CN116666961A - 一种低剖面双极化波导裂缝阵列天线单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低剖面双极化波导裂缝阵列天线单元，属于双极化天线技术领域，解决了现有技术中双极化天线剖面高、重量大的问题。本发明的低剖面双极化波导裂缝阵列天线单元，自上而下依次排列：辐射缝隙、谐振腔、十字耦合缝隙、第一馈电波导、一字耦合缝和第二馈电波导；所述谐振腔的上方设置辐射缝隙；所述辐射缝隙共有4个，且形成2×2阵列。本发明的天线单元具有低剖面、工作带宽宽和辐射效率高的优势。

Description

一种低剖面双极化波导裂缝阵列天线单元

技术领域

本发明涉及双极化天线技术领域，尤其涉及一种低剖面双极化波导裂缝阵列天线单元。

背景技术

随着雷达技术的进步以及应用环境的日趋复杂，单极化雷达难以满足目标信息获取需求，因此就需要采集多极化目标信息的高性能雷达，这就需要给雷达配备双极化甚至变极化天线。

目前，天线双极化可实现形式有分口径波导双极化天线、多层微带双极化天线、双极化反射面天线和谐振腔激励式全口面双极化波导缝隙阵列天线等几种形式。

其中分口径双极化口面利用率只有正常口径的一半，且副瓣难以控制，多层微带天线的成本高、效率低，双极化反射面天线剖面高。谐振腔激励式全口面双极化波导缝隙阵列天线形式较为新颖，但也存在腔体高度高、重量大等问题。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种低剖面双极化波导裂缝阵列天线单元，用以解决现有双极化天线剖面高、重量大的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种低剖面双极化波导裂缝阵列天线单元，包括自上而下依次排列的：谐振腔、十字耦合缝隙、第一馈电波导、一字耦合缝和第二馈电波导；所述谐振腔的上方设置辐射缝隙；所述辐射缝隙共有4个，且形成2×2阵列。

进一步地，所述谐振腔内部设置四个金属扰动块；所述扰动块设置在所述辐射缝隙正下方，用于对谐振腔内电磁场产生微扰。

进一步地，多个所述辐射缝隙的中心距的长度为被辐射电磁波的半个波长至一个波长。

进一步地，第一馈电波导与十字耦合缝隙、一字耦合缝隙的轴线位于同一竖直平面内且相互平行。

进一步地，所述第二馈电波导的轴线平行于所述第一馈电波导的轴线。

进一步地，所述十字耦合缝隙的两端分别连通所述第一馈电波导和谐振腔；所述一字耦合缝隙的两端分别连通所述第一馈电波导和第二馈电波导。

进一步地，所述第一馈电波导的上端面与所述十字耦合缝隙的底部连接；所述谐振腔的下端面与所述十字耦合缝隙的底部连接。

进一步地，所述第一馈电波导的下端面与所述一字耦合缝隙的上部连接；所述第二馈电波导的上端面与所述一字耦合缝隙的底部连接。

进一步地，所述一字耦合缝隙高度为第二馈电波导的高度加2mm，所述十字耦合缝隙的高度为第一馈电波导的高度加2mm。

进一步地，所述第一馈电波导、第二馈电波导的横截面宽度大于波长的1/2。

进一步地，所述第一馈电波导的长度短于所述第二馈电波导的长度；所述第一馈电波导与所述第二馈电波导的长度差为辐射电磁波波长的四分之一。

本发明的低剖面双极化波导裂缝阵列天线单元与现有技术相比，具有以下特征及优点：

1、工作带宽宽。

本发明2×2双极化辐射单元的馈电缝、谐振腔、辐射缝配合在驻波曲线上产生双谐振。进行阵列天线设计时采用全并馈波导网络馈电，较分口径波导双极化天线带宽提升一倍以上，约为谐振腔激励式全口面双极化波导缝隙阵列天线带宽的1.2倍。

2、剖面低。

谐振腔底部设置金属扰动块，对谐振腔内电磁场产生微扰，与谐振腔激励式全口面双极化波导缝隙阵列天线相比，其剖面高度降低约1/2，大大降低伺服系统的设计压力。

3、隔离度好。

本发明对一字耦合缝隙、十字耦合缝隙高度匹配设计，提升了辐射端口极化隔离度。

4、辐射效率高。

本发明采用宽尺寸的辐射缝和馈电缝，口径效率高。在常规的圆形口径或矩形口径阵面内，天线整体效率达到或优于普通双极化天线。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是本发明实施例1提供的双极化波导裂缝阵列天线单元；

图2是本发明实施例1提供的双极化波导裂缝阵列天线单元的分解图；

图3是本发明实施例1提供的波导双极化辐射单元的十字耦合缝隙俯视图；

图4是本发明实施例2提供的天线单元的Ku频段中心频率方向图；

图5是本发明实施例2提供的天线单元的Ku频段端口电压驻波比曲线；

图6是本发明实施例2提供的天线单元的Ku频段辐射方向图交叉极化方向图；

图7是本发明实施例2提供的天线单元的Ku频段辐射端口极化隔离度曲线。

附图标记：

1-辐射缝隙；2-谐振腔；21-扰动块；3-十字耦合缝隙；31-第一直线缝隙；32-第二直线缝隙；4-第一馈电波导；5-一字耦合缝隙；6-第二馈电波导。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明的一个具体实施例，提供了一种低剖面双极化波导裂缝阵列天线单元，采用2×2阵列的辐射缝隙形式，用于实现Ku波段的电磁波辐射；所述双极化波导裂缝阵列天线单元由上至下依次包括：辐射缝隙1、谐振腔2、十字耦合缝隙3、第一馈电波导4、一字耦合缝5、第二馈电波导6；所述辐射缝隙共有4个，且形成2×2阵列。

实施时：水平极化电磁波由第二馈电波导6的端口馈入，依次经一字耦合缝5、第一馈电波导4、十字耦合缝隙3进入谐振腔2，并通过辐射缝隙1向自由空间内辐射。垂直极化电磁波由第一馈电波导4的端口馈入，经十字耦合缝隙3进入谐振腔2，并通过辐射缝隙1向自由空间内辐射。

进一步地，所述谐振腔2为扁平正方形结构，所述谐振腔2内部设置四个金属扰动块21；所述扰动块21在所述辐射缝隙1正下方，用于对谐振腔2内电磁场产生微扰。

进一步地，所述辐射缝隙1设置在所述谐振腔2上侧，共有4个，且形成2×2阵列，如图1、图2所示。

进一步地，辐射缝隙1为十字形缝隙，如图2所示；辐射缝隙1的形状决定了天线辐射或接收电磁波的极化方式，十字形缝隙可辐射或接收水平、垂直两种极化形式的电磁波。

进一步地，相邻所述辐射缝隙1的中心距的取值为辐射波的半个波长～一个波长。

进一步地，辐射缝隙1的长度、宽度与工作波长为对应关系，波长越长，长度和宽度越大。采用宽尺寸的辐射缝，口径效率高。在常规的圆形口径或矩形口径阵面内，天线整体效率达到或优于普通波导裂缝天线，优于微带天线。

所述十字耦合缝隙3、一字耦合缝隙5位于所述谐振腔2的中央，且所述十字耦合缝隙3、谐振腔2、辐射缝隙1，长边均互相平行或共线。

所述第一馈电波导4与十字耦合缝隙3、一字耦合缝隙5的轴线位于同一竖直平面内，且平行；所述第一馈电波导4的端面超出一字耦合缝隙5的中心；所述第二馈电波导6的端面超出所述一字耦合缝隙5的中心，且所述第一馈电波导4的长度长于第二馈电波导6。

进一步地，所述第二馈电波导6的轴线横向偏离所述第一馈电波导4的轴线，且第二馈电波导6的轴线与第一馈电波导4的轴线平行；

进一步地，所述一字耦合缝隙5高度为第二馈电波导6的高度加2mm，所述十字耦合缝隙3高度为第一馈电波导4的高度加2mm。

进一步地，所述第一馈电波导4、第二馈电波导6的截面宽度大于波长的1/2，所述第一馈电波导4较所述第二馈电波导6的长度差为辐射波波长的四分之一。

具体地，所述谐振腔2为扁平正方形结构。所述谐振腔2底部、十字辐射缝隙1正下方分别设计四个扰动块。

具体地，扰动块呈规则正方形扁平结构，边长略长于所述辐射缝隙1长度，与所述谐振腔2一体化设计、加工。所述谐振腔2、扰动块结构尺寸工作波长为对应关系，波长越长，扰动快21的长度、宽度、高度越大。现有双极化天线的谐振腔很高，为了实现天线的低剖面，在谐振腔内引入了扰动块21，改变了谐振腔2内的电磁场分布，使谐振腔降低为原尺寸的1/2。

所述十字耦合缝隙3为两个长方体缝隙交叉组合而成，高度为第一馈电波导4的高度加2mm，长度、宽度与工作波长为对应关系，波长越长，长度和宽度越大。

所述十字耦合缝隙3、一字耦合缝隙5位于所述谐振腔2的中央，且所述耦合缝隙3、谐振腔2、辐射缝隙1，长边均互相平行或共线。

所述第一馈电波导4与十字耦合缝隙3、一字耦合缝隙5的轴线位于同一竖直平面内，且平行，第一馈电波导4的端面超出一字耦合缝隙5的中心11.5mm。

所述一字耦合缝隙5为长方体缝，高度为第二馈电波导6的高度加2mm，长度、宽度与工作波长为对应关系，波长越长，长度和宽度越大。

所述第二馈电波导6的轴线横向偏离第一馈电波导4的轴线1.8mm，且平行；第二馈电波导6的端面超出一字耦合缝隙5的中心7.2mm。

所述十字耦合缝隙3设置在第一馈电波导4的一端，所属第一馈电波导4的另一端为输入端，电磁波从第一馈电波导4的输入端馈入。

具体地，十字耦合缝隙3为由两个一字形缝隙相互垂直组成的十字形缝隙，如图2、图3所示。十字耦合缝隙3包括：第一直线缝隙31和第二直线缝隙32，且第一直线缝隙31和第二直线缝隙32相互垂直。

所述第一馈电波导4、第二馈电波导6的横截面宽度大于辐射电磁波波长的1/2。所述第一馈电波导4较所述第二馈电波导6短约四分之一波长，达到工作频带内的双极化端口电压驻波比要求。

本发明的低剖面双极化波导裂缝阵列天线单元的驻波曲线产生了双谐振效果，较传统波导缝隙天线带宽提升一倍以上，并使用金属波导结构，传输损耗小。

实施例2

本发明的一个具体实施例，提供一种实施例1的低剖面双极化波导裂缝阵列天线单元的具体结构：

本发明的一种具体实施方式中，辐射缝隙1为长10.5mm、宽4mm、高1mm的十字形环状金属圈。并且，所述辐射缝隙1连通谐振腔2和外部空间，用于向外界辐射电磁信号。

进一步地，所述辐射缝隙1的中心相距14.5mm。

本发明的一种具体实施方式中，谐振腔2为宽27.5mm、长27.5mm、高4mm的矩形金属壳体。

本发明的一种具体实施方式中，所述扰动快21为长11mm、宽11mm、高1mm的矩形金属块。

本发明的一种具体实施方式中，所述第一馈电波导4、第二馈电波导6的横截面的宽度为12mm(毫米)、高度为3mm(毫米)。

本发明的一种具体实施方式中，所述十字耦合缝隙3的长度为12mm，宽度为5mm，高度为5mm。

本发明的一种具体实施方式中，一字耦合缝隙5的长度为10.3mm，宽度为5mm，高度为5mm。

如图4所示，在Ku波段，该型宽带谐振腔2式阵列单元在1100MHz带宽内的电压驻波比在1.6以下，工作带宽达到6.4％以上。

如图5所示，在Ku波段，该型宽带谐振腔2式阵列单元增益为15.35dB。

如图6所示，在Ku波段，该型宽带谐振腔2式阵列单元方向图交叉极化为40.54dB。

如图7所示，在Ku波段，该型宽带谐振腔2式阵列单元双极化端口隔离度为小于-35.5dB。

本发明技术方案至少能够实现以下效果之一：

本发明的天线具有宽带、辐射效率高且易于低副瓣设计的优点，解决了Ku及以上频段微带双极化天线所面临的效率下降的难题。天线结构可靠性高，易于加工，适合应用于需要采集多极化目标信息的高性能雷达导引头。

本发明的宽带低剖面谐振腔式双极化波导缝隙阵列天线单元，工作带宽宽，2×2阵列单元由谐振腔方式组成，且耦合、辐射采用宽缝耦合、辐射，驻波曲线产生了双谐振效果，较波导缝隙天线带宽提升一倍以上。

本发明辐射效率高，天线为全金属波导缝隙结构，传输损耗小，采用宽尺寸的辐射缝和馈电缝，口径效率高，在常规的圆形口径或矩形口径阵面内，天线整体效率达到或优于波导双极化裂缝天线，优于微带天线。

本发明剖面低，与同样具有较高辐射效率的波导波导双极化缝隙天线相比，其剖面高度低1/2。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低剖面双极化波导裂缝阵列天线单元，其特征在于，包括自上而下依次排列的：谐振腔(2)、十字耦合缝隙(3)、第一馈电波导(4)、一字耦合缝(5)和第二馈电波导(6)；所述谐振腔(2)的上方设置辐射缝隙(1)；所述辐射缝隙(1)共有4个，且形成2×2阵列。

2.根据权利要求1所述的一种低剖面双极化波导裂缝阵列天线单元，其特征在于，多个所述辐射缝隙(1)的中心距为被辐射电磁波的半个波长至一个波长。

3.根据权利要求1或2所述的一种低剖面双极化波导裂缝阵列天线单元，其特征在于，第一馈电波导(4)与十字耦合缝隙(3)、一字耦合缝隙(5)的轴线位于同一竖直平面内且相互平行。

4.根据权利要求3所述的一种低剖面双极化波导裂缝阵列天线单元，其特征在于，所述第二馈电波导(6)的轴线平行于所述第一馈电波导(4)的轴线。

5.根据权利要求4所述的一种低剖面双极化波导裂缝阵列天线单元，其特征在于，所述十字耦合缝隙(3)的两端分别连通所述第一馈电波导(4)和谐振腔(2)；所述一字耦合缝隙(5)的两端分别连通所述第一馈电波导(4)和第二馈电波导(6)。

6.根据权利要求5所述的一种低剖面双极化波导裂缝阵列天线单元，其特征在于，所述第一馈电波导(4)的上端面与所述十字耦合缝隙(3)的底部连接；所述谐振腔(2)的下端面与所述十字耦合缝隙(3)的底部连接。

7.根据权利要求5或6所述的一种低剖面双极化波导裂缝阵列天线单元，其特征在于，所述第一馈电波导(4)的下端面与所述一字耦合缝隙(5)的上部连接；所述第二馈电波导(6)的上端面与所述一字耦合缝隙(5)的底部连接。

8.根据权利要求1所述的一种低剖面双极化波导裂缝阵列天线单元，其特征在于，所述一字耦合缝隙(5)高度为第二馈电波导(6)的高度加2mm，所述十字耦合缝隙(3)的高度为第一馈电波导(4)的高度加2mm。

9.根据权利要求1所述的一种低剖面双极化波导裂缝阵列天线单元，其特征在于，所述第一馈电波导(4)、第二馈电波导(6)的横截面宽度大于波长的1/2。

10.根据权利要求1-2、4-6、8-9所述的一种低剖面双极化波导裂缝阵列天线单元，其特征在于，所述第一馈电波导(4)的长度短于所述第二馈电波导(6)的长度；所述第一馈电波导(4)与所述第二馈电波导(6)的长度差为辐射电磁波波长的四分之一。