时在中心频率取得最佳匹配效果，反射系数的频率响应呈单谐振特性。另外，耦合缝隙子阵中缝隙间距也为馈电波导中二分之一导波波长，通过调节耦合缝隙的旋转角度和长度，当子阵输入端的归一化阻抗值为1时在中心频率取得最佳匹配效果，反射系数的频率响应呈单谐振特性。此时，天线带宽将低于5％，不能为未来高性能雷达和高速无线通信服务。

特别是在进行二维阵列天线设计时，缝隙间的耦合效应可大幅降低天线的匹配带宽和辐射性能，因此辐射缝隙间的解耦显得尤为重要。实现有效的解耦结构是实现大规模、高效能波导缝隙阵列的重要工作。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线。

本发明的另一目的在于提供一种基于过载技术的具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线的宽带设计方法。

所述具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线由下层的馈电网络和上层的辐射波导、空气腔组成，所述下层的馈电网络设有T型功分器主波导和馈电波导，所述馈电波导与辐射波导之间通过耦合缝隙连接，辐射波导与空气腔之间通过辐射缝隙连接，入射电磁波从输入端依次经T型功分器主波导、馈电波导、耦合缝隙、辐射波导、辐射缝隙和空气腔，最终辐射到空间。

所述具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线，可以通过在辐射缝隙外部增加开放式腔体，有效抑制辐射缝隙间的互耦效应，从而进一步改善天线的整体带宽。开放式腔体的尺寸(长，宽，高)应根据工作频率和辐射缝的分布情况具体设计，也可去除缝隙弱耦合方向即缝隙长度方向的金属壁将呈周期格子分布的空气腔简化为平行的金属隔片，在维持解耦效果和改善天线带宽的同时，简化了天线结构，并有效降低加工难度和成本。

所述具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线，采用中心馈电、部分并联馈电或并联馈电网络，将天线整体简化为若干个子阵，可以改善天线带宽并降低天线的设计难度。辐射波导呈周期性排列，周期为辐射波导宽度与金属壁厚度之和，通过调整馈电波导宽度使得馈电波导导波波长为辐射波导周期的二分之一。

采用一种基于过载技术的具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线的宽带设计方法，包括以下步骤：

1)采用至少1个T型功分器构成天线所需的馈电网络，在T型功分器的主波导和馈电波导内插入二阶金属膜片，调节金属膜片的厚度和插入深度，实现具有双谐振的匹配效果；

2)根据天线馈电网络和阵元排列的周期性，将阵列天线整体分割为若干个子阵，并且每个子阵包括辐射缝隙子阵和耦合缝隙子阵；

3)独立设计辐射缝隙子阵和耦合缝隙子阵，每个子阵中串联的辐射缝隙和耦合缝隙数量较少，采用谐振式阵列即驻波激励，运用过载技术，具体设计如下：

(1)解耦结构—开放式腔体设计，具体方法为：根据工作频率和辐射缝的分布情况，具体优化腔体的长宽高尺寸，通过增加腔体使得分布于二维阵列中辐射缝隙的等效导纳值与独立存在的单个辐射缝隙的导纳值相等，即获得解耦效果；

(2)辐射缝隙子阵设计，具体方法为：辐射缝隙间距为二分之一辐射波导波长，当子阵输入端的归一化导纳值为1时，在中心频率取得最佳匹配效果，反射系数的频率响应呈单谐振特性；此时采用过载技术，即增加各个辐射缝的横向偏移量，中心频点归一化导纳值将大于1，即过载呈失配状态，而当工作频率偏离中心频点时，低频端和高频段各有一个频点，两频点处的归一化导纳值将接近1，故采用过载技术时天线反射系数的频率响应呈双谐振特性，匹配带宽得到大幅改善；

(3)耦合缝隙子阵设计，具体方法为：耦合缝隙子阵中缝隙间距为馈电波导中二分之一导波波长，通过增大耦合缝隙的旋转角度实现过载，同样通过实现双谐振特性，大幅改善耦合缝隙子阵的匹配带宽；

4)将独立设计的辐射缝隙子阵与耦合缝隙子阵组合成天线子阵，变化缝隙长度等参数，调节各个子阵的谐振点和谐振特性，进而在子阵中的特性实现多重谐振，进一步改善天线匹配带宽。

本发明的设计简单，结构紧凑，便于加工。通过在辐射缝隙上方增设开放式腔体，有效削弱缝隙间的耦合效应，可更好实现高增益、高效能、大带宽的二维波导缝隙阵列天线。另外，打破传统的匹配条件，采用过载技术改善带宽，分别设计辐射缝隙子阵与耦合缝隙子阵。关于辐射缝隙，将增加各个缝的横向偏移量，中心频点归一化导纳值将大于1即过载呈失配状态，而当工作频率偏离中心频点时，低频端和高频段各有一个频点，两频点处的归一化导纳值将接近1，故采用过载技术时天线反射系数的频率响应呈双谐振特性，匹配带宽得到大幅改善。关于耦合缝隙，将通过增大耦合缝隙的旋转角度实现过载，同样通过实现双谐振特性，大幅改善耦合缝隙子阵的匹配带宽。在此基础上，将独立设计的辐射缝隙子阵与耦合缝隙子阵组合成天线子阵时，可以通过变化缝隙长度等参数，调节各个子阵的谐振点和谐振特性，进而在子阵中的特性实现多重谐振，进一步改善天线匹配带宽和辐射带宽。

附图说明

图1是本发明具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线8×8阵元结构轮廓图。

图2是本发明具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线8×8阵元结构俯视图。

图3是本发明具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线8×8阵元结构右视图。

图4是本发明具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线功分网络。

图5是本发明具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线4×4子阵俯视图。

图6是本发明具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线耦合缝隙子阵带开放式空气腔的辐射单元结构示意图。

图7为图6的俯视图。

图8为图6的侧视图。

图9是本发明具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线辐射缝隙子阵。

图10是本发明具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线耦合缝隙子阵。

图11是本发明具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线辐射缝隙子阵过载效果S11对比图。

图12是本发明具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线4×4子阵有无去耦结构S11对比图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。

本实施例为一种具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线，选用8×8阵元结构，该阵列天线工作在X波段，采用中心频率为9.5GHz的中心馈电。

参见图1～3，该8×8阵列天线由下层的馈电网络(T型功分器主波导1，馈电波导2)和上层的辐射波导4、空气腔6组成，馈电波导2与辐射波导4之间通过耦合缝隙3连接，而辐射波导4与空气腔6之间通过辐射缝隙5连接。入射电磁波从馈电端口依次经过T型功分器主波导1、馈电波导2、耦合缝隙3、辐射波导4、辐射缝隙5和空气腔6，最终辐射到空间。

在本实施例中，采用一种基于过载技术的谐振式二维阵列的宽带设计方法，使用HFSS仿真软件对该波导缝隙阵列天线进行设计和仿真分析，具体设计步骤如下：

1)参见图4，采用T型功分器(由T型功分器主波导1，馈电波导2组成)构成天线所需的馈电网络，在T型功分器的主波导1和馈电波导2内插入二阶金属膜片，调节金属膜片的厚度和插入深度。这里膜片厚度均为1.5mm，膜片插入深度分别为11mm(h_1)，1.3mm(h_2)和0.4mm(h_3)，可以实现具有双谐振的匹配效果。

2)利用周期性将8×8阵列天线整体子阵化，简化为2×2个4×4子阵。4×4子阵模型参见图5。

3)独立设计辐射缝隙子阵和耦合缝隙子阵；每个子阵中串联的辐射缝隙和耦合缝隙数量较少，采用谐振式阵列即驻波激励；运用过载技术，可大幅改善带宽。

(1)解耦结构—开放式腔体设计：在辐射缝隙外部增加开放式腔体，根据工作频率和辐射缝的分布情况，具体优化腔体的尺寸(长，宽，高)。参见图6～8，在本实施例中，辐射腔体的长a为20.5mm，宽b为15mm，高c为11mm。此时周期边界条件下辐射缝隙的等效导纳值与独立存在的单个辐射缝隙的导纳值相等。即获得解耦效果。参见图12，具有解耦结构的S11带宽明显优于一般情况下带宽。

(2)辐射缝隙子阵设计：参见图9，本实施例中辐射波导选用X波段标准波导，波导宽度a_1为22.86mm，波导壁厚度为1mm，辐射部分周期为23.86mm。辐射缝隙间距为二分之一辐射波导波长，当辐射缝隙长度l_1为14.8mm，偏移量p为2.5mm时，子阵输入端的归一化导纳值为1，在中心频率取得最佳匹配效果，反射系数的频率响应呈单谐振特性。采用过载技术，增加各辐射缝隙偏移量p使中心频点归一化导纳值大于1，当辐射缝隙偏移量p增大到2.9mm时，反射系数频率响应呈双谐振特性。HFSS仿真软件下的S11仿真结果参见图11。

(3)设计耦合缝隙子阵：参见图10，为保证辐射部分周期为馈电波导导波波长的二分之一，馈电波导宽度a_2设为21.05mm。耦合缝隙子阵中缝隙间距为馈电波导中二分之一导波波长，通过增大耦合缝隙的旋转角度实现过载。本实施例中耦合缝隙长度l_2为15mm，缝隙偏角θ为19.5deg，可以实现具有双谐振的匹配效果。

(4)独立设计的辐射缝隙子阵与耦合缝隙子阵组合成天线子阵，变化缝隙长度等参数，调节各个子阵的谐振点和谐振特性,进而在子阵中的特性实现多重谐振，进一步改善天线匹配带宽。

本发明所述波导缝隙阵列天线由双层波导结构组成；从下至上依次为T型功分器主波导，馈电波导，耦合缝隙，辐射波导，辐射缝隙和开放式空气腔。该天线具有解耦结构，在辐射缝隙外部增设开放式腔体，通过优化空气腔的三维尺寸抑制辐射缝隙间的互耦效应，有效改善大规模阵列中互耦对天线带宽的制约。根据天线带宽设计要求，设计适当的天线馈电网络，通过天线子阵化，将天线整体简化为若干个子阵从而改善天线带宽和降低设计难度。每个子阵中串联的辐射缝隙和耦合缝隙数量较少，可采用谐振式阵列即驻波阵的形式设计，具体采用过载技术大幅改善天线子阵的匹配带宽和辐射带宽。

Claims (6)

1.一种具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线，其特征在于由下层的馈电网络和上层的辐射波导、空气腔组成，所述下层的馈电网络设有T型功分器主波导和馈电波导，所述馈电波导与辐射波导之间通过耦合缝隙连接，辐射波导与空气腔之间通过辐射缝隙连接，入射电磁波从输入端依次经T型功分器主波导、馈电波导、耦合缝隙、辐射波导、辐射缝隙和空气腔，最终辐射到空间。

2.如权利要求1所述一种具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线，其特征在于通过在辐射缝隙外部增加开放式腔体，抑制辐射缝隙间的互耦效应，改善天线的整体带宽。

3.如权利要求2所述一种具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线，其特征在于所述开放式腔体的长宽高尺寸根据工作频率和辐射缝的分布情况具体设计，或去除缝隙弱耦合方向即缝隙长度方向的金属壁将呈周期格子分布的空气腔简化为平行的金属隔片。

4.如权利要求1所述一种具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线，其特征在于采用中心馈电、部分并联馈电或并联馈电网络，将天线整体简化为若干个子阵。

5.如权利要求1所述一种具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线，其特征在于所述辐射波导呈周期性排列，周期为辐射波导宽度与金属壁厚度之和，通过调整馈电波导宽度使得馈电波导导波波长为辐射波导周期的二分之一。

6.采用一种基于过载技术的具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线的宽带设计方法，其特征在于包括以下步骤：

1)采用至少1个T型功分器构成天线所需的馈电网络，在T型功分器的主波导和馈电波导内插入二阶金属膜片，调节金属膜片的厚度和插入深度，实现具有双谐振的匹配效果；

2)根据天线馈电网络和阵元排列的周期性，将阵列天线整体分割为若干个子阵，并且每个子阵包括辐射缝隙子阵和耦合缝隙子阵；

3)独立设计辐射缝隙子阵和耦合缝隙子阵，每个子阵中串联的辐射缝隙和耦合缝隙数量较少，采用谐振式阵列即驻波激励，运用过载技术，具体设计如下：

(1)解耦结构—开放式腔体设计，具体方法为：根据工作频率和辐射缝的分布情况，具体优化腔体的长宽高尺寸，通过增加腔体使得分布于二维阵列中辐射缝隙的等效导纳值与独立存在的单个辐射缝隙的导纳值相等，即获得解耦效果；

(2)辐射缝隙子阵设计，具体方法为：辐射缝隙间距为二分之一辐射波导波长，当子阵输入端的归一化导纳值为1时，在中心频率取得最佳匹配效果，反射系数的频率响应呈单谐振特性；此时采用过载技术，即增加各个辐射缝的横向偏移量，中心频点归一化导纳值将大于1，即过载呈失配状态，而当工作频率偏离中心频点时，低频端和高频段各有一个频点，两频点处的归一化导纳值将接近1，故采用过载技术时天线反射系数的频率响应呈双谐振特性，匹配带宽得到大幅改善；

(3)耦合缝隙子阵设计，具体方法为：耦合缝隙子阵中缝隙间距为馈电波导中二分之一导波波长，通过增大耦合缝隙的旋转角度实现过载，同样通过实现双谐振特性，大幅改善耦合缝隙子阵的匹配带宽；

4)将独立设计的辐射缝隙子阵与耦合缝隙子阵组合成天线子阵，变化缝隙长度等参数，调节各个子阵的谐振点和谐振特性，进而在子阵中的特性实现多重谐振，进一步改善天线匹配带宽。