CN103682650A - 一种高交叉极化的波导缝隙阵天线 - Google Patents
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Abstract
一种高交叉极化的波导缝隙阵天线，包括脊波导（1）、脊（2）、波导辐射缝隙（5）；还包括微扰金属膜片，在脊波导（1）的内部，脊（2）两侧的脊槽深度b相等；波导辐射缝隙（5）位于脊波导（1）宽边的中心线上；微扰金属膜片的数量与波导辐射缝隙5的数量一致，相邻两个微扰金属膜片交错的处于相邻两个波导辐射缝隙（5）的两侧，用于补偿相邻两个波导辐射缝隙（5）之间180°的相差。
Description
技术领域
本发明涉及一种高交叉极化的波导缝隙阵天线，特别是涉及对称脊波导宽边中心开缝天线微扰金属膜片的应用，属于天线技术领域。
背景技术
由波导缝隙天线的辐射原理可知，通过切断波导表面电流的流线来激励电场，激励强度与截断处电流的密度以及缝隙的长度有关。波导表面的电流分布如图1所示。
波导辐射缝隙的切缝形式如图2所示。通常波导窄边切缝天线的缝隙形式如图中缝隙4所示，宽边切缝的缝隙形式如图中缝隙1所示。缝隙1开在波导宽边中心线偏置X处，在常规波导中，开在波导宽边中心线处的缝隙由于不切割表面电流，所以不能产生辐射场。
一般的波导是关于中心线对称的，对主模而言，开在波导中心线的纵向缝隙由于不切割电流线，所以不产生辐射场。Julius green和Harold Slmitkin等人所提出非对称脊波导宽边开缝缝隙阵天线。由于不对称脊波导沿宽边中心线两边不对称，使得波导内场中心发生了位移dx，缝隙开在波导宽边中心线上，而不在波导内场的中心线上，因此该缝隙能够产生辐射场，图3所示为宽边中心开缝的不对称脊波导。通过改变脊波导的不对称程度，就可以控制波导内场中心的位置，从而达到改变场中心位移dx，以控制缝隙的辐射电平，实现天线口径的加权。
为了补偿相邻单元之间180°的相位差，在不对称脊波导中心线开缝的阵列天线中，必须使用波导不对称段的方向来进行补偿。相邻缝隙对应的脊波导段的相接处，存在槽深b1及b2的不连续性，为了减小不连续性的影响，同时也为了加工的方便，在不连续处采用圆弧过渡。如图4所示。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的设计难度大，产品加工周期长，产品质量重的不足，提供一种对称脊波导宽边中心开缝天线的设计。
本发明的技术解决方案一是：一种高交叉极化的波导缝隙阵天线，包括脊波导、脊、波导辐射缝隙还包括微扰金属膜片，在脊波导的内部，脊两侧的脊槽深度相等；波导辐射缝隙位于脊波导宽边的中心线上；微扰金属膜片的数量与波导辐射缝隙的数量一致，相邻两个微扰金属膜片交错的处于相邻两个波导辐射缝隙的两侧，用于补偿相邻两个波导辐射缝隙之间180°的相差。
本发明技术方案二是：一种高交叉极化的波导缝隙阵天线，包括脊波导、脊、波导辐射缝隙；脊波导、脊、波导辐射缝隙构成不对称脊波导内腔结构，还包括微扰金属膜片，微扰金属膜片的数量与波导辐射缝隙的数量一致，相邻两个微扰金属膜片交错的处于相邻两个波导辐射缝隙的两侧。
本发明技术方案三是：一种高交叉极化的波导缝隙阵天线，包括矩形波导和波导辐射缝隙；其特征在于：还包括微扰金属膜片，微扰金属膜片的数量与波导辐射缝隙的数量一致，相邻两个微扰金属膜片交错的处于相邻两个波导辐射缝隙的两侧。
所述的波导辐射缝隙处于矩形波导的宽边中心线上。
所述的波导辐射缝隙的宽度为w，w的选取范围为0<w<s，s为脊的宽度。
所述的波导辐射缝隙的数量大于等于2个。
所述的微扰金属膜片的高度h的选取范围为0<h<d；厚度e的选取范围为0<e<s/2；长度L的选取范围为(λg/4)<L<(3λg/4)，其中λg为所选取波导对应工作频率下的波导波长，s为脊的宽度，脊的高度=b-d。
所述的微扰金属膜片的形状为长方体，或者圆柱体或不规则形体。
本发明的设计原理：通过在波导腔体内部加入一定尺寸的金属膜片，其作用是改变在波导宽边内壁缝隙两侧的电流线流经路径，从而获得等效的缝隙偏置量dx；通过金属膜片的插入深度来调节辐射缝隙的等效偏置量dx，从而实 现辐射缝隙的幅度加权。
本发明与现有技术相比有益效果为：
1、本发明通过对传统不对称脊波导宽边中心缝隙天线阵设计方法的改进，采用对称脊波导宽边中心开辐射缝隙设计，并在缝隙边缘处向波导内腔方向加载微扰金属膜片的方法，降低了天线整体的设计难度。
原有的设计方法对于不同的场中心偏置量dx，缝隙对应的波导截面b1、b2都不一样，并且b1、b2在控制dx的同时，还必须保证波导波长不变，设计难度较大。本文所提出的设计方法，b1、b2选取相同的值，通过在缝隙一侧加载金属膜片的高度h控制dx，由于加载的金属膜片的厚度e可以控制在加工所允许的尽可能小的尺寸，其沿波导内腔方向的加载不会对传播方向波导波长造成明显影响。所以，该设计方法可以降低天线整体的设计难度。
2、本发明采用对称脊波导（即b1=b2的不对称脊波导）中心开缝的设计，改变原有的缝隙阵天线在相邻2个缝隙之间脊槽深度b1及b2的交替变化为脊槽深度不变，有效的简化了天线的机构设计难度及机械加工的难度。
3、本发明采用对称脊波导的形式，通过加载膜片的高度h控制缝隙的偏置量dx，有效降低了天线的整体高度；在实际加工中，有效的减小了天线的整体重量。
4、本发明所采用的膜片加载的设计方法，同样可以与不对称脊波导的设计方法组合使用，作为偏置量dx控制的又一方法。
5、本发明原理简单，设计容易，具有应用方便、性能优良、结构紧凑等实用优点，回避了传统的不对称脊波导中线缝隙阵列天线设计难度大、加工周期长的缺点；所应用的基本技术成熟、便于工程化应用等特点，具有很强的竞争力。
6、本发明由于改变了现有的不对称脊波导中心缝隙天线阵在加工时不对称脊槽的交替变换为对称脊槽设计，所以可以简化加工过程，缩短加工周期；采用对称脊槽的设计可以有效降低天线的总高度，减轻天线重量；在具有高极化 纯度要求的多极化星载SAR天线应用中，具有很强的实用性和市场竞争力。
附图说明
图1为波导表面电流分布示意图；
图2为波导辐射缝隙的切割方式；
图3为宽边中心开缝的不对称脊波导；
图4为不对称脊波导宽边中心缝隙阵列；
图5、6分别为本发明对称脊波导中心开缝的波导缝隙阵列天线三维图和二维平面图；
图7为本发明天线截面放大图；
图8为本发明天线局部放大图；
图9为本发明天线中心频率辐射方向图仿真结果。
具体实施方式
如图5、6、7所示，本发明为一种对称脊波导中心开缝的波导缝隙阵列天线，由对称单脊波导1（包括波导脊2、脊槽3、4）、辐射缝隙5以及围绕金属膜片6、7组成。
对称阵单脊波导1两侧的脊槽深度3、4相等，辐射缝隙5位于脊波导宽边的中心处，加载的微扰金属膜片6、7交替分布于辐射缝隙5的两侧。在脊波导1的内部，脊2两侧的脊槽深度b相等；波导辐射缝隙5位于脊波导1宽边的中心线上；波导辐射缝隙5的缝隙宽度为w，w的选取范围为0<w<s；辐射缝隙5的数量大于等于2个，微扰金属膜片的数量与波导辐射缝隙5的数量一致，相邻两个微扰金属膜片交错的处于相邻两个波导辐射缝隙5的两侧（如图8所示，微扰金属膜片6、7交错分布于辐射缝隙5两侧），用于补偿相邻两个波导辐射缝隙5之间180°的相差，微扰金属膜片6、7的高度可以控制辐射缝隙5的电场强度。
微扰金属膜片的高度为h，h的选取范围为0<h<d；膜片的厚度为e,e的选取范围为0<e<s/2；膜片的长度为L，L的选取范围为(λg/4)<L<(3λg/4)，其中λg 为所选取波导对应工作频率下的波导波长；s为脊2的宽度，脊2的高度=b-d。微扰金属膜片的形状不限定为长方体，可以为圆柱体或不规则形体。
微扰金属膜片的设计不仅可以用于对称脊波导中心开缝的缝隙阵天线，也可以作为不对称脊波导中心开缝天线设计时调节偏置量dx的辅助应用手段。具体如下：
一种高交叉极化的波导缝隙阵天线，包括脊波导1、脊2、波导辐射缝隙5；脊波导1、脊2、波导辐射缝隙5构成不对称脊波导内腔结构，其特征在于：还包括微扰金属膜片，微扰金属膜片的数量与波导辐射缝隙5的数量一致，相邻两个微扰金属膜片交错的处于相邻两个波导辐射缝隙5的两侧。微扰金属膜片的相关尺寸设计同上。
本发明设计思路同样可是适用于矩形波导宽边中心线开缝天线的设计。具体：一种高交叉极化的波导缝隙阵天线，包括矩形波导和波导辐射缝隙5和微扰金属膜片，微扰金属膜片的数量与波导辐射缝隙5的数量一致，相邻两个微扰金属膜片交错的处于相邻两个波导辐射缝隙5的两侧。微扰金属膜片的相关尺寸设计同上。
微扰金属膜片的高度h可以用于控制辐射缝隙5的辐射电平，实现天线口径的加权。具体设计思路如下：
首先按照任务要求，设计一个满足频率要求的对称单脊波导，d值的选择不能过小，要考虑以后加载微扰膜片的安装空间。其次，按照常规的设计方法，将辐射缝隙开在偏离中心线处，获得满足要求的偏置量dx。再次，不改变辐射缝隙的宽度w与长度L，将辐射缝隙开在宽边中心线处，并在缝隙的一侧，向波导腔体内部加载一个厚度为e，高度为h，长度为L的微扰金属膜片；e的选择以不改变原有波导的波导波长为宜，e和h的初值选择满足如下关系：dx≈e+2h。最后将以上参数带入目前现有的高频电磁场仿真软件（例如HFSS等）重新计算，如有需要可对高度h进行微调。
按照上述介绍本发明所设计的示例天线具体尺寸如下所示：
对称单脊波导1的截面为：a=18.5mm，b=8.6mm
脊2的尺寸为：s=8mm，d=1.25mm
辐射缝隙的尺寸为：w=1.6mm，L=29.5mm
加载金属膜片的尺寸为：e=0.8mm，h=0.7mm
本发明的天线在5.4GHz时辐射性能设计结果见图9。
可以看到，天线的最大辐射方向为正前方，采用等幅同相加权的天线副瓣约为12.5dB，在最大辐射方向对应的交叉极化优于65dB，在主极化的3dB波束宽度对应范围的交叉极化优于50dB。
本发明是一种性能优良、设计方法简单、易加工且重量较轻的波导缝隙阵列天线。适用于对极化纯度要求高的多极化阵列天线，具有很强的实用性及市场竞争力。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
Claims (8)
1.一种高交叉极化的波导缝隙阵天线，包括脊波导（1）、脊（2）、波导辐射缝隙（5）；其特征在于：还包括微扰金属膜片，在脊波导（1）的内部，脊（2）两侧的脊槽深度b相等；波导辐射缝隙（5）位于脊波导（1）宽边的中心线上；微扰金属膜片的数量与波导辐射缝隙（5）的数量一致，相邻两个微扰金属膜片交错的处于相邻两个波导辐射缝隙（5）的两侧，用于补偿相邻两个波导辐射缝隙（5）之间180°的相差。
2.一种高交叉极化的波导缝隙阵天线，包括脊波导（1）、脊（2）、波导辐射缝隙（5）；脊波导（1）、脊（2）、波导辐射缝隙（5）构成不对称脊波导内腔结构，其特征在于：还包括微扰金属膜片，微扰金属膜片的数量与波导辐射缝隙（5）的数量一致，相邻两个微扰金属膜片交错的处于相邻两个波导辐射缝隙（5）的两侧。
3.一种高交叉极化的波导缝隙阵天线，包括矩形波导和波导辐射缝隙（5）；其特征在于：还包括微扰金属膜片，微扰金属膜片的数量与波导辐射缝隙（5）的数量一致，相邻两个微扰金属膜片交错的处于相邻两个波导辐射缝隙（5）的两侧。
4.根据权利要求3所述的一种高交叉极化的波导缝隙阵天线，其特征在于：所述的波导辐射缝隙（5）处于矩形波导的宽边中心线上。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种高交叉极化的波导缝隙阵天线，其特征在于：所述的波导辐射缝隙（5）的宽度为w，w的选取范围为0<w<s，s为脊（2）的宽度。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种高交叉极化的波导缝隙阵天线，其特征在于：所述的波导辐射缝隙（5）的数量大于等于2个。
7.根据权利要求1或2或3所述的一种高交叉极化的波导缝隙阵天线，其特征在于：所述的微扰金属膜片的高度h的选取范围为0<h<d；厚度e的选取范围为0<e<s/2；长度L的选取范围为(λg/4)<L<(3λg/4)，其中λg为所选取波导对应工作频率下的波导波长，s为脊（2）的宽度，脊（2）的高度=b-d。
8.根据权利要求1或2或3所述的一种高交叉极化的波导缝隙阵天线，其特征在于：所述的微扰金属膜片的形状为长方体，或者圆柱体或不规则形体。
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