CN109687156A - 高效率圆极化波导缝隙线阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效率圆极化波导缝隙线阵天线，由辐射腔、类f字形圆极化器、线极化波导缝隙线阵、波导功分网络、馈电波导变换段组成。类f字形圆极化器从上到下由斜45°类f字形槽和极化分离腔层叠构成。该天线各部分先分层机械加工，然后从上到下依次层叠装配并真空焊接成一体。本发明采用线极化波导缝隙线阵激励类f字形圆极化器的形式，在实现圆极化的同时，降低了天线的剖面高度，减小了天线的宽度。结合使用辐射腔结构，从而提高了天线的辐射效率。本发明可作为单天线使用，也可用作一维宽角扫描线阵天线阵元。

Description

高效率圆极化波导缝隙线阵天线
技术领域
本发明属于波导缝隙阵天线技术领域，特别涉及一种高效率、圆极化、低剖面、可用于一维宽角扫描的波导缝隙线阵天线。
背景技术
波导缝隙线阵天线具有高效率、高功率容量等优点，通过一维组阵能够在较低的剖面内获得高增益窄波束。在现有的加工水平下，通过改变波导缝隙的尺寸、位置等参数，容易实现波束副瓣控制，结合T/R组件还可以进行一维相控电扫描。因此，该类天线在各种雷达和通信系统中的应用十分广泛。
然而，各类载荷中继终端和SAR雷达往往要求天线兼具高效率、圆极化、低剖面、高功率容量、可宽角相控电扫描等特性，现有的圆极化波导缝隙线阵天线由于圆极化器尺寸大、剖面高，因此难以同时满足高效率、圆极化、低剖面和宽角扫描的要求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术不足，提供一种兼具高效率、圆极化、低剖面、高功率容量优点，且适用于一维宽角扫描的波导缝隙线阵天线。
本发明的技术解决方案为：
高效率圆极化波导缝隙线阵天线，包括辐射腔、类f字形圆极化器、线极化波导缝隙线阵、波导功分网络和馈电波导变换段；辐射腔、类f字形圆极化器、线极化波导缝隙线阵、波导功分网络、馈电波导变换段先各自机械加工，然后从上到下依次层叠装配并真空焊接成一体。
所述辐射腔为矩形腔，且矩形腔的几何中心与类f字形圆极化器的圆周对称中心在垂直方向上的投影重合。
所述类f字形圆极化器从上到下由斜45°类f字形槽和极化分离腔层叠构成，且极化分离腔的几何中心与斜45°类f字形槽的圆周对称中心在垂直方向上的投影重合，通过改变斜45°类f字形槽的尺寸能够调节天线的轴比。
当天线工作在右旋圆极化时，斜45°类f字形槽由相互正交且相同厚度的一字形金属槽和反Z字形金属槽构成；当天线工作在左旋圆极化时，斜45°类f字形槽由相互正交且相同厚度的一字形金属槽和Z字形金属槽构成。
极化分离腔为矩形腔。
辐射腔、极化分离腔、线极化波导缝隙线阵和波导功分网络的宽度相同，且斜45°类f字形槽垂直方向的投影位于极化分离腔内。
所述线极化波导缝隙线阵采用矩形波导缝隙线阵的形式，矩形波导缝隙线阵的缝隙偏离类f字形圆极化器中心一定距离，通过改变缝隙尺寸和位置可以调节天线的工作频率和驻波比。
所述线极化波导缝隙线阵采用脊波导缝隙线阵的形式，脊波导缝隙线阵的缝隙偏离类f字形圆极化器中心一定距离，通过改变缝隙尺寸和位置可以调节天线的工作频率和驻波比。
所述波导功分网络通过Z字形缝隙对线极化波导缝隙线阵馈电，实现能量从波导功分网络向线极化波导缝隙阵的传输。
一种波导缝隙相控阵天线，包括多个相控阵单元，所述相控阵单元采用高效率圆极化波导缝隙线阵天线实现。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1.本发明采用极化分离腔和斜45°类f字形槽构成小尺寸、低剖面类f字形圆极化器，加载在线极化波导缝隙线阵上，克服了现有的圆极化波导缝隙线阵使用的圆极化器尺寸大、剖面高的缺陷，在实现低剖面圆极化的同时，不增加波导缝隙线阵的宽度，从而使得本发明所述圆极化波导缝隙线阵天线兼具圆极化、低剖面、高功率容量优点，适用作一维宽角扫描天线阵元。
2.本发明采用辐射腔加载在类f字形圆极化器上，在不增加波导缝隙线阵宽度的同时，提高了圆极化波导缝隙线阵天线的效率。
3.本发明通过改变斜45°类f字形槽的尺寸能够调节天线的轴比。
附图说明
图1为本发明天线的剖视图；
图2为本发明天线局部波导空腔示意图；
图3为工作在右旋圆极化时本发明天线的俯视图；
图4为工作在左旋圆极化时本发明天线的俯视图；
图5为本发明天线一维组阵后的阵列天线结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明采用极化分离腔和斜45°类f字形槽构成小尺寸、低剖面类f字形圆极化器。采用线极化波导缝隙线阵激励类f字形圆极化器的天线结构，在实现圆极化的同时，降低了天线的剖面高度，减小了天线的宽度，从而适用于一维宽角扫描。结合使用辐射腔，从而提高了天线的辐射效率。
具体地，如图1、图2所示，本发明公开了一种高效率圆极化波导缝隙线阵天线，由辐射腔1、类f字形圆极化器7、极化分离腔3、线极化波导缝隙线阵4、波导功分网络5、馈电波导变换段6组成。各部分先分层机械加工，然后从上到下依次层叠装配并真空焊接成一体。
如图2所示，类f字形圆极化器7由斜45°类f字形槽2和极化分离腔3构成，其上层加载辐射腔1，下层通过线极化波导缝隙线阵4进行馈电。
其中，辐射腔1为矩形空腔，腔体几何中心与斜45°类f字形槽2的圆周对称中心在垂直方向上的投影重合。为了加工方便，矩形空腔的四个角可以为圆角，通过改变腔体的尺寸可以调节天线的驻波比和增益。
当天线工作在右旋圆极化时，斜45°类f字形槽2由相互正交且相同厚度的一字形金属槽和反Z字形金属槽构成，并沿类f字形槽2的中心旋转45°，如图3所示。当天线工作在左旋圆极化时，斜45°类f字形槽2由相互正交且相同厚度的一字形金属槽和Z字形金属槽构成，并沿类f字形槽2的中心旋转45°，如图4所示。槽的几何中心与下层的极化分离腔3几何中心在垂直方向上的投影重合，通过改变槽的尺寸可以调节天线的轴比。
极化分离腔3为矩形空腔，腔体几何中心偏离下层线极化波导缝隙线阵4的缝隙几何中心一定距离。为了加工方便，极化分离腔3的四个角可以为圆角。
线极化波导缝隙线阵4采用矩形波导缝隙线阵的形式，矩形波导缝隙线阵的缝隙偏离类f字形圆极化器7中心一定距离。通过改变矩形波导的尺寸可以调节天线的工作频率，通过改变矩形缝隙的尺寸和位置，可以调节天线的工作频率和驻波比。
线极化波导缝隙线阵4为金属结构的脊波导缝隙线阵，脊波导的几何中心开“Z”字耦合缝隙连接下层的波导功分网络5，通过改变脊波导的尺寸可以调节天线的工作频率，通过改变脊波导缝隙的尺寸和位置，可以调节天线的工作频率和驻波比。
波导功分网络5为金属结构的脊波导功分网络。馈电波导变换段6为金属结构的脊波导转矩波导匹配过渡段，采用非标准波导法兰接口。
本发明采用线极化波导缝隙线阵激励类f字形圆极化器的形式，在实现圆极化的同时，降低了天线的剖面高度，减小了天线的宽度。结合使用辐射腔结构，从而提高了天线的辐射效率。本发明可作为单天线使用，也可用作一维宽角扫描线阵天线阵元。
如图5所示，在本实施例中，整个天线由80根不同长度的高效率圆极化波导缝隙线阵天线一维组阵构成，其中线极化波导缝隙线阵4和波导功分网络5采用了脊波导结构以减小线阵天线间距。组阵后的阵列天线尺寸口径小于Φ600mm，高度为25.4mm。天线采用分层机械加工，然后真空钎焊工艺焊接成一体，经测试本实施例的天线结果如下：
频率：Ka频段；
驻波比：≤2.0；
圆极化轴比：≤5.5dB；
扫描角度范围：±60°；
增益值：≥38.5dB；
不同扫描角状态下，天线的实测增益值、轴比和口面效率如表1所示。
表1不同扫描角时天线的实测增益值、轴比和口面效率
天线技术指标 不扫描 ±20°扫描角 ±40°扫描角 ±60°扫描角
增益/dB 41.6 41.1 40.5 38.5
轴比/dB 2.7 5.3 4.7 2.5
口面效率 62.6％ 55.8％ 48.6％ 30.7％
从上述实测结果可以看出，本发明在Φ600mm的口面、25.4mm的剖面高度下，实现波导缝隙阵天线Ka频段±60°宽角圆极化波束扫描，且不扫描工作时的口面效率高达62.6％，±60°扫描角时的口面效率高达30.7％。
上述实施例只是本发明应用的一种列举，本领域技术人员可以根据不同的设计要求和设计参数在不偏离本发明技术方案的情况下进行各种改进和更换，同样落入本发明的保护范围。
本发明未详细说明部分属于本领域公知技术。

Claims (10)

1.高效率圆极化波导缝隙线阵天线，其特征在于：包括辐射腔(1)、类f字形圆极化器(7)、线极化波导缝隙线阵(4)、波导功分网络(5)和馈电波导变换段(6)；辐射腔(1)、类f字形圆极化器(7)、线极化波导缝隙线阵(4)、波导功分网络(5)、馈电波导变换段(6)先各自机械加工，然后从上到下依次层叠装配并真空焊接成一体。
2.根据权利要求1所述的高效率圆极化波导缝隙线阵天线，其特征在于：所述辐射腔(1)为矩形腔，且矩形腔的几何中心与类f字形圆极化器(7)的圆周对称中心在垂直方向上的投影重合。
3.根据权利要求1所述的高效率圆极化波导缝隙线阵天线，其特征在于：所述类f字形圆极化器(7)从上到下由斜45°类f字形槽(2)和极化分离腔(3)层叠构成，且极化分离腔的几何中心与斜45°类f字形槽的圆周对称中心在垂直方向上的投影重合，通过改变斜45°类f字形槽的尺寸能够调节天线的轴比。
4.根据权利要求3所述的高效率圆极化波导缝隙线阵天线，其特征在于：当天线工作在右旋圆极化时，斜45°类f字形槽(2)由相互正交且相同厚度的一字形金属槽和反Z字形金属槽构成；当天线工作在左旋圆极化时，斜45°类f字形槽(2)由相互正交且相同厚度的一字形金属槽和Z字形金属槽构成。
5.根据权利要求3所述的高效率圆极化波导缝隙线阵天线，其特征在于：极化分离腔(3)为矩形腔。
6.根据权利要求1所述的高效率圆极化波导缝隙线阵天线，其特征在于：辐射腔(1)、极化分离腔(3)、线极化波导缝隙线阵(4)和波导功分网络(5)的宽度相同，且斜45°类f字形槽(2)垂直方向的投影位于极化分离腔(3)内。
7.根据权利要求1所述的高效率圆极化波导缝隙线阵天线，其特征在于：所述线极化波导缝隙线阵(4)采用矩形波导缝隙线阵的形式，矩形波导缝隙线阵的缝隙偏离类f字形圆极化器(7)中心一定距离，通过改变缝隙尺寸和位置可以调节天线的工作频率和驻波比。
8.根据权利要求1所述的高效率圆极化波导缝隙线阵天线，其特征在于：所述线极化波导缝隙线阵(4)采用脊波导缝隙线阵的形式，脊波导缝隙线阵的缝隙偏离类f字形圆极化器(7)中心一定距离，通过改变缝隙尺寸和位置可以调节天线的工作频率和驻波比。
9.根据权利要求1所述的高效率圆极化波导缝隙线阵天线，其特征在于：所述波导功分网络(5)通过Z字形缝隙对线极化波导缝隙线阵(4)馈电，实现能量从波导功分网络(5)向线极化波导缝隙阵(4)的传输。
10.一种波导缝隙相控阵天线，包括多个相控阵单元，其特征在于：所述相控阵单元采用如权利要求1～9所述高效率圆极化波导缝隙线阵天线实现。
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