辐射单元、天线接收总成、频相电扫缝隙阵列天线及雷达的制作方法

1.本发明属于天线领域，尤其涉及辐射单元、天线接收总成、频相电扫缝隙阵列天线及雷达。


背景技术：

2.频扫天线属于相控阵的一种特殊形式，是通过改变频率以控制馈电结构的相位分布，进而改变天线辐射单元间的馈电相位，最终实现天线波束的一维扫描。当频扫天线结合相扫技术后，也可实现波瓣指向在全空间内快速切换，但常规的波导类频扫天线开缝方式是在波导蛇形线上开波导窄边斜缝或者窄边纵缝等，由于波导蛇形线上的波导窄边开缝面尺寸较大或者受开缝辐射机理的限制，这类频扫天线只能在一维方向电扫，不适宜与相扫技术相结合实现空间波束快速切换。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本发明的目的之一在于提供一种结构简单，且加工方便，同时在很小的相对频率偏移下就能实现一维方向上较大波束偏转的辐射单元。
4.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种辐射单元，包括吸波负载块和直条形的金属板,所述金属板沿前后方向竖向设置,其内沿前后方向设有波浪形的蛇形腔,所述蛇形腔的前端贯穿所述金属板的前端,所述吸波负载块安装在所述蛇形腔内,并位于所述蛇形腔的后端，所述蛇形腔的每个波峰处均沿左右方向设有贯穿所述金属板上端的辐射缝隙。
5.上述技术方案的有益效果在于：通过在金属板上端对应蛇形腔的波峰的位置处设置沿左右方向贯穿所述条形板上端的辐射缝隙，从而使得辐射缝隙在辐射单元上沿左右方向分布，其与辐射单元的长边相垂直，即在矩形波导蛇形线结构上开设波导宽边的辐射缝隙，利用波导宽边开缝扰动蛇形腔内电流形成辐射场以及波导慢波线实现频扫的工作原理，可在很小的相对频率偏移下就能实现辐射单元一维方向上较大波束偏转，从而可将雷达系统频率资源有效用于波束扫描覆盖，而在蛇形腔内设置吸波负载块将波导负载与蛇形腔集成，减少波导连接端面，避免波导馈线不连续性，并可压缩辐射单元整体结构尺寸。
6.上述技术方案中所述金属板包括两个直条形的条形板，两个所述条形板均为金属件，两个所述条形板均沿前后方向竖向设置，并沿左右方向分布，两个所述条形板的相互靠近的一侧均凹设有沿前后方向分布的蛇形槽，所述蛇形槽的两端延伸至靠近所述条形板的前后两端，所述蛇形槽的前端贯穿所述条形板的前端，所述蛇形槽的每个波峰处均沿左右方向设有贯穿所述条形板上端的条形缝，且两个所述条形板相互靠近的一侧相互贴合并连接固定，且两个所述条形板上的蛇形槽共同围合形成所述蛇形腔，且两个所述条形板上相互对齐的两个条形缝共同构成一个所述辐射缝隙。
7.上述技术方案的有益效果在于：其结构简单，且加工方便，同时可使得条形板的厚度在不影响强度的情况尽可能的薄，从而可使得辐射单元的体积减小。
8.上述技术方案中所述吸波负载块为石墨构件或吸波粉体构件。
9.上述技术方案的有益效果在于：其吸波能力佳，且耐高温，适应性强。
10.上述技术方案中所述吸波负载块为三角块，且其断截面为直角三角形，所述吸波负载块竖向安装在所述蛇形腔的后端，且其斜面朝上，所述吸波负载块下端与两个所述条形板胶结固定。
11.上述技术方案的有益效果在于：如此可提高蛇形腔内的驻波匹配性。
12.本发明的目的之二在于提供一种结构简单的阵列式天线总成。
13.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种天线接收总成，包括安装件、馈电耦合波导、波导同轴转换器、耦合波导负载和多个如上所述的辐射单元，所述安装件和馈电耦合波导均为直条形且沿左右方向水平设置，所述馈电耦合波导位于所述安装件的前方，多个所述辐射单元沿前后方向竖向设置在所述安装件和馈电耦合波导之间，且多个所述辐射单元在所述安装件和馈电耦合波导之间沿左右方向间隔分布，所述馈电耦合波导的后端向前凹设有多个沿左右方向间隔分布的馈电腔，且多个所述馈电腔与多个所述辐射单元一一对应，每个所述条形板的前后两端分别与所述馈电耦合波导和安装件连接固定，且每个所述辐射单元蛇形腔的开口与对应所述馈电腔连通，所述馈电耦合波导上具有输入端口和输出端口，所述波导同轴转换器和耦合波导负载均安装在所述馈电耦合波导上，且所述波导同轴转化器与所述馈电耦合波导的输入端口连接，所述耦合波导负载与所述馈电耦合波导的输出端口连接。
14.上述技术方案的有益效果在于：通过将多个辐射单元与馈电耦合波导相互连接后形成一个阵列式的天线接收总成，利用多个馈电端口(即辐射单元前端的开口)进行幅相加权馈电实现天线另一维方向的波束扫描，利用馈电耦合波导内集成的馈电腔与耦合腔以及二者之间的耦合孔，巧妙的实现了各辐射单元收发信号幅相监测，使得各馈电通道具有了内标校网络，满足数字阵列天线具有阵面微波内校准功能的使用要求，同时该天线接收总成各部件均通过机加完成，整体结构紧凑、稳定、简单、成本低、免维护，保证天线在车载环境下工作可靠。
15.上述技术方案中所述安装件为沿左右方向竖向设置的安装板。
16.上述技术方案的有益效果在于：其结构简单，且安装稳定性佳。
17.上述技术方案中所述馈电耦合波导包括均沿左右方向水平设置且沿上下方向依次顺序叠合的上板、中板和下板，且所述上板、中板和下板均为金属板，且三者的左右两侧以及后端均相互齐平，所述下板的前端突出于所述中板的前端，所述中板的前端突出于所述上板的前端，所述中板的下端后部沿左右方向间隔凹设有多个贯穿所述中板后端的槽室，且所述槽室的下端开口由所述下板封堵，并将每个所述槽室围合形成所述一个所述馈电腔，所述中板的上端位于所述上板的正下方沿左右方向凹设有一个条形槽，且多个所述馈电腔位于所述条形槽的正下方，所述条形槽的右端贯穿所述中板，其左端向后弯折至贯穿所述中板的后端，所述上板盖设在所述条形槽的上端并将所述条形槽围合形成所述耦合腔，且每个所述槽室的上端设有多个与所述条形槽连通的耦合孔，所述耦合腔的右端开口处构成所述馈电耦合波导的输入端口，所述耦合腔后端的开口处构成所述馈电耦合波导的输出端口。
18.上述技术方案的有益效果在于：其结构简单，且空间结构更加紧凑，同时加工方
便。
19.上述技术方案中所述上板、中板和下板焊接一体成型。
20.上述技术方案的有益效果在于：如此使得其稳定性佳。
21.本发明的目的之三在于提供一种可以一发多收的频相电扫缝隙阵列天线。
22.为了实现上述目的，本发明的另一个技术方案如下：一种频相电扫缝隙阵列天线，包括天线背板、发射装置和如上所述的天线接收总成，所述天线背板水平设置，所述发射装置和天线接收总成均固定安装于所述天线背板的上端，且所述发射装置位于所述天线接收总成的左方。
23.上述技术方案的有益效果在于：如此使得频相电扫缝隙阵列天线可采用一发多收模式，发射装置与天线接收总成均安装在同一个天线背板上，发射装置工作时，发射装置实现空间中电磁波的宽波束覆盖，天线接收总成工作时，多个辐射单元一维排布，控制不同辐射单元的馈电相位可实现天线接收总成在不同扫描指向的窄波束接收。
24.本发明的目的之四在于提供一种包括如上所述频相电扫缝隙阵列天线的雷达。
附图说明
25.图1为本发明实施例1所述条形板的结构简图；
26.图2为本发明实施例1所述辐射单元的结构简图；
27.图3为本发明实施例1所述辐射单元的爆炸图；
28.图4为本发明实施例2所述天线接收总成的结构简图；
29.图5为图4的局部放大图；
30.图6为本发明实施例2所述馈电耦合波导的立视图；
31.图7为本发明实施例2中所述中板上端的视图；
32.图8为本发明实施例2所述中板的立视图；
33.图9为本发明实施例3所述频相电扫缝隙阵列天线的结构简图；
34.图10为本发明实施例3频相电扫缝隙阵列天线不同频点阵列天线频扫仿真方向图；
35.图11为本发明实施例3频相电扫缝隙阵列天线中心频点相扫仿真方向图；
36.图12为本发明实施例3中辐射单元电压驻波比仿真曲线。
37.图中：1天线接收总成、11辐射单元、111吸波负载块、112条形板、1121蛇形槽、1122条形缝、1123沉孔、1124螺孔、1131连接器、12安装件、13馈电耦合波导、131上板、132中板、1321槽室、1322条形槽、1323耦合孔、133下板、14波导同轴转换器、15耦合波导负载、2天线背板、3发射装置。
具体实施方式
38.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
39.实施例1
40.如图1
‑
图3所示，本实施例提供了一种辐射单元，包括吸波负载块111和直条形的金属板,所述金属板沿前后方向竖向设置,其内沿前后方向设有波浪形的蛇形腔,所述蛇形
腔的前端贯穿所述金属板的前端,所述吸波负载块111安装在所述蛇形腔内,并位于所述蛇形腔的后端，所述蛇形腔的每个波峰处均沿左右方向设有贯穿所述金属板上端的辐射缝隙。
41.上述技术方案的有益效果在于：通过在金属板上端对应蛇形腔的波峰的位置处设置沿左右方向贯穿所述条形板上端的辐射缝隙，从而使得辐射缝隙在辐射单元上沿左右方向分布，其与辐射单元的长边相垂直，即在矩形波导蛇形线结构上开设波导宽边的辐射缝隙，利用波导宽边开缝扰动蛇形腔内电流形成辐射场以及波导慢波线实现频扫的工作原理，可在很小的相对频率偏移下就能实现辐射单元一维方向上较大波束偏转，从而可将雷达系统频率资源有效用于波束扫描覆盖，而在蛇形腔内设置吸波负载块将波导负载与蛇形腔集成，减少波导连接端面，避免波导馈线不连续性，并可压缩辐射单元整体结构尺寸。
42.上述技术方案中所述金属板包括两个直条形的条形板，两个所述条形板112均为金属件，两个所述条形板112均沿前后方向竖向设置，并沿左右方向分布，两个所述条形板112的相互靠近的一侧均凹设有沿前后方向分布的蛇形槽1121，所述蛇形槽1121的两端延伸至靠近所述条形板112的前后两端，所述蛇形槽1121的前端贯穿所述条形板112的前端，所述蛇形槽1121的每个波峰处均沿左右方向设有贯穿所述条形板112上端的条形缝1122，且两个所述条形板112相互靠近的一侧相互贴合并连接固定，且两个所述条形板112上的蛇形槽1121共同围合形成所述蛇形腔，且两个所述条形板112上相互对齐的两个条形缝1122共同构成一个所述辐射缝隙，其结构简单，且加工方便，同时可使得条形板的厚度在不影响强度的情况尽可能的薄，从而可使得辐射单元的体积减小。当然，也可仅在一个所述条形板上设置蛇形槽，且蛇形槽的前端贯穿该条形板，而该条形板的上端对应所述蛇形槽的每个波峰处均设有所述条形缝，而另一个条形板上不设置蛇形槽，其仅贴合在另一个所述条形板上，两者共同围合形成所述蛇形腔和辐射缝隙。
43.优选的，两个所述条形板看通过连接件来实现贴合连接固定也可通过焊接的形式来实现二者焊接一体成型，其中，所述连接件包括多个连接器1131，所述连接器1131为螺栓或螺钉，其中一个所述条形板112的边缘处围设有多个沿左右方向贯穿其的沉孔1123，且多个所述沉孔1123的粗端均背离另一个所述条形板112，而另一个所述条形板112的边缘处围设有多个螺孔1124，且多个所述螺孔1124与多个所述沉孔1123一一对应，多个所述连接器1131与多个所述沉孔1123一一对应，每个所述连接器1131穿过对应的所述沉孔1123并与对应的所述螺孔1124螺纹连接，以使得两个所述条形板112连接固定，且所述连接器1131的螺帽位于对应所述沉孔1123的粗端内，其结构简单，如此可实现连接器在将两个条形板连接后，连接器的两端均不突出于所述条形板外，从而使得辐射单元的结构更加紧凑，美观。
44.上述技术方案中所述吸波负载块111为石墨构件或吸波粉体构件，其吸波能力佳，且耐高温，适应性强。
45.上述技术方案中所述吸波负载块111为三角块，且其断截面为直角三角形，所述吸波负载块111竖向安装在所述蛇形腔的后端，且其斜面朝上(优选的，其斜面朝向前上方)，所述吸波负载块111下端与两个所述条形板112胶结固定，如此可提高蛇形腔内的驻波匹配性。
46.实施例2
47.如图4
‑
图8所示，本实施例提供了一种天线接收总成，包括安装件12、馈电耦合波
导13、波导同轴转换器14、耦合波导负载15和多个如实施例1所述的辐射单元11，所述安装件12和馈电耦合波导13均为直条形且沿左右方向水平设置，所述馈电耦合波导13位于所述安装件12的前方，多个所述辐射单元11沿前后方向竖向设置在所述安装件12和馈电耦合波导13之间，且多个所述辐射单元11在所述安装件12和馈电耦合波导13之间沿左右方向间隔分布，所述馈电耦合波导13的后端向前凹设有多个沿左右方向间隔分布的馈电腔，且多个所述馈电腔与多个所述辐射单元11一一对应，每个所述条形板112的前后两端分别与所述馈电耦合波导13和安装件12连接固定，且每个所述辐射单元11蛇形腔的开口与对应所述馈电腔连通，所述馈电耦合波导13上具有输入端口和输出端口，所述波导同轴转换器14和耦合波导负载15均安装在所述馈电耦合波导13上，且所述波导同轴转化器与所述馈电耦合波导13的输入端口连接，所述耦合波导负载15与所述馈电耦合波导13的输出端口连接，通过将多个辐射单元与馈电耦合波导相互连接后形成一个阵列式的天线接收总成，利用多个馈电端口(即辐射单元蛇形腔前端的开口)进行幅相加权馈电实现天线另一维方向的波束扫描，利用馈电耦合波导内集成的馈电腔与耦合腔以及二者之间的耦合孔，巧妙的实现了各辐射单元收发信号幅相监测，使得各馈电通道具有了内标校网络，满足数字阵列天线具有阵面微波内校准功能的使用要求，同时该天线接收总成各部件均通过机加完成，整体结构紧凑、稳定、简单、成本低、免维护，保证天线在车载环境下工作可靠。
48.上述技术方案中所述安装件12为沿左右方向竖向设置的安装板，其结构简单，且安装稳定性佳。
49.上述技术方案中所述馈电耦合波导13包括均沿左右方向水平设置且沿上下方向依次顺序叠合的上板131、中板132和下板133，且所述上板131、中板132和下板133均为金属板，且三者的左右两侧以及后端均相互齐平，所述下板133的前端突出于所述中板132的前端，所述中板132的前端突出于所述上板131的前端，所述中板132的下端后部沿左右方向间隔凹设有多个贯穿所述中板132后端的槽室1321，且所述槽室1321的下端开口由所述下板133封堵，并将每个所述槽室1321围合形成所述一个所述馈电腔，所述中板132的上端位于所述上板131的正下方沿左右方向凹设有一个条形槽1322，且多个所述馈电腔位于所述条形槽1322的正下方，所述条形槽1322的右端贯穿所述中板132，其左端向后弯折至贯穿所述中板132的后端，所述上板131盖设在所述条形槽1322的上端并将所述条形槽1322围合形成所述耦合腔，且每个所述槽室1321的上端设有多个与所述条形槽1322连通的耦合孔1323，所述耦合腔的右端开口处构成所述馈电耦合波导13的输入端口，所述耦合腔后端的开口处构成所述馈电耦合波导13的输出端口，其结构简单，且空间结构更加紧凑，同时加工方便。
50.上述技术方案中所述上板131、中板132和下板133焊接一体成型，如此使得其稳定性佳。
51.实施例3
52.如图9所示，本实施例提供了一种频相电扫缝隙阵列天线，包括天线背板2、发射装置3和如实施例2所述的天线接收总成1，所述天线背板2水平设置，所述发射装置3和天线接收总成1均固定安装于所述天线背板2的上端，且所述发射装置3位于所述天线接收总成1的左方，如此使得频相电扫缝隙阵列天线可采用一发多收模式，发射装置与天线接收总成均安装在同一个天线背板上，发射装置工作时，发射装置实现空间中电磁波的宽波束覆盖，天线接收总成工作时，多个辐射单元一维排布，控制不同辐射单元的馈电相位可实现天线接
收总成在不同扫描指向的窄波束接收。
53.本实施例频相电扫缝隙阵列天线的具体实施参数如下：天线工作频率32ghz
‑
33ghz，天线接收总成具有24个辐射单元，且24个辐射单元组成的矩形阵列的尺寸为长度135mm，宽度180mm，厚度32mm，单个辐射单元口面辐射缝隙共22个，24个辐射单元竖直放置后沿水平方向排布成一行，相邻两个辐射单元之间的间距为5.27mm，辐射单元辐射缝隙的深度为2.38mm，宽度为2.1mm，相邻两个辐射缝隙的间距为1mm。馈电耦合波导与24个辐射单元垂直布置，辐射单元的各馈电端口与所述馈电耦合波导对应的馈电腔对齐。馈电耦合波导内馈电腔与耦合腔之间的通过两个“十”字形耦合孔连通，耦合度设计为
‑
40db。
54.利用ansys公司的商业全波仿真软件hfss进行仿真，不同频点阵列天线频扫仿真方向图如图10所示(图10中横坐标degree表示角度，纵坐标db表示幅度，scan 0是指扫描角度为0
°
，scan 15是指扫描角度为15
°
，scan 30是指扫描角度为30
°
，scan 45是指扫描角度为45
°
)，中心点相扫仿真方向图如图11所示(图11中横坐标degree表示角度，纵坐标db表示幅度，f low是指低频，f resonance是谐振中心频率，f high是指高频)，辐射单元电压驻波比曲线如图12所示(f_low是指低频，f_midd是谐振中心频率，f_high是指高频，swr是指驻波比)，其中图11和图12中低频是32ghz,谐振中心频率32.5ghz,高频是33ghz。从仿真结果看，本实施例所提供的频相电扫缝隙阵列天线3％相对带宽内波束频扫覆盖
±
20
°
，频扫面副瓣电平小于
‑
22.6db，相扫面波束频扫覆盖
±
45
°
，辐射单元电压驻波比在全频带内优于1.8。
55.其中，本实施例中所述发射装置为现有技术，所述发射装置也具有一个辐射器，且其辐射器可采用如实施例1所述辐射单元进行替代。
56.实施例4
57.本实施例提供了一种采用如实施例3所述频相电扫缝隙阵列天线的雷达。
58.以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。