CN113851841B - 一种高功率相控可变倾角cts天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种高功率的相控可变倾角CTS天线，主要用于解决现有CTS天线在高功率下相控扫描性能差的问题。方案包括：上层辐射金属层和下层金属馈电板，金属辐射层蚀刻有多个横向缝隙枝节，枝节中安装有滑动介质块，该介质块包括主体和阻抗匹配部分，阻抗匹配部分位于主体中间下端位置，其长度为四分之一波长；金属馈电板包含厚度非线性增长的金属斜坡、斜坡上表面的齿状金属锯条及末端的吸波材料，其输入端宽边不小于十个波长、窄边不超过两个波长；改变滑动介质块在横向缝隙枝节中的深度可改变相邻辐射单元间的相位差，从而实现相位扫描。本发明在保证可变倾角相控扫描的基础上，有效提升了高功率性能及作用距离。

Description

一种高功率相控可变倾角CTS天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，进一步涉及高功率天线，具体为一种高功率相控可变倾角连续切向枝节CTS(Continuous Transverse Stub Array)天线，可用于高功率、远距离通信的卫星、雷达。
背景技术
随着现代科技的飞速发展，我国在卫星通信技术领域的成就不断拓展，卫星通信具有通信距离远、通信质量好和通信容量大等优点。卫星通信技术的快速发展也推动着天线技术的进步。
一方面，远距离通信的传输损耗较大，地面发射天线需要提高作用距离来弥补在卫星通信中的传输损耗；雷达为了满足一定的预警性能对侦测半径也有较高要求。在这些应用场景中都要求天线具有良好的远距离通信能力，天线的作用距离由增益和功率直接影响，天线口径一定时功率越高作用距离越远。另一方面，为了实现对空中的运动目标侦测和卫星与运动载体之间的通信，天线也应该具备一定的波束扫描能力。相对于机械扫描的天线，相控天线具有扫描速率高，波束指向灵活，性能可靠等优点，即使少量组件失效仍能正常工作。对于频率扫描天线，相位扫描天线无需改变工作频率，主波束偏移可控性强，波束副瓣易控制。综上所述，具有高功率容量的相位扫描CTS天线在卫星远距离通信和雷达应用中的前景较好。
目前可变倾角CTS天线大都不适合在高功率情况下达到性能要求，所以应用情景有一定限制。如授权公告号为CN 108073770 B，名称为“CTS天线和VICTS天线慢波结构设计方法”的专利文献,其中对平板波导上下层之间的慢波结构进行了设计，下层底板上覆盖一层均匀排列的非线性梳齿，但天线没有满足高功率的要求且在扫描时辐射口径变小效率降低。授权公告号为CN 206388858 U的专利文献，公开了一种平板波导上层覆盖具有多个频率选择表面FSS结构的辐射层的CTS天线，通过控制器模块控制FSS结构的通断模拟缝隙式辐射元，实现电控扫描CTS天线，但其FSS结构难以满足高功率容量的要求。
综上，目前CTS天线普遍不具备高功率下相控扫描的性能，因此作用距离有限且扫描速率相对较慢，不能完全满足卫星通信与雷达侦测中的要求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术不具备高功率下实现相位扫描性能的缺陷，提出了一种高功率可变倾角相控CTS天线，通过对天线结构的改进，改变扫描方式从而提高功率容量、作用距离和波束扫描速度，提升天线效率，从而增强其在应用场景中远距离通信的性能。
为实现上述目的，本发明提出的一种高功率相控可变倾角CTS天线，包括：辐射金属层2和金属馈电板4，辐射金属层2位于金属馈电板4上表面，且两者之间留有高度不大于两个工作波长的间隙；
所述辐射金属层2中沿着电磁波传播方向蚀刻有多个横向缝隙枝节3；
所述横向缝隙枝节3中安装有滑动介质块1，其长度与缝隙长度相同、高度小于或等于缝隙的高度，该介质块平行于缝隙且能够沿着缝隙高度方向进行上下运动；
所述滑动介质块1由主体11和阻抗匹配部分12组成，其中主体11宽度与横向缝隙枝节3宽度相契合，阻抗匹配部分12设置在主体11的底端中间位置，且宽度小于或等于主体11宽度；滑动介质块1整体呈“T”型，其中阻抗匹配部分12为“T”型垂直方向的竖臂，且其高度为四分之一工作波长的奇数倍。
进一步，上述横向缝隙枝节3，平行排列、间距相等，且间距小于天线工作频率的一个波长。
进一步，上述金属馈电板4，包含厚度非线性增长的金属斜坡42、分布在金属斜坡上表面的齿状金属锯条41及位于末端的吸波材料5；其中齿状金属锯条41有多个，平行且等间距的分布在金属斜坡42上；吸波材料5用于吸收未充分辐射的能量。
进一步，上述金属馈电板4，其输入端的宽边大于窄边，且宽边不小于10个工作波长、窄边不大于2个工作波长。
进一步，上述主体11与阻抗匹配部分12一体成形；阻抗匹配部分12为纯介质件。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
第一、由于本发明采用了高功率CTS天线，并在辐射缝隙枝节中安装了可滑动介质块，通过改变滑动介质块在枝节中的深入度改变各个辐射单元间的相位差，实现相位扫描；与现有技术相比，波束扫描速度快且波束指向灵活，天线效率高、可靠性高，且还能辐射高功率能量，有效增加了作用距离，使得远距离通信性能大大增强。
第二、由于本发明在CTS天线的横向枝节缝隙中填充了介质块，在上下层金属板之间设置了非线性锯齿，使得天线内部与天线外部皆不易被击穿，增加了CTS天线的功率容量，能够满足在高功率情况下使用的较高要求。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的整体结构侧视图；
图3是本发明上层辐射层的结构示意图；
图4是本发明上层辐射层的横向缝隙枝节局部特写示意图；
图5是本发明下层金属馈电板的局部结构示意图；
图6是本发明下层金属馈电板的局部结构侧视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例一：参照图1，本发明提出的一种高功率相控可变倾角CTS天线，具体包括如下：
辐射金属层2和金属馈电板4，辐射金属层2位于金属馈电板4上表面，且两者之间留有高度不大于两个工作波长的间隙；
辐射金属层2中沿着电磁波传播方向蚀刻有多个横向缝隙枝节3，这些横向缝隙枝节平行排列、间距相等，且间距小于天线工作频率的一个波长。
横向缝隙枝节3中安装有滑动介质块1，其长度与缝隙长度相同、高度小于或等于缝隙的高度，该介质块平行于缝隙且能够沿着缝隙高度方向进行上下运动。滑动介质块1是由主体11和阻抗匹配部分12组成，且这两者采用一体成形工艺，其中阻抗匹配部分12为纯介质件。主体11宽度与横向缝隙枝节3宽度相契合，能够嵌入缝隙中并进行上下滑动；阻抗匹配部分12设置在主体11的底端中间位置，且宽度小于或等于主体11宽度；滑动介质块1整体呈“T”型，其中阻抗匹配部分12为“T”型垂直方向的竖臂，且其高度为四分之一工作波长的奇数倍。
金属馈电板4包含厚度非线性增长的金属斜坡42、分布在金属斜坡上表面的齿状金属锯条41及位于末端的吸波材料5；其中齿状金属锯条41有多个，平行且等间距的分布在金属斜坡42上；吸波材料5用于吸收未充分辐射的能量；该金属馈电板4输入端的宽边远远大于窄边，且宽边不小于10个工作波长、窄边不大于2个工作波长。
实施例二：参照图2、图3和图4，对本发明提出的天线结构做进一步描述：
上层辐射层分布着平行排列的横向缝隙枝节3，这些枝节等间距平行排列，为了消除栅瓣的影响，相邻的两个横向枝节的间距设置为小于一个工作波长的距离。具有一定高度的滑动介质块1可滑动地安装于横向缝隙枝节3中，滑动介质块包括介质块主体11和设置在介质块下端的阻抗匹配部分12，阻抗匹配部分长度为四分之一波长。每一个横向缝隙枝节3和枝节内的滑动介质块3组成一个辐射单元，若干个辐射单元平行排列组成辐射阵列。滑动介质块1在横向缝隙枝节3内滑动时，辐射单元的特性阻抗会发生改变，其上端是介质传输段、下端是空气传输段，本实例用阻抗匹配部分12来进行阻抗匹配，阻抗匹配部分12的长度设置为四分之一波长，实现了阻抗由空气传输段到介质传输段的变化。阻抗匹配部分的阻抗满足以下公式：
Figure BDA0003251764160000041
其中，Z(阻抗匹配部分)表示阻抗匹配部分传输段的阻抗；Z(介质段)表示介质传输段的阻抗，Z(空气段)表示空气传输段的阻抗。
滑动介质块1在横向缝隙枝节3中上下滑动时，改变了枝节中的介电常数和辐射单元的电长度，相邻的枝节中滑动介质块1滑动的长度不一样时，会使相邻辐射单元辐射出去的电磁波产生相位差。通过控制滑动介质块1的滑动距离，可以改变天线工作所需的相邻辐射单元相位差，从而实现天线波束在俯仰面的相位扫描。通过机械旋转方式使天线以天线方位面中心为轴在方位面旋转，即可实现天线波束在二维空间中的扫描。
实施例三：参照图5和图6，对本发明提出的天线中下层金属馈电板4做进一步描述：
金属馈电板4以输入端口的线源6为馈源，图2中所示线源6金属板为实验仿真时的部件，输入端口线源6的宽边远大于窄边，且宽边不小于10个工作波长，窄边至多为2个工作波长，这样可以保证电磁波在工作频段内传播时的模式是TEM模，并且增加了下层金属馈电板的口径面积，从而使天线在高功率情况下实现良好的性能。下层金属馈电板的主体是呈非线性增长的金属斜坡42，在斜坡表面加载有若干齿状金属锯条41，这些金属锯条等间距平行排列且高度沿波传播方向非线性增加。能量由输入端沿传播方向传播时，会随着传播距离的增加逐级递减，到达馈电板末端的能量过小，整个辐射口径的幅度不均匀，导致天线方向图产生畸变偏离理想性能，而横向缝隙枝节3宽度与CTS天线上下层间距的比值直接决定能量从CTS天线内部辐射出去的耦合强度，所以高度非线性增长的金属斜坡42可以增大沿传播方向各级辐射单元的耦合强度，保证天线上各个辐射单元的辐射强度均匀，实现良好的扫描性能。为了满足慢波条件，在金属斜坡42上加载高度非线性增加的齿状金属锯齿41以改变CTS天线内的介电常数，增加CTS天线的功率容量。下层馈电底板的末端设置的吸波材料5，其介电常数与磁导率皆为复数，用于吸收未从辐射单元辐射出去的多余能量。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
以上所描述的实施例仅为本申请的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然本领域技术人员在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下做出形式和细节上的各种修正变化，但这些基于本发明思想或范围的修正和变化都应当涵盖在本发明保护的范围内。

Claims (7)

1.一种高功率相控可变倾角CTS天线，其特征在于，包括：辐射金属层(2)和金属馈电板(4)，辐射金属层(2)位于金属馈电板(4)上表面，且两者之间留有间隙；
所述辐射金属层(2)中沿着电磁波传播方向蚀刻有多个横向缝隙枝节(3)；
所述横向缝隙枝节(3)中安装有滑动介质块(1)，其长度与缝隙长度相同、高度小于或等于缝隙的高度，该介质块平行于缝隙且能够沿着缝隙高度方向进行上下运动；
所述滑动介质块(1)由主体(11)和阻抗匹配部分(12)组成，其中主体(11)宽度与横向缝隙枝节(3)宽度相契合，阻抗匹配部分(12)设置在主体(11)的底端中间位置，且宽度小于或等于主体(11)宽度；滑动介质块(1)整体呈“T”型，其中阻抗匹配部分(12)为“T”型垂直方向的竖臂，且其高度为四分之一工作波长的奇数倍；
所述金属馈电板(4)，包含厚度非线性增长的金属斜坡(42)、分布在金属斜坡上表面的齿状金属锯条(41)及位于末端的吸波材料(5)；
所述齿状金属锯条(41)有多个，平行且等间距的分布在金属斜坡(42)上。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述横向缝隙枝节(3)，平行排列、间距相等，且间距小于天线工作频率的一个波长。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述金属馈电板(4)，其输入端的宽边大于窄边，且宽边不小于10个工作波长、窄边不大于2个工作波长。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述吸波材料(5)用于吸收未充分辐射的能量。
5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述主体(11)与阻抗匹配部分(12)一体成形。
6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述阻抗匹配部分(12)为纯介质件。
7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述辐射金属层(2)与金属馈电板(4)上表面的间隙高度不大于两个工作波长。
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