CN115173039A - 小尺寸宽带脊波导天线 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种小尺寸宽带脊波导天线，包括：电信号输入端口，用于接收外部馈电信号，并向波导功分器发送馈电信号；波导功分器，包括：金属馈电组件和波导腔；金属馈电组件，包括阶梯状馈电头，用于通过阶梯状馈电头，将所述馈电信号转换为不同激励的馈电信号，激发电磁波；波导腔，用于传递电磁波；金属脊波导，用于向天线外部发送电磁波。

Description

小尺寸宽带脊波导天线

技术领域

本公开涉及脊波导缝隙天线领域，尤其涉及到一种小尺寸宽带脊波导天线。

背景技术

宽带脊波导天线是随着雷达系统发展而诞生的产物，以地面防空雷达为基础，随着科技不断进步，宽带脊波导天线的应用也更加广泛。相关技术中使用的宽带脊波导天线的缝隙有开在波导窄边的倾斜缝隙，开在波导宽边的纵向缝隙、横向缝隙以及开在波导宽边中心线上到倾斜缝隙，它们既可以是谐振式的，也可以使非谐振式的。这些缝隙均切割表面电流，以便向外部空间辐射能量，对缝隙的个数、位置、尺寸、排列进行精心选择，就能产生各种实用的天线方向图。相关技术中，宽带脊波导天线可以被分为几个单元，并通过后方的波导功分器进行馈电。天线采用脊波导的形式减缩了波导尺寸，但达不到低副瓣的效果，此外采用波导功分器馈电的方式进行馈电，导致天线整体尺寸较大，目前还没有在缩小体积的同时较好地满足发送电磁波要求的脊波导缝隙天线。

发明内容

有鉴于此，本公开的主要目的在于提供一种小尺寸宽带脊波导天线，以期部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

本公开提供一种小尺寸宽带脊波导天线，包括：

电信号输入端口，用于接收外部馈电信号，并向波导功分器发送馈电信号；波导功分器，包括：金属馈电组件和波导腔；上述金属馈电组件，包括阶梯状馈电头，用于通过上述阶梯状馈电头，将上述馈电信号转换为上述不同激励的馈电信号，激发电磁波；上述波导腔，用于传输上述电磁波；金属脊波导，用于向天线外部发送上述电磁波。

根据本公开的实施例，上述天线还包括：

上述阶梯状馈电头的尺寸参数满足第一预设条件；上述第一预设条件是根据上述金属脊波导的参数和上述电磁波的参数确定的。

根据本公开的实施例，上述阶梯状馈电头包括三级阶梯。

根据本公开的实施例，上述金属脊波导包括：多个脊波导单元。

上述脊波导单元均为单脊波导；将上述多个脊波导单元依次设置于预设直线方向上。

根据本公开的实施例，上述天线还包括：

上述脊波导单元分别与一个上述波导功分器连接；上述波导功分器的部分波导腔设置于上述脊波导单元的单脊内部，上述单脊波导的壁为上述部分波导腔的腔壁。

根据本公开的实施例，上述脊波导单元包括：多个缝隙。

上述多个缝隙设置于与上述单脊相对的波导面上，并贯穿上述波导面；上述多个缝隙依次排列在上述波导面在上述预设直线方向的对称轴上，向天线外部发送上述电磁波。

根据本公开的实施例，上述天线还包括：

上述多个缝隙的尺寸参数满足第二预设条件；上述第二预设条件是根据上述电磁波参数确定的。

根据本公开的实施例，上述天线还包括：

对上述脊波导单元各自连接的多个上述波导功分器之间的金属连接介质进行镂空处理。

根据本公开的实施例，上述天线还包括：

上述金属脊波导在上述预设直线方向的两端分别设置有固定接口，用于固定上述天线。

根据本公开的实施例，上述金属脊波导包括：4个脊波导单元，每个脊波导单元连接一个上述波导功分器；上述脊波导单元上包括4个缝隙，上述缝隙长为18.5mm，上述缝隙宽为3.7mm。

基于上述技术方案可以看出，本公开的实施例相对于现有技术具有如下有益效果：

小尺寸宽带脊波导天线可以通过阶梯状馈电头，将馈电信号转换为不同激励的馈电信号，激发电磁波；通过金属脊波导向天线外部发送电磁波。通过波导功分器内的阶梯状馈电头的设计，可以优化阻抗匹配，实现小尺寸同时在宽带范围内具有良好的阻抗匹配系数，且保证良好的方向图特性。

附图说明

图1示意性示出了根据本公开的实施例的小尺寸宽带脊波导天线的整体结构示意图；

图2示意性示出了根据本公开的实施例的小尺寸宽带脊波导天线的波导功分器和金属脊波导交叠的示意图；

图3示意性示出了根据本公开的实施例的小尺寸宽带脊波导天线的外部尺寸示意图；

图4示意性示出了根据本公开的实施例的小尺寸宽带脊波导天线的阶梯状馈电头尺寸示意图；

图5示意性示出了根据本公开的实施例的小尺寸宽带脊波导天线的四单元波导天线端口驻波比仿真示意图；

图6示意性示出了根据本公开的实施例的小尺寸宽带脊波导天线的俯仰向方向增益仿真示意图；

图7示意性示出了根据本公开的实施例的小尺寸宽带脊波导天线的方位向方向增益仿真示意图；

图8示意性示出了根据本公开的实施例的小尺寸宽带脊波导天线阵列的俯仰向方向电磁波振幅示意图；

图9示意性示出了根据本公开的实施例的小尺寸宽带脊波导天线阵列的方位向方向电磁波振幅示意图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

相关技术的天线形式中，宽带脊波导天线由于其高带宽、结构稳定、扫描性能好、易于集成而成为常用的天线形式。为了优化波导缝隙天线的性能，相关技术人员在缩减方位向尺寸的同时保证天线保持良好的匹配特性和方向图发明进行了许多研究。现有的方法中一般采用在波导中加脊的方式，改变电磁波在波导中的传输模式，从而在更窄的尺寸下实现更低频的电磁激发与传播。

相关技术中，宽带脊波导天线可以被分为几个单元，并通过后方的波导功分器进行馈电。天线采用脊波导的形式减缩了波导尺寸，但达不到低副瓣的效果，此外采用波导功分器馈电的方式进行馈电，导致天线整体尺寸较大，目前还没有在缩小体积的同时较好地满足发送电磁波要求的脊波导缝隙天线。

为了至少部分地解决相关技术中存在的技术问题，本公开提供一种小尺寸宽带脊波导天线，该天线包括：电信号输入端口、波导功分器和金属脊波导。

电信号输入端口，用于接收外部馈电信号，并向波导功分器发送馈电信号。

波导功分器，包括：金属馈电组件和波导腔。金属馈电组件，包括阶梯状馈电头，用于通过阶梯状馈电头，将馈电信号转换为不同激励的馈电信号，激发电磁波。波导腔，用于传递电磁波。

金属脊波导，用于向天线外部发送所述电磁波。

根据本公开的实施例，电信号输入端口可以连接同轴电缆，通过同轴电缆向波导功分器发送外部馈电信号。外部馈电信号的电流大、幅值强度等表征馈电信号激发的电磁波的参数值都可以根据实际需要进行调节。电信号输入端口还可以通过其他传输介质获取外部馈电信号。

根据本公开的实施例，波导功分器中金属馈电组件可以根据外部馈电信号，激发得到电磁波。通过对金属馈电组件的结构进行尺寸细化和改进，改变外部馈电信号激发生成电磁波过程中的匹配参数，以便获得实际需要的电磁波参数。

根据本公开的实施例，可以根据实际需要调节金属脊波导尺寸，确定金属脊波导尺寸后即可确定金属脊波导的传输波导波长区间，基于金属脊波导尺寸和实际需要的电磁波参数，可以对金属脊波导尺寸进行优化，以便通过波导功分器得到的不同激励的馈电信号转换得到电磁波，实现在实际需要的电磁波的工作带宽下得到较好的阻抗匹配特性和方向图性能。

根据本公开的实施例，金属脊波导包括：多个脊波导单元。

脊波导单元均为单脊波导；将多个脊波导单元依次设置于预设直线方向上。

根据本公开的实施例，现有的矩形波导在传输电磁场能量的情况下存在较高的截至频率，因此对电磁场的最低频率要求较高，不能很好满足实际需求。使用矩形波导进行传输还可能导致小尺寸宽带脊波导天线的宽度超出尺寸限制，因此选择采用单脊波导进行传输。选择单脊波导可以在获得较低截至频率的电磁波的同时，改变单脊波导内的电磁场并限制电磁场的传播范围，使得电磁场收缩，以实现脊波导单元体积的缩小。

根据本公开的实施例，向波导内部添加脊得到单脊波导，可以基于矩形波导的形状进行改进，将矩形波导的宽壁进行弯折得到单脊波导。金属脊波导可以为类似立方体形状的立体波导。

根据本公开的实施例，在考虑相关技术中工艺水平和满足实际需求加工强度的情况下，可以选择波导壁厚为0.7mm的单脊波导。

根据本公开的实施例，脊波导单元包括：多个缝隙。

多个缝隙设置于与单脊波导上单脊相对的波导面上，并贯穿波导面。

多个缝隙依次排列在波导面在预设直线方向的对称轴上，用于向天线外部发送磁波。

根据本公开的实施例，可以以与单脊波导上单脊相对的波导面为参考，设置该矩形波导面中较长边的尺寸为该金属脊波导的长对应的尺寸；该矩形波导面中较短边的尺寸为该金属脊波导的宽对应的尺寸；与该矩形波导面所在平面垂直方向的尺寸则为该金属脊波导的宽对应的尺寸，也即该金属脊波导的厚度对应的尺寸。还设置该矩形波导面中较长边的方向为预设直线方向。

根据本公开的实施例，该天线还包括：多个缝隙的尺寸参数满足第二预设条件；第二预设条件可以根据电磁波参数确定。

根据本公开的实施例，可以通过设置脊波导单元上的缝隙的个数和尺寸实现对向外发送的电磁波的微调节，以便获得满足不同实际需求的电磁波。

根据本公开的实施例，在考虑相关技术的工艺水平和满足实际需求进行发射的电磁波的情况下，可以在脊波导单元上设置2-8个缝隙。

根据本公开的实施例，该天线还包括：

脊波导单元分别与一个波导功分器连接；波导功分器的部分波导腔设置于脊波导单元的单脊内部，单脊波导的壁为部分波导腔的腔壁。

根据本公开的实施例，可以将一个脊波导单元和一个波导功分器组合而成的结构作为一个天线单元，将波导功分器的部分结构镶嵌到脊波导单元的单脊内部，可以有效利用脊波导单元单脊内部的空间。脊波导单元的部分体积和波导功分器的部分体积存在交叠，这种一体化交叠的设计，可以进一步减小天线单元的宽度和厚度。

根据本公开的实施例，该天线还包括：

波导功分器中的阶梯状馈电头的尺寸参数满足第一预设条件；第一预设条件是根据金属脊波导的参数和电磁波的参数确定的。

根据本公开的实施例，在确定金属脊波导参数和实际需求的电磁波参数后，馈电信号激发电磁波过程中主要影响阻抗匹配的参数为阶梯状馈电头的尺寸，为实现在实际需要的频带内具有较好的匹配特性，可以对阶梯状馈电头的尺寸进行细化设计。

根据本公开的实施例，在考虑相关技术的工艺水平和满足实际需求进行发射的电磁波的情况下，可以设置该阶梯状馈电头为三级阶梯，阶梯的具体尺寸参数可以基于实际需要的金属脊波导的参数和电磁波的参数确定。

根据本公开的实施例，在考虑相关技术的工艺水平和满足实际需求进行发射的电磁波的情况下，该金属脊波导的长度、该金属脊波导包括的脊波导单元个数和脊波导单元上的缝隙个数不能也无限增加

下面参考图1～图4，结合具体实施例对小尺寸宽带脊波导天线结构做进一步说明。

图1示意性示出了根据本公开的实施例的小尺寸宽带脊波导天线的整体结构示意图。

如图1所示，小尺寸宽带脊波导天线可以包括4个天线单元，每个天线单元包括1个脊波导单元和1个波导功分器。4个脊波导单元相互接触连接，排列在同一直线方向，4个波导功分器分别于对应的脊波导单元交叠连接，4个波导功分器之间还包括金属连接介质。

根据本公开的实施例，该天线还包括：

金属脊波导在预设直线方向的两端分别设置有固定接口，用于固定天线。

根据本公开的实施例，该天线还包括：

对脊波导单元各自连接的多个波导功分器之间的金属连接介质进行镂空处理。

根据本公开的实施例，在考虑相关技术中工艺水平和满足实际需求加工强度的情况下，对该金属连接介质进行镂空处理，以便减轻小尺寸宽带脊波导天线的整体重量，节省资源。

根据本公开的实施例，4个波导功分器各自包括金属馈电组件和波导腔。部分波导腔镶嵌在对应脊波导单元的单脊内，金属馈电组件设置在与单脊相对的端，并连接电信号输入端口。

图2示意性示出了根据本公开的实施例的小尺寸宽带脊波导天线的波导功分器和金属脊波导交叠的示意图。

如图2所示，其中大框内包括波导功分器，波导功分器的一端连接金属脊波导，部分波导腔设置于脊波导单元的单脊内部，部分波导腔与脊波导单元的单脊共用壁，可以减小天线单元的宽度和厚度。波导功分器的另一端连接电信号输入端口。其中小框内包括波导功分器内的阶梯状馈电头，阶梯状馈电头连接电信号输入端口。

根据本公开的实施例，在实际需要电磁波的工作带宽在8.6-10.6GHz的情况下，可以以工作带宽内最低频率的半波长为基础，联合小尺寸宽带脊波导天线的整体结构和加工难度，对天线尺寸进行优化。

图3示意性示出了根据本公开的实施例的小尺寸宽带脊波导天线的外部尺寸示意图。

如图3所示，可以基于实际需要电磁波的工作带宽和小尺寸宽带脊波导天线的结构设计，设置小尺寸宽带脊波导天线的宽度不超过16mm，长度不超过340mm，厚度不超过37mm。

根据本公开的实施例，可以基于实际需要电磁波的工作带宽和电磁波向外发射时的能量分布情况，设置小尺寸宽带脊波导天线包括4个天线单元，每个天线单元包括4个缝隙。缝隙设置在小尺寸宽带脊波导天线宽度方向的对称轴上，每个缝隙长度为18.5mm，宽度为3.7mm，缝隙间距可以根据电磁波向外发射时的能量分布情况适当调整。

图4示意性示出了根据本公开的实施例的小尺寸宽带脊波导天线的阶梯状馈电头尺寸示意图。

如图4所示，可以基于实际需要电磁波的工作带宽和小尺寸宽带脊波导天线的结构设计，设置该阶梯状馈电头为三级阶梯，该阶梯是由一个长4.7为mm、宽为3.7mm和高为11.1mm的立方体金属介质进行结构优化得到的。

根据本公开的实施例，阶梯状馈电头远离电信号输入端口的一端设置第一阶梯，第一阶梯的平面为长4.7mm，宽0.9mm的矩形，第一阶梯高度为2.5mm。第二阶梯较第一阶梯向外延伸1.1mm，第二阶梯高度为4.8mm。第三阶梯较第二阶梯向外延伸1.7mm，第三阶梯高度为3.8mm。还可以对该阶梯状馈电头在连接电信号输入端口的一端进行镂空处理，去除一个长4.7为mm、宽为1mm和高为3.6mm的立方体金属介质，去除位置在阶梯向外延伸方向的反向。

下面参考图5～图9，结合具体实施例对小尺寸宽带脊波导天线良好的方向图特性做进一步说明。

图5示意性示出了根据本公开的实施例的小尺寸宽带脊波导天线的四单元波导天线端口驻波比仿真示意图。

如图5所示，在确定小尺寸宽带脊波导天线的尺寸后，每个天线单元在8.6-10.6GHz的2GHz带宽范围内，端口的驻波比反射系数都在1.5以下。其中，VSWR1-VSWR4分别表示4个天线单元的驻波比反射系数。

根据本公开的实施例，在实际使用中，小尺寸宽带脊波导天线的宽度方向所在平面平行于水平面，小尺寸宽带脊波导天线的长度方向所在平面垂直于水平面，设置小尺寸宽带脊波导天线的宽度方向为方位向，小尺寸宽带脊波导天线的长度方向为俯仰向。

图6示意性示出了根据本公开的实施例的小尺寸宽带脊波导天线的俯仰向方向增益仿真示意图。

图7示意性示出了根据本公开的实施例的小尺寸宽带脊波导天线的方位向方向增益仿真示意图。

如图6和图7所示，在确定小尺寸宽带脊波导天线的尺寸后，小尺寸宽带脊波导天线在8.6-10.6GHz的带宽范围内仿真得到的俯仰向方向增益和方位向方向增益近似对称，方向图指标较好。

根据本公开的实施例，在实际使用中，可以将小尺寸宽带脊波导天线在宽度方向上排列组成小尺寸宽带脊波导天线阵列。可以设置96个小尺寸宽带脊波导天线进行排列组装，得到小尺寸宽带脊波导天线阵列。

根据本公开的实施例，金属脊波导在长度方向的两端分别设置有固定接口，用于固定在组装天线阵列时固定天线。长度方向的固定接口进一步缩减天线阵列宽度方向的尺寸。

图8示意性示出了根据本公开的实施例的小尺寸宽带脊波导天线阵列的俯仰向方向电磁波振幅示意图。

如图8所示，小尺寸宽带脊波导天线阵列在9.6GHz的工作频率时，俯仰向的波束指向为0.037°，左侧第一副瓣的振幅为-13.55dB，右侧第一副瓣的振幅为-13.67dB，3dB波束宽度为4.49°，方向图指标较好。

图9示意性示出了根据本公开的实施例的小尺寸宽带脊波导天线阵列的方位向方向电磁波振幅示意图。

如图9所示，小尺寸宽带脊波导天线阵列在9.6GHz的工作频率时，方位向的波束指向为-0.009°，左侧第一副瓣的振幅为-12.79dB，右侧第一副瓣的振幅为-12.98dB，3dB波束宽度为1.28°，方向图指标较好，方位向具有一维大角度扫描能力。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种小尺寸宽带脊波导天线，包括：

电信号输入端口，用于接收外部馈电信号，并向波导功分器发送所述馈电信号；

波导功分器，包括：金属馈电组件和波导腔；

所述金属馈电组件，包括阶梯状馈电头，用于通过所述阶梯状馈电头，将所述馈电信号转换为所述不同激励的馈电信号，激发电磁波；

所述波导腔，用于传递所述电磁波；以及

金属脊波导，用于向天线外部发送所述电磁波。

2.如权利要求1所述的天线，还包括：

所述阶梯状馈电头的尺寸参数满足第一预设条件；

所述第一预设条件是根据所述金属脊波导的参数和所述电磁波的参数确定的。

3.如权利要求2所述的天线，其中，所述阶梯状馈电头包括三级阶梯。

4.如权利要求1所述的天线，其中，所述金属脊波导包括：多个脊波导单元；

所述脊波导单元均为单脊波导；

将所述多个脊波导单元依次设置于预设直线方向上。

5.如权利要求3所述的天线，还包括：

所述脊波导单元分别与一个所述波导功分器连接；以及

所述波导功分器的部分波导腔设置于所述脊波导单元的单脊内部，所述单脊波导的壁为所述部分波导腔的腔壁。

6.如权利要求4所述的天线，其中，所述脊波导单元包括：多个缝隙；

所述多个缝隙设置于与所述单脊相对的波导面上，并贯穿所述波导面；以及

所述多个缝隙依次排列在所述波导面在所述预设直线方向的对称轴上，向天线外部发送所述电磁波。

7.如权利要求5所述的天线，还包括：

所述多个缝隙的尺寸参数满足第二预设条件；

所述第二预设条件是根据所述电磁波参数确定的。

8.如权利要求3所述的天线，还包括：

对所述脊波导单元各自连接的多个所述波导功分器之间的金属连接介质进行镂空处理。

9.如权利要求3所述的天线，还包括：

所述金属脊波导在所述预设直线方向的两端分别设置有固定接口，用于固定所述天线。

10.如权利要求1所述的天线，其中，所述金属脊波导包括：4个脊波导单元，每个脊波导单元连接一个所述波导功分器；

所述脊波导单元上包括4个缝隙，所述缝隙长为18.5mm，所述缝隙宽为3.7mm。

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