CN111864377B - 宽带共线缝波导缝隙天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带共线缝波导缝隙天线，属于微波天线技术领域。本发明包括波导同轴变换器、一分二馈电波导和辐射波导；一分二馈电波导与辐射波导对称的嵌套结合，通过共用的公共壁进行分隔；波导同轴变换器位于一分二馈电波导的下侧中心，一分二馈电波导和辐射波导的两端及辐射波导与波导同轴变换器结合处设置有隔离墙，用于形成封闭的波导腔；辐射波导的顶部沿宽边方向中心线上开有若干个辐射缝隙，各个辐射缝隙位于同一直线上，在辐射缝隙附近的波辐射波导的波导腔内设置交替分布的扰动块。本发明提供一种工作带宽宽、交叉极化性能好、不易产生寄生副瓣的宽带共线缝波导缝隙天线。

Description

宽带共线缝波导缝隙天线

技术领域

本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种宽带共线缝波导缝隙天线。

背景技术

目前，雷达系统随着需求的引导，正朝着高分辨率、多极化和多模式方向发展，作为雷达系统关键分系统之一的天线，需要具有宽带、低交叉极化等功能。波导缝隙天线具有效率高、体积小、重量轻、结构紧凑地特点，易获得高增益，在雷达和微波通信系统中获得了广泛的应用。波导缝隙天线自从诞生那天起，人们就开展了大量相关的研究，并在理论研究和工程应用方面取得了丰硕的成果。

波导缝隙天线目前主要有宽边缝和窄边缝两种开缝形式，缝隙沿宽边中心线交错分布是目前波导缝隙宽边开缝的主要形式，文献《宽带印刷天线与双极化微带及波导缝隙天线阵》(2005年上海大学博士学位论文)所说的宽带宽边缝波导缝隙天线即是该种形式天线。由于这些缝隙交错分布在宽边中心线的两侧，不在同一条直线上。当天线宽带工作时，缝隙偏离中心线的距离较大，导致交叉极化较差，容易产生寄生副瓣。

《中国电子科学研究院学报》在2007年4月出版的论文《宽带单脊波导缝隙天线阵设计》(第152-154页，作者为金剑、汪伟、万笑梅)，公开了一种宽带单脊波导缝隙天线阵，如图1所示，采用经典的错位缝隙阵实现垂直极化，同样存在交叉极化性能差、易产生寄生副瓣的问题。

申请号为US06/727316的美国专利，公开了一种开槽波导阵列天线，包括多个波导元件，每个波导元件包括相对的辐射和非辐射侧，其中辐射侧沿其中心线限定一系列辐射槽，其中辐射侧包括朝向辐射槽的恒定高度的轴向脊，并且每个波导元件在轴向脊的相对侧上限定第一和第二多个交替的侧室，交替的侧室在预定的高和低之间交替；非辐射侧包括朝向辐射槽的恒定高度的轴向脊，并且波导元件限定在轴向脊的相对侧上的第一和第二多个侧室的交替深度，交替侧室在高和低水平之间交替，在与辐射槽的间隔一致的周期。该专利采用非对称脊波导实现共线缝，虽然与错位线缝相比提高了交叉极化性能，不易产生寄生副瓣，但存在以下问题：首先，结构复杂，导致加工复杂、加工成本较高，不利于大规模应用；其次，由于波导内腔截面不连续，导致波导波长显著变化，严重影响各个缝隙的幅相分布，降低了波导缝隙天线的辐射效率；再次，体积较大。

发明内容

本发明目的是提供一种工作带宽宽、交叉极化性能好、不易产生寄生副瓣的宽带共线缝波导缝隙天线。

具体地说，本发明提供了一种宽带共线缝波导缝隙天线，包括波导同轴变换器、一分二馈电波导和辐射波导；一分二馈电波导与辐射波导对称的嵌套结合，通过共用的公共壁进行分隔；

所述波导同轴变换器位于一分二馈电波导的下侧中心，

所述一分二馈电波导和辐射波导的两端及辐射波导与波导同轴变换器结合处设置有隔离墙，用于形成封闭的波导腔；

所述辐射波导的顶部沿宽边方向中心线上开有若干个辐射缝隙，各个辐射缝隙位于同一直线上，在辐射缝隙附近的波辐射波导的波导腔内设置交替分布的扰动块。

进一步的，在每个辐射缝隙侧边相邻处设置有相同的扰动块，各扰动块在各个相邻辐射缝隙的侧边交替分布。

进一步的，所述相邻辐射缝隙之间的间距为辐射波导波长的1/2。

进一步的，所述一分二馈电波导和辐射波导为矩形波导、脊波导、梯形波导或椭圆波导。

进一步的，在一分二馈电波导和辐射波导中心点两侧对称设置有耦合缝，两个耦合缝与波导同轴变换器一起将辐射波导分成4段，形成一分四功分器，把微波能量分成4路送入辐射波导5。

进一步的，所述两个耦合缝与波导同轴变换器一起将辐射波导分成均匀的4段。

进一步的，在辐射波导的波导腔内部设置对称分布于耦合缝上方两侧的匹配块，调节辐射波导的输入阻抗，使一分二馈电波导和辐射波导的阻抗匹配。

进一步的，所述一分二馈电波导的隔离墙位于耦合缝外侧附近。

本发明的宽带共线缝波导缝隙天线的有益效果如下：

一分二馈电波导与辐射波导采用对称、通过公共壁嵌套的结构，极大节约空间，有效压缩了天线体积，且加工方便；

在辐射缝隙下方的波导腔内加载交替分布的扰动块，使得在辐射波导内部的电磁场从相邻辐射缝隙向外部空间辐射出微波信号；从而能够将所有辐射缝隙都位于同一直线上，交叉极化电平较普通波导缝隙天线有极大改善，交叉极化电平可达-55dB以下，有效抑制了寄生副瓣的产生；共线缝的波导缝隙天线在进行E面、H面扫描时不会出现寄生副瓣；

将本发明的宽带共线缝波导缝隙天线组成双极化波导缝隙天线时，可大幅提高双极化波导缝隙天线的极化隔离度，极化隔离度可达40dB以上；

通过设置耦合缝，形成集成在辐射波导底部的一分四功分器，从而展宽了共线缝波导缝隙天线的工作带宽；进一步地，通过在辐射波导的波导腔内部设置对称分布于耦合缝上方两侧的匹配块，实现馈电波导和辐射波导的阻抗匹配，由此既能够降低驻波，又能够提高共线缝波导缝隙天线的工作带宽。

附图说明

图1是现有技术中错位缝隙天线的示意图。

图2是本发明实施例的立体图(中间部分和右端呈现沿轴线剖面)。

图3是本发明实施例的俯视图。

图4是图3的局部放大图。

图5是本发明实施例的爆炸图。

图6是图5局部放大图(耦合缝)。

图7是本发明实施例的耦合缝剖面图。

图8是本发明实施例驻波曲线图。

图9是本发明实施例方向图与交叉极化效果示意图。

1-波导同轴变换器；2-一分二馈电波导，21-底板，22-馈电波导隔离墙，23-公共壁，3-耦合缝，4-匹配块，5-辐射波导，51-顶板，52-辐射波导隔离墙，53-侧板，54-辐射缝隙，55-扰动块。

具体实施方式

下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

本发明的一个实施例，为一种宽带共线缝波导缝隙天线。

如图2～图7所示，本实施例的宽带共线缝波导缝隙天线包括：波导同轴变换器1、一分二馈电波导2和辐射波导5。一分二馈电波导2与辐射波导5采用对称嵌套设计，二者通过公共壁23分隔。

如图5～图7所示，一分二馈电波导2包括底板21、馈电波导隔离墙22，与公共壁23一起，形成馈电波导腔。波导同轴变换器1位于一分二馈电波导2的下侧中心，与一分二馈电波导2一体集成。一分二馈电波导2与辐射波导5上下结合，通过共用的公共壁23分隔成下方的馈电波导腔和上方的辐射波导腔。在一分二馈电波导2和辐射波导5中心点两侧对称设置有耦合缝3，两个耦合缝3与波导同轴变换器1一起将辐射波导5分成均匀的4段。每个耦合缝的上方两侧对称设置有匹配块4。通过两个耦合缝3与相应的匹配块4，形成一分四功分器，把微波能量分成4路送入辐射波导5。由此，在辐射波导5底部集成一分四功分器，展宽了共线缝波导缝隙天线的工作带宽。进一步地，通过在辐射波导5的波导腔内部设置对称分布于耦合缝上方两侧的匹配块4，调节了辐射波导5的输入阻抗，从而实现一分二馈电波导2和辐射波导5的阻抗匹配，由此既能够降低驻波，又能够提高共线缝波导缝隙天线的工作带宽。可以理解，采用多个耦合缝及相应的匹配块可以形成一分八、一分十六功分器等，可以使得共线缝波导缝隙天线的工作带宽更加宽。

如图3和图4所示，馈电波导隔离墙22位于耦合缝3外侧附近，一分二馈电波导2的两端，用于形成封闭的馈电波导腔。辐射波导5两端及辐射波导5与波导同轴变换器1结合处，分别设置有辐射波导隔离墙52，将辐射波导5内分割成4个相同大小的辐射波导腔。

如图4和图5所示，辐射波导5包括顶板51、辐射波导隔离墙52、侧板53，与公共壁23一起，形成辐射波导腔。顶板51上沿宽边方向中心线上开有多个辐射缝隙54，各个辐射缝隙54位于同一直线上，相邻辐射缝隙54之间的间距为辐射波导5波长的1/2。辐射波导5的波长由辐射波导本身的几何参数确定。在辐射波导5顶板下方与每个辐射缝隙54侧边相邻处设有一扰动块55，各扰动块55在各个相邻辐射缝隙54的侧边交替分布。通过在辐射波导5的宽边设置在同一直线上分布的辐射缝隙54，在辐射缝隙54下方的波导腔内加载交替分布的扰动块55，当微波信号在辐射波导5内部传输时，扰动块55改变了电磁场在辐射波导5内部的分布，使得相邻辐射缝隙54切割出相同方向的电磁场，从而向外部空间辐射出微波信号；共线缝的波导缝隙天线在进行E面、H面扫描时不会出现寄生副瓣。可以理解，每个辐射缝隙54的侧边可以设有多个扰动块，只要每个辐射缝隙54相应的扰动块相同即可。扰动块55可以为圆柱体、长方体及其他形状，只要每个直缝隙辐射缝隙54相应的扰动块相同即可。如图4所示形状的扰动块相比长方体扰动块，可以具有更高的强度。

所述一分二馈电波导2和辐射波导5可以为矩形波导、脊波导、梯形波导或椭圆波导等。

如图5-图7所示，一分二馈电波导2与辐射波导5采用对称单脊波导嵌套设计，通过公共壁23的耦合缝3来耦合。加工时，可以将公共壁23、波导同轴变换器1集成加工，并分别加工辐射波导5的顶板51(其上设置有辐射缝隙54和扰动块55)、一分二馈电波导2的底板21；然后将这三部分结合在一起。这种结构极大节约空间，有效压缩了天线体积，而且加工简单、易实现。

如图8所示，本实施例给出的宽带共线缝波导缝隙天线的驻波曲线图中，横坐标为该天线工作频率，单位为GHz，纵坐标为驻波值，无单位。从图8中可以看出，该天线工作频率在5.25～5.55GHz范围内，驻波值处在1.4以下，实现了良好的宽带性能。本发明克服了现有的波导缝隙天线的弊端，有效拓展了天线的工作带宽，相对带宽由1％左右提高到7％，可以应用于更多场合。

图9为本实施例的宽带共线缝波导缝隙天线E面与H面的方向图与交叉极化效果图，图中上方线条表示E面与H面上主极化电平幅度，下方线条表示两个切面上交叉极化电平幅度，横坐标为角度，单位为度，纵坐标为幅度，单位为分贝，即dB。从图9中可以看出，两个切面交叉极化电平低于主极化电平55dB以上，实现很好的交叉极化抑制。

本发明的宽带共线缝波导缝隙天线具有以下优点：

1，体积小。馈电波导与辐射波导采用对称单脊波导嵌套设计，极大节约空间，有效压缩了天线体积。

2，交叉极化性能好。所有缝隙都位于同一直线上，交叉极化电平较普通波导缝隙天线有极大改善，交叉极化电平可达-55dB以下；

3，不易产生寄生副瓣。由于所有辐射缝隙位于同一直线上，有效抑制了寄生副瓣的产生；

4，组成双极化波导缝隙天线时极化隔离度高。在使用本专利组成双极化波导缝隙天线时，可大幅提高双极化波导缝隙天线的极化隔离度，极化隔离度可达40dB以上。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (8)

1.一种宽带共线缝波导缝隙天线，其特征在于，包括波导同轴变换器、一分二馈电波导和辐射波导；一分二馈电波导与辐射波导对称的嵌套结合，通过共用的公共壁进行分隔；

所述波导同轴变换器位于一分二馈电波导的下侧中心，

所述一分二馈电波导和辐射波导的两端及辐射波导与波导同轴变换器结合处设置有隔离墙，用于形成封闭的波导腔；

所述辐射波导的顶部沿宽边方向中心线上开有若干个辐射缝隙，各个辐射缝隙位于同一直线上，在辐射缝隙附近的辐射波导的波导腔内设置交替分布的扰动块。

2.根据权利要求1所述的宽带共线缝波导缝隙天线，其特征在于，在每个辐射缝隙侧边相邻处设置有相同的扰动块，各扰动块在各个相邻辐射缝隙的侧边交替分布。

3.根据权利要求1所述的宽带共线缝波导缝隙天线，其特征在于，所述相邻辐射缝隙之间的间距为辐射波导波长的1/2。

4.根据权利要求1所述的宽带共线缝波导缝隙天线，其特征在于，所述一分二馈电波导和辐射波导为矩形波导、脊波导、梯形波导或椭圆波导。

5.根据权利要求1所述的宽带共线缝波导缝隙天线，其特征在于，在一分二馈电波导和辐射波导中心点两侧对称设置有耦合缝，两个耦合缝与波导同轴变换器一起将辐射波导分成4段，形成一分四功分器，把微波能量分成4路送入辐射波导。

6.根据权利要求5所述的宽带共线缝波导缝隙天线，其特征在于，所述两个耦合缝与波导同轴变换器一起将辐射波导分成均匀的4段。

7.根据权利要求5所述的宽带共线缝波导缝隙天线，其特征在于，在辐射波导的波导腔内部设置对称分布于耦合缝上方两侧的匹配块，用于调节辐射波导的输入阻抗，使一分二馈电波导和辐射波导的阻抗匹配。

8.根据权利要求5所述的宽带共线缝波导缝隙天线，其特征在于，所述一分二馈电波导的隔离墙位于耦合缝外侧附近。

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