超宽带毫米波线极化波导缝隙阵列天线的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种超宽带毫米波线极化波导缝隙阵列天线，属于微波探测【技术领域】。本发明的波导缝隙阵列天线利用多功分馈电网络与波导缝隙辐射阵相结合，应用天馈系统一体化设计思路，对天线进行了仿真与设计。通过改变HT功分器网络各个端口的幅值，实现了低驻波、高增益、低副瓣和宽波束等特点，实现了超宽频带宽度，频带宽度与中心频率之比达6.6%。在结构上，整个天线包括底板、馈电网络和辐射部分，大大简化了仿真和加工制造的工作量，将加工误差也降到了最小，压缩了天线尺寸，重量较轻，能适应各种场合、实验。本发明可以同时接收/发送信号，适用于Ka波段通信及探测，适合在多种固定和移动平台的通信系统、导航系统及雷达系统中应用。
【专利说明】超宽带毫米波线极化波导缝隙阵列天线
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种超宽带毫米波线极化波导缝隙阵列天线，属于微波探测【技术领域】。
【背景技术】
[0002]波导缝隙阵列天线在窄波束或赋形波束的微波通信和雷达系统中获得了广泛应用。传统的波导缝隙阵列天线设计通过调整缝隙阵的排列和尺寸大小实现高增益、低副瓣等要求，这使得天线结构复杂繁琐，加工难度大，容易造成误差。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是为解决现有波导缝隙阵列天线结构复杂、加工难度大和频带窄的问题，提出一种超宽带毫米波线极化波导缝隙阵列天线，通过运用HT不等功分器网络作为馈电网络，缝隙阵作为天线的辐射部分，二者结合来实现Ka波段波导缝隙阵列天线。
[0004]本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
[0005]超宽带毫米波线极化波导缝隙阵列天线，包括第一子天线、金属墙连接器和第二子天线。第一子天线和第二子天线结构完全相同，均具有接收和发送功能，二者中间由金属墙连接器连接并形成互耦隔离，二者结构关于金属墙连接器对称。
[0006]每个子天线均包括底板、波导馈电网络层和缝隙辐射阵面层。
[0007]所述底板由铝材料制作，其下表面一体加工制作法兰盘、波导转换装置和机械安装孔。法兰盘和机械安装孔位于底板底部，波导转换装置贯穿底板，位于底板中心。其中，波导转换装置实现标准波导到非标准波导的转换，法兰盘是外部波导与天线的连接装置，机械安装孔是固定天线的装置。
[0008]所述波导馈电网络层包括HT功分器网络(H面T形功分器网络)和辐射波导层，HT功分器网络位于波导馈电网络层下表面，辐射波导层位于波导馈电网络层上表面。其中HT功分器网络实现功率分配功能，由三级I分2的HT功分器和一级I分2的90°电桥组成。三级I分2的HT功分器有6个波导口，利用泰勒综合法计算出HT功分器每个端口的电流幅值，通过调节HT功分器的匹配销钉，控制各个端口的幅度，优化每一级功分器。HT功分器网络的每个波导口各自连接一个I分2的90°电桥，形成I分12的波导馈电网络，结构对称且紧凑。每个I分2的90°电桥侧壁上制作阶梯，以改善电桥的驻波比。每个90°电桥的两个输出端口的电磁波存在90°相差，通过调整电桥输出端口的长度，使两个端口的相位和幅度保持一致。而每个90°电桥的两个出口分别连接两次90°弯型波导，使波导口与辐射波导层的波导连接。所述辐射波导层是由12条辐射波导组成，波导等间距平行排列，辐射波导层波导的短路面位置平齐。
[0009]所述缝隙辐射阵面层包括4X12的缝隙阵，每列缝隙中心位置对应辐射波导层的波导中心位置，根据辐射波导层的波导中心对称排列。对应每个辐射波导层波导的位置，开4个缝隙，组成4X12的缝隙阵列。[0010]所述金属墙连接器采用金属单墙连接器或者金属双墙连接器，由铝材料制作，采用一体工艺加工完成。金属单墙连接器的功能一是连接两个子天线；二是实现两个子天线互耦隔离。而金属双墙连接器比金属单墙连接器能更好提高天线隔离度，更容易实现两个子天线互耦隔离。金属单墙连接器呈“士”字形，两端连接两个子天线，上端为隔离墙；金属双墙连接器在金属单墙连接器基础上多一个并排的隔离墙。
[0011]上述组成部分的连接关系为:子天线的底板上表面与波导馈电网络层的下表面由销钉定位，钎焊工艺焊接固定，再将波导馈电网络层的上表面与缝隙辐射阵面层由销钉定位，钎焊工艺焊接固定，组成子天线。将两个组装好的子天线由金属墙连接器的两边插入，将螺孔对好，用螺钉固定，形成波导缝隙阵列天线。
[0012]本发明的波导缝隙阵列天线发射电磁波信号的工作过程为:需要发射的信号经由外部接口进入底板的天线馈入端口，通过波导转换装置，信号进入波导馈电网络层的HT功分器网络。通过每一级HT功分网络进行功率分配，使信号到达各个端口的电流幅值都满足泰勒加权值。然后信号进入90°电桥，通过改变电桥输出波导的长度，对造成相位超前的信号进行修改，使即将进入辐射波导的每一路信号都等幅同相。最后，信号通过两次90°弯波导进入波导馈电网络层的辐射波导层，通过缝隙辐射阵面层形成线极化波辐射出去。
[0013]本发明的波导缝隙阵列天线接收电磁波信号的工作过程为:自由空间的电磁波信号经由缝隙辐射阵面层形成导行电磁波信号进入波导馈电网络层的辐射波导层；该信号通过两次90°弯形波导进入90°电桥电路；两路信号经过90°电桥后合成一路信号，进入到HT功分器网络；最后经由底板的波导转换装置，进入下一个连接器件，以供进一步处理。
[0014]有益结果
[0015]本发明的波导缝隙阵列天线利用多功分馈电网络与波导缝隙辐射阵相结合，应用天馈系统一体化设计思路，对天线进行了仿真与设计。通过改变HT功分器网络各个端口的幅值，实现了低驻波、高增益、低副瓣和宽波束等特点，特别是实现了超宽频带宽度，频带宽度与中心频率之比达6.6%。在结构上，整个天线包括底板、馈电网络和辐射部分，大大简化了仿真和加工制造的工作量，将加工误差也降到了最小，压缩了天线尺寸，重量较轻，能适应各种场合、实验。本发明可以同时接收/发送信号，适用于Ka波段通信及探测，适合在多种固定和移动平台的通信系统、导航系统及雷达系统中应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1:本发明的天线底盘结构示意图；其中(a)为底盘俯视图，(b)为底盘后视图，(C)为底盘左视图；
[0017]图2:本发明的波导馈电网络层结构示意图；其中(a)为HT功分器网络，(b)为辐射波导，(c)为波导馈电网络层侧视图；
[0018]图3:本发明的缝隙辐射阵面层，其中(a)为上表面的辐射缝隙阵列，(b)为缝隙辐射阵面层侧视图；
[0019]图4:本发明的单个子天线爆炸图；
[0020]图5:本发明的单个子天线组装图；其中(a)为单个子天线俯视图，(b)为单个子天线侧视图，(c)为单个子天线左视图；
[0021]图6:本发明的金属单墙连接器；其中(a)为后视图，(b)为侧视图，(C)为左视图；[0022]图7:本发明的金属双墙连接器；其中(a)为后视图，(b)为侧视图，(C)为左视图；
[0023]图8:本发明的波导缝隙阵天线爆炸图；
[0024]图9:本发明的波导缝隙阵天线组装图；
[0025]图10:【具体实施方式】中I号2号天线的驻波比；
[0026]图11:【具体实施方式】中I号天线fQ-850MHZ方向图；
[0027]图12:【具体实施方式】中I号天线&方向图；
[0028]图13:【具体实施方式】中I号天线fQ+850MHz方向图；
[0029]图14:【具体实施方式】中2号天线fQ-850MHZ方向图；
[0030]图15:【具体实施方式】中2号天线fQ方向图；
[0031]图16:【具体实施方式】中2号天线fQ+850MHz方向图；
[0032]标号说明:1_底板、2-波导馈电网络层、3-缝隙辐射阵面层、4-法兰盘、5-波导转换装置、6-调谐孔、7-HT功分器网络、8-90°电桥、9-辐射波导、10-缝隙阵列、11-天线馈入端口、12-输出端口、13-机械安装孔、14-90°弯型波导、15-匹配销钉。
【具体实施方式】
[0033]为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0034]实施例
[0035]超宽带毫米波线极化波导缝隙阵列天线，如图8所示，包括第一子天线、金属墙连接器和第二子天线。第一子天线和第二子天线结构完全相同，均具有接收和发送功能，二者中间由金属墙连接器连接并形成互耦隔离，二者结构关于金属墙连接器对称。
[0036]每个子天线均包括底板1、波导馈电网络层2和缝隙辐射阵面层3，如图4所示。
[0037]所述底板I由铝材料制作，其下表面一体加工制作法兰盘4、波导转换装置5和机械安装孔13，如图1所示。法兰盘4和机械安装孔13位于底板I底部，波导转换装置5贯穿底板1，位于底板I中心。其中，波导转换装置5实现标准波导到非标准波导的转换，法兰盘4是外部波导与天线的连接装置，机械安装孔13是固定天线的装置。
[0038]所述波导馈电网络层2包括HT功分器网络7 (H面T形功分器网络)和辐射波导层，如图2所示。HT功分器网络位于波导馈电网络层下表面，辐射波导层位于波导馈电网络层上表面。其中HT功分器网络实现功率分配功能，由三级I分2的HT功分器和一级I分2的90°电桥8组成。三级I分2的HT功分器有6个波导口，利用泰勒综合法计算出HT功分器每个端口的电流幅值，通过控制各个端口的幅度，优化每一级功分器。HT功分器网络的每个波导口各自连接一个I分2的90°电桥，形成I分12的波导馈电网络，结构对称且紧凑。每个I分2的90°电桥侧壁上制作阶梯，以改善电桥的驻波比。每个90°电桥的两个输出端口的电磁波存在90°相差，通过调整电桥输出端口的长度，使两个端口的相位和幅度保持一致。而每个90°电桥的两个出口分别连接两次90°弯型波导，使波导口与辐射波导层的波导连接。所述辐射波导层是由12条辐射波导9组成，波导等间距平行排列，辐射波导层波导的短路面位置平齐。
[0039]本实施例整体材质为硬铝材料，其外表面做黄色导电氧化处理，起到更好的保护作用。[0040]本实施例的尺寸为99.67X100.2X23 (mm)。
[0041]由图10看出，天线工作带宽1.5GHz，电压驻波比小于1.8。
[0042]将本实施例制作的天线在暗室中运用安捷伦8363B矢量网络分析仪进行测试，所得实测结果如图10至16所示。从中可以看出，水平维副瓣电平可以达到_20dB，俯仰维副瓣电平小于-12dB，水平维3dB波瓣宽度实现大于±16°，俯仰维3dB波瓣宽度实现大于±16°，天线实测隔离度为小于_65dB。
[0043]由阵列天线在暗室中测试得到的表1可以看出，本实施例的阵列天线在低、中、高三个频点上增益均大于23dB。
[0044]表1波导缝隙阵列天线增益测试结果
[0045]
【权利要求】
1.超宽带毫米波线极化波导缝隙阵列天线，其特征在于:包括第一子天线、金属墙连接器和第二子天线；第一子天线和第二子天线结构完全相同，均具有接收和发送功能，二者中间由金属墙连接器连接并形成互耦隔离，二者结构关于金属墙连接器对称； 每个子天线均包括底板、波导馈电网络层和缝隙辐射阵面层； 所述底板由铝材料制作，其下表面一体加工制作法兰盘、波导转换装置和机械安装孔；法兰盘和机械安装孔位于底板底部，波导转换装置贯穿底板，位于底板中心； 所述波导馈电网络层包括HT功分器网络和辐射波导层，HT功分器网络位于波导馈电网络层下表面，辐射波导层位于波导馈电网络层上表面；其中HT功分器网络实现功率分配功能，由三级I分2的HT功分器和一级I分2的90°电桥组成；三级I分2的HT功分器有6个波导口，利用泰勒综合法计算出HT功分器每个端口的电流幅值，通过调节HT功分器的匹配销钉，控制各个端口的幅度，优化每一级功分器；HT功分器网络的每个波导口各自连接一个I分2的90°电桥，形成I分12的波导馈电网络，结构对称；每个90°电桥的两个输出端口的电磁波存在90°相差，通过调整电桥输出端口的长度，使两个端口的相位和幅度保持一致；每个90°电桥的两个出口分别连接两次90°弯型波导，使波导口与辐射波导层的波导连接； 所述辐射波导层是由12条辐射波导组成，波导等间距平行排列，辐射波导层波导的短路面位置平齐； 所述缝隙辐射阵面层包括4X12的缝隙阵，每列缝隙中心位置对应辐射波导层的波导中心位置，根据辐射波导层的波导中心对称排列；对应每个辐射波导层波导的位置，开4个缝隙，组成4X12的缝隙阵列； 上述组成部分的连接关系为:子天线的底板上表面与波导馈电网络层的下表面由销钉定位，钎焊工艺焊接固定，再将波导馈电网络层的上表面与缝隙辐射阵面层由销钉定位，钎焊工艺焊接固定，组成子天线；将两个组装好的子天线由金属墙连接器的两边插入，将螺孔对好，用螺钉固定，形成波导缝隙阵列天线。
2.根据权利要求1所述的超宽带毫米波线极化波导缝隙阵列天线，其特征在于:所述金属墙连接器采用金属单墙连接器或者金属双墙连接器，由铝材料一体加工制作；金属单墙连接器连接两个子天线，并实现两个子天线互耦隔离；金属双墙连接器比金属单墙连接器的天线隔离度高；金属单墙连接器呈“士”字形，两端连接两个子天线，上端为隔离墙；金属双墙连接器在金属单墙连接器基础上多一个并排的隔离墙。
3.根据权利要求1所述的超宽带毫米波线极化波导缝隙阵列天线，其特征在于:每个I分2的90°电桥侧壁上制作阶梯。
4.根据权利要求1所述的超宽带毫米波线极化波导缝隙阵列天线，其特征在于:波导转换装置实现标准波导到非标准波导的转换，法兰盘是外部波导与天线的连接装置，机械安装孔是固定天线的装置。
5.根据权利要求1所述的超宽带毫米波线极化波导缝隙阵列天线，其特征在于:发射信号经由外部接口进入底板的天线馈入端口，通过波导转换装置，进入波导馈电网络层的HT功分器网络；通过每一级HT功分网络进行功率分配，使信号到达各个端口的电流幅值都满足泰勒加权值；然后信号进入90°电桥，通过改变电桥输出波导的长度，对造成相位超前的信号进行修改，使进入辐射波导的每一路信号都等幅同相；最后，信号通过两次90°弯波导进入波导馈电网络层的辐射波导层，通过缝隙辐射阵面层形成线极化波辐射出去。
6.根据权利要求1所述的超宽带毫米波线极化波导缝隙阵列天线，其特征在于:空间的电磁波信号经 由缝隙辐射阵面层形成导行电磁波信号进入波导馈电网络层的辐射波导层；信号通过两次90°弯形波导进入90°电桥电路；两路信号经过90°电桥后合成一路信号，进入到HT功分器网络；最后经由底板的波导转换装置，进入下一个连接器件。
【文档编号】H01Q21/00GK103811877SQ201410055256
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年2月18日 优先权日:2014年2月18日
【发明者】刘埇, 吴昱明, 赵鹏飞, 卢宏达, 刘嘉琳, 李庆 申请人:北京理工大学