CN108172966B - 一种双相位中心测高频率扫描天线 - Google Patents

Abstract

本发明属于天线技术领域，具体地讲涉及一种双相位中心测高频率扫描天线，包括一个介质块和两个结构相同的接收天线；两个所述接收天线之间固定连接，所述介质块分别与两个接收天线固定连接；所述接收天线包括慢波线组件和两块翼板；所述慢波线组件的直波导腔体的进口处设有接收孔，两块所述翼板分别位于接收孔的两侧，慢波线组件的慢波线腔体的一端部设有波导转换器；两个接收天线上下并列设置，两个接收天线的慢波线组件之间固定连接，介质块分别固定在两个接收天线的翼板上。本发明的天线在不影响单个单相位中心频率扫描天线的工作性能的前提下，实现了较大的俯仰向测量角度范围，满足了实际工程应用的俯仰向的测量需求。

Description

一种双相位中心测高频率扫描天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体地讲涉及一种双相位中心测高频率扫描天线。

背景技术

频率扫描天线具有增益高、低副瓣、宽角扫描、成本低、结构简单等优点，近年来被广泛应用于低空搜索雷达、地面警戒雷达等领域，目前常见的频率扫描天线一般由慢波线、耦合馈电结构、辐射天线三部分组成，包括微带慢波线与微带辐射天线组合、带状线慢波线与振子辐射天线组合、波导慢波线与微带辐射天线组合等等，根据实际的需求选用合适的频率扫描天线形式。

单相位中心频率扫描天线可以完成方位向的波束扫描，确定目标在方位向的来波方向，而俯仰向却不能测量。但在实际工程应用中，对目标俯仰向的测量具有重要意义。

目前，最简单的方法是利用单基线相位干涉仪的组成原理，采用单相位中心天线组成双相位中心天线，但两个单相位中心天线按照普通并排布阵的形式无法实现双相位中心频率扫描天线俯仰面测角的功能。因此，如何通过两个单相位中心天线来实现俯仰面测角的功能是目前亟待解决的问题。

发明内容

根据现有技术中存在的问题，本发明提供了一种双相位中心测高频率扫描天线，该天线在不影响单个单相位中心频率扫描天线的工作性能的前提下，实现了较大的俯仰向测量角度范围，满足了实际工程应用的俯仰向的测量需求。

本发明采用以下技术方案：

一种双相位中心测高频率扫描天线，包括一个介质块和两个结构相同的接收天线；两个所述接收天线之间固定连接，所述介质块分别与两个接收天线固定连接。

优选的，所述接收天线包括慢波线组件和两块翼板；所述慢波线组件的直波导腔体的进口处设有接收孔，两块所述翼板分别位于接收孔的两侧，慢波线组件的慢波线腔体的一端部设有波导转换器；两个所述接收天线上下并列设置，两个接收天线的慢波线组件之间固定连接，所述介质块分别固定在两个接收天线的翼板上。

进一步优选的，同一接收天线内，所述慢波线组件包括长度均相同的上板、中板和下板，上板和中板之间、中板和下板之间均固定连接；所述中板的底面和下板的顶面的相应位置上均设有蛇形状的凹槽，所述慢波线组件的慢波线腔体为由中板的底面凹槽与下板的顶面凹槽扣合而形成的蛇形状内腔；所述中板的顶面和上板的底面的相应位置上均设有多个直线状的凹槽，所述慢波线组件的直波导腔体为由中板的顶面凹槽与上板的底面凹槽扣合而形成的直线状内腔，所述接收孔位于多个直波导腔体的进口处；所述波导转换器分别与中板和下板固定连接；两块所述翼板分别与上板和中板固定连接；

两个接收天线之间，位于上方的接收天线的下板与位于下方的接收天线的下板之间固定连接；所述介质块分别固定在位于上方的接收天线的上方翼板和位于下方的接收天线的下方翼板上。

更进一步优选的，所述下板的顶面凹槽内在沿下板的长度方向上设有多个凸块，所述凸块的高度小于下板的顶面凹槽深度；所述中板在与凸块相应的位置上设有多个通孔，所述通孔连通所述慢波线腔体和直波导腔体；所述上板在其远离接收孔的一端的凹槽中设有凸台，所述凸台的高度小于上板的底面凹槽深度。

更进一步优选的，同一接收天线内，所述接收孔处设有两个扼流槽，两个所述扼流槽分别固定在上板和中板上；两个扼流槽扣合而形成耦合器，所述耦合器的宽度小于中板和上板上的凹槽宽度，耦合器凸出翼板与上板和中板的连接部；两块所述翼板的长度方向均平行于多个接收孔的中心所形成的直线，两块所述翼板在沿着由直波导腔体到进口处的接收孔方向上呈敞口状；两块所述翼板沿多个接收孔的中心所形成的直线对称分布，且翼板自靠近接收孔一侧向远离接收孔一侧倾斜延伸；两块所述翼板的长度与上板的长度相同。

更进一步优选的，所述介质块的材质为聚四氟乙稀；所述介质块的长度与翼板的长度相同。

更进一步优选的，所述慢波线组件的慢波线腔体的另一端部设有负载，所述负载分别与中板和下板固定连接。

更进一步优选的，所述慢波线组件的上板和中板之间、中板和下板之间均通过真空铝钎焊焊接固定；位于上方的接收天线的下板与位于下方的接收天线的下板之间通过支撑柱固定连接。

更进一步优选的，所述上板的顶面和下板的底面均设有减重槽。

更进一步优选的，所述上板、中板、下板和两块翼板均采用3A21铝合金。

本发明的有益效果在于：

1)本发明的天线中，所述慢波线组件包括长度均相同的上板、中板和下板，上板和中板之间、中板和下板之间均固定连接；所述中板的底面和下板的顶面的相应位置上均设有蛇形状的凹槽，所述慢波线组件的慢波线腔体为由中板的底面凹槽与下板的顶面凹槽扣合而形成的蛇形状内腔；所述中板的顶面和上板的底面的相应位置上均设有多个直线状的凹槽，所述慢波线组件的直波导腔体为由中板的顶面凹槽与上板的底面凹槽扣合而形成的直线状内腔，所述接收孔位于多个直波导腔体的进口处；两块所述翼板分别与上板和中板固定连接，所述接收孔凸出翼板与上板和中板的连接部。两个接收天线间距为d，θ为入射波到达角，λ为入射波波长，两个接收天线接收到的信号相位差为：φ＝(2πd/λ)*sinθ，当d超过λ2时，φ的取值会超过[-π,+π]的范围，这就超出了鉴相器的测量范围，因此为了不出现测角模糊，d对应的测角范围为[-arcsinλ2d,+arcsinλ2d]。因此，为了满足一定的俯仰向测量角度范围，两个单相位中心天线之间的间距d不能太大；本发明的天线通过上述上板、中板和下板的组合配合，使直波导腔体相对于慢波线腔体的输入方向形成一个90°的垂直过渡弯，使得位于上方的接收天线与位于下方的接收天线之间的间距d大大缩小，避免了测角模糊，达到了测角所需的工作性能。

2)本发明的天线中，同一接收天线内的两块所述翼板的长度方向均平行于多个接收孔的中心所形成的直线，两块所述翼板在沿着由直波导腔体到进口处的接收孔方向上呈敞口状；两块所述翼板沿多个接收孔的中心所形成的直线对称分布，且翼板自靠近接收孔一侧向远离接收孔一侧倾斜延伸；两块所述翼板的长度与上板的长度相同；所述介质块分别固定在位于上方的接收天线的上方翼板和位于下方的接收天线的下方翼板上。采用翼板加介质块的结构，一方面减小了翼板的伸出长度，从而减小了两个接收天线之间的间距为d；另一方面，介质块具有比空气大的介电常数，对于介质而言，其折射率大于1，能够在不失配的情况达到压窄俯仰面波束宽度的目的，翼板加介质块的结构减小了翼板口径，使得接收天线能够在较小的敞开口径的前提下实现较大的波束压窄，提高了天线的工作性能。

3)本发明的天线中，同一接收天线内，所述接收孔处设有两个扼流槽，两个所述扼流槽分别固定在上板和中板上；两个扼流槽扣合而形成耦合器，所述耦合器的宽度小于中板和上板上的凹槽宽度，耦合器凸出翼板与上板和中板的连接部。两个扼流槽形成耦合器，每个耦合器相当于一个辐射天线单元，这一个个耦合器在翼板的底部起到了扼流的效果，降低了耦合器之间的能量互耦水平，改善了天线的有源驻波，从而改善了频率扫描天线在宽角扫描范围内的增益起伏和辐射效率。

4)本发明的天线中，同一接收天线内，所述慢波线组件包括长度均相同的上板、中板和下板，上板和中板之间、中板和下板之间均固定连接；所述中板的底面和下板的顶面的相应位置上均设有蛇形状的凹槽，所述慢波线组件的慢波线腔体为由中板的底面凹槽与下板的顶面凹槽扣合而形成的蛇形状内腔；所述中板的顶面和上板的底面的相应位置上均设有多个直线状的凹槽，所述慢波线组件的直波导腔体为由中板的顶面凹槽与上板的底面凹槽扣合而形成的直线状内腔，所述接收孔位于多个直波导腔体的进口处。所述慢波线组件的上述结构避免了整体成型的加工难度大、性能可靠性差的缺点，通过普通的铣削加工就能完成，使得加工精度易于控制。

5)本发明的天线中，所述慢波线组件的上板和中板之间、中板和下板之间均通过真空铝钎焊焊接固定；位于上方的接收天线的下板与位于下方的接收天线的下板之间通过支撑柱固定连接。慢波线组件的上板和中板之间、中板和下板之间均通过真空铝钎焊焊接固定，提高了慢波线组件的稳定性，也就相应的提高了天线工作的稳定性，同时，两个接收天线之间通过支撑柱固定连接，在不影响天线工作稳定性时，提高了天线的装拆便捷性和机动性。

6)本发明的天线中，所述上板的顶面和下板的底面均设有减重槽，所述上板、中板、下板和两块翼板均采用3A21铝合金。减重槽的设置以及铝材的选择，有效地减小了天线的重量，同时提高了天线自身的防腐抗氧化性，使得天线能够适应复杂的室外环境。

附图说明

图1为本发明的天线的立体结构图。

图2为本发明的天线的立体爆炸图。

图3为本发明的天线的上板、中板和下板之间的爆炸图。

图4为本发明的天线的上板底面朝上的结构图。

图5a为本发明的天线的中板顶面朝上的结构图。

图5b为本发明的天线的中板底面朝上的结构图。

图6为本发明的天线的下板顶面朝上的结构图。

图7为本发明的天线的仿真图的主视图。

图8为本发明的天线的传输系数图。

图9为本发明的天线的驻波图。

图10为本发明的天线的各个频点的方位面方向图。

图11为本发明的天线的两个端口的隔离图。

图12为本发明的天线的频率f＝15.8GHz时的俯仰面方向图。

附图标记：1-介质块，2-接收天线，21-慢波线组件，22-翼板，23-负载,24-支撑柱，25-耦合器，211-接收孔，212-波导转换器，213-上板，214-中板，215-下板，216-凸块，217-通孔，218-凸台，219-扼流槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示，一种双相位中心测高频率扫描天线，包括一个介质块1和两个结构相同的接收天线2；两个所述接收天线2之间固定连接，所述介质块1分别与两个接收天线2固定连接。

所述接收天线2包括慢波线组件21和两块翼板22；所述慢波线组件21的直波导腔体的进口处设有接收孔211，两块所述翼板22分别位于接收孔211的两侧，慢波线组件21的慢波线腔体的一端部设有波导转换器212；两个所述接收天线2上下并列设置，两个接收天线2的慢波线组件21之间固定连接，所述介质块1分别固定在两个接收天线2的翼板22上。

如图3、图4、图5a、图5b、图6所示，同一接收天线2内，所述慢波线组件21包括长度均相同的上板213、中板214和下板215，上板213和中板214之间、中板214和下板215之间均固定连接；所述中板214的底面和下板215的顶面的相应位置上均设有蛇形状的凹槽，所述慢波线组件21的慢波线腔体为由中板214的底面凹槽与下板215的顶面凹槽扣合而形成的蛇形状内腔；所述中板214的顶面和上板213的底面的相应位置上均设有多个直线状的凹槽，所述慢波线组件21的直波导腔体为由中板214的顶面凹槽与上板213的底面凹槽扣合而形成的直线状内腔，所述接收孔211位于多个直波导腔体的进口处；所述波导转换器212分别与中板214和下板215固定连接；两块所述翼板22分别与上板213和中板214固定连接；

两个接收天线2之间，位于上方的接收天线2的下板215与位于下方的接收天线2的下板215之间固定连接；所述介质块1分别固定在位于上方的接收天线2的上方翼板22和位于下方的接收天线2的下方翼板22上。

所述下板215的顶面凹槽内在沿下板215的长度方向上设有多个凸块216，所述凸块216的高度小于下板215的顶面凹槽深度；所述中板214在与凸块216相应的位置上设有多个通孔217，所述通孔217连通所述慢波线腔体和直波导腔体；所述上板213在其远离接收孔211的一端的凹槽中设有凸台218，所述凸台218的高度小于上板213的底面凹槽深度。

同一接收天线2内，所述接收孔211处设有两个扼流槽219，两个所述扼流槽219分别固定在上板213和中板214上；两个扼流槽219扣合而形成耦合器25，所述耦合器25的宽度小于中板214和上板213上的凹槽宽度，耦合器25凸出翼板22与上板213和中板214的连接部；两块所述翼板22的长度方向均平行于多个接收孔211的中心所形成的直线，两块所述翼板22在沿着由直波导腔体到进口处的接收孔211方向上呈敞口状；两块所述翼板22沿多个接收孔211的中心所形成的直线对称分布，且翼板22自靠近接收孔211一侧向远离接收孔211一侧倾斜延伸；两块所述翼板22的长度与上板213的长度相同。

所述介质块1的材质为聚四氟乙稀；所述介质块1的长度与翼板22的长度相同。

所述慢波线组件21的慢波线腔体的另一端部设有负载23，所述负载23分别与中板214和下板215固定连接。

所述慢波线组件21的上板213和中板214之间、中板214和下板215之间均通过真空铝钎焊焊接固定；位于上方的接收天线2的下板215与位于下方的接收天线2的下板215之间通过支撑柱24固定连接。

所述上板213的顶面和下板215的底面均设有减重槽。

所述上板213、中板214、下板215和两块翼板22均采用3A21铝合金。

下面结合实施例对本发明中的天线进行举例说明。

实施例1：

如图7所示，本实施例提供一种双相位中心测高频率扫描天线，工作频段为15.7GHz～17.2GHz，慢波线腔体采用矩形波导蛇形线形式，直波导腔体选用标准BJ180型号，接收孔的口径尺寸为12.95×6.48mm，相邻耦合器25的间距为10.2mm，按照实际口径大小分布和增益要求，总共有42个耦合器25，按照-29dB进行泰勒加权。在中心频率16.45GHz处，慢波线在相邻的耦合器25之间传输了4.5个波长。如图7所示，两个接收天线2之间的间距d＝32mm，翼板22的口径Tc＝30mm，与耦合器之间的夹角a＝16.8°，介质块1的宽度Hk＝62mm，它的高度Hd＝45mm。

两个接收天线间距为d，θ为入射波到达角，λ为入射波波长，两个接收天线接收到的信号相位差为：φ＝(2πd/λ)*sinθ，当d超过λ2时，φ的取值会超过[-π,+π]的范围，这就超出了鉴相器的测量范围，因此为了不出现测角模糊，d对应的测角范围为[-arcsinλ2d,+arcsinλ2d]。

根据测角范围[-arcsinλ/2d,+arcsinλ/2d]可算出当d取32mm时，可以实现俯仰面超过30°的测角范围覆盖。

下面通过仿真来说明本发明的天线满足天线的工作性能。

如图8所示，图8为本天线的传输系数图。通过图8可得，在15.7GHz到17.2GHz频带内插损小于-9dB，因此天线辐射效率良好。

如图9所示，图9为本天线的驻波图。通过图9可得，除中心频点外，其余频率优于1.25,天线驻波很小，性能优良。

如图10所示，图10为本天线其中一个天线的方位面扫描方向图。通过图10可得，在15.7GHz到17.2GHz频带内增益起伏小于3.5dB，副瓣电平优于-20dB，增益起伏、副瓣电平等指标性能优良。

如图11所示，图11为本天线的两个端口的隔离图。通过图11可得，隔离度优于-38dB，因此两个天线之间的隔离度指标性能优良。

如图12所示，图12为本天线的频率f＝15.8GHz时的俯仰面方向图。通过图12可得，本天线的两个接收天线间距为32mm时俯仰面3dB波束宽度为20度，达到了设计指标要求。

综上所述，本发明的天线在不影响单个单相位中心频率扫描天线的工作性能的前提下，实现了较大的俯仰向测量角度范围，满足了实际工程应用的俯仰向的测量需求。

Claims (9)

1.一种双相位中心测高频率扫描天线，其特征在于：包括一个介质块(1)和两个结构相同的接收天线(2)；两个所述接收天线(2)之间固定连接，所述介质块(1)分别与两个接收天线(2)固定连接；

所述接收天线(2)包括慢波线组件(21)和两块翼板(22)；所述慢波线组件(21)的直波导腔体的进口处设有接收孔(211)，两块所述翼板(22)分别位于接收孔(211)的两侧，慢波线组件(21)的慢波线腔体的一端部设有波导转换器(212)；两个所述接收天线(2)上下并列设置，两个接收天线(2)的慢波线组件(21)之间固定连接，所述介质块(1)分别固定在两个接收天线(2)的翼板(22)上。

2.根据权利要求1所述的一种双相位中心测高频率扫描天线，其特征在于：同一接收天线(2)内，所述慢波线组件(21)包括长度均相同的上板(213)、中板(214)和下板(215)，上板(213)和中板(214)之间、中板(214)和下板(215)之间均固定连接；所述中板(214)的底面和下板(215)的顶面的相应位置上均设有蛇形状的凹槽，所述慢波线组件(21)的慢波线腔体为由中板(214)的底面凹槽与下板(215)的顶面凹槽扣合而形成的蛇形状内腔；所述中板(214)的顶面和上板(213)的底面的相应位置上均设有多个直线状的凹槽，所述慢波线组件(21)的直波导腔体为由中板(214)的顶面凹槽与上板(213)的底面凹槽扣合而形成的直线状内腔，所述接收孔(211)位于多个直波导腔体的进口处；所述波导转换器(212)分别与中板(214)和下板(215)固定连接；两块所述翼板(22)分别与上板(213)和中板(214)固定连接；

两个接收天线(2)之间，位于上方的接收天线(2)的下板(215)与位于下方的接收天线(2)的下板(215)之间固定连接；所述介质块(1)分别固定在位于上方的接收天线(2)的上方翼板(22)和位于下方的接收天线(2)的下方翼板(22)上。

3.根据权利要求2所述的一种双相位中心测高频率扫描天线，其特征在于：所述下板(215)的顶面凹槽内在沿下板(215)的长度方向上设有多个凸块(216)，所述凸块(216)的高度小于下板(215)的顶面凹槽深度；所述中板(214)在与凸块(216)相应的位置上设有多个通孔(217)，所述通孔(217)连通所述慢波线腔体和直波导腔体；所述上板(213)在其远离接收孔(211)的一端的凹槽中设有凸台(218)，所述凸台(218)的高度小于上板(213)的底面凹槽深度。

4.根据权利要求3所述的一种双相位中心测高频率扫描天线，其特征在于：同一接收天线(2)内，所述接收孔(211)处设有两个扼流槽(219)，两个所述扼流槽(219)分别固定在上板(213)和中板(214)上；两个扼流槽(219)扣合而形成耦合器(25)，所述耦合器(25)的宽度小于中板(214)和上板(213)上的凹槽宽度，耦合器(25)凸出翼板(22)与上板(213)和中板(214)的连接部；两块所述翼板(22)的长度方向均平行于多个接收孔(211)的中心所形成的直线，两块所述翼板(22)在沿着由直波导腔体到进口处的接收孔(211)方向上呈敞口状；两块所述翼板(22)沿多个接收孔(211)的中心所形成的直线对称分布，且翼板(22)自靠近接收孔(211)一侧向远离接收孔(211)一侧倾斜延伸；两块所述翼板(22)的长度与上板(213)的长度相同。

5.根据权利要求4所述的一种双相位中心测高频率扫描天线，其特征在于：所述介质块(1)的材质为聚四氟乙稀；所述介质块(1)的长度与翼板(22)的长度相同。

6.根据权利要求5所述的一种双相位中心测高频率扫描天线，其特征在于：所述慢波线组件(21)的慢波线腔体的另一端部设有负载(23)，所述负载(23)分别与中板(214)和下板(215)固定连接。

7.根据权利要求6所述的一种双相位中心测高频率扫描天线，其特征在于：所述慢波线组件(21)的上板(213)和中板(214)之间、中板(214)和下板(215)之间均通过真空铝钎焊焊接固定；位于上方的接收天线(2)的下板(215)与位于下方的接收天线(2)的下板(215)之间通过支撑柱(24)固定连接。

8.根据权利要求7所述的一种双相位中心测高频率扫描天线，其特征在于：所述上板(213)的顶面和下板(215)的底面均设有减重槽。

9.根据权利要求8所述的一种双相位中心测高频率扫描天线，其特征在于：所述上板(213)、中板(214)、下板(215)和两块翼板(22)均采用3A21铝合金。