CN113097743A - 一种单层可实现的高口径效率并馈波导缝隙阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单层可实现的高口径效率并馈波导缝隙阵列天线，该天线以E面波导为主体，采用并馈方式，实现了馈电层与辐射层位于同一层。该天线包括由外部金属包裹的一个E面波导并馈馈电网络、多个波导辐射单元和辐射缝；E面波导并馈馈电网络包括一个输入端口以及四个输出端口；每个输出端口处连接一个波导辐射单元，每个波导辐射单元的上方设置一个辐射缝；电磁波由E面波导并馈馈电网络输入到波导辐射单元，之后由辐射缝向外辐射。本发明可以横向扩展以满足多单元性能要求。本发明具有单层可实现、高口径效率、高增益、低交叉极化、宽频带、结构简单且成本低的优点。

Description

一种单层可实现的高口径效率并馈波导缝隙阵列天线

技术领域

本发明属于高口径效率阵列天线领域，特别涉及一种单层可实现的高口径效率并馈波导缝隙阵列天线。

背景技术

高口径效率高增益阵列天线在卫星通信、雷达探测等方面有着广阔的应用。传统微带结构的阵列天线往往因为包括介质损耗、辐射损耗在内的大量损耗以及互耦等问题导致天线效率低下，而波导缝隙天线可以避免此问题，在大尺寸和高增益天线领域成为常用的实现方式。

目前波导缝隙阵列很大一部分采用串馈的方式，在实现大阵列时需要安排较复杂的馈电波导结构，并且串馈阵列随着频率的变化波束会发生偏移，当天线阵列很大时长线效应显著，各辐射缝相位受频率影响显著，因而增益带宽较窄。对于并馈波导缝隙天线，往往由于馈电网络所占面积过大使得单元间距大于一个波长从而产生栅瓣，针对此问题，多层结构被引入。多层波导缝隙阵列天线的馈电层和辐射层是独立的，电磁波通过层间缝隙由馈电层向上传送到辐射层，进而辐射出去。这类阵列天线虽然因多层增加了设计自由度，但结构也相应复杂且体积较大。此外，该类多层结构为了解决层与层之间的电接触问题，通常不采用常规机械加工方法，而引进层压扩散结合技术来减少层与层之间的间隙，以减少电磁泄露，成本较高。另一种波导缝隙阵列天线是间隙波导阵列天线。该类波导区别于传统空心波导，是在上下两金属板的间隙中传播电磁波。下层金属板上添加了金属销钉以及槽结构或者脊结构来规范电磁波的传输路线。间隙波导无需考虑传统波导缝隙阵列天线层与层之间的电接触问题，因此工艺上避免了压缩陶瓷等昂贵技术，但因其结构也使得加工较为复杂。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种单层可实现的高口径效率并馈波导缝隙阵列天线。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种单层可实现的高口径效率并馈波导缝隙阵列天线，该阵列天线包括由外部金属包裹的一个E面波导并馈馈电网络、多个波导辐射单元和辐射缝，所述E面波导并馈馈电网络包括一个输入端口以及四个输出端口，分别记为第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口和第四输出端口；每个输出端口处连接一个波导辐射单元，每个波导辐射单元的上方设置一个辐射缝；电磁波由E面波导并馈馈电网络输入到波导辐射单元，之后由辐射缝向外辐射。

进一步地，在水平面上建立参考平面xoy，所述E面波导并馈馈电网络的波导宽面与参考平面xoy垂直，波导窄面与参考平面xoy平行，电场矢量平行于参考平面xoy传播。

进一步地，所述输入端口到每个输出端口的路径相同。

进一步地，所述E面波导并馈馈电网络包括多个E面波导T型节和多个E面传输波导；所述E面传输波导用于传输电磁波，激励由一个与所述输入端口相连的作为主干支的E面传输波导输入，经第一E面波导T型节后能量反相二等分为两路，之后两路分支分别经第二E面波导T型节、第三E面波导T型节后再以能量反相二等分的方式各自分为两路，到达与四个输出端口相连的波导辐射单元。

进一步地，所述E面波导并馈馈电网络还包括设置在所述E面波导T型节主分支上的E面波导阻抗变换器。

进一步地，所述波导辐射单元的位置方向可调，以使得进入波导辐射单元的电场矢量方向可调，用于调节电磁波由辐射缝输出的相位。

进一步地，所述波导辐射单元的形状和尺寸可调，所述辐射缝的形状和尺寸也可调，用于调节天线的性能指标。

进一步地，所述E面波导并馈馈电网络的波导宽面的高度h可调，用于调节波导传输模式。

进一步地，该阵列天线采用波导馈电或者同轴转波导馈电。

进一步地，该阵列天线可通过多个E面并馈波导馈电网络相连进行横向扩展。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明实现了单层并馈波导缝隙阵列，采用E面波导作为馈电网络，大大减少了波导馈电网络所占空间，避免了多层复杂结构和串馈阵列的波束偏移以及增益带宽窄等问题；2)本发明与现有技术相比，进一步显著提高了天线口径效率；3)本发明可采用传统机械加工，既避免了复杂的加工工艺，成本低廉，同时不影响波导内部场分布从而无电磁波泄露；4)本发明可通过多个E面并馈波导馈电网络相连进行横向扩展，E面波导并馈馈电网络与常用的H面波导馈电网络相比所占空间大幅度减小，既可实现馈电网络与辐射元件在同一层，又可满足相邻辐射单元中心小于一个波长，避免了栅瓣的产生；5)本发明同时具有单层可实现、结构简单、高口径效率、高增益、带宽宽、低交叉极化和成本低等优点；6)本发明作为一种基本结构，可在其基础上实现不同形式、不同程度的扩展创新，应用前景广泛；7)本发明在一定范围内可适用于不同的频段。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为实施例1的波导辐射单元的透视图。

图2为实施例1的E面波导并馈馈电网络的立体结构图。

图3为实施例1的电场矢量流向图。

图4为实施例1的整体结构透视图。

图5为实施例1的两板分解图。

图6为实施例2的阵列天线整体结构示意图。

图7为实施例1的反射系数仿真图。

图8为实施例2的反射系数仿真图。

图9为实施例2的辐射方向仿真图。

图10为实施例2的归一化交叉极化仿真图。

图11为实施例2的增益与两板间隙关系仿真图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

在一个实施例中，结合图1至图4，本发明提供了一种单层可实现的高口径效率并馈波导缝隙阵列天线，该阵列天线包括由外部金属1包裹的一个E面波导并馈馈电网络2、多个波导辐射单元3和辐射缝4，所述E面波导并馈馈电网络2包括一个输入端口P0以及四个输出端口，分别记为第一输出端口P1、第二输出端口P2、第三输出端口P3和第四输出端口P4；每个输出端口处连接一个波导辐射单元3，每个波导辐射单元3的上方设置一个辐射缝4；电磁波由E面波导并馈馈电网络2输入到波导辐射单元3，之后由辐射缝4向外辐射。

这里，外部金属可选取铝或铜等纯金属。

进一步地，在其中一个实施例中，在水平面上建立参考平面xoy，所述E面波导并馈馈电网络2的波导宽面与参考平面xoy垂直，波导窄面与参考平面xoy平行；本实施例选取矩形波导辐射单元，波导辐射单元3的波导宽面与E面波导并馈馈电网络2的波导宽面相连，二者波导宽面相互垂直且相交面与参考平面xoy垂直，电场矢量平行于参考平面xoy传播。

这里，波导辐射单元3平行于参考平面xoy的横截面可以是不同形状，以实现不同极化及性能指标的要求。优选地，波导辐射单元3的截面形状选择为矩形，其尺寸参数为L和W，单元上表面超出馈电波导的高度d。

进一步地，在其中一个实施例中，所述输入端口P0到每个输出端口的路径相同。

进一步地，在其中一个实施例中，所述E面波导并馈馈电网络2包括多个E面波导T型节和多个E面传输波导9(可以是直线，也可以是弯曲的，取决于波导辐射单元的方向设置)；所述E面传输波导用于传输电磁波，激励由一个与所述输入端口P0相连的作为主干支的E面传输波导9输入，经第一E面波导T型节5-1后能量反相二等分即幅度相等相位相反为两路，之后两路分支分别经第二E面波导T型节5-2、第三E面波导T型节5-3后再以能量反相二等分的方式各自分为两路，到达与四个输出端口相连的波导辐射单元3。

进一步地，在其中一个实施例中，所述E面波导并馈馈电网络2上可以设置多样的附加结构，用以调节阻抗匹配。例如，可以在所述E面波导T型节主分支上的E面波导阻抗变换器6。

这里，通过设置E面波导阻抗变换器，可以实现更佳的阻抗匹配。

进一步地，在其中一个实施例中，所述波导辐射单元3的位置方向可调，以使得进入波导辐射单元3的电场矢量方向可调，用于调节电磁波由辐射缝4输出的相位。

这里，若所有波导辐射单元3中电场矢量方向一致，则电磁波由辐射缝4同相输出。

进一步地，在其中一个实施例中，所述波导辐射单元3的形状和尺寸可调，所述辐射缝4的形状和尺寸也可调，用于调节天线的性能指标，包括天线的谐振频率、极化方式等。例如，若选取辐射缝4为矩形缝，其横截面尺寸可调，用于调节天线的谐振频率，实现最大增益。

进一步地，在其中一个实施例中，所述E面波导并馈馈电网络2的波导宽面的高度h可调，用于调节波导传输模式。

这里，高度h在半个波长至一个波长间取值，以实现单模传输。

这里，结合图5，以h的中心高度为基准，等分成上下两个金属板机械加工，上板10包括E面波导馈电网络2、波导辐射单元3的上半部分和辐射缝4，下板11包括E面波导馈电网络2和波导辐射单元3的下半部分。

进一步地，在其中一个实施例中，该阵列天线的馈电端可多样化，可以采用波导馈电或者同轴转波导馈电等。

进一步地，在其中一个实施例中，该阵列天线可通过多个E面并馈波导馈电网络2相连进行横向扩展。

作为一种具体示例，对本发明单层可实现的高口径效率并馈波导缝隙阵列天线进行进一步验证说明。

本示例中，提供了实施例1如图1至5所示，该单层可实现的高口径效率并馈波导缝隙阵列天线可作为一个子阵列模块，包括由外部金属1包裹的一个E面波导并馈馈电网络2、多个波导辐射单元3和辐射缝4，所述E面波导并馈馈电网络2包括一个输入端口P0以及四个输出端口，分别记为第一输出端口P1、第二输出端口P2、第三输出端口P3和第四输出端口P4；每个输出端口处连接一个波导辐射单元3，每个波导辐射单元3的上方设置一个辐射缝4；电磁波由E面波导并馈馈电网络2输入到波导辐射单元3，之后由辐射缝4向外辐射。

在水平面上建立参考平面xoy，所述E面波导并馈馈电网络2的波导宽面与参考平面xoy垂直，波导传输TE₁₀模式，波导窄面与参考平面xoy平行；波导辐射单元3的波导宽面与E面波导并馈馈电网络2的波导宽面相连，二者波导宽面相互垂直且相交面与参考平面xoy垂直，电场矢量平行于参考平面xoy传播。波导辐射单元3的截面形状选择为矩形，其尺寸参数为L和W，单元上表面超出馈电波导的高度d，波导辐射单元3上表面超出E面波导并馈馈电网络的高度为d，高度d与截面尺寸参数为a和b构成辐射缝4。

所述E面波导并馈馈电网络2包括多个E面波导T型节和多个E面传输波导9；其中一个E面传输波导9与所述输入端口P0相连，作为E面波导主干支，激励由该E面传输波导9输入，经第一E面波导T型节5-1后能量反相二等分即幅度相等相位相反为两路，之后两路分支分别经第二E面波导T型节5-2、第三E面波导T型节5-3后再以能量反相二等分的方式各自分为两路，到达与四个输出端口相连的波导辐射单元3。E面波导并馈馈电网络2的波导宽面尺寸h设计在半个波长到一个波长之间，以保证是单模传输。

根据上述实施例1，本发明加工时从纵向中间高度可分为上下板机械加工，图5为两板结构俯视分解透视图。其中1代表波导外部金属，7代表去除掉的空气腔。本发明无需为了解决电接触问题而使用成本较高的层压扩散结合技术，由于采用的是E面波导，天线纵向中间高度即对应着波导宽面中心线，以此为基准整个结构上下一分为二，分割线既不影响场分布，也不切割波导壁电流，因此不会造成电磁泄露，同时成本低廉，易加工；其中，上板10包括了E面波导并馈馈电网络2和波导辐射单元3的上半部分以及辐射缝4，下板11包括了E面波导并馈馈电网络2和波导辐射单元3的下半部分，上下两板可通过螺钉拧合方式或者其他结合方式固定在一起。

当实施例1以相同规律单层横向扩展后，可获得单元数量为4的倍数的阵列天线。本示例提供了实施例2——通过横向扩展获得的16×16的单层并馈波导阵列，如图6所示。阵列天线可采用波导馈电或者同轴转波导馈电等不同方式，本实施例2采用同轴转波导的馈电方式，相应位置打通空气腔7用来放置馈电结构8，从馈电结构8输入的激励由E面波导馈电网络2传递，通过若干个E面波导T型节5和E面传输波导9至各个波导辐射单元3，并由波导辐射单元3上方的辐射缝4向外辐射，E面波导T型节5处增加波导阻抗变换器6来实现匹配，该阵列天线工作在TE₁₀模式，且满足单模传输。

根据实施例2的结构，该并联馈电方式避免了大尺寸串联馈电结构的长线效应导致相位衰减而造成的增益带宽减小的问题；同时，E面波导并馈馈电网络2的采用使得各个波导辐射单元3的中心间距小于一个波长，无需采用多层结构且无需增加额外结构来解决光栅波瓣的问题；此外，E面波导可以实现上下两半分开的机械加工，并且无电磁泄露，因此避免了多层层压扩散结合昂贵的技术，也无需间隙波导阵列一般的复杂结构。

实施例2的有效口径面积为248mm×224mm，波导辐射单元3上层辐射缝4的厚度为1mm，内部E面波导并馈馈电网络2的高度h取18mm，该数值可在半个波长到一个波长范围内进一步优化调节，E面波导T型节、E面波导阻抗变换器6和E面传输波导9均可进行参数优化实现良好的阻抗匹配；阵列采用同轴探针转波导方式馈电，馈电结构8的同轴探针与E面波导阻抗变换器6相连，探针直径为0.6mm，外部介质直径为2mm，探针伸入E面波导阻抗变换器6的长度为3.6mm。

图7给出了本示例实施例1的反射系数仿真图，从图中可以看出，小于-10dB的相对带宽为13.7％，子阵列模块阵列具有宽带性质。

图8给出了扩展后的实施例2的反射系数仿真图，受到馈电网络的影响，小于-10dB的相对带宽小于子阵列模块，但仍可以达到9％，，该带宽可通过天线一体化设计进一步优化，阵列具有宽带性质。

图9为实施例2的实际增益和口径效率随频率变化的仿真曲线图，可以看到在14.48GHz到15.8GHz整个频段内，天线的口径效率均在90％以上，实际增益值均不小于32dB；以中心频率15.1GHz为例，仿真得到的实际增益为32.41dB，此频率处对应的口径效率为98.6％，即本示例实施例1不仅具有较宽的增益带宽，且在整个14.9GHz到16.6GHz的频段内保持较高的口径效率，与近年来其他方案相比具有显著优势。

图10为实施例2在15.1GHz处E面和H面的交叉极化归一化幅度仿真图，由图可知，E面交叉极化值达到-53dB，H面交叉极化值达到-67dB，均处于很低水平，阵列具有低交叉极化性质。

图11为实施例2在15.1GHz处的实际增益随上下两板间隙的变化仿真图，为了突出变化趋势，间隙长度选取0.01mm到0.5mm，而实际情况下，用螺丝将上下两板拧合后间隙极其微小，两板可以尽最大可能贴紧，间隙甚至忽略不计，由此证明实施例1采用的加工方法基本无电磁泄露。

综上，本发明具有单层可实现、高口径效率、高增益、低交叉极化、宽频带、结构简单且成本低的优点。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种单层可实现的高口径效率并馈波导缝隙阵列天线，其特征在于，该阵列天线包括由外部金属(1)包裹的一个E面波导并馈馈电网络(2)、多个波导辐射单元(3)和辐射缝(4)，所述E面波导并馈馈电网络(2)包括一个输入端口(P0)以及四个输出端口，分别记为第一输出端口(P1)、第二输出端口(P2)、第三输出端口(P3)和第四输出端口(P4)；每个输出端口处连接一个波导辐射单元(3)，每个波导辐射单元(3)的上方设置一个辐射缝(4)；电磁波由E面波导并馈馈电网络(2)输入到波导辐射单元(3)，之后由辐射缝(4)向外辐射。

2.根据权利要求1所述的单层可实现的高口径效率并馈波导缝隙阵列天线，其特征在于，在水平面上建立参考平面xoy，所述E面波导并馈馈电网络(2)的波导宽面与参考平面xoy垂直，波导窄面与参考平面xoy平行，电场矢量平行于参考平面xoy传播。

3.根据权利要求2所述的单层可实现的高口径效率并馈波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述输入端口(P0)到每个输出端口的路径相同。

4.根据权利要求3所述的单层可实现的高口径效率并馈波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述E面波导并馈馈电网络(2)包括多个E面波导T型节和多个E面传输波导；所述E面传输波导用于传输电磁波，激励由一个与所述输入端口(P0)相连的作为主干支的E面传输波导(9)输入，经第一E面波导T型节(5-1)后能量反相二等分为两路，之后两路分支分别经第二E面波导T型节(5-2)、第三E面波导T型节(5-3)后再以能量反相二等分的方式各自分为两路，到达与四个输出端口相连的波导辐射单元(3)。

5.根据权利要求4所述的单层可实现的高口径效率并馈波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述E面波导并馈馈电网络(2)还包括设置在所述E面波导T型节主分支上的E面波导阻抗变换器(6)。

6.根据权利要求5所述的单层可实现的高口径效率并馈波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述波导辐射单元(3)的位置方向可调，以使得进入波导辐射单元(3)的电场矢量方向可调，用于调节电磁波由辐射缝(4)输出的相位。

7.根据权利要求6所述的单层可实现的高口径效率并馈波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述波导辐射单元(3)的形状和尺寸可调，所述辐射缝(4)的形状和尺寸也可调，用于调节天线的性能指标。

8.根据权利要求7所述的单层可实现的高口径效率并馈波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述E面波导并馈馈电网络(2)的波导宽面的高度h可调，用于调节波导传输模式。

9.根据权利要求8所述的单层可实现的高口径效率并馈波导缝隙阵列天线，其特征在于，该阵列天线采用波导馈电或者同轴转波导馈电。

10.根据权利要求9所述的单层可实现的高口径效率并馈波导缝隙阵列天线，其特征在于，该阵列天线可通过多个E面并馈波导馈电网络(2)相连进行横向扩展。

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