CN109818159B - Ku波段80单元长线阵螺旋阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Ku波段80单元长线阵螺旋阵列天线，其包括矩形波导，矩形波导的一端设置为馈入口，另一端设置有同轴耦合单元；矩形波导上设置有同轴输出单元，同轴输出单元内设置有至少80个耦合探针，每个耦合探针的下端均嵌入矩形波导的壁中；同轴输出单元的上表面设置有至少80个螺旋天线；同轴耦合单元与同轴输出单元相连接。本发明可以将高功率微波源中输出的电磁能量均匀分配至每个螺旋天线中，解决了共形天线的紧凑化问题。

Description

Ku波段80单元长线阵螺旋阵列天线

技术领域

本发明涉及阵列天线领域，具体涉及一种Ku波段80单元长线阵螺旋阵列天线。

背景技术

近年来，随着高功率微波技术的不断发展，推动着人们对作为其技术终端的高功率微波天线技术的研究。由于传输的微波具有特殊的高功率性，高功率微波天线除了要满足良好的辐射指标外，还需要尽量达到包括高功率容量、小型化、轻型化等在内的若干特殊目标。径向线螺旋阵列天线作为一种具有特殊馈电结构的平面阵列天线形式，因其具有结构利用率高、辐射效率高等优势得到了广泛的关注。通过对高功率径向线螺旋阵列天线的研究，证明可以通过增大单个子阵的单元数目以减少子阵之间的级联从而在提高天线增益的同时降低插入损耗；通过矩形栅格、三角形栅格单元布局方式的研究对比，获得节约系统成本的方法；通过耦合探针和扼流结构的协同设计，可以实现径向线的高效率传输设计。阵列天线是将若干个辐射单元按照一定的方式进行排列和激励，利用电磁波的干涉原理和叠加原理来实现微波定向辐射的天线形式，通过增加单元数目及改变单元排列的方式空间而以提高阵列天线的增益，由于将微波功率分配到多个辐射单元上使得各单元仅需承受较小的功率以及易于进行天线的密封从而可以实现天线的高功率容量，通过采用不同形式的辐射单元可以实现任意极化波的辐射，通过采用合适的馈电波导可以实现天线的小型化。

采用短螺旋天线作为天线单元，径向线作为馈电波导并通过耦合探针提取能量的思路，学者首先设计了一种4单元矩形径向线螺旋子阵，初步验证了该思路的可行性[赵柳，张健穹，吴晓降，等.4单元矩形径向线螺旋阵列天线的理论分析和数值模拟[J].强激光与粒子束，2007.19(11):1869-1872]，并在此基础上进一步研究了高功率单、双层径向线阵列天线，在微波定向圆极化辐射的同时，也达成了阵列天线系统的GW级高功率容量，进一步验证了高功率径向线阵列天线设计思想的可实现性，并且明确了它具有结构尺寸小、方向性高、易于辐射圆极化波等优点[李相强，刘庆想，赵柳，等.高功率单层径向线螺旋阵列天线的设计与模拟[J].强激光与粒子束，2005.17(11):1712-1716]，[刘庆想，李相强，袁成卫，等.高功率双层径向线螺旋阵列天线的设计与模拟[J].电子学报，2005.12]，之后赵柳等学者又提出了可组合式径向线阵列天线的探究，即利用多个矩形封口的径向线阵列天线子阵进行组合，以形成更大型的阵列天线系统，进而达到实现高增益的目的，马睿等学者进而完成了S波段64单元的创新性研究，通过增大单个径向线子阵中的单元数目，优化了天线增益，改善了阵列的极化、匹配性能，降低了因子阵级联而引入的功分网络插入损耗，但也出现了由单元数目增加引起的径向波导内分布不均匀的情况，因此采用耦合能力可调的新型耦合探针，实现馈电网络在中心频率下的近似等幅输出[马睿，刘庆想，李相强，张健穹，丁艳峰.64单元矩形径向线馈电网络的设计[J].强激光与粒子束，2011.23(11):3131-3134]。为了解决馈电波导前端结构存在不确定性以及阵列布局的特点不同等多种原因，赵玮琛等人提出并设计了一种侧馈式的132单元矩形栅格螺旋阵列天线，其由两个66单元子阵构成，采用侧馈式的波导结构作为馈电波导，通过侧馈的方式改善了天线的馈电结构，使得螺旋阵列天线能够应用于馈电前端结构更为复杂的应用场景[赵玮琛，张政权，张健穹，刘庆想，李相强，梁源.侧馈式紧凑型扁波导螺旋阵列天线的设计[J].电子元件与材料，2018，37(06):78-82]。

在前述的相关研究中，阵列的子阵结构均为圆阵或方阵结构，这使得这些阵列难以作为共形天线的子阵用于柱面共形天线的组阵；同时由于现有的大多数螺旋阵列天线均采用径向线进行馈电，由于径向线的微波由位于其下底板中心的大同轴波导输入，使得其难以适应共形天线对于馈电的紧凑化要求，这些制约因素很大程度上制约了螺旋阵列天线在共形阵列天线领域的应用。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种Ku波段80单元长线阵螺旋阵列天线解决了共形天线的紧凑化问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种Ku波段80单元长线阵螺旋阵列天线，其包括矩形波导，矩形波导的一端设置为馈入口，另一端设置有同轴耦合单元；矩形波导上设置有同轴输出单元，同轴输出单元内设置有至少80个耦合探针，每个耦合探针的下端均嵌入矩形波导的壁中；同轴输出单元的上表面设置有至少80个螺旋天线；同轴耦合单元与同轴输出单元相连接。

进一步地，矩形波导的横截面尺寸为13.6*9mm，矩形波导的长度为1256.4mm。

进一步地，同轴输出单元包括布设在矩形波导上的输出同轴，输出同轴与螺旋天线相连接；输出同轴的外径为3.5mm，内径为1mm，高度为20.05mm。

进一步地，耦合探针包括加环探针和加台探针；第一个加环探针与馈入口的距离为18mm；加台探针设置在矩形波导的后半部分；相邻耦合探针之间的间距为15.6mm。

进一步地，加台探针包括探针和设置在探针下端的圆柱，圆柱的底部与矩形波导的下底板相连；加环探针包括半径为1mm的探针和外径为3.5mm的耦合环；耦合环套设在探针上且设置于同轴输出单元中。

进一步地，同轴耦合单元包括同轴转换器，同轴转换器设置在距离矩形波导末端封口处6mm的中心位置。

进一步地，同轴转换器包括矩形台，矩形台的前端设置有斜面，矩形台的上表面设置有圆台；矩形台的高度为7mm，长为12mm，宽为13.6mm；斜面的前端高度为2.42mm，长度为16.26mm，宽度为13.6mm；圆台的下底面半径为4.91mm，上底面半径为1mm，高度为2.4mm。

进一步地，螺旋天线的导体半径为1mm，导体半径为3.26mm，螺旋圈数为0.906，螺距角为6.5deg，弯曲处高度为1.44mm。

本发明的有益效果为：

1、本发明由80个单元天线组成，采用矩形波导作为馈电结构，采用耦合量可调的新型加环探针及排布结构从矩形波导内提取能量，通过矩形波导末端的同轴耦合单元实现能量的充分利用，从而将高功率微波源中输出的电磁能量均匀分配至每个螺旋天线中。

2、本发明首次提出了为了适应柱面共形这一应用场景采用从阵列的一段采用矩形波导作为馈电波导，采用长线阵结构代替原有的方阵以及圆阵结构，使得其可用于进一步组成曲面共形阵列。同时，根据阵列波导馈电的特点，采用新的探针排列方式以及新型的加环探针作为主要的探针馈电形式，能够在场强变化较大的情况下实现较大范围的耦合量调节，结构较为简单，对矩形波导内部电磁波的传输造成的影响较小，且探针不易造成场强的集中，能够充分的确保系统有较大的功率容量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的立体示意图；

图3为加环探针的结构示意图；

图4为加台探针的结构示意图；

图5为同轴转换器的侧面剖视图；

图6为螺旋天线的结构示意图。

其中：1、馈入口；2、矩形波导；3、耦合探针；4、同轴耦合单元；5、同轴输出单元；6、螺旋天线；7、耦合环；8、圆柱；9、矩形台；10、斜面；11、圆台；

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1和图2所示，该Ku波段80单元长线阵螺旋阵列天线包括矩形波导2，矩形波导2的一端设置为馈入口1，另一端设置有同轴耦合单元4；矩形波导2上设置有同轴输出单元5，同轴输出单元5内设置有至少80个耦合探针3，每个耦合探针3的下端均嵌入矩形波导2的壁中；同轴输出单元5的上表面设置有至少80个螺旋天线6；同轴耦合单元4与同轴输出单元5相连接。

矩形波导2的横截面尺寸为13.6*9mm，矩形波导2的长度为1256.4mm。同轴输出单元5包括布设在矩形波导2上的输出同轴，输出同轴与螺旋天线6相连接；输出同轴的外径为3.5mm，内径为1mm，高度为20.05mm。

如图3和图4所示，耦合探针3包括加环探针和加台探针；第一个加环探针与馈入口1的距离为18mm；加台探针设置在矩形波导2的后半部分；相邻耦合3探针之间的间距为15.6mm。加台探针包括探针和设置在探针下端的圆柱8，圆柱8的底部与矩形波导2的下底板相连；加环探针包括半径为1mm的探针和外径为3.5mm的耦合环7；耦合环7套设在探针上且设置于同轴输出单元5中。

同轴耦合单元4包括同轴转换器，同轴转换器设置在距离矩形波导2末端封口处6mm的中心位置。如图5所示，同轴转换器包括矩形台9，矩形台9的前端设置有斜面10，矩形台9的上表面设置有圆台11；矩形台的高度为7mm，长为12mm，宽为13.6mm；斜面10的前端高度为2.42mm，长度为16.26mm，宽度为13.6mm；圆台11的下底面半径为4.91mm，上底面半径为1mm，高度为2.4mm。

如图6所示，螺旋天线6的导体半径为1mm，导体半径为3.26mm，螺旋圈数为0.906，螺距角为6.5deg，弯曲处高度为1.44mm。

在本发明的一个实施例中，本天线在中心频点12.5GHz阵列驻波比为1.01，反射系数为-47.69dB，在整个频带12GHz～13GHz内反射系数小于-29dB，该馈电系统内部是真空环境，取电场击穿阈值为91.3MV/m，则该馈电系统的功率容量为243MW。天线阵轴向辐射时增益达到26.1dB，轴比为0.65dB，3dB带宽0.4deg，副瓣电平-16.3dB。

本天线在工作时，微波由馈入口1馈入后，在矩形波导2内主要传播TE10模，因此中间场强大，两侧场强小，场强在矩形波导2内分布并不均匀，此时如果将探针放于矩形波导2中间进行馈电，则会导致探针的耦合量过大，同时产生极大地反射，因此在探针的设置过程中，需要将探针嵌入波导壁设置，从而减小探针产生的反射，使得大部分的电磁能量能够正常向后传输。通过调节耦合环7的内径以及圆柱8的半径、高度等参数实现对耦合量进行适当调节，从而实现各单元的等幅输出。矩形波导2内探针耦合的剩余能量通过在矩形波导2末端添加同轴耦合单元4至阵列天线的最末端单元处，实现矩形波导2内能量的充分利用，从而确保天线有着较高的效率同时避免矩形波导2末端封口处反射回来的电磁能量对阵列内探针产生影响，影响天线整体性能。螺旋天线6各单元结构相同，螺旋天线6的初始相位通过反向旋转相应输出端口传输相位而布置，便可实现所有螺旋天线6的同相激励，此时便可实现阵列的轴向辐射，对螺旋天线6进行适当的旋转，便可对空间中某一角度进行扫描。

综上所述，本发明由80个单元天线组成，采用矩形波导2作为馈电结构，采用耦合量可调的加环探针(电磁耦合探针)及排布结构从矩形波导2内提取能量，通过矩形波导2末端的同轴耦合单元4实现能量的充分利用，从而将高功率微波源中输出的电磁能量均匀分配至每个螺旋天线6中。本发明首次提出了为了适应柱面共形这一应用场景采用从阵列的一段采用矩形波导2作为馈电波导，采用长线阵结构代替原有的方阵以及圆阵结构，使得其可用于进一步组成曲面共形阵列。同时，根据阵列波导馈电的特点，采用新的探针排列方式以及新型的电磁耦合探针作为主要的探针馈电形式，能够在场强变化较大的情况下实现较大范围的耦合量调节，结构较为简单，对矩形波导2内部电磁波的传输造成的影响较小，且探针不易造成场强的集中，能够充分的确保系统有较大的功率容量。

Claims (4)

1.一种Ku波段80单元长线阵螺旋阵列天线，其特征在于：包括矩形波导（2），所述矩形波导（2）的一端设置为馈入口（1），另一端设置有同轴耦合单元（4）；所述矩形波导（2）上设置有同轴输出单元（5），所述同轴输出单元（5）内设置有至少80个耦合探针（3），每个所述耦合探针（3）的下端均嵌入所述矩形波导（2）的壁中；所述同轴输出单元（5）的上表面设置有至少80个螺旋天线（6）；所述同轴耦合单元（4）与同轴输出单元（5）相连接；

所述矩形波导（2）的横截面尺寸为13.6*9mm，所述矩形波导（2）的长度为1256.4mm；

所述同轴输出单元（5）包括布设在矩形波导（2）上的输出同轴，所述输出同轴与螺旋天线（6）相连接；所述输出同轴的外径为3.5mm，内径为1mm，高度为20.05mm；

所述耦合探针（3）包括加环探针和加台探针；第一个所述加环探针与馈入口（1）的距离为18mm；所述加台探针设置在矩形波导（2）的后半部分；相邻耦合探针（3）之间的间距为15.6mm；

所述加台探针包括探针和设置在探针下端的圆柱（8），所述圆柱（8）的底部与矩形波导（2）的下底板相连；所述加环探针包括半径为1mm的探针和外径为3.5mm的耦合环（7）；所述耦合环（7）套设在探针上且设置于同轴输出单元（5）中。

2.根据权利要求1所述的Ku波段80单元长线阵螺旋阵列天线，其特征在于：所述同轴耦合单元（4）包括同轴转换器，所述同轴转换器设置在距离矩形波导（2）末端封口处6mm的中心位置。

3.根据权利要求2所述的Ku波段80单元长线阵螺旋阵列天线，其特征在于：所述同轴转换器包括矩形台（9），所述矩形台（9）的前端设置有斜面（10），所述矩形台（9）的上表面设置有圆台（11）；所述矩形台（9）的高度为7mm，长为12mm，宽为13.6mm；所述斜面的前端高度为2.42mm，长度为16.26mm，宽度为13.6mm；所述圆台的下底面半径为4.91mm，上底面半径为1mm，高度为2.4mm。

4.根据权利要求1所述的Ku波段80单元长线阵螺旋阵列天线，其特征在于：所述螺旋天线（6）的螺旋圈数为0.906，螺距角为6.5deg，弯曲处高度为1.44mm。