CN114300866B - 一种紧凑型圆极化波导缝隙阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型圆极化波导缝隙阵列天线，属于天线技术领域。其由若干根两种长短不同的一维波导缝隙线阵间隔排列组成，每根一维波导缝隙线阵由方形的四脊波导辐射腔、金属柱微扰缝隙和馈电脊波导组成，馈电波导外接波导同轴接口进行馈电，多根一维线阵并排排列构成二维阵列，每根线阵分别以电缆连接波导同轴接口进行馈电。本发明适用于电子信息领域圆极化天线中，特别适用于对高增益、低副瓣、低圆极化轴比和相控阵宽角扫描工作的场合中。

Description

一种紧凑型圆极化波导缝隙阵列天线

技术领域

本发明涉及到天线技术领域，特别涉及一种紧凑型圆极化波导缝隙阵列天线。

背景技术

目前在一种紧凑型圆极化波导缝隙阵列天线主要有以下几种方法，在实现途径上虽各有特点，但均存在某种不足。

1、圆极化缝隙波导缝隙阵列天线，通过设计复杂的缝隙结构，将缝隙直接开设在波导外壁上实现圆极化天线，这一类天线形式的结构简单，重量轻，可用于对重量、体积等要求较为苛刻的平台，但其由于在波导固有结构上实现了圆极化天线，这类形式在结合脊波导时、实现低副瓣时具有一定限制。

2、通过附加圆极化贴片进行实现圆极化的波导缝隙阵列天线，这类天线的缝隙采用常规线极化直缝，在直缝以外附加特殊形状的圆极化贴片实现圆极化天线。这一类天线的辐射性能受到贴片影响，缝隙作为整个天线的馈电结构。这类天线由于分为贴片部分与波导缝隙部分，在加工时整体性较差，贴片与缝隙间容易出现加工误差。

3、介质加载的波导辐射腔与紧凑型波导缝隙天线，这类天线通过在腔体内和波导内加载电介质，使结构尺寸有效减小，该方法是实现紧凑化的一种有效手段。但介质材料的介电均匀性通常较难保证，且装配时介质表面与金属表面的粘结问题、结构强度问题等较难克服，因此该类天线较难应用在恶劣环境中。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种紧凑型圆极化波导缝隙阵列天线。该天线结构紧凑，可进行波导一体化加工；适用于电子信息领域圆极化天线中，特别适用于对高增益、低副瓣、低圆极化轴比和相控阵宽角扫描工作的场合中。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

由m个n元波导缝隙一维线阵和m-1个n+1元波导缝隙一维线阵间隔排列组成，其中m和n均是不为0自然数；包括2*m*n+m-n-1个天线单元；所述天线单元包括方形四脊波导辐射腔；

波导缝隙一维线阵包括馈电脊波导，且馈电脊波导的延伸方向与波导缝隙一维线阵的延伸方向一致；所述馈电脊波导的顶部设有阵列的多个方形四脊波导辐射腔，且多个方形四脊波导辐射腔的阵列方向与馈电脊波导的延伸方向相同；

所述方形四脊波导辐射腔的四个内壁面上均设有凸脊，且四壁面上凸脊的宽度相同，相对壁面的凸脊高度相同；所述凸脊均位于所在平面的中心线上；

每一方形四脊波导辐射腔的底部通过位于馈电脊波导上表面的金属柱微扰缝隙馈电；所述方形四脊波导辐射腔和金属柱微扰缝隙一一对应；

在馈电脊波导腔内，上表面内壁设有金属柱；所述金属柱位于金属柱微扰缝隙的一侧；相邻的方形四脊波导辐射腔底部的金属柱位于金属柱微扰缝隙的异侧。

进一步的，同一馈电脊波导的金属柱微扰缝隙位于其上表面的中心线上。

进一步的，所述方形四脊波导辐射腔的四个壁面与金属柱微扰缝隙的夹角均为45°。

进一步的，所述波导缝隙一维线阵的馈电脊波导的两端，一端连接标准负载，另一端连接有源射频模块或无源馈电网络。

进一步的，所述馈电脊波导顶部设有金属实体，所述金属实体上开设有所述方形四脊波导辐射腔，且方形四脊波导辐射腔的上端部露出于金属实体并向上延伸，相邻的四脊波导辐射腔之间具有隔离深槽。

本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、本发明的天线结构形式简单，方便接口，可使用螺接或者焊接的方式进行各部件之间的连接。

2、本发明中的天线具有高增益、低副瓣和圆极化的特性。

3、本发明的应用广泛，可以根据需求，在电缆上增加移相器实现相控阵天线功能，或者在缝隙之间增加延迟线实现频扫天线功能。

附图说明

图1是本发明实施例的天线阵列示意图。

图2是图1的天线阵列俯视图。

图3是本发明实施例的8元线阵阵列侧视图。

图4是本发明实施例的天线辐射单元分解示意图。

图5是本发明实施例天线阵列局部俯视图。

图6是本发明实施例天线阵列局部侧视图。

图7是本发明中n元线阵与n+1元线阵对比示意图。

图8是本发明的规模8*5与9*4交错排列的阵列仿真的方向图。

图9是本发明的天线频带范围内的增益图。

图10是本发明的阵列某频点的圆极化轴比图。

图11是本发明的8元线阵与9元线阵的驻波曲线图。

图12是本发明的二维阵列相位扫描45°的方向图。

图13是本发明的二维阵列相位扫描45°的圆极化轴比图。

图中：1、阵列天线，2、波导缝隙一维线阵，3、方形四脊波导辐射腔，4、金属柱微扰缝隙，5、馈电脊波导，6、凸脊，7、金属柱，8、隔离深槽，9、标准负载口，10、馈电口。

具体实施方式

下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。

参照图1至图7，本实施例一种紧凑型圆极化波导缝隙阵列天线1，由m个n元波导缝隙一维线阵和m-1个n+1元波导缝隙一维线阵2间隔排列组成，阵列共有2*m*n+m-n-1个单元，其中m和n均为不是0的自然数。其相邻的一维线阵错位排布，一维线阵由外尺寸为0.48λ的方形四脊波导辐射腔3、金属柱微扰缝隙4和一个馈电脊波导5组成；一维线阵的宽度达到0.58λ。

方形四脊波导辐射腔中，波导辐射腔的外尺寸为一个正方形，内部有两对宽度相同、高度不同的凸脊6；波导辐射腔由下部的金属柱微扰缝隙馈电，腔体边线相对缝隙开槽方向成45°，腔体口面的几何中心与缝隙口面的几何中心重合，腔体下边缘与缝隙上表面紧密贴合。

金属柱微扰缝隙中，其缝隙分布在一维线阵的几何中心线上，一个金属柱7设置在缝隙中心的一侧，金属柱设置在脊波导上壁的内侧，缝隙长度、金属柱的高度根据缝隙分布位置不同会各不相同，且相邻缝隙的金属柱位置分布在不同的一侧；馈电脊波导的两侧为开口波导法兰口，两侧外连接波导-同轴转换接口，一端口为标准负载口9接标准负载，另一端口进行馈电；其馈电口10可连接有源射频模块或者无源馈电网络等设备，进行信号的合成或者分路。

阵列辐射口面上的相邻波导辐射腔口面之间有隔离深槽8，隔离深槽相对于波导辐射腔口面深度为0.36λ，底面相对于波导辐射腔外壁垂直且底面水平，隔离深槽具有提升天线极化水平的功能；相邻一维线阵的错位距离为波导辐射腔单元间距的一半，n元一维线阵的馈电端口增加了相位补偿段，其第一阵元到馈电端口的脊波导长度相比n+1元一维线阵的该长度更长。上述设计充分考虑了天线的功能实现简单性，既可以便于进行加工实现，又保证了天线性能，提高了天线的实用性。

该一种紧凑型圆极化波导缝隙阵列天线工作原理如下：

当发射信号时，发射机产生的信号经过外设的前级功分器和电缆传输至每个一维波导缝隙线阵中，该信号经过电缆和波导同轴段后在脊波导腔内传输，信号载波通过脊波导腔上壁上的缝隙首先变化为向外辐射的线极化波，在紧密连接的方形波导辐射腔内将线极化信号转化为圆极化信号，由波导辐射腔口辐射到空间中。

当接收信号时，空间来的圆极化极化信号进入到方形四脊波导腔的腔体内，经过方形四脊腔的腔体进行信号极化转换，由圆极化转化为线极化，通过波导腔体底部的谐振缝隙进入到脊波导腔体中，经由脊波导腔体传输到同轴电缆中，再经过外设的前级功分器和电缆合成为一个信号，实现信号的接收功能。

对该发明进行建模仿真，如图8与图9所示，图1的76元阵列端口的增益值大于20dB，阵列副瓣低于-20dB；图10所示阵列轴比小于0.5dB；如图12与图13所示，加载相控阵后该发明可以实现45°范围的波束扫描。

Claims (3)

1.一种紧凑型圆极化波导缝隙阵列天线，由m个n元波导缝隙一维线阵和m-1个n+1元波导缝隙一维线阵间隔排列组成，其中m和n均是不为0自然数；其特征在于，包括2*m*n+m-n-1个天线单元；所述天线单元包括方形四脊波导辐射腔；

波导缝隙一维线阵包括馈电脊波导，且馈电脊波导的延伸方向与波导缝隙一维线阵的延伸方向一致；所述馈电脊波导的顶部设有阵列的多个方形四脊波导辐射腔，且多个方形四脊波导辐射腔的阵列方向与馈电脊波导的延伸方向相同；

所述方形四脊波导辐射腔的四个内壁面上均设有凸脊，且四壁面上凸脊的宽度相同，相对壁面的凸脊高度相同；所述凸脊均位于所在平面的中心线上；

每一方形四脊波导辐射腔的底部通过位于馈电脊波导上表面的金属柱微扰缝隙馈电；所述方形四脊波导辐射腔和金属柱微扰缝隙一一对应；

在馈电脊波导腔的内壁上表面设有金属柱；所述金属柱位于金属柱微扰缝隙的一侧；相邻的方形四脊波导辐射腔底部的金属柱位于金属柱微扰缝隙的异侧；同一馈电脊波导的金属柱微扰缝隙位于其上壁面的中心线上；所述方形四脊波导辐射腔的四个壁面与金属柱微扰缝隙的夹角均为45°。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型圆极化波导缝隙阵列天线，其特征在于，波导缝隙一维线阵的馈电脊波导的两端，一端连接标准负载，另一端连接有源射频模块或无源馈电网络。

3.根据权利要求1所述的一种紧凑型圆极化波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述馈电脊波导顶部设有金属实体，所述金属实体上开设有所述方形四脊波导辐射腔，且方形四脊波导辐射腔的上端部露出于金属实体并向上延伸，相邻的四脊波导辐射腔之间具有隔离深槽。