CN108242600A - 一种线极化单脉冲平板缝隙天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种线极化单脉冲平板缝隙天线，属于天线技术领域。本发明天线包括辐射缝隙馈电层和单脉冲馈电网络，所述单层径向线波导的表面开设辐射缝隙阵，所述辐射缝隙阵的每一圈均是将一个缝隙绕径向线波导圆心按照传统线极化RLSA的缝隙排布规律在一个象限波导内排布，然后再将一个缝隙上下左右对称得到同一圈四个象限波导内的缝隙，通过控制馈电网络改变馈电相位实现线极化和单脉冲。本发明馈电结构简单，避免了庞大的馈电网络结构，损耗小，天线效率高，并且与传统线极化RLSA结构相比，不仅能够在实现线极化的基础上还能实现单脉冲，而且采用单缝做线极化辐射单元改善了反射系数，并且在工作频段内具有稳定的辐射方向图、极低的交叉极化电平、良好的回波损耗。

Description

一种线极化单脉冲平板缝隙天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种线极化单脉冲平板缝隙天线。
背景技术
近年来，随着雷达、卫星通讯系统等的蓬勃发展，商用民用卫星电视接收、毫米波雷达防撞系统，高速无线局域网、移动连接基站以及各种毫米波无线电中继系统等的快速进步，天线作为发送和接收电磁波的核心部件，人们对其的要求越来越高。而平板阵列天线因为其具有低剖面、易批量制造等特点而被广泛应用于这些领域。在平板阵列天线的设计过程中，馈线的损耗决定着天线的效率，而辐射单元以及波导结构的选择决定着天线的成本。微带阵列是一种常见的高增益平板天线。然而随着阵列单元个数的增加或者工作频率的升高，存在于辐射单元和复杂馈电网络中的介质损耗也将随着升高，这就直接导致微带阵列天线的辐射效率变低。波导阵列天线因导体损耗非常小，是高增益平板阵列的最佳选择，然而实际上因体积笨重，加工精度要求高等特点，限制了其应用范围。而径向线缝隙天线(RLSA)作为Ku波段的高增益卫星接收天线而被提出，从早期的高次模十字交叉缝隙环形阵列，到双层介质填充正交缝隙阵列，再到单层介质填充正交缝隙阵列，研究学者们对径向线缝隙天线的结构进行了不断的改进，使性能达到了与波导缝隙阵列近似的水平，因此它兼具了波导缝隙天线的高效率和微带天线低剖面的优点。
同时随着导弹、火箭、人造卫星和宇航技术的发展，对跟踪雷达的跟踪速度、跟踪精度、跟踪距离和抗干扰能力提出了越来越高的要求。采用传统的的顺序波束转换体制和圆锥扫描体制已经不能满足跟踪高速飞行器的要求。单脉冲又称多波束，在单个脉冲周期内可同时得到目标的俯仰角、方位角和距离的信息，具有获取误差信号迅速、跟踪精度高，抗干扰能力强，方向性好等优点，因而被广泛用于雷达跟踪和导弹防御系统等高速目标的跟踪定位中。综上所述，如何实现单脉冲RLSA成为了本领域值得研究的方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种线极化单脉冲平板缝隙天线，利用在单层径向线波导上开设以单个缝隙为辐射单元形成的多圈同心环状的辐射缝隙阵列，通过单脉冲馈电网络对其馈电，实现单脉冲和线极化双功能，相较传统线极化径向缝隙天线改善了端口反射系数，并且结构简单轻巧，损耗小，天线效率高，加工成本低。
本发明提出的技术方案如下：
一种线极化单脉冲平板缝隙天线，至少包括辐射缝隙馈电层和单脉冲馈电网络，所述辐射缝隙馈电层采用径向线波导表面的辐射缝隙阵进行辐射，其特征在于：所述辐射缝隙阵是以单个缝隙作为线极化辐射单元，若干个缝隙环绕径向线波导的圆心多圈排布形成的上下左右均对称的同心环状阵列，单脉冲馈电网络通过同轴馈电激励径向线波导对辐射缝隙阵进行馈电，利用馈电相位的变化在径向线波导中产生不同的场模式实现单脉冲和线极化。
进一步地，所述辐射缝隙阵的每一圈均是将一个缝隙绕径向线波导圆心按照传统线极化RLSA的缝隙排布规律在一个象限内排布，然后再将一个缝隙上下左右对称得到同一圈四个象限内的缝隙。
更进一步地，定义第i圈缝隙的个数为xi，则每一圈内相邻缝隙间隔的角度为2π/xi，同一圈上的缝隙的尺寸相同。
作为优选方式，定义phi为每个缝隙中心从辐射缝隙阵圆心发出径向线形成锐角的大小，theta为缝隙中心所在径向半径与缝隙宽边形成锐角的大小，则任意一个象限的缝隙满足theta＝(π-phi)/2，即45°﹤theta﹤90°。
更进一步地，径向线波导上多圈同心环状的辐射缝隙阵从内至外每一圈缝隙的尺寸逐渐增大。
进一步地，为了避免栅瓣并且减少缝隙之间的互耦，定义λg为一个波导波长，则周向相邻缝隙间距优选为0.6λg；所述周向相邻缝隙间距具体是任意两个相邻缝隙中点之间的距离。
进一步地，为了便于辐射能量同相叠加，定义λg为一个波导波长，则相邻两圈缝隙的径向间距优选为λg，所述径向间距是指任意两个相邻缝隙中点之间的距离。
进一步地，所述辐射缝隙阵的圈数优选为5，根据实施例可看出这样是为了获得25dB左右的高增益。
进一步地，馈电网络包括四个分支线混合网络级联而成，具有俯仰差波束端口，和波束端口，方位差波束端口和隔离端口四个输入端口。
更进一步地，在实测时采用SAM接头与俯仰差波束端口，和波束端口和方位差波束端口这三个端口相接来对天线进行馈电。
进一步地，采用四个同轴探针对径向线波导馈电，所述四个同轴探针均匀分布于匹配圆环内部同心圆的圆周上，同轴探针的一端通过定位孔深入径向线波导中，其另一端通过定位孔焊接于馈电网络的输出端口。
更进一步地，四个同轴探针均匀分布于匹配圆环内部半径4.1mm的同心圆的圆周上，这样能在径向线波导里激励起所需的稳定的场模式。
本发明在单层径向线波导上表面开设辐射缝隙阵，与传统径向线缝隙天线(RLSA)采用两个相互正交的缝隙对作为辐射单元所不同的是：本发明采用单个缝隙作为辐射单元，同时排布方式也有别于传统缝隙对在辐射面上的排布方式。本发明辐射缝隙阵的每一圈均是将一个缝隙绕径向线波导圆心按照传统线极化RLSA的缝隙排布规律在一个象限内排布，然后再将一个缝隙上下左右对称得到同一圈四个象限内的缝隙，同一圈上的缝隙的尺寸相同，并且径向线波导上从内至外每一圈缝隙的尺寸逐渐增大，从而形成多圈同心环状的辐射缝隙阵列。当天线处于工作模式时，通过馈电网络改变馈电相位，使得径向线波导中产生不同的场模式，从而实现单脉冲和线极化。另外，由于传统线极化RLSA的缝隙对中两条缝隙之间的距离为二分之一波导波长，这样会导致反射波同相叠加，导致反射系数恶劣而本发明采用单个缝隙作为辐射单元则能够避免这种情况，故而达到改善天线反射系数的目的。
本发明的有益效果是：本发明与传统线极化RLSA结构相比，采用单个缝隙作为辐射单元，使其不仅能够实现传统线极化径向线缝隙天线的功能，而且其单脉冲特性还能应用于单脉冲跟踪和防碰撞应用等方面，采用单缝结构后在基本不影响增益和天线极化特性的情况下相较传统线极化径向缝隙天线改善了反射系数，并且在工作频段内具有稳定的辐射方向图、极低的交叉极化电平、良好的回波损耗；与常规的微带阵列天线相比，本发明用波导开缝形式辐射电磁波，避免了庞大的馈电功分结构，损耗小，天线效率高。此外，本发明天线结构简单轻巧，避免了庞大复杂的功分馈电网络结构，损耗小，天线效率高，加工成本低。
附图说明
图1是传统线极化RLSA结构图。
图2是本发明天线结构的俯视图；
图3是本发明天线结构的侧视图；
图4是本发明天线结构的背面图；
图5是本发明中单脉冲馈电网络的一个具体实施例的结构图；
图6是本发明中单个缝隙的几何关系示意图；
图7是天线线极化总增益E面主极化和交叉极化方向图；
图8是天线线极化总增益H面主极化和交叉极化方向图；
图9是天线俯仰差波束增益主极化和交叉极化方向图；
图10是天线方位差波束增益主极化和交叉极化方向图；
图11是天线三端口反射系数并与传统线极化反射系数对比图；
图中：1是径向线波导，2是辐射缝隙阵，3是同轴探针，4是塑料螺钉，5是金属支撑板，6是单脉冲馈电网络，7是俯仰差波束端口，8是总增益馈电端口，9是方位差波束馈电端口，10是隔离端口，11是金属螺钉，12是分支线混合网络。
具体实施方式
传统线性化RLSA，其辐射面上的缝隙排列如图1所示，一个线极化的辐射单元由两个相邻的缝隙(即缝隙对)组成，每个缝隙对的两个缝隙的径向间距为半个导波长λg/2且互相垂直。
下面结合图2至图5详细说明本发明天线的具体结构以及实现方式，平板缝隙天线包括：径向线波导1，辐射缝隙阵2，同轴探针3，金属支撑板5和单脉冲馈电网络6。图2为本发明天线结构的俯视图，径向线波导1通过30个塑料螺钉4固定在金属支撑板5上，这样对径向线波导起到支撑作用，防止径向线波导因外力而变形；径向线波导1厚度的选择应保证波导内传输单一的电磁波，本发明中取厚度为5mm。在径向线波导1的上表面开设辐射缝隙阵2，使得能量从中心向径向波导馈入，形成径向传播的电磁波，并且能量通过径向线波导表面的缝隙耦合向外辐射。
辐射缝隙阵2的每一圈均是将一个缝隙绕径向线波导圆心按照传统线极化RLSA的缝隙排布规律在一个象限内排布，然后再将一个缝隙上下左右对称得到同一圈四个象限内的缝隙；定义第i圈缝隙的个数为xi，则每一圈内相邻缝隙间隔的角度为2π/xi，同一圈上的缝隙的尺寸相同；径向线波导上从内至外每一圈缝隙的尺寸逐渐增大，从而形成多圈排布的辐射缝隙阵列。采用单个宽边缝隙作为线极化RLSA的辐射单元并按照上述方式排布，这种口径面缝隙排列结构能够克服缝隙对反射波的叠加，避免了传统线极化RLSA中缝隙对内两缝隙的反射波叠加所存在的缺陷，从而改善了天线反射系数。
本发明的单脉冲馈电网络如图5所示，采用微带结构实现单脉冲馈电网络6，具体是将微带线印刷于厚度为0.254mm、相对介电常数为2.2的介质板上。图3为本发明天线结构的侧视图，结合图3可看出本发明的馈电结构，单脉冲馈电网络6置于径向线波导1的下方，具体是通过4个金属螺钉11固定在金属支撑板5下方凸起的腔体上。本发明以分支线混合网(branch-line hybrid)为单元，根据Bulter矩阵设计单脉冲馈电网络6，控制探针馈电相位，产生线极化并且形成单脉冲。单脉冲馈电网络6包括四个分支线混合网络级联而成，至少包括俯仰差波束馈电端口7、总增益馈电端口8、方位差波束馈电端口9和隔离端口10这四个端口，在实际加工中，通常会采用50欧姆的SMA接头与俯仰差波束馈电端口7、总增益馈电端口8和方位差波束馈电端口9相接，再将SAM接头与信号发生器或接收机相连进行馈电。本实施例的单脉冲馈电网络6采用四个同轴探针对径向线波导1馈电，所述四个同轴探针均匀分布于匹配圆环内部同心圆的圆周上，作为优选方式，四个同轴探针均匀分布于匹配圆环内部半径4.1mm的同心圆的圆周上，这样能在径向线波导里激励起所需的稳定的场模式。如图3所示，同轴探针3的一端通过定位孔深入径向线波导1中，另一端通过定位孔焊接于馈电网络6的四个输出端口上。
经过仿真优化，下面给出本实施例的优选方式：定义λg为一个波导波长，由于径向线波导1中心附近存在高次模，为了减少高次模的影响，第一圈缝隙阵列距馈电点为λg。为了使得辐射能量同相叠加，则本实施例将相邻两圈缝隙的径向间距设置为λg。为了避免栅瓣并且减少缝隙之间的互耦，本实施例将周向相邻缝隙间距设置为0.6λg，本发明对于每圈相邻两个缝隙之间的距离不做限制，满足抑制栅瓣条件即可。为了获得高增益，本实施将辐射缝隙阵2的圈数设置为5。如图6所示为单个缝隙几何关系示意图，定义phi为每个缝隙中心从辐射缝隙阵圆心发出径向线形成锐角的大小，theta为缝隙中心所在径向半径与缝隙宽边形成锐角的大小，则任意一个象限的缝隙满足theta＝(π-phi)/2，即45°﹤theta﹤90°。为了达到均匀口径分布的效果，本发明天线中每一圈的辐射缝隙的长度从内向外依次增加，进而使得靠近径向线波导中心的缝隙从波导耦合的能量稍弱，而靠近边缘的缝隙从波导耦合的能量稍强。通过以上的设计，本实施例提出的天线直径为200mm，高为12mm，工作频率在12GHz。
本实施例天线的具体工作原理如下：当信号由总增益馈电端口8输入时，经过分支线混合网络12，得到四路输出信号，四路输出信号相位从一至四象限分别为0、180、180、0度，通过同轴探针3对径向波导1馈电，产生和波束即总增益；当信号由总增益馈电端口7输入时，四路输出信号相位分别为0、180、0、180度，通过同轴探针3对径向波导1馈电，产生俯仰差波束；当信号由方位差端口9输入时，四路输出信号相位为0、0、0、0度，通过同轴探针3对径向波导1馈电，产生方位差波束；端口10为隔离端口。
图7至图11是本发明天线的性能仿真图。从图7，8可见线极化和波束总增益最大值为25.1dB，口径效率大于50％；从图9可见线极化俯仰差波束和方位差波束增益最大值分别为21.5dB和21.6dB，从图10可见和差矛盾分别为-3.5和-3.6dB，且三种模式下交叉性能良好；从图11可见在11.3GHz至12.2GHz的频段范围内反射系数均低于10dB，带宽超过7.5％，因此与传统RLSA的反射系数相比得到了明显的改善。

Claims (10)

1.一种线极化单脉冲平板缝隙天线，至少包括辐射缝隙馈电层和单脉冲馈电网络，所述辐射缝隙馈电层采用径向线波导表面的辐射缝隙阵进行辐射，其特征在于：所述辐射缝隙阵是以单个宽边缝隙作为线极化辐射单元，若干个宽边缝隙环绕径向线波导的圆心多圈排布形成的上下左右均对称的同心环状阵列，单脉冲馈电网络通过同轴馈电激励径向线波导对辐射缝隙阵进行馈电，利用馈电相位的变化在径向线波导中产生不同的场模式实现单脉冲和线极化。
2.根据权利要求1所述的一种线极化单脉冲平板缝隙天线，其特征在于：所述辐射缝隙阵的每一圈均是将一个缝隙绕径向线波导圆心按照传统线极化RLSA的缝隙排布规律在一个象限内排布，然后再将一个缝隙上下左右对称得到同一圈四个象限内的缝隙。
3.根据权利要求1所述的一种线极化单脉冲平板缝隙天线，其特征在于：定义第i圈缝隙的个数为xi，则每一圈内相邻缝隙间隔的角度为2π/xi，同一圈上的缝隙的尺寸相同。
4.根据权利要求1所述的一种线极化单脉冲平板缝隙天线，其特征在于：定义phi为每个缝隙中心从辐射缝隙阵圆心发出径向线形成锐角的大小，theta为缝隙中心所在径向半径与缝隙宽边形成锐角的大小，则任意一个象限的缝隙满足theta＝(π-phi)/2。
5.根据权利要求1所述的一种线极化单脉冲平板缝隙天线，其特征在于：所述径向线波导上多圈同心环状辐射缝隙阵从内至外每一圈缝隙的尺寸逐渐增大。
6.根据权利要求1所述的一种线极化单脉冲平板缝隙天线，其特征在于：所述辐射缝隙阵的圈数优选为5。
7.根据权利要求1所述的一种线极化单脉冲平板缝隙天线，其特征在于：定义λg为一个波导波长，则周向相邻缝隙间距为0.6λg。
8.根据权利要求1所述的一种线极化单脉冲平板缝隙天线，其特征在于：定义λg为一个波导波长，则相邻两圈缝隙的径向间距为λg。
9.根据权利要求1所述的一种线极化单脉冲平板缝隙天线，其特征在于：馈电网络包括四个分支线混合网络级联而成，具有俯仰差波束端口，和波束端口，方位差波束端口和隔离端口四个输入端口。
10.根据权利要求1所述的一种线极化单脉冲平板缝隙天线，其特征在于：馈电网络采用四个同轴探针对径向线波导馈电，所述四个同轴探针均匀分布于匹配圆环内部同心圆的圆周上，同轴探针的一端通过定位孔深入径向线波导中，其另一端通过定位孔焊接于馈电网络的输出端口。
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