CN114094354A - 一种频率扫描缝隙阵天线及探测设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种频率扫描缝隙阵天线及探测设备，该频率扫描缝隙阵天线，包括依次连接的馈电结构、2×30缝隙天线阵、以及末端匹配结构，所述2×30缝隙天线阵包含水平面等间距布置的30单元缝隙以及俯仰面布置的2单元缝隙，所述2单元缝隙以预设方式放置，所述水平面布置的30单元缝隙的设计方式为低旁瓣设计。这样，在波导的非延伸方向通过增加缝隙单元个数从而形成窄波束，波束宽度可以通过调整缝隙个数来控制，天线结构设计简单，加工方便，损耗小。

Description

一种频率扫描缝隙阵天线及探测设备

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种频率扫描缝隙阵天线及探测设备。

背景技术

现有的频率扫描缝隙阵天线在波导的非延伸方向（即俯仰方向）上只有单一缝隙，单一缝隙在非延伸方向上的半功率波瓣宽度为40º~70º，因而波束宽度比较宽，单一缝隙不能形成窄波束。但如果需要利用现有的频率扫描缝隙阵天线在非延伸方向上获得窄波束，则通常需要通过功分器并联多个缝隙阵天线，这又导致天线的面积太大，天线复杂度提升，且同时功分器又会带来不可避免的损耗，天线增益降低。可见，现有的频率扫描缝隙阵天线存在结构复杂的问题。

发明内容

本发明提供了一种频率扫描缝隙阵天线及探测设备，以解决现有的频率扫描缝隙阵天线存在的结构复杂的问题。

为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提供一种频率扫描缝隙阵天线，包括：依次连接的馈电结构、2×30缝隙天线阵、以及末端匹配结构，所述2×30缝隙天线阵包含水平面等间距布置的30单元缝隙以及俯仰面布置的2单元缝隙，所述2单元缝隙以预设方式放置，所述水平面布置的30单元缝隙的设计方式为低旁瓣设计。

可选地，所述预设方式包括如下关系：

所述2单元缝隙以二分之一波导波长的间隔距波导中心线左右交替放置。

可选地，所述预设方式包括如下关系：

所述2单元缝隙以一个波导波长的间隔在波导宽边中心线同侧放置。

可选地，所述馈电结构包括基片集成波导和同轴端口，所述基片集成波导到同轴端口的设计方式为宽带过渡设计。

可选地，所述同轴端口为50欧姆连接器。

可选地，所述馈电结构的第一端设有第一调谐电感柱，所述馈电结构的第二端设有第二调谐电感柱。

可选地，所述末端匹配结构包括匹配天线，所述匹配天线为半波圆振子天线。

可选地，所述水平面布置的30单元缝隙的相邻缝隙单元之间的馈电长度大于预设长度阈值。

可选地，所述水平面布置的30单元缝隙中相邻两单元缝隙之间的间距值与二分之一波导波长值之间的差值小于预设差值。

第二方面，本申请实施例提供一种探测设备，包括如第一方面所述的频率扫描缝隙阵天线。

有益效果：

本发明提供的频率扫描缝隙阵天线，包括依次连接的馈电结构、2×30缝隙天线阵、以及末端匹配结构，所述2×30缝隙天线阵包含水平面等间距布置的30单元缝隙以及俯仰面布置的2单元缝隙，所述2单元缝隙以预设方式放置，所述水平面布置的30单元缝隙的设计方式为低旁瓣设计。这样，在波导的非延伸方向通过增加缝隙单元个数从而形成窄波束，波束宽度可以通过调整缝隙个数来控制，天线结构设计简单，加工方便，损耗小。

附图说明

图1为本发明优选实施例的一种频率扫描缝隙阵天线的结构示意图；

图2为本发明优选实施例的基片集成波导结构的示意图；

图3为本发明优选实施例提供的相邻缝隙单元参数示意图；

图4为现有的1×30频率扫描缝隙天线的结构示意图；

图5为1×30频率扫描缝隙天线的方位面各频点方向图；

图6为1×30频率扫描缝隙天线的俯仰面各频点方向图；

图7为本发明优选实施例提供的2×30频率扫描缝隙天线的方位面各频点方向图；

图8为本发明优选实施例提供的2×30频率扫描缝隙天线的俯仰面各频点方向图。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

除非另作定义，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

现有的频扫缝隙阵列天线在俯仰面为单一缝隙，因而难以在俯仰面形成窄波束，且难以在水平面形成大角度扫描；然而当在俯仰面采用功分器进行组阵时，即使此时俯仰面波束窄，但此时尺寸大，损耗高，结构操作复杂；鉴于此，本申请提供一种频率扫描缝隙阵天线。

请参见图1，本申请实施例提供一种频率扫描缝隙阵天线，其中，ZOY为俯仰面，该频率扫描缝隙阵天线包括：依次连接的馈电结构、2×30缝隙天线阵、以及末端匹配结构，2×30缝隙天线阵包含水平面等间距布置的30单元缝隙以及俯仰面布置的2单元缝隙，2单元缝隙以预设方式放置，水平面布置的30单元缝隙的设计方式为低旁瓣设计。

需要说明的是，上述的频率扫描缝隙阵天线为小型化宽角度频率扫描缝隙阵天线，微波工作主模为TE10模，且为行波阵天线，工作频率为Ku频段，具体频率为15.7GHz-17.7GHz。

本实施例中，2×30缝隙天线阵包含水平面等间距的布置30单元缝隙，俯仰面布置2单元缝隙，2单元缝隙以间隔二分之一波导波长距波导中心线左右交替放置。水平面缝隙采用低旁瓣设计，在水平面实现半功率波束宽度约为6.5º，俯仰面实现半功率波束宽度为33º，实现了在俯仰面不需增加额外的功分器，即可降低俯仰面波束宽度，实现了小型化的目的。同时俯仰面增加缝隙单元，实现了更大的频率波束扫描功能，由之前的-32º-34º波束扫描角度增加到现在的-48º-50º，实现了宽角度扫描。

这样，上述的频率扫描缝隙阵天线在波导的非延伸方向通过增加缝隙单元个数从而形成窄波束，波束宽度可以通过调整缝隙个数来控制，天线结构设计简单，加工方便，损耗小。

可选地，上述的预设方式包括如下关系：

2单元缝隙以二分之一波导波长的间隔距波导中心线左右交替放置。

或者，上述的预设方式包括如下关系：

2单元缝隙以一个波导波长的间隔在波导宽边中心线同侧放置。

需要说明的是，为了提高整体天线增益，进一步降低俯仰面半功率波束宽度，常规 的做法是通过使用功分器。例如一分二的功分器给2天线阵列馈电。但这种排布必然造成俯 仰面体积加倍，同时尺寸加大也带来阵列损耗增加。在本可选地实施方式中，直接采用在俯 仰向增加一个阵元，组成2×30缝隙阵，为使2天线阵列同相叠加，俯仰向2单元的排布方式 上下中心距离间隔

，且距宽边波导中心线异侧交替放置；也可以俯仰向2个缝隙单元以 间隔

在波导宽边中心线同侧放置，

表示一个波导波长。

在一示例中，为缩小体积，可以采用异侧放置。

可选地，馈电结构包括基片集成波导和同轴端口，基片集成波导到同轴端口的设计方式为宽带过渡设计。其中，同轴端口为50欧姆连接器。这样，有利于与外部集成电路进行连接。

其中，采用基片集成波导的结构时，基片集成波导结构见图2所示。它的上下表面是金属层，中间是介质基片，在上下金属层及介质的两侧等间隔制作两排金属化通孔，这样就形成了一种平面导波电路结构。其实质就是一种介质填充矩形波导。它的宽度为a，代表着上下两排金属通孔阵的间距；通孔阵的周期为p，直径为d1，介质厚度为h。

在满足p<2d1,d1<0.2a的情况下，通孔之间的能量泄露可以忽略，这时基片集成波导等效于介质矩形波导，可用矩形波导缝隙天线的设计方法来设计本发明缝隙天线。

具体地，频率扫描天线的原理如下：

通过改变天线的馈电频率，每个馈电频率的波长会发生变化，相邻缝隙单元的归 一化距离就会发生变化，电磁波到达每个天线缝隙单元的相位也会发生变化，因而主瓣最 大辐射方向的指向就会发生变化。图3为相邻缝隙参数示意图。d为相邻缝隙单元水平间距， L为相邻缝隙单元馈电长度，根据相位的公式

可知，当馈电长度L为波长的整数 倍时，此时各个频点的相位与波导内的工作波长有关，各个馈电频率的工作波长不一样，导 致各个馈电频率相位不一样，从而各个馈电频率的主波束指向不一样，从而实现了天线的 频率扫描功能。

可选地，馈电结构的第一端设有第一调谐电感柱，馈电结构的第二端设有第二调谐电感柱。这样，可以同时完成宽带过渡设计，实现了宽带匹配。

可选地，末端匹配结构包括匹配天线，匹配天线为半波圆振子天线。这样，可以吸收波导内部的回波，同时还可以做为辐射体将吸收到的能量辐射出去，且能进一步展宽天线带宽。

可选地，相邻缝隙单元之间的馈电长度大于预设长度阈值。

值得说明的是，由于馈电长度L关乎天线波束扫描角度，因此为了使扫描角度越大，则应使相邻缝隙单元之间的馈电长度大于预设长度阈值，从而使得电磁波传播距离尽可能增加，本实施例中，采用蛇形慢波线的结构进行设计。

可选地，水平面布置的30单元缝隙中相邻两单元缝隙之间的间距值与二分之一波导波长值之间的差值小于预设差值。这样，可以使各个馈电频率主波束不出现栅瓣。

在一示例中，本申请的具体设计过程如下：

采用行波阵频率扫描缝隙天线进行设计，电磁信号能量从50欧姆同轴端口输入， 经过缝隙并由缝隙向空间辐射，剩余的能量传输到末端被匹配负载天线吸收并辐射出去。 由于等效波导的理论，等效介质波导传输的主模是TE10模，波导内的波导波长

由等效的 波导宽度a1决定，a1由基片集成波导内的a、d1及p求出。波导波长公式如下：

因此通过改变等效波导宽度a1，波导波长

跟着变化，

表示在介质中的工作波 长，进而根据波导辐射的波束指向

，

，其中，m为正整数，

为中心频率的波导波长，θ为波束最大指向方向，因此，可以通过改变等效介质波导宽度 a1，馈电长度L，及相邻缝隙间距d，则可以改变天线波束指向，实现波束扫描。

为实现天线高增益低旁瓣，使水平面半功率波瓣宽度约为6.5º，本申请采用30个宽边纵向缝隙单元在水平面排布，并对30个缝隙单元幅度进行泰勒加权设计。为使各个馈电频率主波束不出现栅瓣，则应使间距d接近于波导波长的一半，通过泰勒加权，计算出各个缝隙幅度值，进一步求出各个缝隙的归一化等效电导，进一步计算出各个缝隙的偏置距离，偏置距离为缝隙中心与波导宽边中心线的水平距离，缝隙偏置距离越大，则幅度越大，通常两端偏置距离小，中间偏置距离大；其次，缝隙长度约为工作波长的二分之一，缝隙宽度为1mm。

最终单条1×30缝隙单元频率扫描缝隙天线阵的结构图如下图4所示，几个关键频点的方位面各频点方向图数据如下图5所示，俯仰面各频点方向图数据如下图6所示，其中，横坐标代表方位面角度，纵坐标代表增益值。在15.7GHz-17.7GHz频扫波束覆盖范围-32.2°~34.8°,增益大于14.7dB，最大增益为17.7dB，旁瓣电平大于20dB，方位面半功率波束宽度为5.2°±0.3°，俯仰面半功率波束宽度42°~66°。

为了提高整体天线增益，进一步降低俯仰面半功率波束宽度，常规的做法是通过使用功分器。

例如一分二的功分器给2天线阵列馈电。但这种排布必然造成俯仰面体积加倍，同 时尺寸加大也带来阵列损耗增加。因此本申请直接采用在俯仰向增加一个阵元，组成2×30 缝隙阵，为使2天线阵列同相叠加，俯仰向2单元的排布方式上下中心距离间隔

，且距宽 边波导中心线异侧交替放置；也可以俯仰向2个缝隙单元以间隔

在波导宽边中心线同侧 放置。本申请为缩小体积，采用异侧放置。

最终单根2×30缝隙单元频率扫描缝隙天线阵的结构图如图1所示，几个关键频点的方位面各频点方向图数据如下图7所示，俯仰面各频点方向图数据如下图8所示。在15.7GHz-17.7GHz频扫波束覆盖范围-48°~50°，增益大于15.6dB，最大增益为19dB，旁瓣电平大于21dB，方位面半功率波束宽度为6.5°±0.5°，俯仰面半功率波束宽度35°±5°。

单天线在15.7GHz-17.7GHz频扫波束覆盖范围-48°~50°，即实现了在-45°~45°的波束扫描，因此可使用1发2收天线即可完成对-45°~45°内的无人机探测，同时使用4副1发2收天线呈圆周布置，即可完成对360°内的无人机探测。

为降低俯仰向半功率波束宽度，常规是采用功分器进行天线组阵，此种组阵必然造成俯仰向体积增加，当组阵个数为2、4、及8以上的偶数时，俯仰向体积更大，结构复杂度提升。上述的方法可以直接在俯仰向增加组阵个数，以达到降低波束宽度，减少损耗，提高增益，简化结构复杂度。此外，传统的组阵方式是通过功分器，因此组阵个数只能是偶数，而本申请的组阵个数可以是奇数，也可以是偶数，因此可以根据俯仰向波束宽度指标灵活应用，更方便设计。

需要说明的是，在其余示例中，缝隙天线也可以是宽边斜缝，宽边横缝等。本申请中的缝隙天线既可用于行波阵天线频率扫描，也可以用于驻波阵天线频率扫描。本申请的排布方式的波导结构即既可用于基片集成波导，也可适用于金属波导，同样可适用于金属脊波导，但金属波导的频率扫描波束范围较基片集成波导和金属脊波导的小。本申请的末端匹配结构可以是匹配天线，也可以是50欧姆匹配端口。本申请的馈电结构是基片集成波导到同轴端口的过渡，也可以采用基片集成波导到微带的过渡。此处，仅做示例，不做限定。

本申请实施例还提供一种探测设备，包括如上所述的频率扫描缝隙阵天线。所述探测设备包括上述的频率扫描缝隙阵天线的各个实施例，且能达到相同的有益效果，此处，不做赘述。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种频率扫描缝隙阵天线，其特征在于，包括：依次连接的馈电结构、2×30缝隙天线阵、以及末端匹配结构，所述2×30缝隙天线阵包含水平面等间距布置的30单元缝隙以及俯仰面布置的2单元缝隙，所述2单元缝隙以预设方式放置，所述水平面布置的30单元缝隙的设计方式为低旁瓣设计。

2.根据权利要求1所述的频率扫描缝隙阵天线，其特征在于，所述预设方式包括如下关系：

所述2单元缝隙以二分之一波导波长的间隔距波导中心线左右交替放置。

3.根据权利要求1所述的频率扫描缝隙阵天线，其特征在于，所述预设方式包括如下关系：

所述2单元缝隙以一个波导波长的间隔在波导宽边中心线同侧放置。

4.根据权利要求1所述的频率扫描缝隙阵天线，其特征在于，所述馈电结构包括基片集成波导和同轴端口，所述基片集成波导到同轴端口的设计方式为宽带过渡设计。

5.根据权利要求4所述的频率扫描缝隙阵天线，其特征在于，所述同轴端口为50欧姆连接器。

6.根据权利要求4所述的频率扫描缝隙阵天线，其特征在于，所述馈电结构的第一端设有第一调谐电感柱，所述馈电结构的第二端设有第二调谐电感柱。

7.根据权利要求1所述的频率扫描缝隙阵天线，其特征在于，所述末端匹配结构包括匹配天线，所述匹配天线为半波圆振子天线。

8.根据权利要求1所述的频率扫描缝隙阵天线，其特征在于，所述水平面布置的30单元缝隙的相邻缝隙单元之间的馈电长度大于预设长度阈值。

9.根据权利要求1所述的频率扫描缝隙阵天线，其特征在于，所述水平面布置的30单元缝隙中相邻两单元缝隙之间的间距值与二分之一波导波长值之间的差值小于预设差值。

10.一种探测设备，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的频率扫描缝隙阵天线。

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