CN113922061A - 一种共口径同极化双频波导缝隙天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种共口径同极化双频波导缝隙天线，包括：微波天线和毫米波天线，所述的微波天线工作于微波频段，所述的毫米波天线工作于毫米波频段，所述的微波天线和毫米波天线均为垂直极化；所述的微波天线包括若干个微波天线单元；每个微波天线单元包括：第一微波天线线阵和第二微波天线线阵，所述的第一微波天线线阵通过一转换结构与第二微波天线线阵相连；所述的转换结构用于将第一微波天线线阵的双脊波导传输至所述第二微波天线线阵一端，并经过第二微波天线线阵形成常规矩形波导。

Description

一种共口径同极化双频波导缝隙天线
技术领域
本发明涉及天线领域，特别涉及一种共口径同极化双频波导缝隙天线。
背景技术
随着精确制导、遥感探测等技术的不断发展，多模复合制导探测技术得到了广泛应用。多模复合雷达较常规雷达具有更强的数据融合能力、更强的抗干扰性能和更高角跟踪精度。作为其关键技术，天线要求具有口径复用、多频率、多极化和多用途等功能，共口径双波段单脉冲天线的研究和设计在国内外受到越来越多的关注。
现有共口径双波段单脉冲天线有微带复合天线、反射面复合天线、波导微带复合天线和波导缝隙复合天线等形式。微带复合天线形式多样，既可通过“凿壁借光”实现高低频微带贴片嵌套排布，即在低频贴片中心进行开孔，高频天线位于低频天线开孔位置，并通过低频贴片的凿壁对外辐射；也可通过“见缝插针”实现高低频微带贴片交叉排布，即将低频天线设计成窄条型或十字贴片等形式，穿插排布在高频天线之间。微带复合天线一般仅适用于高、低频率比为偶数情况，且微带损耗大、效率低、互耦强、不能承受高功率，不易实现双频低副瓣设计。反射面复合天线是通过多频共用馈源和抛物面实现多频复合，不足之处是天线剖面尺寸大，后端馈电网络复杂，只能实现一个频率性能最优。波导微带复合天线是由波导裂缝与微带贴片阵列复合而成，该形式不适于高频段复合，且两种天线间存在遮挡，不易实现双频低副瓣设计。由于波导天线具有辐射效率高、耐高功率、低剖面等优点，传统波导缝隙复合天线都是采用不同波导结构，通过错层设计分别实现两个频段天线，位于下层的低频段天线易受上层高频段天线遮挡影响，导致其副瓣较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种共口径同极化双频波导缝隙天线，将微波频段垂直极化波导裂缝天线和毫米波段垂直极化极化波导裂缝天线集成设计至同一口径内，实现双频高增益、低幅瓣的电气性能和双频段波导共面交替排布、低剖面的结构设计。
为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种共口径同极化双频波导缝隙天线，其特点是，包括：微波天线和毫米波天线，所述的微波天线工作于微波频段，所述的毫米波天线工作于毫米波频段，所述的微波天线和毫米波天线均为垂直极化；
所述的微波天线包括若干个微波天线单元；
每个微波天线单元包括：第一微波天线线阵和第二微波天线线阵，所述的第一微波天线线阵通过一转换结构与第二微波天线线阵相连；所述的转换结构用于将第一微波天线线阵的双脊波导传输至所述第二微波天线线阵一端，并经过第二微波天线线阵形成常规矩形波导。
所述第一微波天线线阵包括若干个串联的双脊辐射波导，每一个双脊辐射波导包括第一矩形波导、第二矩形波导和辐射缝；
所述第一矩形波导和第二矩形波导间隔设置，且其一端面通过第一金属脊相连，所述第一矩形波导和第二矩形波导之间设有一第二金属脊，所述的第二金属脊设置于第一金属脊下方；
所述的辐射缝设置于第一金属脊上。
所述的第一金属脊宽度大于第二金属脊宽度，所述的第一矩形波导宽度大于第二矩形波导宽度。
所述第一微波天线线阵中的相邻双脊辐射波导之间交错分布，同时双脊辐射波导的辐射缝共线，使得所述的所述第一微波天线线阵呈锯齿状。
所述的第二微波天线线阵包括依次相连的双脊辐射波导和渐变脊波导和第三矩形波导，其中第二微波天线线阵的双脊辐射波导与第一微波天线线阵的双脊辐射波导互为倒置。
所述的转换结构包括：
第一转接件，其端面与第一微波天线线阵的双脊辐射波导端面相适配；
第二转接件，其端面与第二微波天线线阵的双脊辐射波导端面相适配。
若干个所述微波天线单元通过第四矩形波导相连，并组成二维天线阵列，所述的第四矩形波导设有一倾斜耦合馈电缝。
所述的毫米波天线包括若干个毫米波天线单元，每个毫米波天线单元包括多个串联的单脊辐射波导，所述的单脊辐射波导顶部设有若干个辐射缝，其底部开设一凹槽。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.设计了一款结构新颖、适合结构集成的波导缝隙天线单元；
2.通过锯齿形辐射双脊波导实现对每个辐射缝隙进行幅度加权，可实现低幅瓣设计；
3.通过双脊辐射波导-矩形波导转换结构将锯齿形辐射双脊波导转换成扁矩形波导，可通用常规波导馈电网络和和差器结构，借用成熟技术方案，降低设计难度；
4.实现了工作于微波和毫米波的双频天线波导化、共口径设计；
5.微波频段阵面排布和馈电网络为中心对称结构；
6.毫米波频段天线阵列的子阵分区为中心对称。
附图说明
图1为本发明双脊辐射波导的结构示意图；
图2为本发明第一微波天线线阵的结构示意图；
图3为微波天线单元的分解图；
图4为渐变脊波导的结构示意图；
图5为单脊辐射波导的结构示意图；
图6为微波天线馈电网络结构示意图；
图7为微波天线的阵列示意图；
图8为毫米波天线的阵面结构示意图；
图9为本发明共口径同极化双频波导缝隙天线的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
如图1～9所示，一种共口径同极化双频波导缝隙天线，包括：微波天线1和毫米波天线2，所述的微波天线1工作于微波频段，所述的毫米波天线2工作于毫米波频段，所述的微波天线1和毫米波天线2均为垂直极化；所述的微波天线1包括若干个微波天线单元11；每个微波天线单元11包括：第一微波天线线阵111和第二微波天线线阵112，所述的第一微波天线线阵111通过一转换结构113与第二微波天线线阵112相连；所述的转换结构113用于将第一微波天线线阵111的双脊波导传输至所述第二微波天线线阵112一端，并经过第二微波天线线阵112形成常规矩形波导。
参见图1，所述第一微波天线线阵111包括若干个串联的双脊辐射波导121，每一个双脊辐射波导包括第一矩形波导122、第二矩形波导123和辐射缝126；所述第一矩形波导122和第二矩形波导123间隔设置，且其一端面通过第一金属脊124相连，所述第一矩形波导122和第二矩形波导123之间设有一第二金属脊125，所述的第二金属脊125设置于第一金属脊124下方；所述的辐射缝126设置于第一金属脊124上。
在具体实施例中，为增大相邻辐射缝间距，减小相互干扰，在辐射缝126上表面设计有调谐块127。
进一步地，上述的辐射缝位置可切断波导内壁的面电流，确保辐射缝被激励。缝隙长度约为λ/2，λ为空气波长，为增大相邻辐射缝间距，减小相互干扰，在辐射缝上表面设计有调谐脊以增大辐射缝内电流流动路径。
所述的第一金属脊124和第二金属脊125的尺寸不同，其中第一金属脊124宽度大于第二金属脊125宽度，所述的第一矩形波导122宽度大于第二矩形波导123宽度。所述第一微波天线线阵中的相邻双脊辐射波导之间交错分布，同时双脊辐射波导的辐射缝126共线，使得所述的所述第一微波天线线阵111呈锯齿状。
进一步地，需要对上述的第一微波天线线阵111的锯齿状幅度进行加权，加权方法可选契比雪夫和泰勒赋形方法。
具体地，为实现新型天线阵列设计，需要将多个双脊辐射波导通过串馈组成线阵。因相邻辐射缝间距为λg/2，λg为波导波长，为确保相邻辐射缝同相辐射，相邻天线单元双脊辐射波导两边的波导尺寸应交替变化，即第一个双脊辐射波导的上部分波导(第二矩形波导)尺寸较小，下部分波导(第一矩形波导)尺寸较大；第二个双脊辐射波导的上部分波导(第一矩形波导)尺寸较大，下部分波导(第二矩形波导)尺寸较小，依次类推，使得微波频段天线线阵结构呈锯齿状排布，所有辐射缝位于一条直线上，如图2所示，锯齿大小程度根据泰勒加权程度而定。
如图3所示，所述的第二微波天线线阵112包括依次相连的双脊辐射波导131和渐变脊波导132和第三矩形波导133，其中第二微波天线线阵的双脊辐射波导134与第一微波天线线阵的双脊辐射波导121互为倒置，即上述的第二微波天线线阵的双脊辐射波导设有一凹楔135，其位于双脊辐射波导的上表面，同时设有一凸楔136，该凸楔位于双脊辐射波导的下表面。
如图4所示，所述渐变脊波导与双脊辐射波导相接触的端面与双脊辐射波导的端面相匹配，渐变脊波导设有一渐变槽137，该渐变槽一端与双脊辐射波导的凹楔面对齐，另一端向上倾斜延伸与第三矩形波导的宽边上侧相对齐。
所述的转换结构包括：第一转接件141，其端面与第一微波天线线阵的双脊辐射波导端面相适配；第二转接件142，其端面与第二微波天线线阵的双脊辐射波导端面相适配。通过上述转换结构，将非标准的变形双脊波导转换成常规扁矩形波导，降低馈电网络设计难度。
具体地，通过上述的转换结构先将第一微波天线线阵的双脊辐射波导转化成第二微波天线线阵的双脊辐射波导，使得波导的方向倒置。
如图6所示，为了实现口面场的既定幅度分布，将拟定的能量功分至各个锯齿形辐射双脊波导，若干个所述微波天线单元通过第四矩形波导3相连，并组成二维天线阵列，所述的第四矩形波导设有一倾斜耦合馈电缝31。所述的毫米波天线包括若干个毫米波天线单元21，每个毫米波天线单元包括多个串联的单脊辐射波导21，所述的单脊辐射波导顶部设有若干个辐射缝22，其底部开设一凹槽23(参见图5)。
如图8所示，上述的毫米波天线2还包括馈电波导22和馈电网络23，将馈电网络分配所得功率传送至辐射缝隙，为实现与微波频段天线共口径排布，辐射波导选用脊波导，以尽可能减小毫米波频段天线所占空间。
如图6、7所示，已转换成常规扁矩形波导通过倾斜缝隙耦合馈电结构实现面阵设计。缝隙长度初始值选取为λg/2，选取合适的辐射缝隙宽度，可保证天线带宽满足要求。
微波频段天线副瓣E面和H面副瓣均小于-27.62dB。在f±300MHz带宽内，微波频段天线E面和H面副瓣均由于-25dB。
为实现毫米波波导天线与上述新型微波频双脊辐射波导阵列天线共口径复合设计，毫米波波导天线腔体尺寸应尽可能小，本发明专利中毫米波辐射波导采用单脊波导结构形式，因毫米波天线与微波天线工作频率属于3倍频关系，毫米波天线辐射波导等间距的交叉排布在微波辐射缝之间，如图7所示。
为尽可能增大毫米波天线带宽，将其划分为20个子阵，相邻子阵间功率应满足相差3dB间隔要求，部分子阵区域的馈电波导需根据微波辐射缝位置进行调整以避免干涉。
因毫米波天线与微波天线工作频率为3倍频关系，且两个频率天线同为垂直极化，两天线间耦合较验证，将严重影响毫米波天线方向。通过优化仿真，将微波频段天线由常规的四象限对称结构调整为相对零点对称，有效的改善了毫米波天线辐射缝偏置产生的方向图二阶效应。
综上所述，本发明一种共口径同极化双频波导缝隙天线阵列，将微波频段垂直极化波导裂缝天线和毫米波段垂直极化极化波导裂缝天线集成设计至同一口径内，实现双频高增益、低幅瓣的电气性能和双频段波导共面交替排布、低剖面的结构设计。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种共口径同极化双频波导缝隙天线，其特征在于，包括：微波天线和毫米波天线，所述的微波天线工作于微波频段，所述的毫米波天线工作于毫米波频段，所述的微波天线和毫米波天线均为垂直极化；
所述的微波天线包括若干个微波天线单元；
每个微波天线单元包括：第一微波天线线阵和第二微波天线线阵，所述的第一微波天线线阵通过一转换结构与第二微波天线线阵相连；所述的转换结构用于将第一微波天线线阵的双脊波导传输至所述第二微波天线线阵一端，并经过第二微波天线线阵形成常规矩形波导。
2.如权利要求1所述的共口径同极化双频波导缝隙天线，其特征在于，所述第一微波天线线阵包括若干个串联的双脊辐射波导，每一个双脊辐射波导包括第一矩形波导、第二矩形波导和辐射缝；
所述第一矩形波导和第二矩形波导间隔设置，且其一端面通过第一金属脊相连，所述第一矩形波导和第二矩形波导之间设有一第二金属脊，所述的第二金属脊设置于第一金属脊下方；
所述的辐射缝设置于第一金属脊上。
3.如权利要求2所述的共口径同极化双频波导缝隙天线，其特征在于，所述的第一金属脊宽度大于第二金属脊宽度，所述的第一矩形波导宽度大于第二矩形波导宽度。
4.如权利要求3所述的共口径同极化双频波导缝隙天线，其特征在于，所述第一微波天线线阵中的相邻双脊辐射波导之间交错分布，同时双脊辐射波导的辐射缝共线，使得所述的所述第一微波天线线阵呈锯齿状。
5.如权利要求2所述的共口径同极化双频波导缝隙天线，其特征在于，所述的第二微波天线线阵包括依次相连的双脊辐射波导和渐变脊波导和第三矩形波导，其中第二微波天线线阵的双脊辐射波导与第一微波天线线阵的双脊辐射波导互为倒置。
6.如权利要求5所述的共口径同极化双频波导缝隙天线，其特征在于，所述的转换结构包括：
第一转接件，其端面与第一微波天线线阵的双脊辐射波导端面相适配；
第二转接件，其端面与第二微波天线线阵的双脊辐射波导端面相适配。
7.如权利要求1所述的共口径同极化双频波导缝隙天线，其特征在于，若干个所述微波天线单元通过第四矩形波导相连，并组成二维天线阵列，所述的第四矩形波导设有一倾斜耦合馈电缝。
8.如权利要求1所述的共口径同极化双频波导缝隙天线，其特征在于，所述的毫米波天线包括若干个毫米波天线单元，每个毫米波天线单元包括多个串联的单脊辐射波导，所述的单脊辐射波导顶部设有若干个辐射缝，其底部开设一凹槽。
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