CN110061348B - 一种应用于微波段的径向多波束间隙波导缝隙天线阵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于微波段的径向多波束间隙波导缝隙天线阵，包括：间隙波导径向馈电网络、缝隙天线阵列和“同轴‑间隙波导”转换结构三部分。本发明通过对底层馈电网络和顶层径向上每个缝隙子阵的设计，可实现任意个径向波束的生成，且每个波束的大小及指向单独可调，并基于该类天线的某种径向非对称的构造方式提出一种波束分裂现象。

Description

一种应用于微波段的径向多波束间隙波导缝隙天线阵

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其是一种应用于微波段的径向多波束间隙波导缝隙天线阵。

背景技术

间隙波导，是基于P.S.Kildal于1988年对人工软、硬表面的定义所提出的一种新型的低损耗传输线。该传输线分为三种类型：脊型间隙波导、微带间隙波导以及槽型间隙波导。间隙波导的场沿着金属脊、金属带或者金属槽传播，形成通带；通带两侧为人工磁导体结构或者电磁带隙结构构成的理想磁导体面，它们与上层理想电导体面结合形成了阻带，使波沿着认为设计的通带路径传播。这种波导结构的提出，最早是为了解决在超大矩形波导上获得均匀准瞬变电磁模式的相关问题。该结构可以由全金属构成，也可以由金属与印制电路板混合构成。由于间隙波导中的能量主要在空气间隙中传播，介质损耗可以忽略，因此损耗极低。与传统金属波导相比，其上下金属板不需要很高的电连接，加工简单、成本低，适合毫米波段高性能器件的应用。鉴于其优异的性能，已得到广泛关注和应用，且有广阔的发展前景。

将新型传输线与天线阵列集成，是降低馈电损耗、简化制造过程的一种有效手段。近年来，人们提出了一些基于脊型间隙波导和槽型间隙波导的缝隙天线阵列。为了实现良好匹配，不同传输线间的转换结构也被相应提出。然而，已发表的间隙波导缝隙天线的波束通常是单个的或者共面的。这种天线难以实现灵活的波束控制，无法满足多波束雷达系统跟踪、成像等现代微波通信系统的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种应用于微波段的径向多波束间隙波导缝隙天线阵，通过对底层馈电网络和顶层径向上每个缝隙子阵的设计，可实现任意个径向波束的生成，且每个波束的大小及指向单独可调。

为解决上述技术问题，本发明提供一种应用于微波段的径向多波束间隙波导缝隙天线阵，包括：间隙波导径向馈电网络、缝隙天线阵列和“同轴-间隙波导”转换结构三部分，其中，“同轴-间隙波导”转换结构位于间隙波导馈电网络的中心，缝隙天线阵列刻蚀在间隙波导馈电网络的顶层金属板上。

优选的，间隙波导径向馈电网络包括依次设置的圆形金属板、空气间隙、径向金属脊、电磁带隙结构以及圆形金属地板；分路个数N由沿圆的半径方向铺设的金属脊的个数决定；每个金属脊的两端均铺设不少于1排的电磁带隙结构单元，用于限制波的传播方向；脊型-间隙波导馈电网络用于传输“准-TEM”模；结构将波的传播限制在脊与顶层圆形金属板的空气间隙中，在其他方向和位置，波的传播被截止；馈电网络终端可进行开路处理、短路处理或使用匹配负载。

优选的，缝隙天线阵列由N个M_N×1的矩形或椭圆形的缝隙子阵沿N个脊的正上方径向分布，M_N对应不同的N可取任意非零正整数；每个缝隙单元与其正下方脊的夹角为α，α取0-180°，缝隙间距为sd_N，sd_N为正实数；缝隙的加工工艺为在顶层圆形金属板上直接刻蚀通孔；针对不同功能的需要，可通过修改缝隙排布方式，对每一个径向波束的大小和指向进行独立设计。

优选的，“同轴-间隙波导”转换结构由同轴探针、在同轴探针上特别加工的同心圆柱以及间隙波导馈电网络中心预留出的三角形谐振腔三部分构成；其中，同轴探针为从底层圆形金属地板下面伸出；在同轴探针上加工的同心圆柱的上表面在装配时要完全接触顶层圆形金属板的下表面；同心圆柱的高度与空气间隙的高度保持一致；同心圆柱也可被集成在顶层圆形金属板的下表面的特定位置，装配时再与同轴探针接触。

优选的，天线为全金属结构，材料为铝，除空气外不含其它填充物；工作于X波段(11GHz)；底层为1:3间隙波导径向馈电网络，网络终端使用金属挡板覆盖于上下两层圆形金属板之间，在接口处对上下两层圆形金属板边缘进行矩形处理，防止能量泄露；上层为3×4×1矩形缝隙天线阵列，沿方位角

分别为缝隙阵列S₁,S₂,S₃；“同轴-间隙波导”转换结构使用西安电子科技有限公司的射频同轴连接器，探针直径为1.27mm，其上加工的同心圆柱的尺寸为3.2mm(直径)×2mm(高)。

优选的，间隙波导径向馈电网络中顶层圆形金属板的半径为54mm(2倍自由空间波长)，厚度为1mm；空气间隙的高度为2mm；金属脊的尺寸为42.5mm(长)×5mm(宽)×6.5mm(高)，脊的起始位置距离中心的横向距离为11.5mm；电磁带隙结构的尺寸为3.5mm(长)×3.5mm(宽)×6.5mm(高)，该结构的周期长度为7mm；圆形金属地板的半径为54mm，厚度为1mm；网络终端金属挡板的厚度为1mm。

优选的，3×4×1矩形缝隙天线阵列可沿方位角

生成径向三波束；其中每个波束的大小和指向取决于缝隙线阵的缝隙单元间距sd_N，以及缝隙与其正下方脊的夹角α；每个波束的性能可以通过调整S₁,S₂,S₃进行单独设计；当天线工作在11GHz时，缝隙单元的长度为10mm。

优选的，4种不同的工作于11GHz的3×4×1矩形缝隙天线阵列结构的几何参数及对应各波束的性能如下：

所述4种径向三波束间隙波导3×4×1缝隙天线结构参数(mm)

h<sub>a</sub>	h<sub>p</sub>	h<sub>r</sub>	w<sub>r</sub>	dt	a	p	h<sub>d</sub>	r<sub>d</sub>
									2	6.5	6.5	5	4.5	3.5	7	2	1.6
l<sub>s</sub>	w<sub>s</sub>	sd<sub>1</sub>	sd<sub>2</sub>	sd<sub>3</sub>	ds	d<sub>r</sub>	h<sub>s</sub>	RD
									10	1	6	7	8	13.5	11.5	6.5	54

所述4种径向三波束间隙波导3×4×1缝隙天线的波束性能

优选的，天线4由子阵S₂在

方向沿θ＝+48°和-46°分别生成两个等大的波束；这一波束分裂现象是由子阵S₁,S₂,S₃所构造出的径向不对称边界条件所导致的；当缝隙与其正下方脊的夹角α＝30°时，缝隙对电流线的有效切割长度正好为缝隙长度的一半，且由于径向缝隙阵列的排布方式：S₂与S₁平行且与S₃垂直，因此S₁、S₃的辐射均不对S₂的辐射波束产生影响，子阵S₂可生成两个等大反向的波束。

优选的，天线为全金属结构，材料为铝，除空气外不含其它填充物；工作于X波段(11GHz)；底层为1:3间隙波导径向馈电网络，网络终端使用金属挡板覆盖于上下两层圆形金属板之间，在接口处对上下两层圆形金属板边缘进行矩形处理；上层矩形缝隙天线阵列，沿方位角

分别刻蚀缝隙阵列S₁,S₂,S₃，依次对应的矩形缝隙阵列组成为5×1，4×1，4×1；“同轴-间隙波导”转换结构使用西安电子科技有限公司的射频同轴连接器，探针直径为1.27mm，其上加工的同心圆柱的尺寸为3.2mm(直径)×2mm(高)。

优选的，2种不同的工作于11GHz的三波束矩形缝隙天线阵列结构的几何参数及对应各波束的性能如下：

所述2种径向三波束间隙波导缝隙天线结构参数(mm)

h<sub>a</sub>	h<sub>p</sub>	h<sub>r</sub>	w<sub>r</sub>	dt	a	p	h<sub>d</sub>	r<sub>d</sub>
									2	6.5	6.5	5	4.5	3.5	7	2	1.6
l<sub>s</sub>	w<sub>s</sub>	sd<sub>1</sub>	sd<sub>2</sub>	sd<sub>3</sub>	ds	d<sub>r</sub>	h<sub>s</sub>
									10	1	6	7	8	13.5	11.5	6.5

所述2种径向三波束间隙波导缝隙天线的波束性能

本发明的有益效果为：(1)本发明区别于传统的波导缝隙天线阵，可实现任意个径向波束的生成，尤其是一个以上的奇数个波束的生成；(2)通过对不同径向方向上的缝隙子阵的设计，可实现对单个波束大小和指向的独立调控；(3)包括一种“同轴-间隙波导”转换结构，在实际系统应用中便于集成；(4)全金属结构，应用于高频时无介质损耗，整体损耗小，加工简单，在微波频段便于实现，传统的车床工艺即可制作；(5)结构适用于包括微波段、毫米波段、太赫兹波段在内的多种频段，设计所在的频段越高，结构的低损耗效果越突出；(6)具有一定的功能拓展性，通过在天线顶层铺设超材料，可实现缩减天线RCS(雷达散射截面积)、提高天线增益、对天线引向等相关功能。

附图说明

图1为本发明天线的三维辐射方向示意图。

图2为本发明天线的结构示意图。

图3(a)为本发明的间隙波导馈电网络实物照片。

图3(b)为本发明所使用的电磁带隙结构单元的色散曲线。

图3(c)为本发明的馈电网络的电场及电流分布图。

图3(d)为本发明的馈电网络的散射曲线。

图4(a)为本发明6种不同径向三波束间隙波导缝隙天线的顶层缝隙阵列排布示意图。

图4(b)为本发明实际加工测试的3种天线的实物照片。

图5(a)为本发明天线1的散射曲线。

图5(b)为本发明天线1在11GHz频点处的辐射方向图。

图5(c)为本发明天线1的散射参数的仿真与实测结果对比图。

图5(d)为本发明天线1的辐射方向图的仿真与实测结果对比图。

图6(a)为本发明天线2的散射曲线。

图6(b)为本发明天线2在11GHz频点处的辐射方向图。

图7(a)为本发明天线3的散射曲线。

图7(b)为本发明天线3在11GHz频点处的辐射方向图。

图7(c)为本发明天线3的散射参数的仿真与实测结果对比。

图7(d)为本发明天线3的辐射方向图的仿真与实测结果对比。

图8(a)为本发明天线4的散射曲线。

图8(b)为本发明天线4在11GHz频点处的辐射方向图。

图8(c)为本发明天线4的散射参数的仿真与实测结果对比。

图8(d)为本发明天线4的辐射方向图的仿真与实测结果对比。

图8(e)为本发明天线4的阵列S₂辐射方向图的仿真与实测结果对比。

图8(f)为本发明天线4的阵列S₃辐射方向图的仿真与实测结果对比。

图9(a)为本发明天线5的散射曲线。

图9(b)为本发明天线5在11GHz频点处的辐射方向图。

图10(a)为本发明天线6的散射曲线。

图10(b)为本发明天线6在11GHz频点处的辐射方向图。

具体实施方式

如图2所示，一种应用于微波段的径向多波束间隙波导缝隙天线阵，包括：间隙波导径向馈电网络、缝隙天线阵列和“同轴-间隙波导”转换结构三部分。

其中，所述间隙波导径向1:N(N为非零正整数)馈电网络，包括依次设置的圆形金属板、空气间隙、径向金属脊、电磁带隙结构以及圆形金属地板。分路个数N由沿圆的半径方向铺设的金属脊的个数决定；每个金属脊的两端均铺设不少于1排的电磁带隙结构单元，用于限制波的传播方向；所述脊型-间隙波导馈电网络用于传输“准-TEM”模；所述结构将波的传播限制在脊与顶层圆形金属板的空气间隙中，在其他方向和位置波的传播被截止；馈电网络终端可进行开路处理、短路处理或使用匹配负载。

所述缝隙天线阵列，由N个M_N×1的矩形或椭圆形的缝隙线阵沿每个脊的正上方径向分布，M_N对应不同的N可取任意非零正整数；每个缝隙单元与其正下方脊的夹角为α(α取0-180°)，缝隙间距为sd_N(sd_N为正实数)；缝隙的加工工艺为在顶层圆形金属板上直接刻蚀通孔；针对不同功能的需要，可通过修改缝隙排布方式，对每一个径向波束的大小和指向进行独立设计。

所述“同轴-间隙波导”转换结构，由同轴探针、在同轴探针上特别加工的同心圆柱以及间隙波导馈电网络中心预留出的三角形谐振腔三部分构成。其中，同轴探针为从底层圆形金属地板下面伸出；在同轴探针上加工的同心圆柱的上表面在装配时要完全接触顶层圆形金属板的下表面；同心圆柱的高度与空气间隙的高度保持一致；空气间隙在所述天线的任意位置高度保持一致；同心圆柱也可被集成在顶层圆形金属板的下表面的特定位置，装配时再与同轴探针接触。

这里将在微波X波段具体实例化本发明所提到的径向多波束间隙波导缝隙天线。下面将会结合附图对本发明进行更深入的阐述。

本发明涉及一种径向三波束间隙波导缝隙天线阵，工作于X波段(11GHz)，缝隙长度设为10mm。其辐射方向图的示意图如图1(对应天线1)所示，三个径向波束沿方位角

依次由缝隙阵列S₁,S₂,S₃所生成。

所述天线的结构组成如图2所示：底层为1:3间隙波导径向馈电网络，网络终端使用金属挡板覆盖于上下两层圆形金属板之间，在接口处对上下两层圆形金属板边缘进行矩形处理，用于阻挡能量泄露；上层刻蚀3个径向的矩形缝隙天线子阵列，沿方位角

分别命名为缝隙阵列S₁,S₂,S₃。所述间隙波导径向馈电网络中顶层圆形金属板的半径为54mm(2倍自由空间波长)，厚度为1mm；所述底层圆形金属地板的半径为54mm，厚度为5mm，便于在底部集成同轴连接器；所述空气间隙的高度为2mm；所述金属脊的尺寸为42.5mm(长)×5mm(宽)×6.5mm(高)，脊的起始位置距离中心的横向距离为11.5mm；所述电磁带隙结构的尺寸为3.5mm(长)×3.5mm(宽)×6.5mm(高)，该结构的周期长度为7mm；所述网络终端金属挡板的厚度为1mm。所述“同轴-间隙波导”转换结构使用西安电子科技有限公司的射频同轴连接器，探针直径为1.27mm；在同轴探针上加工的同心圆柱，尺寸为3.2mm(直径)×2mm(高)。

图3(a)为所述天线1-5对应的底层间隙波导径向馈电网络的实物照片，所述天线为全金属结构，材料为铝，除空气外不含其它填充物；图3(b)为馈电网络中用于形成阻带的钉床式电磁带隙结构单元的色散曲线，由图可得，该单元经周期排列可形成的阻带范围为8.2-15.2GHz，带宽为7GHz(相对带宽63.6％)；图3(c)为图3(a)所示馈电网络的电场及电流分布：当TEM模式的波沿同轴传输线经同轴探针从地板向上辐射至天线中心时，能量在由电磁带隙结构、金属脊和上下两层圆形金属板所组成的类似三角形腔体中扩散开来；其中，一小部分能量在靠近脊的电磁带隙结构边缘处发生谐振，大部分能量在脊与顶层金属板的空气间隙中沿径向传播；由电流线的分布可知，电流在波传播的方向上最大，集中在脊的中央，因此当缝隙与脊的夹角成90°时可最大程度的切割电流线使之向外辐射；图3(d)为图3(a)所示馈电网络的散射曲线，可得通带为10.85-11.45GHz，带宽为0.6GHz。

图4(a)和图4(b)分别为上文中所述6种不同径向三波束间隙波导缝隙天线的模型图，和实际加工测试的3种上述天线(天线1、天线3、天线4)的实物图。其中，天线1-天线5的底层间隙波导馈电网络完全一致，上下两层圆形金属板的半径为54mm(2倍自由空间波长)；而天线6由于缝隙子阵列S₁的排布方式的需要，横向尺寸稍大一些，上下两层圆形金属板的半径为59.5mm(2.2倍自由空间波长)。天线1、天线2和天线3为对称三波束间隙波导缝隙天线；天线4、天线5和天线6为非对称三波束间隙波导缝隙天线。天线1、天线2、天线3和天线4为3×4×1矩形缝隙天线阵列；天线5和天线6的矩形缝隙天线阵列S₁,S₂,S₃，依次对应的矩形缝隙阵列组成为5×1，4×1，4×1。与天线5相比，天线6的缝隙间距由6mm改为10mm，缝隙间距的增大弱化了缝隙间的耦合，因此由增加一个缝隙所导致的波束S₁与另外两个径向波束S₂、S₃的区别由峰值增益的增加变成波束指向的变化。上述6种天线的参数及性能如下所示：表1所述4种径向三波束间隙波导3×4×1缝隙天线结构参数(mm)

h<sub>a</sub>	h<sub>p</sub>	h<sub>r</sub>	w<sub>r</sub>	dt	a	p	h<sub>d</sub>	r<sub>d</sub>
									2	6.5	6.5	5	4.5	3.5	7	2	1.6
l<sub>s</sub>	w<sub>s</sub>	sd<sub>1</sub>	sd<sub>2</sub>	sd<sub>3</sub>	ds	d<sub>r</sub>	h<sub>s</sub>	RD<sub>1-4</sub>
									10	1	6	7	8	13.5	11.5	6.5	54

表2所述4种径向三波束间隙波导3×4×1缝隙天线的波束性能

表3所述2种径向三波束间隙波导缝隙天线结构参数(mm)

h<sub>a</sub>	h<sub>p</sub>	h<sub>r</sub>	w<sub>r</sub>	dt	a	p	h<sub>d</sub>	r<sub>d</sub>
									2	6.5	6.5	5	4.5	3.5	7	2	1.6
l<sub>s</sub>	w<sub>s</sub>	sd<sub>5</sub>	sd<sub>6</sub>	ds	d<sub>r</sub>	h<sub>s</sub>	RD<sub>5</sub>	RD<sub>6</sub>
									10	1	6	10	13.5	11.5	6.5	54	59.5

表4所述2种径向三波束间隙波导缝隙天线的波束性能

图5(a)、图5(b)、图5(c)和图5(d)为图4中天线1的散射特性及辐射特性曲线，附有测试与全波仿真的结果对比。天线1的散射特性如图5(a)所示，与图3(d)相比，阻抗带宽(_S11<-10dB)缩减了0.05GHz，变为10.75-11.3GHz。天线1在11GHz的辐射特性如图5(b)所示，三个波束分别沿沿方位角

依次由缝隙阵列S₁,S₂,S₃径向生成；三个波束均指向俯仰角θ＝51°，峰值增益为8dBi。加工的天线1的实物图如图4(a)和(d)所示，所述天线由顶层缝隙阵列和底层间隙波导馈电网络两层结构组成；空气间隙由对称的三个塑料螺钉及垫片组装形成；同轴探针从底层中央穿过，由标准M2螺钉固定于地板底部；为方便加工及组装，将所述天线“同轴-间隙波导”转换结构中设计加工在同轴探针上方的同心圆柱结构，改为加工在顶层圆形金属板的底层中央，在后期组装时再用同轴金属探针接触该结构的中心来等效。测试及全波仿真(HFSS15.0)结果对比如图5(c)和图5(d)所示。相比仿真结果，测试结果的阻抗带宽更宽；这一结果一方面要归功于实物中使用的同轴连接器的优良特性，另一方面可能是因为实物在加工时将矩形缝隙的边缘做了弧度处理，使整体结构的匹配更好。需要说明的是，该图中的仿真结果来自按照加工实物修正后的参数模型(考虑组装部分)，与图5(a)和图5(b)略有不同。

图6(a)和图6(b)为图4(a)中天线2的散射特性及辐射特性曲线。天线2的散射参数S₁₁如图6(a)所示，阻抗带宽(_S11<-10dB)为10.65-11.2GHz。天线2在11GHz的辐射特性如图6(b)所示，三个波束分别沿沿方位角

依次由缝隙阵列S₁,S₂,S₃径向生成；三个波束均指向俯仰角θ＝50°，峰值增益为7.3dBi。

图7(a)、图7(b)、图7(c)和图7(d)为图4(a)中天线3的散射特性及辐射特性曲线，附有测试与全波仿真的结果对比。天线3的散射参数如图7(a)所示，阻抗带宽(_S11<-10dB)为10.8-11.4GHz。天线3在11GHz的辐射特性如图7(b)所示，三个波束分别沿沿方位角

依次由缝隙阵列S₁,S₂,S₃径向生成；三个波束均指向俯仰角θ＝44°，峰值增益为6.6dBi。加工的天线3的实物图如图4(b)和(d)所示，所述天线由顶层缝隙阵列和底层间隙波导馈电网络两层结构组成；空气间隙由对称的三个塑料螺钉及垫片组装形成；同轴探针从底层中央穿过，由标准M2螺钉固定于地板底部；为方便加工及组装，将所述天线“同轴-间隙波导”转换结构中设计加工在同轴探针上方的同心圆柱结构，改为加工在顶层圆形金属板的底层中央，在后期组装时再用同轴金属探针接触该结构的中心来等效。测试及全波仿真(HFSS15.0)结果对比如图7(c)和图7(d)所示，相比仿真结果，测试结果的阻抗带宽更宽；这一结果一方面要归功于实物中使用的同轴连接器的优良特性，另一方面可能是因为实物在加工时将矩形缝隙的边缘做了弧度处理，使整体结构的匹配更好。需要说明的是，该图中的仿真结果来自按照加工实物修正后的参数模型(考虑组装部分)，与图7(a)和图7(b)略有不同。

图8(a)-(f)为图4(a)中天线4的散射特性及辐射特性曲线，附有测试与全波仿真的结果对比。天线4的散射参数如图8(a)所示，阻抗带宽(_S11<-10dB)为10.75-11.3GHz。天线4在11GHz的辐射特性如图8(b)所示，三个波束分别沿沿方位角

依次由缝隙阵列S₁,S₂,S₃径向生成；三个波束分别指向俯仰角θ＝47°,48°/-46°,50°；峰值增益依次为8.5dBi,5dBi/5dBi,7dBi。加工的天线3的实物图如图4(c)和(d)所示，所述天线由顶层缝隙阵列和底层间隙波导馈电网络两层结构组成；空气间隙由对称的三个塑料螺钉及垫片组装形成；同轴探针从底层中央穿过，由标准M2螺钉固定于地板底部；为方便加工及组装，将所述天线“同轴-间隙波导”转换结构中设计加工在同轴探针上方的同心圆柱结构，改为加工在顶层圆形金属板的底层中央，在后期组装时再用同轴金属探针接触该结构的中心来等效。由于天线4为径向非对称天线，三个波束的大小和指向均不同，因此每个波束的辐射性能被单独给出：其测试及全波仿真(HFSS15.0)结果对比如图8(c)-(f)所示。相比仿真结果，测试结果的阻抗带宽更宽；这一结果一方面要归功于实物中使用的同轴连接器的优良特性，另一方面可能是因为实物在加工时将矩形缝隙的边缘做了弧度处理，使整体结构的匹配更好。需要说明的是，该图中的仿真结果来自按照加工实物修正后的参数模型(考虑组装部分)，与图8(a)和图8(b)略有不同。

图9(a)和图9(b)为图4(a)中天线5的散射特性及辐射特性曲线。天线5的散射参数如图9(a)所示，阻抗带宽(S₁₁<-10dB)为10.7-11.4GHz。天线5在11GHz的辐射特性如图9(b)所示，三个波束分别沿沿方位角

依次由缝隙阵列S₁,S₂,S₃径向生成；三个波束分别指向俯仰角θ＝53°,46°,46°；峰值增益依次为9dBi,6.2dBi,6.2dBi。

图10(a)和图10(b)为图4(a)中天线6的散射特性及辐射特性曲线。天线6的散射参数如图10(a)所示，阻抗带宽(_S11<-10dB)为10.8-11.15GHz。天线6在11GHz的辐射特性如图10(b)所示，三个波束分别沿沿方位角

依次由缝隙阵列S₁,S₂,S₃径向生成；三个波束分别指向俯仰角θ＝70°,54°,54°；峰值增益依次为6.65dBi,6.7dBi,6.7dBi。

本发明是基于间隙波导。结构简单，设计非常方便。理论上，通过在二维平面上搭建间隙波导径向馈电网络，可实现任意个径向波束的生成。结合对顶层金属板径向方向上刻蚀缝隙子阵列的一体化设计，可实现对每个径向波束大小和指向的独立调控。当顶层刻蚀的缝隙子阵列呈径向非对称时，与脊成α＝30°夹角的缝隙子阵列所对应的波束会发生波束分离现象，沿θ的正、负两个方向生成两个等大的波束。在微波段采用常规的车床制作工艺，加工简单。所述天线为全金属设计，损耗小、传输效率高，尤其适用于毫米波等高频段一体化集成天线设计。通过在所述天线顶层合理铺设超材料结构，也可用于提高天线增益、缩减目标的雷达散射截面等应用。

Claims (9)

1.一种应用于微波段的径向多波束间隙波导缝隙天线阵，其特征在于，包括：间隙波导径向馈电网络、缝隙天线阵列和“同轴-间隙波导”转换结构三部分，其中，“同轴-间隙波导”转换结构位于间隙波导馈电网络的中心，缝隙天线阵列刻蚀在间隙波导馈电网络的顶层金属板上；

间隙波导径向馈电网络包括依次设置的圆形金属板、空气间隙、径向金属脊、电磁带隙结构以及圆形金属地板；分路个数N由沿圆的半径方向铺设的金属脊的个数决定；每个金属脊的两端均铺设不少于1排的电磁带隙结构单元，用于限制波的传播方向，金属脊的两端是指垂直于脊延伸的方向；脊型-间隙波导馈电网络用于传输“准-TEM”模；结构将波的传播限制在脊与顶层圆形金属板的空气间隙中，在其他方向和位置，波的传播被截止；

缝隙天线阵列由矩形或椭圆形的缝隙子阵沿每个脊的正上方径向分布；

“同轴-间隙波导”转换结构由同轴探针、在同轴探针上特别加工的同心圆柱以及间隙波导馈电网络中心预留出的三角形谐振腔三部分构成；其中，同轴探针为从底层圆形金属地板下面伸出；在同轴探针上加工的同心圆柱的上表面在装配时要完全接触顶层圆形金属板的下表面；同心圆柱的高度与空气间隙的高度保持一致；同心圆柱也可被集成在顶层圆形金属板的下表面的特定位置，装配时再与同轴探针接触。

2.如权利要求1所述的应用于微波段的径向多波束间隙波导缝隙天线阵，其特征在于，馈电网络终端可进行开路处理、短路处理或使用匹配负载。

3.如权利要求1所述的应用于微波段的径向多波束间隙波导缝隙天线阵，其特征在于，缝隙天线阵列由N个M_N×1的矩形或椭圆形的缝隙子阵沿N个脊的正上方径向分布，M_N对应不同的N可取任意非零正整数；每个缝隙单元与其正下方脊的夹角为α，α取0-180°，缝隙间距为sd_N，sd_N为正实数；缝隙的加工工艺为在顶层圆形金属板上直接刻蚀通孔；针对不同功能的需要，可通过修改缝隙排布方式，对每一个径向波束的大小和指向进行独立设计。

4.如权利要求1所述的应用于微波段的径向多波束间隙波导缝隙天线阵，其特征在于，天线为全金属结构，材料为铝，除空气外不含其它填充物；工作于X波段；底层为1:3间隙波导径向馈电网络，网络终端使用金属挡板覆盖于上下两层圆形金属板之间，在接口处对上下两层圆形金属板边缘进行矩形处理；上层为3×4×1矩形缝隙天线阵列，沿方位角

分别为缝隙阵列S₁,S₂,S₃；“同轴-间隙波导”转换结构使用射频同轴连接器，探针直径为1.27mm，其上加工的同心圆柱的尺寸为直径3.2mm×高2mm。

5.如权利要求4所述的应用于微波段的径向多波束间隙波导缝隙天线阵，其特征在于，间隙波导径向馈电网络中顶层圆形金属板的半径为54mm，厚度为1mm；空气间隙的高度为2mm；金属脊的尺寸为长42.5mm×宽5mm×高6.5mm，脊的起始位置距离中心的横向距离为11.5mm；电磁带隙结构的尺寸为长3.5mm×宽3.5mm×高6.5mm，该结构的周期长度为7mm；圆形金属地板的半径为54mm，厚度为1mm；网络终端金属挡板的厚度为1mm。

6.如权利要求4所述的应用于微波段的径向多波束间隙波导缝隙天线阵，其特征在于，3×4×1矩形缝隙天线阵列可沿方位角

生成径向三波束；其中每个波束的大小和指向取决于缝隙线阵的缝隙单元间距sd_N，以及缝隙与其正下方脊的夹角α；每个波束的性能可以通过调整S₁,S₂,S₃进行单独设计；当天线工作在11GHz时，缝隙单元的长度为10mm。

7.如权利要求4所述的应用于微波段的径向多波束间隙波导缝隙天线阵，其特征在于，4种不同的工作于11GHz的3×4×1矩形缝隙天线阵列结构的几何参数及对应各波束的性能如下：

所述4种径向三波束间隙波导3×4×1缝隙天线结构参数

h_a h_p h_r w_r dt a p h_d r_d 2 6.5 6.5 5 4.5 3.5 7 2 1.6 l_s w_s sd₁ sd₂ sd₃ ds d_r h_s RD 10 1 6 7 8 13.5 11.5 6.5 54

其中，缝隙天线结构参数的单位都为mm；

所述4种径向三波束间隙波导3×4×1缝隙天线的波束性能

其中，缝隙间距的单位为mm。

8.如权利要求1所述的应用于微波段的径向多波束间隙波导缝隙天线阵，其特征在于，天线为全金属结构，材料为铝，除空气外不含其它填充物；工作于X波段；底层为1:3间隙波导径向馈电网络，网络终端使用金属挡板覆盖于上下两层圆形金属板之间，在接口处对上下两层圆形金属板边缘进行矩形处理；上层矩形缝隙天线阵列，沿方位角

分别刻蚀缝隙阵列S₁,S₂,S₃，依次对应的矩形缝隙阵列组成为5×1，4×1，4×1；“同轴-间隙波导”转换结构使用射频同轴连接器，探针直径为1.27mm，其上加工的同心圆柱的尺寸为直径3.2mm×高2mm。

9.如权利要求8所述的应用于微波段的径向多波束间隙波导缝隙天线阵，其特征在于，2种不同的工作于11GHz的三波束矩形缝隙天线阵列结构的几何参数及对应各波束的性能如下：

所述2种径向三波束间隙波导缝隙天线结构参数

h_a h_p h_r w_r dt a p h_d r_d 2 6.5 6.5 5 4.5 3.5 7 2 1.6 l_s w_s sd₁ sd₂ sd₃ ds d_r h_s 10 1 6 7 8 13.5 11.5 6.5

其中，缝隙天线结构参数的单位都为mm；

所述2种径向三波束间隙波导缝隙天线的波束性能

其中，缝隙间距和天线横向尺寸的单位都为mm。

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