CN116995439B - 波导缝隙天线、相控阵天线及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波导缝隙天线、相控阵天线及设计方法，该天线包括金属层以及波导缝隙层，在金属层与波导缝隙层之间设有中间壁，中间壁将金属层与波导缝隙层之间的腔体分隔成两个波导腔；在波导缝隙层的表面设有两个辐射缝隙阵元，每个辐射缝隙阵元对应一个波导腔；每个辐射缝隙阵元中的多个辐射缝隙以相同的间距、相同的方向且上下交替排布于对应的波导腔宽边中心线的两侧；在两个波导腔之间的中间壁上开设有第一固定孔，在金属层上开设有第二固定孔，第二固定孔与第一固定孔一一对应且通过金属螺钉连接；在每个第二固定孔的两侧对称设有调谐电感销钉。本发明消除了波导腔之间的电磁信号串扰，提高了天线辐射性能和反射性能。

Description

波导缝隙天线、相控阵天线及设计方法

技术领域

本发明属于缝隙天线技术领域，尤其涉及一种波导缝隙天线、相控阵天线及设计方法。

背景技术

随着天线技术的发展，其应用越来越广泛，其中，雷达是天线重要的一个应用领域，由于天线单元的增益有限，为了获得更高的增益或者满足特定方向信号传输的需求，业界经常采用多天线单元排布的形式。但随着多路天线组成阵列系统，造成天线的馈电网络增加，导致天线结构复杂以及信号传输效果反而下降。

常用的波导缝隙天线大多采用宽边开缝形式，一般波导的宽边长度a约为0.75λ（λ为自由空间波长），在满足TE10（即Transverse Electric，角标10是指电场在x、y方向的震荡次数）模单模传输的条件下，波导宽边长度a应满足λ/2＜a＜λ，组成多路面阵时波导垂直方向的组阵间距d（即辐射缝隙阵元之间的间距）为波导的宽边长度a加上波导壁厚（即波导腔之间的壁厚）。由相控阵的扫描角度θ与组阵间距d的关系可知，要求方向图不出现栅瓣的条件是d＜λ/(1+sinθ)，当扫描角θ较大时，组阵间距d小，因而波导壁厚较小。

有学者采用基片集成波导技术实现缝隙天线设计（参考文献：孔英会.平面结构单脉冲天线研究[D].电子科技大学，2016.），该基片集成波导缝隙天线的16路缝隙天线印刷在介质表面上，虽然具有低副瓣、结构紧凑、集成度高、成本低的优势，但天线实际损耗较大，增益低。

后来又有学者研究了脊波导缝隙技术（参考文献：授权公告号为CN102931493B，名称为中心馈电脊波导缝隙天线），虽然该天线采用中心馈电，宽带宽，采用金属膜片来调节端口匹配，改善探针馈电带来的端口反射，但同样会存在探针馈电带来的端口不匹配问题，同时通过辐射缝隙以及金属调谐块来提取等效电导值参数，会造成缝隙天线提取参数困难，且此天线只能用于驻波阵，不能用于行波阵。

在雷达系统中，常要求多路波导缝隙天线具有高增益性能，这样导致天线面口径尺寸大；波导缝隙天线由于波导组阵间距较小，因而壁厚较窄，在大尺寸波导缝隙天线系统中，天线常采用数控加工中心一体加工，真空焊接成型，因而加工成本非常高，加工困难。采用缝隙层和波导层单独加工，成本低，即使每个结构表面平整度的精度很高，但仅靠四周螺钉进行固定连接，仍然在组装过程中会出现表面平整度差，表面出现翘曲，这样会因空间间隙导致电磁信号泄漏，波导间电磁信号串扰，影响各路天线辐射性能和反射性能。

采用基片集成波导缝隙阵天线，虽然印刷电路板能克服天线表面平整度问题，不会存在空间电磁信号泄露，但基片集成波导是由介质板上两排周期性金属通孔构成的一种传输结构，因而实际加工传输损耗大，天线增益低，尤其在高频范围损耗更大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种波导缝隙天线、相控阵天线及设计方法，以解决由于天线表面平整度差导致的空间电磁信号串扰问题。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种波导缝隙天线，包括：

金属层；

设于所述金属层上的波导缝隙层，在所述波导缝隙层与金属层之间形成腔体；

设于所述金属层与波导缝隙层之间的中间壁，所述中间壁将所述腔体分隔成两个大小相同的波导腔；

设于所述波导缝隙层表面的辐射缝隙阵元，所述辐射缝隙阵元与波导腔一一对应，且辐射缝隙阵元与对应的波导腔连通；每个所述辐射缝隙阵元中的多个辐射缝隙以相同的间距、相同的方向且上下交替排布于对应的波导腔宽边中心线的两侧；

开设于所述中间壁上的多个第一固定孔；

开设于所述金属层上的多个第二固定孔，所述第二固定孔与所述第一固定孔一一对应且通过金属螺钉连接；

对称设于所述第二固定孔两侧且位于波导腔内的调谐电感销钉，两个调谐电感销钉对应一个第二固定孔。

进一步地，相邻两个所述第一固定孔或第二固定孔之间的间距为30mm~80mm。

进一步地，当天线应用于行波阵时，每个所述辐射缝隙阵元中的相邻两个辐射缝隙之间的间距小于波导腔内传输波的半波长。

进一步地，所述调谐电感销钉的材质为金属，形状为圆柱体、长方体或正方体。

进一步地，所述调谐电感销钉的中心与对应的第二固定孔的孔心之间的垂直距离为波导腔宽边长度的1/4～1/2，所述调谐电感销钉的边长为波导腔宽边长度的1/10～1/5，所述调谐电感销钉的高度为波导腔窄边长度的1/8～1/2。

进一步地，两个调谐电感销钉纵向对称地设于对应的第二固定孔两侧。

进一步地，当天线应用于行波阵时，距离所述辐射缝隙阵元中辐射缝隙的偏移量最大值较远的一端为馈电端，另一端为负载匹配端；当天线应用于驻波阵时，距离所述辐射缝隙阵元中末端辐射缝隙中心的水平距离为1/4波导波长的奇数倍的一端为短路端，另一端为馈电端；

其中，所述辐射缝隙的偏移量是指辐射缝隙中心线相对于波导腔宽边中心线的纵向偏移量。

基于同一构思，本发明还提供一种波导缝隙天线的设计方法，所述设计方法包括以下步骤：

步骤1：根据波导缝隙天线的工作频率与扫描角度，确定波导腔的尺寸以及相邻两个辐射缝隙阵元之间的间距；

步骤2：根据波导腔的尺寸确定波导腔内传输波的波长；

步骤3：根据波导缝隙天线的整体性能指标与传输波的波长确定每个辐射缝隙阵元中的辐射缝隙数量以及相邻两个辐射缝隙的间距；

步骤4：根据波导腔的尺寸、相邻两个辐射缝隙阵元之间的间距、每个辐射缝隙阵元中的辐射缝隙数量以及相邻两个辐射缝隙的间距，利用仿真软件构建波导缝隙天线模型；

其中，所述波导缝隙天线模型具有由中间壁分隔的两个大小相同的波导腔和两个辐射缝隙阵元，所述辐射缝隙阵元与波导腔一一对应，且辐射缝隙阵元与对应的波导腔连通；每个所述辐射缝隙阵元中的多个辐射缝隙以相同的间距、相同的方向且上下交替排布于对应的波导腔宽边中心线的两侧；

步骤5：调节每个辐射缝隙的偏移量以及辐射缝隙的长度，使波导缝隙天线模型满足端口回波损耗以及天线辐射性能要求；其中，所述辐射缝隙的偏移量是指辐射缝隙中心线相对于波导腔宽边中心线的纵向偏移量；

步骤6：在两个波导腔之间的中间壁上增设多个第一固定孔，在所述波导腔底部的金属层上增设多个第二固定孔，所述第二固定孔与所述第一固定孔一一对应且通过金属螺钉连接，使波导腔顶部的波导缝隙层与其底部的金属层紧密连接；

在每个所述第二固定孔的两侧对称设置调谐电感销钉，调谐电感销钉位于波导腔内；

步骤7：调节每个所述调谐电感销钉的尺寸以及调谐电感销钉的中心与对应的第二固定孔的孔心之间的距离，使波导缝隙天线模型满足端口回波损耗以及天线辐射性能要求。

进一步地，所述步骤5中，调节每个辐射缝隙的偏移量以及辐射缝隙的长度，具体包括：

步骤5.1：根据波导缝隙天线的旁瓣性能要求确定天线的口径分布，进而确定每个辐射缝隙的幅度分布；

步骤5.2：根据每个辐射缝隙的幅度分布计算出对应辐射缝隙的等效电导值；

步骤5.3：每个辐射缝隙的偏移量相同，改变辐射缝隙的长度，并对所述波导缝隙天线模型进行仿真，当与该辐射缝隙对应的波导腔内传输波的传输曲线的实部最大时，得到与所述辐射缝隙的偏移量对应的辐射缝隙的长度；

步骤5.4：根据辐射缝隙的偏移量和长度得到仿真的电导值，进而计算出对应的等效电导值，得到一组辐射缝隙的等效电导值、偏移量和长度；其中，所述等效电导值等于仿真的电导值除以辐射缝隙数；

步骤5.5：改变辐射缝隙的偏移量，重复步骤5.3~5.4，得到多组辐射缝隙的等效电导值、偏移量和长度；

步骤5.6：对多组辐射缝隙的等效电导值、偏移量和长度进行拟合，得到等效电导值、偏移量和长度的关系式；

步骤5.7：将所述步骤5.2计算出的等效电导值代入所述关系式，得到辐射缝隙的偏移量与长度。

基于同一构思，本发明还提供一种相控阵天线，所述相控阵天线包括N个波导腔，N≥4且N等于2ⁿ，n为大于等于2的自然数，相邻两个波导腔由中间壁分隔开；在每个所述波导腔的顶部设有辐射缝隙阵元，所述辐射缝隙阵元与对应的波导腔连通，每个所述辐射缝隙阵元中的多个辐射缝隙以相同的间距、相同的方向且上下交替排布于对应的波导腔宽边中心线的两侧；

在部分或全部中间壁上开设多个第一固定孔，在所述波导腔底部的金属层上开设多个第二固定孔，所述第二固定孔与所述第一固定孔一一对应且通过金属螺钉连接；在每个所述第二固定孔的两侧对称设置调谐电感销钉，两个调谐电感销钉位于波导腔内且对应一个第二固定孔。

有益效果

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明在两个波导腔之间的中间壁上开设多个第一固定孔，在波导腔底部的金属层上开设多个第二固定孔，第一固定孔与第二固定孔一一对应且通过金属螺钉连接，使金属层与波导缝隙层紧密连接，避免了天线表面出现翘曲，提高了天线表面的平整度，有效消除了波导腔之间的空间电磁信号串扰；第二固定孔两侧的调谐电感销钉与金属螺钉形成LC并联谐振，抵消了金属螺钉带来的反射扰动，使得端口反射小，辐射性能强。

本发明的波导缝隙天线可以实现低旁瓣，高增益，低回波损耗，结构紧凑，加工简单，成本低，且能用在各种雷达天线中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中两路波导缝隙天线俯视图；

图2是本发明实施例中金属层俯视图；

图3是本发明实施例中波导缝隙层斜视图；

图4是本发明实施例中波导缝隙层仰视图；

图5是本发明实施例中第二固定孔与调谐电感销钉的结构示意图；

图6是本发明实施例中两路波导缝隙天线整体结构图；

图7是本发明实施例中端口回波损耗曲线图；

图8是本发明实施例中天线辐射方向图；

图9是本发明实施例中相控阵天线结构图。

其中，1-波导缝隙层，11-辐射缝隙，2-金属层，21-第二固定孔，22-调谐电感销钉，3-波导腔，4-中间壁，41-金属外圆，42-第一固定孔。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中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的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。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

如图1至图4所示，本发明实施例所提供的一种波导缝隙天线包括金属层2以及波导缝隙层1，波导缝隙层1设于金属层2上且在波导缝隙层1与金属层2之间形成腔体；在金属层2与波导缝隙层1之间设有中间壁4，中间壁4将腔体分隔成两个大小相同的波导腔3，即波导腔3的顶部为波导缝隙层1，波导腔3的底部为金属层2；在波导缝隙层1的表面设有两个辐射缝隙阵元，每个辐射缝隙阵元对应一个波导腔3，且辐射缝隙阵元与对应的波导腔3连通；每个辐射缝隙阵元中的多个辐射缝隙11以相同的间距、相同的方向且上下交替排布于对应的波导腔3宽边中心线的两侧；在两个波导腔3之间的中间壁4上开设有多个第一固定孔42，在金属层2上开设有多个第二固定孔21，第二固定孔21与第一固定孔42一一对应且通过金属螺钉连接；在每个第二固定孔21的两侧对称设有调谐电感销钉22，两个调谐电感销钉22位于波导腔3内且对应一个第二固定孔21。

本发明在原有波导缝隙天线的基础上，增设第一固定孔42、第二固定孔21、连接第一固定孔42与第二固定孔21的金属螺钉以及调谐电感销钉22，第一固定孔42、第二固定孔21以及金属螺钉将金属层2与波导缝隙层1紧密连接，避免了天线表面出现翘曲，提高了天线表面的平整度，有效消除了波导腔3之间的空间电磁信号串扰；第二固定孔21两侧的调谐电感销钉22与金属螺钉形成LC并联谐振，抵消了金属螺钉带来的反射扰动，使得端口反射小，辐射性能强。本发明的波导缝隙天线在可以采用单独加工方式降低加工成本的情况下，有效避免了波导腔3之间的空间电磁信号串扰。

为了既保证波导缝隙层1不翘曲，又不会因为间距过小影响天线增益性能，本实施例中，相邻两个第一固定孔42或第二固定孔21之间的间距为30mm~80mm。由于波导腔3之间的中间壁4壁厚较窄，在中间壁4上开设第一固定孔42之前，先在需要开设第一固定孔42的中间壁4处增设金属外圆41，然后再开设第一固定孔42，如图4所示。

调谐电感销钉22用于消除第一固定孔42、第二固定孔21以及金属螺钉带来的反射扰动，每个第二固定孔21两侧的两个调谐电感销钉22既可以纵向对称设置（如图1和图2所示，纵向是指波导腔的宽边方向，横向是指中间壁的长度方向），也可以在纵向对称的基础上再向横向偏移半波长，调谐电感销钉22的中心与第二固定孔21的孔心之间的水平距离为半波长，即传输波波长的1/2。本实施例中，调谐电感销钉22的材质为金属，优选铝，形状为圆柱体、长方体或正方体（也可以是其他多面体），调谐电感销钉22的中心与对应的第二固定孔21的孔心之间的垂直距离为波导腔3宽边长度的1/4～1/2，调谐电感销钉22的边长为波导腔3宽边长度的1/10～1/5，调谐电感销钉22的高度为波导腔3窄边长度的1/8～1/2。当调谐电感销钉22为圆柱体时，调谐电感销钉22的中心即指调谐电感销钉22的顶面圆的圆心，调谐电感销钉22的边长指调谐电感销钉22的顶面圆的直径；当调谐电感销钉22为长方体时，调谐电感销钉22的中心即指调谐电感销钉22的顶面长方形的中心，调谐电感销钉22的边长指调谐电感销钉22的顶面长方形的长边长。

本发明的波导缝隙天线既可以用于行波阵，也可以用于驻波阵。当天线应用于行波阵时，距离辐射缝隙阵元中辐射缝隙11的偏移量最大值较远的一端为馈电端，另一端为负载匹配端；当天线应用于驻波阵时，距离辐射缝隙阵元中末端辐射缝隙11中心的水平距离为1/4波导波长的奇数倍的一端为短路端，另一端为馈电端；其中，辐射缝隙11的偏移量是指辐射缝隙中心线相对于波导腔3宽边中心线的纵向偏移量。

示例性的，如图1所示，若辐射缝隙阵元中辐射缝隙11的偏移量最大值在右端，则对于行波阵，左端端口为馈电端，右端端口为负载匹配端；对于驻波阵，短路端是距离末端辐射缝隙的中心间距为1/4波导波长的奇数倍的一端，另一端为馈电端。本发明的波导缝隙天线的两端端口均为波导端口，既可连接同轴探针，又可以连接波导口。

本发明实施例还提供一种波导缝隙天线的设计方法，所述设计方法包括以下步骤：

步骤1：根据波导缝隙天线的工作频率与扫描角度，确定波导腔3的尺寸以及相邻两个辐射缝隙阵元之间的间距。

本实施例以天线应用于行波阵为例，两端端口均连接同轴探针。设天线的工作频率范围为16GHz～16.5GHz，工作波长介于18.18mm～18.75mm，根据TE10模单模传输条件，波导腔3的宽边长度a应满足λ/2＜a＜λ，因此根据计算可得9.2mm＜a＜18.18mm；天线的最大扫描角度为30度，由相控阵的扫描角度θ与组阵间距d（即两个辐射缝隙阵元之间的间距）的关系可知，要求方向图不出现栅瓣的条件是d＜λ/(1+sinθ)，则根据计算可得d＜0.66λ≈12.1mm。组阵间距d为波导腔3的宽边长度a加上波导壁厚d0（即两个波导腔3之间的中间壁4壁厚），最终结合波导腔3加工程度，确定波导腔3的宽边长度a为10.5mm，波导腔3的窄边长度b为5.2mm，中间壁4壁厚d0为1mm，组阵间距d为11.5mm。

步骤2：根据波导腔3的尺寸确定波导腔3内传输波的波长。

根据上述波导腔3的尺寸，可以确定波导腔3内传输波的波长为36.3mm。

步骤3：根据波导缝隙天线的整体性能指标与传输波的波长确定每个辐射缝隙阵元中的辐射缝隙11数量以及相邻两个辐射缝隙11的间距。

如图1至图4所示，本发明的波导缝隙天线具有由中间壁4分隔的两个大小相同的波导腔3和两个辐射缝隙阵元，辐射缝隙阵元与波导腔3一一对应，且辐射缝隙阵元与对应的波导腔3连通；每个辐射缝隙阵元中的多个辐射缝隙11以相同的间距、相同的方向且上下交替排布于对应的波导腔3宽边中心线的两侧。由波导缝隙天线的整体性能指标，确定半功率方位面波束宽度约为2.1度，因此在每个波导腔3上，排布有40个辐射缝隙11，即每个辐射缝隙阵元包含40个辐射缝隙11，辐射缝隙11之间的水平间距与波导腔3内传输波的波长有关，由于缝隙天线阵用于行波阵，且上下交替布置，相邻两个辐射缝隙11之间的水平间距小于半波长，本实施例取相邻两个辐射缝隙11之间的水平间距为15.8mm。

步骤4：根据波导腔3的尺寸、相邻两个辐射缝隙阵元之间的间距、每个辐射缝隙阵元中的辐射缝隙11数量以及相邻两个辐射缝隙11的间距，利用仿真软件构建波导缝隙天线模型。

在已知波导腔3的尺寸、相邻两个辐射缝隙阵元之间的间距、每个辐射缝隙阵元中的辐射缝隙11数量以及相邻两个辐射缝隙11的间距的情况下，利用仿真软件即可构建出波导缝隙天线模型。

步骤5：调节每个辐射缝隙11的偏移量以及辐射缝隙11的长度，使波导缝隙天线模型满足端口回波损耗以及天线辐射性能要求。

辐射缝隙11的偏移量是指辐射缝隙11中心线相对于波导腔3宽边中心线的纵向偏移量。本实施例中，调节每个辐射缝隙11的偏移量以及辐射缝隙11的长度，具体包括：

步骤5.1：根据波导缝隙天线的旁瓣性能要求确定天线的口径分布，进而确定每个辐射缝隙11的幅度分布；

步骤5.2：根据每个辐射缝隙11的幅度分布计算出对应辐射缝隙11的等效电导值；

步骤5.3：每个辐射缝隙11的偏移量相同，改变辐射缝隙11的长度，并对波导缝隙天线模型进行仿真，当与该辐射缝隙11对应的波导腔3内传输波的传输曲线S12的实部最大时，得到与辐射缝隙11的偏移量对应的辐射缝隙11的长度；

步骤5.4：根据辐射缝隙11的偏移量和长度得到仿真的电导值，进而计算出对应的等效电导值，得到一组辐射缝隙11的等效电导值、偏移量和长度；其中，等效电导值等于仿真的电导值除以辐射缝隙数；

步骤5.5：改变辐射缝隙11的偏移量，重复步骤5.3~5.4，得到多组辐射缝隙11的等效电导值、偏移量和长度；

步骤5.6：对多组辐射缝隙11的等效电导值、偏移量和长度进行拟合，得到等效电导值、偏移量和长度的关系式；

步骤5.7：将步骤5.2计算出的等效电导值代入步骤5.6中的关系式，得到辐射缝隙11的偏移量与长度。

本实施例也可以先利用公式计算辐射缝隙11的偏移量，然后在仿真软件中优化辐射缝隙11的长度。由于所获得的辐射缝隙11的偏移量与长度不可能完全模拟实际的仿真环境，在进行仿真时，还需在仿真软件中进行微调，以实现所需的辐射性能。在无第一固定孔42、第二固定孔21以及金属螺钉时，天线模型已经满足端口回波损耗以及辐射性能要求。

步骤6：在两个波导腔3之间的中间壁4上增设多个第一固定孔42，在波导腔3底部的金属层2上增设多个第二固定孔21，第二固定孔21与第一固定孔42一一对应且通过金属螺钉连接，使波导腔3顶部的波导缝隙层1与其底部的金属层2紧密连接；在每个第二固定孔21的两侧对称设置调谐电感销钉22，调谐电感销钉22位于波导腔3内。

由于天线为行波阵天线，左边端口为馈电端，右边端口为负载匹配端。由于要加工简单，馈电端和负载匹配端均采用底部50欧姆同轴探针馈电，同轴探针位于波导腔3宽边中心线上，因此，左边端口和右边端口均进行了波导腔3到底部同轴探针的过渡。过渡性能与同轴探针内导体馈入波导腔3深度以及同轴探针与短路面的距离选取有关，以匹配同轴探针插入波导腔3内引起的反射，从而调节同轴馈电的驻波比。

由于中间壁4壁厚d0为1mm，在组成大型阵列天线（即由多个本发明的波导缝隙天线依次排列构成）尺寸时比较大，且同轴探针的存在，整体缝隙天线不能一体化加工，加工困难，整体缝隙天线只能将顶部波导缝隙层1和底部金属层2分开独立加工，仅靠上下左右四周的螺钉进行固定，因此，波导缝隙层1和金属层2实际固定时会出现表面翘曲，导致两层结构固定必然会存在间隙，间隙的存在产生了空间多路波导腔3间的电磁信号串扰，引起很大的端口发射扰动，因而直接影响天线端口的反射性能以及空间辐射性能。

为了解决这一关键问题，本发明在相邻两个波导腔3之间的中间壁4上增加多个第一固定孔42，在金属层2上增设多个第二固定孔21，第二固定孔21与第一固定孔42一一对应且通过金属螺钉连接，使波导腔3顶部的波导缝隙层1与其底部的金属层2通过多个金属螺钉紧密连接，消除了波导缝隙层1与金属层2之间的空间间隙，解决了波导腔3之间的空间电磁信号串扰的问题。但是，金属螺钉相当于并联电感，使辐射缝隙11处的波导腔3内的电场发生扰动，波导腔3内驻波产生强反射，因而端口反射大。为了消除反射扰动，采取LC并联谐振法，在每个第二固定孔21的两侧对称设置调谐电感销钉22，以匹配金属螺钉对端口反射的影响，如图5所示。

步骤7：调节每个调谐电感销钉22的尺寸以及调谐电感销钉22的中心与对应的第二固定孔21的孔心之间的距离，使波导缝隙天线模型满足端口回波损耗以及天线辐射性能要求。

当调谐电感销钉22对称分布在第二固定孔21的上下两侧（即纵向对称布置）时，调谐电感销钉22的圆心到第二固定孔21的孔心的距离dy约为波导腔3宽边长度的1/4～1/2；调谐电感销钉22的直径d3约为波导腔3宽边长度的1/10～1/5；调谐电感销钉22的高度约为波导腔3窄边长度的1/8～1/2。例如采用M2、内孔2.2mm的金属螺钉，金属外圆41采用3.8mm的直径，通过在电磁仿真软件中优化dy、d3以及调谐电感销钉22的高度，最终确定dy=3mm，d3=1.5mm，调谐电感销钉22的高度为2.1mm，可获得较好的匹配效果。

最终两路波导缝隙天线的总体结构如图6，两路信号从左边底部50欧姆同轴探针同相馈入，在矩形波导腔3（也可以应用于脊波导）中传输，经顶部的辐射缝隙11向空间辐射能量，最终仿真的两路天线的回波损耗如图7所示，S11表示左端端口（即馈电端）回波损耗曲线，S22表示右端端口（即负载匹配端）回波损耗曲线；天线总的辐射方向图如图8所示，纵坐标为天线的实际增益值，横坐标为角度。

从图7和图8可知，添加调谐电感销钉22后，天线端口具有很好的行波回波特性，在15.5GHz～17GHz频带内均满足S11<－20dB，天线端口的增益为25.5dB，第一旁瓣为27dB，天线具有很好的辐射特性。

本发明设计方法既适用于相控阵雷达中，也适用于调频连续波雷达中。

将本发明的波导缝隙天线的设计思路应用于相控阵天线，如图9所示，本发明实施例还提供一种相控阵天线，包括N个波导腔3，N≥4且N等于2ⁿ，n为大于等于2的自然数，即n为2,3,4,……，相邻两个波导腔3由中间壁4分隔开；在每个波导腔3的顶部设有辐射缝隙阵元，辐射缝隙阵元与对应的波导腔3连通，每个辐射缝隙阵元中的多个辐射缝隙11以相同的间距、相同的方向且上下交替排布于对应的波导腔3宽边中心线的两侧。在部分或全部中间壁上开设多个第一固定孔42，在波导腔3底部的金属层2上开设多个第二固定孔21，第二固定孔21与第一固定孔42一一对应且通过金属螺钉连接；在每个第二固定孔21的两侧对称设置调谐电感销钉22，两个调谐电感销钉22位于波导腔3内且对应一个第二固定孔21。

当由多个波导缝隙天线依次排列构成阵列天线时，并不需要在每条中间壁4上均设置第一固定孔42，在与第一固定孔42对应的金属层2上设置第二固定孔21，可以选择部分中间壁4并在其上开设多个第一固定孔42，保证波导缝隙层1和金属层2固定时不出现表面翘曲即可。

如图9所示，本实施例的相控阵天线俯仰向共16路波导缝隙天线，每路波导缝隙天线水平向排布40个辐射缝隙11，信号从左边底部50欧姆同轴探针馈入，右端端口为同轴负载匹配端口。每4路天线馈电点接入1个1分4的收发组阵，上下共排布4个收发组件，4路收发组件的输入口接入和差器，通过收发组件控制各路波导缝隙天线的幅度和相位，实现和差波束测向。

相控阵天线尺寸为223mm×650mm，整体高度12.7mm。天线尺寸比较大，中间壁4壁厚1mm，较薄，由于底部同轴探针的存在，整体天线不能一体化加工，加工困难，因此通过本发明的设计方法可以实现整体天线尺寸固定连接，表面不出现翘曲，空间电磁信号串扰可抵消，端口反射小，辐射性能强。

在相控阵天线设计时，先根据步骤1至步骤5设计满足端口回波损耗以及天线辐射性能要求的两路或一路波导缝隙天线模型，然后依次增加两路或一路波导缝隙天线模型，从而构成N路波导缝隙天线模型，再在部分中间壁4上开设多个第一固定孔42，在波导腔3底部的金属层2上开设多个第二固定孔21，第二固定孔21与第一固定孔42一一对应且通过金属螺钉连接；在每个第二固定孔21的两侧对称设置调谐电感销钉22，且调谐电感销钉22位于波导腔3内，最后根据步骤7调节每个调谐电感销钉22的尺寸以及调谐电感销钉22的中心与对应的第二固定孔21的孔心之间的距离，使波导缝隙天线模型满足端口回波损耗以及天线辐射性能要求。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种波导缝隙天线，其特征在于，所述天线包括：

金属层；

设于所述金属层上的波导缝隙层，在所述波导缝隙层与金属层之间形成腔体；

设于所述金属层与波导缝隙层之间的中间壁，所述中间壁将所述腔体分隔成两个大小相同的波导腔；

设于所述波导缝隙层表面的辐射缝隙阵元，所述辐射缝隙阵元与波导腔一一对应，且辐射缝隙阵元与对应的波导腔连通；每个所述辐射缝隙阵元中的多个辐射缝隙以相同的间距、相同的方向且上下交替排布于对应的波导腔宽边中心线的两侧；

开设于所述中间壁上的多个第一固定孔；

开设于所述金属层上的多个第二固定孔，所述第二固定孔与所述第一固定孔一一对应且通过金属螺钉连接；

对称设于所述第二固定孔两侧且位于波导腔内的调谐电感销钉，两个调谐电感销钉对应一个第二固定孔。

2.根据权利要求1所述的波导缝隙天线，其特征在于：相邻两个所述第一固定孔或第二固定孔之间的间距为30mm~80mm。

3.根据权利要求1所述的波导缝隙天线，其特征在于：当天线应用于行波阵时，每个所述辐射缝隙阵元中的相邻两个辐射缝隙之间的间距小于波导腔内传输波的半波长。

4.根据权利要求1所述的波导缝隙天线，其特征在于：所述调谐电感销钉的材质为金属，形状为圆柱体、长方体或正方体。

5.根据权利要求1所述的波导缝隙天线，其特征在于：所述调谐电感销钉的中心与对应的第二固定孔的孔心之间的垂直距离为波导腔宽边长度的1/4～1/2，所述调谐电感销钉的边长为波导腔宽边长度的1/10～1/5，所述调谐电感销钉的高度为波导腔窄边长度的1/8～1/2。

6.根据权利要求1所述的波导缝隙天线，其特征在于：两个调谐电感销钉纵向对称地设于对应的第二固定孔两侧。

7.根据权利要求1~6中任一项所述的波导缝隙天线，其特征在于：当天线应用于行波阵时，距离所述辐射缝隙阵元中辐射缝隙的偏移量最大值较远的一端为馈电端，另一端为负载匹配端；当天线应用于驻波阵时，距离所述辐射缝隙阵元中末端辐射缝隙中心的水平距离为1/4波导波长的奇数倍的一端为短路端，另一端为馈电端；

其中，所述辐射缝隙的偏移量是指辐射缝隙中心线相对于波导腔宽边中心线的纵向偏移量。

8.一种波导缝隙天线的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：

步骤1：根据波导缝隙天线的工作频率与扫描角度，确定波导腔的尺寸以及相邻两个辐射缝隙阵元之间的间距；

步骤2：根据波导腔的尺寸确定波导腔内传输波的波长；

步骤3：根据波导缝隙天线的整体性能指标与传输波的波长确定每个辐射缝隙阵元中的辐射缝隙数量以及相邻两个辐射缝隙的间距；

步骤4：根据波导腔的尺寸、相邻两个辐射缝隙阵元之间的间距、每个辐射缝隙阵元中的辐射缝隙数量以及相邻两个辐射缝隙的间距，利用仿真软件构建波导缝隙天线模型；

其中，所述波导缝隙天线模型具有由中间壁分隔的两个大小相同的波导腔和两个辐射缝隙阵元，所述辐射缝隙阵元与波导腔一一对应，且辐射缝隙阵元与对应的波导腔连通；每个所述辐射缝隙阵元中的多个辐射缝隙以相同的间距、相同的方向且上下交替排布于对应的波导腔宽边中心线的两侧；

步骤5：调节每个辐射缝隙的偏移量以及辐射缝隙的长度，使波导缝隙天线模型满足端口回波损耗以及天线辐射性能要求；其中，所述辐射缝隙的偏移量是指辐射缝隙中心线相对于波导腔宽边中心线的纵向偏移量；

步骤6：在两个波导腔之间的中间壁上增设多个第一固定孔，在所述波导腔底部的金属层上增设多个第二固定孔，所述第二固定孔与所述第一固定孔一一对应且通过金属螺钉连接，使波导腔顶部的波导缝隙层与其底部的金属层紧密连接；

在每个所述第二固定孔的两侧对称设置调谐电感销钉，且调谐电感销钉位于波导腔内；

步骤7：调节每个所述调谐电感销钉的尺寸以及调谐电感销钉的中心与对应的第二固定孔的孔心之间的距离，使波导缝隙天线模型满足端口回波损耗以及天线辐射性能要求。

9.根据权利要求8所述的波导缝隙天线的设计方法，其特征在于，所述步骤5中，调节每个辐射缝隙的偏移量以及辐射缝隙的长度，具体包括：

步骤5.1：根据波导缝隙天线的旁瓣性能要求确定天线的口径分布，进而确定每个辐射缝隙的幅度分布；

步骤5.2：根据每个辐射缝隙的幅度分布计算出对应辐射缝隙的等效电导值；

步骤5.3：每个辐射缝隙的偏移量相同，改变辐射缝隙的长度，并对所述波导缝隙天线模型进行仿真，当与该辐射缝隙对应的波导腔内传输波的传输曲线的实部最大时，得到与所述辐射缝隙的偏移量对应的辐射缝隙的长度；

步骤5.4：根据辐射缝隙的偏移量和长度得到仿真的电导值，进而计算出对应的等效电导值，得到一组辐射缝隙的等效电导值、偏移量和长度；其中，所述等效电导值等于仿真的电导值除以辐射缝隙数；

步骤5.5：改变辐射缝隙的偏移量，重复步骤5.3~5.4，得到多组辐射缝隙的等效电导值、偏移量和长度；

步骤5.6：对多组辐射缝隙的等效电导值、偏移量和长度进行拟合，得到等效电导值、偏移量和长度的关系式；

步骤5.7：将所述步骤5.2计算出的等效电导值代入所述关系式，得到辐射缝隙的偏移量与长度。

10.一种相控阵天线，其特征在于，所述相控阵天线包括N个波导腔，N≥4且N等于2ⁿ，n为大于等于2的自然数，相邻两个波导腔由中间壁分隔开；在每个所述波导腔的顶部设有辐射缝隙阵元，所述辐射缝隙阵元与对应的波导腔连通，每个所述辐射缝隙阵元中的多个辐射缝隙以相同的间距、相同的方向且上下交替排布于对应的波导腔宽边中心线的两侧；

在部分或全部中间壁上开设多个第一固定孔，在所述波导腔底部的金属层上开设多个第二固定孔，所述第二固定孔与所述第一固定孔一一对应且通过金属螺钉连接；在每个所述第二固定孔的两侧对称设置调谐电感销钉，两个调谐电感销钉位于波导腔内且对应一个第二固定孔。