CN112542696B - 一种波导缝隙天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波导缝隙天线，包括波导缝隙天线组成的天线阵列，波导缝隙阵天线的缝隙垂直地开在波导窄边；在天线阵列的输入端口的中轴线上设有匹配柱，天线阵列的每一条缝隙的左右两侧设有调配块，且调配块设在天线阵列的内侧且上下错开设置。本发明通过设置调配块实现天线的辐射，并结合匹配柱实现波导天线的快速、稳定的匹配。

Description

一种波导缝隙天线

技术领域

本发明涉及天线设计技术领域，具体为一种波导缝隙天线。

背景技术

近年来人们对高效率、低副瓣天线的需求日益强烈，尤其在弹载、机载、舰载搜索以及跟踪天线上。传统抛物面天线受其口径的限制，难以在高效率、低副瓣上做出较大的提升，而波导缝隙天线设计的灵活性高，其可调参数多，较容易实现高效率、低副瓣的目标。结构紧凑、重量轻和成本较低的优点也是其受到广泛应用的原因。

波导是空心金属导波装置，应用于微波波段。用的比较多的是开有倾斜缝的波导天线，由于缝隙是倾斜的，会引起较高的交叉极化。在实际应用中为了满足口径场一定的分布，各个缝隙的倾斜角度都是不一样的，因而实际上各个缝隙的长度都不一样，再考虑到波导的壁厚和缝的宽度，计算起来十分困难。

其次，实现天线的阻抗匹配也非常重要。阻抗匹配主要用于传输线上，以此来达到所有高频的微波信号均能传递至负载点的目的，而且几乎不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。

对于矩形波导缝隙天线的设计，传统的阻抗匹配技术很难对整个天线系统做到实时、快速并且稳定的匹配，这在一定程度上增加了天线设计的难度。一般采用在波导上方加销钉，通过改变销钉深入波导的深度来实现匹配，该方法调节较为单一，需要较长的优化时间才能得到相对较优的结果，并且针对不同频段、不同缝隙数量的波导缝隙天线，单一的调节手段有时并不能优化出符合预期目标的结果。因此，需要一种交叉极化低且可快速、稳定匹配波导缝隙天线。

申请公布号为CN 102931492 A的中国发明专利公开了一种中心馈电脊波导缝隙天线，在脊波导有脊的一面形成缝隙阵，脊的另一侧放置金属调谐块，用于调节辐射缝隙的等效导纳。使用的波导天线为波导宽边开倾斜缝的天线，交叉极化高且调节手段复杂，使用馈电手段是同轴线馈电，馈电损耗大。

申请公布号为CN 108075235 A的中国发明专利公开了一种垂直缝隙波导天线，在波导窄边的垂直缝隙两侧添加金属台，使得天线能够具有低旁瓣、低交叉极化小尺寸的特性，但是还是存在波导天线难以快速实现阻抗匹配、不同频段不同缝隙数量的波导天线匹配难以优化至符合预期目标的问题。

发明内容

针对以上提出的问题，本发明提供一种波导缝隙天线，旨在波导窄边开垂直缝隙提高交叉极化性能，通过设置匹配柱以实现波导天线的辐射功能并结合调配块实现波导天线输入端与波导天线内部、内部与外部电路之间的阻抗匹配。

一种波导缝隙天线，包括波导缝隙天线组成的天线阵列，波导缝隙天线的缝隙为开在波导窄边的垂直缝隙；天线阵列的输入端口的中轴线上设有匹配柱，天线阵列的每一条缝隙的左右两侧设有调配块，调配块设在天线阵列的内侧且上下错开设置。当在波导窄边开垂直缝时，其切割的电流几乎忽略不计，在缝隙内不能激励起电磁场，因此对空间不能产生辐射。为了改变这一情况，在缝隙两侧加入调配块，改变缝隙附近波导内的场分布，使得垂直缝隙也可以有效切割电流，在缝隙内激励起电磁场，进而向空间产生辐射。调配块和匹配柱的尺寸可以调节，通过改变调配块的尺寸来改变辐射缝隙的阻抗，使缝隙和自由空间的阻抗相匹配从而达到更好的辐射效果；通过改变匹配柱的尺寸来改变波导天线在输入端口的阻抗，使得端口阻抗和输入阻抗相匹配从而使得输入的能量损失减小。

作为优选，天线阵列的中央、波导宽边的下边界上设有凸出的中空矩形馈电波导，馈电波导的内腔对应输入端口，并通过馈电波导实现馈电。

作为优选，缝隙的长度小于半个波长，相邻缝隙之间的间距为半个波长。

作为优选，匹配柱的圆心至天线阵列的波导宽边上边界的距离为1/2至1 个波导宽边长度，匹配柱的半径小于1/4个波导宽边长度，且匹配柱的高度等于天线阵列的波导窄边长度。

作为优选，该调配块的长度、宽度及高度均小于1/2个波导宽边长度。

作为优选，匹配柱为铝制的圆柱体。

作为优选，调配块为铝制的长方体。

作为优选，天线阵列为直线阵。

作为优选，天线阵列的工作频率为9.2GHz至9.4GHz。

有益效果：

(1)本发明的波导缝隙天线为窄边开缝天线，馈电在波导内完成，不需要另加功率分配器，馈电方便，且用作大阵面的单元天线时，单元天线间距可以小到波导窄边的宽度，可调范围大；

(2)本发明的波导缝隙天线为窄边开垂直缝的天线，相较于倾斜缝隙，具有低副瓣、低交叉极化的优点；

(3)本发明通过设置调配块以切割波导内的电场，实现天线的辐射功能，同时可以实现波导缝隙与后端辐射空间的阻抗匹配，使天线在任何频率上都有最大的辐射功率；

(4)本发明通过设置匹配柱，以实现输入端口与波导内部的阻抗匹配，使得负载能够最大程度地吸收信号源的有效能量；

(5)本发明通过调配块和匹配柱相结合的匹配方式，提高了天线的匹配速度；

(6)本发明通过调配块和匹配柱相结合的匹配方式，克服了使用单一的方法调节不同频段和不同缝隙数量的波导缝隙天线不能得到预期结果的问题，能得到更为优化的匹配的结果。

(7)本发明的波导缝隙天线使用波导馈电方式，具有损耗低的优点。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的波导缝隙天线示意图；

图2为本发明的一个实施例的波导缝隙天线的水平切面图；

图3为本发明的一个实施例的波导缝隙天线的沿a-a’方向的切面图；

图4为本发明的一个实施例的波导缝隙天线的所有扫描状态驻波情况图；

图5为本发明的一个实施例的波导缝隙天线优化后的驻波状态图。

附图标记：

1匹配柱、2调配块、3输入端口、4波导宽边、5波导窄边、6缝隙、7波导宽边上边界。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种波导缝隙天线，插入匹配柱使天线产生辐射并利用匹配柱的阻抗变换作用，让匹配柱和负载的组合阻抗等于主传输线的特性阻抗，从而让系统工作在阻抗匹配的状态，负载最大程度地吸收信号源的有效能量。本发明中在缝隙两侧设置调配块，使得没有处于谐振状态的整个负载端通过调配块中的串联并联电感电容电路补偿到谐振，并且谐振后如果负载端的输入阻抗不等于信号源端的输出阻抗时，通过改变网络的传输系数调整负载端与信号源端的变压比，以达到匹配，从而使天线在任何频率上有最大的辐射功率。

如图1所示，为本发明的一种波导缝隙天线示意图，一种波导缝隙天线，包括天线阵列，该天线阵列为一种直线阵，直线阵的中轴线上、波导宽边的下边界上设有凸出的中空矩形馈电波导，馈电波导的内腔对应输入端口3，通过馈电波导实现波导馈电。天线阵列的工作频率为9.2GHz至9.4GHz。在天线阵列内设有匹配柱1，匹配柱1为金属的圆柱体，优选为一种铝制的圆柱体。匹配柱1设在该直线阵的输入端口3的中轴线上，匹配柱1的圆心至直线阵的波导宽边上边界7的距离为1/2至1个波导宽边4的长度，匹配柱1的半径小于1/4个波导宽边4的长度，且匹配柱1的高度等于直线阵的波导窄边5的长度。波导缝隙阵天线的缝隙6垂直、等距离地开在波导窄边，且缝隙6的长度略小于半个波长，相邻缝隙之间的间距为半个波长。由于天线的缝隙6 垂直于波导轴线，只有平行于波导轴线的电场分量，所以在波导中插入调配块2,使得垂直缝隙切割波导内壁产生辐射。调配块2设置在天线阵列内部、每一条缝隙6的左右两侧，调配块2为金属的长方体，优选为铝制的长方体。如图2所示，为波导缝隙天线的水平切面图，如图3所示，波导缝隙天线的沿a-a’方向的切面图，调配块2设在天线阵列的内侧，并且上下错开设置，两个调配块在水平面上无重合，且调配块2的侧面与垂直缝隙6的侧面位于同一垂直面。调配块2的长度、宽度及高度均小于1/2个波导宽边4的长度。

本实施例中，波导缝隙天线优选X波段BJ100标准的波导天线，缝隙数为六个，波导宽边为22.86mm，波导窄边为10.16mm，匹配柱的圆心至直线阵的波导宽边上边界的距离为11.43mm至22.86mm，匹配柱的半径为0mm至 5.71mm，调配块的高度、宽度和长度均为0mm至5.43mm。

为验证本发明公开的波导天线的匹配效果，使用仿真软件对本实施例公开的波导天线进行阻抗匹配。设置扫描范围为：匹配柱距离波导宽边上边界的距离为PPZ_S，则11.43m<PPZ_S<22.86mm；匹配柱半径为PPZ_R,则 0mm<PPZ_R<5.71mm；调配块的高度为PP_a、宽度为PP_b、长度为PP_c，则0mm<PP_a、PP_b、PP_c<5.4mm。

图4为本发明的波导缝隙天线的所有扫描状态驻波情况图。X轴为频率，Y轴为系统的驻波值，图上的折线为匹配柱的圆心至直线阵的波导宽边的距离、匹配柱的半径、调配块的高度、宽度和长度这五个参数在不同数值的情况下天线的驻波情况图。

图5为本发明的波导缝隙天线优化后的驻波状态图。对应图4的驻波情况图，从中选取在9.2GHz～9.4GHz整个工作频带内驻波值都小于2且整体值都相对最小的值，这个值即为目前的最佳匹配状态。驻波值VSWR是指驻波的电压峰值与电压谷值之比，在整个工作频带内，驻波值均小于2，在中心频点9.3GHz处的驻波小于1.2，说明此处接近行波，传输特性比较理想，整体已经达到了一个较好的匹配状态。此时调配块的高度宽度、长度、匹配柱距离波导宽边的距离、匹配柱半径分别为1.5mm、5mm、3mm、16mm和2mm。

对于其他工作频段以及不同缝隙数的天线，选择相应频段的标准波导并设置匹配柱和调配块，也可以使整个天线系统达到较好的阻抗匹配状态。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种波导缝隙天线，其特征在于：包括波导缝隙天线组成的天线阵列，所述波导缝隙天线的缝隙(6)为开在波导窄边(5)的垂直缝隙；所述天线阵列的输入端口(3)的中轴线上设有匹配柱(1)，所述天线阵列的每一条缝隙(6)的左右两侧设有调配块(2)，所述调配块(2)设在天线阵列的内侧且上下错开设置。

2.根据权利要求1所述的一种波导缝隙天线，其特征在于：所述天线阵列的中央、波导宽边的下边界上设有凸出的中空矩形馈电波导，所述馈电波导的内腔对应输入端口(3)，并通过馈电波导实现馈电。

3.根据权利要求2所述的一种波导缝隙天线，其特征在于：所述缝隙(6)的长度小于半个波长，相邻所述缝隙(6)之间的间距为半个波长。

4.根据权利要求3所述的一种波导缝隙天线，其特征在于：所述匹配柱(1)的圆心至所述天线阵列的波导宽边上边界(7)的距离为1/2至1个波导宽边(4)长度，所述匹配柱(1)的半径小于1/4个波导宽边(4)长度，且所述匹配柱(1)的高度等于所述天线阵列的波导窄边(5)长度。

5.根据权利要求3所述的一种波导缝隙天线，其特征在于：所述调配块(2)的长度、宽度及高度均小于1/2个波导宽边(4)长度。

6.根据权利要求4所述的一种波导缝隙天线，其特征在于：所述匹配柱(1)为铝制的圆柱体。

7.根据权利要求5所述的一种波导缝隙天线，其特征在于：所述调配块(2)为铝制的长方体。

8.根据权利要求4或5所述的一种波导缝隙天线，其特征在于：所述天线阵列为直线阵。

9.根据权利要求8所述的一种波导缝隙天线，其特征在于：所述天线阵列的工作频率为9.2GHz至9.4GHz。

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