CN111799561B - 基于改进的“h”形波导缝隙l形天线及其阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于改进的“H”形波导缝隙L形天线，包括一对“蝶”形波导缝隙，一对纵向波导细缝、“蝶”形缝隙馈电波导、纵向缝隙馈电波导、“L”形波导功分器、连接器插孔、顶板、中间层壳体和底部壳体，该“蝶”形波导缝隙包括一对相同的“H”形缝隙。一对“蝶”形波导缝隙位于“L”形天线长臂一端，一对纵向波导细缝位于“L”形天线短臂一端。一对纵向波导细缝天线基于改进的“H”形波导缝隙结构在波导宽边上实现水平极化，进而与纵向缝隙波导组合实现了单极化L形天线。本发明L形天线能够组合成不规则平面阵列天线，所使用的L形天线共有8种形态，各形态性能都不相同，增强了阵列随机性，可以有效抑制阵列的扫描栅瓣。

Description

基于改进的“H”形波导缝隙L形天线及其阵列

技术领域

本发明属于阵列天线技术领域，具体涉及不规则阵列技术中的基于改进的“H”形波导缝隙L形天线及其阵列，可应用于大型有源相控阵雷达。

背景技术

不规则阵列技术是一类大型有源相控阵雷达通道稀疏的解决方案。常用的通道稀疏化的方法有：有限视场扫描、稀疏阵、子阵级馈电、不规则子阵等。有限视场扫描方法是通过增大天线单元间的间距减少有源通道数量却牺牲了天线阵的扫描能力，应用范围窄；稀疏阵则是通过将天线单元进行一定比例稀疏减少有源通道，可以有效抑制扫描栅瓣，但是设计难度大，且稀疏后的天线阵装配难度大，不利于工程实现；子阵级馈电可有效减少有源通道数，但阵列周期性仍然较强，扫描栅瓣电平较高，导致雷达系统性能下降；运用不规则子阵打破阵列周期性，可实现稀疏有源通道，抑制扫描栅瓣，同时兼顾雷达系统性能与工程实现，其中L形子阵天线具有一定的应用基础。

使用L形子阵组阵，天线馈电位置形成随机分布，可以有效抑制因减少有源通道数量引入的扫描栅瓣问题。

例如，孙立春、侯田、张洪涛等人提出的“一种L形子阵运用方法”(申请日：2016.01.15，授权公告号：CN 105490033 B)中，4个L形子阵可以组成的正方形天线子阵模块并拼接成天线阵，正方形天线子阵模块有10种拼接方法，结合L形子阵相位中心的选择方式，可以得到相位中心分布随机性很高的阵列天线，可以大大的削弱阵列天线方向图栅瓣。

例如，孙立春、侯田、朱庆超等人提出了“一种基于多点预判的L形子阵组阵方法及天线阵”(申请日：2017.06.23，授权公告号：CN 107331975 B)，运用L形子阵的附属点与下n步待填充点组成的预判点集判断当前填充的L形子阵状态是否合适的方法，组成随机性很强二维平面相控阵，有效抑制了方向图栅瓣。

然而，L形子阵的不规则也带来工程实现上的难题。L形子阵实则为多个天线单元通过功分器级联形成一个L形的天线子阵，天线子阵内各天线单元需要是相同极化才能实现方向图合成。不难发现L形子阵两臂成直角关系，而天线极化要求天线单元保持相同的方向图，二者形成的矛盾限制了天线设计自由度。工程实现时，可以选择使用微带功分器与天线单元形成垂直互联结构的方式实现，不过这种实现方法需要使用多层板结构，实现难度较大，稳定性也不高。金属波导工艺成熟，性能稳定，由波导馈电的波导缝隙天线无需功分器即可工作，故可使用波导缝隙天线实现L形天线。

波导缝隙天线是一种广泛应用于雷达和通信系统的天线形式。波导缝隙天线常用的是波导宽边纵向细缝和窄边开倾斜缝隙。系统应用中常以波导管方向为水平方向，波导宽边纵向缝隙实现垂直极化辐射，窄边开倾斜缝隙实现水平极化辐射。一些改进的设计如波导窄边开直缝、脊波导加脊边开“八”字缝隙均视为波导窄边实现水平极化的形式。L形子两臂相互垂直，须在L形一臂上使用垂直极化缝隙，另一臂使用水平极化缝隙，方可使天线进行方向图合成。由于窄边水平极化缝隙周围需要开放空间，在集成时，宽边纵向细缝的位置要低于水平极化缝隙，使得水平极化缝隙波导与垂直极化缝隙波导之间存在高度差，不利于使用波导进行公分馈电，影响了L形天线的结构实现。如何在波导宽边开缝隙实现水平极化成为了需要解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术上的不足，提出一种改进的“H”形波导缝隙结构，该结构用于解决在波导宽边上开缝隙实现水平极化，解决了水平极化缝隙波导与垂直极化缝隙波导之间存在高度差的问题，实现了L形天线及其阵列应用。

具体的技术解决方案如下：

一种基于改进的“H”形波导缝隙L形天线，包括一对“蝶”形波导缝隙，一对纵向波导细缝、“蝶”形缝隙馈电波导、纵向缝隙馈电波导、“L”形波导功分器、连接器插孔、顶板、中间层壳体和底部壳体，该“蝶”形波导缝隙包括一对相同的“H”形缝隙；

其特征在于，所述的一对“蝶”形波导缝隙位于“L”形天线长臂一端，且关于XOZ面呈镜像对称；

所述的一对纵向波导细缝位于纵向缝隙波导OX方向中心线位置；

所述的中间层壳体“L”形长臂一端开设有“蝶”形缝隙馈电波导，该“蝶”形缝隙馈电波导位于“蝶”形波导缝隙正下方；

所述的中间层壳体“L”形短臂开设有纵向缝隙馈电波导，该纵向缝隙馈电波导位于纵向波导细缝正下方；

所述的底部壳体开设有“L”形波导功分器，该“L”形波导功分器与“蝶”形缝隙馈电波导沿Y正方向端面位于同一个平面，该“L”形波导功分器与纵向缝隙馈电波导沿X正方向端面位于同一个平面；

所述的底部壳体开设有连接器插孔，该连接器插孔位于底部壳体“L”长臂OY方向中心线上，以实现连接器与天线间的阻抗匹配。

所述的“H”形缝隙设置有弯折角α，α表示为30至50度，“H”形缝隙的直臂缝隙长为T7，T7表示为0.25λ0(其中，λ0为中心频率工作波长)，“H”形缝隙的宽为T1，T1表示为0.3λ0，长为T3，T3表示为0.4λ0，一对“蝶”形波导缝隙的宽为T4，T4表示为0.7λ0。

所述的“蝶”形缝隙馈电波导与纵向缝隙馈电波导相互垂直，“蝶”形缝隙馈电波导长为L8，L8表示为2λg0(其中，λg0为中心频率波导波长)，宽为L5，L5表示为0.55λ0，“蝶”形缝隙馈电波导(3)Y方向端面开设有“]”形缝隙。所述的纵向缝隙馈电波导长、宽尺寸与“蝶”形缝隙馈电波导相同。

所述连接器插孔与L形波导功分器X正方向端面距离和Y正方向端面距离相等。

所述的多个L形天线能够组合成不规则的平面阵列。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明的天线中，所采用的中间层壳体“L”形长臂一端开设有“蝶”形缝隙馈电波导，该“蝶”形缝隙馈电波导位于“蝶”形波导缝隙正下方，中间层壳体“L”形短臂开设有纵向缝隙馈电波导，该纵向缝隙馈电波导位于纵向波导细缝正下方；通过“蝶”形缝隙和纵向细缝组成的新型的缝隙结构，实现了结构紧凑的宽边水平极化波导缝隙天线，进而使波导缝隙天线得以应用在L形天线中。

2.本发明的多个基于改进的“H”形波导缝隙L形天线能够组合成阵列天线，所使用的L形天线共有8种形态，各形态性能都不相同，增强了阵列随机性，可以有效抑制阵列的扫描栅瓣。

3.本发明的基于改进的“H”形波导缝隙L形天线采用波导结构，制作工艺稳定成熟，加工难度小，实际应用中易于实现。

附图说明

图1是本发明天线的立体图；

图2是本发明天线图1的分解图；

图3是本发明天线图1的A-A视线解剖图；

图4是本发明天线图1的B-B视线解剖图；

图5是本发明天线底部壳体部件俯视图；

图6是本发明天线底部壳体部件立体图；

图7是本发明天线中间层壳体部件俯视图；

图8是本发明天线中间层壳体部件立体图；

图9是本发明天线顶板部件图；

图10是本发明L形天线阵列示意图；

图11是本发明L形天线8种形态示意图；

图12是本发明L形天线单个天线的方向图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作一步详细说明

实施例1

参见图1、图2、图3、和图4

基于改进的“H”形波导缝隙L形天线工作于Ku波段，工作中心频率自由空间波长λ0为18.75mm，工作中心频率波导波长λg0为19.2mm。

一种基于改进的“H”形波导缝隙L形天线，包括一对“蝶”形波导缝隙1，一对纵向波导细缝2、“蝶”形缝隙馈电波导3、纵向缝隙馈电波导4、“L”形波导功分器5、连接器插孔6、顶板7、中间层壳体8和底部壳体9，该“蝶”形波导缝隙1包括一对相同的“H”形缝隙1.1；

其特征在于，所述的一对“蝶”形波导缝隙1位于“L”形天线长臂一端，且关于XOZ面呈镜像对称；

所述的一对纵向波导细缝2位于纵向缝隙波导4OX方向中心线位置；

所述的中间层壳体8“L”形长臂一端开设有“蝶”形缝隙馈电波导3，该“蝶”形缝隙馈电波导3位于“蝶”形波导缝隙1正下方；

所述的中间层壳体8“L”形短臂开设有纵向缝隙馈电波导4，该纵向缝隙馈电波导4位于纵向波导细缝2正下方；

所述的底部壳体9开设有“L”形波导功分器5，该“L”形波导功分器5与“蝶”形缝隙馈电波导3沿Y正方向端面位于同一个平面，该“L”形波导功分器5与纵向缝隙馈电波导4沿X正方向端面位于同一个平面；

所述的底部壳体9开设有连接器插孔6，该连接器插孔6位于底部壳体9“L”长臂OY方向中心线上，以实现连接器与天线间的阻抗匹配。

本发明的L形天线工作原理是通过激励能量从连接器插孔进入“L”形波导功分器，将能量分别分配给“蝶”形缝隙馈电波导和纵向缝隙馈电波导；

当“蝶”形缝隙馈电波导中的能量继续传播，经过改进的“H”形波导缝隙时，顶板上的电流被缝隙切割，由互补原理知，此时缝隙相当于一个末端开路导线，当电流经过缝隙的路径长度接近半个工作波长时，缝隙谐振，产生辐射，天线极化方向平行于Y轴；

“蝶”形缝隙中的一对“H”形缝隙从“蝶”形缝隙馈电波导得到的能量相等，相位相等；

纵向缝隙馈电波导中的与“蝶”形缝隙馈电波导类似，纵向细缝谐振，产生辐射，两个纵向细缝从纵向缝隙馈电波导得到的能量相等，相位相等；

由于“蝶”形缝隙馈电波导和纵向缝隙馈电波导得到的能量相等，相位相等，进而得到“蝶”形缝隙与纵向缝隙得到的能量相等，相位相等，形成了一个等幅同相馈电的“L”形四元阵列。

所述的“H”形缝隙1.1设置有弯折角α，α表示为30至50度，“H”形缝隙1.1的直臂缝隙长为T7，T7表示为0.25λ0(其中，λ0为中心频率工作波长)，“H”形缝隙1.1的宽为T1，T1表示为0.3λ0，长为T3，T3表示为0.4λ0，一对“蝶”形波导缝隙1的宽为T4，T4表示为0.7λ0。本发明“H”形缝隙1.1的弯折角α最优值为40度。

所述的“蝶”形缝隙馈电波导3与纵向缝隙馈电波导4相互垂直，“蝶”形缝隙馈电波导3长为L8，L8表示为λg0(其中，λg0为中心频率波导波长)，宽为L5，L5表示为0.55λ0，“蝶”形缝隙馈电波导3Y方向端面开设有“]”形缝隙。所述的纵向缝隙馈电波导4长、宽尺寸与“蝶”形缝隙馈电波导3相同。

所述连接器插孔6与L形波导功分器5X正方向端面距离和Y正方向端面距离相等。

所述的连接器插孔6与“L”形波导功分器5Y正方向端面的距离是指连接器插孔6中心与“L”形波导功分器5Y正方向端面中心连线的距离，参照图6中(PA)；所述的连接器插孔6与“L”形波导功分器5X正方向端面的距离是指连接器插孔6中心与“L”形波导功分器5Y正方向端面中心连线的距离，参照图6中(PB’B)。

所述的多个L形天线能够组合成不规则的平面阵列。

参照图3和图4，从A-A剖面可以看出“蝶”形缝隙馈电波导3和“L”形波导功分器5的位置关系，从B-B剖面可以看出纵向缝隙馈电波导4和“L”形波导功分器5的位置关系。天线壳体壁厚Th1为0.6mm，Th2和Th3为0.8mm，Th4为2mm。

参照图5，底部壳体中的L形波导长臂方向腔体至拐角处长L9为λg0，宽L10为0.55λ0，L形波导短臂方向腔体长L12为λg0，宽L11为0.55λ0，L形波导切角直角边长L6为0.38λ0。连接器插孔半径R4为1.75mm。

参照图6，底部壳体中的L形波导腔深度H3为5mm。壳体整体厚度为7mm。

参照图7，中间层壳体中开设两个相互垂直的波导腔，L形长臂波导为改进的“H”形缝隙波导，长L8为λg0，宽L5为0.55λ0，波导Y正方向端开设有“[”形缝隙，缝隙两臂长L7为8mm，宽L3为1.5mm，缝隙中部宽L4为1mm。L形短臂波导为纵向缝隙波导，其尺寸与改进的“H”形缝隙馈电波导相同。

参照图8，中间层壳体波导腔深度H1为5.8mm，“[”形缝隙处波导腔深度H2与H5为5mm。

参照图9，天线顶板上开设改进的“H”形缝隙与纵向波导细缝。改进的“H”形缝隙弯折臂转角α为40度，弯折臂缝隙宽T2为2mm，改进的“H”形缝隙横臂缝隙宽度T6为0.5mm，改进的“H”形缝隙直臂缝隙宽T5为0.5mm，长T7为4～5mm，改进的“H”形缝隙整体宽T1为6mm，长T3为8mm。两缝隙最大距离T2为14mm。

实施例2

参照实施例1，所述的“H”形缝隙1.1设置有弯折角α，α表示为30至50度，将“H”形缝隙弯折臂转角α取为30度，其他参数保持不变，满足天线的使用要求。

实施例3

参照实施例1，所述的“H”形缝隙1.1设置有弯折角α，α表示为30至50度，将“H”形缝隙弯折臂转角α取为50度，其他参数保持不变，满足天线的使用要求。

实施例4

参照图10和图11，基于改进的“H”形波导缝隙L形天线组合成一副平面阵列天线。由于对于不规则阵列，天线数量越多阵列随机性愈强，性能愈好，而工程实现上天线数量过多则难以实现，天线数量在16～64之间可以兼顾性能与工程实现，因此，图中阵列天线是由30个基于改进的“H”形波导缝隙L形天线组合而成，每个L形天线均由一个射频收发通道馈电，辅以电源、波控等相控阵组件，即构成一个天线非周期排列的二维有源相控阵。由图中可以看出，所使用的30个L形天线共有8种形态，各形态性能都不相同，增强了阵列随机性，可以有效抑制阵列的扫描栅瓣。

综上所述，所确定的阵列天线不局限于30个L形天线，增加或减少天线数量能够实现不同规模的非周期二维有源相控阵。

实施例5

基于改进的“H”形波导缝隙L形天线工作于Ku波段，工作中心频率自由空间波长λ0为18.75mm，工作中心频率波导波长λg0为19.2mm。

参照图12，图中横坐标为空间角，单位为度，纵坐标为方向图幅度，单位dB。图中实线表示单个L形天线方位切面方向图，方位切面为图1从所示XOZ面。方位切面方向图呈现馒头状，表明单个L形天线在方位切面上的投影长度在1个波长左右，与L短臂长L8为λg0相对应。虚线表示单个L形天线俯仰切面方向图，俯仰切面为图1从所示YOZ面。俯仰切面方向图呈现山峰状，表明单个L形天线在俯仰切面上的投影长度在1.5个波长左右，与L长臂长为L5与L8之和相对应，其中L5为0.55λ0，L8为λg0。

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 (4)

1.一种基于改进的“H”形波导缝隙L形天线，包括 “蝶”形波导缝隙（1），一对纵向波导细缝（2）、“蝶”形缝隙馈电波导（3）、纵向缝隙馈电波导（4）、“L”形波导功分器（5）、连接器插孔（6）、顶板（7）、中间层壳体（8）和底部壳体（9），顶板（7）上设有“蝶”形波导缝隙（1）和一对纵向波导细缝（2），其特征在于：

所述顶板（7）、中间层壳体（8）和底部壳体（9），从上到下依次放置，且固定连接；

所述的 “蝶”形波导缝隙（1）宽为T4= 0.7λ0，由两个改进的“H”形缝隙组成，位于“L”形天线长臂一端，以“L”形天线底面外侧的拐点为圆心O、长臂方向为Y轴正方向、短臂方向为X轴正方向、与XOY面垂直向上方向为Z轴正方向，建立三维坐标系；两个改进的“H”形缝隙关于过二者中点且与XOZ面平行的平面呈镜像对称；

所述改进的“H”形缝隙设置有弯折角α，且该弯折角α设置在远离另一个与之镜像对称的“H”形缝隙的一侧，30^o<α<50^o；改进的“H”形缝隙的直臂缝隙长为T7=0.25λ0,其中λ0为中心频率工作波长，“H”形缝隙的整体宽为T1=0.3λ0、长为T3=0.4λ0；

所述的一对纵向波导细缝（2）位于纵向缝隙馈电波导（4）OX方向中心线位置；

所述的中间层壳体（8）“L”形长臂一端开设有“蝶”形缝隙馈电波导（3），该“蝶”形缝隙馈电波导（3）位于 “蝶”形波导缝隙（1）正下方；

所述的中间层壳体（8）“L”形短臂设有纵向缝隙馈电波导（4），该纵向缝隙馈电波导（4）位于纵向波导细缝（2）正下方；

所述的底部壳体（9）设有“L”形波导功分器（5），该“L”形波导功分器（5）与“蝶”形缝隙馈电波导（3）沿Y正方向端面位于同一个平面，该“L”形波导功分器（5）与纵向缝隙馈电波导（4）沿X正方向端面位于同一个平面；

所述的底部壳体（9）设有连接器插孔（6），该连接器插孔（6）位于底部壳体（9）“L”长臂OY方向中心线上，以实现连接器与天线间的阻抗匹配。

2.根据权利要求1所述的一种基于改进的“H”形波导缝隙L形天线，其特征在于，所述的“蝶”形缝隙馈电波导（3）与纵向缝隙馈电波导（4）相互垂直，“蝶”形缝隙馈电波导（3）长为L8，L8表示为λg0，其中，λg0为中心频率波导波长，宽为L5，L5表示为0.55λ0，“蝶”形缝隙馈电波导（3）Y方向端面开设有“]”形缝隙，所述的纵向缝隙馈电波导（4）长、宽尺寸与“蝶”形缝隙馈电波导（3）相同。

3.根据权利要求1所述的一种基于改进的“H”形波导缝隙L形天线，其特征在于所述连接器插孔（6）与L形波导功分器（5）X正方向端面距离和Y正方向端面距离相等。

4.根据权利要求1所述的一种基于改进的“H”形波导缝隙L形天线，其特征在于，多个所述的L形天线能够组合成不规则的平面阵列。

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