CN113036440A - 宽带宽角扫描开口波导相控阵列天线 - Google Patents

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黄浩
张喆
曾建平
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Abstract

本发明属于天线技术领域，具体为一种宽带宽角扫描的开口波导相控阵天线。阵列由矩形开口波导天线单元以正三角形栅格排列而成。阵列口径处加载表面调制结构，包含金字塔型介质凸起结构和锥形金属侧壁。金字塔型介质凸起作为阻抗渐变结构，用于实现宽角扫描阻抗匹配；锥形金属侧壁作为电磁带隙结构，用于产生表面波带隙，抑制工作频段内的扫描盲点。该阵列在40%的工作带宽内可实现主平面±65°以上的扫描，结构紧凑、可靠性高。

Description

宽带宽角扫描开口波导相控阵列天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种开口波导相控阵列天线。
背景技术
金属波导天线因其结构简单、低损耗高增益、可靠性高、功率容量大和加工方便等诸多优良特性而在雷达、通信、射电天文等领域得到了广泛的应用。波导天线可通过在其金属侧壁上开缝形成缝隙阵列天线，作为高增益定波束阵列天线来使用，也可以在一个维度上形成频率扫描或者通过多根波导并排形成相位扫描。然而，缝隙天线由于其强谐振特性，工作带宽较窄，除此之外难以形成二维相控扫描。
相控阵天线由于其高数据率，快速准确的波束捷变能力等优点近年来在军事和民用领域得到了广泛的应用。不同于波导侧壁开缝，将开口波导二维排列，可以形成二维相控阵天线。然而，将波导组成阵列后，由于互耦效应，天线的特性与单天线有很大的差异。一方面，互耦会使得阵列在大角度扫描时，有源阻抗变化较大，造成输入端口阻抗失配，严重影响辐射效率。另一方面，由于波导口面处表面波模式的存在，使得在特定角度下，弗洛凯模式和表面波模式强耦合，造成“扫描盲点”，表现为天线端口阻抗完全失配，有源反射系数接近于1。多年来，人们尝试了很多方法来提高波导阵列的宽带宽角扫描能力，如采用金属匹配膜片、介质塞加载、宽角阻抗匹配层等。这些方法仅能在较窄的带宽内实现阵列的宽角阻抗匹配，其中介质覆层的使用还会进一步加剧高频的表面波效应，使得扫描盲点向低频移动，从而影响阵列的扫描性能。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供一种表面结构调制的宽带宽角扫描开口波导相控阵列天线，可以同时解决阵列宽角扫描阻抗失配问题和由表面波引起的扫描盲点问题。
本发明提供的宽带宽角扫描开口波导相控阵列天线，由若干矩形开口波导天线单元以正三角形栅格形式排列而成的 M×N的二维阵列（M、N相等或不相等）；阵列主体采用金属结构，内部填充介质材料。天线单元的基本形状为一长方柱体，由三段构成，从上到下依次为：表面调制结构、具有介质填充块的矩形波导、馈电网络。天线单元在底部通过同轴接头激励馈电，阵列底部由一金属地板固定。
本发明中所述阵列采用正三角形栅格排布，其含义是，阵列中，在同一行方向，天线单元是顺序延拓排列；而在相邻两行之间，其中相邻三个天线单元的中心轴线成正三角形分布，而且，相间两行的天线单元位置平齐；参见图5所示。这样的阵列天线的排布方式，可以在不引入栅瓣的情况下，尽可能增大波导口径，降低波导截止频率。
本发明中，的矩形开口波导天线单元为单线极化工作天线，主模为TE10模式。
所述矩形波导中的介质填充块的材料是介电常数大于1的低损耗介质材料，可以实现波导主模截止频率的降低，拓宽其在阵列中的工作带宽。
本发明中，所述表面调制结构，为本发明的核心，包含金字塔型介质凸起结构和三角形金属侧壁。这里，所谓金字塔型介质凸起结构，实际是一四棱锥体，四棱锥体的底部为与矩形波导匹配的矩形；在四棱锥体的宽边一侧的金属侧壁为两个相同结构并列排布的等腰三角形（该腰三角形的底边长为四棱锥体宽边长度的1/2），在四棱锥体的窄边一侧的金属侧壁为一个等腰三角形（该腰三角形的底边长与四棱锥体窄边长度相同）。
在所述表面调制结构中，金字塔型介质凸起结构和三角形金属侧壁的高度大约相同，并且约为中心频率的半波长。
金字塔型介质凸起作为阻抗渐变结构，用于实现宽角扫描阻抗匹配；三角形金属侧壁作为电磁带隙结构，用于产生表面波带隙，抑制工作频段内的扫描盲点。金字塔型介质凸起结构和三角形金属侧壁的高度至关重要，在高度大约相同并且约为中心频率的半波长时可以使阵列获得最优的性能。
本发明中，所述馈电网络包含同轴输入段、模式转换段和阻抗变换段三部分。同轴输入段可由标准的SMP同轴接头实现；模式转换段包含圆同轴线内导体、方同轴线内导体和脊适配段，用于实现圆同轴线内TEM模式向方同轴线内TEM模式的转变，进一步通过脊适配段实现向TE10模式的平滑过渡；阻抗匹配段由四阶切比雪夫阻抗变换器实现。
本发明中，所述天线单元各段为互连结构，结构简单紧凑，利于大规模布阵。
本发明中，所述矩形波导中的介质填充结构和金字塔型介质凸起结构可以做成一体化介质填充块，通过物理限位的方式填充在波导内部。为了组装方便，所述方同轴线和脊适配段均为空气，作为填充介质材料，并未实际填充介质材料。
本发明中，所述金属地板用于反射电磁波，减少后向辐射，避免后端电子器件和前端阵列天线的相互影响。
本发明提供的开口波导阵列可以在整个期望的工作频段内不出现扫描盲点，并且实现超过65°的完美扫描阻抗匹配。整个期望的工作频段从波导单元的TE10截止频率到阵列栅瓣出现的频率。通过电磁仿真软件对天线包含馈电网络在内的结构进行整体调优，最终阵列可实现40%的工作带宽，同时在主平面±65°以上的扫描。借助所述表面调制结构，所述阵列实现了优良的宽带宽角扫描性能，并且结构紧凑、可靠性高。
附图说明
图1为开口波导天线单元结构的斜视图。
图2为开口波导天线单元结构的宽边侧视图。
图3为开口波导天线单元结构的窄边侧视图。
图4为介质填充块的结构图。
图5为11×11阵列结构示意图。
图6为周期边界条件下E面的驻波图。
图7为周期边界条件下H面的驻波图。
图8为11×11阵列E面10 GHz扫描方向图。
图9为11×11阵列H面10 GHz扫描方向图。
图中标号：1为圆同轴线，2为圆同轴线内导体，3为方同轴线，4为方同轴线内导体，5为脊适配段,6为四阶契比雪夫变换器，7为波导内介质填充块，8为宽边锥形金属侧壁，9为窄边锥形金属侧壁，10为金字塔型介质凸起结构，11为波导窄边侧壁，12为匹配凹槽，13为金属地板，14为波导宽边侧壁。
具体实施方式
如图1所示为开口波导阵列天线的单元结构图。天线由两种材质组成，波导外壁和内部的圆同轴线内导体2、方同轴线内导体4、脊适配段5、四阶契比雪夫变换器6均为金属结构，波导内介质填充块7和金字塔型介质凸起结构10为介电常数2.2的聚四氟乙烯材料。金属结构和介质结构均由数控机床加工。实际使用时，每个天线单元通过SMP同轴接头激励，电磁能量依次经过圆同轴线1、方同轴线3、脊适配段5、四阶契比雪夫变换器6转变成矩形波导内的TE模式，经波导口向外辐射。每个波导单元的激励相位可以在输入时调节，使得阵列整体可以实现波束扫描。
由于阵列采用正三角形栅格排布，三角形形金属部分8和9难以与波导阵列一体化加工成型。在8 GHz到12 GHz的期望工作频段内，波导窄边侧壁的厚度范围仅约为0.6 mm到1 mm，锥形金属侧壁8和9与金字塔型介质凸起结构10的高度一致，约为14 mm。整个阵列的加工采取分块加工、拼装成型的方式。加工零部件主要包括金属地板13、一体化内部金属块（包含方同轴线内导体4、脊适配段5、四阶契比雪夫变换器6）、一体化介质填充块（包含波导内介质填充块7和金字塔型介质凸起结构10）、波导窄边侧壁金属片（包含窄边锥形金属侧壁9和波导窄边侧壁11）和波导宽边侧壁金属片14。
如图2和如图3所示，在波导宽边包含两块三角形金属侧壁8，在波导窄边包含一块三角形金属侧壁9。图3所示窄边锥形金属侧壁9和波导窄边侧壁11为一体化加工的金属片状结构，图5所示波导宽边侧壁金属片14为整排片状金属结构。窄边金属片状结构（9和11）通过凹槽限位于多排宽边侧壁金属片14之间，宽边侧壁金属片14通过螺丝固定在金属地板13上。
图4所示一体化介质填充块，包含波导内介质填充块7和金字塔型介质凸起结构10，底部设置有匹配凹槽12，用于与四阶契比雪夫变换器6匹配。为方便加工，匹配凹槽12和四阶契比雪夫变换器6均经过倒角。
图1所示一体化内部金属块，包含方同轴线内导体4、脊适配段5、四阶契比雪夫变换器6。该一体化内部金属块与一体化介质填充块装配在一起后，物理限位于波导内。
图6为周期边界条件下E面的驻波图，由图可知天线在整个工作频段（8 GHz到12GHz）E面65°扫描范围内驻波均低于2.3。
图7为周期边界条件下H面的驻波图，由图可知天线在整个工作频段（8 GHz到12GHz）H面65°扫描范围内驻波均低于2.0。
图8和图9分别为11×11阵列在中心频率10GHz处E面和H面的波束扫描方向图，结果显示该阵列可以扫描至65°。

Claims (5)

1. 一种宽带宽角扫描开口波导相控阵天线，其特征在于，由若干矩形开口波导天线单元以正三角形栅格形式排列而成的 M×N的二维阵列；其中，天线单元的基本形状为一长方柱体，由三段构成，从上到下依次为：表面调制结构、具有介质填充块的矩形波导、馈电网络；天线单元在底部通过同轴接头激励馈电，阵列底部由一金属地板固定；
其中，所述阵列采用正三角形栅格排布，其含义是，阵列中，在同一行方向，天线单元是顺序延拓排列；而在相邻两行之间，其中相邻三个天线单元的中心轴线成正三角形分布，而且，相间两行的天线单元位置平齐；
所述矩形波导中介质填充块的材料是介电常数大于1的低损耗介质材料；
所述矩形开口波导天线单元为单线极化工作天线，主模为TE10模式。
2.根据权利要求1所述的宽带宽角扫描开口波导相控阵天线，其特征在于，所述表面调制结构，包含金字塔型介质凸起结构和三角形金属侧壁；这里，所谓金字塔型介质凸起结构是一四棱锥体，四棱锥体的底部为与矩形波导匹配的矩形；在四棱锥体的宽边一侧的金属侧壁为两个相同结构并列排布的等腰三角形，在四棱锥体的窄边一侧的金属侧壁为一个等腰三角形；
金字塔型介质凸起结构和三角形金属侧壁的高度相同，并且约为中心频率的半波长。
3.根据权利要求2所述的宽带宽角扫描开口波导相控阵天线，其特征在于，所述馈电网络包含同轴输入段、模式转换段和阻抗变换段三部分；同轴输入段由标准的SMP同轴接头实现；模式转换段包含圆同轴线内导体、方同轴线内导体和脊适配段，用于实现圆同轴线内TEM模式向方同轴线内TEM模式的转变，进一步通过脊适配段实现向TE10模式的平滑过渡；阻抗匹配段由四阶切比雪夫阻抗变换器实现。
4.根据权利要求3所述的宽带宽角扫描开口波导相控阵天线，其特征在于，所述矩形波导中的介质填充结构和金字塔型介质凸起结构做成一体化介质填充块，通过物理限位的方式填充在波导内部；所述方同轴线和脊适配段均为空气。
5.根据权利要求3或4所述的宽带宽角扫描开口波导相控阵天线，其特征在于，波导外壁和内部的圆同轴线内导体、方同轴线内导体、脊适配段、四阶契比雪夫变换器采用金属结构，波导内介质填充块和金字塔型介质凸起结构采用介电常数为2.2的聚四氟乙烯材料。
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