CN113659329B - 一种低剖面串并结合馈电波导阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低剖面串并结合馈电波导阵列天线，涉及天线技术领域，包括金属基体，金属基体包括有按照一方向顺序层叠的辐射层、耦合层和馈电网络层，辐射层包括有若干2x2辐射单元，耦合层包括有耦合腔，馈电网络层具有馈电端口，且馈电网络层的馈电端口到耦合层依次包括等比功分器、不等功分器Ⅰ、不等功分器Ⅱ和串馈辅助网络。本发明中的2x2辐射单元的圆角辐射孔采用非对称倒角方式，更利于抑制副瓣电平，容易实现低副瓣；本发明采用新型辐射单元及新型并联馈电为主串联馈电为辅的混合馈电方式，解决了功分并联馈电形式波导阵列天线中剖面高、非2的整数次幂口径阵列馈电网络设计难度大、难以实现低副瓣等问题。

Description

一种低剖面串并结合馈电波导阵列天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种低剖面串并结合馈电波导阵列天线。
背景技术
波导阵列天线一般分为串联馈电形式的波导壁缝隙天线和功分并联馈电形式的常规阵列。
波导壁缝隙天线具有口面场分布容易控制、天线口径效率高、性能稳定结构简单紧凑、强度高、安装方便等特点，而且容易实现窄波束、低副瓣乃至超低副瓣等优点，但其带宽较窄。
功分并联馈电形式的常规波导阵列不仅具有天线口径效率高、性能稳定结构紧凑、强度高、可靠性高等优点，且带宽能做到足够宽。但其存在剖面高、难以实现低副瓣等缺点，尤其是基于非2的整数次幂阵面（如18、20、48等阵面口径），功分馈电网络设计难度大。
发明内容
本发明的主要目的是为了提供一种低剖面串并结合馈电波导阵列天线，解决功分并联馈电形式波导阵列天线中剖面高、非2的整数次幂口径阵列馈电网络设计难度大、难以实现低副瓣等问题。
本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：
一种低剖面串并结合馈电波导阵列天线，包括金属基体，所述金属基体包括有按照一方向顺序层叠的辐射层、耦合层和馈电网络层，
所述辐射层包括有若干2x2辐射单元，
所述耦合层包括有耦合腔，
所述馈电网络层具有馈电端口，且馈电网络层的馈电端口到耦合层依次包括等比功分器、不等功分器Ⅰ、不等功分器Ⅱ和串馈辅助网络，其中所述等比功分器、不等功分器Ⅰ和不等功分器Ⅱ构成并联馈电网络；
所述2x2辐射单元包括有四个圆角辐射孔，所述圆角辐射孔用于将波导内能量辐射至空间中，所述圆角辐射孔通过耦合腔进行馈电，所述耦合腔通过馈电网络层进行馈电，所述圆角辐射孔的圆角为非对称倒角，用于调节单元方向图零点位置，以实现低副瓣。
优选的，所述串馈辅助网络为波导窄边纵缝耦合馈电，所述串馈辅助网络具有第一耦合缝隙，且所述串馈辅助网络的第一耦合缝隙之间相距一个导波波长，所述串馈辅助网络采用的E面馈电波导尺寸与并联馈电网络E面波导尺寸一致，所述串馈辅助网络的导波波长与2x2辐射单元间距相等；
所述串馈辅助网络与所述并联馈电网络结合，形成一个低剖面的同相馈电网络层。
优选的，四个所述圆角辐射孔构成2X2辐射单元时，所述圆角辐射孔外侧角的倒角尺寸为中心频率半波长，且大于内侧角的倒角尺寸。
优选的，所述馈电网络层具有第二耦合缝隙，所述耦合腔通过馈电网络层上的第二耦合缝隙馈电，所述耦合腔呈方形，且其内配置有四个耦合腔脊片，四个所述耦合腔脊片均为竖直长条状结构，用于调节2x2辐射单元的有源驻波及方向图。
优选的，所述不等功分器Ⅰ为E面一分二波导功分器，配置有过渡模块和第一功分调谐模块，所述过渡模块直接与不等功分器Ⅰ相结合，用于调节不等功分器Ⅰ与整个馈电网络之间的匹配，所述第一功分调谐模块用于调节功率分配比和不等功分器Ⅰ自身输入反射。
优选的，所述等比功分器配置有等比功分器调谐腔和等比功分器调谐脊片，且所述等比功分器调谐腔的宽边长度与所述等比功分器调谐脊片深度之和等于所述等比功分器支路E面波导宽边长度。
优选的，所述辐射层、耦合层和馈电网络层自上向下依次层叠。
优选的，所述等比功分器具有H面功分网络，等比功分器中的两路非标准波导口直接通过H面功分网络合成为一路标准输出波导端口，所述等比功分器调谐腔和等比功分器调谐脊片用于标准输出波导端口到非标准波导端口的过渡。
优选的，所述不等功分器Ⅱ为E面一分二波导功分器，配置有第二功分调谐模块，所述第二功分调谐模块用于调节功率分配比和不等功分器Ⅱ自身输入反射。
优选的，所述串馈辅助网络在整个馈电网络层的位置为阵元四周边缘处。
本发明的有益技术效果：
1、本发明中的2X2辐射单元的圆角辐射孔采用非对称倒角方式，更利于抑制副瓣电平，容易实现低副瓣。
2、本发明中的方形耦合腔，结构上仅有竖直方向的四个耦合腔脊片，结构简单，易于加工。
3、本发明中的馈电网络层采用串并结合的设计方式保证了所有馈电网络在一层波导空间内实现，达到了低剖面、重量轻、结构紧凑等目的；串并结合的方法也能让布局更加合理分配整个阵面的激励能量分布，更容易实现低副瓣。
4、本发明中的等比功分器具有的两路非标准波导口直接通过H面功分网络合成的一路标准输出波导端口，结构上比传统的更为紧凑，简单，降低了加工难度。
5、本发明中的不等功分器Ⅰ采用新的设计方式实现了超大功分比，更容易实现低副瓣。
6、本发明中的串馈辅助网络采用的E面馈电波导尺寸与并联馈电网络E面波导尺寸基本一致，其导波波长与辐射单元间距一致，能与并联馈电网络完美结合，形成一个低剖面的同相馈电网络层，解决了非整数次幂口径阵列馈电网络设计难度大的问题；
同时，串馈辅助网络设计在阵列边缘位置，阵列边缘特定数量的辐射单元采用该串联辅助网络馈电，在进行低副瓣设计时，阵列边缘所需的激励电磁能量较低，串馈辅助网络首先将边缘较低的能量进行合成，再通过不等功分器Ⅰ和不等功分器Ⅱ与阵列中间部分的能量并联合成，这样就大大降低了不等功分Ⅰ和不等功分器Ⅱ的功率分配比，如此，更容易低副瓣，甚至超低副瓣。
附图说明
图1是本发明的整体阵列立体剖分图。
图2是本发明的辐射层结构俯视图。
图3是本发明的2X2辐射单元的圆角辐射孔细节图。
图4是本发明的2X2辐射单元带耦合层的立体结构示意图。
图5是本发明的馈电网络层结构示意图。
图6是本发明的不等功分器Ⅰ结构示意图。
图7是本发明的不等功分器Ⅱ结构示意图。
图8是本发明的等比功分器结构示意图。
图9是本发明的串馈辅助网络结构示意图。
图10是本发明的整体立体（包含金属基体）示意图。
图11是本发明较佳实施例的低副瓣方位面方向图。
图中：1-辐射层；2-2x2辐射单元；3-圆角辐射孔；4-耦合层；5-馈电网络层； 6-等比功分器； 7-不等功分器Ⅰ； 8-不等功分器Ⅱ；9-串馈辅助网络；10-过渡模块；11-等比功分器调谐脊片；12-等比功分器调谐腔；13-金属基体；14-耦合腔；15-耦合腔脊片；16-第二耦合缝隙；17-标准输出波导端口。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1-图11所示，本实施例提供的低剖面串并结合馈电波导阵列天线，包括金属基体13，也即为阵列天线基体，金属基体13包括有按照从上到下的顺序层叠的辐射层1、耦合层4和馈电网络层5，
辐射层1包括有320个2x2辐射单元2，
耦合层4包括有与2x2辐射单元2相同数量的耦合腔14，即为320个，
馈电网络层5具有馈电端口，且馈电网络层5的馈电端口到耦合层4依次包括等比功分器6、不等功分器Ⅰ7、不等功分器Ⅱ8和串馈辅助网络9，其中等比功分器6、不等功分器Ⅰ7和不等功分器Ⅱ8构成并联馈电网络，也即馈电网络层5包括串并结合馈电网络，这种设计方式保证了所有馈电网络在一层波导空间内实现，达到了低剖面、重量轻、结构紧凑的效果，同时，该布局也合理的分配了整个阵面的激励能量分布，更容易实现低副瓣；
2x2辐射单元2包括有四个圆角辐射孔3，仅有四个，数量过少的话会导致馈电网络设计难度增加，数量过多会难以实现低副瓣，圆角辐射孔3用于将波导内能量辐射至空间中，
波导内能量即天线内部的能量，精确地说，是耦合腔14中的能量，上述空间为自由空间，即为天线外部空间，圆角辐射孔3通过耦合腔14进行馈电，耦合腔14通过馈电网络层5进行馈电，
圆角辐射孔3的圆角为非对称倒角，用于调节单元方向图零点位置，以实现低副瓣，更利于抑制副瓣电平，改变非对称倒角的尺寸，可以在保证单元物理间距不变的同时，改变每个辐射缝隙的方向图因子及微调阵因子，从而实现调整阵列方向图的目的。
在本实施例中，串馈辅助网络9为波导窄边纵缝耦合馈电，串馈辅助网络9具有第一耦合缝隙，且其相邻的第一耦合缝隙之间相距一个导波波长，每个第一耦合缝隙的物理尺寸决定了耦合到对应2x2辐射单元2的电磁能量；
串馈辅助网络9具有E面馈电波导，并联馈电网络具有E面波导，串馈辅助网络9采用的E面馈电波导尺寸与并联馈电网络E面波导尺寸一致，串馈辅助网络9的导波波长与2x2辐射单元2间距相等；
串馈辅助网络9与并联馈电网络结合，形成一个低剖面的同相馈电网络层。
在本实施例中，如图1-图4所示，四个圆角辐射孔3构成2X2辐射单元2时，圆角辐射孔3外侧角的倒角尺寸为中心频率半波长，为天线工作中心频率，且大于内侧角的倒角尺寸，是为了改变最小辐射单元（即圆角辐射孔）的相位中心，从而改变等效间距，即改变2x2辐射单元的阵因子，也即改变2x2辐射单元的方向图零深位置，结合整阵的阵因子，可方便实现低副瓣。
在本实施例中，如图1-图4所示，馈电网络层5具有第二耦合缝隙16，耦合腔14通过馈电网络层5上的第二耦合缝隙馈电，耦合腔14呈方形，且其内配置有四个耦合腔脊片15，四个耦合腔脊片均为竖直长条状结构，用于调节2x2辐射单元的有源驻波及方向图，跟常见耦合腔相比，少了台阶等细节结构，减少机加难度和加工时间，另外还减少了机加焊接分层数，结构简单，易于加工。
在本实施例中，如图6所示，不等功分器Ⅰ7为E面一分二波导功分器，配置有过渡模块10和第一功分调谐模块，过渡模块10直接与不等功分器Ⅰ7相结合，用于调节不等功分器Ⅰ7与整个馈电网络之间的匹配，第一功分调谐模块用于调节功率分配比和不等功分器Ⅰ7自身输入反射，过渡模块10直接与不等功分器Ⅰ7相结合可使得功分器主路最小加工尺寸不变，保证了在不增加加工难度的条件下，实现超大功分比。
在本实施例中，如图8所示，等比功分器6配置有等比功分器调谐腔12和等比功分器调谐脊片11，等比功分器6具有支路E面波导，且等比功分器调谐腔12的宽边长度与等比功分器调谐脊片11深度之和等于等比功分器6支路E面波导宽边长度。
本实施例中，如图8所示，等比功分器6具有H面功分网络，等比功分器6中的两路非标准波导口直接通过H面功分网络合成为一路标准输出波导端口17，结构上比传统的更为紧凑，简单，降低了加工难度，
等比功分器6采用上述新设计方式，实现了等比功分器6的H面等比功分，等比功分器调谐腔12和等比功分器调谐脊片11用于标准输出波导端口17到非标准波导端口的过渡，该设计方案可极大降低了加工难度。
在本实施例中，如图5-图7所示，不等功分器Ⅱ8为E面一分二波导功分器，配置有第二功分调谐模块，用于调节功率分配比和不等功分器Ⅱ8自身输入反射。
在本实施例中，如图1和图5所示，串馈辅助网络9在整个馈电网络层5的位置为阵元四周边缘处，串馈辅助网络9设计在阵列边缘位置，阵列边缘特定数量的辐射单元采用该串联辅助网络馈电，在进行低副瓣设计时，阵列边缘所需的激励电磁能量较低，串馈辅助网络首先将边缘较低的能量进行合成，再通过不等功分器Ⅰ和不等功分器Ⅱ与阵列中间部分的能量并联合成，这样就大大降低了不等功分Ⅰ和不等功分器Ⅱ的功率分配比，如此，更容易低副瓣，甚至超低副瓣。
在本实施例中，当阵列天线处于发射状态，电磁能量通过标准输出波导端口17进入馈电网络层5，过程中首先经过等比功分器6均分为两路等幅同相的电磁能量进入由不等功分器Ⅰ7组成的一级馈电网络，每个不等功分器Ⅰ7对电磁能量进行相应的功率分配，形成的多路不等幅的电磁能量再进入由不等功分器Ⅱ8及串馈辅助网络9组成的次级馈电网络，然后通过馈电网络层5上面的第二耦合缝隙16传输至耦合层4的每个方形耦合腔14，最后通过辐射层1的每个圆角辐射孔3辐射至自由空间中。
当该阵列天线处于接受状态，工作原理同发射状态，电磁能量传输路径恰好相反。
综上所述，在本实施例中，本实施例提供的2X2辐射单元的圆角辐射孔采用非对称倒角方式，更利于抑制副瓣电平，容易实现低副瓣，方形耦合腔，结构上仅有竖直方向的四个耦合腔脊片，结构简单，易于加工。
以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种低剖面串并结合馈电波导阵列天线，其特征在于：包括
金属基体（13），所述金属基体（13）包括有按照从上到下的顺序层叠的辐射层（1）、耦合层（4）和馈电网络层（5）；
所述辐射层（1）包括有若干2x2辐射单元（2）；
所述耦合层（4）包括有与2x2辐射单元（2）相同数量的耦合腔（14）；
所述馈电网络层（5）具有馈电端口，且馈电网络层（5）的馈电端口到耦合层（4）依次包括等比功分器（6）、不等功分器Ⅰ（7）、不等功分器Ⅱ（8）和串馈辅助网络（9）；
其中所述等比功分器（6）、不等功分器Ⅰ（7）和不等功分器Ⅱ（8）构成并联馈电网络；
所述2x2辐射单元（2）包括有四个圆角辐射孔（3），所述圆角辐射孔（3）用于将波导内能量辐射至空间中，所述四个圆角辐射孔（3）中的每个圆角辐射孔（3）外侧角的倒角尺寸为天线工作中心频率半波长，且所述圆角辐射孔（3）外侧角的倒角尺寸大于所述圆角辐射孔（3）内侧角的倒角尺寸；
所述圆角辐射孔（3）通过耦合腔（14）进行馈电，所述耦合腔（14）通过馈电网络层（5）进行馈电；
所述圆角辐射孔（3）的圆角为非对称倒角，用于调节单元方向图零点位置，以实现低副瓣；
所述馈电网络层（5）具有第二耦合缝隙（16），所述耦合腔（14）通过馈电网络层（5）上的第二耦合缝隙（16）馈电，所述耦合腔（14）呈方形，且其内配置有四个耦合腔脊片（15），四个所述耦合腔脊片（15）均为竖直长条状结构，用于调节2x2辐射单元的有源驻波及方向图；
所述串馈辅助网络（9）与所述并联馈电网络结合，形成一个低剖面的同相馈电网络层，所述串馈辅助网络（9）在整个馈电网络层（5）的位置为阵元四周边缘处。
2.根据权利要求1所述的一种低剖面串并结合馈电波导阵列天线，其特征在于：所述串馈辅助网络（9）为波导窄边纵缝耦合馈电，所述串馈辅助网络（9）具有第一耦合缝隙，且所述串馈辅助网络（9）的第一耦合缝隙之间相距一个导波波长，所述串馈辅助网络（9）采用的E面馈电波导尺寸与并联馈电网络E面波导尺寸一致，所述串馈辅助网络（9）的导波波长与2x2辐射单元（2）间距相等。
3.根据权利要求1所述的一种低剖面串并结合馈电波导阵列天线，所述不等功分器Ⅰ（7）为E面一分二波导功分器，配置有过渡模块（10）和第一功分调谐模块，所述过渡模块（10）直接与不等功分器Ⅰ（7）相结合，用于调节不等功分器Ⅰ（7）与整个馈电网络之间的匹配，所述第一功分调谐模块用于调节功率分配比和不等功分器Ⅰ（7）自身输入反射。
4.根据权利要求1所述的一种低剖面串并结合馈电波导阵列天线，其特征在于：所述等比功分器（6）配置有等比功分器调谐腔（12）和等比功分器调谐脊片（11），且所述等比功分器调谐腔（12）的宽边长度与所述等比功分器调谐脊片（11）深度之和等于所述等比功分器（6）支路E面波导宽边长度。
5.根据权利要求4所述的一种低剖面串并结合馈电波导阵列天线，其特征在于：所述等比功分器（6）具有H面功分网络，等比功分器（6）中的两路非标准波导口直接通过H面功分网络合成为一路标准输出波导端口（17），所述等比功分器调谐腔（12）和等比功分器调谐脊片（11）用于标准输出波导端口（17）到非标准波导端口的过渡。
6.根据权利要求1所述的一种低剖面串并结合馈电波导阵列天线，所述不等功分器Ⅱ（8）为E面一分二波导功分器，配置有第二功分调谐模块，所述第二功分调谐模块用于调节功率分配比和不等功分器Ⅱ（8）自身输入反射。
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