一种基于标准矩形波导的大角度混合馈电频率扫描天线的制作方法

本发明属于频扫天线领域，具体涉及一种基于标准矩形波导的大角度混合馈电频率扫描天线。

背景技术：

频扫天线作为电扫天线的一种，具有波束指向和波束形状变化快速、易于形成多个波束、结构简单、成本低等优点，早在20世纪60年代就已装备部队，并得到广泛应用。但由于频扫天线的馈电一般采用慢波线串馈结构，比如：文献1(倪晶.频扫天线阵列多功能、高效率和高频段的应用与研究[D].南京理工大学,2012.)此阵列采用一般的矩形波导形成慢波线结构,微带贴片天线构成辐射单元,通过混合馈电结构实现下层波导慢波线至上层微带贴片的能量耦合，实现了大角度扫描，具有波束指向和波束形状变化快速、易于形成多个波束、结构简单、成本低等优点，但未提及基于标准波导慢波线的E面180°波导弯头的设计，以及相邻缝之间相位调整的方法。文献2(宋小弟,汪伟,金谋平,等.一种Ku波段混合馈电频扫天线阵设计[J].电波科学学报,2016,31(2).)实现了大角度扫描，但未提出耦合缝对相位的影响，以及对相位修正的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于标准矩形波导的大角度慢波线频扫天线。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于标准矩形波导的大角度慢波线频扫天线，包括从上至下依次设置的标准矩形波导慢波线、下层微带、中间泡沫层和上层微带，所述标准矩形波导慢波线、下层微带、中间泡沫层和上层微带四者相互平行，且下层微带、中间泡沫层和上层微带在底面的投影与标准矩形波导慢波线重合，所述标准矩形波导慢波线包括直线波导段和连接直线波导段的弯头，所述弯头为E面180°弯头，所述直线波导段中心位置设置裂缝，缝隙的参数满足泰勒加权分布。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：1)本发明采用E面180°弯头，降低了慢波线本身的驻波；2)本发明最上层微带天线单元位于介质板下方，介质板起到天线罩的作用，不用外加天线罩，降低剖面，减小体积；3)本发明利用相邻裂缝之间的导线长度修正相位，降低副瓣。

附图说明

图1是本发明基于标准矩形波导的大角度混合馈电频率扫描天线的结构图，其中图(a)为三维图，图(b)为分层结构图。

图2是本发明基于标准矩形波导的大角度混合馈电频率扫描天线的缝隙结构俯视图。

图3是本发明基于标准矩形波导的大角度混合馈电频率扫描天线的上层金属微带贴片层结构的俯视图。

图4是本发明基于标准矩形波导的大角度混合馈电频率扫描天线的下层金属微带贴片层结构的俯视图。

图5是本发明实施例基于标准矩形波导的大角度混合馈电频率扫描天线的最下层慢波线上缝隙长度尺寸曲线图。

图6是本发明实施例基于标准矩形波导的大角度混合馈电频率扫描天线的最下层慢波线上缝隙倾角角度曲线图。

图7是本发明实施例基于标准矩形波导的大角度混合馈电频率扫描天线的反射系数和传输系数曲线图。

图8是本发明实施例基于标准矩形波导的大角度混合馈电频率扫描天线的驻波曲线图。

图9是本发明实施例基于标准矩形波导的大角度混合馈电频率扫描天线的随频率变化的归一化辐射方向图。

图10是本发明实施例基于标准矩形波导的大角度混合馈电频率扫描天线的随频率变化的副瓣曲线图。

图11是本发明实施例基于标准矩形波导的大角度混合馈电频率扫描天线的随频率变化的增益曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步说明本发明方案。

一种基于标准矩形波导的大角度慢波线频扫天线，包括从上至下依次设置的标准矩形波导慢波线1、下层微带3、中间泡沫层4和上层微带5，所述标准矩形波导慢波线1、下层微带3、中间泡沫层4和上层微带5四者相互平行，且下层微带3、中间泡沫层4和上层微带5在底面的投影与标准矩形波导慢波线1重合，所述标准矩形波导慢波线1包括直线波导段和连接直线波导段的弯头2，所述弯头2为E面180°弯头，所述直线波导段中心位置设置裂缝6，缝隙6的参数满足泰勒加权分布。

所述标准矩形波导慢波线1上相邻裂缝之间的波导长度为整数倍的半波长。

所述标准矩形波导慢波线1上相邻直线波导段之间的距离介于二分之一个波长和一个波长之间。

所述下层微带3包括介质基板，以及设置在介质基板上表面的周期性排布的子阵，相邻子阵间距与相邻直线波导段之间的距离相等；所述每个子阵的中心设置金属贴片，中心贴片两边设置若干微带天线单元，相邻微带天线单元的间距介于二分之一个波长和一个波长之间。

所述下层微带3子阵中心在底面的投影与标准矩形波导慢波线1裂缝6的中心重合。

所述下层微带3的所有金属贴片的尺寸一致，所有微带天线单元的尺寸一致。

所述上层微带5包括介质基板，以及设置在介质基板上的周期性排布的子阵，相邻子阵间距与相邻直线波导段之间的距离相等；所述每个子阵设置若干微带天线单元，相邻微带天线单元的间距介于二分之一个波长和一个波长之间。

所述上层微带5子阵中心在底面的投影与标准矩形波导慢波线1裂缝6的中心重合。

所述上层微带5所有微带天线单元的尺寸一致。

本发明的工作原理为：该波导慢波线窄边开缝天线为频扫天线，在波导的一端注入激励信号进行馈电，另一端接负载吸收剩余功率。天线分为四层，上层微带层、中间泡沫层、下层微带层以及最下层波导慢波线。在最下层波导慢波线的窄边开尺寸不同的倾斜缝隙，通过缝隙给上面一层的微带天线阵列进行馈电，双层的微带结构起到展宽带宽的作用，通过微带天线阵列向上进行辐射。通过对缝隙参数设置不同，进行幅度加权，可以实现低副瓣。随着天线工作频率的变化，天线方向图主波束指向也随之变化，使得天线具有频率扫描特性。

本发明具有的天线具有高增益、大角度扫描、低副瓣、高效率、低损耗、优良的辐射特性、结构紧凑，加工方便等优点，可通过结构参数的缩放，适用于微波和毫米波等不同波段。

实施例1

如图所示，基于标准矩形波导的大角度慢波线频扫天线，包括从上至下依次设置的标准矩形波导慢波线1、下层微带3、中间泡沫层4和上层微带5，所述标准矩形波导慢波线1、下层微带3、中间泡沫层4和上层微带5四者相互平行，且下层微带3、中间泡沫层4和上层微带5在底面的投影与标准矩形波导慢波线1重合。所述标准矩形波导慢波线1包括直线波导段和连接直线波导段的弯头2，所述弯头2为E面180°弯头，所述直线波导段中心位置设置不同的裂缝6，缝隙6的参数满足泰勒加权分布。所述下层微带3和上层微带5为周期性结构，下层微带3和上层微带5周期性结构的每一列俯仰维的中心位置与标准矩形波导慢波线1裂缝的中心位置重合。

本实施例天线天线的具体尺寸如下：天线总长L＝584mm，宽度W＝150mm，采用BJ-180型号的波导，口径为a＝12.96mm，b＝6.48mm，波导壁厚1mm，180°E面弯头2的内拐角的倒角半径为0.5mm，下层微带[3]周期性结构的相邻两列之间的间距为10mm，每一列的单元之间俯仰维的间距为15.5mm，中间泡沫层4的厚度为2mm，上层微带5周期性结构的相邻两列之间的间距为10mm，每一列的单元之间俯仰维的间距为15.5mm，标准矩形波导慢波线1两相邻缝隙6中心的间距为10mm。本实施例中最下层慢波线上缝隙长度尺寸如图5所示，缝隙倾角角度如图6所示。

采用ANSYS公司的商业全波电磁仿真软件HFSS进行仿真，仿真反射系数曲线和传输系数如图7所示，可以看出在15.7GHz-16.95GHz频带内除中心频点16.325GH在附近的频带内，S11均小于-30dB，S21均在-13dB以下，VSWR小于1.1，VSWR大于1.6的频带范围约为60MHz。随频率变化的天线扫描归一化方向图如图9所示，工作频带内随频率变化的天线副瓣如图10所示，工作频带内随频率变化的天线增益如图11所示，可以看出，除中心频点16.325GH在附近的频带内，副瓣低于-27dB，增益高于26.5dB，主波束扫描角范围为-46.3°至45.5°。

由上可知，本实施例利用设计的波导慢波线的缝隙角度和尺寸，得到较低的天线副瓣；利用波导180°E面弯头，降低了整个天线的驻波；利用相邻缝之间波导的长度，补偿了耦合缝带来的相位差，改善了方向图，降低了副瓣。