CN112909557B - 环状圆盘上的波导缝隙阵列天线及组合天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环状圆盘上的波导缝隙阵列天线及组合天线，其中波导缝隙阵列天线包括辐射波导缝隙阵列面板、辐射波导腔体阵列、单层馈电波导网络腔体、辐‑馈连接波导弯头以及波束形成网络腔体，所述辐‑馈连接波导弯头用于连接所述辐射波导腔体阵列与单层馈电波导网络腔体；所述环状天线的波导缝隙阵列面板、辐射波导腔体阵列、单层馈电波导网络腔体和辐‑馈连接波导弯头划分成位于4个象限内的4个区域，4个区域关于X轴和Y轴对称。与现有技术相比，本发明不仅可以提高和波束的增益，更可以降低和波束副瓣。对于差波束而言，由于圆盘中央增加的缝隙阵不与差波束端口连接，仍然可以保持差波束的低副瓣特性。

Description

环状圆盘上的波导缝隙阵列天线及组合天线

技术领域

本发明涉及一种制作在环状金属圆盘上的大型波导缝隙阵列天线组件，可用于单脉冲雷达系统。

背景技术

波导是一种制作在金属块中的空气腔体，最早是被用来输送电磁波的一种传输线，因为损耗小而被广泛应用。研究人员发现在波导表面切割缝隙之后，波导内壁面电流的连续性被破坏，波导内电磁场的结构发生改变，电磁波开始向外辐射，具有天线的特性，至此波导缝隙天线开始出现。通过对各个缝隙的结构参数进行控制，波导缝隙天线具有了低副瓣和高增益的特点。同时由于采用波导作为载体，波导缝隙天线天然具有结构紧凑，机械强度高的特点，能够应用在很多复杂的环境中，逐渐成为研究热点。

波导缝隙阵列天线还具有体积小、重量轻、馈电损耗低、辐射效率高、功率容量大和可靠性高等众多优点，自第二次大战以后获得了飞速发展，在地面、气象、机载、舰载、弹载等领域均有较好的应用，尤其是在需要窄波束或赋性波束的微波通信和雷达系统中，波导缝隙阵列天线几乎成了唯一的选择。另外，波导缝隙阵列天线的馈电系统和辐射系统一体化，成板状结构，天线轮廓侧面较小，仅为相应反射面天线的几分之一，所以能方便转动并且可以与飞行器载体共形，再加上其重量轻的特点，使得它在机载雷达上成为优选形式。

矩形波导壁上的缝隙(见图1)的辐射性能与矩形波导壁上TE10模的电流模式(见图2)密切相关。当缝隙截断电流时，缝隙具有较强的辐射，反之，辐射较弱。通过对照图1中缝隙和图2中的电流模式可以判断各种缝隙的辐射特性。图1中位于波导宽边的缝隙91和位于波导窄边的缝隙92，这两种缝隙的长度方向与电流流向一直，对电流的截断作用有限，所以如果在缝隙的宽度较小(通常是这样)的情况下，基本没有辐射。缝隙93和缝隙94，这两种缝隙分别位于宽边和窄边，并且两种都有效截断波导壁上的电流，所以辐射很强，但是由于这种缝隙通常可以调节的参数只有长度和宽度，所以对阻抗匹配调整的自由度低，难度较大。位于宽边的缝隙95，这种缝隙也可以有效截断波导壁上电流，截断效果随着缝隙偏离波导宽边纵向中心线的距离而发生变化，所以这种缝隙可以通过调整缝隙长度、缝隙宽度及纵向中心线偏移量来获得好的阻抗匹配效果。位于波导窄边的缝隙96和位于波导宽边的缝隙97，这种缝隙也能有效截断电流，并且可以通过旋转角度θ来调整截断效应，所以这种缝隙可以通过调整缝隙长度、缝隙宽度和旋转角度两个参数来实现阻抗匹配。根据上面的分析，缝隙类型95和 96在阻抗匹配调整方面具有优势，是获得最多应用的辐射缝隙类型。图3是单根波导宽边纵向缝隙阵，相邻缝隙间距等于波导的半个导波波长0.5λ_g，且分布于波导纵向中心线的两侧，用于保证每个缝隙的电磁波相位相同。

对于结构简单的波导缝隙阵列，例如制作缝隙阵的金属板至少有两个互相垂直的邻边，见图4，那么辐射波导101至少有一端可以对齐，通常采用位于辐射波导101下方的馈电波导102以串联馈电的方式对辐射波导101进行馈电，辐射波导101与馈电波导102的公共壁上设有耦合缝隙103，馈电波导102通过耦合缝隙103将电磁波馈入辐射波导101，然后通过辐射波导101上表面的辐射缝隙 104辐射出去，实现天线的功能。总的电磁波功率通过设在馈电波导下方的输入波导105经输入缝隙106送给馈电波导102，输入缝隙106位于输入波导105与馈电波导102的公共壁上。对于排列整齐的波导缝隙阵列，采用并联馈电也比较方便，见图5，图中的缝隙阵天线包含两层腔体，即并联馈电网络腔体131和辐射缝隙阵腔体132，电磁波从并联馈电网络腔体131的输入端133馈入，传输到并联馈电网络腔体131的各个功分末端134，然后电磁波通过功分末端134与辐射缝隙阵腔体132的公共壁上的耦合缝隙135进入辐射缝隙阵腔体132，并最终通过辐射缝隙阵腔体132上表面的辐射缝隙136辐射出去。由于结构上的对称性，从并联馈电网络131的输入端133到达各个功分末端134的路径长度相等，从而使得从输入端133馈入的电磁波，到达各个功分末端134的相位可以保持同相。串联馈电与并联馈电有各自的优缺点，串联馈电结构简单但带宽较窄，并联馈电复杂但带宽较宽，应根据不同系统的指标要求做相应的选择。

某些情况下，例如双模制导系统中，圆形口径的中央区域会被红外或光学传感器占用，留给微波或毫米波天线的就剩下一个环状圆盘区域。对于制作在环状圆盘上的大型波导缝隙阵天线，无法用串联馈电结构对天线进行激励。首先，串联馈电的波导缝隙阵列天线的带宽与缝隙数量相关，缝隙越多，带宽越窄，所以对大型缝隙阵用串联馈电会导致天线的工作带宽极窄，难以保证带宽指标；再者，对于环状结构，辐射波导末端沿着一个圆周线排列，难以用一个直波导对其进行串联馈电，而用弯波导馈电则基本上无法保持各个辐射波导的同相。制作在环状圆盘上的波导缝隙阵天线，由于其结构的环状特点，也无法用对称结构的并联网络进行馈电，同时，为了降低天线总体结构的剖面，馈电网络最好设计为单层结构，即整个馈电网络的所有器件布局在同一平层内，这使得环状大型波导缝隙阵列天线的设计非常困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

一种环状波导缝隙天线，包括辐射波导缝隙阵列面板、辐射波导腔体阵列、单层馈电波导网络腔体、辐-馈连接波导弯头以及波束形成网络腔体，所述辐- 馈连接波导弯头用于连接所述辐射波导腔体阵列与单层馈电波导网络腔体；其特征在于：所述环状天线的波导缝隙阵列面板、辐射波导腔体阵列、单层馈电波导网络腔体和辐-馈连接波导弯头划分成位于4个象限内的4个区域，4个区域关于X轴和Y轴对称。

所述辐射波导缝隙阵列面板的每个区域划分为I、II、III、IV和V共5个分区，5个分区按照两列三排布置，第一排第一列为分区I，第一排第二列为分区V，第二排第一列为分区II，第二排第二列为分区IV，第三排第二列为分区 III；每一个分区都由多列波导宽边纵向缝隙线阵组成；其中分区V是用于降低分区I和分区IV的边界截断效应的哑分区。

所述辐射波导腔体阵列位于辐射波导缝隙阵列面板下方；辐射波导腔体阵列由波导腔体单元构成；分区I～IV的波导宽边纵向缝隙线阵与辐射波导腔体阵列的波导腔体单元一一对应，每个波导腔体单元包含一个短路端及一个外部连接端口；波导宽边纵向缝隙线阵由分布于波导腔体单元纵向中心线的两侧的辐射缝隙构成，且相邻辐射缝隙的中心沿纵向相距半个导波波长(0.5λ_g)。

所述单层馈电波导网络腔体位于辐射波导腔体阵列的下方；单层馈电波导网络腔体的四分之一结构包括：11个一分四的等比功率分配器、7个一分二的等比功率分配器、一个2：1的不等比功率分配器、一个4：3的不等比功率分配器、一个7：4的不等比功率分配器、12个直角匹配的90°波导弯头、5个圆弧匹配的波导弯头、两个钝角匹配的波导折弯、一个E面90°波导弯头、外部连接端口以及一定数量的波导连接线。

所述一分四的等比功率分配器采用了多级台阶匹配。

所述辐-馈连接波导弯头中包含用于降低反射系数的三个匹配台阶。

所述波束形成网络腔体包含4个准平面魔Tee、8个H面直角波导弯头、4 个非标E面波导弯头、4个非标波导到标准波导的E面波导转换弯头、4个外部连接端口、一个和波束端口、一个方位差端口、一个俯仰差端口以及一个闲置端口；准平面魔Tee包含两层结构，下层是一个H面Tee结，上面是一个一端短路的波导，上下两层通过公共壁上的耦合孔连接；

所述准平面魔Tee下层的H面Tee结上设有一个匹配方块及两个匹配台阶，用于保证第一端口、第二端口、第三端口和第四端口的驻波，以及在第一端口和第二端口馈电时，第三端口和第四端口能够等分输入功率。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是:

本发明通过设置对称分布的在四个象限内的环状天线的波导缝隙阵列面板、辐射波导腔体阵列、单层馈电波导网络腔体和辐-馈连接波导弯头，从而形成环状天线。

单脉冲雷达天线系统存在和差矛盾，当阵列天线的激励幅度沿口径呈高斯分布(中央强度大，边缘逐渐降低)时，和波束副瓣良好，但差波束副瓣稍差；当阵列天线的激励幅度沿口径呈马鞍状分布时，和波束副瓣变差，而差波束副瓣变好。本发明的环状缝隙阵，由于中央是空的，所以阵元的电磁波幅度分布近似马鞍状，因此差波束副瓣良好，但是和波束稍差。如果在中央的圆孔处设置一个小型的波导缝隙阵，该小型阵面接收的电磁波合成一路后与图17中的和波束合路，得到新的和波束，这样对和波束而言，由于中央补充了波导缝隙阵，其阵面电磁波振幅分布近似为高斯分布，不仅可以提高和波束的增益，更可以降低和波束副瓣。对于差波束而言，由于圆盘中央增加的缝隙阵不与差波束端口连接，仍然可以保持差波束的低副瓣特性。

另外，也在环形圆盘中央的圆孔处设置红外或光学传感器镜头，所构成的组合天线可以同时具备微波(毫米波)及红外或光学频段的探测能力，增强雷达的抗干扰能力和制导精度。

附图说明

图1波导上的各种缝隙；

图2波导壁上的电流模式；

图3单根波导宽边纵向缝隙阵；

图4规则波导缝隙阵的串联馈电方式；

图5规则波导缝隙阵的并联馈电方式；

图6为本发明提出的环状波导缝隙阵的侧前方视图；

图7为本发明提出的环状波导缝隙阵的侧后方视图；

图8为本发明提出的环状波导缝隙阵的分层结构示意图；

图9为本发明提出的辐射波导缝隙阵列面板四分之一结构的示意图；

图10为本发明提出的环状波导缝隙阵中的缝隙细节图；

图11为本发明提出的环状波导缝隙阵的单层馈电波导网络腔体示意图；

图12为本发明提出的环状波导缝隙阵的单层馈电波导网络的端口相位分布曲线；

图13为本发明提出的环状波导缝隙阵的单层馈电波导网络的端口功率分配曲线；

图14为本发明提出的环状波导缝隙阵的辐-馈连接波导弯头示意图；

图15为本发明提出的环状波导缝隙阵的波束形成网络腔体示意图；

图16为本发明提出的环状波导缝隙阵的准平面魔Tee结构示意图；

图17为本发明提出的环状波导缝隙阵中的馈电波导网络腔体与波束形成网络腔体对接关系示意图；

图18为本发明的实施方式1的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。

见图6、图7和图8，本发明环状波导缝隙天线，是一种多层结构，包括辐射波导缝隙阵列面板1、辐射波导腔体阵列2、单层馈电波导网络腔体3、辐-馈连接波导弯头4、波束形成网络腔体5。为了清楚起见，辐射波导腔体阵列2、单层馈电波导网络腔体3、辐-馈连接波导弯头4及波束形成网络腔体5都仅仅给出了腔体轮廓，实际上这些结构都是制作在金属块中的空气腔体。环状天线的波导缝隙阵列面板1、辐射波导腔体阵列2、单层馈电波导网络腔体3和辐-馈连接波导弯头4划分成4个对称的区域，位于4个象限内，并关于X轴和Y轴对称，只有波束形成网络腔体5是不对称的，所以下面关于波导缝隙阵列面板1、辐射波导腔体阵列2、单层馈电波导网络腔体3和辐-馈连接波导弯头4的描述主要以各自结构的四分之一部分展开。如前所述，当一根波导的缝隙数目过多时将导致带宽变窄，所以本发明中的大型环形阵将把阵面进行分区，各个分区内用长度适中的波导组阵以保证带宽。如图9中的虚线框所示，将辐射波导缝隙阵列面板1划分为I、II、III、IV和V共5个分区，每一个分区都由多列波导宽边纵向缝隙线阵11组成。其中分区V是哑分区，下面的空腔不是真正的波导，即分区 V不辐射和接收电磁波，它的作用是降低分区I和分区IV的边界截断效应。参见图10，图10是图9中II区的放大图，分区I～IV的波导宽边纵向缝隙线阵11 与辐射波导腔体阵列2波导腔体单元21一一对应，辐射波导腔体阵列2位于辐射波导缝隙阵列面板1下方，以虚线表示；每个波导腔体单元21包含一个短路端211及一个外部连接端口212。相邻的两个辐射缝隙111分布于波导纵向中心线的两侧，且相邻辐射缝隙111的中心沿纵向相距半个导波波长0.5λ_g，这种设置使得从外部连接端口212出发的电磁波到达每个波导辐射缝隙线111时是同相的。单层馈电波导网络腔体3位于辐射波导腔体阵列2的下方，它的四分之一结构如图11所示，图中所有虚线框都不是结构体，用于指示虚线框内的器件。单层馈电波导网络腔体3的四分之一结构包括：11个紧凑型一分四的等比功率分配器31、7个一分二的等比功率分配器32、一个2：1的不等比功率分配器33、一个4：3的不等比功率分配器34、一个7：4的不等比功率分配器35、12个直角匹配的90°波导弯头36、5个圆弧匹配的波导弯头37、两个钝角匹配的波导折弯38、一个E面90°波导弯头39、外部连接端口310以及一定数量的波导连接线311；紧凑型一分四的等比功率分配器31的体积非常小，只有这样才能给不等比功率分配器35、波导连接线311等器件留出空间，使得单层馈电波导网络腔体3得以实现，即单层馈电波导网络腔体3的所有器件能布置在一个平层内；由于紧凑型一分四的等比功率分配器31的体积极小，为了保证其性能，采用了多级台阶匹配；一个设计好的单层馈电波导网络腔体3的端口相位分布曲线和功率分配曲线的仿真结果分别如图12和图13所示，由于包含多达44个端口，所以两图中除主端口310外，随机选取另外6个端口给出结果，从图中12中可以看到，各个分端口的相位在全频段内基本同相分布，而从图13可以看到，各个分端口都分得大约1/44的功率-16.43dB，主端口反射系数S11在-22dB以下。通过44个辐-馈连接波导弯头4将辐射波导腔体阵列2与单层馈电波导网络腔体 3连接起来，见图14，辐射波导腔体阵列2中的波导单元21的横截面与单层馈电波导网络腔体3中的波导的横截面尺寸可以不同，所以辐-馈连接波导弯头4 中包含三个匹配台阶41、42和43，用于降低反射系数，保证电磁波信号传播的通畅。波束形成网络腔体5如图15所示，包含4个准平面魔Tee51、8个H面直角波导弯头52、4个非标E面波导弯头53、4个非标波导到标准波导的E面波导转换弯头54、4个外部连接端口55、一个和波束端口56、一个方位差端口57、一个俯仰差端口58以及一个闲置端口59。准平面魔Tee51的结构见图16，包含两层结构，下层是一个H面Tee结511，上面是一个一端短路的波导512，上下两层通过公共壁上的耦合孔513连接，下层的H面Tee结上设有一个匹配方块 514及两个匹配台阶515，用于保证第一端口516、第二端口517、第三端口518 和第四端口519的驻波，以及在第一端口516和第二端口517馈电时，第三端口 518和第四端口519能够等分输入功率。单层馈电波导网络腔体3通过外部连接端口310与波束形成网络腔体5的外部连接端口55对接到一起，实现两者之间的连通，见图17。

其工作原理为：先以天线的四分之一结构工作在接收状态为例进行说明，雷达回波入射到波导缝隙阵1后，通过缝隙耦合进入44根辐射波导阵列2，然后经过辐射波导传播到44个外部接口212后，再经过辐-馈连接波导弯头4进入单层馈电波导网络腔体3，在单层馈电波导网络腔体3的作用下合成一路电磁波信号，然后传输到单层馈电波导网络腔体3的外部接口310。下面说明四个分区的缝隙阵如何经波束形成网络5形成单脉冲和差波束，参见图17。由于单层馈电波导网络腔体3的四个外部接口310的分别与波束形成网络腔体5的四个外部端口551、552、553和554对接，位于四个象限的缝隙阵接收到的电磁波信号最终进入波束形成网络腔体5，从外部端口551和554进入的电磁波信号连接到准平面魔Tee51，并经过准平面魔Tee51的处理，生成一路和信号∑1和一路差信号Δ1；从外部端口552和553进入的电磁波信号连接到准平面魔Tee51，并经过准平面魔Tee51的处理，生成一路和信号∑2和一路差信号Δ2；和信号∑1 与和信号∑2进入准平面魔Tee51，并经准平面魔Tee51处理，获得最终的和波束561和方位差波束571；差信号Δ1与差信号Δ2进入准平面魔Tee51，并经准平面魔Tee51处理，获得最终的俯仰差波束581和闲置端口波束591。

实施方式1：本实施方式用于实现双模制导。如图18所示，在环形圆盘中央的圆孔处设置红外或光学传感器镜头901，在天线的下方设置微波/毫米波波束端口902及红外或光学波束端口903，所构成的组合天线可以同时具备微波(毫米波)及红外或光学频段的探测能力，增强雷达的抗干扰能力和制导精度。

实施方式2：本实施方式用于缓解单脉冲雷达体制中的和差矛盾。众所周知，单脉冲雷达天线系统存在和差矛盾，当阵列天线的激励幅度沿口径呈高斯分布 (中央强度大，边缘逐渐降低时，和波束副瓣良好，但差波束副瓣稍差；当阵列天线的激励幅度沿口径呈马鞍状分布时，和波束副瓣变差，而差波束副瓣变好。本发明的环状缝隙阵，由于中央是空的，所以阵元的电磁波幅度分布近似马鞍状，因此差波束副瓣良好，但是和波束稍差。如果在中央的圆孔处设置一个小型的波导缝隙阵，该小型阵面接收的电磁波合成一路后与图17中的和波束合路，得到新的和波束，这样对和波束而言，由于中央补充了波导缝隙阵，其阵面电磁波振幅分布近似为高斯分布，不仅可以提高和波束的增益，更可以降低和波束副瓣。对于差波束而言，由于圆盘中央增加的缝隙阵不与差波束端口连接，仍然可以保持差波束的低副瓣特性。

Claims (8)

1.一种环状圆盘上的波导缝隙阵列天线，包括辐射波导缝隙阵列面板（1）、辐射波导腔体阵列（2）、单层馈电波导网络腔体（3）、辐-馈连接波导弯头（4）以及波束形成网络腔体（5）；所述辐射波导腔体阵列（2）位于辐射波导缝隙阵列面板（1）下方；所述单层馈电波导网络腔体（3）位于辐射波导腔体阵列（2）的下方；所述辐-馈连接波导弯头（4）用于连接所述辐射波导腔体阵列（2）与单层馈电波导网络腔体（3）；其特征在于：所述辐射波导缝隙阵列面板（1）、辐射波导腔体阵列（2）、单层馈电波导网络腔体（3）和辐-馈连接波导弯头（4）划分成位于4个象限内的4个区域，4个区域关于X轴和Y轴对称所述辐射波导缝隙阵列面板（1）的每个区域划分为I、II、III、IV和V 共5个分区，5个分区按照两列三排布置，第一排第一列为分区I，第一排第二列为分区V，第二排第一列为分区II，第二排第二列为分区IV，第三排第二列为分区III；每一个分区都由多列波导宽边纵向缝隙线阵（11）组成；其中分区V是用于降低分区I和分区IV的边界截断效应的哑分区。

2.根据权利要求1所述的波导缝隙阵列天线，其特征在于：辐射波导腔体阵列（2）由波导腔体单元（21）构成；分区I~IV的波导宽边纵向缝隙线阵（11）与辐射波导腔体阵列（2）的波导腔体单元（21）一一对应，每个波导腔体单元（21）包含一个短路端（211）及一个外部连接端口（212）；波导宽边纵向缝隙线阵（11）由分布于波导腔体单元（21）纵向中心线的两侧的辐射缝隙（111）构成，且相邻辐射缝隙（111）的中心沿纵向相距半个导波波长。

3.根据权利要求1所述的波导缝隙阵列天线，其特征在于：单层馈电波导网络腔体（3）的四分之一结构包括：11个一分四的等比功率分配器（31）、7个一分二的等比功率分配器（32）、一个2：1的不等比功率分配器（33）、一个4：3的不等比功率分配器（34）、一个7：4的不等比功率分配器（35）、12个直角匹配的90°波导弯头（36）、5个圆弧匹配的波导弯头（37）、两个钝角匹配的波导折弯（38）、一个E面90°波导弯头（39）、外部连接端口（310）以及一定数量的波导连接线（311）。

4.根据权利要求3所述的波导缝隙阵列天线，其特征在于：所述一分四的等比功率分配器（31）采用了多级台阶匹配。

5.根据权利要求3所述的波导缝隙阵列天线，其特征在于：所述辐-馈连接波导弯头（4）中包含用于降低反射系数的三个匹配台阶（41、42、43）。

6.根据权利要求3所述的波导缝隙阵列天线，其特征在于：所述波束形成网络腔体（5）包含4个准平面魔Tee（51）、8个H面直角波导弯头（52）、4个非标E面波导弯头（53）、4个非标波导到标准波导的E面波导转换弯头（54）、4个外部连接端口（55）、一个和波束端口（56）、一个方位差端口（57）、一个俯仰差端口（58）以及一个闲置端口（59）；准平面魔Tee（51）包含两层结构，下层是一个H面Tee结，上面是一个一端短路的波导，上下两层通过公共壁上的耦合孔连接。

7.根据权利要求6所述的波导缝隙阵列天线，其特征在于：所述准平面魔Tee（51）下层的H面Tee结上设有一个匹配方块及两个匹配台阶，用于保证第一端口、第二端口、第三端口和第四端口的驻波，以及在第一端口和第二端口馈电时，第三端口和第四端口能够等分输入功率。

8.一种组合天线，其特征在于：在权利要求1-7任一所述波导缝隙阵列天线的环状圆盘的中心圆孔处设置红外或光学传感器镜头，在所述波导缝隙阵列天线的下方设置微波/毫米波波束端口及红外或光学波束端口。

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