一种双轴跟踪的单层基片集成波导单脉冲缝隙天线及其辐射方法

本发明涉及天线技术，具体涉及一种双轴跟踪的单层基片集成波导单脉冲缝隙天线及其辐射方法，可应用于x波段微波目标追踪、探测、雷达通讯等用途。

背景技术：

1、单脉冲天线是一种利用单个脉冲回波形成测向所需的和差信号的天线，由于其精准的定位追踪性能，被广泛应用于现代雷达追踪系统中。单脉冲天线一般由单脉冲网络和辐射部分组成，其中单脉冲网络的设计决定了整个单脉冲天线的复杂度和尺寸。

2、传统的单脉冲天线大致可分为三类，第一种是基于矩形波导和反射面或喇叭天线的单脉冲天线，这类单脉冲天线虽然具有较好的单脉冲性能，但馈线复杂，导致天线整体不仅笨重，且制造成本较高，且使用范围比较受限；第二种是平面微带单脉冲天线，由于其体积小、成本低和易集成等优点，被广泛应用在单脉冲雷达系统中。然而由于微带馈线在毫米波段时，其尺寸与波长相当，不仅需考虑到馈线自身的耦合效应，且其杂散辐射会对单脉冲方向图产生影响。第三种是基于基片集成波导的单脉冲天线，通过在基板上蚀刻金属通孔，将电磁波进行束缚，极大避免了馈电网络对方向图的影响，并且具有剖面低、成本低等优点。

3、在之前的研究中提出了多种具有高增益和低零点深度等优异性能的平面单脉冲天线阵列。但是大多数设计都存在馈电网络复杂、天线剖面高以及端口隔离度差等问题。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的一个目的是提供一种双轴跟踪的单层基片集成波导单脉冲缝隙天线。

2、本发明的另一个目的是提供一种双轴跟踪的单层基片集成波导单脉冲缝隙天线的辐射方法。

3、技术方案：本发明的一种双轴跟踪的单层基片集成波导单脉冲缝隙天线，由上至下依次包括第一金属层、介质基板、第二金属层，第一金属层中心设置有4n路辐射缝隙，左侧设置有成90度角分布的和端口和第二差端口，右侧设置有成90度角分布的第一差端口和第三差端口；介质基板上设有基片集成波导腔，基片集成波导腔包括第一至第四2n路功分器、第一至第四双模比较器和波导通道，四个2n路功分器对称设置于介质基板垂直中心线两侧，第一和第二双模比较器结构相同，对称设置于介质基板左右两侧，第一双模比较器与和端口和第二差端口对应匹配，第二双模比较器与第一差端口和第三差端口对应匹配，第三和第四双模比较器结构相同，对称设置于介质基板上下两侧；2n路功分器、双模比较器和波导通道的波导壁由第一金属过孔排布构成，第二金属过孔用于对基片集成波导腔进行阻抗匹配；第二金属层为金属地；第一金属层上还设有与基片集成波导腔匹配对应的金属通孔；和端口和第二差端口将电磁波依次传输给第一双模比较器、第三和第四双模比较器、四个2n路功分器、4n路辐射缝隙后分别形成和波束和yoz面上的差波束；第一差端口和第三差端口将电磁波依次传输给第二双模比较器、第三和第四双模比较器、四个2n路功分器、4n路辐射缝隙后分别形成xoz面上的差波束和双差波束。

4、优选的，4n路辐射缝隙划分为4n个辐射缝隙单元，每个辐射缝隙单元内同一行的辐射缝隙在基片集成波导腔体水平中心线上下错位分布，激励和端口，第一双模比较器生成te12模，第三、第四双模比较器生成te12模，使得第一至第4n个辐射缝隙单元相位相同，形成和波束；激励第一差端口，第二双模比较器生成te12模，第三、第四双模比较器生成te21模，使得左侧2n2个辐射缝隙单元与右侧2n2个辐射单元相位相反，形成xoz面上的差波束；激励第二差端口，第一双模比较器生成te21模，第三、第四双模比较器生成te12模，使得上2n2个辐射缝隙单元和下2n2个辐射缝隙单元相位相反，形成yoz面上的差波束；激励第三差端口，第二双模比较器生成te21模，第三、第四双模比较器生成te21模，使得两斜对角线上的n2个辐射缝隙单元相位相反，形成双差波束。

5、优选的，辐射缝隙被蚀刻在第一顶层金属层上，同一辐射缝隙单元中，同一行内相邻辐射缝隙在x轴上的距离间隔相同，取值范围为12.5mm～13.5mm；同一行内相邻辐射缝隙在y轴上的高度差相同，取值范围为0.5mm～1.0mm。

6、优选的，第一金属过孔的排布方式为直线阵列或弧形阵列，第二金属过孔有六个，其中4个分别设置于四个2n路功分器内，另外两个分别设置于第三双模比较器和第四双模比较器内。

7、优选的，第一和第二双模比较器由第一金属过孔排列组成，第三和第四双模比较器由第一金属过孔和第二金属过孔排列组成，且第一双模比较器与和端口和第二差端口对应匹配的位置设有缺口，第二双模比较器与第一差端口和第三差端口对应匹配的位置设有缺口。

8、优选的，第一至第四2n路功分器均由第一金属过孔和第二金属过孔根据2n路功分器的功能进行排列组成。

9、优选的，第一金属过孔直径r和相邻两个第一金属过孔的距离d之间的范围关系为：r<d<2r，0.05<d/中心频率波长<0.25；第二金属过孔的直径范围为：1mm～1.6mm。

10、优选的，介质基板采用相对介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027的rogers4003c材料，厚度为1.524mm。

11、优选的，第一、第二金属层均采用厚度为0.035mm的金属铜。

12、本发明的一种双轴跟踪的单层基片集成波导单脉冲缝隙天线的辐射方法，该天线包括一个和端口、三个差端口、四个双模比较器、四个2n路功分器、4n路辐射缝隙，4n路辐射缝隙划分为4n个辐射缝隙单元，辐射方法包括以下步骤：

13、激励和端口，第一双模比较器生成te12模，第三、第四双模比较器生成te12模，使得第一至第4n个辐射缝隙单元相位相同，形成和波束；

14、激励第一差端口，第二双模比较器生成te12模，第三、第四双模比较器生成te21模，使得左侧2n2个辐射缝隙单元与右侧2n2个辐射单元相位相反，形成xoz面上的差波束；

15、激励第二差端口，第一双模比较器生成te21模，第三、第四双模比较器生成te12模，使得上2n2个辐射缝隙单元和下2n2个辐射缝隙单元相位相反，形成yoz面上的差波束；

16、激励第三差端口，第二双模比较器生成te21模，第三、第四双模比较器生成te21模，使得两斜对角线上的n2个辐射缝隙单元相位相反，形成双差波束。

17、有益效果：与现有技术相比，本发明天线馈电方式简单，将四个双模比较器集成在单层介质基板上，极大降低了单脉冲馈电网络的复杂度以及整个天线的剖面高度。能够在产生稳定的和波束、xoz、yoz面上的差波束以及双差波束的同时，利用双模比较器中两种相互正交的电磁波模式，实现输入端口间的高隔离度。

技术特征：

1.一种双轴跟踪的单层基片集成波导单脉冲缝隙天线，其特征在于，由上至下依次包括第一金属层、介质基板、第二金属层，第一金属层中心设置有4n路辐射缝隙，左侧设置有成90度角分布的和端口和第二差端口，右侧设置有成90度角分布的第一差端口和第三差端口；介质基板上设有基片集成波导腔，基片集成波导腔包括第一至第四2n路功分器、第一至第四双模比较器和波导通道，四个2n路功分器对称设置于介质基板垂直中心线两侧，第一和第二双模比较器结构相同，对称设置于介质基板左右两侧，第一双模比较器与和端口和第二差端口对应匹配，第二双模比较器与第一差端口和第三差端口对应匹配，第三和第四双模比较器结构相同，对称设置于介质基板上下两侧；2n路功分器、双模比较器和波导通道的波导壁由第一金属过孔排布构成，第二金属过孔用于对基片集成波导腔进行阻抗匹配；第二金属层为金属地；第一金属层上还设有与基片集成波导腔匹配对应的金属通孔；和端口和第二差端口将电磁波依次传输给第一双模比较器、第三和第四双模比较器、四个2n路功分器、4n路辐射缝隙后分别形成和波束和yoz面上的差波束；第一差端口和第三差端口将电磁波依次传输给第二双模比较器、第三和第四双模比较器、四个2n路功分器、4n路辐射缝隙后分别形成xoz面上的差波束和双差波束。

2.根据权利要求1所述的一种双轴跟踪的单层基片集成波导单脉冲缝隙天线，其特征在于，4n路辐射缝隙划分为4n个辐射缝隙单元，每个辐射缝隙单元内同一行的辐射缝隙在基片集成波导腔体水平中心线上下错位分布，激励和端口，第一双模比较器生成te12模，第三、第四双模比较器生成te12模，使得第一至第4n个辐射缝隙单元相位相同，形成和波束；激励第一差端口，第二双模比较器生成te12模，第三、第四双模比较器生成te21模，使得左侧2n2个辐射缝隙单元与右侧2n2个辐射单元相位相反，形成xoz面上的差波束；激励第二差端口，第一双模比较器生成te21模，第三、第四双模比较器生成te12模，使得上2n2个辐射缝隙单元和下2n2个辐射缝隙单元相位相反，形成yoz面上的差波束；激励第三差端口，第二双模比较器生成te21模，第三、第四双模比较器生成te21模，使得两斜对角线上的n2个辐射缝隙单元相位相反，形成双差波束。

3.根据权利要求2所述的一种双轴跟踪的单层基片集成波导单脉冲缝隙天线，其特征在于，辐射缝隙被蚀刻在第一顶层金属层上，同一辐射缝隙单元中，同一行内相邻辐射缝隙在x轴上的距离间隔相同，取值范围为12.5mm～13.5mm；同一行内相邻辐射缝隙在y轴上的高度差相同，取值范围为0.5mm～1.0mm。

4.根据权利要求1所述的一种双轴跟踪的单层基片集成波导单脉冲缝隙天线，其特征在于，第一金属过孔的排布方式为直线阵列或弧形阵列，第二金属过孔有六个，其中4个分别设置于四个2n路功分器内，另外两个分别设置于第三双模比较器和第四双模比较器内。

5.根据权利要求1所述的一种双轴跟踪的单层基片集成波导单脉冲缝隙天线，其特征在于，第一和第二双模比较器由第一金属过孔排列组成，第三和第四双模比较器由第一金属过孔和第二金属过孔排列组成，且第一双模比较器与和端口和第二差端口对应匹配的位置设有缺口，第二双模比较器与第一差端口和第三差端口对应匹配的位置设有缺口。

6.根据权利要求1所述的一种双轴跟踪的单层基片集成波导单脉冲缝隙天线，其特征在于，第一至第四2n路功分器均由第一金属过孔和第二金属过孔根据2n路功分器的功能进行排列组成。

7.根据权利要求1所述的一种双轴跟踪的单层基片集成波导单脉冲缝隙天线，其特征在于，第一金属过孔直径r和相邻两个第一金属过孔的距离d之间的范围关系为：r<d<2r，0.05<d/中心频率波长<0.25；第二金属过孔的直径范围为：1mm～1.6mm。

8.根据权利要求1所述的一种双轴跟踪的单层基片集成波导单脉冲缝隙天线，其特征在于，介质基板采用相对介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027的rogers 4003c材料，厚度为1.524mm。

9.根据权利要求1所述的一种双轴跟踪的单层基片集成波导单脉冲缝隙天线，其特征在于，第一、第二金属层均采用厚度为0.035mm的金属铜。

10.一种双轴跟踪的单层基片集成波导单脉冲缝隙天线的辐射方法，其特征在于，该天线包括一个和端口、三个差端口、四个双模比较器、四个2n路功分器、4n路辐射缝隙，4n路辐射缝隙划分为4n个辐射缝隙单元，辐射方法包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种双轴跟踪的单层基片集成波导单脉冲缝隙天线及其辐射方法，天线由上至下依次包括第一金属层、介质基板、第二金属层，第一顶层金属层上设有4N路辐射缝隙、和端口、第一至第三差端口，介质基板上设有基片集成波导腔，其包括四个2N路功分器、四个双模比较器和波导通道，第二金属层为金属地；激励和端口、第一、第二和第三差端口，分别形成和波束、xoz面上的差波束、yoz面上的差波束和双差波束。本发明的单脉冲天线将四个双模比较器集成在单层介质基板上，结构简单紧凑、效率高、成本低、剖面低，极大简化了单脉冲天线的设计。

技术研发人员：孙志超,刘少斌,王俊寅,娄健,李思妍
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13