CN113178708A - 一种双偏振波导缝隙阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双偏振波导缝隙阵天线，主要解决现有技术双极化波导缝隙阵天线的体积大，组阵间距大及馈电线走线占用空间大，波束扫描范围小的问题。其包括多个水平极化天线(1)、垂直极化天线(2)和多根馈电线(3)，每个水平极化天线与垂直极化天线等间距交替排列。该两种极化天线均包括辐射腔体、底座腔体、波导‑同轴转换器和匹配负载，且分别在同一根扁波导管和同一根单脊波导管实现，其总截面面积仅为标准波导管的45％。每个馈电线的一端经过其第一个转弯段连接到波导‑同轴转换器，另一端经过其第二个转弯段连接到馈源。本发明体积和组阵间距小，馈电线布线占用空间少，水平和垂直极化波束的扫描范围更大，可用于气象雷达。

Description

一种双偏振波导缝隙阵天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种双极化阵列天线，可用于精确探测强对流天气中降水粒子特征的气象雷达。

背景技术

近年来，随着国家经济发展，在天气灾害预防上逐年加大投入。大气中大量聚集的扁平粒子有且只有液态降水，双偏振雷达通过收发水平方向和垂直方向上的偏振电磁波，将两种偏振回波进行比较，根据其差异可以更准确地刻画出降水粒子的滴谱特征，提高降水粒子类型识别的准确性及云中含水量探测的精度，从而提高强对流监测能力和改善天气雷达定量测量降水的准确度。目前，美国的远程天气雷达WSR-88D、我国的天气雷达CINRAD/SA/CA/XA均具有双极化功能，对即时天气预报以及高危天气预警做出了重大贡献。

现阶段，天气雷达正向着双偏振、相控阵、组网协同观测等技术方向发展。常用的S、C波段天气雷达可对400公里范围内的降水进行有效探测，加上多部X波段雷达组网对小、低空补盲，不仅可以实现超大城市组网，全方位、立体、高时效、精细化地观测回波，还可实现更低空的监测，更高的时空分辨率，更灵活的扫描策略和更丰富的气象产品。多部气象雷达组网要求其相控阵天线能够产生效率高、波束窄、副瓣低、可大角度扫描和高度一致的双极化波束。

现有的双极化天线，包括反射面天线，微带天线和波导缝隙天线，其中，反射面天线通常依靠机械扫描的方式进行工作，使得雷达整体结构较大，安放场景受限。相对于反射面天线，微带天线和波导缝隙天线都具有剖面低、体积小、重量轻等特点。但微带天线介质损耗较大，天线辐射效率低，其馈电方式使其无法拓展成具有更多单元的大型阵列，而且安装难度大，维修成本高。由于用波导缝隙阵实现的双极化天线，机械强度更好，辐射效率更高，可靠性也更高，是一种优选的平面化结构天线。目前在国内也有不少的涉及波导缝隙阵的天线。

中国电子科技集团公司第三十八研究所公开的实用新型专利(申请号：201420747846.7)“一种双频段多极化共口径波导缝隙天线”，该专利是将L波段的垂直极化天线、C波段双线极化天线进行共口径设计，在波导的轴线中心位置处采用探针底馈的馈电方式。

珠海纳睿达科技有限公司公开的发明专利(申请号：201810283981.3)“双极化波导缝隙阵天线”，该专利中的天线工作在S波段，其采用加扰动块的无倾斜横缝和无偏置纵缝的缝隙形式，水平极化天线模块安装在垂直极化天线模块的一侧上，两个天线模块可拆卸连接，天线馈电模块和辐射模块分离，天线一端采用L型同轴探针侧馈的馈电方式。

以上两个专利均没有涉及定制波导管的小型化设计和阵列的馈电线走线设计，因而与其它现有的双极化天线相同，其均存在组阵间距大，波束扫描范围小，双极化波束的一致性低，整体性能不高的不足。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种双偏振波导缝隙阵天线，以减小组阵间距，增大波束扫描范围，提高双极化波束的一致性及整体性能。

为实现上述目的，本发明的双偏振波导缝隙阵天线，包括多个水平极化天线1 和多个垂直极化天线2，且两者等间距交替排列，形成多组由一个水平极化天线和一个垂直极化天线组成的天线单元，每组天线单元通过两根馈电线3连接到馈源，其特征在于：

所述两种极化天线均包括辐射腔体、底座腔体、波导-同轴转换器和匹配负载，且每个水平极化天线1的辐射腔体11、底座腔体12、波导-同轴转换器13和匹配负载14采用定制的同一根扁波导管，每个垂直极化天线2的辐射腔体21、底座腔体22、波导-同轴转换器23和匹配负载24采用定制的同一根单脊波导管，两种波导管的总截面面积仅为标准波导管的45％；

每个馈电线3均有两个转弯段，每个馈电线的一端经过第一个转弯段连接到波导-同轴转换器，另一端经过第二个转弯段连接到馈源。

进一步，所述每个水平极化天线1与每个垂直极化天线2之间的间距为0.56λ。

进一步，所述扁波导管和单脊波导管均为两层结构，该双层扁波导管，其上层为水平辐射腔体11，下层为水平底座腔体12，水平波导-同轴转换器13位于水平辐射腔体11的始端，水平匹配负载14位于水平辐射腔体11的末端；该双层单脊波导管，其上层为垂直辐射腔体21，下层为垂直底座腔体22，垂直波导-同轴转换器23 位于垂直辐射腔体21的始端，垂直匹配负载24位于垂直辐射腔体21的末端。

进一步，所述扁波导管水平辐射腔体11的上壁开有倾斜缝隙，相邻倾斜缝隙之间有台阶，相邻扁波导管水平辐射腔体11上同一位置处的倾斜缝隙对称分布；所述单脊波导管垂直辐射腔体21的上壁开有偏置缝隙，相邻单脊波导管垂直辐射腔体21 上同一位置处的偏置缝隙同向分布。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

第一，本发明由于每个极化天线的辐射腔体、底座腔体、波导-同轴转换器和匹配负载均采用定制的同一根双层波导管实现，因而具有双极化天线的总截面面积更小、结构更加紧凑、天线单元的组阵间距更小，波束扫描范围更大的优点；

第二，本发明由于采用的扁波导管和单脊波导管的总截面面积仅为标准波导管的45％，使天线单元的组阵间距更小，有利于实现更大范围的波束扫描角；

第三，本发明由于每组天线单元的馈电线通过各自的两个转弯段穿过单脊波导管的底座腔体连接到馈源，节省了天线的布线空间，进一步缩小了天线单元的组阵间距。

附图说明

图1是本发明的整体结构图；

图2是本发明中一个水平极化天线结构图；

图3是本发明中一个垂直极化天线结构图；

图4是本发明的侧视图；

图5是本发明水平极化天线和垂直极化天线的端口电压驻波比图；

图6是本发明水平极化天线和垂直极化天线的端口隔离度图；

图7是本发明在yoz面内的辐射方向图；

图8是本发明在xoz面内的扫描方向图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例和效果进一步说明：

本实例的应用场景是气象雷达系统，该天线作为气象雷达系统的前端收发电磁波，气象雷达系统后端的各个射频通道作为馈源连接到天线，通过控制各个射频通道馈电电流的幅度和相位，可以使天线形成不同扫描角度的波束。

参照图1，本实例包括多个水平极化天线1和多个垂直极化天线2，馈电线3和连接器4，每个水平极化天线1与每个垂直极化天线2之间等间距交替排列，本实例取但不限于间距为0.56λ。每个水平极化天线1和每个垂直极化天线2形成一组天线单元，每组天线单元与馈源之间通过两根馈电线3连接。

参照图2，每个水平极化天线1包括水平辐射腔体11、水平底座腔体12、水平波导-同轴转换器13和水平匹配负载14，且采用在定制的同一根扁波导管实现。该扁波导管为双层结构，其上层为水平辐射腔体11，下层为水平底座腔体12，水平波导- 同轴转换器13位于水平辐射腔体11的始端，水平匹配负载14位于水平辐射腔体11 的末端。

所述水平辐射腔体11的上壁开有倾斜缝隙，相邻倾斜缝隙之间有台阶，相邻扁波导管水平辐射腔体11上同一位置处的倾斜缝隙对称分布。水平底座腔体12的始端、末端和中间位置开有长度为1.38λ～3.38λ的切口，其中λ为中心频率对应的自由空间波长。

所述水平波导-同轴转换器13由匹配调节块131、馈电探针132和金属堵头133 组成，匹配调节块131为两阶阶梯形，其位于扁波导管一侧内壁的中心线上，紧贴扁波导内壁的一面有两个螺纹孔，且在靠近扁波导管始端的一侧留有探针孔，馈电探针 132通过金属堵头133固定在扁波导管的始端，其末端伸入探针孔内。

所述水平匹配负载14由水平劈尖形的吸收负载141和水平金属堵头142组成，该水平劈尖形的吸收负载141通过水平金属堵头142固定在扁波导管末端。

参照图3，每个垂直极化天线2包括垂直辐射腔体21、垂直底座腔体22、垂直波导-同轴转换器23和垂直匹配负载24，且采用在定制的同一根单脊波导管实现。该单脊波导管为双层结构，其上层为垂直辐射腔体21，下层为垂直底座腔体22，垂直波导-同轴转换器23位于垂直辐射腔体21的始端，垂直匹配负载24位于垂直辐射腔体21的末端。

所述垂直辐射腔体21的上壁开有偏置缝隙，相邻单脊波导管垂直辐射腔体21 上同一位置处的偏置缝隙同向分布。

所述垂直底座腔体22的始端、末端和中间位置开有长度为1.38λ～3.38λ的切口。

所述垂直波导-同轴转换器23由匹配调节块231、馈电探针232和金属堵头233 组成，该匹配调节块231为五阶阶梯形，其位于单脊波导管内腔下壁的中心线上，紧贴单脊波导管内腔下壁的一侧设有两个螺纹孔，且在靠近单脊波导管始端的一侧留有探针孔，馈电探针232通过金属堵头233固定在单脊波导管的始端，其末端伸入探针孔内。

所述垂直匹配负载24由垂直劈尖形的吸收负载241和垂直金属堵头242组成，该垂直劈尖形的吸收负载241通过垂直金属堵头242固定在单脊波导管末端。

上述水平极化天线所用的扁波导管和垂直极化天线所用的单脊波导管截面在相同频段下的长宽尺寸分别为0.66λ×0.21λ和为0.34λ×0.36λ，而对应频段的标准波导管截面的长宽尺寸为0.78λ×0.38λ，该扁波导管和单脊波导管的总截面面积仅为标准波导管的45％，使天线单元的组阵间距更小，有利于实现更大范围的波束扫描角。

参照图4和图1，每个馈电线3均有两个转弯段，每个馈电线3的一端经过第一个转弯段连接到波导-同轴转换器，另一端穿过下一组天线单元的垂直底座腔体22，再在该垂直底座腔体22的中间切口处经过第二个转弯段通过连接器4连接到馈源。

本实例的效果可通过以下仿真实验进一步说明：

仿真1，通过HFSS仿真软件对本实例在工作频带内的端口电压驻波比进行仿真，结果如图5，从图5可见本发明水平极化天线和垂直极化天线的端口电压驻波比均小于1.22，匹配特性良好。

仿真2，通过HFSS仿真软件对本实例在工作频带内的端口隔离度进行仿真，结果如图6。从图6可见，本发明相邻水平极化天线的隔离度、相邻垂直极化天线的隔离度和水平极化天线与垂直极化天线之间隔离度均大于42dB，隔离特性良好。

仿真3，通过HFSS仿真软件对本实例在yoz面内的辐射方向图进行仿真，结果如图7，其中图7(a)为水平极化天线在yoz平面内的辐射方向图，图7(b)为垂直极化天线在yoz平面内的辐射方向图。

从图7(a)可见，本发明水平极化天线的主极化波束的副瓣电平小于-26.5dB，波束指向为-2.80°，波束宽度为1.65°，交叉极化波束的交叉极化电平小于-50dB；

从图7(b)可见，本发明垂直极化天线主极化波束的副瓣电平小于-28.08dB，波束指向为-2.75°，波束宽度为1.70°，交叉极化波束的交叉极化电平小于-45dB；

将图7(a)和图7(b)所示水平和垂直极化波束的波束宽度相减，得到水平和垂直极化波束的波束宽度一致性小于0.05°；将图7(a)和图7(b)所示水平和垂直极化波束的波束指向相减，得到水平和垂直极化波束的波束指向一致性小于 0.05°，表明本实例水平和垂直极化波束的辐射特性优良。

仿真4，通过HFSS仿真软件对本实例在xoz面内的扫描方向图进行仿真，结果如图8，其中图8(a)为水平极化天线在xoz面内的扫描方向图，图8(b)为垂直极化天线在xoz面内的扫描方向图。由图8(a)和图8(b)可见，本发明水平和垂直极化天线扫描波束的扫描角度均可达到45°，对地副瓣电平均小于-22dB，表明天线的波束扫描特性良好。

Claims (10)

1.一种双偏振波导缝隙阵天线，包括多个水平极化天线(1)和多个垂直极化天线(2)，且两者等间距交替排列，形成多组由一个水平极化天线和一个垂直极化天线组成的天线单元，每组天线单元通过两根馈电线(3)连接到馈源，其特征在于：

所述两种极化天线均包括辐射腔体、底座腔体、波导-同轴转换器和匹配负载，且每个水平极化天线(1)的辐射腔体(11)、底座腔体(12)、波导-同轴转换器(13)和匹配负载(14)采用定制的同一根扁波导管，每个垂直极化天线(2)的辐射腔体(21)、底座腔体(22)、波导-同轴转换器(23)和匹配负载(24)采用定制的同一根单脊波导管，两种波导管的总截面面积仅为标准波导管的45％；

每个馈电线(3)均有两个转弯段，每个馈电线的一端经过第一个转弯段连接到波导-同轴转换器，另一端经过第二个转弯段连接到馈源。

2.如权利要求1所述的天线，其特征在于：每个水平极化天线(1)与每个垂直极化天线(2)之间的间距为0.56λ。

3.如权利要求1所述的天线，其特征在于：扁波导管截面的长宽尺寸为0.66λ×0.21λ，单脊波导管截面的长宽尺寸为0.34λ×0.36λ，其中λ为中心频率对应的自由空间波长。

4.如权利要求1所述的天线，其特征在于：所述扁波导管和单脊波导管均为两层结构；

该双层扁波导管，其上层为水平辐射腔体(11)，下层为水平底座腔体(12)，水平波导-同轴转换器(13)位于水平辐射腔体(11)的始端，水平匹配负载(14)位于水平辐射腔体(11)的末端；

该双层单脊波导管，其上层为垂直辐射腔体(21)，下层为垂直底座腔体(22)，垂直波导-同轴转换器(23)位于垂直辐射腔体(21)的始端，垂直匹配负载(24)位于垂直辐射腔体(21)的末端。

5.如权利要求1所述的天线，其特征在于：

所述扁波导管水平辐射腔体(11)的上壁开有倾斜缝隙，相邻倾斜缝隙之间有台阶，相邻扁波导管水平辐射腔体(11)上同一位置处的倾斜缝隙对称分布；

所述单脊波导管垂直辐射腔体(21)的上壁开有偏置缝隙，相邻单脊波导管垂直辐射腔体(21)上同一位置处的偏置缝隙同向分布。

6.如权利要求1所述的天线，其特征在于，水平极化天线(1)的波导-同轴转换器(13)由匹配调节块(131)、馈电探针(132)和金属堵头(133)组成；匹配调节块(131)为两阶阶梯形，其位于扁波导管一侧内壁的中心线上，紧贴扁波导内壁的一面有两个螺纹孔，且在靠近扁波导管始端的一侧留有探针孔；馈电探针(132)通过金属堵头(133)固定在扁波导管的始端，其末端伸入探针孔内。

7.如权利要求1所述的天线，其特征在于，垂直极化天线(2)的波导-同轴转换器(23)由匹配调节块(231)、馈电探针(232)和金属堵头(233)组成；该匹配调节块(231)为五阶阶梯形，其位于单脊波导管内腔下壁的中心线上，紧贴单脊波导管内腔下壁的两个螺纹孔，且在靠近单脊波导管始端的一侧留有探针孔；馈电探针(232)通过金属堵头(233)固定在单脊波导管的始端，其末端伸入探针孔内。

8.如权利要求4所述的天线，其特征在于：

水平匹配负载(14)由水平劈尖形的吸收负载(141)和水平金属堵头(142)组成，该水平劈尖形的吸收负载(141)通过水平金属堵头(142)固定在扁波导管末端；

垂直匹配负载(24)由垂直劈尖形的吸收负载(241)和垂直金属堵头(242)组成，该垂直劈尖形的吸收负载(241)通过垂直金属堵头(242)固定在单脊波导管末端。

9.如权利要求4所述的天线，其特征在于，所述水平底座腔体(12)和垂直底座腔体(22)的始端、末端和中间位置均开有长度为1.38λ～3.38λ的切口。

10.如权利要求1所述的天线，其特征在于：每个馈电线(3)经过第二个转弯段连接到馈源，是先将馈电线穿过下一组天线单元的垂直底座腔体(22)，再在该垂直底座腔体(22)的中间切口处连接到馈源。

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