CN104505595B - 宽带单腔波导缝隙谐振天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及宽带单腔波导缝隙谐振天线。包括横截面为矩形的金属波导管，金属波导管的宽边沿长度方向的中心线两侧均布交错排列设有辐射缝，宽边上还均布设有两对以上的加载缝；每对加载缝以金属波导管长度方向的中心线对称，且分别位于金属波导管的宽边两侧的边缘；金属波导管内中部设有馈电匹配块，馈电匹配块连接着同轴连接器，同轴连接器通过馈电匹配块给金属波导管进行馈电。本发明通过增设加载缝，增强波导缝隙谐振天线的工作带宽，减轻天线重量，降低天线剖面高度；通过增设馈电匹配块，增加天线工作的驻抗带宽；本发明易于沿同一方向平移形成平面阵列天线，通过与T/R组件相连，辅以电源、波控和安装结构件等可以形成宽带有源相控阵天线。

Description

宽带单腔波导缝隙谐振天线
技术领域
本发明属于波导缝隙天线技术领域，具体是一种宽带单腔波导缝隙谐振天线。
本发明既可用于接收、也可用于发射无线电波。在军事方面，可用作雷达***的终端天线。在民用方面，可作为通信的基站天线、卫星地面移动终端天线等。
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，在电子设备的某些具体应用中，还有诸如：体积、重量、损耗和扫描角的特殊要求。
波导缝隙天线阵作为发射和接收电磁信号的天线，由于其效率高、结构强度高等优点，被广泛应用于雷动和通讯领域。
对于波导缝隙谐振天线来说，带宽受到单元数、截止波长和子阵数的影响，通常，谐振单元数越多则带宽越窄。(马增.哈马达拉，波导并联缝隙天线阵宽带频率限制，国际电气与电子工程师协会-天线与传播学报，Vol.37,1989,pp:817-823./M.Hamadallah,Frequency limitations on broad-band performance of shunt slot arrays,IEEETrans Antenna Propagation 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.；汪伟，钟顺时，齐美清，梁仙灵，背靠背脊波导馈电宽带脊波导缝隙天线阵，微波与光技术快报，2005,45(2):102-104/Wang Wei,Zhong Shun-Shi,Qi Mei-Qing and Liang Xian-Ling,Broadbandridged waveguide slot antenna array fed by back-to-back ridged waveguide,Mirowave and Optical Tech.Lett.,2005,45(2):102-104)。这些研究中，波导缝隙谐振阵带宽拓展主要依赖于采用子阵设计方法，由功分器对各个子阵馈电激励，从而达到降低单元数目的目的。这种采用子阵设计技术，采用波导功分器实现宽带的方法，增加了天线剖面的高度，并且增加了天线的重量。
总之，就目前的波导缝隙谐振天线而言，要拓展其工作带宽，主要依赖于采用子阵设计的方法，采用上下层叠的波导功分器对各个子阵馈电。在体积、重量、加工、成本等方面具有较大的劣势，这在诸如机载和星载电子设备应用中尤为突出。
发明内容
本发明旨在提供一种具有良好的宽频带、低交叉极化特性、特别是天线高度压缩、结构简单的矩形波导宽边纵向直辐射缝隙天线。
具体的技术解决方案如下：
宽带单腔波导缝隙谐振天线包括横截面为矩形的金属波导管，所述金属波导管的两端分别为第一短路端和第二短路端，金属波导管的宽边沿长度方向的中心线两侧均布交错排列设有辐射缝；
所述金属波导管的宽边还均布设有两对以上的加载缝；每对加载缝以金属波导管长度方向的中心线对称，且分别位于金属波导管的宽边两侧的边缘；作用在于增强单腔波导缝隙谐振天线的工作带宽；
所述金属波导管内中部设有馈电匹配块；所述馈电匹配块为板条状，馈电匹配块两端的顶部分别设有向上凸起的连接块，通过两端的连接块馈电匹配块连接着金属波导管的内腔顶面；馈电匹配块的中间底部设有向下凸起的馈电块，馈电块连接着同轴连接器，同轴连接器的接线端伸至金属波导管的底部外；同轴连接器通过馈电匹配块给金属波导管进行馈电；作用在于增加单腔波导缝隙谐振天线工作的阻抗带宽。
所述的辐射缝的缝长SL为0.5λ0，相邻辐射缝之间的间距Ls为0.5λg0，终端辐射缝距离波导终端端面的距离Lsh为0.25λg0，辐射缝的缝宽为2mm，其中λg0为中心频率波导波长；所述加载缝的缝长CSL为0.25λ0，加载缝的缝宽为2mm，其中λ0为中心频率自由空间波长；相邻加载缝之间的间距为相邻辐射缝之间的间距Ls的整数倍。
两根以上的宽带单腔波导缝隙谐振天线并联连接组成宽带单腔波导缝隙谐振天线阵。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1、在传统波导缝隙谐振天线上增设加载缝隙，增强了波导缝隙谐振天线的方向图工作带宽，方向图工作带宽由原来的2.6％增加到8.9％，减少了天线的重量，天线重量减少到原来的2/3，降低了天线的剖面高度，天线的剖面高度降低到原来的1/2；
2、中心同轴连接器馈电的波导缝隙天线采用板条状的馈电匹配块匹配，增加了天线工作的阻抗带宽，阻抗带宽由原来的5.3％增加到9.5％；
3、本发明易于沿同一方向平移形成平面阵列天线，通过与T/R组件相连，辅以电源、波控和安装结构件等可以形成宽带有源相控阵天线；
4、本发明结构简单、加工难度低，成本少。
附图说明
图1为本发明天线立体图。
图2为本发明金属波导管的横截面图。
图3为图1的局部剖视图。
图4为图3的局部放大图。
图5为图1的俯视图。
图6为图1沿长度方向的剖视图。
图7为本发明8×16单元天线阵示意图。
图8为本发明16单元天线与传统16单元波导缝隙谐振天线驻波比对比曲线。
图9为本发明16单元天线与传统16单元波导缝隙谐振天线9.05GHz方向图及对比曲线。
图10为本发明16单元天线与传统16单元波导缝隙谐振天线9.55GHz方向图及对比曲线。
图11为本发明16单元天线与传统16单元波导缝隙谐振天线9.9GHz方向图及对比曲线。
图12为本发明8×16单元天线中频方向图曲线。
图1-6中序号说明：金属波导管1、辐射缝2、加载缝3、第一短路端4、第二短路端5、同轴连接器6、馈电匹配块7、连接块71、馈电块72。
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说明。
实施例1
本实施例的宽带单腔波导缝隙谐振天线工作于X波段，工作中心频率为f0为9.55GHz，下边频fL为9.05GHz，上边频fH为9.9GHz。中心频率波导波长λg0为48.6mm，中心频率自由空间波长λ0为31.4mm。
参见图1，宽带单腔波导缝隙谐振天线包括横截面为矩形的金属波导管1，见图2，金属波导管1的内腔宽度a的选择范围为：0≤a≤0.9λH(λH是上变频自由空间波长)，本实施例a为20.4mm；内腔高度b的选择范围为：0＜b≤a，本实施例优选为：b＝8mm；金属波导管1的壁厚t为1mm。金属波导管1的两端分别为第一短路端4和第二短路端5，金属波导管1的宽边(顶面)沿长度方向的中心线两侧均布交错排列开设有16条辐射缝2；本实施例中，辐射缝2的长度SL为0.5λ0，即SL＝15.2mm，缝宽为2mm；辐射缝2距离中心线的距离Sp小于0.5a，本实施例Sp为2mm。相邻辐射缝2之间的中心距离Ls为0.5波导波长，即24.3mm。与短路端相邻的辐射缝2的中心和第一短路端4或第二短路端5之间的间距Lsh为0.25波导波长，即Lsh为12.15mm。
参见图5，金属波导管1的宽边还均布设有三对加载缝3，每对加载缝3以金属波导管长度方向的中心线对称，且分别位于金属波导管1的顶面两侧边缘；加载缝3偏离金属波导管1的纵向中心线的距离CSp小于0.5a，本实施例优选为9mm，加载缝3的缝长CSL为0.25λ0，本实施例优选为8mm，缝宽为2mm；相邻加载缝之间的间距为相邻辐射缝之间的间距Ls的整数倍，本实施例优选为97.2mm。加载缝3的作用在于增强单腔波导缝隙谐振天线的工作带宽。
参见图3、图4和图6，金属波导管1内中部设有馈电匹配块7。馈电匹配块7为板条状，馈电匹配块7的长度为TL为Ls的整数倍，本实施例优选为194.4mm；馈电匹配块7两端的顶部分别设有向上凸起的连接块71，通过两端的连接块71馈电匹配块7连接着金属波导管1的内腔顶面，连接块71处的馈电匹配块7的高度Th≤0.5b，本实施例优选为4.2mm；连接块71的长度Tw为1mm～0.25Ls之间，本实施例优选为9.5mm，连接块71的宽度Te≤0.5a，本实施例优选为7mm；馈电匹配块7中部的厚度Twh为1mm～0.8Th之间，本实施例优选为1.8mm；馈电匹配块7的中间底部设有向下凸起的馈电块72，馈电块72的长度Mw为2mm～0.5TL之间，本实施例优选为5mm，馈电块72的厚度Mh≤0.5b，本实施例优选为1.2mm；馈电块72连接着同轴连接器6，同轴连接器6的接线端伸至金属波导管1的底部外；同轴连接器6通过馈电匹配块7给金属波导管1进行馈电；作用在于增加单腔波导缝隙谐振天线工作的阻抗带宽。
本实施例16单元天线和传统16单元波导缝隙谐振天线驻波对比曲线和低频、中频、高频典型辐射方向图对比曲线参见图8至图11所示，可以看出在相同单元数、截止波长和子阵数的情况下，本发明在阻抗带宽和方向图带宽都比传统的波导缝隙谐振天线展宽了很多。
实施例2
参见图7，该8×16单元波导缝隙天线子阵由图1所示的16元线阵沿同一方向平移而成，即由八根宽带单腔波导缝隙谐振天线并联连接组成宽带单腔波导缝隙谐振天线阵。该发明实施例的中频典型方向图如图12所示。此子阵与T/R组件相连，辅以电源、波控和安转结构件等可以扩展成大型子阵级有源相控阵天线。
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，如对脊波导缝隙谐振天线，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 (5)

1.宽带单腔波导缝隙谐振天线，包括横截面为矩形的金属波导管，所述金属波导管的两端分别为第一短路端和第二短路端，金属波导管的宽边沿长度方向的中心线两侧均布交错排列设有辐射缝，其特征在于：所述金属波导管的宽边还均布设有两对以上的加载缝；每对加载缝以金属波导管长度方向的中心线对称，且分别位于金属波导管的宽边两侧的边缘；作用在于增强单腔波导缝隙谐振天线的工作带宽；
所述金属波导管内中部设有馈电匹配块；所述馈电匹配块为板条状，馈电匹配块两端的顶部分别设有向上凸起的连接块，通过两端的连接块馈电匹配块连接着金属波导管的内腔顶面；馈电匹配块的中间底部设有向下凸起的馈电块，馈电块连接着同轴连接器，同轴连接器的接线端伸至金属波导管的底部外；同轴连接器通过馈电匹配块给金属波导管进行馈电；作用在于增加单腔波导缝隙谐振天线工作的阻抗带宽。
2.根据权利要求1所述的宽带单腔波导缝隙谐振天线，其特征在于：所述金属波导管的顶面均布设有三对加载缝。
3.根据权利要求1或2所述的宽带单腔波导缝隙谐振天线，其特征在于：所述的辐射缝的缝长SL为0.5λ0，相邻辐射缝之间的间距Ls为0.5λg0，终端辐射缝距离波导终端端面的距离Lsh为0.25λg0，辐射缝的缝宽为2mm，其中λg0为中心频率波导波长；所述加载缝的缝长CSL为0.25λ0，加载缝的缝宽为2mm，其中λ0为中心频率自由空间波长；相邻加载缝之间的间距为相邻辐射缝之间的间距Ls的整数倍。
4.根据权利要求1所述的宽带单腔波导缝隙谐振天线，其特征在于：两根以上的宽带单腔波导缝隙谐振天线并联连接组成宽带单腔波导缝隙谐振天线阵。
5.根据权利要求4所述的宽带单腔波导缝隙谐振天线，其特征在于：八根宽带单腔波导缝隙谐振天线并联连接组成8×16单元宽带单腔波导缝隙谐振天线阵。
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