CN105490019B - 一种圆极化脊波导缝隙天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆极化脊波导缝隙天线包括：圆极化辐射器、扭极化腔、激励缝和脊波导，其中脊波导由金属脊与波导组成；金属脊位于波导的底面上，在波导的上表面上开有激励缝，用于将脊波导中的能量送入扭极化腔中；扭极化腔有两个口，一个口与激励缝相连接收由激励缝辐射的第一种极化状态的信号，另一个口与圆极化辐射器相连将改变了极化状态的信号辐射出去。本发明剖面低且效率高，结构紧凑，易于加工，可以作为共口径双圆极化天线或圆极化相控阵天线的组阵单元，适用于机载、星载等对重量和空间要求有限的场合。

Description

一种圆极化脊波导缝隙天线

技术领域

本发明涉及一种圆极化脊波导缝隙天线，可作为大型相控阵天线的组阵单元，属于波导缝隙天线技术领域。

背景技术

波导缝隙天线由于具有辐射效率高、结构紧凑、易于实现低副瓣、性能稳定可靠等诸多优点，在弹载、机载等雷达设备中获得了广泛应用。

波导缝隙天线中作为辐射元的缝隙其位置和取向是固定的，缝单元的辐射极化也因此而固定，所以一副波导缝隙天线通常只能提供一种极化。之前有在波导表面开十字缝形成圆极化行波波导缝隙天线，这种天线波束指向随频率偏移，在很多场合难以应用。近来，人们对波导结构的圆极化天线做了深入研究，提出单个缝隙上加极化波导实现圆极化的设计，极化波导的形式有四脊方波导腔和六边形波导腔等，这两种极化波导的工作原理都是在波导内激励TE10和TE01两种模式，通过改变不对称性使这两种模式具有不同的传播相速，通过调节极化波导的高度使两种模式分量在辐射口面上幅度相等、相位相差90度，从而实现圆极化辐射。这类圆极化天线高度通常很高，不适用于空间有限的场合。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的上述不足，提供一种圆极化脊波导缝隙天线，本发明剖面低且效率高，结构紧凑，易于加工，可以作为共口径双圆极化天线或相控阵天线的组阵单元。

本发明的技术解决方案是：

一种圆极化脊波导缝隙天线包括：圆极化辐射器、扭极化腔、激励缝和脊波导，其中脊波导由金属脊与波导组成；

金属脊位于波导的底面上，在波导的上表面上开有激励缝，用于将脊波导中的能量送入扭极化腔中；扭极化腔有两个口，一个口与激励缝相连接收由激励缝辐射的第一种极化状态的信号，另一个口与圆极化辐射器相连将改变了极化状态的信号辐射出去。

圆极化辐射器、扭极化腔、激励缝一一对应，圆极化辐射器与扭极化腔的几何中心与脊波导的中心线在同一平面上。

圆极化辐射器选用以下形式中的任意一种形式均可：双脊或四脊波导口、十字缝，通过调节脊波导口或十字缝的不对称性实现圆极化辐射。

扭极化腔的腔体形状是正方形或圆形，其口径大小主要由圆极化辐射器的口径决定，扭极化腔的外轮廓要大于圆极化辐射器的外轮廓。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明对圆极化波导天线进行了创新性设计，将圆极化微带天线理论引入波导天线设计中，在国内外属于首创，通过改变波导腔体结构的不对称性，激励出两种幅度相等、相位差90度的模式，他们在空间合成圆极化辐射。

(2)引入扭极化腔，使整个天线与现有圆极化波导天线相比，在不损失轴比带宽等电性能的条件下，剖面高度降低约一半，适用于机载、星载等对重量和空间要求有限的场合，另外加工难度与现有圆极化波导天线相比也得到大幅度降低，加工时间减少约一半，在该技术领域，填补了国内外空白。

(3)本发明圆极化脊波导缝隙天线所用圆极化器可以是双脊或四脊波导口，也可以是十字缝形式，通过改变圆极化器的不对称性来实现圆极化辐射，对应的扭极化腔可以是方形或圆形，结构简单，形式多样，可以根据具体需要来选择，本发明通用性强，易于实现，工程应用性大大增强，同时极大地降低了成本。

(4)本发明圆极化脊波导缝隙天线在脊波导的基础上进行圆极化设计，结构紧凑，可以作为共口径双圆极化天线或圆极化相控阵天线的组阵单元，本发明可以应用在多种应用场合，填补了该领域国内外工程应用领域的空白。

附图说明

图1为本发明圆极化脊波导缝隙天线结构示意图；

图2为本发明圆极化脊波导缝隙天线顶视图；

图3为本发明圆极化脊波导缝隙天线剖面图；

图4为本发明圆极化脊波导缝隙天线纵向剖面图；

图5为本发明圆极化脊波导缝隙天线十字缝圆极化辐射器结构示意图；

图6为本发明圆极化脊波导缝隙天线脊波导口圆极化辐射器结构示意图；

图7为本发明圆极化脊波导缝隙天线脊波导口圆极化辐射器结构俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示，本发明包括圆极化辐射器1、扭极化腔2、激励缝3和脊波导4，其中脊波导由金属脊41与波导42组成；

金属脊41位于波导42的底面上，在波导42的上表面上开有激励缝3，用于将脊波导4中的能量送入扭极化腔2中；扭极化腔2有两个口，一个口与激励缝3相连接收由激励缝3辐射的第一种极化状态的信号，另一个口与圆极化辐射器1相连将改变了极化状态的信号辐射出去。

如图2所示为本发明圆极化脊波导缝隙天线的顶视图，由图可知本发明圆极化脊波导缝隙天线中，圆极化辐射器1、扭极化腔2、激励缝3一一对应，圆极化辐射器1与扭极化腔2的几何中心与脊波导的中心线在同一平面内。

如图3所示为本发明圆极化脊波导缝隙天线剖面图，扭极化腔2置于激励缝3和圆极化辐射器1之间，将信号从第一种极化状态转移到第二种极化状态，同时还在两者之间起阻抗匹配的作用，使信号有效地传输。扭极化腔2可以看作是传输线的一个过渡部分，有效地将信号从激励缝3送到圆极化辐射器1。扭极化腔2的厚度很小，不大于0.1个波长，因此扭极化腔2对整个阵列的厚度和重量影响都不大。扭极化腔2的形状可以是正方形或圆形，由圆极化辐射器1的形状决定；扭极化腔2的大小也主要由圆极化辐射器1的大小决定，扭极化腔2的外轮廓要大于圆极化辐射器1的外轮廓。根据天线尺寸和扫描角度等确定组阵间距。由垂直于波导方向的组阵间距确定脊波导宽边的尺寸，脊波导4窄边尺寸约为宽边长度的一半。调节脊的尺寸使脊波导工作在需要的频率下。脊波导4的尺寸确定后就可以得到脊波导4的波导波长，从而确定沿波导方向的组阵间距，即半个波导波长。在脊波导4宽边上没有金属脊41的位置开激励缝3，激励缝3的初始尺寸约为半个工作波长，如图4所示。每根脊波导4上的口径分布主要由激励缝3的缝长和偏移(缝隙中心线偏离波导中心线的距离)共同决定，固定缝隙偏移，调节缝长使缝隙处与谐振状态，即缝隙的等效电导最大、等效电纳为零。改变缝隙偏移，重复上述步骤就可以得到缝隙参数与等效电导的对应关系。然后由需要的口径分布计算出每个单元对应的等效电导值，根据关系就可以推出对应的缝隙参数。由于激励缝3上方的圆极化辐射器1和扭极化腔2会对它的等效谐振电导值产生影响，因此上述过程要将激励缝3和圆极化辐射器1以及扭极化腔2作为一体来考虑。由于缝隙长度和等效电导的关系的获得不可能完全考虑到缝隙的实际辐射环境，因此理论计算得到的缝隙参数与实际有一定差别，因此还要在阵列中对缝隙参数进行微调以实现需要的口径分布。

如图5所示为本发明圆极化脊波导缝隙天线十字缝圆极化辐射器结构。不论是脊波导口形式或十字缝形式的圆极化辐射器，它们的剖面高度都可以很低，一般取1mm即可，保证不变形，加工方便。圆极化辐射不是由它们的高度决定，而是通过调节脊波导口或十字缝的不对称性来实现，即通过调节参数ra1、rax1、ra2、rax2来激励起两种幅度相等、相位相差90度的模式。另外，本发明的辐射器结构也可以采用如图7所示的结构，图7为本发明圆极化脊波导缝隙天线脊波导口圆极化辐射器结构，四脊波导口也可以实现同样的功能，但从机械加工的角度考虑，双脊波导口比四脊波导口实现起来要节约近一倍的时间，若采用图7所示的辐射器结构，那么天线整体结构如图6所示。

本发明圆极化脊波导缝隙天线的原理如下：

在脊波导的宽边上开缝，切断波导表面电流，因而向外辐射能量。脊波导上开缝只能产生极化方向与缝隙窄边方向一致的线极化波。而扭极化腔将这种极化打乱，再通过圆极化辐射器产生圆极化波辐射出去。圆极化辐射器是基于空腔模型理论，主要是通过改变其结构的不对称性，激励出两种幅度相等、相位相差90度的模式，它们在空间合成就形成圆极化辐射。

本发明设计的圆极化脊波导缝隙天线，提出了一种圆极化脊波导缝隙天线的新形式，剖面低且效率高，结构紧凑，易于加工，可以作为共口径双圆极化天线或圆极化相控阵天线的组阵单元。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (4)

1.一种圆极化脊波导缝隙天线，其特征在于包括：圆极化辐射器(1)、扭极化腔(2)、激励缝(3)和脊波导(4)，其中脊波导由金属脊(41)与波导(42)组成；

金属脊(41)位于波导(42)的底面上，在波导(42)的上表面上开有激励缝(3)，用于将脊波导(4)中的能量送入扭极化腔(2)中；扭极化腔(2)有两个口，一个口与激励缝(3)相连接收由激励缝(3)辐射的第一种极化状态的信号，另一个口与圆极化辐射器(1)相连将改变了极化状态的信号辐射出去。

2.根据权利要求1所述的一种圆极化脊波导缝隙天线，其特征在于：所述圆极化辐射器(1)、扭极化腔(2)、激励缝(3)一一对应，圆极化辐射器(1)与扭极化腔(2)的几何中心与脊波导(4)的中心线在同一平面上。

3.根据权利要求1所述的一种圆极化脊波导缝隙天线，其特征在于：所述圆极化辐射器(1)选用以下形式中的任意一种形式均可：双脊或四脊波导口、十字缝，通过调节脊波导口或十字缝的不对称性实现圆极化辐射。

4.根据权利要求1所述的一种圆极化脊波导缝隙天线，其特征在于：所述扭极化腔(2)的腔体形状是正方形或圆形，其口径大小由圆极化辐射器(1)的口径决定，扭极化腔(2)的外轮廓要大于圆极化辐射器(1)的外轮廓。