CN110034386B - 低轴比高效率可宽角扫描波导缝隙线阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低轴比高效率可宽角扫描波导缝隙线阵天线，由隔离腔、辐射腔、卍字形变极化槽、耦合腔、线极化脊波导缝隙线阵、脊波导同轴变换段、金属壳体组成。该天线采用先分层机械加工，然后层叠装配并真空焊接构成天线整体。本发明采用耦合腔和卍字形变极化槽构成低剖面、小尺寸卍字形圆极化器，采用线极化脊波导缝隙线阵激励卍字形圆极化器，结合使用辐射腔和隔离腔，从而在实现低剖面、圆极化的同时，提高了天线的效率，减小了天线的交叉极化，使天线组阵后用于一维宽角扫描工作时能够始终保持低轴比特性。

Description

低轴比高效率可宽角扫描波导缝隙线阵天线
技术领域
本发明属于波导缝隙阵天线技术领域，特别涉及一种低轴比、高效率、可宽角扫描波导缝隙线阵天线。
背景技术
圆极化天线能够克服云、雨的干扰，消除因电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变影响，因此在各种载荷雷达和通信系统中的应用十分广泛。相比常见的圆极化微带和螺旋天线，圆极化波导缝隙线阵天线具有损耗低、效率高、易散热、功率容量大、环境适应能力强等优点，结合使用T/R组件，能够用于一维宽角相控扫描，因此在微波毫米波频段大功率、严酷环境下的应用更为普遍。
然而，常见加载圆极化器的圆极化波导缝隙线阵天线由于圆极化器的尺寸大，且没有加载隔离腔，因此用于一维宽角扫描时难以兼具低剖面、高效率、低损耗、高功率容量等优点，无法实现在不同波束指向的低轴比特性。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种兼具低剖面、高效率、低损耗、高功率容量优点，用作一维宽角扫描单元时在波束指向上具有低轴比特性的圆极化波导缝隙线阵天线。
本发明的技术解决方案为：
提供一种低轴比高效率可宽角扫描波导缝隙线阵天线，包括：金属壳体，在金属壳体上依次形成的辐射腔、卍字形变极化槽、耦合腔、线极化脊波导缝隙线阵，在辐射腔、卍字形变极化槽、耦合腔外部形成的隔离腔，以及线极化脊波导缝隙线阵馈电端设置的脊波导同轴变换段；
辐射腔及耦合腔为多个相同的矩形腔体；
卍字形变极化槽由相互正交、相同槽宽、相同厚度的两个Z字形金属槽构成；Z字形金属槽包括竖直槽和两个水平槽，两个水平槽分别位于竖直槽的两侧，在竖直槽末端垂直向相反的方向延伸；卍字形变极化槽在垂直方向上的投影位于辐射腔内部，几何中心在垂直方向的投影重合；
隔离腔为周期排列的回字形空腔，相邻的回字形空腔相通；
线极化脊波导缝隙线阵的每个纵向缝隙对应耦合腔的一个矩形腔体，每个纵向缝隙的几何中心上下交错偏离耦合腔的几何中心固定距离；
脊波导同轴变换段采用正交脊波导同轴变换。
优选的，隔离腔、辐射腔、卍字形变极化槽、耦合腔各自重复单元中心之间间距均为均为线极化脊波导缝隙线阵使用的脊波导的0.5倍波导波长。
优选的，所述隔离腔的顶面与辐射腔的顶面平行，厚度等于辐射腔、卍字形变极化槽、耦合腔的厚度总和；通过调节隔离腔的尺寸，从而改变天线的轴比。
优选的，通过调节辐射腔的尺寸，从而改变天线的辐射效率和驻波比。
优选的，当天线工作在左旋圆极化时，所述卍字形变极化槽由相互正交、相同槽宽、相同厚度的两个Z字形金属槽构成；Z字形金属槽包括竖直槽和两个水平槽，两个水平槽分别位于竖直槽的两侧，在竖直槽末端垂直延伸构成了Z字形金属槽。两个Z字形金属槽的竖直槽与线极化脊波导缝隙线阵纵向缝隙的夹角均为45度。
优选的，当天线工作在右旋圆极化时，所述卍字形变极化槽由相互正交、相同槽宽、相同厚度的两个反Z字形金属槽构成。反Z字形金属槽包括竖直槽和两个水平槽，两个水平槽位于竖直槽的两侧，在竖直槽末端垂直延伸，延伸方向与Z字形金属槽相反。两个反Z字形金属槽的竖直槽与线极化脊波导缝隙线阵纵向缝隙的夹角均为45度。
优选的，所述卍字形变极化槽的数量与辐射腔的数量相同，通过调节所述卍字形变极化槽的尺寸，从而改变天线的轴比。
优选的，所述线极化脊波导缝隙线阵采用脊波导纵向缝隙驻波阵的形式，通过改变纵向缝隙的尺寸和位置调节天线的工作频率和驻波比。
优选的，通过调整辐射腔、耦合腔、线极化脊波导缝隙线阵和脊波导同轴变换段的尺寸调节天线的驻波比。
同时提供一种波导缝隙相控阵天线，包括多个相控阵单元，采用所述低轴比高效率可宽角扫描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)本发明采用耦合腔和卍字形变极化槽构成卍字形圆极化器，加载在线极化脊波导缝隙线阵上，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，且不增加脊波导缝隙线阵的宽度，从而使得本发明适用作一维宽角扫描天线单元。
(2)本发明天线加载了周期排列的回字形隔离腔，克服了现有的圆极化波导缝隙线阵用于一维宽角扫描时难以始终保持低轴比的缺陷，进一步提高了天线宽角扫描工作时的效率。
附图说明
图1为本发明天线的剖视图。
图2为本发明天线内部空腔示意图。
图3为本发明天线左旋圆极化工作时的俯视图。
图4为本发明天线右旋圆极化工作时的俯视图。
图5为本发明天线一维组阵后的阵列天线俯视图。
图6为本发明天线一维组阵后的阵列天线后视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明公开了一种低轴比高效率可宽角扫描波导缝隙线阵天线，由隔离腔1、辐射腔2、卍字形变极化槽3、耦合腔4、线极化脊波导缝隙线阵5、脊波导同轴变换段6、金属壳体7组成。各部分先分层机械加工，然后层叠装配并真空焊接构成天线整体。
如图2所示，隔离腔1为周期排列的回字形空腔。回字形空腔加载在辐射腔2外，顶面与辐射腔2的顶面平行，数量与辐射腔2的数量相同，且两者几何中心在垂直方向上的投影也重合。相邻的回字形空腔相通，从而构成了矩形阵列填充的长条形空腔。填充的矩形阵列为金属基体，内部机械加工成辐射腔2、极化槽3、耦合腔4，矩形阵列的间距与相邻辐射腔2的间距相同，均为线极化脊波导缝隙线阵5使用的脊波导的0.5倍波导波长。隔离腔1的厚度等于辐射腔2、卍字形变极化槽3、耦合腔4的厚度总和，通过调节隔离腔1的尺寸，从而改变天线宽角扫描时的轴比。
辐射腔2为矩形空腔，加载在卍字形变极化槽3上，腔体的几何中心在垂直方向的投影与卍字形变极化槽3的圆周对称中心在垂直方向上的投影重合。通过调节辐射腔2的尺寸，从而改变天线的辐射效率和驻波比。为了加工方便，辐射腔2的四周可以倒圆角。
卍字形变极化槽3为金属槽，加载在耦合腔4上。如图2所示，当天线工作在左旋圆极化时，卍字形变极化槽3由相互正交、相同槽宽、相同厚度的两个Z字形金属槽构成；Z字形金属槽包括竖直槽和两个水平槽，两个水平槽分别位于竖直槽的两侧，在竖直槽末端垂直延伸构成了Z字形金属槽，延伸的方向与“Z”的延伸方向相同。两个Z字形金属槽的竖直槽与线极化脊波导缝隙线阵5纵向缝隙的夹角均为45度。
如图3所示，当天线工作在右旋圆极化时，所述卍字形变极化槽3由相互正交、相同槽宽、相同厚度的两个反Z字形金属槽构成。反Z字形金属槽包括竖直槽和两个水平槽，两个水平槽位于竖直槽的两侧，在竖直槽末端垂直延伸，延伸方向与Z字形金属槽相反。两个反Z字形金属槽的竖直槽与线极化脊波导缝隙线阵5纵向缝隙的夹角均为45度。
卍字形变极化槽3的数量与辐射腔2的数量相同，卍字形变极化槽3的圆周对称中心在垂直方向上的投影与辐射腔2的几何中心在垂直方向的投影重合。卍字形变极化槽3在垂直方向上的投影位于辐射腔2内部。通过调节槽的尺寸，从而改变调节天线的轴比。
耦合腔4为矩形空腔，加载在线极化脊波导缝隙线阵5上，腔体的形状、数量和尺寸与辐射腔2完全相同，辐射腔2腔体的几何中心与卍字形变极化槽3的圆周对称中心在垂直方向上的投影重合，且卍字形变极化槽3在垂直方向上的投影位于耦合腔4内部。
线极化脊波导缝隙线阵5采用脊波导纵向缝隙驻波阵的形式，相邻纵向缝隙的间距为脊波导的0.5倍波导波长，纵向缝隙的数量与耦合腔4的数量相同，纵向缝隙的几何中心上下交错偏离耦合腔4的几何中心固定距离，通过改变纵向缝隙的尺寸和位置可以调节天线的工作频率和驻波比。脊波导同轴变换段6采用正交脊波导同轴变换，50欧姆同轴探针穿过脊波导底部宽边通孔实现对脊波导的馈电。
隔离腔1、辐射腔2、卍字形变极化槽3、耦合腔4各自重复单元中心之间间距均为脊波导的0.5倍波导波长。通过调整辐射腔2、耦合腔4、线极化脊波导缝隙线阵5、脊波导同轴变换段6的尺寸调整天线的驻波比。
如图5和图6所示，在本实施例中，整个天线由8根相同长度的高效率圆极化波导缝隙线阵天线一维组阵构成。组阵后的阵列天线口面尺寸为65mm×54mm，高度为7mm。本实施例的天线工作指标如下：
频率：Ka频段；
极化：右旋圆极化；
轴比：≤2dB；
扫描角度：±60°；
驻波比：≤2.0；
增益值：≥19.7dB；
不同扫描角状态下，天线的增益值、轴比和口面效率如表1所示。
表1不同扫描角时天线的仿真增益值、轴比和口面效率
Figure BDA0002006397920000051
Figure BDA0002006397920000061
从上述实测结果可以看出，本发明在65mm×54mm的口面、7mm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70％，±60°扫描角时的口面效率高达28.8％。
本发明采用耦合腔和卍字形变极化槽构成卍字形圆极化器，通过线极化脊波导缝隙线阵对卍字形圆极化器进行馈电从而实现圆极化。结合使用辐射腔和隔离腔，从而在实现低剖面、圆极化的同时，提高天线的辐射效率，减小天线的交叉极化，使天线组阵后用于一维宽角扫描工作时能够始终保持低轴比特性。
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 (7)

1.一种低轴比高效率可宽角扫描波导缝隙线阵天线，其特征在于，包括：金属壳体(7)，在金属壳体(7)上依次形成的辐射腔(2)、卍字形变极化槽(3)、耦合腔(4)、线极化脊波导缝隙线阵(5)，在辐射腔(2)、卍字形变极化槽(3)、耦合腔(4)外部形成的隔离腔(1)，以及线极化脊波导缝隙线阵(5)馈电端设置的脊波导同轴变换段(6)；
辐射腔(2)及耦合腔(4)为多个相同的矩形腔体；
卍字形变极化槽(3)由相互正交、相同槽宽、相同厚度的两个Z字形金属槽构成；Z字形金属槽包括竖直槽和两个水平槽，两个水平槽分别位于竖直槽的两侧，在竖直槽末端垂直向相反的方向延伸；卍字形变极化槽(3)在垂直方向上的投影位于辐射腔(2)内部，几何中心在垂直方向的投影重合；
当天线工作在左旋圆极化时，所述卍字形变极化槽(3)由相互正交、相同槽宽、相同厚度的两个Z字形金属槽构成；Z字形金属槽包括竖直槽和两个水平槽，两个水平槽分别位于竖直槽的两侧，在竖直槽末端垂直延伸构成了Z字形金属槽， 两个Z字形金属槽的竖直槽与线极化脊波导缝隙线阵(5)纵向缝隙的夹角均为45度；
当天线工作在右旋圆极化时，所述卍字形变极化槽(3)由相互正交、相同槽宽、相同厚度的两个反Z字形金属槽构成。反Z字形金属槽包括竖直槽和两个水平槽，两个水平槽位于竖直槽的两侧，在竖直槽末端垂直延伸，延伸方向与Z字形金属槽相反。两个反Z字形金属槽的竖直槽与线极化脊波导缝隙线阵(5)纵向缝隙的夹角均为45度；
隔离腔(1)为周期排列的回字形空腔，相邻的回字形空腔相通；所述隔离腔(1)的顶面与辐射腔(2)的顶面平行，厚度等于辐射腔(2)、卍字形变极化槽(3)、耦合腔(4)的厚度总和；通过调节隔离腔(1)的尺寸，从而改变天线的轴比；
线极化脊波导缝隙线阵(5)的每个纵向缝隙对应耦合腔(4)的一个矩形腔体，每个纵向缝隙的几何中心上下交错偏离耦合腔(4)的几何中心固定距离；
脊波导同轴变换段(6)采用正交脊波导同轴变换。
2.根据权利要求1所述的低轴比高效率可宽角扫描波导缝隙线阵天线，其特征在于：隔离腔(1)、辐射腔(2)、卍字形变极化槽(3)、耦合腔(4)各自重复单元中心之间间距均为均为线极化脊波导缝隙线阵(5)使用的脊波导的0.5倍波导波长。
3.根据权利要求1所述的低轴比高效率可宽角扫描波导缝隙线阵天线，其特征在于：通过调节辐射腔(2)的尺寸，从而改变天线的辐射效率和驻波比。
4.根据权利要求1所述的低轴比高效率可宽角扫描波导缝隙线阵天线，其特征在于：所述卍字形变极化槽(3)的数量与辐射腔(2)的数量相同，通过调节所述卍字形变极化槽(3)的尺寸，从而改变天线的轴比。
5.根据权利要求1所述的低轴比高效率可宽角扫描波导缝隙线阵天线，其特征在于：所述线极化脊波导缝隙线阵(5)采用脊波导纵向缝隙驻波阵的形式，通过改变纵向缝隙的尺寸和位置调节天线的工作频率和驻波比。
6.根据权利要求1所述的低轴比高效率可宽角扫描波导缝隙线 阵天线，其特征在于：通过调整辐射腔(2)、耦合腔(4)、线极化脊波导缝隙线阵(5)和脊波导同轴变换段(6)的尺寸调节天线的驻波比。
7.一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1～6之一所述低轴比高效率可宽角扫描波导缝隙线阵天线实现。
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