本发明属于天线技术领域，具体涉及一种结构紧凑的轻质高效缝隙天线及天线阵。
背景技术：
适合用于低频段工作的平面天线阵的辐射天线有多种形式，如波导缝隙天线阵和微带贴片天线。
微带天线由于其具有剖面低、重量轻、易于加工和易于与其他有源器件集成等众多优点而在相控阵雷达天线中得到大量的应用，但其带宽较窄，特别是对于一些一维扫描的相控阵天线中，为了节约成本，需要将天线之间通过功分网络连接起来组成子阵形式，以子阵为天线单元进行扫描，导致其因损耗大而造成整个天线阵的效率下降，进而限制其应用范围；而波导缝隙天线阵具有效率高、幅相易控制、加工简单的优点，但其在低频段波导管结构尺寸较大，导致天线剖面高且质量较大，虽然通过加脊技术能够减小波导腔体的大小，但加脊后增加了波导天线的加工难度，同时对于低频率机载平台和星载平台来说，加脊后馈电波导尺寸仍过大，不能满足要求。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于：如何实现波导缝隙天线的小型化、低剖面、高效率。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种结构紧凑的轻质高效缝隙天线，包括一金属空腔，所述金属空腔为长方体型，金属空腔包括上端面和下端面，所述上端面的一侧开设有至少一个辐射缝隙组，所述辐射缝隙组与金属空腔长边平行，另一侧对应地开设有阻抗匹配缝隙组，金属空腔内设置有馈电结构，所述馈电结构与辐射缝隙组间耦合馈电；所述下端面为反射面。
优选地，本发明所述的一种结构紧凑的轻质高效缝隙天线，所述辐射缝隙组为多组，所述多组辐射缝隙组等间距排列，且多组辐射缝隙位于同一直线上；所述阻抗匹配缝隙组的数量与辐射缝隙组相同，且多组阻抗匹配缝隙组位于同一直线上；相邻两阻抗匹配缝隙组间的间距与相邻两辐射缝隙组间的间距相同。
优选地，本发明所述的一种结构紧凑的轻质高效缝隙天线，所述辐射缝隙组包括两条辐射缝隙，所述两条辐射缝隙位于同一直线上，并关于上端面的中线对称设置，两辐射缝隙中心点间距以不出现栅瓣为约束。
优选地，本发明所述的一种结构紧凑的轻质高效缝隙天线，所述辐射缝隙的长度为1/2波长，辐射缝隙的宽度为其长度的1/80。
优选地，本发明所述的一种结构紧凑的轻质高效缝隙天线，所述阻抗匹配缝隙组包括位于同一直线的三条阻抗匹配缝隙，所述三条阻抗匹配缝隙的中心点分别与辐射缝隙的中心点及上端面中心点相对应，阻抗匹配缝隙长度的长度为辐射缝隙长度的1/4。
优选地，本发明所述的一种结构紧凑的轻质高效缝隙天线，所述馈电结构包括馈电同轴线和馈电连接器，所述馈电同轴线平行于辐射缝隙设置，且馈电同轴线的中点与金属空腔的中心点相对应，所述馈电连接器与馈电同轴线的中点连接，并形成t型3db功分器。
优选地，本发明所述的一种结构紧凑的轻质高效缝隙天线，所述馈电同轴线包括一长条形金属馈电腔，所述金属馈电腔内设置有金属直导线，所述馈电连接器的内导体伸入到金属馈电腔内并与金属馈电腔内底壁连接。
优选地，本发明所述的一种结构紧凑的轻质高效缝隙天线，所述馈电同轴线的端部与辐射缝隙的中心点相对应。
优选地，本发明所述的一种结构紧凑的轻质高效缝隙天线，所述金属空腔的高度和宽度受电磁波传播和无线输入端口阻抗匹配的约束。
本发明还提供了一种结构紧凑的轻质高效缝隙天线阵，其由上述的任一种结构紧凑的轻质高效缝隙天线平铺形成，其终端短路处与最边缘辐射缝隙中心点的距离为1/4波长。
本发明技术有益效果：
本发明技术方案利用金属同轴线与辐射缝隙之间耦合馈电来代替金属波导管馈电，反射腔体尺寸远小于对应波段波导腔体尺寸，与波导馈电结构相比，其重量减轻约80％，结构尺寸降低3/4；仿真结果表明，该缝隙天线具有低剖面低、高效率的优点；其便于组成平面相控阵天线，适合与机载和星载平台；该缝隙天线的反射腔体及馈电结构全部由金属材料制成，具有损耗小，空间环境适应性好的优点。
附图说明
图1为本发明第一实施例中一种结构紧凑的轻质高效缝隙天线的俯视图；
图2为本发明第一实施例中金属腔体内部结构示意图；
图3为本发明第一实施例中一种结构紧凑的轻质高效缝隙天线作用与l波段的s11参数随频率变化的曲线图；
图4为本发明第一实施例中的一种结构紧凑的轻质高效缝隙天线形成的天线阵结构示意图；
图5为本发明第二实施例中的一种结构紧凑的轻质高效缝隙天线的俯视图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。
参阅图1为本发明第一实施例所述的一种结构紧凑的轻质高效缝隙天线的俯视图，包括一金属空腔1，所述金属空腔1为长方体型，金属空腔1包括上端面和下端面，所述上端面的一侧开设有一个辐射缝隙组，所述辐射缝隙组与金属空腔1长边平行，另一侧对应地开设有阻抗匹配缝隙组，金属空腔1内设置有馈电结构4，所述馈电结构4与辐射缝隙间组耦合馈电；所述下端面为反射面5。通过将馈电结构4与金属腔体1集成为一体来代替传统金属波导管馈电，满足缝隙天线的小型化、低剖面及高效率的要求。
所述辐射缝隙组包括两条辐射缝隙2，两辐射缝隙2位于同一直线上，两条辐射缝隙2关于上端面的中线对称设置，两辐射缝隙2中心点间距以不出现栅瓣为约束；馈电结构4与辐射缝隙2共同构成缝隙天线，两者间通过耦合馈电的形式将能量辐射出去；所述阻抗匹配缝隙组包括位于同一直线的三条阻抗匹配缝隙3，三条阻抗匹配缝隙3的中心点分别与辐射缝隙2的中心点及上端面中心点相对应，即相邻两条阻抗匹配缝隙3的中心点间的距离是同一辐射缝隙组中两条辐射缝隙2的中心点间的距离的一半。
如图2所示，所述馈电结构4包括馈电同轴线5和馈电连接器6，所述馈电同轴线5平行于辐射缝隙2设置，且馈电同轴线5的中点与金属空腔1的中心点相对应，馈电同轴线5的端部与辐射缝隙的中心点相对应，所述馈电连接器6与馈电同轴线5的中点连接，并形成t型3db功分器；馈电连接器6作为天线的输入端口，本实施例优选为50欧姆的sma头商用连接器。
馈电同轴线5的端部加载金属可以加强其与辐射缝隙2之间的能量耦合，因此，馈电同轴线5为全金属结构，具体地，馈电同轴线5包括一长条形金属馈电腔7，所述金属馈电腔7内设置有沿金属馈电腔7长度方向延伸的金属直导线(图中未示出)，所述馈电连接器6的内导体伸入到金属馈电腔7内并与金属馈电腔7内底壁连接。
本实施例中所述辐射缝隙2的长度为1/2波长、宽度为其长度的1/80；同一辐射缝隙组的两辐射缝隙2中心点间距以不出现栅瓣为约束，其具体值受工作频率范围、天线空间扫描角的影响；辐射缝隙2的偏置位置，即辐射缝隙2与上端面中心点的垂直距离与匹配阻抗缝隙3到上端面中心点的垂直距离相等，其具体值通过辐射缝隙组的数量及驻波比进行调整；每条阻抗匹配缝隙3的长度为辐射缝隙2长度的1/4；金属空腔1的高度和宽度受电磁波传播和无线输入端口阻抗匹配的约束，其具体方法为本专业设计人员熟知。
在l波段、频率范围为fl～fh的条件下使用本实施例中的缝隙天线，则该缝隙天线的具体参数如下：
辐射缝隙2的长度为0.48λ、宽度为0.006λ，两辐射缝隙2的中心点间距为0.64λ；辐射缝隙2的偏置值为0.04625λ；金属腔体1的高度为0.15λ、宽度为0.0925λ。
图3给出本实施例所述缝隙天线在l波段、频率范围为fl～fh的条件下工作s11参数随频率变化的曲线，由该曲线可看出，本实施例中的缝隙天线满足工作要求。
上述缝隙天线与t/r组件相连接，并辅以电源、波控和安装构件等可以扩展成大型有源相控天线阵，如图4所示即为由八个本实施例中的缝隙天线平铺所形成的大型有源相控天线阵(电源、波控及安装构件在图中均未示出)，其终端短路处与最边缘辐射缝隙2中心点的距离为1/4波长，即0.24λ。
图5为本发明第二实施例中的一种结构紧凑的轻质高效缝隙天线阵的俯视图，本实施例中的每一缝隙天线中的辐射缝隙组为三组，三组辐射缝隙组等间距排列，且三组辐射缝隙位于同一直线上；所述匹配阻抗缝隙组也为三组，三组匹配阻抗缝隙组位于同一直线上；且相邻两组匹配阻抗缝隙组间的距离与相邻两组辐射缝隙组间的距离相等。其他结构与第一实施例中相同，此处不再赘述。
需要说明的是，上述相邻两组匹配阻抗缝隙组间的距离，指的是相邻两组匹配阻抗缝隙组中相邻的两阻抗匹配缝隙3中心点间的距离；相邻两组辐射缝隙组间的间距，指的是相邻两组辐射缝隙组中相邻的两辐射缝隙2中心点间的距离。
本发明技术方案在上面结合附图对发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性改进，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。