CN113410660A - 具有周期圆柱结构调制的超低旁瓣基片集成波导缝隙天线阵 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达天线技术领域，具体为一种具有周期圆柱结构调制的超低旁瓣基片集成波导缝隙天线阵。本发明的天线阵列由五根波导按垂直于波导长边方向紧密排列而成；每层波导分为上层辐射波和下层馈电波导；两层波导间通过长条形耦合缝隙进行能量的耦合；每半根波导上各开有不同偏置距离、不同长度的辐射缝隙；每根长波导单元中间由金属化通孔分开，左右成镜面对称，金属通孔贯穿上、下两层波导；每个金属通孔中分别固定一个金属圆柱，形成三维周期性金属圆柱结构阵列，该结构用以修正每根波导天线的单元方向图，以较低E面的阵列总辐射方向图的旁瓣。该阵列阻抗带宽达到5%，两个扫描面旁瓣在‑22 dB左右，剖面极低、排列紧凑、可靠性高。

Description

具有周期圆柱结构调制的超低旁瓣基片集成波导缝隙天线阵

技术领域

本发明属于雷达天线技术领域，具体涉及一种基片集成波导缝隙天线阵列。

背景技术

基片集成波导缝隙天线阵自从被发明之初就受到了各界的关注，由于其极低的剖面、极薄的厚度、更大的功率容量、更高的增益等一系列优势，迅速成为了天线家族中又一重要类型。其缝隙的偏置大小、长度等参量是由设计之初加以波束赋形进行迭代收敛得到的，这样其H面的波束主瓣增益和旁瓣等是完全由这些参量来决定的。正常情况下，H面的旁瓣较大约可以达到-25dB甚至更高的水平。但是，对于E面而言，在整个阵列中的每根波导均被等幅均匀激励的情况下，旁瓣只能达到理论值的-13dB左右。而要想将旁瓣降低那就需要对每根波导的激励进行赋形，及非均匀激励，但是这样的激励方式会降低天线阵在E面的主瓣增益，这对于很多应用场景来讲是不易接受的。

超低旁瓣的天线在诸多场景都有着极为广阔的应用，例如电子对抗、卫星通信、汽车雷达等等。而基片集成波导缝隙天线阵确实也逐渐地在这些领域内占据举足轻重的地位，如前一段所述，H面的旁瓣可以达到一个非常好的效果，但是E面还是不够的。近年来，周期性的金属或介质超表面在相当多的领域获得了极大的关注，在天线领域，很多研究者也在试图利用其丰富的电磁响应来对天线的性能进行改善。对于阵列天线来讲，比较熟知的原理公式就是阵列的总方向图等于单元方向图乘以阵因子，以往的研究者都是对阵因子进行修正以更好地调节天线的特性，但是这种方法的调节能力是有限的。自然而然地，我们直接利用电磁超表面对单元方向图进行修正以更好地改善阵列天线的特性。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供一种用三维周期性金属结构进行调制的超低旁瓣的基片集成波导缝隙天线阵，可以解决阵列天线在均匀激励情况下无法降低理论限制旁瓣的问题。

本发明提供的超低旁瓣基片集成波导缝隙天线阵，由五根波导按垂直于波导长边方向紧密排列而成，参见图1-图4；每层波导分为上层辐射波2和下层馈电波导3；两层波导间通过长条形耦合缝隙8进行能量的耦合；每半根波导上各开有n个的不同偏置距离、不同长度的辐射缝隙4，该辐射缝隙4相对于每根波导的中线有一定偏置距离，但是每个缝隙的偏置都有不同，且长度也不同；每根长波导单元中间完全由金属化通孔5分开，左右两边成镜面对称，金属通孔5贯穿上、下两层波导；相邻的波导间由金属化通孔5隔开，每个金属通孔中分别固定有一个金属圆柱1，形成三维周期性金属圆柱结构阵列。

本发明中，在馈电波导耦合缝隙附近还加载有一个金属柱7，其高度与馈电波导的厚度一样，用以对阻抗带宽进行调节以更好地匹配。

本发明中，所述辐射缝隙4 的数量n根据实际情况设计确定，一般可为8-30个，优选为10-18个，更优选为12个。

本发明中，所述每根长波导中间由金属化通孔进行隔离，主要作用是可以分别对阵列的左右两半进行和差波束，这样以实现非常精准的H面定位功能。

本发明中，每根长波导上共有2n个辐射缝隙4，每个缝隙的偏置和长度均是通过波束赋形等计算方式迭代收敛得到。

本发明中，所述最核心的三维金属圆柱结构是加载在基片集成波导阵表面金属圆柱周期性结构，为了加工方便，所有金属圆柱结构均插在相邻波导间的金属化通孔中，金属圆柱的高度要小于波长的0.25倍。

本发明中，同轴电缆探针6直接插入下方馈电波导中，以进行激励；具体地，所述上层辐射波导主要由其下方紧贴的馈电波导以耦合缝隙进行馈电激励，馈电波导由另一端伸进的同轴电缆探针6进行激励。

本发明中，三维周期性金属圆柱结构，可以修正每根波导天线的单元方向图，以较低E面的阵列总辐射方向图的旁瓣。该阵列阻抗带宽可以达到5%，两个扫描面旁瓣几乎在-22 dB左右，剖面极低、排列紧凑、可靠性极高。

附图说明

图1为加载三维周期性结构的基片集成波导缝隙天线阵。

图2为天线阵俯视图。

图3为天线阵正视图。

图4为天线阵局部透射图，可以从俯视的视角看到底部馈电波导中的耦合缝隙、调节匹配的金属柱以及同轴电缆。

图5为阵列中心单元的有源驻波。

图6为在中心频率

时，E面的水平极化与交叉极化方向图。

图7为在中心频率

时，H面的水平极化与交叉极化方向图。

图中标号：1为加载在阵列表面的金属圆柱形结构，2为上层辐射波导，3为下层馈电波导，4为辐射缝隙，5为金属化过孔,6馈电探针，7为调节阻抗匹配的金属柱，8为耦合馈电缝，9为馈电波导内部。

具体实施方式

如图1所示为加载三维周期性结构的基片集成波导缝隙天线阵结构图。天线阵主要采用PCB工艺进行加工，每层辐射波导2和馈电波导3均是铜层，中间填充介电常数为ε _r =2.5的超低损耗介质板。为了E面波束扫描的方便，每根波导的宽度不大于半波长。

如图2所示为天线阵列俯视图，位于波导表面的辐射缝隙4相对于每根波导的中线有一定偏置距离，辐射缝隙4数为12个，但是每个缝隙的偏置都有不同，且长度也不同，由前期的设计程序使其具备更好的阻抗匹配效果。金属通孔5直接贯穿两层波导，对其中电磁波产生非常好的局域作用。如图1金属圆柱形结构1固定于相邻波导间的金属通孔5中，工作时天线阵列被下方馈电结构所激励，辐射出的电磁波又对表面上的金属结构产生激励作用，当所有周期性结构均被激励时，其共同向外发生辐射，这从单元结构的角度来考虑也就是相当于每根波导的单元辐射与其边缘处的金属圆柱的辐射进行了耦合，修改了单元辐射方向图，最终对整个阵列的辐射方向图产生了影响，降低了旁瓣。

如图3所示同轴电缆探针6直接插入下方馈电波导中以进行激励，实际使用时，每个天线单元通过SMP同轴接头激励。电磁能量依次通过同轴电缆6，到馈电波导3，再到辐射波导2，最后辐射至自由空间中。

如图4所示，小金属圆柱7贯穿馈电波导位于耦合馈电缝隙附近，以对阻抗匹配的性能进行有效调节。两层波导间通过长条形耦合缝隙8进行能量的耦合，其长宽尺寸对能量能否很好地耦合上去有着至关重要的决定性作用。虽然下方馈电波导整体仅有馈电波导内部9所示大小，前端和后端均用金属化过孔进行隔离，但是为了加工和实验的方便，还是将其一层做成和上方一样大小，这样更容易固定。

如图5所示为所有波导全部激励时的中心单元有源驻波比图像，在带内(15.4 GHz– 16.1 GHz)驻波比均低于2。

如图6所示为五根波导均匀激励时E面中心频点的有源增益方向图，由图可知旁瓣基本达到了-22 dB的水平，且增益没有降低，远超波束赋形的效果。

如图7所示为五根波导均匀激励时H面中心频点的有源增益方向图, 由图可知旁瓣基本达到了-23 dB的水平，且波束非常窄，具备相当好的特性。

Claims (6)

1.一种具有周期圆柱结构调制的超低旁瓣基片集成波导缝隙天线阵，其特征在于，由五根波导按垂直于波导长边方向紧密排列而成；每层波导分为上层辐射波（2）和下层馈电波导（3）；两层波导间通过长条形耦合缝隙（8）进行能量的耦合；每半根波导上开有n个的不同偏置距离、不同长度的辐射缝隙（4），该辐射缝隙（4）相对于每根波导的中线有一定偏置距离，但是每个缝隙的偏置都有不同，且长度也不同；每根长波导单元中间完全由金属化通孔（5）分开，左右两边成镜面对称，金属通孔（5）贯穿上、下两层波导；相邻的波导间由金属化通孔（5）隔开，每个金属通孔中分别固定有一个金属圆柱（1），形成三维周期性金属圆柱结构阵列。

2.根据权利要求1所述的超低旁瓣基片集成波导缝隙天线阵，其特征在于，在馈电波导耦合缝隙附近还加载有一个金属柱（7），其高度与馈电波导的厚度一样，用以调节阻抗带宽。

3.根据权利要求2所述的超低旁瓣基片集成波导缝隙天线阵，其特征在于，每半根波导上辐射缝隙（4）的数量n根据实际情况设计确定，n为8-30，优选n为10-18。

4.根据权利要求3所述的超低旁瓣基片集成波导缝隙天线阵，其特征在于，每根长波导上共有2n个耦合缝隙（8），每个缝隙的偏置和长度均通过波束赋形等计算方式迭代收敛得到。

5.根据权利要求4所述的超低旁瓣基片集成波导缝隙天线阵，其特征在于，所述金属圆柱的高度小于波长的0.25倍。

6.根据权利要求1-5之一所述的超低旁瓣基片集成波导缝隙天线阵，其特征在于，由同轴电缆探针6直接插入下方馈电波导中，以进行激励。

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