CN108682940B - 一种超宽带高增益共口径阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超宽带高增益共口径阵列天线，其包括：高增益X波段波导缝隙阵列天线、若干超宽带双极化四脊喇叭天线和圆形金属板，若干四脊喇叭天线排列于圆形金属板上端外圆周，每个四脊喇叭天线单元是由两对脊臂、金属块、第一馈电同轴线以及短路反射腔所构成；波导缝隙阵列天线则处于圆形金属板底部中心，由第二馈电同轴线对馈电矩形波导馈电，再由耦合缝隙对6×6辐射矩形波导阵列馈电，最后通过偏置辐射缝隙向上辐射能量。本发明采用共口径方式，具有极化隔离度高、超宽带、高增益、口径效率高等优点，适用于现代通信系统和电子对抗领域。

Description

一种超宽带高增益共口径阵列天线

技术领域

本发明涉及共口径阵列天线技术领域，更具体地说是一种超宽带高增益共口径阵列天线。

背景技术

随着现代无线通信技术的发展，尤其对于舰载、机载等的空间限制需求，所要求的天线性能越来越严格。因此，天线重量轻、多波段、多极化、所占空间体积小成为了重要发展趋势。共口径天线是多副天线位于同一个孔径内的一种天线形式，通过合理的空间布局，使此类天线具备尺寸小、重量轻、多频段工作以及不同工作频率天线之间相互影响小的特点。但是，在共口径技术研究中，将不同体制的天线集成在单个口径的技术难度较大，存在如高低频天线功能间的协调、隔离和控制等问题。而且，现有的共口径天线多采用微带天线，微带天线不容易实现宽频带的功能，效率偏低，介质易损耗且环境适应性不及金属导体。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。为此，本发明提出一种极化隔离度高、口径效率高的超宽带高增益共口径阵列天线，以期能满足现代通信技术对舰载、机载等的空间要求。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超宽带高增益共口径阵列天线，其结构特点是：

波导缝隙阵列天线共形安装在圆形金属板的底部中心，若干四脊喇叭天线环绕于波导缝隙阵列天线的外围、沿周向布设于所述圆形金属板的上端面外圆周，与所述波导缝隙阵列天线共同构成共口径阵列天线；

所述四脊喇叭天线是以设于两对脊臂尾端的金属圆环与下方的接地金属板通过圆柱状筒体相接构成短路反射腔，所述短路反射腔与任一脊臂内部空气腔均相连通，两根第一馈电同轴线间隔设置于所述短路反射腔上、内部的导体分别通过各脊臂内的空气腔与对应的脊臂电接触，设于各脊臂末端的金属块置于所述短路反射腔内；

所述两对脊臂呈十字布设、形成整体呈喇叭状的四脊结构，任一脊臂均是由内侧的指数渐变曲面与外曲面通过平滑过渡曲面衔接相连形成、呈扁平状结构；

所述四脊喇叭天线是以两对脊臂为第一辐射区，以所述短路反射腔为第一传输区，以所述第一馈电同轴线为第一馈电区，从而利用第一辐射区、第一传输区和第一馈电区实现四脊喇叭天线能量的接收与发送；

所述波导缝隙阵列天线包括馈电矩形波导、设于馈电矩形波导底部的第二馈电同轴线及设于馈电矩形波导上方的若干辐射矩形波导阵列，并是以所述第二馈电同轴线对馈电矩形波导的馈电形成第一级馈电，以所述馈电矩形波导上的若干耦合缝隙对辐射矩形波导阵列的馈电形成第二级馈电，以两级馈电为第二馈电区和第二传输区，以所述辐射矩形波导阵列上的若干偏置辐射缝隙为第二辐射区，从而实现波导缝隙阵列天线能量的接收与发送。

本发明的结构特点也在于：

所述波导缝隙阵列天线的结构设置为：

六个辐射矩形波导阵列横向并排排列，所述馈电矩形波导横置于六个辐射矩形波导阵列的中心正下方、与长边垂直；

任一辐射矩形波导阵列上的若干偏置辐射缝隙均是以馈电矩形波导为中心对称布设，并呈左右交错排列；

所述若干耦合缝隙是沿馈电矩形波导的横向中心线以等间距间隔排列，各耦合缝隙倾斜设置、两两对称布设。

所述平滑过渡曲面的中部向外凸出，纵向截面为夹角为钝角的V形结构。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、四脊喇叭天线单元的脊结构是由内侧的指数渐变曲面与外曲面通过平滑过渡曲面衔接相连形成、设计为扁平状结构，不仅能够减少喇叭口面处的反射以用于改善天线阻抗以及频带特性，而且能够减少喇叭天线对波导缝隙阵列天线辐射的影响，实现优良的隔离效果；

2、采用脊指数曲线添加线性项、放置金属块以及设计短路反射腔的方法，双极化喇叭天线很大程度上拓展了频带宽度，减小了喇叭天线的纵向长度，实现了喇叭天线单元的轻型化；

3、波导缝隙阵天线采用两级馈电的方式，先利用底部第二馈电同轴线对中部馈电矩形波导馈电，再透过中部矩形波导的倾斜耦合缝隙对6×6辐射矩形波导阵列馈电，最后通过偏置辐射缝隙向上辐射能量，能够有效地提高馈电效率，实现天线的高增益性能；

4、本发明将波导缝隙阵天线放置在圆形金属板的底部中心，多个四脊喇叭天线环绕波导缝隙阵天线放置在圆形金属板上端外圆周，这种布局不仅能够有效地减少天线所占空间体积，提高口径利用率，而且减轻了天线之间的相互影响，解决了共口径天线隔离效果较差的难题。

附图说明

图1是本发明超宽带高增益共口径阵列天线的立体结构示意图；

图2是图1中四脊喇叭天线单元的正视结构示意图；

图3是图1中波导缝隙阵列天线的立体结构示意图；

图4是四脊喇叭天线的驻波比图；

图5是波导缝隙阵列天线的驻波比图；

图6是波导缝隙阵列天线的增益图。

图中，1圆形金属板；2波导缝隙阵列天线；3四脊喇叭天线；4脊臂；5金属圆环；6圆柱状筒体；7接地金属板；8短路反射腔；9第一馈电同轴线；10金属块；11指数渐变曲面；12外曲面；13平滑过渡曲面；14馈电矩形波导；15第二馈电同轴线；16耦合缝隙；17辐射矩形波导阵列；18偏置辐射缝隙。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作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。

请参照图1至图3，本实施例的超宽带高增益共口径阵列天线，其结构具体是：

高增益X波段波导缝隙阵列天线2共形安装在圆形金属板1的底部中心，五个四脊喇叭天线3环绕于高增益X波段波导缝隙阵列天线2的外围、沿周向布设于圆形金属板1的上端面外圆周，与高增益X波段波导缝隙阵列天线2共同构成共口径阵列天线；

任一四脊喇叭天线3均是以设于两对脊臂4尾端的金属圆环5与下方的接地金属板7通过圆柱状筒体6相接构成短路反射腔8，通过该短路反射腔8滤除掉圆波导内激励出的TE21模以及其他高次模，能够展宽天线高频段的带宽，短路反射腔8与任一脊臂4内部空气腔均相连通，两根第一馈电同轴线9间隔设置于短路反射腔8上、内部的导体分别通过各脊臂4内的空气腔与对应的脊臂4电接触，为了满足天线极化隔离度性能需求，两根第一馈电同轴线9正交布设、端口之间需要保持一定距离，此外，为了保证喇叭的匹配带宽，设于各脊臂4末端的金属块10置于短路反射腔8内，这样能够减少高次模的激励，提高天线的辐射性能；

两对脊臂4呈十字布设、形成整体呈喇叭状的四脊结构，任一脊臂4均是由内侧的指数渐变曲面11与外曲面12通过平滑过渡曲面13衔接相连形成、呈扁平状结构；将脊内曲面设计为指数渐变曲面11，一方面能够使天线馈电位置的特性阻抗平滑地过渡到喇叭口处自由空间的阻抗，另一方面能够将波导的H10模的截止波长以几倍的量级增长从而大大展宽工作频带。脊指数渐变曲面11指数公式如下：

式中，x轴方向为喇叭口方向，脊间最小缝隙S取0.73mm，指数参数k取24。其中，0.002x项为线形附加项，能够拓展喇叭的下限频率，使工作频带展宽，而且大大缩短喇叭的轴向长度，从而实现喇叭的轻型化。同时为了减少双脊之间的影响，指数渐变曲面11被削成45°的楔形结构，改善天线工作在高频段的特性。平滑过渡曲面13能够减少喇叭口面处的反射，改善天线阻抗以及频带特性，本实施例中将其设计成扁平形状，能够减少喇叭天线对波导缝隙阵列天线2辐射的影响；

上述四脊喇叭天线3是以两对脊臂4为第一辐射区，以短路反射腔8为第一传输区，以第一馈电同轴线9为第一馈电区，从而利用第一辐射区、第一传输区和第一馈电区实现四脊喇叭天线3能量的接收与发送；

高增益X波段波导缝隙阵列天线2包括馈电矩形波导14、设于馈电矩形波导14底部的第二馈电同轴线15及设于馈电矩形波导14上方的六个辐射矩形波导阵列17，并是以第二馈电同轴线15对馈电矩形波导14的馈电形成第一级馈电，以馈电矩形波导14上的六个耦合缝隙16对辐射矩形波导阵列17的馈电形成第二级馈电，以两级馈电为第二馈电区和第二传输区，以辐射矩形波导阵列17上的六个偏置辐射缝隙18为第二辐射区，从而实现高增益X波段波导缝隙阵列天线2能量的接收与发送。其中，能量经过辐射矩形波导阵列17的缝隙时，一部分横向电流将被截断，在缝隙中点两侧形成附加纵向电流，其中的一部分位移电流使缝隙得到激励，能量通过偏置辐射缝隙18向波导外辐射出去。

与传统喇叭天线有所不同，本实施例的四脊喇叭天线3单元通过引入脊结构，降低了主模的低频端截止频率，展宽了喇叭天线频带宽度。并以四脊结构为基础，去掉了喇叭段部分的波导外壁，降低了天线加工的难度和生产成本，实现了喇叭天线的轻型化。

具体实施中，相应的结构设置也包括：

上述高增益X波段波导缝隙阵列天线2的结构设置为：

六个辐射矩形波导阵列17横向并排排列，易于与圆形金属板1共形，馈电矩形波导14横置于六个辐射矩形波导阵列17的中心正下方、与长边垂直；

任一辐射矩形波导阵列17上的六个偏置辐射缝隙18均是以馈电矩形波导14为中心对称布设，并呈左右交错排列；与传统波导缝隙阵列相比，6×6辐射矩形波导阵列17能够有效地增强天线增益；这些宽度相同的偏置辐射缝隙18以λ_g/2长度为缝隙间隔，排列在馈电矩形波导14中心线的两侧，其长度和偏移中心线根据电导与长度的反三角函数计算出。这样的缝隙结构能够实现天线的低副瓣性能，有效地提高天线增益；

六个耦合缝隙16是沿馈电矩形波导14的横向中心线以等间距间隔排列，各耦合缝隙16倾斜设置、两两对称布设；宽度和长度均相同的耦合缝隙16设置间距为λ_g/2，能够使得方向图主瓣偏离阵列法线的角度很小。耦合缝隙16的倾斜程度决定耦合到辐射矩形波导阵列17的能量大小，通过仿真软件HFSS优化，当耦合缝隙16与馈电矩形波导14横向中心线的倾斜夹角依次为11°、-24°、34°时，耦合到辐射矩形波导阵列17的能量最多，增益效果最好。

具体的，平滑过渡曲面13的中部向外凸出，纵向截面为夹角为钝角的V形结构；设置圆形金属板1的直径为300mm。

经过仿真测试，在四脊喇叭天线3单独工作时，喇叭天线单元驻波比在0.97GHz-12GHz的频段内均小于3，如图4所示，其极化隔离度在该工作频段内均小于-30dB，满足工程对于天线单元有源驻波比和极化隔离度的要求。

在波导缝隙阵列天线2单独工作时，波导缝隙阵列天线2能够正常工作在9.83GHz-10.25GHz频段，如图5所示。波导缝隙阵列天线2工作在9.84GHz的增益波瓣图如图6所示，主瓣增益为20dB，可见四脊喇叭阵列天线对其工作影响甚微，实现了优良的隔离效果。

本发明实施例的共口径阵列天线将超宽带双极化四脊喇叭天线3和高增益X波段波导缝隙阵列天线2以共口径的方式放置在同一口径空间内，天线采用全金属材质，结构紧凑，提高了口径利用率，并通过脊结构的扁平设计和天线阵列的合理布局，很大程度上消除了两个天线之间的相互影响，具有隔离度高的优点，解决了共口径天线隔离效果较差的难题，具有极化隔离度高、超宽带、高增益、口径效率高等优点，实现了体积小、宽频带、高增益的性能效果，适用于现代通信系统。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种超宽带高增益共口径阵列天线，其特征是：

波导缝隙阵列天线(2)共形安装在圆形金属板(1)的底部中心，五个四脊喇叭天线(3)环绕于波导缝隙阵列天线(2)的外围、沿周向布设于所述圆形金属板(1)的上端面外圆周，与所述波导缝隙阵列天线(2)共同构成共口径阵列天线；

所述四脊喇叭天线(3)是以设于两对脊臂(4)尾端的金属圆环(5)与下方的接地金属板(7)通过圆柱状筒体(6)相接构成短路反射腔(8)，所述短路反射腔(8)与任一脊臂(4)内部空气腔均相连通，两根第一馈电同轴线(9)间隔设置于所述短路反射腔(8)上， 内部的导体分别通过各脊臂(4)内的空气腔与对应的脊臂(4)电接触，设于各脊臂(4)末端的金属块(10)置于所述短路反射腔(8)内，与接地金属板(7)之间竖向保留间距；

所述两对脊臂(4)呈十字布设， 形成整体呈喇叭状的四脊结构，任一脊臂(4)均是由内侧的指数渐变曲面(11)与外曲面(12)通过平滑过渡曲面(13)衔接相连形成， 呈扁平状结构；所述指数渐变曲面(11)位于两对脊臂呈相对的朝内的一侧，所述平滑过渡曲面(13)与外曲面(12)同侧设置，是位于两对脊臂呈相背的朝外的一侧；所述平滑过渡曲面(13)的中部向外凸出，纵向截面呈夹角为钝角的V形结构，与所述指数渐变曲面(11)之间于衔接处形成朝上的尖角，与所述外曲面(12)之间于衔接处形成朝下的尖角；

所述指数渐变曲面(11)的指数公式是：

0≤x≤l；式中，x轴方向为喇叭口方向，脊间最小缝隙S取0.73mm，指数参数k取24；

所述四脊喇叭天线(3)是以两对脊臂(4)为第一辐射区，以所述短路反射腔(8)为第一传输区，以所述第一馈电同轴线(9)为第一馈电区，从而利用第一辐射区、第一传输区和第一馈电区实现四脊喇叭天线(3)能量的接收与发送；

所述波导缝隙阵列天线(2)包括馈电矩形波导(14)、设于馈电矩形波导(14)底部的第二馈电同轴线(15)及设于馈电矩形波导(14)上方的若干辐射矩形波导阵列(17)，并是以所述第二馈电同轴线(15)对馈电矩形波导(14)的馈电形成第一级馈电，以所述馈电矩形波导(14)上的若干耦合缝隙(16)对辐射矩形波导阵列(17)的馈电形成第二级馈电，以两级馈电为第二馈电区和第二传输区，以所述辐射矩形波导阵列(17)上的若干偏置辐射缝隙(18)为第二辐射区，从而实现波导缝隙阵列天线(2)能量的接收与发送。

2.根据权利要求1所述的超宽带高增益共口径阵列天线，其特征是所述波导缝隙阵列天线(2)的结构设置为：

六个辐射矩形波导阵列(17)横向并排排列，所述馈电矩形波导(14)横置于六个辐射矩形波导阵列(17)的中心正下方、与长边垂直；

任一辐射矩形波导阵列(17)上的若干偏置辐射缝隙(18)均是以馈电矩形波导(14)为中心对称布设，并呈左右交错排列；

所述若干耦合缝隙(16)是沿馈电矩形波导(14)的横向中心线以等间距间隔排列，各耦合缝隙(16)倾斜设置、两两对称布设；所述耦合缝隙(16)与馈电矩形波导(14)横向中心线的倾斜夹角为11°或-24°或34°。

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