CN204424458U - 双极化缝隙波导天线阵 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及双极化缝隙波导天线阵。包括水平极化缝隙波导天线阵和垂直极化缝隙波导天线阵；水平极化缝隙波导天线阵由水平极化辐射波导和水平极化馈电波导上下并列连接组成，且二者由共用的水平极化共公壁连接；垂直极化缝隙波导天线阵由垂直极化辐射波导和垂直极化馈电波导上下并列连接组成，且二者由共用的垂直极化共公壁连接；所述水平极化馈电波导和垂直极化辐射波导通过共公侧壁连接，使水平极化缝隙波导天线阵和垂直极化缝隙波导天线阵呈水平并列连接；两种极化的缝隙波导天线阵水平面波导壁平齐。本实用新型双极化缝隙波导天线阵的一体化设计，使加工更方便，减少了天线阵安装工作量。同时，天线阵的重量减轻了1/7~1/5。

Description

双极化缝隙波导天线阵

技术领域

本实用新型属于缝隙波导天线技术领域，具体涉及一种双极化缝隙波导天线阵。

背景技术

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、易于加工和自身结构强度高等优点，被广泛应用于雷动和通讯领域。随着需求的牵引，国内外也已发展出多种形式的双极化缝隙波导天线。

文献（L.焦司弗逊，C.G.克罗斯特，双极化波导缝隙天线，国际电气与电子工程师协会—天线与传播年会论文集，1992，pp:625-628/L.Josefsson,and C.G.M.Klooster， Dual polarized slotted waveguide SAR antenna，IEEE AP-S，1992，pp:625-628）和(P.J.沃德，N.素坦，G.赛规， 一种应用于DSAR综合孔径雷达的赋形波束双极化天线，国际电气与电子工程师协会—天线与传播年会论文集，1996，pp: 1717- 1719/P.J.Wood, N.Sultan and G.Seguin, A dual-polarized reconfigurable-beam antenna for the DSAR synthetic aperture radar, IEEE AP-S，1996，pp: 1717- 1719）中，介绍了早期双极化波导缝隙天线阵设计，其结构布局采用常规方式，两种极化天线各自独立按常规设计，水平极化缝隙波导天线简单地置于垂直极化缝隙波导上面。

后来，为德国TerrSAR-X开发的双极化波导天线阵(M.斯坦厄，R.沃宁豪斯，R.扎恩，X波段地面观测合成孔径雷达有源相控阵天线，2003年国际相控阵***与技术会议，美国，波士顿，2003年10月，pp:70-75/M.Stangle, R.Werninghaus, and R.Zahn, The TerrSAR-X Active Phased Array Antenna, IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology 2003, Boston ,USA, Oct., 2003, pp:70-75)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，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%，每种极化线阵只需要单层波导就可以实现，因此结构较为简单，在一体化加工方面未做考虑，其双极化缝隙波导天线独立设计、单根加工，然后拼装构成双极化平面阵。最近欧洲新开发的C波段合成孔径雷达Sentinel-1双极化天线沿用了TerrSAR-X技术，同样由于较窄的工作带宽，仅需单层波导腔体。

华东电子工程研究所在双极化缝隙波导天线拓展带宽方面做了一些有益的工作(汪伟，金剑，鲁加国，钟顺时，应用于X波段合成孔径雷达的宽带、双极化、低交叉极化缝隙波导天线，国际雷达会议论文集，2005年5月，pp:653-656/ Wei Wang, Jian Jin, Jia-Guo Lu, and Shun-Shi Zhong, Waveguide antenna array with broadband, dual-polarization and low cross-polarization for X-Band SAR applications, 2005 IEEE International Radar Conference in Arlington, VA USA.,May,2005, pp:653-656)，通过分级子阵馈电的方式将波导谐振天线工作带宽拓展，在X波段达到700MHz带宽，但是这些早期设计，研究关注点主要是针对天线的电性能而进行，双极化天线设计同样是各自独立设计，单根加工，然后拼装构成双极化面阵。

根据以上介绍，目前的双极化缝隙波导天线都采用各自独立设计、加工，然后拼装成双极化面阵的方式；这种方式在大型天线阵中，安装固定点多、安装工作量大、天线阵平面度调平复杂，重量偏重。

实用新型内容

为了降低天线阵加工和安装难度、减轻天线阵的重量，本实用新型提供一种一体化设计的双极化缝隙波导天线阵。

具体的技术解决方案如下：

双极化缝隙波导天线阵包括水平极化缝隙波导天线阵1和垂直极化缝隙波导天线阵2；

所述水平极化缝隙波导天线阵1由水平极化辐射波导3和水平极化馈电波导5上下并列连接组成，其中水平极化辐射波导3位于上部，水平极化馈电波导5位于下部，且二者由共用的水平极化共公壁7连接；

所述垂直极化缝隙波导天线阵2由垂直极化辐射波导4和垂直极化馈电波导6上下并列连接组成，其中垂直极化辐射波导4位于上部，垂直极化馈电波导6位于下部，且二者由共用的垂直极化共公壁10连接；

所述水平极化馈电波导5和垂直极化辐射波导4通过共公侧壁11连接，使水平极化缝隙波导天线阵1和垂直极化缝隙波导天线阵2呈水平并列连接；其中水平极化共公壁7和垂直极化辐射波导4的顶壁8在一个平面内，水平极化馈电波导5的底壁9和垂直极化共公壁10在一个平面内；

所述水平极化辐射波导3的顶边上均布设有水平极化辐射缝14，所述垂直极化辐射波导4的顶边上均布设有垂直极化辐射缝15。

所述水平极化辐射波导3和垂直极化辐射波导4均为单脊波导，且两端均为封闭的短路端；所述水平极化馈电波导5由一根以上的水平极化馈电波导管连接组成；所述垂直极化馈电波导6由一根以上的垂直极化馈电波导管连接组成；所述水平极化馈电波导5和垂直极化馈电波导6均为单脊波导，且两端均为封闭的短路端。

所述水平极化馈电波导由两根水平极化馈电波导5上下排列通过水平馈电共公壁连接组成的二级水平极化馈电波导；所述垂直极化馈电波导由两根垂直极化馈电波导6上下排列通过垂直馈电共公壁连接组成的二级垂直极化馈电波导。

所述水平极化缝隙波导天线阵1中水平极化辐射波导3的单脊位于顶边内侧，水平极化馈电波导5的单脊位于底边内侧；所述垂直极化缝隙波导天线阵2中垂直极化辐射波导4的单脊和垂直极化馈电波导6的单脊均位于底边的内侧。

以上述的双极化缝隙波导天线阵为单元，两个以上的所述单元横向并列连接组成大型的天线阵。

本实用新型的有益技术效果体现在下以方面：

1.本实用新型双极化缝隙波导天线阵的一体化设计，改善了加工工艺性，更方便加工；同时，减少了天线阵安装工作量。现有技术中的单根天线阵的安装最少需要两个安装点，N对双极化天线阵需要4N个安装点，而一体化设计后仅需4个安装点；

2.本实用新型使相邻的水平极化和垂直极化两种天线阵之间共用金属波导侧壁，天线重量减轻了1/7~1/5；

3.本实用新型使位于同层的水平极化和垂直极化两种天线阵的波导腔体上下金属壁在同一水平面上，简化了机械加工零件的结构，降低了加工难度和加工成本；

4.一体化设计加工的双极化缝隙波导天线阵由多腔体构成，自身结构强度高。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图2为图1的横剖图。

图3 为图1的俯视图。

图4为将双极化缝隙波导天线阵分为四层零件的示意图。

图5为水平极化辐射缝为直线缝的结构示意图。

图6为水平极化辐射缝为V字缝的大型阵结构示意图。

图7为水平极化辐射缝为直线缝的大型阵结构示意图。

图8为具有二级馈电波导的双极化缝隙波导天线阵横截面图。

图9为具有二级馈电波导的双极化缝隙波导天线的大型阵示意图。

图10实施例6中水平极化缝隙波导天线阵端口VSWR测试结果图。

图11实施例6中垂直极化缝隙波导天线阵端口VSWR测试结果图。

图12实施例6中水平极化缝隙波导天线阵主极化及交叉极化测试结果图。

图13实施例6中垂直极化缝隙波导天线阵主极化及交叉极化测试结果图。

上图中序号：水平极化缝隙波导天线阵1、垂直极化缝隙波导天线阵2、水平极化辐射波导3、垂直极化辐射波导4、水平极化馈电波导5、垂直极化馈电波导6、水平极化共公壁7、顶壁8、底壁9、垂直极化共公壁10、共用侧壁11、第二级水平极化馈电波导12、第二级垂直极化馈电波导13、水平极化辐射缝14、垂直极化辐射缝15、垂直极化馈电波导底部金属壁17。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本实用新型作进一步地描述。

实施例1：

本实施是工作于X波段的8单元双极化缝隙波导天线阵，中心工作频率f _中 为9.0GHz，天线阵工作上边频f _高、下边频f _低分别是9.35GHz、8.65GHz。

参见图1，双极化缝隙波导天线阵由水平极化缝隙波导天线阵1和垂直极化缝隙波导天线阵2构成。

水平极化缝隙波导天线阵1由水平极化辐射波导3和水平极化馈电波导5上下并列连接组成，其中水平极化辐射波导3位于上部，水平极化馈电波导5位于下部，且二者由共用的水平极化共公壁7连接；

垂直极化缝隙波导天线阵2由垂直极化辐射波导4和垂直极化馈电波导6上下并列连接组成，其中垂直极化辐射波导4位于上部，垂直极化馈电波导6位于下部且二者由共用的垂直极化共公壁10连接；

水平极化辐射波导3、水平极化馈电波导5、垂直极化辐射波导4和垂直极化馈电波导6均为单脊波导，且两端均为封闭的短路端。

参见图2，水平极化馈电波导5和垂直极化辐射波导4通过共公侧壁11连接，使水平极化缝隙波导天线阵1和垂直极化缝隙波导天线阵2呈水平并列连接；其中水平极化共公壁7和垂直极化辐射波导4的顶壁8在一个平面内，水平极化馈电波导5的底壁9和垂直极化共公壁10在一个平面内；

参见图3，水平极化辐射波导3的顶边上均布开设有V字形的8个单元的水平极化辐射缝14，相邻水平极化辐射缝隙14在波导轴线方向间距相同，优选为0.5                                                ，其中是中心频率f _中波导波长。垂直极化辐射波导4的顶边上均布开设有直线形的八个单元的垂直极化辐射缝15，相邻垂直极化辐射缝15在波导轴线方向间距相同，优选为0.5，其中是中心频率波导波长。

基本参数选择：

根据天线扫描角确定双极化缝隙波导天线宽度W，通常用下面公式计算：

其中：是最高工作频率波长，是最大扫描角，N是双极化缝隙波导天线数量。通常W选择在0.5~0.8之间，本实施例优选为0.7。

Wh是水平极化天线线阵1的宽度，Wv是垂直极化天线线阵2的宽度，Wh+Wv=W，Wh和Wv尺寸选择根据设计需要设定，可以相同也可以不同，本实施例优选为：Wh=Wv=0.5W。

Hhf是所述水平极化馈电波导5的高度，Hvr是所述垂直极化辐射波导4的高度，设计要求是：Hhf=Hvr。

双极化缝隙波导天线阵其它结构尺寸设计选择为业内专业人士所熟知，此处不再赘述。

加工时，将双极化缝隙波导天线阵分为四层零件加工，见图4，然后焊接成一体。

实施例2

参见图5，水平极化辐射波导3的顶边上均布开设有直线形的8个单元的水平极化辐射缝14，水平极化辐射缝隙14与波导轴线方向正交，相邻水平极化辐射缝隙14在波导轴线方向间距相同，优选为0.5。垂直极化辐射波导4的顶边上均布开设的8个单元的垂直极化辐射缝15位于波导轴线方向的中心线上，相邻垂直极化辐射缝15在波导轴线方向间距相同，优选为0.5。

 其它同实施例1。

实施例3

参见图6，以实施例1的双极化缝隙波导天线阵为基础，每个双极化天线阵上辐射缝隙14数量扩展至16个，以此天线阵为单元，在X波段通常选择为4至40对之间，优选16个单元横向并列连接组成大型的天线阵。其中水平极化辐射波导3的顶边上均布开设有V字形的水平极化辐射缝14。

加工时，将大型的天线阵分为四层，通过机加工和焊接得到大型的双极化缝隙波导天线阵。

实施例4

参见图7，以实施例1的双极化缝隙波导天线阵为基础，每个双极化天线阵上辐射缝隙14数量扩展至16个，以此天线阵为单元，在X波段通常选择为4至40对之间，优选16个单元横向并列连接组成大型的天线阵。其中水平极化辐射波导3的顶边上均布开设有直线形的水平极化辐射缝14。垂直极化辐射缝隙15位于垂直极化辐射波导4的顶边中心轴线上。

其它同实施例3。

实施例5

参见图8，水平极化馈电波导为二级水平极化馈电波导，即水平极化馈电波导5正下方通过共公的底壁9连接着第二级水平极化馈电波导12，以此拓展水平极化缝隙波导天线阵1的工作带宽。垂直极化馈电波导为二级垂直极化馈电波导，即垂直极化馈电波导6的正下方通过垂直极化馈电波导底部金属壁17连接着第二级垂直极化馈电波导13，以此拓展垂直极化缝隙波导天线阵2的工作带宽。

加工时，将双极化缝隙波导天线阵分为五层零件加工，然后焊接成一体。

实施例6

参见图9，本实施是在实施例5基础上加以拓展构成，在两种极化缝隙波导天线阵的波导截面情况下，多根双极化缝隙波导天线阵平行排列，相邻金属波导侧壁共用；在X波段通常选择为4至40对之间，优选16个单元横向并列连接组成大型的天线阵。

加工时，将大型的天线阵分为五层，通过机加工和焊接得到大型的双极化缝隙波导天线阵。

图10是本实施例天线阵中16个单元水平极化缝隙波导天线阵端口VSWR测试结果，在工作频带内VSWR小于1.7，带宽大于750MHz。

图11是本实施例天线阵中16个单元垂直极化缝隙波导天线阵端口VSWR测试结果，在工作频带内VSWR小于1.6，带宽大于750MHz。

图12是本实施例水平极化缝隙波导天线阵E面主/交叉极化在高中低三个频率点的测试结果，可以看出交叉极化低于主极化40dB以上。

图13是本实施例垂直极化缝隙波导天线阵H面主/交叉极化在高中低三个频率点的测试结果，可以看出交叉极化低于主极化42dB以上。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的详细说明，不能认定本实用新型具体实施仅限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，如波导缝隙天线线阵中单元数量、多对双极化缝隙波导天线中的线阵数量，以及为了展宽天线工作带宽而增加多级功分波导的级数等，都应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书确定的实用新型保护范围。

Claims (5)

1.双极化缝隙波导天线阵，包括水平极化缝隙波导天线阵(1)和垂直极化缝隙波导天线阵(2)，其特征在于：所述水平极化缝隙波导天线阵(1)由水平极化辐射波导(3)和水平极化馈电波导(5)上下并列连接组成，其中水平极化辐射波导(3)位于上部，水平极化馈电波导(5)位于下部，且二者由共用的水平极化共公壁(7)连接；

所述垂直极化缝隙波导天线阵(2)由垂直极化辐射波导(4)和垂直极化馈电波导(6)上下并列连接组成，其中垂直极化辐射波导(4)位于上部，垂直极化馈电波导(6)位于下部，且二者由共用的垂直极化共公壁(10)连接；

所述水平极化馈电波导(5)和垂直极化辐射波导(4)通过共公侧壁(11)连接，使水平极化缝隙波导天线阵(1)和垂直极化缝隙波导天线阵(2)呈水平并列连接；其中水平极化共公壁(7)和垂直极化辐射波导(4)的顶壁(8)在一个平面内，水平极化馈电波导(5)的底壁(9)和垂直极化共公壁(10)在一个平面内；

所述水平极化辐射波导(3)的顶边上均布设有水平极化辐射缝(14)，所述垂直极化辐射波导(4)的顶边上均布设有垂直极化辐射缝(15)。

2.根据权利要求1所述的双极化缝隙波导天线阵，其特征在于：所述水平极化辐射波导(3)和垂直极化辐射波导(4)均为单脊波导，且两端均为封闭的短路端；所述水平极化馈电波导(5)由一根以上的水平极化馈电波导管连接组成；所述垂直极化馈电波导(6)由一根以上的垂直极化馈电波导管连接组成；所述水平极化馈电波导(5)和垂直极化馈电波导(6)均为单脊波导，且两端均为封闭的短路端。

3.根据权利要求2所述的双极化缝隙波导天线阵，其特征在于：所述水平极化馈电波导由两根水平极化馈电波导(5)上下排列通过水平馈电共公壁连接组成的二级水平极化馈电波导；所述垂直极化馈电波导由两根垂直极化馈电波导(6)上下排列通过垂直馈电共公壁连接组成的二级垂直极化馈电波导。

4.根据权利要求1或2或3所述的双极化缝隙波导天线阵，其特征在于：所述水平极化缝隙波导天线阵(1)中水平极化辐射波导(3)的单脊位于顶边内侧，水平极化馈电波导(5)的单脊位于底边内侧；所述垂直极化缝隙波导天线阵(2)中垂直极化辐射波导(4)的单脊和垂直极化馈电波导(6)的单脊均位于底边的内侧。

5.根据权利要求1所述的双极化缝隙波导天线阵，其特征在于：以所述的双极化缝隙波导天线阵为单元，两个以上的所述单元横向并列连接组成大型的天线阵。