CN204333274U

CN204333274U - 一种双频段多极化共口径波导缝隙天线

Info

Publication number: CN204333274U
Application number: CN201420747846.7U
Authority: CN
Inventors: 陈明; 汪伟; 鲁加国; 张洪涛; 金谋平
Original assignee: CETC 38 Research Institute
Current assignee: CETC 38 Research Institute
Priority date: 2014-12-03
Filing date: 2014-12-03
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2024-12-03

Abstract

本实用新型涉及一种双频段多极化共口径波导缝隙天线。长度相等的L波段垂直极化天线、C波段垂直极化天线和C波段水平极化天线；且均为波导缝隙天线；C波段垂直极化天线和C波段水平极化天线组成C波段双极化天线阵位于上部，L波段垂直极化天线位于下部；L波段垂直极化天线、C波段垂直极化天线和C波段水平极化天线都是通过同轴连接器在天线波导管中心馈电，同轴连接器与波导管形成3dB功分器；实现对L波段垂直极化天线、C波段垂直极化天线和C波段水平极化天线的激励作用。本实用新型在同样的物理口径面积上实现了多个波导缝隙天线共用，与双频段多极化微带共口径天线相比较，该天线效率高、极化隔离度高、交叉极化低、功率容量大等优点。

Description

一种双频段多极化共口径波导缝隙天线

技术领域

本实用新型属于天线技术领域，具体涉及双频段多极化共口径天线，具体是一种由三种金属辐射波导管组成的双频段多极化共口径天线。本实用新型即可用于接收，也可用于发射无线电波。在军事方面，可用作相控阵雷达系统的终端天线。在民用方面，可作为星载雷达天线、气象雷达天线等。

背景技术

随着应用与需求的快速进展，一方面，工作于各个频率的电子设备越来越多；另一方面，对于舰载、机载、星载等平台受到空间有限的限制，对天线体积，重量，效率等各项电性能指标提出了越来越严格的要求，特别是在雷达系统中,天线所占用的比例较大，因此对其进行减重，剖面压缩，提高天线效率和集成化设计是有必要的。

雷达系统根据应用背景需要工作于各个频段，通常不同频段的几部雷达放在一起才能获得所需要的数据。如果一部雷达能够将高低频段混合使用，在不同的环境和工作条件下可以实现各自的优势。例如SAR雷达系统，在低频段时树林造成的衰减和立体散射较少，高频段时具有很好的分辨率、目标识别和跟踪功能。

目前，SAR天线一个重要应用趋势就是通过共口径设计，实现多频段、多极化的天线在同一个物理口径上。多极化可以提高信息量，多频段工作根据应用需要可以提供不同的扫描分辨率。如果将这些天线共用到一个天线阵面上来，可以充分发挥不同频段不同极化雷达测量时所获得的信息；共口径天线不但减小了天线的体积和重量，充分发挥了不同频段雷达工作时所获得的信息；通过共口径设计可以充分提高系统的有效载荷，提高能源使用效率。

2000年美国奋进号航天飞机所载的X波段、L/C波段双极化三个波段独立的天线完成了高分辨率的全球三维测量，显示了不同频段和不同极化下天线可以带来更多的目标信息。但由于三个独立的天线，天线庞大而笨重，总重量超过3吨。因此，克服这些问题最有效的办法就是采用天线共口径设计。在过去20年中，国内外有不少提出双频段双极化天线设计。目前按阵面分布结构大致可以分为2类：（1）打孔单元/贴片方案，打孔贴片/贴片，环天线/贴片和十字贴片/贴片等结构。（2）交织结构，如贴片和振子/槽交织等，综合运用了各种馈电方式。

然而上面提到的这些双频段多极化天线基本上都是采用微带贴片天线，微带贴片天线的缺点是交叉极化高、不同极化之间的隔离度低、天线效率低等问题。

实用新型内容

为了解决上述双频段多极化共口径天线存在的不足之处，本实用新型提供一种完全使用波导缝隙结构实现双频段多极化共口径波导缝隙天线。

实现上述目的的具体技术方案如下：

一种双频段多极化共口径波导缝隙天线包括长度相等的L波段垂直极化天线、C波段垂直极化天线和C波段水平极化天线；且均为波导缝隙天线；所述C波段垂直极化天线和C波段水平极化天线组成C波段双极化天线阵位于上部，L波段垂直极化天线位于下部；所述L波段垂直极化天线、C波段垂直极化天线和C波段水平极化天线都是通过同轴连接器在天线波导管中心馈电，同轴连接器与波导管形成3dB功分器；实现对L波段垂直极化天线、C波段垂直极化天线和C波段水平极化天线的激励作用。

优化的结构设计方案如下：

所述L波段垂直极化天线由具有第一宽边辐射纵缝的双脊波导管1和第一同轴连接器7组成，双脊波导管1的顶部均布设有四条第一宽边辐射纵缝4，第一同轴连接器7设于双脊波导管1的底部中心，形成一个T字形接头的功分器来实现馈电；

所述C波段垂直极化天线由四根两端封闭的垂直极化波导管2组成，所述垂直极化波导管2为单脊波导管，每根垂直极化波导管2的宽边中心线两侧均布设有第二宽边辐射纵缝5；每根垂直极化波导管2的下边中心位置设有第二同轴连接器8，第二同轴连接器8伸入双脊波导管1的内腔，其外导体和介质与双脊波导管1内腔的底壁相接触；第二同轴连接器8与垂直极化波导管2内的第二馈电脊构成T形结构，形成一个3dB功分器；

所述C波段水平极化天线由四根两端封闭的水平极化波导管3组成，所述水平极化波导管3为单脊波导管，每根水平极化波导管3上均布设有窄边辐射斜缝6，窄边辐射斜缝6连通着两侧窄边；每根水平极化波导管3的下边中心位置设有水平同轴连接器9，四根水平极化波导管3中的三根水平同轴连接器9伸入双脊波导管1的内腔，其外导体和介质与双脊波导管1内腔的底壁相接触；另一水平同轴连接器9位于双脊波导管1的外部；水平同轴连接器9与水平极化波导管3的水平馈电脊构成T形结构，形成一个3dB功分器。

四根垂直极化波导管2和四根水平极化波导管3，上下交错排列，且垂直极化波导管2的顶面和水平极化波导管3的底面在同一水平面上，形成C波段双极化天线阵；

所述L波段垂直极化天线位于C波段双极化天线底部，所述四条第一宽边辐射纵缝4分别位于垂直极化波导管2和水平极化波导管3之间。

本实用新型的有益技术效果体现在以下方面：

1、本实用新型充分利用通过在波导内加脊来压缩波导的结构尺寸，在同样的物理口径面积上实现了多个波导缝隙天线共用。与双频段多极化微带共口径天线相比较，该天线效率高、极化隔离度高、交叉极化低、功率容量大等优点；

常规的双频段多极化共口径微带形式的天线的效率通常只有60%，本方案中三种天线都采用波导结构形式来实现。波导天线的优点是损耗小，波导天线的效率可以达到75%，甚至80%；因此效率比微带形式的天线效率高。经过加工测试样件，本共口径天线在C波段天线的效率达到85%，L波段天线效率达到80%；

微带形式双极化天线的远场交叉极化一般在-20dB左右。对于本方案中波导结构形式L/C共口径天线测试结果表明，C波段天线的远场交叉极化低于-45dB，L波段天线远场交叉极化低于-35dB，交叉极化远低于微带形式双极化天线；

常规微带形式的双极化天线两个极化之间的隔离度只有-20 dB左右。本方案中C波段双极化天线之间的极化隔离度低于-45dB；

2、本实用新型在L波段天线的上表面利用C波段双极化天线的波导管下壁作为盖板，没有增加额外的结构，因此结构紧凑，减轻了整个天线的重量。另外两种频段的天线可以分开加工，加工完成后再进行焊接，没有额外的增加天线的加工难度；

3、由于本共口径天线是双频段多极化，因此可以利用天线工作在不同频段和不同极化特性，增加天线的抗干扰能力。另外整个天线都采用波导结构，可以使用同一种材料来制作，因此整个共口径天线具有相同的膨胀系数，可以用做星载天线；

4、整个共口径天线是波导结构，天线的底面是水平的结构，而且结构牢固。因此可以充分利用这种波导天线阵的地板结构作为支撑板，使有源设备与天线一体化集成安装，无须额外的增加天线的安装板，降低了整个系统的重量。

附图说明

图1本实用新型天线的整体外观图。

图2本实用新型天线的俯视图。

图3本实用新型天线的A-A剖视图。

图4本实用新型C波段垂直极化天线结构示意图。

图5本实用新型C波段垂直极化天线同轴馈电与垂直极化波导管2的配合俯视图。

图6本实用新型C波段垂直极化天线组阵和L波段垂直极化天线的配合俯视图。

图7本实用新型C波段水平极化天线结构示意图。

图8本实用新型C波段水平极化天线同轴馈电与水平极化波导管的配合俯视图。

图9本实用新型C波段水平极化天线侧视图。

图10本实用新型C波段水平极化天线组阵示意图。

图11本实用新型共口径天线波导馈电侧视图。

图12本实用新型L波段垂直极化天线输入端口反射系数示意图。

图13本实用新型C波段垂直极化天线输入端口反射系数示意图。

图14本实用新型C波段水平极化天线输入端口反射系数示意图。

图15本实用新型L波段垂直极化天线水平面和垂直面的方向图及其交叉极化。

图16本实用新型C波段垂直极化天线水平面和垂直面的方向图及其交叉极化。

图17本实用新型C波段水平极化天线水平面和垂直面的方向图及其交叉极化。

图1-11中的序号：双脊波导管1、垂直极化波导管2、水平极化波导管3、第一宽边辐射纵缝4、第二宽边辐射纵缝5、窄边辐射斜缝6、第一同轴连接器7、第二同轴连接器8、水平同轴连接器9。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本实用新型作进一步地说明。

实施例1：

参见图1、图2、图3，一种双频段多极化共口径波导缝隙天线包括长度相等的L波段垂直极化天线、C波段垂直极化天线和C波段水平极化天线；C波段垂直极化天线为C波段垂直极化波导缝隙天线；C波段水平极化天线为C波段水平极化波导缝隙天线。

参见图6，L波段垂直极化天线由具有第一宽边辐射纵缝的双脊波导管1和第一同轴连接器7组成；双脊波导管1的两个脊位于波导管中心线两侧，与中心线的距离相等；双脊波导管1的顶部均布开设有四条第一宽边辐射纵缝4，第一同轴连接器7安装于双脊波导管1的底部中心，形成一个T字形接头的功分器来实现馈电，如图11所示。参见图3，双脊波导管1的顶壁上设有向外凸起的三条凸条，相邻凸条之间和两侧凸条的外侧形成四条凹槽。L波段垂直极化天线的如图3所示。

参见图4和图5；C波段垂直极化天线由四根两端封闭的垂直极化波导管2组成，垂直极化波导管2为单脊波导管，参见图4，每根垂直极化波导管2的宽边中心线两侧均布开设有第二宽边辐射纵缝5。参见图5，每根垂直极化波导管2的下边中心位置安装有第二同轴连接器8，第二同轴连接器8伸入双脊波导管1的内腔，其外导体和介质与双脊波导管1内腔的底壁相接触；第二同轴连接器8与垂直极化波导管2内的第二馈电脊构成T形结构，形成一个3dB功分器。

参见图7、图8、图9和图10，C波段水平极化天线由四根两端封闭的水平极化波导管3组成，水平极化波导管3为单脊波导管，每根水平极化波导管3上均布开设有窄边辐射斜缝6，窄边辐射斜缝6连通着两侧窄边，窄边辐射斜缝6呈斜“八”形。每根水平极化波导管3的下边中心位置安装有水平同轴连接器9；四根水平极化波导管3中的三根水平同轴连接器9伸入双脊波导管1的内腔，其外导体和介质与双脊波导管1内腔的底壁相接触；另一根水平同轴连接器9位于双脊波导管1的外部；水平同轴连接器9与水平极化波导管3的水平馈电脊构成T形结构，形成一个3dB功分器。

参见图6，四根垂直极化波导管2平行排列，分别对应位于双脊波导管1的四条凹槽内，且四根垂直极化波导管2的顶面和双脊波导管1的三条凸条的顶面在一个平面内；四根垂直极化波导管2的脊和双脊波导管1管内的两条脊的方向相同，见图3；

参见图10，四根水平极化波导管3平行排列，其中三根水平极化波导管3分别位于双脊波导管1的三条凸条的顶部，另一根水平极化波导管3位于双脊波导管1的外侧；参见图3，四根垂直极化波导管2和四根水平极化波导管3形成上下交错的结构形式，且垂直极化波导管2的顶面和水平极化波导管3的底面在同一水平面上，形成C波段双极化天线阵；水平极化波导管3内的脊和双脊波导管1内的两条脊的方向相反。同一种波导管的相邻单元间距相等。

参见图3和图6，L波段垂直极化天线位于C波段双极化天线底部，四条第一宽边辐射纵缝4分别位于垂直极化波导管2和水平极化波导管3之间。

第一同轴连接器7、第二同轴连接器8和水平同轴连接器9优选为50欧姆的SMA头同轴连接器。C波段双极化天线阵的第二同轴连接器8和水平同轴连接器9需要分别穿过双脊波导管1的内腔如图3所示，第二同轴连接器8和水平同轴连接器9的内导体深入双脊波导管1中与波导内腔的表面相连接。连接器与馈电波导构成T形结构实现3dB的功分器。L波段垂直极化天线的第一同轴连接器7深入双脊波导管1中实现3dB的功分器，如图11所示。

具体参数如下：

根据工作频率范围，天线空间扫描角等空间范围，确定波导缝隙天线单元在水平面和垂直面上的单元间距。在设计中，辐射缝隙单元间距以不出现栅瓣为条件限制。

上述L波段垂直极化天线的双脊波导管1是两端封闭，中间馈电。参见图6，与两端封闭端邻近的第一宽边辐射缝隙4与双脊波导管1封闭端的间距为Lsh1=0.25 。第一宽边辐射纵缝4的长度为Ls1=0.5，相临辐射缝隙4的中心间距为L1=0.5，缝隙宽度w1为2mm。其中为L波段天线工作频率对应的自由空间波长，为L波段垂直极化天线的双脊波导管1的波导管波长。双脊波导管1上共有四条第一宽边辐射纵缝4。第一宽边辐射纵缝4的偏置与缝隙的数目有关，由于在本方案中，L波段天线缝隙的偏置a1已经严格限制在C波段双极化天线的间隙之间，因此L波段辐射缝隙的位置不可变。可以通过在C波段双极化天线之间开多个缝隙来调节导纳值实现第一宽边辐射纵缝4的谐振。

上述C波段垂直极化天线的垂直极化波导管2同样是两端封闭，中间馈电。参见图5，垂直极化波导管2两端的第二宽边辐射纵缝5中心距短路面的距离为Lsh2=0.25，单元间距选择为L2=0.5，辐射缝隙长度Ls2=0.5，宽度w2为2mm。其中为C波段垂直极化天线工作频率对应的自由空间波长，为C波段垂直极化天线的垂直极化波导管2的波导管波长。垂直极化波导管2上共有16个纵向缝隙。第二宽边辐射纵缝5的偏置a2与缝隙的数目有关，如图6所示，一般a2取0～k2/2，其中k2为垂直极化波导管2的宽边尺寸，如图5所示。

上述C波段水平极化天线的水平极化波导管3同样是两端封闭，中间馈电。参见图8和图9，与封闭端邻近的窄边辐射斜缝6与馈电波导短路面的间距Lsh3=0.25，窄边辐射斜缝6的单元间距L3=0.5，窄边辐射斜缝6由窄边下切，长为t=0.16，缝宽w3=2mm。其中为C波段水平极化天线工作频率对应的自由空间波长，为C波段水平极化天线的水平极化波导管3的波导管波长。缝隙的倾角。倾角的大小与缝隙的数目有关系。本例中水平极化波导管3上共有16个倾斜缝隙。相邻缝隙的倾斜方向相反，但倾角相同，本例中倾角。

本实施例中三种脊波导的结构尺寸具体是按照波导截止频率位于0.8倍工作频带的下边频来确定的。该方法为本专业设计人员所熟知。C波段垂直极化天线，本实施例优选为：L5=0.26 ₀，L6=0.23 ₀，L7=0.19 ₀，L8=0.15 ₀，C波段水平极化天线，本实施例优选为：L15=0.3 ₀，L16=0.24 ₀，L17=0.04 ₀，L4=0.2 ₀，双极化天线的单元间距L9=0.69 ₀。L波段垂直极化天线，本实施例优选为：L10=0.14 ₀，L11=0.04 ₀，L12=0.09 ₀，L13=0.59 ₀，L14=0.09 ₀如图3所示。

图12给出了L波段天线线阵的S11参数随频率变化的曲线。图13和图14分别给出了C波段垂直极化天线和水平极化天线的S11参数随频率变化的曲线。图15、图16、图17分别给出了C波段垂直极化天线、水平极化天线、L波段垂直极化天线在水平面和垂直面及其交叉极化的方向图。

实施例2：

参见图1、图6、图10，工作于L波段和C波段的双频段多极化共口径天线阵。L波段天线由一个1×4单元的波导缝隙天线线阵组成。C波段双极化天线分别由一个4×16单元的波导缝隙天线阵，天线阵由四个C波段波导缝隙线阵组成。每个单元线阵由16个缝隙组成。L波段天线的波导位于C波段双极化天线波导的下方。本实施例中L波段天线缝隙的间距为L1=0.5如图6所示。C波段垂直极化天线线阵之间的单元间距Ld2=0.7如图6所示，C波段水平极化天线线阵之间的单元间距Ld3=0.7如图10所示，此子阵与T/R组件相连接，辅以电源、波控和安装结构件等可以扩展成大型子阵级的有源相控阵天线。

其它同实施例1。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作详细说明，不能认定本实用新型具体实施仅限于这些说明。对于实用新型所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，如通过其它的馈电方式来激励功孔径缝隙进行辐射，都应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书确定的实用新型保护范围。

Claims

1.一种双频段多极化共口径波导缝隙天线，其特征在于：包括长度相等的L波段垂直极化天线、C波段垂直极化天线和C波段水平极化天线；且均为波导缝隙天线；所述C波段垂直极化天线和C波段水平极化天线组成C波段双极化天线阵位于上部，L波段垂直极化天线位于下部；所述L波段垂直极化天线、C波段垂直极化天线和C波段水平极化天线都是通过同轴连接器在天线波导管中心馈电，同轴连接器与波导管形成3dB功分器；实现对L波段垂直极化天线、C波段垂直极化天线和C波段水平极化天线的激励作用。

2.根据权利要求1所述的一种双频段多极化共口径波导缝隙天线，其特征在于：所述L波段垂直极化天线由具有第一宽边辐射纵缝的双脊波导管（1）和第一同轴连接器（7）组成，双脊波导管（1）的顶部均布设有四条第一宽边辐射纵缝（4），第一同轴连接器（7）设于双脊波导管（1）的底部中心，形成一个T字形接头的功分器来实现馈电；

所述C波段垂直极化天线由四根两端封闭的垂直极化波导管（2）组成，所述垂直极化波导管（2）为单脊波导管，每根垂直极化波导管（2）的宽边中心线两侧均布设有第二宽边辐射纵缝（5）；每根垂直极化波导管（2）的下边中心位置设有第二同轴连接器（8），第二同轴连接器（8）伸入双脊波导管（1）的内腔，其外导体和介质与双脊波导管（1）内腔的底壁相接触；第二同轴连接器（8）与垂直极化波导管（2）内的第二馈电脊构成T形结构，形成一个3dB功分器；

所述C波段水平极化天线由四根两端封闭的水平极化波导管（3）组成，所述水平极化波导管（3）为单脊波导管，每根水平极化波导管（3）上均布设有窄边辐射斜缝（6），窄边辐射斜缝（6）连通着两侧窄边；每根水平极化波导管（3）的下边中心位置设有水平同轴连接器（9），四根水平极化波导管（3）中的三根水平同轴连接器（9）伸入双脊波导管（1）的内腔，其外导体和介质与双脊波导管（1）内腔的底壁相接触；另一根水平同轴连接器（9）位于双脊波导管（1）的外部；水平同轴连接器（9）与水平极化波导管（3）的水平馈电脊构成T形结构，形成一个3dB功分器；

所述四根垂直极化波导管（2）和四根水平极化波导管（3），上下交错排列，且垂直极化波导管（2）的顶面和水平极化波导管（3）的底面在同一水平面上，形成C波段双极化天线阵；

所述L波段垂直极化天线位于C波段双极化天线底部，所述四条第一宽边辐射纵缝（4）分别位于垂直极化波导管（2）和水平极化波导管（3）之间。

3.根据权利要求2所述的一种双频段多极化共口径波导缝隙天线，其特征在于：所述双脊波导管（1）的顶壁上设有向外凸起的三条凸条，相邻凸条之间和两侧凸条的外侧形成四条凹槽；

所述四根垂直极化波导管（2）平行排列，分别对应位于双脊波导管（1）的四条凹槽内，且四根垂直极化波导管（2）的顶面和双脊波导管（1）的三条凸条的顶面在一个平面内；四根垂直极化波导管（2）的脊和双脊波导管（1）管内的两条脊的方向相同；

所述四根水平极化波导管（3）平行排列，其中三根水平极化波导管（3）分别位于双脊波导管（1）的三条凸条的顶部，另一根水平极化波导管（3）位于双脊波导管（1）的外侧；四根垂直极化波导管（2）和四根水平极化波导管（3）形成上下交错的结构形式；水平极化波导管（3）内的脊和双脊波导管（1）内的两条脊的方向相反。

4.根据权利要求2所述的一种双频段多极化共口径波导缝隙天线，其特征在于：所述双脊波导管（1）内两条脊的横截面均为矩形，脊高L12为0.09 ₀，脊宽L11为0.14 ₀；两条脊的外侧距离双脊波导管（1）的两侧壁的距离L10均为0.14 ₀；所述第一宽边辐射纵缝（4）的长度Ls1为0.5，Lsh1为0.25，第一宽边辐射纵缝（4）两个缝隙中心间距L1为0.5，第一宽边辐射纵缝（4）的宽度w1为2mm；其中 ₀为L波段天线工作频率对应的自由空间波长，为L波段天线双脊波导管（1）的波导管波长。

5.根据权利要求2所述的一种双频段多极化共口径波导缝隙天线，其特征在于：所述垂直极化波导管（2）的高度L6为0.23 ₀，宽度L5为0.26 ₀；其脊的高度L7为0.19 ₀，脊的宽度L8为0.15 ₀；所述第二宽边辐射纵缝（5）的缝长Ls2为0.5，缝宽w2为2mm，相邻缝之间的间距L2为0.5，与封闭端相邻的第二宽边辐射纵缝（5）的中点和垂直极化波导管（2）短路面之间的间距Lsh2为0.25；所述 ₀为C波段垂直极化天线工作时对应的自由空间波长，为C波段天线垂直极化波导管（2）的波导波长。

6.根据权利要求2所述的一种双频段多极化共口径波导缝隙天线，其特征在于：所述水平极化波导管（3）的高度L16为0.24 ₀，宽度L15为0.3 ₀；其脊的高度L4为0.2 ₀，脊的宽度L17为0.04 ₀；与封闭端相邻的窄边辐射斜缝（6）的中点与水平极化波导管（3）短路面之间的间距Lsh3为0.25，相邻窄边辐射斜缝（6）之间的间距L3为0.69 ₀，窄边辐射斜缝（6）由窄边下切，长度t为0.16 ₀，窄边辐射斜缝（6）的宽度w3为1mm，所述 ₀为C波段水平极化天线工作时对应的自由空间波长，为C波段天线水平极化波导管（3）的波导波长。