專利名稱：毫米波單側(cè)輻射全金屬寬波束天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波通信領(lǐng)域，涉及一種天線，尤其涉及一種毫米波單側(cè)輻射全金屬寬波束天線。
背景技術(shù)：
縫隙天線的研究最早開始于20世紀(jì)40年代。1946年，H. G. Booker提出了縫隙天線的概念，但在當(dāng)時并沒有引起廣泛的注意。隨著研究的發(fā)展，波導(dǎo)縫隙天線由于其本身具有的效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，口徑分布可以獨立控制，加工和安裝簡單等優(yōu)點，得到了廣泛的重視和應(yīng)用。目前，波導(dǎo)饋電的縫隙天線在地面、艦載、機載、導(dǎo)航、氣象、航管、信標(biāo)和彈載雷達等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，由于電子對抗技術(shù)的升級，例如電磁干擾的信號更強，頻率更加具有針對性等等原因，擁有低副瓣性能的波導(dǎo)縫隙天線在該領(lǐng)域得到了深入的研究和應(yīng)用。另外，波導(dǎo)縫隙天線的尺寸與波導(dǎo)的尺寸相同，容易實現(xiàn)共形，適宜于裝在飛機、導(dǎo)彈等飛行器上使用。波導(dǎo)裂縫天線由于其體積小、重量輕、口徑效率高、功率容量大和容易實現(xiàn)低副瓣及超低副瓣等優(yōu)點，在機載火控雷達、導(dǎo)彈導(dǎo)引頭等方面也有著極為廣泛的應(yīng)用。目前已經(jīng)投入使用的波導(dǎo)縫隙天線主要在軍事方面，其中包括俄羅斯的“珍珠” 機載火控雷達、英國馬可尼公司和韓國聯(lián)合研制的X波段衛(wèi)星SAR、加拿大星載RadarSAT等等。機載雷達中的拋物面天線現(xiàn)已普遍被波導(dǎo)寬邊開縫的平板縫隙天線替代。我國也已將平板縫隙天線技術(shù)成功應(yīng)用到機載火控雷達、無人機載SAR等領(lǐng)域，也成功地將波導(dǎo)窄邊開縫的行波天線陣技術(shù)應(yīng)用到具有超低副瓣的機載預(yù)警雷達等領(lǐng)域。下面簡單介紹幾種波導(dǎo)縫隙天線，并以此提出本發(fā)明的內(nèi)容。泰國的 P. Rakluea和N. Anatrasirichai提出一種雙L型波導(dǎo)縫隙天線，中心頻率為2. 4GHz時帶寬有 322MHz (VSWR, 2 1)，5. 2GHz 時有 250MHz (VSWR, 2 1)，可以滿足 WLAN (the Wireless Local Area Network)對覆蓋頻率的要求。加拿大馬尼托巴大學(xué)的Saeed I. Latif和L. Shafai在2004年設(shè)計出了一種L型和倒T形的微帶縫隙天線，其尺寸較小(50mmX 80mm)，中心頻率為4GHz左右，帶寬超過80 %，可以在無線電通信設(shè)備中使用。美國的Siinho Kim等人提出一種縫隙天線陣口，可以發(fā)送及接收數(shù)字調(diào)制波， 具有體積小、低耦合的優(yōu)點，在數(shù)字波束方面具有向二維天線陣發(fā)展的潛力，也可以在 MIMO (Multi-inputMulti-output)系統(tǒng)中使用。日本科學(xué)家K. Sudc^PT. Hirano 等利用矩形饋電波導(dǎo)上的一對相互交叉的直縫來激勵旋轉(zhuǎn)模式，這種饋源結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)縫隙天線被設(shè)計用于太陽能衛(wèi)星(SPS)和地面之間的大功率微波傳輸，工作在5. 8GHz，并且這種天線反射小于15dB的帶寬為7%，優(yōu)于其它形式的饋源結(jié)構(gòu)。韓國學(xué)者Y. Kim等提出適配器形式的矩形饋電波導(dǎo)饋源結(jié)構(gòu)，這種饋源結(jié)構(gòu)激勵出的主模不是旋轉(zhuǎn)模式，而是TEM模。在60GHz 頻段，天線的直徑100mm，增益30dBi。目前，在毫米波段利用波導(dǎo)縫隙結(jié)構(gòu)實現(xiàn)寬波束天線的報導(dǎo)相對較少，性能也不夠理想，這局限了其在航空航天、導(dǎo)彈導(dǎo)引方面的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計了一種可在高溫下應(yīng)用的毫米波單側(cè)輻射全金屬寬波束天線。一種毫米波單側(cè)輻射全金屬寬波束天線，包括具有阻抗調(diào)節(jié)作用的矩形饋電波導(dǎo)，十字形耦合縫隙，天線輻射單元。矩形饋電波導(dǎo)包括空心傳導(dǎo)腔和實心阻抗調(diào)整部分。 矩形饋電波導(dǎo)與矩形輻射腔通過十字形耦合縫隙實現(xiàn)能量交換。耦合縫隙呈十字形，由兩條完全相同的長條矩形組成，十字形縫隙的中心點位于波導(dǎo)長邊的中垂線上，兩矩形縫隙開縫可采用兩種結(jié)構(gòu)，一種為兩矩形的長邊分別與矩形饋電波導(dǎo)長邊中垂線成45度和135 度夾角，另外一種為兩矩形的長邊分別與矩形饋電波導(dǎo)長邊中垂線成0度和90度夾角。天線輻射單元外表為立方體，由輻射腔和上表面的開槽組成。輻射腔的幾何中心與耦合縫隙幾何中心的連線垂直與矩形饋電波導(dǎo)的開孔面。輻射腔采用螺絲固定，螺孔開孔于輻射腔上表面的四個頂點處，打通輻射腔壁和矩形饋電波導(dǎo)壁。螺絲使用平頭螺絲。輻射腔上表面的開槽可采用四種結(jié)構(gòu)，一種為四個L形轉(zhuǎn)角槽結(jié)構(gòu)，其中四個轉(zhuǎn)角槽開孔的直角開口朝向上表面中心；每個槽的L形的兩邊均與輻射腔邊緣平行且每個L 形槽的直角頂點均在輻射腔上表面對角線上，四個L形槽開口均朝向輻射腔上表面中心； 每條對角線上的兩個L形槽完全相同，即四個L形槽關(guān)于輻射腔上表面中心成中心對稱，使四個L形槽形成一個正方形輪廓。也可通過調(diào)整輻射腔上表面開槽的長度比例實現(xiàn)線極化和圓極化，可根據(jù)所需要的天線的極化方式及增益大小進行適當(dāng)調(diào)整。進一步地，本發(fā)明的這種開槽模式可采用一種替代方式，即四個L形槽以輻射腔上表面中心順時針旋轉(zhuǎn)45度或135度。本天線還可以采用另外一種開槽方式，替代方案為在輻射腔的上表面開四個直邊槽，四個槽分別與輻射腔的四條邊界平行且每一對不相鄰的直邊槽到輻射腔上表面的中心點的距離相同；四條直邊槽均關(guān)于所平行的輻射腔邊緣的中垂線成軸對稱，使四個直邊槽形成一個正方形輪廓。本天線也可實現(xiàn)線極化和圓極化，實現(xiàn)原理與轉(zhuǎn)角槽結(jié)構(gòu)相同，當(dāng)實現(xiàn)線極化時垂直于矩形饋電波導(dǎo)端口面長邊的兩條直邊槽可以省去。其同樣具有相似的替代開槽模式，即四個直邊槽也以輻射腔上表面中心為中心順時針旋轉(zhuǎn)45度或135度。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有的有益效果是1、天線結(jié)構(gòu)緊湊，口徑效率高，旁瓣和后瓣較低。2、可采用全金屬結(jié)構(gòu)，沒有使用介質(zhì)材料，適于在高溫條件下使用。3、可實現(xiàn)線極化和圓極化，適用范圍廣。4、增益可調(diào)整，可滿足不同增益要求。5、實現(xiàn)寬波束發(fā)射接收。6、采用波導(dǎo)饋電，具有更低的輻射損耗和更小的散射。7、主體部分結(jié)構(gòu)較為簡單，加工精度要求低，實現(xiàn)簡單，造價便宜。


圖1為本發(fā)明毫米波單側(cè)輻射金屬波導(dǎo)縫隙天線的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1的全剖視圖；圖3為圖1的對矩形饋電波導(dǎo)的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖1的對輻射腔的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為圖1的對輻射腔的上表面結(jié)構(gòu)的放大示意圖；圖6為圖5的對4個L形槽順時針旋轉(zhuǎn)45度或135度的替代方案示意圖；圖7為圖1的對輻射腔上表面采用直邊槽結(jié)構(gòu)的替代方案圖8為圖7的對4個直邊槽順時針旋轉(zhuǎn)45度或135度的替代方案示意圖。
具體實施例方式如圖1、圖2所示，一種毫米波單側(cè)輻射全金屬寬波束天線包括一個矩形饋電波導(dǎo) 1，一組耦合縫隙2，一組天線輻射單元3。矩形饋電波導(dǎo)包括空心傳導(dǎo)腔8和實心阻抗調(diào)整部分4，天線輻射單元3包括輻射腔7和上表面的開槽6組成.能量以毫米波形式從矩形饋電波導(dǎo)空腔端口 5射入矩形饋電波導(dǎo)1。矩形饋電波導(dǎo)1采用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，即波導(dǎo)的長邊與寬邊的長度比為2 1，設(shè)工作波長為λ，矩形饋電波導(dǎo)1長邊為Α，為使矩形饋電波導(dǎo)1保證單模工作(傳輸TEltl模)，要求A < λ <2Α。實心阻抗調(diào)整部分4作為阻抗調(diào)節(jié)部分調(diào)節(jié)矩形饋電波導(dǎo)內(nèi)部達到諧振狀態(tài)，消除回波反射。 實心阻抗調(diào)整部分4位于矩形饋電波導(dǎo)空腔端口 5對側(cè)，與矩形饋電波導(dǎo)1 一體，可以通過矩形饋電波導(dǎo)1加工時部分掏空實現(xiàn)。如圖3所示，十字型耦合縫隙2由兩條完全相同的相互垂直的矩形長條縫隙組成。 兩條矩形縫隙的中心重合并位于矩形饋電波導(dǎo)兩邊的中線的交點上，兩矩形縫隙開縫可采用兩種結(jié)構(gòu)，一種為兩矩形的長邊分別與矩形饋電波導(dǎo)長邊中垂線成45度和135度夾角， 另外一種為兩矩形的長邊分別與矩形饋電波導(dǎo)長邊中垂線成0度和90度夾角。矩形饋電波導(dǎo)1中的能量通過耦合縫隙2耦合到天線輻射腔中。由于每條縫隙與長邊中垂線均成45 度角，每條縫隙各將矩形饋電波導(dǎo)中一半的能量耦合到輻射腔中，所以這樣使得耦合實現(xiàn)了很低的損耗。在輻射腔中被激勵的電場分布沿縫隙寬邊方向，上下兩個半平面的旋轉(zhuǎn)方向相反，變化周期與饋電毫米波周期相同，輻射腔內(nèi)的能量再通過上表面的四個槽向外發(fā)射。如圖4所示，輻射腔上表面四個槽分為兩組，槽a和c為一組，槽b和d為一組，分別命名為組1和組2。每個組中的兩個L型槽完全相同。如圖5所示，四個槽均呈L型，L型槽的每一條邊要求分別與Ic1Ic2和k3k4平行，每個槽的L型的兩邊均與輻射腔邊緣平行且每個L形槽的直角頂點均在輻射腔上表面對角線上，四個L形槽開口均朝向輻射腔上表面中心；每條對角線上的兩個L形槽完全相同，上表面中心到四個L形槽的頂點的距離相同，這樣，輻射腔的上表面關(guān)于其中心成中心對稱。本發(fā)明轉(zhuǎn)角槽的對稱分布使本發(fā)明的遠區(qū)場方向圖與平面槽天線相比更加均勻。當(dāng)四個槽的兩條L型邊完全相等時，兩條縫隙在Iqlc2方向上產(chǎn)生的電場大小相等，方向相反，相互抵消； 在k3k4方向上產(chǎn)生的電場方向相同，效果加強，實現(xiàn)k3k4方向上的線極化，此時工作頻率與饋電毫米波頻率相同。關(guān)于實現(xiàn)圓極化，本實施方式采用分別調(diào)整組1和組2的L型槽的長度的方法。這種調(diào)整要求四個L型轉(zhuǎn)角槽所構(gòu)成的輪廓為正方形，即要求不相鄰的兩條直邊槽應(yīng)完全相同。調(diào)整長度后組1和組2的工作頻率分別為和f2，這樣兩對邊在工作狀態(tài)的極化方式相互垂直，這樣使整個天線在工作頻率落在之間)處在遠區(qū)場的場量在一定的立體角范圍內(nèi)相位相差90度，從而實現(xiàn)圓極化。本發(fā)明可實現(xiàn)增益可調(diào)功能，適用于不同增益要求的場合使用。增益的調(diào)整依靠調(diào)整四個轉(zhuǎn)角槽間距實現(xiàn)。調(diào)整間距的前提是保證4個槽的對稱結(jié)構(gòu)，即4個槽關(guān)于上表面中心的中心對稱。調(diào)整方法為4個槽的直角頂點與上表面中心的距離進行同步的放縮。天線輻射單元與饋電矩形饋電波導(dǎo)的固定依靠輻射腔體四個角的四個平頂螺絲完成。螺孔開孔于輻射腔上表面的四個頂點處，打通輻射腔壁和矩形饋電波導(dǎo)壁。螺絲采用平頂是為了保證天線輻射的方向不受螺絲干擾。由于螺絲本身具有一定的直徑，因此要求矩形饋電波導(dǎo)在寬邊方向的厚度不能過薄。為實現(xiàn)固定的目的，螺絲的長度應(yīng)大于輻射腔的高度與矩形饋電波導(dǎo)高度一半的和并小于整個天線的高度。螺絲的具體安裝方法根據(jù)天線的具體尺寸以及加工要求決定，附圖中暫不標(biāo)注。如圖6所示，輻射腔上表面結(jié)構(gòu)可作為本發(fā)明的另一實施方案。其結(jié)構(gòu)可由圖5 所示結(jié)構(gòu)中四個L形槽以輻射腔上表面中心順時針旋轉(zhuǎn)45度或135度得到。其原理與圖 5所示結(jié)構(gòu)相同，故可作為一種替代方案。圖7為圖5所示結(jié)構(gòu)的又一替代方案。圖7所示的直邊槽結(jié)構(gòu)實際為圖5轉(zhuǎn)角槽的原型結(jié)構(gòu)，其實現(xiàn)原理與轉(zhuǎn)角槽類似。其特征在于在輻射腔的上表面開有四個直邊槽，四個槽的長邊分別與輻射腔的四條邊界平行且輻射腔上表面的中心點到四條直邊槽的距離均相同；四條直邊槽均關(guān)于所平行的輻射腔邊緣的中垂線成軸對稱，使四個直邊槽形成一個正方形輪廓。矩形輪廓中與矩形饋電波導(dǎo)端口面長邊平行的兩邊為工作波長的一半，另外兩邊根據(jù)極化要求長度為工作波長的1/4 3/4。當(dāng)四條邊的長度都為工作波長的一半時，天線工作在線極化狀態(tài)。而當(dāng)與矩形饋電波導(dǎo)端口面長邊垂直的兩邊長度在要求范圍內(nèi)取其它值時，在工作狀態(tài)時與矩形饋電波導(dǎo)端口面平行的兩邊產(chǎn)生水平極化波，另外兩邊在工作狀態(tài)時產(chǎn)生垂直極化波，這樣兩對邊在工作狀態(tài)的極化方式相互垂直，這樣使整個天線在工作頻率f； (f0落在和f2之間)處在遠區(qū)場的場量在一定的立體角范圍內(nèi)相位相差90度，從而實現(xiàn)圓極化。可以提到的一點是在利用圖7所示方案實現(xiàn)線極化時，只需要原來與矩形饋電波導(dǎo)端口面長邊平行的兩槽即可實現(xiàn)，另外的兩槽不再需要，可以節(jié)約加工成本。圖8是由圖7所示結(jié)構(gòu)演化而來的一種替代方案，其輻射腔上表面開槽方式為圖 7中四個直邊槽以輻射腔上表面中心順時針旋轉(zhuǎn)45度或135度，其工作原理與圖7所示結(jié)構(gòu)相同，故可作為一種替代方案。但需要注意的一點是當(dāng)實現(xiàn)線極化工作時，這種開槽方式需要四條直邊槽同時工作，不可以省去任何一條直邊槽。
權(quán)利要求
1.毫米波單側(cè)輻射全金屬寬波束天線，包括一個具有阻抗調(diào)節(jié)作用的矩形饋電波導(dǎo)， 一個十字形耦合縫隙，一個天線輻射單元，其特征在于矩形饋電波導(dǎo)包括空心傳導(dǎo)腔和實心阻抗調(diào)整部分，矩形饋電波導(dǎo)與矩形輻射腔通過十字形耦合縫隙實現(xiàn)能量交換，耦合縫隙由兩條完全相同的長條矩形組成，十字形縫隙的中心點位于波導(dǎo)長邊的中垂線上，兩矩形縫隙開縫可采用兩種結(jié)構(gòu)，一種為兩矩形的長邊分別與矩形饋電波導(dǎo)長邊中垂線成45 度和135度夾角，另外一種為兩矩形的長邊分別與矩形饋電波導(dǎo)長邊中垂線成0度和90度夾角，天線輻射單元外表為立方體，由輻射腔和上表面的開槽組成，輻射腔的幾何中心與耦合縫隙幾何中心的連線垂直與矩形饋電波導(dǎo)的開孔面，輻射腔采用螺絲固定，螺孔開孔于輻射腔上表面的四個頂點處，打通輻射腔壁和矩形饋電波導(dǎo)壁，螺絲使用平頭螺絲；輻射腔上表面的開槽可采用四種結(jié)構(gòu)，一種為四個L形轉(zhuǎn)角槽結(jié)構(gòu)，其中四個轉(zhuǎn)角槽開孔的直角開口朝向上表面中心；每個槽的L形的兩邊均與輻射腔上表面邊緣平行且每個 L形槽的直角頂點均在輻射腔上表面對角線上，四個L形槽開口均朝向輻射腔上表面中心； 每條對角線上的兩個L形槽完全相同，即四個L形槽關(guān)于輻射腔上表面中心成中心對稱，使四個L形槽形成一個正方形輪廓，也可通過調(diào)整輻射腔上表面開槽的長度比例實現(xiàn)線極化和圓極化，可根據(jù)所需要的天線的極化方式及增益大小進行調(diào)整，這種開槽模式可采用一種替代方式，即四個L形槽以輻射腔上表面中心順時針旋轉(zhuǎn)45度或135度；另外一種開槽方式，其替代方案為在輻射腔的上表面開四個直邊槽，四個槽分別與輻射腔的四條邊界平行且每一對不相鄰的直邊槽到輻射腔上表面的中心點的距離相同；四條直邊槽均關(guān)于所平行的輻射腔邊緣的中垂線成軸對稱，使四個直邊槽形成一個正方形輪廓，本天線也可實現(xiàn)線極化和圓極化，實現(xiàn)原理與轉(zhuǎn)角槽結(jié)構(gòu)相同，當(dāng)實現(xiàn)線極化時垂直于矩形饋電波導(dǎo)端口面長邊的兩條直邊槽可以省去，其同樣具有相似的替代開槽模式，即四個直邊槽也以輻射腔上表面中心為中心順時針旋轉(zhuǎn)45度或135度。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種毫米波單側(cè)輻射全金屬寬波束天線，包括具有阻抗調(diào)節(jié)作用的矩形饋電波導(dǎo)，十字形耦合縫隙，天線輻射組件。矩形饋電波導(dǎo)包括空心傳導(dǎo)腔和實心阻抗調(diào)整部分。矩形饋電波導(dǎo)與矩形輻射腔通過十字形耦合縫隙實現(xiàn)能量交換。耦合縫隙呈十字形，由兩條完全相同的長條矩形組成，十字形縫隙的中心點位于波導(dǎo)長邊的中垂線上，兩矩形縫隙開縫可采用兩種結(jié)構(gòu)。天線輻射單元外表為立方體，由輻射腔和上表面的開槽組成。輻射腔的幾何中心與耦合縫隙幾何中心的連線垂直與矩形饋電波導(dǎo)的開孔面。本發(fā)明天線結(jié)構(gòu)緊湊，口徑效率高，旁瓣和后瓣較低，結(jié)構(gòu)較為簡單，加工精度要求低，實現(xiàn)簡單，造價便宜。
文檔編號H01Q1/36GK102570002SQ20111040572
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月8日
發(fā)明者劉唯, 劉國棟, 吳錫東, 朱道虹, 李欣冀, 鄭穎 申請人:北京航天長征飛行器研究所, 浙江大學(xué), 蘇州蒙特利電子科技有限公司