CN108321553B - 双极化波导裂缝阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双极化波导裂缝阵天线，包括水平极化天线模块和垂直极化天线模块，水平极化天线模块包括第一波导同轴转换器和水平极化波导裂缝阵，第一波导同轴转换器包括第一矩形波导和第一馈电单元，矩形波导设置有多个第一缝隙，垂直极化天线模块包括第二波导同轴转换器和垂直极化波导裂缝阵，第一单脊波导和第四单脊波导组成单脊波导，单脊波导设置有多个沿延伸方向设置的第二缝隙和多个第二台阶，第一缝隙垂直于第二缝隙，水平极化天线模块安装在垂直极化天线模块的一侧上，两个天线模块可拆卸连接。通过对波导的结构优化，采用合适馈电方式，实现了具有低交叉极化、高增益低副瓣辐射特性以及低剖面结构的双极化相控阵天线。

Description

双极化波导裂缝阵天线

技术领域

本发明属于微波技术领域，尤其涉及一种双极化波导裂缝阵天线。

背景技术

相控阵天线是随着雷达系统发展而诞生的产物。早期雷达系统是通过机械旋转的方式来获得较大的扫描区域，而相控阵天线是通过电控制阵元相位的方法来改变方向图的波束指向，从而覆盖较大的扫描区域。将其应用于雷达系统便可以大大提高系统扫描速度，为制导、探测、搜索、识别、捕获和跟踪提供了及时的信息，这对于雷达系统的发展而言起到了至关重要的作用。相控阵天线的应用领域多集中体现在国防军事领域，包括地面预警相控阵雷达、防空导弹系统等，还有战斗机机载火控雷达、“智能蒙皮”天线等，舰载预警雷达、制导雷达等，星载相控阵雷达等。此外，随着商业用途的拓展，出现了用于预报气象、海啸、灾后搜索存活生命的相控阵天线，本发明便是针对气象雷达所研制的新型双极化雷达天线。

在气象雷达领域，天线多使用反射式天线，并依靠机械扫描的方式进行工作。使得雷达整体结构较大，且限制了雷达的安放场合。所以波导裂缝阵天线可以将天线平面化，且模块化处理使其易于进行安装及维护。此外相比于单极化天线，双极化天线可以摄取更多反射信息，可以提供更多可用参数，而且为提升雷达性能，天线需要具有高增益、低副瓣的特性。因此可见具有高增益的双极化波导裂缝阵天线在雷达领域，尤其是气象雷达领域具有巨大的应用潜力。

现有技术中的双极化微带天线阵，其馈电方式决定了该天线无法扩展成为阵元更多的大型阵列，若要实现宽带应用，该类天线需要通常需要具有两层或多层辐射贴片，辐射贴片层之间需要有空气层，这种方法更加大了其实现的难度以及实际安装维护的成本。并且现有技术中天线还存在具有较高的剖面、较大的天线体积、整体性能不高等诸多问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种整体性能和适用性均优良的双极化波导裂缝阵天线。

为了实现本发明的目的，本发明提供一种双极化波导裂缝阵天线，包括水平极化天线模块和垂直极化天线模块，水平极化天线模块和垂直极化天线模块均沿延伸方向布置；

水平极化天线模块包括第一波导同轴转换器和水平极化波导裂缝阵，第一波导同轴转换器包括第一矩形波导和第一馈电单元，水平极化波导裂缝阵包括第二矩形波导和多个扰动块，第一矩形波导和第二矩形波导连接并形成第一波导腔，第一馈电单元安装在第一矩形波导上，第二矩形波导设置有多个第一缝隙和多个第一台阶，第一台阶设置在第一缝隙的两侧，多个第一缝隙和第一台阶均沿延伸方向分布，每个第一缝隙的两侧分别设置有一个扰动块；

垂直极化天线模块包括第二波导同轴转换器和垂直极化波导裂缝阵，第二波导同轴转换器包括第一单脊波导和第二馈电单元，垂直极化波导裂缝阵包括第二单脊波导，第一单脊波导和第二单脊波导组成单脊波导，第一单脊波导和第二单脊波导连接并形成第二波导腔,单脊波导设置有多个沿延伸方向设置的第二缝隙和多个第二台阶，多个第二缝隙沿延伸方向分布并位于单脊波导的波导脊的背侧，多个第二台阶沿延伸方向分布并位于单脊波导的波导脊的两侧；

第一缝隙垂直于第二缝隙，水平极化天线模块安装在垂直极化天线模块的一侧上，第一台阶与第二台阶可拆卸连接。

由上述方案可见，通过对波导的结构优化，采用合适馈电方式，实现了具有低交叉极化、高增益低副瓣辐射特性以及低剖面结构的双极化相控阵天线，相比现有技术，本发明提供的相控阵天线能够适应多种场合的布置，且具有双极化特性，对于雷达性能具备一定的提升。此外天线的两种波导裂缝阵和对应波导同轴转换器均为分立器件，利于生产加工及安装维护。

更进一步的方案是，一个第一缝隙正对一个第二缝隙。

更进一步的方案是，垂直极化天线模块沿延伸方向设置有中心线，相邻两个第二缝隙分别位于中心线的两侧。

更进一步的方案是，相邻三个第二缝隙中，第一个第二缝隙与第三个第二缝隙共线布置。

由上可见，与倾斜缝隙相比，垂直的缝隙极大降低了天线的交叉极化分量，这对于雷达而言，会减轻无用回波的干扰，提升其性能。

更进一步的方案是，第一馈电单元包括第一馈电端口和第一探针，第一馈电端口安装在第一矩形波导上，第一探针连接在第一馈电端口和第一矩形波导之间。

更进一步的方案是，第二馈电单元包括第二馈电端口和第二探针，第二馈电端口设置在波导脊内，第二探针连接在第二馈电端口和第一单脊波导之间。

更进一步的方案是，第一波导同轴转换器和第二波导同轴转换器位于延伸方向的同一侧上。

由上可见，使用特殊设计的脊波导作为载体，且馈电端口可采用设置了标准SMA馈电端口并设置波导脊内和外侧安装端面上，不仅避让了两天线模块的连接部位，而且一定程度上隐藏了馈电端口，可提供可靠性。

更进一步的方案是，相邻第一缝隙的尺寸不相同，相邻第二缝隙的尺寸不相同。

更进一步的方案是，多个扰动块的尺寸依次沿延伸方向先增大后减小。

由上可见，通过上述缝隙和扰动块的设置，实现控制天线各个缝隙的电磁辐射能量，从而实现天线高增益低副瓣的辐射特性。

更进一步的方案是，水平极化天线模块的数量和垂直极化天线模块的数量均为多个，水平极化天线模块和垂直极化天线模块沿布置方向交错布置连接，布置方向垂直于延伸方向。

由上可见，将水平极化天线模块和垂直极化天线模块依次摆放，在布置方向上通过对每个裂缝阵子阵进行单独的馈电，可以实现电扫描的工作方式。通过机械固定的方式和台阶配合连接组成相控阵天线，不仅结构紧凑，且能够根据实际使用需求进行任意扩展。

附图说明

图1是本发明双极化波导裂缝阵天线实施例的结构图。

图2是本发明双极化波导裂缝阵天线实施例的结构放大图。

图3是本发明双极化波导裂缝阵天线实施例中垂直极化天线模块的爆炸图。

图4是本发明双极化波导裂缝阵天线实施例中垂直极化天线模块在另一视角下的爆炸图。

图5是本发明双极化波导裂缝阵天线实施例中水平极化天线模块的结构图。

图6是本发明双极化波导裂缝阵天线实施例中水平极化天线模块的爆炸图。

图7是本发明双极化波导裂缝阵天线实施例中水平极化天线模块位于弹针处的剖视图。

图8是本发明双极化波导裂缝阵天线实施例中水平极化天线模块位于扰动块处的剖视图。

图9是本发明双极化波导裂缝阵天线实施例中水平极化天线模块沿延伸方向的剖视图。

图10是本发明双极化波导裂缝阵天线实施例位于台阶处的剖视图。

图11为本发明双极化波导裂缝阵天线的回波损耗。

图12为本发明双极化波导漏波天线的端口隔离度。

图13为本发明水平极化天线模块的XOZ面方向图。

图14为本发明垂直极化天线模块的XOZ面方向图。

图15为本发明双极化波导裂缝阵天线在水平极化工作模式下的YOZ面扫描方向图；

图16为本发明双极化波导裂缝阵天线在垂直极化工作模式下的YOZ面扫描方向图。

图17为本发明双极化波导裂缝阵天线在水平极化工作模式下的辐射性能数据表。

图18为本发明双极化波导裂缝阵天线在垂直极化工作模式下的辐射性能数据表。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参照图1和图2，双极化波导裂缝阵天线包括多个水平极化天线模块2和多个垂直极化天线模块1，水平极化天线模块2和垂直极化天线模块1均沿延伸方向X布置，水平极化天线模块2和垂直极化天线模块1沿布置方向Y交错布置连接，布置方向Y垂直于延伸方向X。

参照图3和图4，并结合图2，垂直极化天线模块1包括第二波导同轴转换器和垂直极化波导裂缝阵，第二波导同轴转换器包括第一单脊波导11和第二馈电单元13，垂直极化波导裂缝阵包括第二单脊波导12，第一单脊波导11和第二单脊波导12组成单脊波导，第一单脊波导11和第二单脊波导12连接并形成第二波导腔123，第二波导腔123也呈凹字形设置,第一单脊波导11和第二单脊波导12分别设置有固定盘124，螺钉穿过固定盘124继而实现第一单脊波导11和第二单脊波导12连接，以及波导同轴转换器和单脊波导的连接。

第一单脊波导11和第二单脊波导12在外表面沿延伸方向X贯穿形成有波导脊14，波导脊14在布置方向Y的两侧具有同高度的凸起，即呈对称波导脊设置，第二单脊波导12设置有多个沿延伸方向X设置的第二缝隙121和多个第二台阶122，多个第二缝隙121沿延伸方向X分布并位于波导脊14的背侧的上端面，第二缝隙121呈贯穿地与第二波导腔123连通，多个第二台阶122沿延伸方向X分布并位于波导脊14的两侧的底端面上，即第二台阶122位于凸起的底端面上，为了结构更为紧凑，第二单脊波导12的侧面是平整的。

垂直极化天线模块1沿延伸方向X设置有中心线，相邻两个第二缝隙121分别位于中心线的两侧。相邻三个第二缝隙121中，第一个第二缝隙121与第三个第二缝隙121共线布置，即相隔的第二缝隙121是共线布置。

第二馈电单元13设置在第一单脊波导11上并位于波导脊14内，第二馈电单元13包括第二馈电端口131和第二探针132，第二馈电端口131设置在波导脊14内，第二探针132设置在第一单脊波导11的第二波导腔123内，并且第二探针132呈直线布置连接在第二馈电端口131和第一单脊波导11的上端面之间。另外，第一单脊波导11一端敞口与第二单脊波导12对接，第一单脊波导11另一端封闭。

参照图5至图9，并结合图2，水平极化天线模块2包括第一波导同轴转换器和水平极化波导裂缝阵，第一波导同轴转换器包括第一矩形波导21和第一馈电单元23，水平极化波导裂缝阵包括第二矩形波导22和多个扰动块225、226，第一矩形波导21和第二矩形波导22均呈矩形管状设置，第一矩形波导21和第二矩形波导22连接并形成第一波导腔223，第一矩形波导21和第二矩形波导22分别设置有固定盘224，螺钉穿过固定盘224继而实现波导同轴转换器和第二矩形波导22固定连接。第一矩形波导21一端敞口与第二矩形波导22对接，第一矩形波导21在第一波导腔223的端部具有安装端面并形成封闭。

第一馈电单元23安装在安装端面上，第一馈电单元23包括第一馈电端口231、第一探针232和螺钉233，第一馈电端口231安装在安装端面上，第一探针232位于第一矩形波导21的第一波导腔223内，第一探针232呈L型布置，且第一探针232沿延伸方向布置，第一矩形波导21的侧壁设置有定位孔211，第一探针232的第一端连接在第一馈电端口231，第一探针232的第二端与第一矩形波导21的定位孔211通过螺钉233连接。

第二矩形波导22设置有多个第一缝隙221和多个第一台阶222，第一缝隙221沿布置方向Y贯穿设置，第一缝隙221与第一波导腔223连通，第一缝隙221还沿高度方向横跨顶面和两侧面，第一台阶222设置在第一缝隙221的两侧的侧面上，多个第一缝隙221和第一台阶222均沿延伸方向X分布，第一缝隙221垂直于第二缝隙121，一个第一缝隙221正对一个第二缝隙121，并且，相邻第一缝隙221的尺寸不相同，相邻第二缝隙121的尺寸不相同，并且尺寸各不相同的缝隙，缝隙延中心轴线交错排布，使得天线具有高增益低副瓣的辐射特性。

每个第一缝隙221在延伸方向X的两侧分别设置有一个扰动块225和扰动块226，多个扰动块225设置在第一波导腔223内的左内侧面上，扰动块226设置在第一波导腔223波导管内的右内侧面上，扰动块均呈直角梯形设置，当然亦可呈矩形设置，在同一第一缝隙221的位置上，相对的扰动块225和扰动块226尺寸相同，扰动块225为例，多个扰动块225的尺寸依次沿延伸方向X先增大后减小，即位于中部的扰动块225的尺寸大于两侧的扰动块225的尺寸，而每对扰动块225、扰动块226之间在布置方向Y的距离是相同的(可参见图10)。扰动块的设置在靠上端并且梯形尖角朝下。

参照图10，水平极化天线模块2和垂直极化天线模块1进行装配时，水平极化天线模块2安装在垂直极化天线模块1的一侧上，即水平极化天线模块2安装两个垂直极化天线模块1之间，垂直极化天线模块1安装两个水平极化天线模块2之间，第一台阶222设置在第二台阶122上并通过螺钉可拆卸连接。利用第二矩形波导22的平整侧面与单脊波导管的平整侧面间隙配合，使整个相控阵天线结构更为紧凑，第一波导同轴转换器和第二波导同轴转换器位于延伸方向X的同一侧上，这可有利于生产加工及安装调试。

固定盘124设置在第二缝隙121的所在端面和相对端面上，不设置在侧面上，固定盘224设置在侧面上，当水平极化天线模块2和垂直极化天线模块1进行装配后，固定盘124和固定盘224沿布置方向Y共面设置，固定盘124位于固定盘224之间，且固定盘224位于固定盘124的上方，将连接结构共面且不相互干扰地设置，其结构可更为紧凑。

另外，矩形波导和台阶为铝型材，对两种极化的波导均采用了小型的波导管型，所以相比同频段的标准矩形波导BJ26尺寸小很多。并且，台阶可根据实际需求进行设置，其尺寸可不相同。

参照图11，两天线模块的回波损耗如图4所示，图中标示出了-10dB基准线。可以看出该天线在3GHz以下及3.2GHz以上均可以工作，具有一定的宽频带特性。

参照图12，各个端口间的隔离度如图12所示，从图中可以看出相邻同极化间的端口和非同极化间的端口的隔离度在2.85GHz时均在-25dB以下。

图13、图14分别给出了水平极化天线模块和垂直极化天线模块在2.85GHz下的XOZ面方向图。图中标出了方向图的3dB波束宽度，两极化的3dB波束宽度均在3.2°以内。从图中可以看出两种极化方式的交叉极化电平均在-50dB以下，旁瓣在-27dB以下，辐射性能良好。由于天线采用行波的工作方式，所以主波束指向在-7°附近。

相控阵天线工作基本方式为：通过控制各端口的激励相位，达到控制天线辐射方向图主波束指向的目的。为说明本文的相控阵天线，本文给出了两种极化模式在YOZ面的扫描方向图，如图15、图16所示，由辐射性能的对称性从单侧的扫描辐射特性可预知另一侧扫描时的辐射情况。通过对各个端口激励相位进行调整，此相控阵天线的扫描波束主瓣最大指向为+/-46°，这种扫描情况下旁瓣在-20dB左右。如图17和图18，整理得出天线的相关辐射性能。

结合上述数据，进行整理可得出如图17和图18的相关数据，从图17和图18可见，通过对波导的结构优化，以及馈电方式的设计，实现了具有低交叉极化、高增益低副瓣辐射特性的低剖面结构的双极化相控阵天线，相比现有技术，本发明提供的相控阵天线能够适应多种场合的布置，且具有双极化特性，有利于雷达性能的提升。此外，天线的两种天线模块和对应波导同轴转换器均为分立器件，有利于生产加工及安装维护。

Claims (10)

1.双极化波导裂缝阵天线，其特征在于，包括水平极化天线模块和垂直极化天线模块，所述水平极化天线模块和所述垂直极化天线模块均沿延伸方向布置；

所述水平极化天线模块包括第一波导同轴转换器和水平极化波导裂缝阵，所述第一波导同轴转换器包括第一矩形波导和第一馈电单元，所述水平极化波导裂缝阵包括第二矩形波导和多个扰动块，所述第一矩形波导和所述第二矩形波导连接并形成第一波导腔，所述第一馈电单元安装在所述第一矩形波导上，所述第二矩形波导设置有多个第一缝隙和多个第一台阶，所述第一台阶设置在所述第一缝隙的两侧，多个所述第一缝隙和所述第一台阶均沿所述延伸方向分布，每个第一缝隙的两侧分别设置有一个所述扰动块；

所述垂直极化天线模块包括第二波导同轴转换器和垂直极化波导裂缝阵，所述第二波导同轴转换器包括第一单脊波导和第二馈电单元，所述垂直极化波导裂缝阵包括第二单脊波导，所述第一单脊波导和所述第二单脊波导组成单脊波导，所述第一单脊波导和所述第二单脊波导连接并形成第二波导腔, 所述单脊波导设置有多个沿所述延伸方向设置的第二缝隙和多个第二台阶，多个所述第二缝隙沿所述延伸方向分布并位于所述单脊波导的波导脊的背侧，多个所述第二台阶沿所述延伸方向分布并位于所述单脊波导的波导脊的两侧；

所述第一缝隙垂直于所述第二缝隙，所述水平极化天线模块安装在所述垂直极化天线模块的一侧上，所述第一台阶与所述第二台阶可拆卸连接。

2.根据权利要求1所述的双极化波导裂缝阵天线，其特征在于：

一个所述第一缝隙正对一个所述第二缝隙。

3.根据权利要求2所述的双极化波导裂缝阵天线，其特征在于：

所述垂直极化天线模块沿所述延伸方向设置有中心线，相邻两个所述第二缝隙分别位于所述中心线的两侧。

4.根据权利要求3所述的双极化波导裂缝阵天线，其特征在于：

相邻三个所述第二缝隙中，第一个所述第二缝隙与第三个所述第二缝隙共线布置。

5.根据权利要求1所述的双极化波导裂缝阵天线，其特征在于：

所述第一馈电单元包括第一馈电端口和第一探针，所述第一馈电端口安装在所述第一矩形波导上，所述第一探针连接在所述第一馈电端口和所述第一矩形波导之间。

6.根据权利要求1所述的双极化波导裂缝阵天线，其特征在于：

所述第二馈电单元包括第二馈电端口和第二探针，所述第二馈电端口设置在所述波导脊内，所述第二探针连接在所述第二馈电端口和所述第一单脊波导之间。

7.根据权利要求1所述的双极化波导裂缝阵天线，其特征在于：

所述第一波导同轴转换器和所述第二波导同轴转换器位于所述延伸方向的同一侧上。

8.根据权利要求1所述的双极化波导裂缝阵天线，其特征在于：

相邻所述第一缝隙的尺寸不相同；

相邻所述第二缝隙的尺寸不相同。

9.根据权利要求8所述的双极化波导裂缝阵天线，其特征在于：

多个所述扰动块的尺寸依次沿所述延伸方向先增大后减小。

10.根据权利要求1至9任一项所述的双极化波导裂缝阵天线，其特征在于：

所述水平极化天线模块的数量和所述垂直极化天线模块的数量均为多个，所述水平极化天线模块和所述垂直极化天线模块沿布置方向交错布置连接，所述布置方向垂直于所述延伸方向。