CN220963771U - 一种波导缝隙天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种波导缝隙天线，该天线包括金属层以及波导缝隙层，在波导缝隙层与金属层之间形成波导腔，波导腔具有第一侧壁和第二侧壁；在波导缝隙层的表面设有辐射缝隙阵元，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波导腔宽边中心线的两侧；在第一侧壁或第二侧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一侧设有调谐电感销钉。本实用新型消除了波导腔的电磁信号泄漏，提高了天线辐射性能和反射性能。

Description

一种波导缝隙天线

技术领域

本实用新型属于缝隙天线技术领域，尤其涉及一种波导缝隙天线。

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，2015.)，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漏，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。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种波导缝隙天线，以解决由于天线表面平整度差导致波导腔内的电磁信号泄漏，从而导致波导腔之间的空间电磁信号串扰问题。

本实用新型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波导腔，所述波导腔具有第一侧壁和第二侧壁；

设于所述波导缝隙层表面且与所述波导腔连通的辐射缝隙阵元，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波导腔宽边中心线的两侧；

开设于所述第一侧壁或第二侧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；

设于所述第二固定孔一侧且位于波导腔内的调谐电感销钉，每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，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。

进一步地，当天线应用于行波阵时，所述馈电端和负载匹配端均采用同轴探针馈电，所述同轴探针从所述金属层插入所述波导腔内且位于波导腔宽边中心线上。

进一步地，所述同轴探针为50欧姆。

进一步地，在所述第一侧壁或第二侧壁开设第一固定孔处增设金属外圆，所述第一固定孔设于所述金属外圆的中心。

进一步地，当天线的工作频率范围为16GHz～16.5GHz，工作波长为18.18mm～18.75mm，最大扫描角度为30°时，所述金属外圆的直径为3.8mm，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3mm，所述调谐电感销钉的边长或直径为1.5mm，所述调谐电感销钉的高度为2.1mm。

有益效果

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

本实用新型在波导腔的第一侧壁或第二侧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，避免了波导腔的电磁信号泄漏问题，进而避免了多个天线排列构成天线阵列时波导腔之间的空间电磁信号串扰；第二固定孔一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。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，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实用新型的一个实施例，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是本实用新型实施例中波导缝隙天线俯视图；

图2是本实用新型实施例中金属层俯视图；

图3是本实用新型实施例中波导缝隙层斜视图；

图4是本实用新型实施例中波导缝隙层仰视图；

图5是本实用新型实施例中第二固定孔与调谐电感销钉的结构示意图。

其中，1-波导缝隙层，11-第一侧壁，12-第二侧壁，13-辐射缝隙，14-金属外圆，15-第一固定孔，2-金属层，21-第二固定孔，22-调谐电感销钉，3-波导腔。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1至图4所示，本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，波导腔3具有第一侧壁11和第二侧壁12；在波导缝隙层1的表面设有辐射缝隙阵元，辐射缝隙阵元与波导腔3连通，辐射缝隙阵元中的多个辐射缝隙13以相同的间距、相同的方向且上下交替排布于波导腔3宽边中心线的两侧；在第一侧壁11或第二侧壁12上开设有多个第一固定孔15，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15一一对应且通过金属螺钉连接；在每个第二固定孔21的一侧设有调谐电感销钉22，每个调谐电感销钉22对应一个第二固定孔21，且每个调谐电感销钉22位于波导腔3内，即调谐电感销钉22位于第二固定孔21靠近波导腔3的一侧。

本实用新型在原有波导缝隙天线的基础上，增设第一固定孔15、第二固定孔21、连接第一固定孔15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15、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的电磁信号泄漏，进而消除了多个天线排列构成天线阵列时波导腔之间的空间电磁信号串扰；第二固定孔21一侧的调谐电感销钉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。本实用新型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的电磁信号泄漏。

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15或第二固定孔21之间的间距为30mm～80mm。由于波导腔3的第一侧壁11或第二侧壁12的壁厚较窄，在第一侧壁11或第二侧壁12上开设第一固定孔15之前，先在需要开设第一固定孔15的第一侧壁11或第二侧壁12处增设金属外圆14，然后再开设第一固定孔15且第一固定孔15设于金属外圆14的中心，如图4所示。

调谐电感销钉22用于消除第一固定孔15、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21一侧的调谐电感销钉22位于波导腔3内(如图1和2所示)。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。

本实用新型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13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13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13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。当天线应用于行波阵时，每个辐射缝隙阵元中的相邻两个辐射缝隙13之间的间距小于波导腔3内传输波的半波长。

示例性的，如图1所示，若辐射缝隙阵元中辐射缝隙13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。本实用新型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。

当天线为行波阵天线，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，同轴探针从金属层2插入波导腔3内且位于波导腔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。

在组成大型天线阵列(即由多个本实用新型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，间隙的存在导致波导腔3内的电磁信号泄漏，从而导致波导腔之间的空间电磁信号串扰，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，本实用新型在波导腔3的第一侧壁11或第二侧壁12上增加多个第一固定孔15，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15一一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内的电磁信号泄漏问题。但是，金属螺钉相当于并联电感，使辐射缝隙13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的一侧设置调谐电感销钉22，以匹配金属螺钉对端口反射的影响，如图5所示。

根据天线的工作频率范围、工作波长和最大扫描角度，利用电磁仿真软件可以得到调谐电感销钉22的尺寸以及调谐电感销钉22与第二固定孔21之间的距离。本实施例中，当天线的工作频率范围为16GHz～16.5GHz，工作波长为18.18mm～18.75mm，最大扫描角度为30°时，金属外圆14的直径为3.8mm，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dy为3mm，调谐电感销钉22的直径d3为1.5mm，调谐电感销钉22的高度为2.1mm。

以上所揭露的仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

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波导腔，所述波导腔具有第一侧壁和第二侧壁；

设于所述波导缝隙层表面且与所述波导腔连通的辐射缝隙阵元，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波导腔宽边中心线的两侧；

开设于所述第一侧壁或第二侧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；

设于所述第二固定孔一侧且位于波导腔内的调谐电感销钉，每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1～5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。

7.根据权利要求6所述的波导缝隙天线，其特征在于：当天线应用于行波阵时，所述馈电端和负载匹配端均采用同轴探针馈电，所述同轴探针从所述金属层插入所述波导腔内且位于波导腔宽边中心线上。

8.根据权利要求7所述的波导缝隙天线，其特征在于：所述同轴探针为50欧姆。

9.根据权利要求1所述的波导缝隙天线，其特征在于：在所述第一侧壁或第二侧壁开设第一固定孔处增设金属外圆，所述第一固定孔设于所述金属外圆的中心。

10.根据权利要求9所述的波导缝隙天线，其特征在于：当天线的工作频率范围为16GHz～16.5GHz，工作波长为18.18mm～18.75mm，最大扫描角度为30°时，所述金属外圆的直径为3.8mm，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3mm，所述调谐电感销钉的边长或直径为1.5mm，所述调谐电感销钉的高度为2.1mm。