一体化宽带脊波导缝隙天线及天线阵列

1.本公开涉及脊波导缝隙天线领域，尤其涉及到一种一体化宽带脊波导缝隙天线及天线阵列。


背景技术：

2.最近十几年，随着对雷达抗干扰要求的提高，对波导缝隙阵天线的研究不断扩展。波导缝隙天线由于具有辐射效率高、结构紧凑、易于实现低副瓣、性能稳定可靠等诸多优点，在需要窄波束或赋性波束的弹载、机载雷达设备中获得了广泛应用。波导缝隙阵天线具有口面场分布容易控制、天线口径效率高、性能稳定结构简单紧凑、强度高、安装方便等特点，而且容易实现窄波束、低副瓣乃至超低副瓣。在不对称脊波导宽边中心线上开缝的缝隙天线形式，利用不对称脊波导段的不对称程度来控制每个缝隙辐射出的能量，天线结构复杂，加工难度较大。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本公开的主要目的在于提供一种一体化宽带脊波导缝隙天线及天线阵列，以期部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
4.本公开一方面提供一种一体化宽带脊波导缝隙天线，包括：
5.电磁波端口，用于接收第一电磁波，并向波导腔功分器发送上述第一电磁波；波导腔功分器包括：一级波导腔功分器、第一二级波导腔功分器和第二二级波导腔功分器；上述一级波导腔功分器、上述第一二级波导腔功分器和上述第二二级波导腔功分器各自包括一个输入端和两个输出端；上述一级波导腔功分器的输入端连接上述电磁波端口，上述一级波导腔功分器的两个输出端分别连接上述第一二级波导腔功分器和上述第二二级波导腔功分器的输入端，上述第一二级波导腔功分器和上述第二二级波导腔功分器的两个输出端连接上述金属脊波导；上述一级波导腔功分器、上述第一二级波导腔功分器和上述第二二级波导腔功分器用于将上述第一电磁波分为四部分；以及金属脊波导，用于根据上述四部分的电磁波，向天线外部发送第二电磁波，上述金属脊波导上设置有缝隙。
6.根据本公开的实施例，上述金属脊波导包括：p个第一脊波导单元和q个第二脊波导单元。
7.按照p/2个第一脊波导单元分别位于两侧、q个第二脊波导单元位于中心的排列顺序，将上述p个第一脊波导单元和上述q个第二脊波导单元设置于预设直线方向上，p和q为正偶数。
8.根据本公开的实施例，上述天线还包括：
9.上述第一二级波导腔功分器的一个输出端连接一侧上述p/2个第一脊波导单元，上述第一二级波导腔功分器的另一个输出端连接与上述一侧p/2个第一脊波导单元相邻的q/2个第二脊波导单元；上述第二二级波导腔功分器与上述第一二级波导腔功分器相邻的输出端连接其余q/2个第二脊波导单元，上述第二二级波导腔功分器另一个输出端连接其
余p/2个第二脊波导单元。
10.根据本公开的实施例，上述第一二级波导腔功分器和上述第二二级波导腔功分器的部分波导腔设置于上述第一脊波导单元和第二脊波导单元的脊内部，上述第一脊波导单元和上述第二脊波导单元的壁分别为上述部分波导腔的腔壁。
11.根据本公开的实施例，上述天线中，p＝2，q＝2。
12.根据本公开的实施例，上述第一脊波导单元包括m个缝隙；上述第二脊波导单元包括n个缝隙。
13.上述m个缝隙设置于与上述第一二级波导腔功分器相对的上述第一脊波导单元的波导面上，并贯穿上述第一脊波导单元的波导面；上述n个缝隙设置于与上述第二二级波导腔功分器相对的上述第二脊波导单元的波导面上，并贯穿上述第二脊波导单元的波导面；上述缝隙依次排列在上述第一脊波导单元和第二脊波导单元在上述预设直线方向的对称轴上，向天线外部发送上述第二电磁波，m和n为正整数。
14.根据本公开的实施例，上述天线中，m＝4，n＝2。
15.根据本公开的实施例，上述天线还包括：
16.上述金属脊波导在垂直于上述预设直线方向的两端分别设置有固定接口，用于固定上述天线。
17.根据本公开的实施例，上述缝隙长为16.4mm，上述缝隙宽为2mm；上述金属脊波导的宽度不大于16mm，上述金属脊波导的长度不大于263mm，上述长度方向为上述预设直线方向；上述电磁波端口接收工作带宽为8.85-10.35ghz的第一电磁波；上述天线垂直于上述金属脊波导所在平面的厚度不大于60mm。
18.本公开另一方面提供一种一体化宽带脊波导缝隙天线阵列，包括：
19.在与预设直线垂直的方向排列的r个一体化宽带脊波导缝隙天线；上述一体化宽带脊波导缝隙天线为权利要求1-9中任一项上述的天线，设置上述天线安装在同一高度上，r为不小于2的整数。
20.基于上述技术方案可以看出，本公开的实施例相对于现有技术具有如下有益效果：
21.一体化宽带脊波导缝隙天线可以通过波导腔功分器得到的不同能量的电磁波，通过金属脊波导将电磁波均匀向外发射，过程中可以优化阻抗匹配，实现一体化同时在宽带范围内具有良好的阻抗匹配系数，且保证良好的方向图特性。
附图说明
22.图1示意性示出了根据本公开的实施例的一体化宽带脊波导缝隙天线的整体结构示意图；
23.图2示意性示出了根据本公开的实施例的一体化宽带脊波导缝隙天线的波导腔功分器和金属脊波导交叠的示意图；
24.图3示意性示出了根据本公开的实施例的一体化宽带脊波导缝隙天线的外部尺寸示意图；
25.图4示意性示出了根据本公开的实施例的一体化宽带脊波导缝隙天线的四单元波导天线端口驻波仿真示意图；
26.图5示意性示出了根据本公开的实施例的一体化宽带脊波导缝隙天线的俯仰向方向增益仿真示意图；
27.图6示意性示出了根据本公开的实施例的一体化宽带脊波导缝隙天线的方位向方向增益仿真示意图；
28.图7示意性示出了根据本公开的实施例的一体化宽带脊波导缝隙天线阵列的俯仰向方向电磁波振幅示意图；
29.图8示意性示出了根据本公开的实施例的一体化宽带脊波导缝隙天线阵列的方位向方向电磁波振幅示意图。
具体实施方式
30.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
31.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
32.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
33.在使用类似于“a、b和c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b和c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。
34.相关技术的天线形式中，宽带脊波导天线由于其高带宽、结构稳定、扫描性能好、易于集成而成为常用的天线形式。现有的方法中一般采用在波导中加脊的方式，改变电磁波在波导中的传输模式，从而在更窄的尺寸下实现更低频的电磁激发与传播。
35.相关技术中不对称脊波导宽边中心线上开缝的缝隙天线形式，利用不对称脊波导段的不对称程度来控制每个缝隙辐射出的能量，天线结构复杂，加工难度较大。天线中部能量较集中，四周能量较低，天线性能变差。
36.由于相关技术中天线的波导长度较大，采用单点中心馈电的方式会导致边缘远处的辐射能量较小，从而无法有效激励缝隙，影响电磁波性能。因此利用多级波导腔功分器的方式对缝隙进行激励。
37.本公开的发明构思通过设计水平极化的脊波导缝隙天线及配套的二级一体化波导腔功分器，在实现一体化的同时实现宽带特性和良好的方向图指标，在方位向具有一维大角度扫描能力。
38.为了至少部分地解决相关技术中存在的技术问题，本公开提供一种一体化宽带脊波导缝隙天线，包括：
39.电磁波端口，用于接收第一电磁波，并向波导腔功分器发送第一电磁波。
40.波导腔功分器包括：一级波导腔功分器、第一二级波导腔功分器和第二二级波导腔功分器。一级波导腔功分器、第一二级波导腔功分器和第二二级波导腔功分器各自包括一个输入端和两个输出端。一级波导腔功分器的输入端连接电磁波端口，一级波导腔功分器的两个输出端分别连接第一二级波导腔功分器和第二二级波导腔功分器的输入端，第一二级波导腔功分器和第二二级波导腔功分器的两个输出端连接金属脊波导。一级波导腔功分器、第一二级波导腔功分器和第二二级波导腔功分器用于将第一电磁波分为四部分。
41.金属脊波导，用于根据四部分的电磁波，向天线外部发送第二电磁波，金属脊波导上设置有缝隙。
42.根据本公开的实施例，电磁波端口可以连接实际需要的电磁波产生装置。
43.根据本公开的实施例，根据相关技术生成的电磁波性能参数和能量大小的限制，设计两级波导腔功分器完成均衡电磁波能量的左右。主要根据实际需要的电磁波对波导腔功分器层级进行限制。在本公开的实施例中，三级及以上的波导腔功分器可能造成不必要的能量损耗。
44.根据本公开的实施例，波导腔功分器中一级波导腔功分器、第一二级波导腔功分器和第二二级波导腔功分器可以对电磁波能量的分流。通过对一级波导腔功分器、第一二级波导腔功分器和第二二级波导腔功分器尺寸细化和改进，改变四部分电磁波包括的能量大小，以便电磁波向外发射时能量均匀。
45.根据本公开的实施例，第一电磁波和第二电磁波工作带宽相同。
46.根据本公开的实施例，可以根据实际需要调节金属脊波导尺寸，确定金属脊波导尺寸后即可确定金属脊波导的传输波导波长区间，基于金属脊波导尺寸和实际需要的电磁波参数，可以对金属脊波导尺寸进行优化，以便通过波导功分器得到的不同激励的馈电信号转换得到电磁波，实现在实际需要的电磁波的工作带宽下得到较好的阻抗匹配特性和方向图性能。
47.根据本公开的实施例，金属脊波导包括：p个第一脊波导单元和q个第二脊波导单元。
48.按照p/2个第一脊波导单元分别位于两侧、q个第二脊波导单元位于中心的排列顺序，将p个第一脊波导单元和q个第二脊波导单元设置于预设直线方向上，p和q为正偶数。
49.根据本公开的实施例，现有的矩形波导在传输电磁场能量的情况下存在较高的截至频率，因此对电磁场的最低频率要求较高，不能很好满足实际需求。选择单脊波导可以在获得较低截至频率的电磁波的同时，改变单脊波导内的电磁场并限制电磁场的传播范围，使得电磁场收缩，以实现脊波导单元体积的缩小。
50.根据本公开的实施例，向波导内部添加脊得到单脊波导，可以基于矩形波导的形状进行改进，将矩形波导的宽壁进行弯折得到单脊波导。金属脊波导可以为类似立方体形状的立体波导。
51.根据本公开的实施例，在考虑相关技术中工艺水平和满足实际需求加工强度的情况下，可以选择波导壁厚为1mm的单脊波导。
52.根据本公开的实施例，第一脊波导单元包括m个缝隙；第二脊波导单元包括n个缝隙。
53.m个缝隙设置于与单脊波导上单脊相对的第一脊波导单元的波导面上，并贯穿第一脊波导单元的波导面；n个缝隙设置于与单脊波导相对的第二脊波导单元的波导面上，并贯穿第二脊波导单元的波导面；缝隙依次排列在第一脊波导单元和第二脊波导单元在预设直线方向的对称轴上，向天线外部发送第二电磁波，m和n为正整数。
54.根据本公开的实施例，可以以与单脊波导上单脊相对的波导面为参考，设置该矩形波导面中较长边的尺寸为该金属脊波导的长对应的尺寸；该矩形波导面中较短边的尺寸为该金属脊波导的宽对应的尺寸；与该矩形波导面所在平面垂直方向的尺寸则为该金属脊波导的宽对应的尺寸，也即该金属脊波导的厚度对应的尺寸。还设置该矩形波导面中较长边的方向为预设直线方向。
55.根据本公开的实施例，可以通过设置第一脊波导单元和第二脊波导单元上的缝隙的个数和尺寸实现对向外发送的电磁波的微调节，以便获得满足不同实际需求的电磁波。可以设置m不等于n，根据实际需要的电磁波能量分布情况调节m和n的具体个数值，以及根据实际需要的电磁波参数确定缝隙的尺寸参数。
56.根据本公开的实施例，该天线还包括：
57.第一二级波导腔功分器的一个输出端连接一侧p/2个第一脊波导单元，第一二级波导腔功分器的另一个输出端连接与该侧p/2个第一脊波导单元相邻的q/2个第二脊波导单元。
58.第二二级波导腔功分器与第一二级波导腔功分器相邻的输出端连接其余q/2个第二脊波导单元，第二二级波导腔功分器另一个输出端连接其余p/2个第二脊波导单元。
59.根据本公开的实施例，第一二级波导腔功分器和第二二级波导腔功分器的部分波导腔设置于第一脊波导单元和第二脊波导单元的脊内部，第一脊波导单元和第二脊波导单元的壁分别为部分波导腔的腔壁。
60.根据本公开的实施例，可以将第一脊波导单元或第二脊波导单元结构视为一个天线单元，可以有一个或多个天线单元连接第一二级波导腔功分器或第二二级波导腔功分器的任一输出端。将第一二级波导腔功分器和第二二级波导腔功分器的部分结构镶嵌到脊波导单元的单脊内部，可以有效利用脊波导单元单脊内部的空间。脊波导单元的部分体积和第一二级波导腔功分器或第二二级波导腔功分器的部分体积存在交叠，这种一体化交叠的设计，可以进一步减一体化宽带脊波导缝隙天线的宽度和厚度。
61.根据本公开的实施例，在考虑相关技术的工艺水平和满足实际需求进行发射的电磁波的情况下，可以在天线单元上设置4-16个缝隙。
62.下面参考图1～图3，结合具体实施例对一体化宽带脊波导缝隙天线结构做进一步说明。
63.图1示意性示出了根据本公开的实施例的一体化宽带脊波导缝隙天线的整体结构示意图。
64.如图1所示，一体化宽带脊波导缝隙天线可以包括4个天线单元，其中包括2个第一脊波导单元和2个第二脊波导单元。2个第一脊波导单元分别位于一体化宽带脊波导缝隙天线的两侧，2个第二脊波导单元位于中部，一级波导腔功分器、第一二级波导腔功分器和第二二级波导腔功分器按照上述位置关系设置，第一二级波导腔功分器和第二二级波导腔功分器的4个输出端各自连接一个天线单元。第一二级波导腔功分器和第二二级波导腔功分
器之间还包括金属连接介质。
65.根据本公开的实施例，该天线还包括：
66.金属脊波导在垂直于预设直线方向的两端分别设置有固定接口，用于固定天线。
67.根据本公开的实施例，固定件可以为该天线的外接固定结构。
68.根据本公开的实施例，该天线还包括：
69.对第一二级波导腔功分器和第二二级波导腔功分器之间的金属连接介质进行镂空处理。
70.根据本公开的实施例，在考虑相关技术中工艺水平和满足实际需求加工强度的情况下，对该金属连接介质进行镂空处理，以便减轻一体化宽带脊波导缝隙天线的整体重量，节省资源。
71.图2示意性示出了根据本公开的实施例的一体化宽带脊波导缝隙天线的波导腔功分器和金属脊波导交叠的示意图。
72.如图2所示，第一二级波导腔功分器和第二二级波导腔功分器连接金属脊波导，第一二级波导腔功分器和第二二级波导腔功分器的部分波导腔设置于脊波导单元的单脊内部，部分波导腔与脊波导单元的单脊共用壁，可以减小天线单元的宽度和厚度。一级波导腔功分器输入端连接电磁波端口。
73.根据本公开的实施例，在实际需要电磁波的工作带宽在8.85-10.35ghz的情况下，可以以工作带宽内最低频率的半波长为基础，联合一体化宽带脊波导缝隙天线的整体结构和加工难度，对天线尺寸进行优化。
74.图3示意性示出了根据本公开的实施例的一体化宽带脊波导缝隙天线的外部尺寸示意图。
75.如图3所示，可以基于实际需要电磁波的工作带宽和一体化宽带脊波导缝隙天线的结构设计，设置一体化宽带脊波导缝隙天线的宽度不超过16mm，长度不超过263mm，厚度不超过60mm。
76.根据本公开的实施例，可以基于实际需要电磁波的工作带宽和电磁波向外发射时的能量分布情况，设置一体化宽带脊波导缝隙天线包括包括2个第一脊波导单元和2个第二脊波导单元，第一脊波导单元包括4个缝隙，第二脊波导单元包括2个缝隙。缝隙设置在一体化宽带脊波导缝隙天线宽度方向的对称轴上，每个缝隙长度为16.4mm，宽度为2mm，缝隙间距可以根据电磁波向外发射时的能量分布情况适当调整。
77.下面参考图4～图8，结合具体实施例对一体化宽带脊波导缝隙天线良好的方向图特性做进一步说明。
78.图4示意性示出了根据本公开的实施例的一体化宽带脊波导缝隙天线的四单元波导天线端口驻波仿真示意图。
79.如图4所示，在确定一体化宽带脊波导缝隙天线的尺寸后，在电磁波端口输入的电磁波为8.85-10.35ghz的1.5ghz的带宽范围内，电磁波端口的驻波比反射系数都在1.6以下。
80.根据本公开的实施例，在实际使用中，一体化宽带脊波导缝隙天线的宽度方向所在平面平行于水平面，一体化宽带脊波导缝隙天线的长度方向所在平面垂直于水平面，设置一体化宽带脊波导缝隙天线的宽度方向为方位向，一体化宽带脊波导缝隙天线的长度方
向为俯仰向。
81.图5示意性示出了根据本公开的实施例的一体化宽带脊波导缝隙天线的俯仰向方向增益仿真示意图。
82.图6示意性示出了根据本公开的实施例的一体化宽带脊波导缝隙天线的方位向方向增益仿真示意图。
83.如图5和图6所示，在确定一体化宽带脊波导缝隙天线的尺寸后，一体化宽带脊波导缝隙天线在8.85-10.35ghz的带宽范围内仿真得到的俯仰向方向增益和方位向方向增益近似对称，方向图指标较好。
84.根据本公开的实施例，在实际使用中，可以将一体化宽带脊波导缝隙天线在宽度方向上排列组成一体化宽带脊波导缝隙天线阵列。天线阵列可以包括在与预设直线垂直的方向排列的r个一体化宽带脊波导缝隙天线，设置天线安装在同一高度上，r为不小于2的整数。
85.根据本公开的实施例，根据实际需求可以设置48个一体化宽带脊波导缝隙天线进行排列组装，得到一体化宽带脊波导缝隙天线阵列。
86.图7示意性示出了根据本公开的实施例的一体化宽带脊波导缝隙天线阵列的俯仰向方向电磁波振幅示意图。
87.如图7所示，一体化宽带脊波导缝隙天线阵列在9.6ghz的工作频率时，俯仰向的波束指向为0.03
°
，左侧第一副瓣的振幅为-18.3db，右侧第一副瓣的振幅为-22.31db，3db波束宽度为6.00
°
，方向图指标较好。
88.图8示意性示出了根据本公开的实施例的一体化宽带脊波导缝隙天线阵列的方位向方向电磁波振幅示意图。
89.如图8所示，一体化宽带脊波导缝隙天线阵列在9.6ghz的工作频率时，方位向的波束指向为-0.00
°
，左侧第一副瓣的振幅为-13.04db，右侧第一副瓣的振幅为-12.97db，3db波束宽度为2.00
°
，方向图指标较好，方位向具有一维大角度扫描能力。
90.以上具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。