CN101150224A - 宽带双l形波导窄边缝隙天线阵 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线电波接收、发射用宽带双L形波导窄边缝隙天线阵。解决了公知天线阵厚度较大、加工难度大、制造成本高的问题。结构特点是:辐射波导为横截面是L形的金属波导管;馈电波导也为横截面是L形的金属波导;在辐射波导窄边开有由多个成对矩形金属膜片激励的非倾斜直辐射缝隙;所述天线阵从中间分成两个子阵,由所述馈电波导分别激励馈电。本发明与现有技术相比,结构紧凑、横截面小、效率高和交叉极化分量低,同时还具有低损耗,结构简单易于加工的优势。可以广泛应用于通信和雷达***中,特别是适合于与压缩宽边波导缝隙阵一起,构成双极化波导缝隙天线阵,应用于高分辨多极化星载合成孔径雷达***中。
Description
技术领域
本发明涉及无线电波接收、发射用天线,具体地说是宽带波导窄边缝隙天线。
背景技术
宽带天线在军用和民用领域的应用越来越广泛。同时,在某些具体的应用中,还有诸如:体积、重量、损耗和扫描角等方面的特殊要求。
例如:对于宽角扫描平面天线阵,要求天线单元之间距离较小,接近于二分之一波长;对于高分辨多极化合成孔径雷达,要求设计的天线具备双极化、低交叉极化、高隔离度等特性,在横向结构上要求波导缝隙阵具有压缩的宽度,同时,对于某些平台上的天线还要求诸如低剖面、轻质量和高效率等性能要求。
尽管微带天线是一个很好的选择,但是由于较大的损耗,限制了其应用范围,特别是效率要求高的情况下,如星载雷达应用中。因此波导缝隙天线仍具有广阔的应用范围。
对于波导缝隙谐振阵,带宽受到单元数、截止波长和子阵数的影响(M.Hamadallah,Frequency limitations on broad-band performance of shunt slot arrays,IEEE TransAntennas Propagat Vol.37,1989,pp:817-823.;汪伟,齐美清,金谋平,“波导并联缝隙谐振阵带宽研究”,现代电子技术/增刊,2006.9,pp:178-180)。通常,谐振阵单元数越多则带宽越窄。但其具有效率高和自身结构强度高等优点。展宽这种天线阵工作带宽的方法是将天线阵划分成多个子阵形式,再由功分网络对子阵馈电,这在机/弹载平板缝隙天线中应用广泛(P.N.Richardson,H.Y.Yee,“Design and analysis ofslotted waveguide antenna arrays”,Microwave Journal,Vol.31,No.6,June 1988,pp:109-125)。但在这些应用中仍局限于天线阵较小的情况,随着有源相控阵天线的广泛应用,由众多T/R组件激励单根谐振线阵,从而构成大型相控阵天线,这一方法主要应用在星载合成孔径雷达(SAR)中。另外,随着SAR分辨率要求的提高,天线阵的瞬时带宽要求也在提高,因此需要克服波导谐振阵窄带缺陷。
另外,当天线需要实现宽角扫描时,要求具有压缩的波导线阵宽度。对于波导窄边缝隙天线阵常规矩形波导可以满足这一要求。但在双极化波导缝隙阵中,两种极化线阵分别由波导宽边纵向缝隙阵和波导窄边倾斜缝谐振阵来实现,两个极化的波导线阵平行排列,要求更窄的线阵宽度,通常采用压缩横向尺寸的矩形波导可以满足结构要求。
相比较而言,双极化波导缝隙阵对单根天线阵的截面尺寸要求更高。在早期的双极化波导缝隙天线阵中,两种缝隙波导线阵都采用常规设计方法,即垂直极化线阵采用矩形波导宽边开纵缝的缝隙天线形式,水平极化线阵采用波导窄边开倾斜缝隙方式,水平极化线阵置于垂直极化线阵表面,从而导致面阵厚度加大,且对性能影响较大。另外,也没有采用展宽带宽的措施,工作带宽较窄。
在文献(R.Petersson,E.Kallas,et al,Radiation performance of the ERS-1SAR EM antenna,IEEE AP-S 1988,212-215)中,采用常规设计,得到工作于C波段的双极化波导缝隙天线阵,其工作带宽仅15.5MHz。在文献(L.Josefsson,andC.G.M.Klooster,Dual polarized slotted waveguide SAR antenna,IEEE AP-S,1992,pp:625-628,和P.J.Wood,N.Sultan and G.Seguin,A dual-polarizedreconfigurable-beam antenna for the DSAR synthetic aperture radar,IEEE AP-S,1996,pp:1717-1719)中介绍的双极化波导缝隙天线阵,也是工作在C波段,其结构布局同样也采用常规方式。
后来,为TerrSAR开发的双极化波导天线阵采用一种新型空间布局,两种极化的波导线阵都进行了压缩,其方法是垂直极化线阵采用单脊波导,水平极化线阵采用窄边压缩波导,使两种线阵在组成平面阵中并排排列(Herschlein,C.Fischer,H.Braumann,et al,Development and measurement results for TerraSAR-X phased array,5thEuropean Conference on Synthetic Aperture Radar,EUSAR 2004,Ulm,Germany,May,2004),16单元谐振线阵采用中馈方式,带宽较窄,为300MHz,相对带宽为3.1%。
我们已针对宽带双极化波导缝隙天线阵进行了研制,采用天线分块并由功分器馈电来展宽天线工作带宽,其中早期的窄边缝隙天线阵采用的是常规矩形波导结构,实现了宽频带性能(Wei Wang,Shun-Shi Zhong,Jian Jin and Xian-Ling Liang,An untiltededge-slotted waveguide antenna array with very low cross-polarization,Microwave and Optical Technology Letters.2005,44(1):91-93.),但天线阵厚度较大,相当于两个波导宽边的尺寸,这对某些应用来说其厚度显得太大。在文献中给出了宽带波导窄边缝隙天线阵的几种压缩方法(Wei Wang,Jian Jin,Xian-Ling Liang andShun-Shi Zhong,Broadband Dual polarized Waveguide Slotted Antenna Array,IEEEAntennas and Propagation Society,AP-S,July,2006.pp:2237-2240),但在结构上显得较为复杂或压缩量较小等缺点。
另外,对于波导窄边缝隙天线,传统方法是在窄边开倾斜缝隙,但是这种结构带来较大的交叉极化分量,尽管在面阵中采用相邻两根线阵反相馈电的方式可以在侧射状态得到良好的交叉极化抑制,但当天线扫描到一定角度时,其空间相位差将抵消这种反相抑制能力,即交叉极化性能在扫描时恶化。考虑到对于细长缝隙的辐射电场主要是垂直于缝隙这一特性,因此,后来发展出非倾斜缝隙代替传统的倾斜缝,其激励方式主要包括成对的倾斜金属棒(Johnson R C,Jasik H.Antenna Engineering Handbook.2ndedNew York:McGraw-Hill,1984)、表面镀金属条带的介质片(Hirokawa J,Kildal P-S.Excition of an untilted narrow-wall slot in a rectangular waveguide by usingetched strips on a dielectric plate.IEEE Trans.on Antennas and Propagation,1997,45(6):1032-1037),以及后来我们在此基础上发展出来的切角金属膜片形式。基于加工难度和可靠性方面考虑,倾斜金属棒需要在波导的上窄壁和侧壁上开倾斜孔,将细金属棒***斜孔并焊接,加工难度大;表面镀金属条带的介质片从辐射缝隙***到辐射波导中,则存在不同材料之间的热特性不同、介质片安装固定以及引入额外的介质损耗等问题;尽管切角金属膜片与辐射波导腔体一体化加工很好地解决了这些问题,但矩形切角仍增加了加工和检测上的复杂性。
发明内容
本发明旨在提供一种具有良好的宽频带特征、线阵横截面压缩、特别是天线高度压缩、结构简单的宽带波导窄边缝隙谐振天线阵。
具体的结构设计方案如下:
宽带双L形波导窄边缝隙天线阵,包括辐射波导、馈电波导和同轴连接器,所述同轴连接器与所述馈电波导连接处设置一金属匹配块,所述匹配块为一矩形金属片,设置于同轴连接器内导体与馈电波导的内腔连接处;
所述辐射波导为横截面为倒L形的波导管;所述馈电波导为横截面为L形的波导管,且位于辐射波导下部,辐射波导和馈电波导对应配合的横截面呈矩形;
所述同轴连接器与馈电波导构成T形结构,构成一个3dB功分器;
所述辐射波导窄边等间距设置至少四条辐射缝隙,每条辐射缝隙两边分别设有矩形金属膜片;相邻辐射缝隙之间间距为0.5λg0;
所述辐射波导和馈电波导的公共波导壁上设有两条“工”字形耦合缝;
所述辐射缝隙终端距离最后一个辐射缝隙约0.25λg0距离处短路;
所述馈电波导终端距离耦合缝隙约0.5λg0距离处短路;
所述辐射缝隙分成独立的两组构成两个子阵。
优选实施方案是所述辐射波导窄边等间距设置16条辐射缝隙,每条辐射缝隙由位于两侧的一对矩形膜片激励。16条辐射缝隙及辐射波导均分成相同的两部分,每组辐射波导距离最后一个辐射缝隙约0.25λg0处短路,构成两个独立的谐振式天线子阵。每个天线子阵的辐射波导和馈电波导之间设有激励“工”字形耦合缝隙,所述耦合缝隙完全切割辐射波导与馈电波导之间公共波导壁。
所述子阵采用中馈方式,所述耦合缝隙位于子阵中间波导侧壁,馈电波导与子阵之间通过所述耦合缝隙进行能量耦合,耦合馈电波导终端距离耦合缝隙约0.5λg0处短路;
所述辐射缝隙为垂直于辐射波导纵向轴线的直缝,辐射缝隙长约为0.5λg0,为保证所述辐射缝隙长度,位于辐射波导上表面的所述辐射缝隙切割到两边波导侧壁,缝宽远小于缝长,约等于十分之一至八分之一辐射缝长;相邻辐射缝隙之间间距为0.5λg0;
所述矩形金属膜片的高度为d~(a1-a3-t),宽度为0.2b1~0.5b1;其中辐射缝隙深度d,辐射波导高度a1,辐射波导与馈电波导重叠高度a3,波导壁厚t,辐射波导上壁宽度b1。
所述天线阵的输入端口、输出端口为同轴形式,采用商用N型接头或SMA同轴接头。
所述辐射波导和馈电波导的材料为金属材料、或表面镀金属的复合材料。
所述辐射波导截面宽度和高度尺寸由实际要求的宽度和保证主模传输要求确定;
所述馈电波导宽度与辐射波导相同,馈电波导宽度和高度尺寸由辐射波导宽和保证主模传输要求确定。
所述辐射波导与馈电波导重叠高度由实际天线压缩需求及辐射缝隙切入深度确定。
所述辐射缝隙两侧激励矩形金属膜片由子阵匹配结果确定。
所述“工”字形耦合缝隙尺寸由馈电波导与辐射波导之间构成的三端口网络匹配结果确定。
所述同轴连接器与所述馈电波导构成的T接头处的所述金属匹配块尺寸由两者构成的三端口网络匹配确定。
本发明与现有技术相比,具有如下几方面的优点:
1、波导缝隙天线划分成两个子阵由馈电波导功分器激励,将传统的矩形截面辐射和馈电波导改为L形截面腔体结构,两者按互补的L7形式放置,在不影响天线性能的前提下使天线高度至少压缩四之一,同时,与两个互补结构的不对称单脊波导构成的天线阵相比,降低了加工难度和加工成本。这种压缩结构的天线特别适合于诸如机载雷达、星载雷达和共形天线阵等对天线厚度有特殊要求的情况下使用,特别是适合于与压缩波导宽边缝隙阵一起构成双极化天线,应用于高分辨多极化星载合成孔径雷达***中;
2、波导窄边倾斜缝隙天线极化纯度低,采用成对金属棒、表面镀金属条带的介质片或切角矩形金属膜片激励非倾斜缝隙天线可以得到优越的极化纯度性能,但存在加工难度和可靠性等方面的问题。用简单的矩形金属膜片来激励波导窄边非倾斜直缝,在得到优越的极化纯度的情况下,降低了加工检测难度和加工成本,并且具有很高的可靠性;
3、天线阵划分成子阵由功分器馈电,波导功分器代替微带线、带状线和同轴线功分器,有效地降低了馈线损耗提高了天线效率,具有较高的功率容量,并降低了加工难度。
4、本发明宽带双L形波导窄边缝隙天线阵结构紧凑、横截面小、效率高和交叉极化分量低。
附图说明
图1为本发明所述天线阵整体外观效果图;
图2为本发明所述天线阵的侧面结构透视图;
图3为图2的B-B剖视图;
图4为图2的A-A剖视图;
图5为图4的C-C剖视图;
图6为图4的D-D剖视图;
图7为图4中天线耦合缝隙水平截面放大图;
图8为本发明所述天线阵端口电压驻波比图;
图9为本发明所述天线阵在9.2GHz频点上的测试方向图及交叉极化;
图10为本发明所述天线阵在9.6GHz频点上的测试方向图及交叉极化;
图11为本发明所述天线阵在10.0GHz频点上的测试方向图及交叉极化;
图12为本发明所述天线阵效率。
具体实施方式
下面结合附图,通过实施例对本发明作进一步地描述。
实施例:
本发明的一个优选实施案例是均匀分布的16单元X波段波导窄边缝隙线阵,中心频率9.6GHz,工作带宽800MHz。由倒L形辐射波导1及在其上设置的16个辐射缝隙4、L形馈电波导2和同轴连接器3组成。
参见图1-图5,宽带双L形波导窄边缝隙天线阵包括辐射波导1、馈电波导2和同轴连接器3;同轴连接器3与馈电波导2连接处设置一金属匹配块6,匹配块为一矩形金属片,设置于同轴连接器3内导体与馈电波导2的内腔连接处;
所述同轴连接器3与馈电波导2形成T形结构,构成一个3dB波导功分器。
所述辐射波导1为一内腔横截面为L形的金属辐射波导管,结构上倒置放置。馈电波导2同样为一内腔横截面为L形的金属辐射波导管,位于倒置L形辐射波导正下方,两者在结构上互补吻合,共用一段高度。馈电波导与辐射波导之间通过折叠“工”字形缝7耦合,耦合缝隙可以是折叠“中”字形缝。同轴输入/输出接头3位于馈电波导中间的下方。
所述16条辐射缝隙4沿波导纵向轴线等间距地均匀分布,16单元波导缝隙天线阵分成相同的两组,即两个相同的子阵,每组辐射子阵的终端短路,构成两个独立的谐振式天线子阵,每个子阵由馈电波导与辐射波导之间的耦合缝隙7激励。
所述辐射缝隙4为开在倒L形辐射波导上壁且垂直于波导轴线的直缝,并且切割入两个波导侧壁,每个辐射缝隙两边有一对完全相同、紧贴于上壁和侧壁的矩形金属膜片5,膜片宽、高分别为w和h。
所述辐射缝隙长约为0.5λ0,为保证这一电长度,辐射缝隙切割到波导的两个侧壁,深度为d,缝宽约十分之一至八分之一缝长。相邻辐射缝之间间距为0.5λg0,子阵中距离最后一个辐射缝隙约0.25λg0距离处短路。
两个子阵采用中馈方式,馈电波导与子阵之间通过缝隙7进行能量耦合,所述耦合缝隙7位于子阵中间波导侧壁,馈电波导终端距离耦合缝隙约0.5λg0距离处短路。
所述耦合缝隙完全切割两个波导之间的公共壁,如图7所示。因为公共波导壁呈Z字形,如图3所示,所以耦合缝隙呈折叠“工”字形,中间为一个细长矩形缝,两端各一个相同的矩形缝,紧贴于两侧波导壁。
所述辐射波导1上壁宽度b1由实际要求确定,对于X波段天线可以在5~11mm之间选择,下壁宽度b2尺寸无严格要求,辐射波导高度a1由保证电磁波主模传输及要求的工作频率导波长确定,倒置L形波导顶部腔体高度由天线阵高度压缩量确定,但要求a1-a3-t>d。
所述馈电波导2宽度与辐射波导1相同,馈电波导2上壁宽度无严格要求,但满足b2+b3+t=b1限制,高度a2由保证电磁波主模传输要求确定,一个简单的方法是选择馈电波导横截面尺寸与辐射波导完全相同。
所述宽带双L形波导窄边缝隙天线阵所有波导壁厚统一为t。
所述矩形金属膜片的尺寸主要由子阵中单元数确定,保证单个子阵输入端口匹配,高度取值范围为d~(a1-a3-t),宽度为0.25b1~0.5b1。
所述“工”字形耦合缝的中间部分宽度Wc1为0.048λ0~0.08λ0;上下部分宽度Wc1为0.096λ0~0.192λ0,高度H为0.064λ0~0.096λ0。
所述天线阵的输入/输出端口为同轴结构的50欧姆同轴连接器3,同轴连接器与馈电波导构成T形结构的3dB功分器,同轴连接器内导体与馈电波导腔体连接处设置一匹配块6,具体为一个矩形金属膜片,如图2、图3、图5和图6所示,其尺寸Wm、hm和Lm由最终天线端口电压驻波比优化确定。
通常要求给出一定的指标来设计天线,一般的宽带波导缝隙天线的指标为驻波带宽、方向图、增益和扫描角或结构尺寸方面的限制等,下面将说明如何根据指标要求来设计本发明所述的天线。
假设给定的频率范围为f1-fh,其中f1为最低频率,fh为最高频率,f0是中心频率。同轴接头可以是N型接头或者SMA接头等。
具体的参数确定如下:
如图2和图3所示:根据频率范围、天线空间扫描角或双极化线阵结构限制的空间范围,确定波导的宽度b1;根据实际需要的辐射单元间距Le长度,获得需要的波导波长,进而得到波导的截止波长,确定波导的高度a1;辐射缝长包括辐射波导上壁开缝长度和切入侧壁深度(b1+2d),由中心频率f0确定,约等于0.5λ0,辐射缝宽Wr满足2W/λ0<<1的细长缝要求,可以选择1~2.5mm;辐射缝隙间距Le满足波导谐振阵要求,等于0.5λg0,λg0为中心频率波导波长,但必须满足工作频带内天线不出现栅瓣的限制,要求小于0.9λh,λh是最高频率点的自由空间波长;线阵终端短路位置Ls由f0确定,最佳选取:Ls≈0.25λg0;激励金属膜片紧贴于辐射缝两边,其尺寸h和w由分块后子阵单元数和子阵端口匹配优化确定,膜片厚度选择0.6~1.0mm。
如图3所示:馈电波导宽度的选取与辐射波导宽度b1相同,根据f1主模传输要求确定波导的高度a2,最简便的方法是选择馈电波导与辐射波导尺寸完全一致。
如图3所示,辐射波导与馈电波导重叠公共高度部分a3由实际天线压缩量确定,但满足a3<a1-d-t的尺寸限制。
所有波导壁厚t由机械加工能力确定,可以在0.6~1mm之间选择。
如图2、图4、图5、图6和图7所示,折叠“工”字形耦合缝隙开于两个波导侧壁之间,完全切割辐射波导和馈电波导之间的公共壁,耦合缝宽度Wc1远小于缝长,选择范围为1.5~2.5mm,两端矩形尺寸H和Wc2根据功分器驻波比计算仿真确定,选择范围分别为2~3mm和3~6mm,馈电波导终端短路面与耦合缝隙距离Lt约为0.5λg0。
如图1、图2、图3所示:同轴接头选择SMA接头,匹配块宽度Wm、厚度hm和长度Lm根据驻波比由最终天线端口匹配计算仿真确定。
根据以上步骤确定各几何参数尺寸如下:
所述辐射波导腔体尺寸为:b1=9mm,b2=4mm,a1=1mm;
所述馈电波导腔体尺寸为:a2=18mm,a3=9.7mm,b3=4mm;
所述辐射单元间距尺寸为:Le=25mm=0.5λg0,终端短路面距离:Ls=12.5mm;
所述辐射缝隙尺寸:缝长=b1+2d=9+2×2.6=14.2mm=0.4544λ0,Wr=2mm;
所述激励矩形金属膜片尺寸:w=3.8mm,h=4mm,厚度=1mm;
所述耦合缝隙尺寸:Wc1=2mm,Wc2=4mm,H=2mm,终端短路面距离:Ls=27.3mm=0.546λg0;
所述匹配金属块尺寸:wm=2.8mm,hm=6.1mm,Lm=8.6mm;
波导壁厚:t=1mm。
输出端口同轴连接器选择商用SMA接头。
上述的λ0=31.25mm,为天线工作中心频率自由空间波长,对应频率为9.6GHz,在所选择的波导管内对应的波导波长λg0为50mm。
本具体实施例天线长度为402mm,高度为28.3mm(包括波导壁厚),宽度为11mm(包括波导壁厚),与相同性能的常规矩形波导缝隙天线(高度为40mm)相比,高度降低了29.25%。
图8是本发明均匀分布X波段天线样品端口电压驻波比随频率变化的曲线。在VSWR≤1.5的指标条件下,驻波带宽为9.23到10.01GHz,即天线的相对带宽为8.1%。
图9~图11给出了本发明所述均匀分布X波段天线高、中、低三个频点上的辐射方向图及交叉极化分量。比较这几条曲线,不难发现,该均匀分布波导缝隙线阵在9.2GHz-10.0GHz范围内副瓣低于-13dB,交叉极化低于-45dB。
图12给出了本发明所述均匀分布X波段天线阵样品,通过16根线阵组成面阵测试得到的天线阵效率曲线,该天线阵在9.2GHz~10.0GHz的800MHz范围内效率高于65%。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的详细说明,不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的发明保护范围。
Claims (7)
1.宽带双L形波导窄边缝隙天线阵,包括辐射波导、馈电波导和同轴连接器,所述同轴连接器通过金属匹配块设于馈电波导下部,其特征在于:
所述辐射波导为横截面为倒L形的波导管;所述馈电波导为横截面为L形的波导管,且位于辐射波导下部,辐射波导和馈电波导对应配合的横截面呈矩形;
所述辐射波导窄边等间距设置至少四条辐射缝隙,每条辐射缝隙两边分别设有矩形金属膜片;相邻辐射缝隙之间间距为0.5λg0,λg0为中心频率波导波长;
所述辐射波导和馈电波导的公共波导壁上设有两条“工”字形耦合缝;
所述辐射缝隙终端距离最后一个辐射缝隙0.25λg0距离处短路;
所述馈电波导终端距离耦合缝隙0.5λg0距离处短路;
所述天线阵分成两个相同的子阵。
2.根据权利要求1所述的宽带双L形波导窄边缝隙天线阵,其特征在于:所述辐射缝隙为垂直于辐射波导纵向轴线的直缝,辐射缝隙长约为0.5λ0,λ0是中心频率自由空间波长,缝宽范围为十分之一至八分之一辐射缝隙长。
3.根据权利要求1所述的宽带双L形波导窄边缝隙天线阵,其特征在于:所述矩形金属膜片的高度为d~(a1-a3-t),宽度为0.2b1~0.5b1;
其中辐射缝隙深度d,辐射波导高度a1,辐射波导与馈电波导重叠高度a3,波导壁厚t,辐射波导上壁宽度b1。
4.根据权利要求1所述的宽带双L形波导窄边缝隙天线阵,其特征在于:所述“工”字形耦合缝完全切割辐射与馈电波导之间的公共波导壁,中间细长部分宽度为0.048λ0~0.08λ0;上下部分紧贴于两侧波导壁,宽度为0.096λ0~0.192λ0,高度为0.064λ0~0.096λ0。
5.根据权利要求1所述的宽带双L形波导窄边缝隙天线阵,其特征在于:
所述辐射波导窄边等间距设置16条辐射缝隙,16条辐射缝隙天线阵分成相同的两个辐射子阵,每个辐射子阵中距离最后一个辐射缝隙0.25λg0距离处短路,构成两个独立的谐振式天线子阵,每个辐射子阵的辐射波导和馈电波导之间设有“工”字形耦合缝隙。
6.根据权利要求1所述的宽带双L形波导窄边缝隙天线阵,其特征在于:所述的同轴连接器为SMA同轴接头,或N型接头。
7.根据权利要求1所述的宽带双L形波导窄边缝隙天线阵,其特征在于:所述辐射波导和馈电波导的材料为金属材料、或表面镀金属的复合材料。
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