CN113451759A - 基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵 - Google Patents

基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵，包括馈电波导、辐射波导；馈电波导包括至少两层功分馈电腔体层，最下层功分馈电腔体层设置有下金属脊，下金属脊上设置有馈电端口；自下而上第n层功分馈电腔体层中设置有2n‑1个第一波导组阵，相邻两个第一波导组阵之间相对的两个第一金属脊端部为虚拟金属壁，两虚拟金属壁之间间隔的区域为电磁波截止区；辐射波导中设置有若干个第二波导组阵，每个第二波导组阵中的两个第二金属脊之间设置第二耦合缝隙，相邻两第二波导组阵之间设置有物理金属壁；辐射波导顶部设置有若干个辐射缝隙。本发明的优点在于：减重时不形成封闭空腔避免造成结构变形，电镀液易流出，避免残留影响天线电性能。

Description

基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵
技术领域
本发明涉及微波天线技术领域，具体涉及一种基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵。
背景技术
波导缝隙天线是在波导上开缝隙，电磁波通过缝隙向外部空间辐射的天线。现有技术中，例如公开号为CN111864377A的中国发明专利申请公开了一种宽带共线缝波导缝隙天线，包括波导同轴变换器、一分二馈电波导和辐射波导；一分二馈电波导与辐射波导对称的嵌套结合，通过共用的公共壁进行分隔；波导同轴变换器位于一分二馈电波导的下侧中心，一分二馈电波导和辐射波导的两端及辐射波导与波导同轴变换器结合处设置有隔离墙，用于形成封闭的波导腔；辐射波导的顶部沿宽边方向中心线上开有若干个辐射缝隙，各个辐射缝隙位于同一直线上，在辐射缝隙附近的波辐射波导的波导腔内设置交替分布的扰动块。波导缝隙天线具有良好的平面结构，易于与安装物体共形，并拥有损耗低、功率容量大、辐射效率高等一系列优点，受到了国内外学者的广泛关注与研究，并在雷达与通信系统中得到广泛应用。
单根波导缝隙天线的辐射缝隙数量与天线带宽成反比，即辐射缝隙越多，天线带宽越窄。为实现宽带设计，需要限制单根波导缝隙天线的辐射缝隙数量；为获得高增益特性，需要将单根波导缝隙天线进行组阵。故波导缝隙天线阵通常由多层波导腔体构成，顶层为多个辐射波导，设计有辐射缝隙，辐射波导层以下为馈电波导层，完成对多个辐射波导的功分馈电。
在波导缝隙天线阵的设计过程中，不仅要满足天线阵的电性能指标要求，还要综合考虑天线阵的制造实现难易程度及成本。目前，波导缝隙天线阵的加工制造流程大体可分为以下三个步骤：1、结构拆分，由于波导缝隙天线阵的多层结构设计，及其波导内部的复杂结构，很难通过机械加工一次成型，需要对其电讯尺寸进行工艺结构拆分，形成满足机械加工与焊接要求的零部件，通常是按层划分；2、真空钎焊，通过工装定位、装夹等技术措施保证各个零部件的相对位置关系，将其放入真空钎焊设备中，完成焊接，这一步要求天线阵内部不能存在封闭的空腔，否则会因内外大气压差造成结构变形；3、电镀处理，为满足天线的表面防护及环境适应性要求，需要使用电镀液对天线的内外表面进行清洗，这要求天线内部结构中不能存在过小的孔，否则电镀液不易流出，形成残留，造成天线电性能的恶化。
同时，由于导弹、飞机等各种高速飞行器的发展，也对天线提出了更高的要求，首当其冲的就是对重量的限制。传统地，通过对天线阵非电磁信号接触区域的金属进行剔除，可实现减重。但此种传统的减重方法已经越来越难以满足需求，这要求波导缝隙天线阵的设计者，在电讯设计阶段即实现减重设计。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：现有技术中波导缝隙天线减重时会形成封闭空腔易造成结构变形，以及电镀液不易流出，形成残留，影响天线电性能的技术问题。
本发明是通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵，包括馈电波导、辐射波导；
所述馈电波导包括自下而上依次设置的至少两层功分馈电腔体层，最顶层为辐射波导；
最下层功分馈电腔体层设置有下金属脊，下金属脊上设置有馈电端口；
自下而上第n层功分馈电腔体层中设置有2n-1个第一波导组阵，其中n为大于1的正整数，第一波导组阵包括两个第一金属脊，每个第一波导组阵中的两个第一金属脊之间设置第一耦合缝隙；
相邻两个第一波导组阵之间相对的两个第一金属脊端部为虚拟金属壁，两虚拟金属壁之间间隔的区域为电磁波截止区；
所述辐射波导中设置有若干个第二波导组阵，第二波导组阵的个数为紧邻辐射波导下方的功分馈电腔体层中第一波导组阵数量的两倍，第二波导组阵包括两个第二金属脊，每个第二波导组阵中的两个第二金属脊之间设置第二耦合缝隙，相邻两第二波导组阵之间设置有物理金属壁；
所述辐射波导顶部设置有若干个辐射缝隙。
本发明中的基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵在实际应用时，其设计有虚拟金属壁，两虚拟金属壁之间的波导内结构可全部去除，通过电讯设计实现天线减重。通过虚拟金属壁的设计，实现了减重区与电磁信号区的物理连通，因此，下至馈电端口，上至辐射缝隙，通过虚拟金属壁与耦合缝隙，所述基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵的内部波导腔体均连通，并与外界相连通，在实现减重的同时，即避免封闭空腔的存在，也易于电镀液的流出，降低加工制造的难度与成本。从另一角度说，虚拟金属壁利用矩形波导与脊波导所具有的不同截止频率，实现了与物理金属壁同样的对电磁波全反射功能。两虚拟金属壁之间区域构成电磁截止区，电磁截止区内部并不存在电磁波，故其波导内部结构可全部去除，实现减重设计。同时，由于虚拟金属壁并不物理存在，故电磁截止区并不是封闭空腔结构，其与非截止区是相通的，这一设计即满足真空钎焊的要求，也利于表面处理时电镀液在天线阵波导腔体内的流入流出，降低加工成本与制造难度。本发明所述的基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵适用于机载、弹载等对重量有较严格要求的应用场景。
优化的，所述功分馈电腔体层共计设置3层。
优化的，所述馈电端口位于下金属脊中间；
所述馈电端口位于其上一层电磁波截止区的中间下方；
所述第一耦合缝隙位于其上一层电磁波截止区的中间下方；
所述物理金属壁位于其下一层第一耦合缝隙的正上方。
优化的，所述第一耦合缝隙、第二耦合缝隙均为长孔，且长孔的长度方向垂直于轻质波导天线阵的长度方向。
优化的，所述辐射缝隙为长孔，且辐射缝隙的长度方向平行于轻质波导天线阵的长度方向。
优化的，每个第二波导组阵上方设置4个辐射缝隙。
优化的，所述下金属脊、第一金属脊、第二金属脊均为长条形，且其截面形状均为矩形。
优化的，相邻两第二波导组阵之间相互靠近的两个第二金属脊为一体的，物理金属壁设置在该一体的第二金属脊的中间。
优化的，所述馈电端口为圆孔。
优化的，所述第二耦合缝隙向下的投影位于其下一层功分馈电腔体层的投影范围内，且辐射波导的长度大于其下一层功分馈电腔体层的长度；
上一层第一耦合缝隙向下的投影位于其下一层功分馈电腔体层的投影范围内，且上一层功分馈电腔体层的长度大于下一层功分馈电腔体层的长度。
本发明的优点在于：
本发明中的基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵在实际应用时，其设计有虚拟金属壁，两虚拟金属壁之间的波导内结构可全部去除，通过电讯设计实现天线减重。通过虚拟金属壁的设计，实现了减重区与电磁信号区的物理连通，因此，下至馈电端口，上至辐射缝隙，通过虚拟金属壁与耦合缝隙，所述基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵的内部波导腔体均连通，并与外界相连通，在实现减重的同时，即避免封闭空腔的存在，也易于电镀液的流出，降低加工制造的难度与成本。从另一角度说，虚拟金属壁利用矩形波导与脊波导所具有的不同截止频率，实现了与物理金属壁同样的对电磁波全反射功能。两虚拟金属壁之间区域构成电磁截止区，电磁截止区内部并不存在电磁波，故其波导内部结构可全部去除，实现减重设计。同时，由于虚拟金属壁并不物理存在，故电磁截止区并不是封闭空腔结构，其与非截止区是相通的，这一设计即满足真空钎焊的要求，也利于表面处理时电镀液在天线阵波导腔体内的流入流出，降低加工成本与制造难度。本发明所述的基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵适用于机载、弹载等对重量有较严格要求的应用场景。
附图说明
图1、2为本发明实施例中基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵的立体图；
图3为本发明实施例中基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵的俯视图；
图4为图3中A-A剖视图；
图5为本发明实施例中基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵的主视图；
图6、7分别为图5中B-B、C-C剖视图；
图8-10依次为本发明实施例中第一层、第二层、第三层功分馈电腔体层的内部结构示意图；
图11为本发明实施例中辐射波导的内部结构示意图；
图12为本发明实施例中基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵组成二维阵列立体结构示意图；
其中，
馈电波导-1、功分馈电腔体层-11、下金属脊-111、第一波导组阵-112、第一金属脊-113、第一耦合缝隙-114、虚拟金属壁-115、电磁波截止区-116、馈电端口-117；
辐射波导-2、第二波导组阵-21、辐射缝隙-22、第二金属脊-211、第二耦合缝隙-212、物理金属壁-213。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作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。
如图1、2所示，一种基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵，包括馈电波导1、辐射波导2。
如图3、4所示，所述馈电波导1包括自下而上依次设置的至少两层功分馈电腔体层11，最顶层为辐射波导2；本实施例中，所述功分馈电腔体层11共计设置3层。每一级功分馈电腔体层11实现1：2的功分馈电，馈电波导1实现了1：8的功分馈电。
如图4、8所示，最下层功分馈电腔体层11设置有下金属脊111，下金属脊111上设置有馈电端口117；所述馈电端口117位于下金属脊111中间。所述馈电端口117为圆孔。
如图4所示，自下而上第n层功分馈电腔体层11中设置有2n-1个第一波导组阵112，其中n为大于1的正整数，本实施例中n可以是2、3，第一波导组阵112包括两个第一金属脊113，每个第一波导组阵112中的两个第一金属脊113之间设置第一耦合缝隙114。
如图4、7、9、10所示，相邻两个第一波导组阵112之间相对的两个第一金属脊113端部为虚拟金属壁115，两虚拟金属壁115之间间隔的区域为电磁波截止区116；虚拟金属壁的一面为脊波导，另一面为矩形波导，由于脊波导的截止频率低于矩形波导的截止频率，故通过设计合理的波导尺寸与脊尺寸，指定工作频率的电磁波可实现在脊波导中传播，在矩形波导中截止。因此，虚拟金属壁可代替物理金属壁。两个虚拟金属壁之间的区域为电磁波截止区，电磁波截止区的内部波导结构可全部去除，实现减重设计。
如图4所示，所述馈电端口117位于其上一层电磁波截止区116的中间下方；所述第一耦合缝隙114位于其上一层电磁波截止区116的中间下方。
如图4、11所示，所述辐射波导2中设置有若干个第二波导组阵21，第二波导组阵21的个数为紧邻辐射波导2下方的功分馈电腔体层11中第一波导组阵112数量的两倍，本实施例中所述第二波导组阵21设置8个，以获得高增益特性。
如图4-6、11所示，第二波导组阵21包括两个第二金属脊211，每个第二波导组阵21中的两个第二金属脊211之间设置第二耦合缝隙212，所述第一耦合缝隙114、第二耦合缝隙212均为长孔，且长孔的长度方向垂直于轻质波导天线阵的长度方向。
如图4所示，所述第二耦合缝隙212向下的投影位于其下一层功分馈电腔体层11的投影范围内，且辐射波导2的长度大于其下一层功分馈电腔体层11的长度；上一层第一耦合缝隙114向下的投影位于其下一层功分馈电腔体层11的投影范围内，且上一层功分馈电腔体层11的长度大于下一层功分馈电腔体层11的长度。
如图4、8-11所示，所述下金属脊111、第一金属脊113、第二金属脊211均为长条形，且其截面形状均为矩形。
如图4、11所示，相邻两第二波导组阵21之间设置有物理金属壁213，物理金属壁213垂直于轻质波导天线阵的长度方向；所述物理金属壁213位于其下一层第一耦合缝隙114的正上方。相邻两第二波导组阵21之间相互靠近的两个第二金属脊211为一体的，物理金属壁213设置在该一体的第二金属脊211的中间。
如图1、3所示，所述辐射波导2顶部设置有若干个辐射缝隙22。所述辐射缝隙22为长孔，且辐射缝隙22的长度方向平行于轻质波导天线阵的长度方向。每个第二波导组阵21上方设置4个辐射缝隙22，以实现宽带设计。
本实施例中采用虚拟金属壁设计的好处在于，虚拟金属壁在完成物理金属壁全反射电磁波的功能的同时，实现了电磁波截止区与电磁波信号流道区域的空气相连。若在虚拟金属壁处采用物理金属壁设计，则此时电磁波截止区为封闭空腔，在真空钎焊时会因内外大气压差造成周围区域波导变形，恶化天线性能；若将电磁波截止区填满金属，尽管解决了封闭空腔的存在，但却大幅增加了天线阵的重量；若在虚拟金属壁处采用物理金属壁设计的同时，在物理金属壁上开小孔，则不易于电镀液的流入流出，造成电镀液残留，同时随着天线阵的工作频率越来越高，小孔也会对波导内电磁场分布造成不可忽略的影响。
如图4所示，本发明所述轻质波导天线阵下至同轴馈电端口，上至辐射缝隙，通过虚拟金属壁与耦合缝隙，内部腔体全部相通，并与外界大气相通，即满足真空钎焊的要求，又易于电镀液的流动。在本实施例中，共有4处电磁波截止区，即处减重区。
此外，本发明所述轻质波导天线阵也可扩展应用于二维阵列布阵，即如图12所示的状态。
工作原理：
如图4所示，本发明中的基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵在实际应用时，其设计有虚拟金属壁，两虚拟金属壁之间的波导内结构可全部去除，通过电讯设计实现天线减重。通过虚拟金属壁的设计，实现了减重区与电磁信号区的物理连通，因此，下至馈电端口，上至辐射缝隙，通过虚拟金属壁与耦合缝隙，所述基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵的内部波导腔体均连通，并与外界相连通，在实现减重的同时，即避免封闭空腔的存在，也易于电镀液的流出，降低加工制造的难度与成本。从另一角度说，虚拟金属壁利用矩形波导与脊波导所具有的不同截止频率，实现了与物理金属壁同样的对电磁波全反射功能。两虚拟金属壁之间区域构成电磁截止区，电磁截止区内部并不存在电磁波，故其波导内部结构可全部去除，实现减重设计。同时，由于虚拟金属壁并不物理存在，故电磁截止区并不是封闭空腔结构，其与非截止区是相通的，这一设计即满足真空钎焊的要求，也利于表面处理时电镀液在天线阵波导腔体内的流入流出，降低加工成本与制造难度。本发明所述的基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵适用于机载、弹载等对重量有较严格要求的应用场景。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵，其特征在于：包括馈电波导(1)、辐射波导(2)；
所述馈电波导(1)包括自下而上依次设置的至少两层功分馈电腔体层(11)，最顶层为辐射波导(2)；
最下层功分馈电腔体层(11)设置有下金属脊(111)，下金属脊(111)上设置有馈电端口(117)；
自下而上第n层功分馈电腔体层(11)中设置有2n-1个第一波导组阵(112)，其中n为大于1的正整数，第一波导组阵(112)包括两个第一金属脊(113)，每个第一波导组阵(112)中的两个第一金属脊(113)之间设置第一耦合缝隙(114)；
相邻两个第一波导组阵(112)之间相对的两个第一金属脊(113)端部为虚拟金属壁(115)，两虚拟金属壁(115)之间间隔的区域为电磁波截止区(116)；
所述辐射波导(2)中设置有若干个第二波导组阵(21)，第二波导组阵(21)的个数为紧邻辐射波导(2)下方的功分馈电腔体层(11)中第一波导组阵(112)数量的两倍，第二波导组阵(21)包括两个第二金属脊(211)，每个第二波导组阵(21)中的两个第二金属脊(211)之间设置第二耦合缝隙(212)，相邻两第二波导组阵(21)之间设置有物理金属壁(213)；
所述辐射波导(2)顶部设置有若干个辐射缝隙(22)。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵，其特征在于：所述功分馈电腔体层(11)共计设置3层。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵，其特征在于：所述馈电端口(117)位于下金属脊(111)中间；
所述馈电端口(117)位于其上一层电磁波截止区(116)的中间下方；
所述第一耦合缝隙(114)位于其上一层电磁波截止区(116)的中间下方；
所述物理金属壁(213)位于其下一层第一耦合缝隙(114)的正上方。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵，其特征在于：所述第一耦合缝隙(114)、第二耦合缝隙(212)均为长孔，且长孔的长度方向垂直于轻质波导天线阵的长度方向。
5.根据权利要求1所述的基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵，其特征在于：所述辐射缝隙(22)为长孔，且辐射缝隙(22)的长度方向平行于轻质波导天线阵的长度方向。
6.根据权利要求1所述的基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵，其特征在于：每个第二波导组阵(21)上方设置4个辐射缝隙(22)。
7.根据权利要求1所述的基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵，其特征在于：所述下金属脊(111)、第一金属脊(113)、第二金属脊(211)均为长条形，且其截面形状均为矩形。
8.根据权利要求1所述的基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵，其特征在于：相邻两第二波导组阵(21)之间相互靠近的两个第二金属脊(211)为一体的，物理金属壁(213)设置在该一体的第二金属脊(211)的中间。
9.根据权利要求1所述的基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵，其特征在于：所述馈电端口(117)为圆孔。
10.根据权利要求1所述的基于虚拟金属壁的轻质波导天线阵，其特征在于：所述第二耦合缝隙(212)向下的投影位于其下一层功分馈电腔体层(11)的投影范围内，且辐射波导(2)的长度大于其下一层功分馈电腔体层(11)的长度；
上一层第一耦合缝隙(114)向下的投影位于其下一层功分馈电腔体层(11)的投影范围内，且上一层功分馈电腔体层(11)的长度大于下一层功分馈电腔体层(11)的长度。
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