CN112382853A - 全并馈共口径双极化波导缝隙滤波天线阵列系统 - Google Patents

全并馈共口径双极化波导缝隙滤波天线阵列系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种全并馈共口径双极化波导缝隙滤波天线阵列系统，由四个1/4天线阵面通过和差馈电网络对称设置形成，每个1/4天线阵面级联直线型频变耦合滤波器；其中，每个1/4天线阵面包含：功分波导层，设置在该功分波导层上方的多个子阵天线单元；每个子阵天线单元包含按2×2结构排列设置的双极化辐射天线单元；每个双极化辐射天线单元包含：由上至下依次设置的双极化“十”字型缝隙单元辐射层，四脊传输波导层，双极化耦合缝隙层，垂直极化馈电网络层，水平极化耦合缝隙层和水平极化馈电网络层。本发明可实现两个方向的线极化辐射，并可有效抑制工作带宽之外的干扰信号，具有宽带、高增益、低副瓣、低交叉极化和高集成度的优点。

Description

全并馈共口径双极化波导缝隙滤波天线阵列系统
技术领域
本发明涉及一种双极化波导缝隙天线阵列系统，具体是指一种全并馈共口径双极化波导缝隙滤波天线阵列系统，属于天线设计领域，主要应用于导引头和无线通信系统等领域。
背景技术
随着当前对精确制导要求的不断提高，对探测能力也相应的提出了更高的要求。为了能进一步提高导引头的探测精度和抗干扰能力，因此要求微波/ 毫米波探测系统具有变极化功能。作为变极化探测系统中的重要组成部分，双极化天线是其中的研究重点之一，正获得越来越广泛的关注。
相比于单极化天线只能接收和/或发送同一种极化的信号或电磁波，双极化天线具有在互不干扰的情况下同时接收和/或发送工作在同一频带宽度内的两个极化方向互相垂直的信号或电磁波的优点。同时双极化天线还提高了频带的利用率，节约了频率资源。
通过双极化天线可以探测目标回波的极化特性，用于测量目标的极化散射矩阵。因为极化散射矩阵中不仅有幅度信息，也有相位信息，因此为探测系统提供了更多的目标回波信息。通过研究不同目标的极化及其统计特性，提取表征不同目标的参数集，可以对目标进行精确分类、识别和选择。因此，在末制导系统使用双极化天线技术，可以增加获取的信息量，提高目标的检测能力，对小型化、多极化、高效率末制导系统的发展具有重要意义。
现有技术中，双极化平面天线主要有微带天线和波导缝隙天线两种形式。然而，微带天线存在损耗较大和易互耦的不足，使得天线的辐射效率较低，导致天线的增益受限。而传统的双极化波导缝隙天线的驻波阵列通常采用串联馈电方式来激励辐射缝隙，而串联馈电的驻波阵列存在长线效应，导致天线的工作带宽受到了限制。
但是，相比较而言，双极化波导缝隙天线因其具有的宽带、共口径以及低剖面等优点，仍然被越来越广泛的应用。并且，高性能的共口径双极化波导缝隙阵列天线在机载和弹载雷达系统和卫星通信系统建设上也有着有广阔的应用前景。
由于电磁频谱的有限，随着天线的数量和种类越来越多，频段间的相互干扰正逐渐成为一个影响天线性能的重要问题。而且，对于多频段多端口天线，端口之间的互耦也会影响天线的性能。针对上述问题，可以通过提高天线的带外抑制来避免因为频段重叠而带来的耦合问题。因此，设计一种高性能的滤波天线阵列系统可以有效的解决因频段重叠而导致互耦的问题，同时不改变原有的天线性能。
基于上述，本发明提供一种全并馈共口径双极化波导缝隙滤波天线阵列系统，具有宽带、高增益、低副瓣、低交叉极化和高集成度的优点，从而解决现有技术中存在的缺点和限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种全并馈共口径双极化波导缝隙滤波天线阵列系统，可实现两个方向的线极化辐射，并可有效抑制工作带宽之外的干扰信号，具有宽带、高增益、低副瓣、低交叉极化和高集成度的优点。
为实现上述目的，本发明提供一种全并馈共口径双极化波导缝隙滤波天线阵列系统，由四个1/4天线阵面通过和差馈电网络形成，该四个1/4天线阵面按x轴和y轴对称设置，且每个1/4天线阵面均级联直线型频变耦合滤波器；其中，每个所述的1/4天线阵面包含：功分波导层，以及排列设置在该功分波导层上方的多个子阵天线单元；所述的子阵天线单元包含按2×2 结构排列设置的双极化辐射天线单元；所述的双极化辐射天线单元包含：由上至下依次设置的双极化“十”字型缝隙单元辐射层，四脊传输波导层，双极化耦合缝隙层，垂直极化馈电网络层，水平极化耦合缝隙层和水平极化馈电网络层。
所述的双极化“十”字型缝隙单元辐射层上按2×2的排列结构开设有四个“十”字型缝隙单元；每个“十”字型缝隙单元包含两个正交设置的波导缝隙，构成“十”字型缝隙，且两个波导缝隙的相位中心相同。
所述的四脊传输波导层设置在双极化“十”字型缝隙单元辐射层的正下方，包含：四脊方波导；四个波导段，设置在四脊方波导的顶面上，分别位于各个“十”字型缝隙单元的正下方，且每个所述波导段的尺寸大小均与“十”字型缝隙单元相同。
所述的双极化耦合缝隙层设置在四脊传输波导层的正下方，且该双极化耦合缝隙层的中心线与双极化“十”字型缝隙单元辐射层的中心线，以及与四脊传输波导层的中心线重合；所述的双极化耦合缝隙层上开设有两个正交设置的耦合缝隙，将水平极化波导及垂直极化波导馈入的能量耦合到四脊方波导。
所述的垂直极化馈电网络层设置在双极化耦合缝隙层的下方，当电磁波从垂直极化波导馈入时，直接通过双极化耦合缝隙层馈入四脊传输波导层的四脊方波导，将电磁波辐射到自由空间。
所述的水平极化耦合缝隙层设置在垂直极化馈电网络层的下方，包含水平方向设置的水平极化缝隙。
所述的水平极化馈电网络层设置在水平极化耦合缝隙层的下方，当电磁波从水平极化波导馈入时，其水平方向磁场分量直接通过水平极化耦合缝隙层馈入四脊传输波导层的四脊方波导，其垂直方向磁场分量经由水平极化耦合缝隙层的水平极化缝隙选取后馈入四脊传输波导层的四脊方波导，将电磁波辐射到自由空间。
所述的水平极化馈电网络层的中心线与双极化耦合缝隙层、双极化“十”字型缝隙单元辐射层、四脊传输波导层的中心线之间具有偏离。
所述的功分波导层包含：水平极化波导功分器、垂直极化波导功分器和三端口波导功分器；所述的水平极化波导功分器与水平极化馈电网络层设置在同一层，该水平极化波导功分器的中部两侧开设有枝节，底部开设有阶梯结构；所述的垂直极化波导功分器包含由上至下依次设置的输入端口层，过渡波导垂直极化耦合缝隙和两路输出端口层。所述的三端口波导功分器与垂直极化馈电网络层的输入端口层、水平极化馈电网络层的输入端口层设置在同一层，该三端口波导功分器的中部两侧开设有枝节，底部开设有阶梯结构。
所述的直线型频变耦合滤波器分别与垂直极化馈电网络层的输入端口、水平极化馈电网络层的输入端口级联；该直线型频变耦合滤波器包含：横向依次连接的第一谐振器，第二谐振器，第三谐振器和第四谐振器；其中，第一谐振器与第二谐振器之间通过第一耦合窗口连接，第三谐振器和第四谐振器之间通过第三耦合窗口连接，第二谐振器和第三谐振器之间通过设置短路枝节作为第二耦合窗口连接。
综上所述，本发明所提供的全并馈共口径双极化波导缝隙滤波天线阵列系统，与现有技术相比，具有以下优点：
1、由十字型缝隙实现双极化辐射阵面，实现双极化共口径馈电网络；
2、可实现展宽带宽；
3、具有更高的辐射效率和增益，且增益在整个驻波带宽内稳定；
4、对天线口径内场的幅度分布容易控制，更易实现低副瓣；
5、通过设计简单的功分器及和差器结构实现馈电网络，降低加工难度和天线成本，有利于工程应用。
附图说明
图1为本发明中的天线单元的示意图；
图2为本发明中的双极化“十”字型缝隙单元辐射层的示意图；
图3为本发明中的四脊传输波导层的示意图；
图4为本发明中的双极化耦合缝隙层的示意图；
图5为本发明中的双极化并馈结构的示意图；
图6为本发明中的水平极化波导功分器的示意图；
图7为本发明中的垂直极化波导功分器的示意图；
图8为本发明中的直线型频变耦合滤波器的示意图；
图9a为本发明中的全并馈共口径双极化波导缝隙滤波天线阵列系统的示意图；图9b为本发明中的全并馈共口径双极化波导缝隙滤波天线阵列系统的剖面示意图；
图10a为本发明实施例中在工作频段的水平极化的E面方向图仿真结果；图10b为本发明实施例中在工作频段的水平极化的H面方向图仿真结果；
图11a为本发明实施例中在工作频段的垂直极化的E面方向图仿真结果；图11b为本发明实施例中在工作频段的垂直极化的H面方向图仿真结果。
具体实施方式
以下结合图1～图11b，通过优选实施例对本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。
如图9a和图9b所示，为本发明提供的一种全并馈共口径双极化波导缝隙滤波天线阵列系统，由四个1/4天线阵面通过和差馈电网络组合形成完整天线阵面，其中，四个1/4天线阵面按x轴和y轴对称设置，且每个1/4天线阵面均级联直线型频变耦合滤波器10。进一步，每个所述的1/4天线阵面包含：功分波导层，以及排列设置在该功分波导层上方的多个子阵天线单元。
所述的子阵天线单元包含按2×2结构排列设置的双极化辐射天线单元。
其中，如图1所示，所述的双极化辐射天线单元包含：由上至下依次设置的双极化“十”字型缝隙单元辐射层1，四脊传输波导层2，双极化耦合缝隙层3，垂直极化馈电网络层4，水平极化耦合缝隙层5和水平极化馈电网络层6。
如图2所示，所述的双极化“十”字型缝隙单元辐射层1上按2×2的排列结构开设有四个“十”字型缝隙单元，具体为排在第一行的第一“十”字型缝隙单元11和第二“十”字型缝隙单元12，以及排在第二行的第三“十”字型缝隙单元13和第四“十”字型缝隙单元14。每个“十”字型缝隙单元包含两个正交设置的波导缝隙，构成“十”字型缝隙，且两个波导缝隙的相位中心相同，可实现相互垂直的两个方向的线极化辐射，辐射垂直、水平两个极化方向的电磁波，并且相互之间影响较小。
如图3所示，所述的四脊传输波导层2设置在双极化“十”字型缝隙单元辐射层1的正下方，包含：四脊方波导25，通过合理设计四脊方波导25 上的每个脊的尺寸大小(在本发明的一个优选实施例中，脊的长度略小于0.5 倍空气波长，脊的宽度略大于0.1倍空气波长)，使得每个“十”字型缝隙单元的特性能辐射均匀一致的双极化电磁波；四个波导段，设置在四脊方波导 25的顶面的四个角上，分别位于各个“十”字型缝隙单元的正下方，且每个所述波导段的尺寸大小均与“十”字型缝隙单元相同，改变四脊方波导25 在四个角上的磁流分布，使得每个“十”字型缝隙单元的两个波导缝隙上的磁流分布变的均匀。具体的，第一波导段21对应设置在第一“十”字型缝隙单元11的正下方，第二波导段22对应设置在第二“十”字型缝隙单元12 的正下方，第三波导段23对应设置在第三“十”字型缝隙单元13的正下方，第四波导段24对应设置在第四“十”字型缝隙单元14的正下方。
如图4所示，所述的双极化耦合缝隙层3设置在四脊传输波导层2的正下方，且该双极化耦合缝隙层3的中心线与双极化“十”字型缝隙单元辐射层1的中心线，以及与四脊传输波导层2的中心线重合；所述的双极化耦合缝隙层3具有四脊方波导25的内激励源的作用，其上开设有两个正交设置的耦合缝隙31，将水平极化波导及垂直极化波导馈入的能量耦合到四脊方波导 25，分别激励起TE10模与TE01模。这两种模式下的磁场方向分别在宽边与窄边中线处最强，因此将两种模式的激励缝隙分别放置于宽边与窄边的中线处时，并通过改变缝隙长和宽，来调节耦合能量的强弱，实现功分网络与辐射部分的阻抗匹配。
所述的垂直极化馈电网络层4、水平极化耦合缝隙层5和水平极化馈电网络层6组成如图5所示的双极化并馈结构，设置在双极化耦合缝隙层3的下方，有助于减少天线的复杂度。为了便于辐射水平极化电磁波，其中，水平极化馈电网络层6的中心线与双极化耦合缝隙层3、双极化“十”字型缝隙单元辐射层1、四脊传输波导层2的中心线之间设置一定程度的偏离。
具体的，所述的垂直极化馈电网络层4设置在双极化耦合缝隙层3的下方，当电磁波从垂直极化波导馈入时，直接通过双极化耦合缝隙层3馈入四脊传输波导层2的四脊方波导25，将电磁波辐射到自由空间。
所述的水平极化耦合缝隙层5设置在垂直极化馈电网络层4的下方，包含水平方向设置的水平极化缝隙。
所述的水平极化馈电网络层6设置在水平极化耦合缝隙层5的下方，当电磁波从水平极化波导馈入时，其水平方向磁场分量直接通过水平极化耦合缝隙层5馈入四脊传输波导层2的四脊方波导25，其垂直方向磁场分量经由水平极化耦合缝隙层5的水平极化缝隙选取后馈入四脊传输波导层2的四脊方波导25，将电磁波辐射到自由空间。
在将上述的双极化辐射天线单元按照2×2的结构排列布置成子阵天线单元时，由于馈电方向上的相邻双极化辐射天线单元辐射的水平极化波同相，因此水平极化波直接经水平极化馈电网络层功分后馈入四脊传输波导层。然而当垂直极化波直接经垂直极化馈电网络层功分后馈入四脊传输波导层时，由于经波导H面T型功分器的TE10模式的磁场方向在双极化耦合缝隙层3 的两个耦合缝隙处反相，馈电方向上的相邻双极化辐射天线单元辐射的垂直极化波相位相差180°，在空间形成差波束。因此，需要增加设置功分波导层，垂直极化波先经过功分波导层中的垂直极化耦合缝隙后馈入垂直极化馈电网络层，再经垂直极化馈电网络层功分，使得馈电方向上的相邻双极化辐射天线单元辐射的垂直极化波变为同相。这样的设计使得子阵天线单元能够实现双极化单元间等幅同相辐射的目的。
所述的功分波导层由水平极化波导功分器7、垂直极化波导功分器8和三端口波导功分器9组成。
具体的，如图6所示，所述的水平极化波导功分器7与水平极化馈电网络层6设置在同一层，该水平极化波导功分器7的中部两侧开设有枝节61，底部开设有阶梯结构62，通过调节枝节61的位置和尺寸来实现端口的功分比和相位，并通过调节阶梯结构62的位置和尺寸来实现阻抗匹配。
如图7所示，所述的垂直极化波导功分器8为三层结构，分别为：由上至下依次设置的输入端口层81，过渡波导垂直极化耦合缝隙82和两路输出端口层83。
所述的三端口波导功分器9采用如图6所示的相同结构实现，该三端口波导功分器9与垂直极化馈电网络层4的输入端口层、水平极化馈电网络层 6的输入端口层设置在同一层，该三端口波导功分器9的中部两侧开设有枝节，底部开设有阶梯结构，通过调节枝节的位置和尺寸来实现端口的功分比和相位，并通过调节阶梯结构的位置和尺寸来实现阻抗匹配。
如图8所示，所述的直线型频变耦合滤波器10分别与垂直极化馈电网络层4的输入端口、水平极化馈电网络层6的输入端口级联；该直线型频变耦合滤波器10包含：横向依次连接的第一谐振器101，第二谐振器102，第三谐振器103和第四谐振器104，其中，第一谐振器101与第二谐振器102之间通过第一耦合窗口105进行连接，第三谐振器103和第四谐振器104之间通过第三耦合窗口107进行连接，第二谐振器102和第三谐振器103之间通过设置短路枝节作为第二耦合窗口106进行连接，该短路枝节可将频不变耦合转变为频变耦合，并通过合理调整短路枝节的结构尺寸，在上阻带(通带之外)引入一个可设计的传输零点，提高直线型频变耦合滤波器10的上阻带带外抑制。所述的直线型频变耦合滤波器10具有结构紧凑的优点，其能够有效抑制工作带宽之外的干扰信号，改善天线之间的互耦问题，也进一步提高了系统的集成度。
如图10a和图10b所示，在本发明的一个优选实施例中，波导缝隙滤波天线阵列系统的水平极化的辐射方向图在f_H_L到f_H_H的工作频段内，增益稳定在32dB，并且由于滤波器的存在，实现了的很好的带外抑制，E面(图 10a)和H面(图10b)副瓣均小于-18dB。如图11a和图11b所示，波导缝隙滤波天线阵列系统的垂直极化的辐射方向图在f_V_L到f_V_H的工作频段内，增益稳定在32dB，并且由于滤波器的存在，实现了的很好的带外抑制，E面 (图11a)和H面(图11b)副瓣均小于-18dB。
综上所述，本发明所提供的全并馈共口径双极化波导缝隙滤波天线阵列系统，在规定口径尺寸下，通过合理设计尺寸，结合加权的阵因子，可实现宽带、高增益和低副瓣等特性，实现预期天线方向图。该全并馈共口径双极化波导缝隙滤波天线阵列系统的水平极化端口和垂直极化端口的带宽约为 10％(VSWR<2)，两端口间的隔离度工作带宽内均小于-43dB。
本发明所提供的全并馈共口径双极化波导缝隙滤波天线阵列系统，在互不干扰的情况下，能够同时接收、发送工作在同一频带宽度内两个互相垂直的极化方向的电磁波；并且由于同时设置了结构紧凑的直线型频变耦合滤波器，有效抑制了工作带宽之外的干扰信号，改善了天线之间的互耦问题，并进一步通过引入传输零点提高了上阻带带外抑制。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种全并馈共口径双极化波导缝隙滤波天线阵列系统，其特征在于，由四个1/4天线阵面通过和差馈电网络形成，该四个1/4天线阵面按x轴和y轴对称设置，且每个1/4天线阵面均级联直线型频变耦合滤波器；
其中，每个所述的1/4天线阵面包含：功分波导层，以及排列设置在该功分波导层上方的多个子阵天线单元；
所述的子阵天线单元包含按2×2结构排列设置的双极化辐射天线单元；
所述的双极化辐射天线单元包含：由上至下依次设置的双极化“十”字型缝隙单元辐射层，四脊传输波导层，双极化耦合缝隙层，垂直极化馈电网络层，水平极化耦合缝隙层和水平极化馈电网络层。
2.如权利要求1所述的全并馈共口径双极化波导缝隙滤波天线阵列系统，其特征在于，所述的双极化“十”字型缝隙单元辐射层上按2×2的排列结构开设有四个“十”字型缝隙单元；每个“十”字型缝隙单元包含两个正交设置的波导缝隙，构成“十”字型缝隙，且两个波导缝隙的相位中心相同。
3.如权利要求2所述的全并馈共口径双极化波导缝隙滤波天线阵列系统，其特征在于，所述的四脊传输波导层设置在双极化“十”字型缝隙单元辐射层的正下方，包含：四脊方波导；四个波导段，设置在四脊方波导的顶面上，分别位于各个“十”字型缝隙单元的正下方，且每个所述波导段的尺寸大小均与“十”字型缝隙单元相同。
4.如权利要求3所述的全并馈共口径双极化波导缝隙滤波天线阵列系统，其特征在于，所述的双极化耦合缝隙层设置在四脊传输波导层的正下方，且该双极化耦合缝隙层的中心线与双极化“十”字型缝隙单元辐射层的中心线，以及与四脊传输波导层的中心线重合；所述的双极化耦合缝隙层上开设有两个正交设置的耦合缝隙，将水平极化波导及垂直极化波导馈入的能量耦合到四脊方波导。
5.如权利要求4所述的全并馈共口径双极化波导缝隙滤波天线阵列系统，其特征在于，所述的垂直极化馈电网络层设置在双极化耦合缝隙层的下方，当电磁波从垂直极化波导馈入时，直接通过双极化耦合缝隙层馈入四脊传输波导层的四脊方波导，将电磁波辐射到自由空间。
6.如权利要求5所述的全并馈共口径双极化波导缝隙滤波天线阵列系统，其特征在于，所述的水平极化耦合缝隙层设置在垂直极化馈电网络层的下方，包含水平方向设置的水平极化缝隙。
7.如权利要求6所述的全并馈共口径双极化波导缝隙滤波天线阵列系统，其特征在于，所述的水平极化馈电网络层设置在水平极化耦合缝隙层的下方，当电磁波从水平极化波导馈入时，其水平方向磁场分量直接通过水平极化耦合缝隙层馈入四脊传输波导层的四脊方波导，其垂直方向磁场分量经由水平极化耦合缝隙层的水平极化缝隙选取后馈入四脊传输波导层的四脊方波导，将电磁波辐射到自由空间。
8.如权利要求7所述的全并馈共口径双极化波导缝隙滤波天线阵列系统，其特征在于，所述的水平极化馈电网络层的中心线与双极化耦合缝隙层、双极化“十”字型缝隙单元辐射层、四脊传输波导层的中心线之间具有偏离。
9.如权利要求8所述的全并馈共口径双极化波导缝隙滤波天线阵列系统，其特征在于，所述的功分波导层包含：
水平极化波导功分器，其与水平极化馈电网络层设置在同一层，该水平极化波导功分器的中部两侧开设有枝节，底部开设有阶梯结构；
垂直极化波导功分器，其包含由上至下依次设置的输入端口层，过渡波导垂直极化耦合缝隙和两路输出端口层；
三端口波导功分器，其与垂直极化馈电网络层的输入端口层、水平极化馈电网络层的输入端口层设置在同一层，该三端口波导功分器的中部两侧开设有枝节，底部开设有阶梯结构。
10.如权利要求9所述的全并馈共口径双极化波导缝隙滤波天线阵列系统，其特征在于，所述的直线型频变耦合滤波器分别与垂直极化馈电网络层的输入端口、水平极化馈电网络层的输入端口级联；
该直线型频变耦合滤波器包含：横向依次连接的第一谐振器，第二谐振器，第三谐振器和第四谐振器；
其中，第一谐振器与第二谐振器之间通过第一耦合窗口连接，第三谐振器和第四谐振器之间通过第三耦合窗口连接，第二谐振器和第三谐振器之间通过设置短路枝节作为第二耦合窗口连接。
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