CN109672026A - 一种模块化集成的宽带毫米波波导缝隙天线阵 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种模块化集成的宽带毫米波波导缝隙天线阵，包含若干个相同的天线子阵；所述天线子阵由两行三列一维中心馈电的波导缝隙天线构成；所述波导缝隙天线内部水平分隔为三层，分别设有缝隙波导、耦合波导和馈电波导；所述缝隙波导顶部均匀分布有相同的垂直极化辐射缝隙；天线子阵的两行波导缝隙天线共用缝隙波导层；天线子阵两行波导缝隙天线的耦合波导、馈电波导沿垂直于波导缝隙天线中心轴的方向错开。通过将若干个天线子阵两端对齐，并列连成模块化集成的宽带毫米波波导缝隙天线阵。本发明结构简单，加工方便，易于实现宽窄波束变换，并且低损耗，具有广泛的使用价值。

Description

一种模块化集成的宽带毫米波波导缝隙天线阵
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种模块化集成的宽带毫米波波 导缝隙天线阵。
背景技术
近年来，随着现代通信和雷达技术的发展，传统低频段已经被大量占用， 相互之间的干扰也不可避免，毫米波以其丰富的频谱资源和高抗干扰性能， 越来越受到广大研究人员的青睐。随着人们对数据传输速率的要求日益提高， 具有低损耗、窄波束的毫米波高增益天线也日益成为人们关注和研究的热点 问题。
波导缝隙阵天线是一种常用的微波功率辐射器件，具有低损耗，易加工， 天线波束指向稳定等特点，特别适合毫米波高性能天线应用，且波导缝隙天 线的热特性和力学特性较好，满足星载天线高可靠性的应用要求。由于星载 大口径天线尺寸大，单元数目众多，天线建模仿真和后期加工都是挑战，利 用传统的一体化设计加工已经不能满足大口径天线的应用需求，通用化、模 块化集成设计已经成为星载大口径毫米波天线必不可少的选择。通过将模块 化子阵标准化，并合理组合多个模块化子阵也可以获得不同功能的天线以满 足不同场景的应用需求。
为满足星载相控阵天线波束扫描的需求，要求天线单元之间的距离很小， 特别是在毫米波频段，缝隙阵天线的馈电波导需要一定的尺寸以支持毫米波 传输，因此对波导缝隙阵天线模块的小型化集成化设计提出了很高的要求。 小单元间距阵列的设计加工也是毫米波模块化阵列天线亟需解决的难点问题。
为了适应毫米波相控阵天线高增益、低损耗的应用需求，对天线提出了 模块化、小型化、集成化的要求。目前报道中有利用脊波导实现天线宽带小 型化设计，但脊波导结构复杂，在毫米波频段受加工精度影响大，而传统波 导结构简单，易加工，可靠性高，且易实现模块化集成，波导天线在毫米波 段的小型化、模块化集成设计是一个难题，需要探索一种宽带结构紧凑的天 线阵列，既满足模块化集成的应用要求，又可实现大规模组阵，具较高的性 能，并满足星载应用结构强度的要求。
发明内容
本发明提供了一种模块化集成设计的宽带毫米波导缝隙阵天线阵，采用 一维中心馈电的波导缝隙天线作为基本单元，将两行三列波导缝隙天线作为 一个天线子阵。通过并列连接多个天线子阵形成本发明的波导缝隙天线阵。 本发明能够提高天线带宽，并通过选择不同列的波导缝隙天线实现宽窄波束 转换；本发明的波导缝隙天线内部分为三层，依次设有缝隙波导、耦合博导、 馈电波导，通过错开天线子阵两行波导缝隙天线的耦合波导和馈电波导实现 天线子阵的小型化集成。
为了达到上述目的，本发明提供了一种模块化集成的宽带毫米波波导缝 隙天线阵，包含若干个相同的天线子阵；所述天线子阵由两行三列一维中心 馈电的波导缝隙天线构成；
所述天线子阵的两行波导缝隙天线设有共同的第一波导公共壁；天线子 阵相邻列的波导缝隙天线设有共同的第二波导公共壁；
所述波导缝隙天线内部水平分隔为三层，从上到下依次为缝隙波导层、 耦合波导层和馈电波导层；所述缝隙波导层顶部分布有两路相同的垂直极化 辐射缝隙；所述耦合波导层设有一个耦合波导，所述馈电波导层设有一个馈 电波导；天线子阵的两行波导缝隙天线共用缝隙波导层；天线子阵两行波导 缝隙天线的耦合波导、馈电波导沿垂直于波导缝隙天线中心轴的方向错开。
所述缝隙波导层设有完全相同的两个缝隙波导，每个缝隙波导顶部分别 设有一路垂直极化辐射缝隙；两个缝隙波导的中心轴位于同一水平面，且均 平行于波导缝隙天线中心轴。
所述垂直极化辐射缝隙平行于波导缝隙天线中心轴；同路且相邻的两个 垂直极化辐射缝隙沿波导缝隙天线中心轴方向间距相等；同路且相邻的两个 垂直极化辐射缝隙沿垂直于波导缝隙天线中心轴方向错开。
天线子阵两行波导缝隙天线的耦合波导、馈电波导沿垂直于波导缝隙天 线中心轴的方向错开的距离等于同路相邻两个垂直极化辐射缝隙沿波导缝隙 天线中心轴的间距。
所述缝隙波导垂直于波导缝隙天线中心轴的两端为封闭的短路端。
所述耦合波导垂直于波导缝隙天线中心轴的两端为封闭的短路端。
所述耦合波导的顶部设有耦合缝隙，通过所述耦合缝隙激励所述缝隙波 导；所述耦合缝隙与波导缝隙天线中心轴夹角为60°。
所述馈电波导的顶部设有与耦合波导连通的耦合窗口，馈电波导内部设 有过渡斜劈，馈电波导底部设有非标波导口。
所述若干个相同的天线子阵位于同一平面，通过两端对齐，并列连接成 模块化集成的宽带毫米波波导缝隙天线阵。
与现有技术相比，本发明的波导缝隙阵天线具有成本低、精度高、结构 强度高、适合大批量生产的优点。本发明通过一维中心馈电的波导缝隙天线 构造了两行三列的天线子阵，并通过两行波导缝隙天线耦合波导和馈电波导 的错位排列实现天线子阵的小型化集成，还可以通过选择天线子阵工作列的 方式实现H面宽窄波束变换。本发明并在保持宽带、低损耗天线性能的同时， 便于大规模组阵和通用化统型、特别适用于卫星载荷平台下，大口径平面相 控阵天线的应用需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图 作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对 于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这 些附图获得其他的附图：
图1为本发明的天线子阵立体图。
图2为本发明的两行三列的波导缝隙天线连接形成天线子阵示意图。
图3为本发明的天线子阵俯视图。
图4为本发明的波导缝隙天线纵剖图。
图5为本发明的波导缝隙天线的驻波。
图6为本发明的一列波导缝隙天线工作辐射方向图。
图7为本发明的两列波导缝隙天线工作辐射方向图。
图8为本发明的三列波导缝隙天线工作辐射方向图。
图9为本发明的天线子阵选择不同列波导缝隙天线的增益图。
图10为本发明的天线子阵的缝隙波导空气腔、耦合波导空气腔、转接波 导空气腔左视图。
图11为本发明的天线子阵的缝隙波导空气腔、耦合波导空气腔、转接波 导空气腔右视图。
图12为本发明的应用实施例中3个天线子阵拼合成的波导缝隙天线阵示 意图。
图13为本发明的同路且相邻的两个垂直极化辐射缝隙中心间距示意图。
图中：1、天线子阵；2、波导缝隙天线；3、第一波导公共壁；4、第二 波导公共壁；21、缝隙波导；22、耦合波导；23、转接波导；211、垂直极化 辐射缝隙；221、耦合缝隙；231、耦合窗口；232、过渡斜劈；233、非标波 导口；5、缝隙波导空气腔；6、耦合波导空气腔；7、转接波导空气腔。
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所示，本发明提供了一种模块化集成的宽带毫米波波导缝隙天线 阵,包含若干个完全相同的天线子阵1；所述天线子阵1由两行三列一维中心 馈电的波导缝隙天线2构成；所述天线子阵1位于同一平面，通过两端对齐， 并列连接成模块化集成的宽带毫米波波导缝隙天线阵。n个天线子阵1包含 2n行3列的波导缝隙天线2。如图12所示，在本应用实施例中，采用3个天 线子阵拼合成一个波导缝隙天线阵。在本发明的应用实施例中，所述波导缝 隙天线为铝材质。
如图2所示，所述天线子阵1的两行波导缝隙天线设有共同的第一波导 公共壁3；天线子阵1相邻列的波导缝隙天线设有共同的第二波导公共壁4。
所述波导缝隙天线内部水平分隔为三层，从上到下依次为缝隙波导层、 耦合波导层和馈电波导层。
天线子阵1的两行波导缝隙天线共用缝隙波导层；如图4所示，缝隙波 导层设有完全相同的两个缝隙波导21，两个缝隙波导21的中心轴位于同一 水平面，且均平行于波导缝隙天线中心轴。如图4所示，每个缝隙波导21 的宽度w是由相控阵天线扫描角决定，令λh为频带内最高频率对应的波长， 通常w选择在本应用实施例中λh＝8.33mm，w为0.66λh，即为5.5mm。 如图3所示，所述缝隙波导层顶部分布有两路相同的垂直极化辐射缝隙211； 每个缝隙波导21顶部分别设有一路垂直极化辐射缝隙211；所述垂直极化辐 射缝隙211平行于波导缝隙天线中心轴；如图3所示，同路且相邻的两个垂 直极化辐射缝隙211沿波导缝隙天线中心轴方向间距相等，两个缝隙中心的 间距记为dw；如图13所示，dw具体是指同路相邻两个垂直极化缝隙中心之 间的距离。同路且相邻的两个垂直极化辐射缝隙211沿垂直于波导缝隙天线 中心轴方向错开，本应用实施例中λ0＝8.44mm，dw优选为0.77λ0，即6.5mm， 其中λ0为波导缝隙天线中心频率对应的波长。
所述耦合波导层设有一个耦合波导22，如图4所示，耦合波导22宽度为 l1，通过调节l1可展宽波导缝隙天线带宽，在本案例中l1优选为1.25λ0。所 述耦合波导22的顶部设有耦合缝隙221，通过所述耦合缝隙221激励所述两 个缝隙波导21；所述耦合缝隙221与波导缝隙天线中心轴夹角为60°。
如图4所示，所述馈电波导层设有一个馈电波导；所述缝隙波导21、耦 合波导22、馈电波导23的内腔均为空气腔。图10和图11分别为所述天线 子阵1的缝隙波导空气腔5、耦合波导空气腔6、转接波导空气腔7左视图和 右视图。如图10、图11所示，天线子阵1两行波导缝隙天线的耦合波导22、 馈电波导23沿垂直于波导缝隙天线中心轴的方向错开的距离等于同路相邻 两个垂直极化辐射缝隙的间距dw，在本应用实施例中为0.77λ0。如图4所示，在本应用实施例中波导缝隙天线的缝隙波导21、耦合波导22和转接波导23 的波导高度相同均为h，h＝0.3λh，h＝2.5mm。缝隙波导、耦合波导垂直于波 导缝隙天线中心轴的两端为封闭的短路端，所述封闭的短路端具体是指图2 中的第二波导公共壁4。
所述馈电波导的顶部设有与耦合波导22连通的耦合窗口231，馈电波导 内部设有过渡斜劈232，馈电波导底部设有非标波导口233，本应用实施例中， 非标波导口233的尺寸匹配缝隙波导21的大小，为2.5mm*5.5mm，通过非标 波导口233与相控阵TR(Transmitterand Receiver发送器与接收器)组件 无缝连接实现俯仰向一维波束扫描功能。
本应用实施例中，本发明的波导缝隙天线阵设计频率在Ka波段，一维中 心馈电的波导缝隙天线的驻波如图5所示，通过优化耦合波导层和转接波导 23层结构尺寸，本发明的波导缝隙天线阵在35.2～36.2GHz带宽内的驻波低 于2。
在本应用实施例中，通过切换三列波导缝隙天线工作的方式可实现方位 向宽窄波束变换功能。通过开关切换三列的波导缝隙天线等幅同相工作，天 线的方向图如图6～图8所示。一列阵列天线工作时，H面的波束宽度2.5°， 副瓣优于13dB；两列阵列天线等幅同相工作时，H面波束宽度1.25°，副瓣 优于13.1dB；三列阵列天线等幅同相工作时，H面波束宽度0.85°，副瓣优 于13.8dB。通过选择控制列缝隙阵工作数量，可实现天线波束的宽窄波束 变换功能。图9给出了三种工作模式下天线增益结果，一列、两列和三列天 线阵同时工作时，天线在中心频点的增益分别为20.1dBi、23.1dBi和25.3dBi。
与现有技术相比，本发明的波导缝隙阵天线具有成本低、精度高、结构 强度高、适合大批量生产的优点。本发明通过一维中心馈电的波导缝隙天线 构造了两行三列的天线子阵，并通过两行波导缝隙天线耦合波导和馈电波导 的错位排列实现天线子阵的小型化集成，还可以通过选择天线子阵工作列的 方式实现H面宽窄波束变换。本发明并在保持宽带、低损耗天线性能的同时， 便于大规模组阵和通用化统型、特别适用于卫星载荷平台下，大口径平面相 控阵天线的应用需求。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限 于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易 想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围 之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种模块化集成的宽带毫米波波导缝隙天线阵，其特征在于,包含若干个相同的天线子阵；所述天线子阵由两行三列一维中心馈电的波导缝隙天线构成；
所述天线子阵的两行波导缝隙天线设有共同的第一波导公共壁；天线子阵相邻列的波导缝隙天线设有共同的第二波导公共壁；
所述波导缝隙天线内部水平分隔为三层，从上到下依次为缝隙波导层、耦合波导层和馈电波导层；所述缝隙波导层顶部分布有两路相同的垂直极化辐射缝隙；所述耦合波导层设有一个耦合波导，所述馈电波导层设有一个馈电波导；天线子阵的两行波导缝隙天线共用缝隙波导层；天线子阵两行波导缝隙天线的耦合波导、馈电波导沿垂直于波导缝隙天线中心轴的方向错开。
2.如权利要求1所述的模块化集成的宽带毫米波波导缝隙天线阵，其特征在于，所述缝隙波导层设有完全相同的两个缝隙波导，每个缝隙波导顶部分别设有一路垂直极化辐射缝隙；两个缝隙波导的中心轴位于同一水平面，且均平行于波导缝隙天线中心轴。
3.如权利要求1所述的模块化集成的宽带毫米波波导缝隙天线阵，其特征在于，所述垂直极化辐射缝隙平行于波导缝隙天线中心轴；同路且相邻的两个垂直极化辐射缝隙沿波导缝隙天线中心轴方向间距相等；同路且相邻的两个垂直极化辐射缝隙沿垂直于波导缝隙天线中心轴方向错开。
4.如权利要求1所述的模块化集成的宽带毫米波波导缝隙天线阵，其特征在于，天线子阵两行波导缝隙天线的耦合波导、馈电波导沿垂直于波导缝隙天线中心轴的方向错开的距离等于同路相邻两个垂直极化辐射缝隙沿波导缝隙天线中心轴的间距。
5.如权利要求1所述的模块化集成的宽带毫米波波导缝隙天线阵，其特征在于，所述缝隙波导垂直于波导缝隙天线中心轴的两端为封闭的短路端。
6.如权利要求1所述的模块化集成的宽带毫米波波导缝隙天线阵，其特征在于，所述耦合波导垂直于波导缝隙天线中心轴的两端为封闭的短路端。
7.如权利要求2所述的模块化集成的宽带毫米波波导缝隙天线阵，其特征在于，所述耦合波导的顶部设有耦合缝隙，通过所述耦合缝隙激励所述缝隙波导；所述耦合缝隙与波导缝隙天线中心轴夹角为60°。
8.如权利要求1所述的模块化集成的宽带毫米波波导缝隙天线阵，其特征在于，所述馈电波导的顶部设有与耦合波导连通的耦合窗口，馈电波导内部设有过渡斜劈，馈电波导底部设有非标波导口。
9.如权利要求1所述的模块化集成的宽带毫米波波导缝隙天线阵，其特征在于，所述若干个相同的天线子阵位于同一平面，通过两端对齐，并列连接成模块化集成的宽带毫米波波导缝隙天线阵。
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