CN111293439A - 一种毫米波低副瓣波导缝隙阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种毫米波低副瓣波导缝隙阵列天线，包括依次设置的辐射波导层、耦合波导层、功分器波导层、盖板，其中辐射波导层上设置多个辐射波导腔体，每个辐射波导腔体内设置若干辐射缝隙；所述耦合波导层上设置多个耦合波导腔体，每个耦合波导腔体内设置若干耦合缝隙；所述功分器波导层上设置输出端口、输入端口和T型结功分器；所述盖板上设置波导法兰。本发明简化了辐射波导腔体和耦合波导腔体电气参数设计，提高了天线的抗干扰性能。

Description

一种毫米波低副瓣波导缝隙阵列天线
技术领域
本发明属于雷达领域，特别涉及一种毫米波低副瓣波导缝隙阵列天线。
背景技术
波导缝隙天线具有低剖面、重量轻、效率高、易组阵、体积小的特点，在雷达系统实现了广泛的应用。但是随着脉冲多普勒雷达的发展，对雷达的抗干扰性能也提出更高的要求，需要波导缝隙天线具有低副瓣性能。
现有的毫米波低副瓣波导缝隙阵列天线，天线每个部分均为薄壁件，采用真空钎焊技术实现结构成型。钎焊时温度和钎料需要精确控制，钎料溢出导致波导内腔形成金属堆积，钎料不足形成虚焊，天线容易变形，从而影响天线口面的幅度和相位，导致天线副瓣抬升。焊接成型后难以对波导内腔做三防处理，真空钎焊成本高，良品率低。此外，毫米波低副瓣波导缝隙阵列天线，其电气设计过程也存在问题：
1、由于辐射口面幅度相位控制，辐射缝隙之间存在两种互耦形式，即辐射波导腔体内部空间互耦和外部自由空间的耦合，使得缝隙参数的设计选取与缝隙孤立存在的情况差别较大，每个辐射缝隙的缝长、偏置均需要优化设计。
2、由于耦合波导腔体内部的功率分配(子阵内部功率分配)，对于大型波导缝隙阵列，每个耦合缝隙的缝长、倾角均需要优化设计。以上两点导致阵列天线优化参数多，口面的幅度相位难以按要求进行设计，设计时间较长。
3、功分器波导腔体功率分配及端口匹配(非标波导到标准波导装换)，采用T型结功分器实现，非标波导到标准波导转换设计时采用多节阻抗变换器实现匹配，多节阻抗变换器使天线俯仰方向尺寸较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种毫米波低副瓣波导缝隙阵列天线。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种毫米波低副瓣波导缝隙阵列天线，包括依次设置的辐射波导层、耦合波导层、功分器波导层、盖板，其中辐射波导层上设置多个辐射波导腔体，每个辐射波导腔体内设置若干辐射缝隙；所述耦合波导层上设置多个耦合波导腔体，每个耦合波导腔体内设置若干耦合缝隙；所述功分器波导层上设置输出端口、输入端口和T型结功分器；所述盖板上设置波导法兰。
进一步的，所述辐射波导腔体为全高波导。
更进一步的，所述辐射波导腔体的设计方法为：保持辐射缝隙相对波导中心的位置不变，调整辐射缝隙的长度，实现口面的相位匹配，调整波导宽边和单元间距，保证相邻波导间壁厚大于2mm。
进一步的，所述耦合波导腔体为全高波导。
更进一步的，所述耦合波导腔体的设计方法为：保持耦合缝隙的长度不变，调整改变耦合缝隙的倾角，控制耦合到辐射波导腔体的能量，实现要求的幅度分布。
进一步的，所述T型结功分器的设计方法为：调节各路T型结功分器膜片尺寸，实现不同功率的分配对耦合波导馈电，调节各路长度实现等相分布。
进一步的，所述辐射波导层、耦合波导层、功分器波导层、盖板通过螺钉连接。
进一步的，所述辐射波导层上辐射波导腔体的个数由方位波束宽度确定，每个辐射波导腔体的辐射缝隙数量由俯仰波束宽度确定。
进一步的，所述耦合波导层上耦合波导腔体的个数由工作带宽确定。
本发明与现有技术相比，其显著特点是：1)阵列天线合理分层，加工时不易变形，采用螺钉连接成型，无需焊接，成本低、良品率高；2)辐射波导腔体和耦合波导腔体采用全高波导，容差能力较强，优化设计参数少；3)功分器波导腔体结构形式简单，易于加工实现；4)机械加工成型后，天线无需再做焊接处理，天线口面的平面度高，缝隙长度变形小，口面相位改变小，抗干扰性能好。
附图说明
图1是本发明毫米波低副瓣波导缝隙阵列天线的分层结构示意图。
图2是本发明阵列天线辐射波导腔体的局部示意图。
图3是本发明阵列天线耦合波导腔体的局部示意图。
图4是本发明阵列天线功分器波导腔体的局部示意图。
图5是本发明阵列天线盖板的局部示意图。
图6是本发明毫米波低副瓣波导缝隙阵列天线的中心频点方位方向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。
一种毫米波低副瓣波导缝隙阵列天线，包括依次设置的辐射波导层(1)、耦合波导层(2)、功分器波导层(3)、盖板(4)，其中辐射波导层(1)上设置多个辐射波导腔体，每个辐射波导腔体内设置若干辐射缝隙；所述耦合波导层(2)上设置多个耦合波导腔体，每个耦合波导腔体内设置若干耦合缝隙；所述功分器波导层(3)上设置输出端口、输入端口和T型结功分器；所述盖板(4)上设置波导法兰。
所述辐射波导层(1)、耦合波导层(2)、功分器波导层(3)、盖板(4)通过螺钉连接，螺钉位置的选择应该避免经过各层波导内腔。
假设辐射波导层(1)的方位面有M个辐射波导腔体，每个辐射波导腔体有N个辐射缝隙，即天线俯仰面有N个单元，则M和N由方位、俯仰波束宽度分别确定。假设耦合波导层(2)方位面分成Q个子阵，即Q个耦合波导腔体，每个耦合波导腔体内有若干耦合缝隙分别对辐射波导馈电，则Q由工作带宽确定。
所述辐射波导腔体为全高波导，辐射波导腔体的设计方法为：保持辐射缝隙相对波导中心的位置不变，调整辐射缝隙的长度实现口面的相位匹配，同时选择合理的波导宽边和单元间距保证相邻波导间壁厚大于2mm，从而保证加工时不易变形，具有一定强度。
所述耦合波导腔体为全高波导，耦合波导腔体的设计方法为：保持耦合缝隙的长度不变，调整改变耦合缝隙的倾角，控制耦合到辐射波导腔体的能量，实现一定的幅度分布。
所述T型结功分器的设计方法为：调节各路T型结功分器膜片尺寸，实现不同功率的分配对耦合波导馈电，调节各路长度实现等相分布。
所述功分器波导层的输入端口和输出端口为非标波导，所述波导法兰为标准波导法兰，本发明通过不等宽边波导T型结实现非标波导宽边到标准波导宽边的过渡，通过直角弯实现非标波导窄边到标准波导窄边的过渡，最终实现非标波导到标准波导法兰的过渡。
本发明将阵列天线合理分层，使加工时不易变形，采用螺钉连接成型，无需焊接，成本低、良品率高。本发明采用全高波导，全高波导相比半高波导(波导窄边为宽边的四分之一)，容差能力较强，即加工误差带来的口面幅相误差比半高波导小，同时辐射缝隙相对波导中心的位置保持不变，耦合缝隙的长度保持不变，而半高波导则需对位置和长度进行微调，优化设计时间长。本发明设计的非标波导到标准波导过渡转换，结构形式简单，易于加工实现。本发明机械加工成型后，天线无需再做焊接处理，天线口面的平面度高，缝隙长度变形小，随之带来的口面相位改变小，最终实现阵列天线低副瓣性能。
实施例
为了验证本发明方案的有效性，进行如下仿真实验，设计工作频段为Ka波段，工作频率为f0±300MHz，副瓣电平为-26dB的波导缝隙阵列天线。考虑到设计及加工误差，一般留有7-10dB的副瓣余量，按-35dB的泰勒加权得到口面的幅度分布。
本实施例中，毫米波低副瓣波导缝隙阵列天线，辐射波导层方位面有76个辐射波导腔体组成，每个辐射波导腔体有2个辐射缝隙，即天线俯仰面有2个单元。耦合波导层方位面分成16个子阵，即16个耦合波导腔体，每个耦合波导腔体内有若干耦合缝隙，分别对辐射波导馈电。每个耦合波导由T型结功分网络实现馈电。
为使波束不出现栅瓣，天线单元间距d0应满足：
Figure BDA0002344235320000041
λmin为最小工作波长，θ0为波束扫描角。为使天线获得尽可能大的增益并满足不出现栅瓣的条件，单元间距取d0＝0.85＊λmin。由76个辐射波导单元按间距d0在方位面组成直线阵，实现方位面1°的波束宽度，俯仰方向有两个单元，间距d1＝0.85*λmin，实现30°的波束宽度。76个辐射波导分成16组，每组辐射波导单元数分别为6,6,6,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,6,6,6。
辐射波导腔体为全高波导，满足宽边a为窄边b的两倍，辐射缝隙壁厚为0.6mm，缝隙宽度为0.6mm，相邻辐射波导腔体壁厚为2.2mm。每个辐射波导有两个辐射缝隙，偏离辐射波导宽边中心的间距p均相等，满足p＝0.2*a，实现辐射波导阻抗匹配。缝隙长度lf略大于0.5*λmin，通过微调缝隙长度实现口面相位一致。
耦合波导腔体为全高波导，宽边为a，窄边为0.5*a，与辐射波导腔体尺寸一致。耦合缝隙壁厚为0.6mm，缝隙宽度为0.8mm。所有耦合缝隙长度lo均相等，略大于0.5*λmin。耦合缝隙倾角θ不等，根据口面幅度分布调整耦合缝隙倾角θ。由于只需优化辐射缝隙缝长、耦合缝隙倾角，优化参数减半，设计时间缩短50％以上。
功分器波导腔体为全高波导，有16个输出端口，各端口宽边为a，窄边为b，与辐射波导腔体尺寸一致。有一个输入端口，宽边为a0，窄边为b。由1分2不等宽边波导T型结功分器实现非标波导宽边a到标准波导宽边a0过渡。由直角弯实现非标波导窄边b到标准波导窄边b0的过渡。该过渡结构形式简单，易于加工实现。
盖板上有标准波导BJ400法兰，为馈电输入口，宽边为a0，窄边为b0。
辐射波导腔体、耦合波导腔体、功分器波导腔体、盖板通过螺钉连接，螺钉位置避免经过各层腔体。
对上述天线进行仿真实验，如图6所示，可以看出，全频段600MHz带宽内方位副瓣电平小于-26dB，适用于毫米波雷达抗干扰低副瓣天线。

Claims (9)

1.一种毫米波低副瓣波导缝隙阵列天线，其特征在于，包括依次设置的辐射波导层（1）、耦合波导层（2）、功分器波导层（3）、盖板（4），其中辐射波导层（1）上设置多个辐射波导腔体，每个辐射波导腔体内设置若干辐射缝隙；所述耦合波导层（2）上设置多个耦合波导腔体，每个耦合波导腔体内设置若干耦合缝隙；所述功分器波导层（3）上设置输出端口、输入端口和T型结功分器；所述盖板（4）上设置波导法兰。
2.根据权利要求1所述的毫米波低副瓣波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述辐射波导腔体为全高波导。
3.根据权利要求2所述的毫米波低副瓣波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述辐射波导腔体的设计方法为：保持辐射缝隙相对波导中心的位置不变，调整辐射缝隙的长度，实现口面的相位匹配，调整波导宽边和单元间距，保证相邻波导间壁厚大于2mm。
4.根据权利要求1所述的毫米波低副瓣波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述耦合波导腔体为全高波导。
5.根据权利要求4所述的毫米波低副瓣波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述耦合波导腔体的设计方法为：保持耦合缝隙的长度不变，调整改变耦合缝隙的倾角，控制耦合到辐射波导腔体的能量，实现要求的幅度分布。
6.根据权利要求1所述的毫米波低副瓣波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述T型结功分器的设计方法为：调节各路T型结功分器膜片尺寸，实现不同功率的分配对耦合波导馈电，调节各路长度实现等相分布。
7.根据权利要求1所述的毫米波低副瓣波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述辐射波导层（1）、耦合波导层（2）、功分器波导层（3）、盖板（4）通过螺钉连接。
8.根据权利要求1所述的毫米波低副瓣波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述辐射波导层（1）上辐射波导腔体的个数由方位波束宽度确定，每个辐射波导腔体的辐射缝隙数量由俯仰波束宽度确定。
9.根据权利要求1所述的毫米波低副瓣波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述耦合波导层（2）上耦合波导腔体的个数由工作带宽确定。
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