CN110504547B - 一种有限带宽内大扫描角的串馈波导缝隙频率扫描天线 - Google Patents

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Abstract

一种有限带宽内大扫描角的串馈波导缝隙频率扫描天线，包括波导慢波结构、缝隙板和喇叭结构，所述的波导慢波结构由直线波导段和连接直线波导段的弯头组成，该弯头为180°弯头，弯头设有不同的倒角；喇叭结构由喇叭口和隔板组成，该喇叭口之间设置有与N个缝隙相对应的N+1个隔板，每个隔板分别位于缝隙板中相邻缝隙中心的上方，且与喇叭口构成一体；能量从波导慢波结构的一端输入，通过喇叭结构辐射向自由空间，另一端连接匹配负载。通过对波导慢波结构、喇叭结构的优化减小了损耗。工作频段为15.7GHz～17.2GHz，方位扫描角可达到‑65°～45°。本发明可通过结构参数的缩放，适用于微波和毫米波等不同波段。

Description

一种有限带宽内大扫描角的串馈波导缝隙频率扫描天线
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体涉及波导缝隙天线技术领域中的一种有限带宽内大扫描角的串馈波导缝隙频率扫描天线，可用于雷达卫星等无线通信领域。
背景技术
对于雷达天线波瓣能作快速而灵活扫描的要求，仅靠天线的机械运动是无法实现的，于是人们就在雷达领域中引入电扫描天线技术。目前天线电扫描技术主要有以下几种:相位扫描、频率扫描、时延扫描和电子馈电开关扫描等。其中应用较多的是相位扫描和频率扫描。直接利用移相器控制天线阵中各个单元的馈电相位实现波束扫描，构成通常的相控阵天线。相控阵单元数比较多时，整体***比较复杂，且制造成本昂贵。通过改变天线的工作频率来改变天线单元间的相位关系，也可实现波瓣指向的改变，即构成频率扫描天线。
频率扫描天线通常为波导缝隙或微带贴片组成的直线阵或面阵结构。波导缝隙天线通过在波导上开缝使能量辐射出去，可分为行波型缝隙阵和驻波型缝隙阵。驻波型缝隙阵在工作频率改变时，性能急剧下降，不能用作频扫天线。行波型缝隙阵在工作频率改变时，各缝隙辐射波间存在相位差，天线阵列等相位面发生变化，因此通过改变频率就可以调节天线波束指向。但是，上述天线在窄频带内波束扫描角度较小，无法实现天线在窄频带内的宽角度波束扫描。并且在天线阵元数较多时，反射波在中心频点同相叠加，中心频点处损耗巨大导致天线不可用。
例如，安徽耀峰雷达科技有限公司在其申请的名称为“有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列”(申请号：CN201811256266.7，公开号：CN109193152A)的专利中提出了一种频率扫描天线，该频扫阵列由若干个平行子阵构成，包括双层微带贴片阵列、金属地板、E面弯波导、波导缝隙与微带线电磁耦合馈电结构、波导功分器、180°弯头。通过采用若干个平行子阵列，将窄边缝隙耦合的波导慢波线结构作为馈线，通过混合耦合馈电结构应用于阵列中。在所需工作带宽内扫描角度为-30.5°～29.5°。扫描范围小，而且馈电结构复杂。
例如，南京理工大学在其申请的名称为“一种基于标准矩形波导的大角度混合馈电频率扫描天线”(申请号：CN201711328624.6，公开号：CN108155462A)的专利中提出了一种频率扫描天线，该频扫天线包括从上至下依次设置的标准矩形波导慢波线、下层微带、中间泡沫层和上层微带，标准矩形波导慢波线包括直线波导段和连接直线波导段的弯头，在直线波导段中心位置设置裂缝。该天线主波束扫描角范围为-46.3°～45.5°。该天线采用微带层、泡沫层、介质板来实现波导缝隙天线的大角度扫描，结构比较复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种有限带宽内大扫描角的串馈波导缝隙频率扫描天线，用于解决频扫天线扫描角度小和结构复杂的技术问题。
为实现上述目的，一种有限带宽内大扫描角的串馈波导缝隙频率扫描天线，包括波导慢波结构、缝隙板和喇叭结构，所述的波导慢波结构由直线波导段和连接直线波导段的弯头组成，该弯头为180°弯头，弯头设有不同的倒角；所述的缝隙板覆盖于波导慢波结构的上方，且与直线波导段中心相对应的位置设置有N个缝隙，所述的喇叭结构由喇叭口和隔板组成，该喇叭口之间设置有与N个缝隙相对应的N+1个隔板，每个隔板分别位于缝隙板中相邻缝隙中心的上方，且与喇叭口构成一体；所述的喇叭结构关于Z轴对称分布。
进一步，所述的隔板的高度表示为h1，厚度表示为hou，其中，h1为49.5mm～50.5mm，hou为2.5mm～2.7mm。
进一步，所述的连接直线波导段的弯头的倒角半径随缝隙偏转角度的变化而改变，倒角半径表示为R，其中，R为7.3mm～7.85mm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用的喇叭结构由喇叭口和隔板组成，该喇叭口之间设置有与N个缝隙相对应的N+1个隔板，每个隔板分别位于缝隙板中相邻缝隙中心的上方，且与喇叭口构成一体；仅利用喇叭结构弥补了慢波结构波导缝隙频扫天线的不足，克服了现有技术中波导缝隙频扫天线结构复杂的技术问题，采用串馈方式，馈电结构简单。
2、本发明采用的喇叭结构由喇叭口和隔板组成，该喇叭口之间设置有与N个缝隙相对应的N+1个隔板，隔板分别位于缝隙板中相邻缝隙中心的上方，且与喇叭口构成一体，减小了缝隙单元间互耦，使天线电参数在整个频段内保持平滑，实现了相对带宽有限条件下的宽角度扫描。
3、本发明通过对连接直线波导段弯头的倒角半径进行优化，针对不同的缝隙偏转角度使用不同倒角半径的弯头，减小了天线在中心频点处的回波损耗，降低了天线在中心频点处的驻波比。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的波导慢波结构示意图；
图3是本发明的喇叭结构俯视图；
图4是本发明的喇叭结构主视图；
图5是本发明的回波损耗S11仿真结果图；
图6是本发明的驻波比VSWR仿真结果图；
图7是本发明的辐射效率仿真结果图；
图8是本发明在15.7GHz、16.5GHz和17.2GHz频点的E面方向图；
图9是本发明在16.5GHz频点的H面方向图；
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细描述
实施例1
参照图1、图2、图3和图4
一种有限带宽内大扫描角的串馈波导缝隙频率扫描天线，包括波导慢波结构1、缝隙板2和喇叭结构3，所述的波导慢波结构1由直线波导段1.1和连接直线波导段的弯头1.2组成，该弯头1.2为180°弯头，弯头设有不同的倒角；所述的缝隙板2覆盖于矩形慢波结构1的上方，且与直线波导段1.1中心相对应的位置设置有N个缝隙，所述的喇叭结构3由喇叭口3.1和隔板3.2组成，该喇叭口3.1之间设置有N+1个隔板3.2，每个隔板3.2分别位于缝隙板2中相邻缝隙中心的上方，所述的喇叭口3.1与隔板3.2构成一体；所述的喇叭结构3关于Z轴对称分布。
在波导缝隙频率扫描天线中，一般使用慢波结构来实现大角度扫描，但是在慢波结构频率扫描天线设计中，带宽、扫描角和损耗三者是一个互相制约的关系。带宽越窄，要实现宽角度的扫描，则所使用的慢波线就要长，相应的损耗就会增加。
本发明天线采用泰勒加权。利用缝隙偏转角度不同会导致辐射效率不同，通过调节各缝隙偏转角度使各缝隙辐射效率服从泰勒分布。缝隙偏转角度不同，通过相同倒角半径的180°弯头的回波损耗也不同。由于波导缝隙频扫天线的反射波在中心频点处同相叠加，中心频点处的回波损耗很大，效率很低，天线无法使用，因此，针对不同缝隙偏转角度调整180°弯头的倒角半径，可以减小天线在中心频点处的回波损耗。
天线辐射场由各缝隙单元辐射场合成形成，相邻缝隙单元互相耦合，会导致天线性能下降，改变频率时，甚至会导致天线不可用。通过在喇叭中添加隔板，可以减小各缝隙单元间的互耦，降低频率改变对天线驻波比带来的影响，使天线驻波比在整个频段内更加平滑，在全频段可用。
所述的隔板3.2的高度表示为h1，厚度表示为hou，其中，h1为49.5mm～50.5mm，hou为2.5mm～2.7mm。本发明中h1优选为49.7mm，hou优选为2.6mm。
所述的连接直线波导段的弯头1.2的倒角半径随缝隙偏转角度的变化而改变，半径表示为R，其中，R为7.3mm～7.85mm。本发明中R优选为7.7mm。
实施例2
所述的隔板3.2的高度表示为h1，厚度表示为hou，其中，h1为49.5mm～50.5mm，hou为2.5mm～2.7mm。本发明中h1为49.5mm，hou优选为2.5mm。
所述的连接直线波导段的弯头1.2的倒角半径随缝隙偏转角度的变化而改变，半径表示为R，其中，R为7.3mm～7.85mm。本发明中R为7.3mm。
实施例3
所述的隔板3.2的高度表示为h1，厚度表示为hou，其中，h1为49.5mm～50mm，hou为2.5mm～2.7mm。本发明中h1为50mm，hou优选为2.7mm。
所述的连接直线波导段的弯头1.2的倒角半径随缝隙偏转角度的变化而改变，半径表示为R，其中，R为7.3mm～7.85mm。本发明中R为7.85mm。
以下结合仿真实验对本发明作进一步详细描述
参照图5、图6、图7、图8和图9
仿真内容及分析：
利用商业电磁仿真软件CST MICROWAVE STUDIO 2019对上述实施例在15.7GHz～17.2GHz范围内仿真计算。
图5为本发明的回波损耗S11仿真结果图。如图所示，横坐标为频率，单位为GHz，纵坐标为回波损耗，单位为dB；在全频段内回波损耗S11<-10dB，性能良好，中心频点处回波损耗S11最大，为-10dB。
图6为本发明的驻波比VSWR仿真结果图。如图所示，横坐标为频率，单位为GHz，纵坐标为驻波比；在全频段内驻波比VSWR<2。除中心频点处驻波比达到1.9外，其余各频点处驻波比均小于1.5，性能良好。
图7为本发明的辐射效率仿真结果图。如图所示，横坐标为频率，单位为GHz，纵坐标为辐射效率，单位为dB；由于中心频点处损耗较高导致辐射效率低于其他频点，但相差不超过1dB；除中心频点外其他频点辐射效率相差不超过0.4dB，曲线较为平稳，保证了天线在全频段可正常使用。
图8为本发明在15.7GHz、16.5GHz和17.2GHz频点的E面方向仿真图。横坐标为角度，单位为度，纵坐标为增益，单位为dBi；
如图8(a)所示，在15.7GHz，天线波束指向-63.3°，3dB波束宽度为4.5°，副瓣电平为-23.5dB，增益为26.4dBi；
如图8(b)所示，在16.5GHz，天线波束指向0.8°，3dB波束宽度为2.4°，副瓣电平为-22.1dB，增益为30dBi；
如图8(c)所示，在17.2GHz，天线波束指向46.3°，3dB波束宽度为4°，副瓣电平为-28.2dB，增益为29dBi。
图9为本发明在16.5GHz频点的H面方向仿真图。如图所示，横坐标为角度，单位为度，纵坐标为增益，单位为dBi；3dB波束宽度为11.6°，副瓣电平为-21.7dB，增益为30dBi。俯仰维的波束宽度约为10°左右。
可知，本发明设计天线，工作频段为15.7～17.2GHz，水平扫描角可达110°，3dB波束宽度在频带中心为2.5°，在频带两端为4.5°，副瓣电平＜-20dB，增益＞25dBi，在相对带宽有限的情况下增大了天线的扫描角，性能良好。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种有限带宽内大扫描角的串馈波导缝隙频率扫描天线，包括波导慢波结构(1)、缝隙板(2)和喇叭结构(3)，所述的波导慢波结构(1)由直线波导段(1.1)和连接直线波导段的弯头(1.2)组成，该弯头(1.2)为180°弯头；所述的缝隙板(2)覆盖于波导慢波结构(1)的上方，且与直线波导段(1.1)中心相对应的位置设置有N个缝隙，其特征在于，所述的弯头(1.2)设有不同的倒角，所述的弯头(1.2)的倒角半径随缝隙偏转角度的变化而改变，倒角半径表示为R，其中，R为7.3mm～7.85mm；所述的喇叭结构(3)由喇叭口(3.1)和隔板(3.2)组成，该喇叭口(3.1)之间设置有与N个缝隙相对应的N+1个隔板(3.2)，每个隔板(3.2)分别位于缝隙板(2)中相邻缝隙中心的上方，且与喇叭口(3.1)构成一体；所述的喇叭结构(3)关于Z轴对称分布。
2.根据权利要求1所述的有限带宽内大扫描角的串馈波导缝隙频率扫描天线，其特征在于，所述的隔板(3.2)的高度表示为h1，厚度表示为hou，其中，h1为49.5mm～50mm，hou为2.5mm～2.7mm。
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