CN110504530B - 能实现一维大角度波束扫描的波导终端开缝天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了能实现一维大角度波束扫描的波导终端开缝天线阵列，包括如下步骤：本天线阵列采用子阵化设计思想，以波导终端开缝结构作为基本辐射单元，天线的馈电网络根据需求，利用T型功分器和π型功分器设计成包括串联、并联，串联和并联在内的不同的馈电网络方式，以1*8单元天线子阵为基础进行周期性排列，每根天线子阵由一个输入端口控制，1*8单元天线子阵由下层的馈电网络和上层的辐射波导、辐射缝组成，下层馈电网络设有一个T型功分器和四个π型功分器构成，每个π型功分器向上连接两个辐射波导。通过在波导终端进行开缝，实现波导缝隙天线阵固有高效率同时，有效减少阵元间间距，实现天线大角度扫描以及缩小天线阵的尺寸。

Description

能实现一维大角度波束扫描的波导终端开缝天线阵列

技术领域

本发明涉及波导缝隙天线技术领域，具体为能实现一维大角度波束扫描的波导终端开缝天线阵列。

背景技术

波导缝隙天线具有结构紧凑，功率容量大，口径效率高等特点，相比较其他天线类型，在卫星通信、航空航天方面有着不可替代的优势。它是在波导壁上按一定规律开细长的裂缝，通过切断波导壁上的电流通路，使缝隙受到激励，波导中传输的电磁波通过缝隙向自由空间中辐射而形成的口径天线。

为了提高天线阵的波束扫描范围，需要减少天线单元间的间距来消除大角度扫描时方向图的栅瓣。

对于传统的矩形波导宽边开缝天线，受限于波导宽边的长度，两个天线缝隙之间的距离往往会在0.7倍波长的数量级上，过大的阵元间距会导致天线在大角度扫描的情况下出现栅瓣，为了减小阵元间距，在低频段时，往往会通过波导加脊的方法来降低波导宽边尺寸，从而能够使天线阵达到更小的阵元间距。

矩形波导窄边开缝一般有两种方式，是开倾斜缝隙、另是开纵向缝隙，对于波导窄边开斜缝天线阵，由于缝隙倾斜会引起较高的交叉极化电平,通常要在阵面上采用缝隙倒置法等相应的抑制措施。并且当天线扫描角较大时,采用相邻波导缝隙倒置法其交叉极化瓣仍在实空间出现,这就需要多种方法结合来克服这一缺点。当开纵向缝隙时，由于波导壁电流的特性，阵元间距固定为一个波导波长，在进行天线阵相位扫描时，由于阵元间距过大，会出现栅瓣问题。应对阵元间距过大的的问题，可以通过将一对切角矩形金属膜片置于波导窄边缝隙的两边，来实现波导窄边非倾斜缝隙的设计，并实现了0.5倍波导波长的阵元间距，具体的设计思路请见文献【汪伟,金剑,钟顺时.宽频带膜片激励波导窄边非倾斜缝隙阵天线[J].微波学报,2005,21(05):30-33+45】。

波导缝隙天线加工有许多方法，可以采用线切割或者数控机床技术对天线结构进行切割，再用真空钎焊或者扩散焊技术对天线进行整体的焊接。但因为目前加工精度的问题，钻头的尺寸一般在0.5mm，一旦涉及到高频段的波导缝隙天线阵，对天线的整体结构有着很高的要求。另外，对于波导窄边开斜缝或者横缝的天线阵来说，受限于波导窄边的宽度，辐射缝隙需要跨接于波导窄边和宽边之间,这种结构一般适用于低频单列天线阵，如要组成高频段大规模天线阵，很难对其进行加工。而对于采用在脊波导宽边开缝的天线，在高频段，波导上的脊会变得非常的薄，对加工精度和材料的强度有着极为苛刻的要求。

波导缝隙天线阵的馈电网络往往分为并联馈电，串联馈电以及串并联馈电三种。利用并联馈电网络，在任何频率下的电磁波从天线阵馈电端口到达每一个天线辐射缝的行程是一样的，有利于提升整个天线阵的带宽，但同时造成了整个天线阵馈电网络的高度变高，设计的复杂也进一步上升。而串联馈电网络则结构简单，在中心频率下，电磁波从天线阵馈电端口到达每一个天线辐射缝的行程是相差n倍的波导波长(n为正整数)，不利于设计成宽频带天线阵。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了能实现一维大角度波束扫描的波导终端开缝天线阵列，解决了背景技术的部分技术问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：能实现一维大角度波束扫描的波导终端开缝天线阵列，其特征在于,包括如下步骤：一维大角度波束扫描的波导终端开缝天线阵列采用子阵化设计思想，以波导终端开缝结构作为基本辐射单元，天线的馈电网络根据需求，利用T型功分器和π型功分器设计成包括串联、并联，串联和并联在内的不同的馈电网络方式，以1*8单元天线子阵为基础进行周期性排列，每根天线子阵由一个输入端口控制，1*8单元天线子阵由下层的馈电网络和上层的辐射波导、辐射缝组成，所述下层的馈电网络设有一个T型功分器和四个π型功分器构成，每个π型功分器向上连接两个辐射波导，在每一个辐射波导的终端开设一个垂直于波导轴线的辐射缝隙，从而与外界相连，入射电磁波从输入端依次经过T型功分器、π型功分器、辐射波导、辐射缝隙，最终辐射到空间。在选用8×8阵元结构且满足天线旁瓣不高于-10dB的情况下，天线阵的波束扫描范围可达到±65度，天线增益不低于21dB。

优选的，通过在每一个辐射波导的终端开设一个垂直于波导轴线的辐射缝隙的方式，天线阵波束扫描维度方向天线单元间的阵元间距为“波导窄边长度加上相邻辐射波导壁之间的间距”，在满足加工要求前提下，使得天线阵元间距小于0.5倍波长，消除了天线在大角度扫描时的栅瓣问题，不仅改善了天线的一维扫描特性，也缩小了天线的整体尺寸。

优选的，天线能够实现低于0.5倍波长对的阵元间距，相比较波导窄边开缝和宽边脊波导开缝形式的波导缝隙天线。

优选的，该馈电网络有很强的设计自由度，天线阵列包括馈电网络均采用子阵化设计思想，采用波导边缘馈电方式，通过串联n个π型功分器，两个π型功分器之间的行程相差一个波导波长，有以下三种设计方法：

方法1：设计成1*2n单元天线子阵(n为正整数倍)；

方法2：在T型功分器的每一个分路端口上只连接一个π型功分器，通过增加T型功分器的数量来设计成并联馈电网络，能够实现1*2^n单元天线子阵(n为正整数)；

方法3：设计成串并联馈电网络结构，具体为每根1*8单元天线子阵运用了T型功分器与π型功分器相组合的串并联馈电网络结构，在T型功分器的每一个分路端口上串联两个π型功分器，同一个分路端口上的两个π型功分器之间的行程相差一个波导波长。每个π型功分器向上连接两个辐射波导，完成馈电。

优选的，天线能够实现低于0.5倍波长对的阵元间距，同时易于高频段加工；相比较波导窄边开缝和宽边脊波导开缝形式的波导缝隙天线，即使在W波段下，仍可利用真空钎焊或者扩散焊技术，对天线阵列进行加工。

一维大角度波束扫描的波导缝隙天线阵列设计方法如下：

1)设计单根波导终端开缝天线，在矩形波导终端垂直波导轴线进行开缝，考虑到扫描角度的阵元间距，我们在设计之初就尽可能的减小了辐射波导的窄边长度b，通过对辐射缝的优化，使天线单元的回波损耗达到最优。

2)设计1*8天线子阵，本例采用串并联馈电网络，从馈电端口出发向上为一个T型功分器，对能量进行等功分，在T型功分器每一个分路端口上串联两个π型功分器，同一个分路端口上的两个π型功分器之间的行程相差一个波导波长。每个π型功分器向上连接两个辐射波导，在每个辐射波导终端开设一个辐射缝隙。

3)设计8*8波导缝隙天线阵，以1*8天线阵为基本结构，为了避免在扫描维度方向出现栅瓣，阵元间距因低于0.5倍波长，但是，过窄的阵元间距会造成天线单元间耦合的增加，会对天线的旁瓣电平产生影响，通过优化，在本例中，最终确定以间隔0.46倍波长的间距扩展出8*8天线阵列，由于每个1*8天线阵底部有一个馈电端口，整个8*8天线阵有8个馈电端口，通过控制输入电磁波的相位，即可对整个天线阵进行波束扫描。

有益效果

本发明的结构紧凑，便于加工。通过在波导终端进行开缝，在实现波导缝隙天线阵固有的高效率的同时，有效缩小天线阵的尺寸。在波束扫描方向上采用了0.46倍波长的阵元间距，有效的避免了大角度扫描时栅瓣的产生，使天线在旁瓣不高于-10dB的情况下，达到了±65度的扫描范围。

附图说明

图1是本发明的一维大角度波束扫描的波导缝隙天线阵列三维立体图；

图2是本发明的一维大角度波束扫描的波导缝隙天线阵列俯视图；

图3是本发明的一维大角度波束扫描的波导缝隙天线阵列侧视图；

图4是本发明的一维大角度波束扫描的波导缝隙天线阵列的单元子阵模块；

图5是本发明的一维大角度波束扫描的波导缝隙天线阵列的单元子阵模块S11结果；

图6是本发明的一维大角度波束扫描的波导缝隙天线阵列的1*8子阵S11结果；

图7是本发明的一维大角度波束扫描的波导缝隙天线阵列的不同扫描角度E面方向图对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例为能实现一维大角度相位扫描的波导终端开缝天线阵，选用8×8阵元结构，该阵列天线工作在W波段，采用中心频率为93GHz。

参见图1～7，该8×8阵列天线以1*8单元天线子阵为基础，以0.46倍波长为间距进行周期性排列。每根1*8单元天线子阵由一个输入端口控制，由下层的串联馈电网络(T型功分器1，π型功分器2、5)和上层的辐射波导3组成，辐射波导3上接辐射缝隙4。入射电磁波从馈电端口依次经过T型功分器1、π型功分器2、辐射波导3、辐射缝隙4，最终辐射到空间。

在本实施例中，基于波导终端开缝的思想，使用HFSS仿真软件对该波导缝隙阵列天线进行设计和仿真分析，具体设计步骤如下：

1)、辐射缝隙单元设计，参见图4，本实施例中辐射波导的宽边长为2.1mm(a)，窄边长为0.9mm(b)，在辐射波导的终端垂直波导轴线方向开辐射缝隙，当辐射缝长度为0.64mm(a_1),宽为1.75mm(b_1)，厚度为0.4mm(h)时，天线辐射单元模块的回波损耗S11达到最佳，天线的单元方向图最为理想，具体请参见图5。

2)、1*8单元天线阵子阵设计，参见图3，图中天线各单元间的阵元间距为2.6mm。天线阵子阵采用串联馈电网络，最底层应用T型功分器1，在T型功分器1每一个分路端口上串联一个传统的π型功分器2和一个终端短路π型功分器5，与π型功分器相连的馈电波导的宽边长为2mm(h_4)从T型功分器1分路端口出来的能量经过传统的π型功分器时，一半的能量通过宽1.51mm(w_2)的窗口向辐射波导传输，另一半能量则到达终端短路π型功分器,通过宽1.6mm(w_1)的窗口向辐射波导传输，所有π型功分器窗口的高度均为0.5mm(h_3),为了抑制电磁波通过窗口产生的反射，每一个π型功分器窗口下方都***了金属膜片，金属膜片的宽度都为0.5mm，终端短路π型功分器对应的膜片深度为0.6mm(h_1)，而传统的π型功分器对应的膜片深度为0.65mm(h_2)。同一个T型功分器分路端口上的两个π型功分器之间的行程相差一个93GHZ电磁波在该波导内传播的波导波长。每个π型功分器向上连接两个辐射波导，完成馈电。HFSS仿真软件下的S11仿真结果参见图6，天线阵在90GHZ—96GHZ全频段，回波损耗均在-16dB以下。

3)、设计8*8波导缝隙天线阵，以1*8天线阵为基本结构，以间隔0.46倍波长的间距扩展出8*8天线阵列，由于每个1*8天线阵底部有一个馈电端口，整个8*8天线阵有8个馈电端口，通过控制输入电磁波的相位，即可对整个天线阵进行相位扫描。HFSS仿真软件下的天线阵E面方向图波束扫描结果参见图7。在天线旁瓣不高于-10dB的情况下，天线阵的相位扫描范围可达到±65度，天线增益不低于21dB。

本发明这种实施方式能实现波导终端开缝天线进行一维大角度的相位扫描，具有大规模组阵能力，且在真空工作环境中具有较高的功率容量，能满足高功率微波辐射要求。此外本发明结构紧凑，天线安装所需空间面积小，具有极高的应用价值。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.能实现一维大角度波束扫描的波导终端开缝天线阵列，其特征在于,包括如下步骤：一维大角度波束扫描的波导终端开缝天线阵列采用子阵化设计思想，以波导终端开缝结构作为基本辐射单元，天线的馈电网络根据需求，利用T型功分器和π型功分器设计成包括串联、并联，串联和并联在内的不同的馈电网络方式，以1*8单元天线子阵为基础进行周期性排列，每根天线子阵由一个输入端口控制，1*8单元天线子阵由下层的馈电网络和上层的辐射波导、辐射缝组成，所述下层的馈电网络设有一个T型功分器和四个π型功分器构成，每个π型功分器向上连接两个辐射波导，在每一个辐射波导的终端开设一个垂直于波导轴线的辐射缝隙，从而与外界相连，入射电磁波从输入端依次经过T型功分器、π型功分器、辐射波导、辐射缝隙，最终辐射到空间；

基于波导终端开缝的思想，使用HFSS仿真软件对该波导缝隙阵列天线进行设计和仿真分析，具体设计步骤如下：

1)、辐射缝隙单元设计，辐射波导的宽边长为2.1mm(a)，窄边长为0.9mm(b)，在辐射波导的终端垂直波导轴线方向开辐射缝隙，当辐射缝长度为0.64mm(a_1),宽为1.75mm(b_1)，厚度为0.4mm(h)；

2)、1*8单元天线阵子阵设计，天线各单元间的阵元间距为2.6mm，天线阵子阵采用串联馈电网络，最底层应用T型功分器1，在T型功分器1每一个分路端口上串联一个传统的π型功分器2和一个终端短路π型功分器5，与π型功分器相连的馈电波导的宽边长为2mm(h_4)，从T型功分器1分路端口出来的能量经过传统的π型功分器时，一半的能量通过宽1.51mm(w_2)的窗口向辐射波导传输，另一半能量则到达终端短路π型功分器,通过宽1.6mm(w_1)的窗口向辐射波导传输，所有π型功分器窗口的高度均为0.5mm(h_3),为了抑制电磁波通过窗口产生的反射，每一个π型功分器窗口下方都***了金属膜片，金属膜片的宽度都为0.5mm，终端短路π型功分器对应的膜片深度为0.6mm(h_1)，同一个T型功分器分路端口上的两个π型功分器之间的行程相差一个93GHZ电磁波在该波导内传播的波导波长，每个π型功分器向上连接两个辐射波导，完成馈电，天线阵在90GHZ—96GHZ全频段，回波损耗均在-16dB以下；

3)、设计8*8波导缝隙天线阵，以1*8天线阵为基本结构，以间隔0.46倍波长的间距扩展出8*8天线阵列，由于每个1*8天线阵底部有一个馈电端口，整个8*8天线阵有8个馈电端口，通过控制输入电磁波的相位，对整个天线阵进行相位扫描，在天线旁瓣不高于-10dB的情况下，天线阵的相位扫描范围达到±65度，天线增益不低于21dB。

2.根据权利要求书1所述的能实现一维大角度波束扫描的波导终端开缝天线阵列，其特征在于，通过在每一个辐射波导的终端开设一个垂直于波导轴线的辐射缝隙的方式，天线阵波束扫描维度方向天线单元间的阵元间距为“波导窄边长度加上相邻辐射波导壁之间的间距”，在满足加工要求前提下，使得天线阵元间距小于0.5倍波长，消除了天线在大角度扫描时的栅瓣问题，不仅改善了天线的一维扫描特性，也缩小了天线的整体尺寸。

3.根据权利要求书1所述的能实现一维大角度波束扫描的波导终端开缝天线阵列，其特征在于，天线阵列包括馈电网络均采用子阵化设计思想，采用波导边缘馈电方式，通过串联n个π型功分器，两个π型功分器之间的行程相差一个波导波长，有以下三种设计方法：

方法1：设计成1*2n单元天线子阵(n为正整数倍)；

方法2：在T型功分器的每一个分路端口上只连接一个π型功分器，通过增加T型功分器的数量来设计成并联馈电网络，能够实现1*2^n单元天线子阵(n为正整数)；

方法3：设计成串并联馈电网络结构，具体为每根1*8单元天线子阵运用了T型功分器与π型功分器相组合的串并联馈电网络结构，在T型功分器的每一个分路端口上串联两个π型功分器，同一个分路端口上的两个π型功分器之间的行程相差一个波导波长；每个π型功分器向上连接两个辐射波导，完成馈电。

4.根据权利要求书1所述的能实现一维大角度波束扫描的波导终端开缝天线阵列，其特征在于，天线能够实现低于0.5倍波长对的阵元间距，相比较波导窄边开缝和宽边脊波导开缝形式的波导缝隙天线。

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