基于脊波导缝隙阵列的Ku波段有源相扫天线的制作方法

本发明涉及一种涉及雷达天线领域，特别涉及一种ku波段脊波导缝隙阵列有源相扫天线，主要应用于一维有源相扫机载成像雷达、战场侦察雷达。

背景技术：

脊波导是矩形波导的一种变形，作为一种常用的导波结构，脊波导是由矩形波导在宽边中心位置向波导内部延伸一个棱脊，一边延伸的称作单脊波导，双边延伸的称作双脊波导。与传统矩形波导相比较，脊波导具有三个优点：(1)宽频带工作，由于棱脊结构的作用，脊波导内导波相比与矩形波导内的导波具有更长的截止波长；(2)结构尺寸小，宽边相同的波导尺寸下，脊波导单模工作带宽更宽，因此相同频率时，脊波导结构尺寸更小；(3)特性阻抗低，与相同尺寸矩形波导相比，脊波导具有更低的等效特性阻抗，与同轴线更易匹配。

机载成像雷达在目标区域的成像范围较宽，采用电控扫描的有源相控阵体制相比较于传统机械扫描体制具有扫描速度快、波束切换灵活的优点。同时，电控扫描不需要专用的机械伺服结构，对于机载平台，雷达整体重量可以大幅降低。在阵列天线口径相同的条件下，相比较于常规一维相控阵列的单列t/r组件方式，配置两列t/r组件，天线系统具有更高的等效辐射功率，大大提高整个雷达的作用距离。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种全新的用于ku波段基于脊波导的有源相扫天线。

技术方案

一种基于脊波导缝隙阵列的ku波段有源相扫天线，包括天线阵面、和差功率分配器、t/r组件和波束控制机；天线阵面通过其馈电端口与t/r组件的通道端口连接，t/r组件的总端口与和差功率分配器的分路端口分别连接；波束控制机对t/r组件进行波速控制；其特征在于所述的天线阵面在方位方向上由左右两列各28条脊波导宽边纵缝线阵组成，28条脊波导宽边纵缝线阵在垂直方向分成7组，相邻两组成错位排列；每条脊波导线阵包含18个宽边纵缝辐射单元和1个中心馈电结构，在天线阵面的方位方向上，左右两列线阵形成一组完整的辐射阵列，通过控制宽边纵缝辐射单元与脊波导轴线之间的偏移量并调节左右t/r组件的相位与幅度一致，实现脊波导线阵的低副瓣幅度分布。

所述的中心馈电结构的包括7个魔t，每个魔t包括上层脊波导、下层脊波导、上层脊波导中的单脊、功分匹配块和两层波导之间的耦合缝隙；上层脊波导与下层脊波导具有相同的尺寸；通过调节耦合缝隙的长度与宽度，实现上层脊波导与下层脊波导之间的电磁能量传输；功分匹配块为一长方体，长度与波导的宽边相等，位于上层波导的上宽边壁上，根据不同功率分配要求，调节其宽度与高度及其相对于耦合缝隙的相对位置，实现上层脊波导与下层脊波导之间的电磁能量的功率分配传输；上层脊波导中的单脊在位于耦合缝隙的上方位置进行切断，通过改变切断后两边单脊的间隔来实现上层脊波导与下层脊波导之间电磁能量的良好传输匹配。

有益效果

本发明提出的一种全新的用于ku波段基于脊波导的有源相扫天线，采用脊波导宽边驻波阵结构设计天线阵面，实现俯仰面±15°相控扫描；脊波导采用中间馈电的方式，简化了脊波导馈电网络的结构设计，满足天线阵列与t/r组件的集成要求；天线阵面由左右两列线阵组成，每列线阵均与t/r组件连接，两列t/r组件共同工作提供发射信号的放大，实现了天线系统更高的等效辐射功率，相比较于配置单列t/r组件的天线系统，理论最高可以增加一倍的雷达作用距离；同时在ku波段具有15％的相对工作带宽，满足成像雷达跳频工作时对带宽的要求；提高了雷达有源天线系统的综合性能，能在工程实践中被大量推广应用。与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明的天线阵面采用脊波导宽边纵缝阵列，阵列采用中心馈电结构进行馈电，阵列具有较宽的工作带宽、通过波导端口与t/r组件集成连接；

2、t/r组件采用左右两列的配置方式，两列t/r组件同时工作，实现天线系统更高的等效辐射功率，增加雷达系统的作用距离；

3、天线阵面采用脊波导形式，缩小波导宽边尺寸，降低线阵之间间距，实现俯仰面-15°～+15°相控扫描。

4、雷达天线阵列在ku波段具有15％的相对工作带宽，满足成像雷达跳频工作时对带宽的要求。

5、错位排列，更加有利于低副瓣幅度分布。

附图说明

图1表示本发明ku波段脊波导缝隙阵列有源相扫天线结构图

图2表示本发明天线阵面前视图

图3表示本发明天线阵面与和差功率分配器后视图

图4馈电结构正面剖视图

图5馈电结构反面剖视图

图6馈电结构半边仿真图

图7馈电结构总体仿真图

图8馈电结构局部放大图

图9表示本发明实施例的实测俯仰面(e面)雷达中心频率±15°范围相控扫描和波束方向图

图10表示本发明实施例的实测方位面(h面)雷达不同频点的和波束方向图

图11表示本发明实施例的实测天线阵列端口电压驻波比曲线图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

基于脊波导的有源相扫天线包括天线阵面1、和差功率分配器2、有源收发组件(t/r组件)3、波束控制机4；所述天线阵面1，在方位方向上由左右两列共计56条脊波导宽边纵缝线阵5组成。每条脊波导线阵5包含18个宽边纵缝辐射单元，在阵面1的方位方向上，左右两列线阵形成一组完整的辐射阵列，通过控制纵缝与脊波导轴线之间的偏移量并调节左右t/r组件3的相位与幅度一致，实现线阵泰勒幅度加权；所述t/r组件3集成了ku波段有源收发组件，数字移相器及数字衰减器，每个组件包含4个t/r通道；所述的脊波导天线阵面通过馈电端口6进行馈电。

参见图1，本发明一种ku波段脊波导有源相扫天线包括天线阵面1、和差功率分配器2、有源收发组件(t/r组件)3及和波束控制机4。天线阵面1上的线阵5的馈电端口6与t/r组件3连接，每个t/r组件的总端口(共14个)与功率分配器2的14个分路端口7分别连接，实现了有源相扫天线的一体化、集成化设计；t/r组件3在波束控制机4的指令下，通过收发转换开关完成发射信号的功率放大、移相，然后送至天线辐射单元；完成接收回波信号的低噪声放大、幅度加权、移相等处理，实现雷达天线波束在空间俯仰面±15°的范围内相控扫描。

参见图2，本发明的天线阵面1正面，包括线阵5。线阵5由水平排列的28组脊波导宽边纵缝驻波天线阵列组成，每组阵列由左右两条脊波导线阵组成。每个辐射波导上缝隙单元间距选为12.36mm，单元数量为36，脊波导尺寸为12.5mm×3mm，其中单脊尺寸为3mm×1mm，相邻脊波导间距为13.5mm。

参见图3，本发明的天线阵面1背面，包括和差功率分配器2、线阵5的馈电端口6、和差功率分配器2的分路端口7及和差功率分配器2的和路口8与差路口9。每个t/r组件的总端口与和差功率分配器2的分路端口7连接，馈电端口6为28组线阵的馈电端口，端口尺寸为12.5mm×3mm，与56个t/r组件通道相连接。

如图4-7所示，每条脊波导线阵5包含18个宽边纵缝辐射单元和1个中心馈电结构，所述的中心馈电结构的包括7个魔t，每个魔t包括上层脊波导14、下层脊波导10、上层脊波导中的单脊11、功分匹配块12和两层波导之间的耦合缝隙13；上层脊波导14与下层脊波导10具有相同的尺寸；通过调节耦合缝隙13的长度与宽度，实现上层脊波导14与下层脊波导10之间的电磁能量传输；功分匹配块12为一长方体，长度与波导的宽边相等，位于上层波导的上宽边壁上，根据不同功率分配要求，调节其宽度与高度及其相对于耦合缝隙13的相对位置，实现上层脊波导14与下层脊波导10之间的电磁能量的功率分配传输；上层脊波导14中的单脊11在位于耦合缝隙13的上方位置进行切断，通过改变切断后两边单脊11的间隔来实现上层脊波导14与下层脊波导10之间电磁能量的良好传输匹配，如图8所示。

本发明雷达频点上实测天线方向图如图9、10所示。

见图9，实测雷达中心频点上，在俯仰面(e面)±15°角度范围天线相控扫描和方向图，在所测角度的最大副瓣也均小于-22db。

见图10，实测方位面(e面)雷达不同频点的方向图，所有频点的最大副瓣均小于-25db。

见图11，实测天线阵列端口电压驻波比曲线图，在ku波段电压驻波比小于2的条件下，具有15％的相对带宽。

从实测方向图中可以看出，中心频率在±15°的扫描范围内，雷达方向图副瓣电平都能达到22db，扫描至15度时，雷达增益较零指向仅下降0.4db左右，能够满足一维有源相扫雷达的正常使用需求。由天线阵列端口电压驻波比曲线图得到，天线在ku波段具有15％的相对工作带宽，满足机载成像雷达与战场侦察的雷达的工程使用指标，从而证明了该天线系统通过使用脊波导线阵实现一维有源相控阵雷达宽带工作与相控扫描的有效性。