CN109713455A - 一种双频共口径波导缝隙天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双频共口径波导缝隙天线。包括矩形脊波导的金属波导管，其顶部设有平行的两条肩臂，两条肩臂之间为凹槽，与金属波导管长度方向对应的两条肩臂的外侧均为扼流槽；每条肩臂内设有一个高频段脊波导，每条肩臂的顶面均布开设有高频直缝隙；与凹槽对应的金属波导管内设有低频段脊波导，凹槽的底部均布开设有低频直缝隙；金属波导管一端为天线的输入端，另一端为短路端或接匹配负载。本发明解决了现有技术中双频段扫描工作环境下，常规矩形波导缝隙天线因尺寸限制而无法实现扫描的问题；波导天线采用金属材料，热传导性能好，有利于特殊工程应用中的热控设计；本发明可大大缩小双频共口径天线的尺寸，结构简单，便于单独组成大型平面阵。

Description

一种双频共口径波导缝隙天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种双频共口径波导缝隙波导天线及该天线构成的天线阵。

背景技术

为解决空间尺寸问题，共口径天线技术得到了快速发展。与传统阵列天线中采用同一天线单元形式不同，共口径天线由多种不同形式天线单元构成。

共口径天线组阵单元的形式主要有微带贴片、微带振子、缝隙等，现有文献中多采用微带贴片天线组成共口径天线阵，常利用双层辐射贴片，通过选择合适的低频单元形式以减少对高频段天线的影响，但这种结构需要双层或者多层介质。

现有的技术中，Krishna Naishadham，RongLin Li,等人提出的双频共口径折叠振子天线，采用两种相似结构的折叠振子天线作为单元，通过同轴馈电的形式，获得了-25dB的交叉极化，但其介质选取纸质材料，机械强度差，无法适应机载或星载等复杂环境，难以实现工程化。Meng Wei,Hong Deng,等人提出的一种X/Ka双频共口径微带天线阵列，频率比3.7，但其采用5层介质结构，天线加工复杂，所用的多种材料之间膨胀系数不同容易导致变形，层间脱离等隐患。

上述微带天线都存在结构复杂，加工难；易变形、层间脱离；热传导性能低差；加工成天线阵之后自身结构强度低；制造方法复杂成本高等问题。波导缝隙天线由于具有体积小、结构紧凑、机械强度好、可靠性高、使用寿命长等优点，并且在波导内腔加载馈电单脊或双脊可以扩展工作带宽，同时缩小腔体尺寸，减轻重量，因此成为上述雷达天线的优选方案之一。

现有的技术中，共口径波导缝隙天线多用于实现双极化，如北京理工大学的罗浩设计的毫米波双极化波导缝隙天线等，少有实现共口径双频段的形式。Yuan-Yun Liu,Feng-we Yao等人提出的双频共口径单脉冲波导天线，两种频段天线极化相同，该天线将两种频段的波导缝隙分布在同一口径面上，但其不考虑扫描问题，整体口径尺寸较大。

现有的技术中，所要解决的技术问题在于：双频段工作环境下，对于高频段中心频率35.75G，天线方向图要达到垂直缝隙方向正负15°的扫描，则单元间距最大不能超过6.7mm，而对于低频段中心频率16G，要保证电磁波能在矩形波导管中传输，则矩形波导横截面宽边尺寸要大于9.4mm，同时天线方向图要达到垂直缝隙方向正负15°的扫描，则单元间距最大不能超过15mm。在此尺寸限制下，若采用常规波导缝隙天线，将两种频段的天线单元交叉排布在同一水平面上，则高频段无法实现扫描，且易导致天线交叉极化、天线互耦等性能严重恶化。

发明内容

为了解决现有技术中双频段扫描工作环境下，常规矩形波导缝隙天线因尺寸限制而无法实现扫描，以及常规微带天线结构复杂，加工难；易变形、层间脱离；热传导性能低差；加工成天线阵之后自身结构强度低的问题，本发明提供一种双频共口径波导缝隙天线。

一种双频共口径波导缝隙天线包括金属波导管1；

所述金属波导管1的横截面为矩形，顶部设有平行的两条肩臂2，两条肩臂2之间为凹槽3，与金属波导管1长度方向对应的两条肩臂2的外侧均为扼流槽6；

与金属波导管1长度方向对应的每条肩臂2内设有一个高频段脊波导21，每条肩臂2的顶面均布开设有高频直缝隙4，长度方向上相邻高频直缝隙4之间的间距相等；

与凹槽3对应的金属波导管1内设有低频段脊波导11，凹槽3的底部均布开设有低频直缝隙5，长度方向上相邻低频直缝隙5之间的间距相等；

金属波导管一端为天线的输入端，另一端为短路端或接匹配负载。

进一步限定的技术方案如下：

每条肩臂2的顶面长度方向中心线的两侧均布设有高频直缝隙4，形成两组高频直缝隙4，两组高频直缝隙4呈交错状分布。

所述凹槽3的底部长度方向中心线的两侧均布设有低频直缝隙5，形成两组低频直缝隙5，两组低频直缝隙5呈交错状分布；每条低频直缝隙5中部下方的金属波导管1 内设有向下凸起的匹配膜片51。

相邻低频直缝隙5之间的间距是相邻高频直缝隙4之间的间距的两倍。

所述金属波导管1的截面宽度为0.7λ₁×截面高度为0.37λ₁，λ₁为低频段中心频率波长。

每条肩臂2的臂宽0.5λ₂，λ₂为高频段中心频率波长。

所述凹槽3的槽深为0.23λ₂，λ₂为高频段中心频率波长。

所述低频段中心频率波长λ₁为18.75mm。

所述高频段中心频率波长为λ₂为8.4mm。

一种天线阵包括至少两个以上阵列排布的所述双频共口径波导缝隙天线，相邻金属壁为公共臂。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1.本发明所述双频共口径波导缝隙天线采用脊波导减小横截面尺寸，并将高频段天线单元架在低频段波导左右上方，形成肩臂，有效利用空间尺寸，满足扫描间距要求，实现双频段均可正负15°扫描。

2.本发明采用金属制作成波导天线，热传导性能好，与微带贴片天线相比，有利于特殊工程应用中的热控设计；该双频共口径波导缝隙天线结构简单，降低了波导天线的加工难度，降低了生产成本；整个天线腔体结构均为金属制成，消除了因多种材料之间膨胀系数不同而导致的变形，层间脱离等隐患。

附图说明

图1是本发明中双频共口径波导缝隙天线的立体结构示意图；

图2是图1的剖面立体结构示意图；

图3是图1的俯视状态结构尺寸标注图；

图4是图1中双频共口径波导缝隙天线的横截面尺寸标注图；

图5为图3中沿剖线A-A＇的尺寸标注图；

图6为本发明中实施例1低频段天线的驻波图；

图7为本发明中实施例1低频段中心频点天线的方向图及交叉极化；

图8为本发明中实施例1高频段天线的驻波图；

图9为本发明中实施例1高频段中心频点天线的方向图及交叉极化；

图10为本发明中实施例2线阵结构示意图；

图11为本发明中实施例2高频段中心频点天线的方向图及交叉极化；

图12为本发明中实施例3天线阵结构示意图；

图13为本发明中实施例3高频段中心频点天线的方向图及交叉极化；

图1-5中序号：金属波导管1、肩臂2、凹槽3、高频直缝隙4、低频直缝隙5、扼流槽6、低频段脊波导11、高频段脊波导21、膜片51。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

实施例1

参见图1和图2，一种双频共口径波导缝隙天线包括金属波导管1。金属波导管1 的横截面为矩形，顶部设有平行的两条肩臂2，两条肩臂2之间为凹槽3，与金属波导管1长度方向对应的两条肩臂2的外侧均为扼流槽6。金属波导管1的截面宽度为0.7λ₁×截面高度为0.37λ₁，λ₁为低频段中心频率波；低频段中心频率波长λ₁为18.75mm。低频段工作频率为15.8～16.2Ghz。

参见图2，与金属波导管1长度方向对应的每条肩臂2内设有一个高频段脊波导21，每条肩臂2的顶面长度方向中心线的两侧均布设有高频直缝隙4，形成两组高频直缝隙 4，两组高频直缝隙4呈交错状分布；长度方向上相邻高频直缝隙4之间的间距相等。每条肩臂2的臂宽0.5λ₂，λ₂为高频段中心频率波长。

参见图2，凹槽3的底部长度方向中心线的两侧均布设有低频直缝隙5，形成两组低频直缝隙5，两组低频直缝隙5呈交错状分布；长度方向上相邻低频直缝隙5之间的间距相等；每条低频直缝隙5中部下方的金属波导管1内设有向下凸起的匹配膜片51。凹槽3的槽深为0.23λ₂，λ₂为高频段中心频率波长。

高频段工作频率为35.55～35.95GHz，高频段中心频率波长为λ₂为8.4mm。

参见图3，相邻低频直缝隙5之间的间距是相邻高频直缝隙4之间的间距的两倍。

金属波导管一端为天线的输入端，另一端为短路端或接匹配负载。

详细的，所述双频共口径波导缝隙天线，低频段工作频率为15.8～16.2Ghz，中心频率工作波长λ₁为18.75mm，高频段工作频率为35.55～35.95GHz，中心频率工作波长λ₂为8.4mm。

如图3所示，所述双频共口径波导缝隙天线低频段的直缝隙长度L1为0.5λ₁高频段的直缝隙长度L2为0.48λ₂。

如图4、图5所示，所述双频共口径波导缝隙天线横截面尺寸，宽度为0.7λ₁，高度为为0.37λ₁，左右肩臂肩臂宽0.5λ₂，肩臂厚hh为0.23λ₂，凹槽3宽0.28λ₂，所述扼流槽宽度为凹槽宽度一半。

金属波导管中下方包含一低频段脊波导11，低频段脊波导11宽边aw1为0.35λ₁，窄边ah1为0.17λ₁，脊的宽度aw2为0.12λ₁，脊的高度为ah2为0.13λ₁；

左右肩臂各包含一高频段脊波导21，高频段脊波导21宽边bw1为0.36λ₂，脊的宽度bw2为0.13λ₂，脊的高度为bh2为0.12λ₂。

低频直缝隙5设有一膜片51用于匹配，其高度Hm为0.02λ₁，长度Lm为0.13λ₁，宽度Wm为0.05λ₁。金属壁厚t为0.07λ₁。

本实施例高低频段方向图及驻波曲线参见图6～9所示。整个频段内，端口驻波低频段优于2，高频段优于1.6，法向方向交叉极化优于-25dB。

实施例2

参见图10，每条肩臂2的顶面长度方向中心线的两侧均布设有十六条高频直缝隙4，形成两组高频直缝隙4，凹槽3的底部长度方向中心线的两侧均布设有八条低频直缝隙5，形成两组低频直缝隙5；其他结构与实施例1相同，单元间距相同，区别在于天线单元数量。

由图11可见，高频段波导缝隙线阵的方向图，法向交叉极化优于-25dB。

实施例3

参见图12，该双频共口径波导缝隙天线面阵由实施例2中的线阵沿同一方向平移而成即由八根实施例2中的线阵并联组成，相邻金属腔体的双频共口径波导缝隙天线的相邻侧壁均为公共壁(相邻腔体共用金属壁)；该平面阵天线可与T/R组件相连，作为相控阵天线中的子阵。并可根据实际需要制造不同规格的扫描平面相控阵天线。图13为该面阵高频段方向图。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双频共口径波导缝隙天线，包括金属波导管(1)，其特征在于：

所述金属波导管(1)的横截面为矩形，顶部设有平行的两条肩臂(2)，两条肩臂(2)之间为凹槽(3)，与金属波导管(1)长度方向对应的两条肩臂(2)的外侧均为扼流槽(6)；

与金属波导管(1)长度方向对应的每条肩臂(2)内设有一个高频段脊波导(21)，每条肩臂(2)的顶面均布开设有高频直缝隙(4)，长度方向上相邻高频直缝隙(4)之间的间距相等；

与凹槽(3)对应的金属波导管(1)内设有低频段脊波导(11)，凹槽(3)的底部均布开设有低频直缝隙(5)，长度方向上相邻低频直缝隙(5)之间的间距相等；

金属波导管一端为天线的输入端，另一端为短路端或接匹配负载。

2.根据权利要求1所述的一种双频共口径波导缝隙天线，其特征在于：每条肩臂(2)的顶面长度方向中心线的两侧均布设有高频直缝隙(4)，形成两组高频直缝隙(4)，两组高频直缝隙(4)呈交错状分布。

3.根据权利要求1所述的一种双频共口径波导缝隙天线，其特征在于：所述凹槽(3)的底部长度方向中心线的两侧均布设有低频直缝隙(5)，形成两组低频直缝隙(5)，两组低频直缝隙(5)呈交错状分布；每条低频直缝隙(5)中部下方的金属波导管(1)内设有向下凸起的匹配膜片(51)。

4.根据权利要求1所述的一种双频共口径波导缝隙天线，其特征在于：相邻低频直缝隙(5)之间的间距是相邻高频直缝隙(4)之间的间距的两倍。

5.根据权利要求1所述的一种双频共口径波导缝隙天线，其特征在于：所述金属波导管(1)的截面宽度为0.7λ₁×截面高度为0.37λ₁，λ₁为低频段中心频率波长。

6.根据权利要求1所述的一种双频共口径波导缝隙天线，其特征在于：每条肩臂(2)的臂宽0.5λ₂，λ₂为高频段中心频率波长。

7.根据权利要求1所述的一种双频共口径波导缝隙天线，其特征在于：所述凹槽(3)的槽深为0.23λ₂，λ₂为高频段中心频率波长。

8.根据权利要求5所述的一种双频共口径波导缝隙天线，其特征在于：所述低频段中心频率波长λ₁为18.75mm。

9.根据权利要求6或7所述的一种双频共口径波导缝隙天线，其特征在于：所述高频段中心频率波长为λ₂为8.4mm。

10.一种天线阵，其特征在于：包括至少两个以上阵列排布的如权利要求1～9中任一项所述双频共口径波导缝隙天线，相邻金属壁为公共臂。