CN113346227B - 一种和差体制低副瓣平板缝隙天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种和差体制低副瓣平板缝隙天线，包括辐射波导腔体和耦合波导腔体，所述耦合波导腔体设于所述辐射波导腔体的下方，且与该辐射波导腔体的中心轴线正交，辐射波导腔体嵌入耦合波导腔体构成上下层叠的双层结构；在所述辐射波导腔体的宽壁上开有若干并排的横向缝隙；在耦合波导腔体上设有用于能量耦合的倾斜缝。本发明在实现天线低副瓣的基础上，仅用辐射波导和耦合波导上下两层即完成天线设计，简化了天线结构，减轻了天线重量。

Description

一种和差体制低副瓣平板缝隙天线

技术领域

本发明涉及卫星通讯技术领域，具体为一种和差体制低副瓣平板缝隙天线。

背景技术

上世纪中叶开始，波导缝隙天线以令人惊诧的速度发展，因其容易改变天线口面幅度分布、口面利用率高、体积小及易于实现低副瓣或极低副瓣等特点，被广泛应用于地面、舰载、机载、导航等各个领域。而近几十年，伴随雷达抗干扰要求的提高、脉冲多普勒可视化雷达的发展等层出不穷的新要求，天线低副瓣性能越来越成为不可忽视的重点，这使得波导缝隙天线成为此项要求的优选形式。同时在工艺及成型等加工技术方面，数控机床的使用、天线整体焊接技术提高等也为波导缝隙天线的大规模使用创造了更好的条件。

传统平板缝隙天线一般分为辐射波导、耦合波导、激励波导三层，且耦合波导一般采用的是非标波导，其结构相对复杂，加工难度高，本专利对平板缝隙天线的设计和结构组成进一步简化，降低加工复杂度，节约加工成本。

发明内容

为了降低加工复杂度，节约加工成本，本发明公开了一种和差体制低副瓣平板缝隙天线，仅采用辐射波导和耦合波导上下两层简化天线结构。

一种和差体制低副瓣平板缝隙天线，包括天线单元，所述天线单元包括辐射波导腔体和耦合波导腔体，耦合波导腔体设于辐射波导腔体的下方，且与该辐射波导腔体的中心轴线正交，辐射波导腔体嵌入耦合波导腔体构成横截面呈“T”形的层叠结构；在辐射波导腔体的宽壁上开有若干横向并排的偏置缝；在耦合波导腔体开有若干对用于能量耦合的倾斜缝，该倾斜缝对按照“八”字形分布。

作为优选，耦合波导腔体一端闭合，另一端开口，开口一端为激励口。

作为优选，相邻两个所述偏置缝的中心间距为1/2波导波长；相邻两个所述倾斜缝的中心间距也为1/2波导波长。

作为优选，辐射波导腔体和耦合波导腔体为同个频段、同一尺寸的标准波导。

作为优选，倾斜缝的中心轴线与耦合波导腔体的中心轴线的夹角为该倾斜缝的倾斜值，该倾斜值为10°~45°

作为优选，倾斜缝以及偏置缝的长度为1/4~1/2个波导波长，缝隙两端的缝隙圆角为直径等于缝隙宽度的半圆。

作为优选，将天线天线单元排列成天线阵列，按照偏置缝的数量分为六缝子阵以及四缝子阵，数量均为四个各四个，依次按照六缝子阵、六缝子阵、四缝子阵、四缝子阵的顺序单边排列，镜像对称形成另一半。

作为优选，六缝子阵和四缝子阵中，首个及末个偏置缝的缝中心与相邻的辐射波导宽边的间距为1/4波导波长，首个及末个倾斜缝的缝中心与相邻的耦合波导宽边的间距为1/2个波导波长。

作为优选，六缝子阵的偏置缝的偏置距离为7°~14°，四缝子阵的偏置缝的偏置距离为11°~14°。

作为优选，六缝子阵的倾斜缝的倾斜值为10°~33°，四缝子阵的倾斜缝的倾斜值为12°~32°

有益效果：

（1）本发明区别于一般的平板缝隙天线，仅用辐射波导和耦合波导上下两层即完成天线设计，在依然保持性能的前提下大大简化结构，减轻了天线重量；

（2）本发明中耦合波导和辐射波导采用同种标准波导，减少了天线中波导的种类，降低了天线加工中的成本；

（3）本发明采用六缝子阵和四缝子阵的设计，其发射副瓣能压低约4dB，达到17dB，即发射也能实现较低副瓣。

附图说明

图1为本发明一个实施例的辐射波导与耦合波导示意图；

图2为本发明一个实施例的缝隙说明图；

图3为本发明一个实施例的平板缝隙天线示意图；

图4为本发明一个实施例的工作频率为3GHz理想方向图；

图5为本发明一个实施例的四缝子阵俯视图、左视图、主视图；

图6为本发明一个实施例的六缝子阵俯视图、左视图、主视图；

图7为本发明一个实施例的偏置距离示意图；

图8为本发明一个实施例的天线的接收方向图；

图9为本发明一个实施例的天线的发射方向图。

附图标记：1辐射波导、2耦合波导、3缝隙圆角、4激励口、5六缝子阵、6四缝子阵。

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。

本发明公开了一种和差体制低副瓣平板缝隙天线，在保证天线性能的基础上进行结构简化设计。

本发明的技术方案如下：

一种和差体制低副瓣平板缝隙天线，包括天线单元，天线单元包括辐射波导1和耦合波导2，耦合波导2设于所述辐射波导1的下方，且与该辐射波导1的中心轴线正交，构成上下层叠的双层结构，如图1所示，辐射波导1腔体嵌入耦合波导2腔体便于整体焊接成型，整体的横截面呈T形，且只需在辐射波导1腔体上开宽边倾斜缝即可实现能量耦合。耦合波导2腔体一端闭合，另一端开口，开口一端为激励口。在辐射波导1腔体的宽壁上开有若干横向并排的偏置缝，偏置缝在辐射波导1的中轴线两侧交错分布。偏置缝的缝中心距耦合波导2腔体上、下宽边的间距为1/4个波导波长，相邻偏置缝之间的间距均为1/2波导波长。在耦合波导2上开有若干对用于能量耦合的倾斜缝，倾斜缝对呈“八”字形分布，斜缝中心距离耦合波导边缘1/2波导波长，相邻偏置缝之间的间距均为1/2波导波长。倾斜缝的中心轴线与耦合波导2腔体的中心轴线的夹角为该倾斜缝的倾斜值，该倾斜值的范围为10°~45°。如图2所示，倾斜缝以及横向缝隙的长度为为1/4~1/2个波导波长，缝隙两端的缝隙圆角3为直径等于缝隙宽度的半圆。

将上述天线单元排列成S频段平板缝隙天线阵列，辐射波导和耦合波导采用同个频段、同一尺寸的标准波导，本实施例中S频段即为BJ32标准波导。本实施例中横向缝隙即偏置缝的数量为40条，纵向缝隙及倾斜缝的数量为4条，缝隙间距为二分之一波导波长即69.36mm，依据功率容量将缝隙宽度定为14mm。考虑到驻波阵的带宽较小，必须将天线子阵化设计以保证天线的工作带宽；其次为了压低天线工作的副瓣并减少子阵种类和数量，降低加工成本，将天线子阵化，按照偏置缝的数量分为六缝子阵和四缝子阵，六缝子阵和四缝子阵数量均为4个。如图3所示，单边排列依次为六缝、六缝、四缝、四缝，另一边与之镜像对称。此种阵列排布一方面减小了子阵的种类，简化了设计，另一方面左右各四个子阵的镜像对称的排布形式也使得天线能够满足和差体制要求。

将8个耦合波导激励口与8个波导环形器相连，使天线接收和发射链路隔离。发射时，能量从环形器发射口进入到耦合波导2，经过耦合波导2与辐射波导1中间倾斜的耦合裂缝即倾斜缝进入到辐射波导1，最后通过辐射波导1的辐射缝隙即横向缝隙向外辐射，并形成相应发射波束。接收时则相反，能量由辐射波导1的缝隙即横向缝隙接收到并进入辐射波导后，通过耦合裂缝即倾斜缝进入下方耦合波导2，经过耦合波导2到达环形器接收口后继续往接收通道，经过8个接收端口能量幅度加权后得到低副瓣接收波束。

耦合缝隙倾斜值首先选取初始值20°，然后在HFSS中与辐射波导联合建模仿真选择其中驻波最小时的角度作为最终倾斜角。驻波最小时即能量通过缝隙进入辐射波导最多时，耦合效果最好。

根据子阵分布用MATLAB中遗传算法计算优化一组子阵缝隙的初始电压分布以及子阵的初始激励幅值，并分配本专利8个端口的能量，在HFSS仿真阶段前通过MATLAB自带的基础遗传算法收敛一组副瓣性能最好时的电压分布，这样可以得到一组40个辐射缝隙即偏置缝整体电压分布情况，单边电压分布见下表1，按图6中从左至右的顺序依次为偏置缝编号。从表中得到最优的电压分布从而使得天线的波束具有最优的副瓣，性能相比一般平板裂缝除了增益会在0.5dB以内略微下降，其他副瓣性能影响不大，但结构和成本都更加优化了。同时也计算出在这样的电压分布时所产生的一个理想情况下的方向图，本实施例选用的天线工作频段为2.9~3.1GHz，以中心频点即3GHz的情况进行设计，如图3所示，为工作频率为3GHz时的理想方向图，由图可知此理想情况下天线的波瓣宽度为2.6°，其副瓣值达到了-35dB。

表1 单边电压分布情况

编号	电压分布	编号	电压分布
				1	0.109026	11	0.550874
2	0.096766	12	0.601121
				3	0.141266	13	0.783492
4	0.160196	14	0.827997
				5	0.17682	15	0.825475
6	0.192948	16	0.837275
				7	0.339667	17	0.935764
8	0.301471	18	0.988919
				9	0.440109	19	0.985907
10	0.499083	20	1

依据缝隙的电压分布，使用公式

计算出每个辐射波导上的偏置缝，其中g为电导，K为系数，a为波导宽边长度，b为波导窄边长度，

为波导中的波长，

为空气中的波长，X为偏置距离，下标i为第i个偏置缝隙。如图4所示，即偏置缝隙中心距离辐射波导中心线的偏置距离X，四缝子阵的四条偏置缝的偏置距离分别为X（n）、X（n+1）、X（n+2）、X（n+3），以此参数在HFSS中建立四缝子阵和六缝子阵模型。每个子阵均有上下两层，上层为辐射波导，下层为耦合波导，波导均为同种标准波导，壁厚2.03mm。如图5至6所示，为四缝子阵和六缝子阵示意图。子阵上方并排放置4根辐射波导，在辐射波导1中心线两侧宽边倾斜缝用于向外辐射，偏置距离以上述计算得到的偏置距离作为初始偏置距离。为了确定辐射缝隙长度，需依据偏置距离建立6种内部偏置距离相同的六缝波导模型，同样四缝波导需要4根，改变缝隙的缝长度，优化模型幅度值至最小值，此时的缝隙长度即为谐振长度，记录这些长度值。在并排的辐射波导轴线中心下方放置一根耦合波导，辐射波导嵌入耦合波导并在辐射波导表面开贯穿波导壁的宽边倾斜缝用于能量耦合，初始倾斜值定为20°，初始缝长定为二分之一个波导波长，包括两端直径等于缝宽的圆角。按照上述的缝隙偏置距离和谐振长度建立单边的六缝子阵模型以及四缝子阵模型。

单独仿真单边各个子阵，将其驻波仿至最优，并将各子阵组成阵列最后镜像得到完整的天线。仿真整个天线模型，查看其驻波和方向图。

改变辐射缝隙的缝长度和偏置距离，耦合缝隙的缝长度和倾斜角以及8个端口的激励幅度值，最终优化出可接受的天线的接收方向图，如图8所示。

六缝子阵参数见下表2，四缝子阵参数见下表3，端口能量分布见下表4。偏置缝从左往右编号，倾斜缝从前往后编号，激励端口从左往右编号。表格中的缝隙长度为不包含缝隙圆角3的长度，若缝隙长度包含缝隙圆角3的长度，则应加上14mm。

表2 六缝子阵参数

表3 四缝子阵参数

表4 端口接收功率分配

由表可知，六缝子阵的偏置缝的偏置距离为7°~14°，四缝子阵的偏置缝的偏置距离为11°~14°，六缝子阵的倾斜缝的倾斜值为10°~33°，四缝子阵的倾斜缝的倾斜值为12°~32°。

相对应的，天线接收方向图如图8所示，此时副瓣可以达到约29dB，满足低副瓣要求。如图9所示，由于采用6缝子阵和4缝子阵的设计，其发射副瓣能压低约4dB，达到17dB，即发射也能实现较低副瓣。

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 (7)

1.一种和差体制低副瓣平板缝隙天线，其特征在于：包括天线单元，所述天线单元包括辐射波导（1）和耦合波导（2），所述耦合波导（2）设于所述辐射波导（1）的下方，且与该辐射波导（1）的中心轴线正交，所述辐射波导（1）嵌入耦合波导（2）内构成横截面呈“T”形的层叠结构；在所述辐射波导（1）的宽壁上开有若干个横向排列的偏置缝，且该偏置缝在所述辐射波导（1）的中轴线两侧交错分布；在耦合波导（2）上开有若干对用于能量耦合的倾斜缝，该倾斜缝对按照“八”字形分布；将所述天线单元排列成天线阵列，按照偏置缝的数量分成六缝子阵（5）和四缝子阵（6），数量均为四个，按照六缝子阵（5）、六缝子阵（5）、四缝子阵（6）、四缝子阵（6）的顺序单边排列，镜像对称形成另一半，所述六缝子阵（5）和四缝子阵（6）中，首个及末个偏置缝的缝中心与相邻的辐射波导宽边的间距为1/4波导波长，首个及末个倾斜缝的缝中心与相邻的耦合波导宽边的间距为1/2个波导波长，且该倾斜缝的缝中心点偏离辐射波导（1）中心线与耦合波导（2）中心线的交点；所述辐射波导（1）和耦合波导（2）为同个频段、同一尺寸的标准波导。

2.根据权利要求1所述的和差体制低副瓣平板缝隙天线，其特征在于：该耦合波导（2）腔体一端闭合，另一端开口，开口一端为激励口。

3.根据权利要求2所述的和差体制低副瓣平板缝隙天线，其特征在于：相邻两个所述偏置缝的中心间距为1/2波导波长；相邻两个所述倾斜缝的中心间距也为1/2波导波长。

4.根据权利要求3所述的和差体制低副瓣平板缝隙天线，其特征在于：所述倾斜缝的中心轴线与耦合波导（2）腔体的中心轴线的夹角为该倾斜缝的倾斜值，该倾斜值为10°~45°。

5.根据权利要求4所述的和差体制低副瓣平板缝隙天线，其特征在于：所述倾斜缝和偏置缝的长度均为1/4~1/2个波导波长，该波导波长包括缝隙圆角（3）长度，所述缝隙圆角（3）为直径等于缝隙宽度的半圆。

6.根据权利要求5所述的和差体制低副瓣平板缝隙天线，其特征在于：所述六缝子阵的偏置缝的偏置距离为7°~14°，所述四缝子阵的偏置缝的偏置距离为11°~14°。

7.根据权利要求6所述的和差体制低副瓣平板缝隙天线，其特征在于：所述六缝子阵的倾斜缝的倾斜值为10°~33°，所述四缝子阵的倾斜缝的倾斜值为12°~32°。

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