用于波导缝隙频扫天线的馈电结构

摘要

本发明属于平板天线技术领域，具体涉及一种用于波导缝隙频扫天线的馈电结构。本结构包括管壁体；管壁体管腔内布置横隔板，而形成上层为脊波导层而下层为矩形波导层的双层腔壁结构；在矩形波导层布置金属膜片；在矩形波导层的顶壁处设置耦合窗口；脊波导层由轴对称布置的左脊波导和右脊波导构成；沿脊波导层的信号行进路径，左脊波导和右脊波导的两侧壁均呈现五段式的阶梯腔构造；脊波导还包括脊块以及异型枝节。本发明整体结构更为紧凑小巧，工作损耗更低，还可根据需求而实现水平和垂直两者极化特性变换目的，天线阵的整体效率和应用范围可得到进一步提升。

权利要求

1.一种用于波导缝隙频扫天线的馈电结构，其特征在于：本结构包括外形呈四方管状的管壁体(10)，以管壁体(10)的四个方形腔壁中相对较窄的两个水平布置的腔壁为窄壁，管壁体(10)管腔内平行该窄壁而布置板面水平的横隔板(20)；横隔板(20)分割管壁体(10)的腔壁，而形成上层为脊波导层而下层为矩形波导层的双层腔壁结构；在矩形波导层的底部窄壁处布置长方块状的金属膜片(31)，金属膜片(31)的长度方向垂直管壁体(10)长度方向且金属膜片(31)长度等于窄壁宽度；在矩形波导层的顶壁处设置贯穿该顶壁的矩形缝隙(21)，该矩形缝隙(21)构成连通脊波导层与矩形波导层的耦合窗口，矩形缝隙(21)的长度方向平行金属膜片(31)长度方向且矩形缝隙(21)对称分割横隔板(20)；以上述矩形缝隙(21)为界，脊波导层由轴对称布置的左脊波导和右脊波导构成，所述左脊波导和右脊波导的铅垂状的对称轴线与金属膜片(31)的对称轴线同轴；沿脊波导层的信号行进路径，左脊波导和右脊波导的两侧壁均呈现五段式的阶梯腔构造，其中，第一段阶梯腔(41)、第二段阶梯腔(42)、第三段阶梯腔(43)以及第四段阶梯腔(44)的两侧壁间距依次减小，位于管壁体(10)两端部的第五段阶梯腔(45)的两侧壁间距等于第一段阶梯腔(41)的两侧壁间距，第二段阶梯腔(42)、第三段阶梯腔(43)以及第四段阶梯腔(44)的腔道位置偏离所处脊波导的水平中心线；各阶梯腔的顶壁处于同平面处，第二段阶梯腔(42)、第三段阶梯腔(43)以及第四段阶梯腔(44)的底面高度等高设置，第一段阶梯腔(41)的底面高度低于上述四个阶梯腔的底面高度；脊波导还包括脊块(46)以及异型枝节(47)，脊块(46)外形呈长方块状且其长度方向平行脊波导长度方向；脊块(46)布置于第五段阶梯腔(45)内，脊块(46)由第五段阶梯腔(45)的端口向第四段阶梯腔(44)处延伸布置，且脊块(46)长度小于第五段阶梯腔(45)的长度；异型枝节(47)为三段式的阶梯杆结构，构成异型枝节(47)的每节枝节均呈长方块状且底面处于同一水平面上，构成同一异型枝节的每节枝节横截面的长宽尺寸沿其异型枝节(47)长度方向依次缩减，且各异型枝节(47)的第二段枝节长度等于所处的脊波导的第三段阶梯腔(43)长度；各脊波导处的异型枝节(47)的小端水平越过上述耦合窗口而延伸至另一脊波导的第一段阶梯腔(41)内，异型枝节(47)的小端布置连接块(48)以悬置状的固定于相应阶梯腔的一侧侧壁处，异型枝节(47)的大端与脊块(46)相应端面呈交错状的面贴合固接，且该大端的上表面高度高于脊块(46)上表面高度。

说明书

用于波导缝隙频扫天线的馈电结构

技术领域

[0001] 本发明属于平板天线技术领域，具体涉及一种用于波导缝隙频扫天线的馈电结构。

背景技术

[0002] 在各种无线通信和雷达系统中，信息的发射和接收均依赖于天线。随着现代大容量、多功能、超宽带综合信息系统的迅猛发展，同一平台上搭载的信息子系统数量大大增加，所需要的天线数目也相应的增多，这与要求降低综合信息系统整体成本、减轻重量、减小平台雷达散射截面、实现良好电磁兼容特性等的发展趋势相矛盾。对于上述状况，多极化天线可以有效解决这一问题，其可以根据实际应用的需求动态而改变其工作的极化方式，从而提供极化分集以对抗多径衰落和增加信道容量。另一方面，频率扫描天线是一种实现多波速扫描的有效方式，其能生成若干个高增益的波束来覆盖一定的角度空间，同时避免使用复杂的波束成型网络。传统的频率扫描天线由作为相移单元的蛇形慢波波导结构和作为辐射单元的波导缝隙天线组成，由于波导损耗极低，因此可以实现较高增益的频率扫描天线阵列需求。目前常规的频率扫描天线，仅能实现垂直极化特性需求，也即上述结构仅能实现沿蛇形慢波波导结构宽度方向的微波引导，而对沿蛇形慢波波导结构长度方向的信号导出就显得无能为力。如何寻求一种构造合理简洁的新型馈电结构，能够在确保其更小体积、更低工作损耗及更高工作效率的同时，还可根据需求而实现水平极化特性目的，为本领域近年来所亟待解决的技术难题。

发明内容

[0003] 本发明的目的为克服上述现有技术的不足，提供一种构造合理而实用的一种用于波导缝隙频扫天线的馈电结构，其整体结构更为紧凑小巧，工作损耗更低，还可根据需求而实现水平和垂直两者极化特性变换效果，天线阵的整体效率和应用范围可得到进一步提升。

[0004] 为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

[0005] 一种用于波导缝隙频扫天线的馈电结构，其特征在于：本结构包括外形呈四方管状的管壁体，以管壁体的四个方形腔壁中相对较窄的两个水平布置的腔壁为窄壁，管壁体管腔内平行该窄壁而布置板面水平的横隔板；横隔板分割管壁体的腔壁，而形成上层为脊波导层而下层为矩形波导层的双层腔壁结构；在矩形波导层的底部窄壁处布置长方块状的金属膜片，金属膜片的长度方向垂直管壁体长度方向且金属膜片长度等于窄壁宽度；在矩形波导层的顶壁处设置贯穿该顶壁的矩形缝隙，该矩形缝隙构成连通脊波导层与矩形波导层的耦合窗口，矩形缝隙的长度方向平行金属膜片长度方向且矩形缝隙对称分割横隔板；以上述矩形缝隙为界，脊波导层由轴对称布置的左脊波导和右脊波导构成，所述左脊波导和右脊波导的铅垂状的对称轴线与金属膜片的对称轴线同轴；沿脊波导层的信号行进路径，左脊波导和右脊波导的两侧壁均呈现五段式的阶梯腔构造，其中，第一段阶梯腔、第二段阶梯腔、第三段阶梯腔以及第四段阶梯腔的两侧壁间距依次减小，位于管壁体两端部的第五段阶梯腔的两侧壁间距等于第一段阶梯腔的两侧壁间距，第二段阶梯腔、第三段阶梯腔以及第四段阶梯腔的腔道位置偏离所处脊波导的水平中心线；各阶梯腔的顶壁处于同平面处，第二段阶梯腔、第三段阶梯腔以及第四段阶梯腔的底面高度等高设置，第一段阶梯腔的底面高度低于上述四个阶梯腔的底面高度；脊波导还包括脊块以及异型枝节，脊块外形呈长方块状且其长度方向平行脊波导长度方向；脊块布置于第五段阶梯腔内，脊块由第五段阶梯腔的端口向第四段阶梯腔处延伸布置，且脊块长度小于第五段阶梯腔的长度；异型枝节为三段式的阶梯杆结构，构成异型枝节的每节枝节均呈长方块状且底面处于同一水平面上，构成同一异型枝节的每节枝节横截面的长宽尺寸沿其异型枝节长度方向依次缩减，且各异型枝节的第二段枝节长度等于所处的脊波导的第三段阶梯腔长度；各脊波导处的异型枝节的小端水平越过上述耦合窗口而延伸至另一脊波导的第一段阶梯腔内，异型枝节的小端布置连接块以悬置状的固定于相应阶梯腔的一侧侧壁处，异型枝节的大端与脊块相应端面呈交错状的面贴合固接，且该大端的上表面高度高于脊块上表面高度。

[0006] 本发明的有益效果在于：

[0007] 1)、有别于传统的直接采用矩形波导配合外部天线的常规构造，本发明在原有矩形波导构造的基础上，叠加了一层脊波导结构，从而形成了下层为矩形波导层而上层为脊波导层的双层馈电体系。该馈电结构损耗小，馈电效率高，解决了馈电结构沿波导长度方向的水平信号传送问题，并在空间尺寸受限的基础上实现了矩形波导到一分二的馈电脊波导连接的难题，其整个馈电结构损耗小，加上波导缝隙天线后的效率更高，可有效提升整个天馈系统的工作效率。本发明构造紧凑合理，工作可靠而稳定，可以广泛应用于矩形波导至脊波导的信号传递场合中。

[0008] 实际操作时，本发明可视情况不同，而考虑采用不同的波导缝隙谐振阵天线形式。由于采用了两端馈电构造而不是传统的顶层馈电结构，因此本发明既可以搭配常规的脊波导偏置缝，也可以搭配脊波导V字型倾斜缝，从而满足本发明的垂直或者水平两种极化特性的变换要求，最终进一步的提升其市场应用范围。

附图说明

[0009] 图1为本发明用于实施例2中的使用状态图；

[0010] 图2为本发明的结构立体示意图；

[0011] 图3为图1结构在实施例下侧视尺寸标注图；

[0012] 图4为图2的局部剖视示意图；

[0013] 图5为去除管壁体的其中一侧壁后的立体结构示意图；

[0014] 图6为去除管壁体的顶部窄壁后的俯视图；

[0015] 图7为图6结构的实施例尺寸标注图；

[0016] 图8为图7中去除异型枝干后的的尺寸标注图；

[0017] 图9为图6的A-A向剖视图；

[0018] 图10为图9结构的实施例尺寸标注图；

[0019] 图11为异型枝节的立体结构示意图；

[0020] 图12为异型枝节的正视图；

[0021] 图13为异型枝节的实施例尺寸标注图；

[0022] 图14为图13的俯视图的尺寸标注图；

[0023] 图15为实施例1的仿真S11图；

[0024] 图16为实施例1的仿真耦合系数图；

[0025] 图17为实施例1的仿真传输系数图。

[0026] 附图中各标号与本发明的各部件名称对应关系如下：

[0027] A-馈电口 B-第一耦合口 C-第二耦合口 D-直通口

[0028] E-馈电结构 F-馈电网络输入口

[0029] 10-管壁体 20-横隔板 21-矩形缝隙 31-金属膜片

[0030] 41-第一段阶梯腔 42-第二段阶梯腔 43-第三段阶梯腔

[0031] 44-第四段阶梯腔 45-第五段阶梯腔

[0032] 46-脊块 47-异型枝节 48-连接块

具体实施方式

[0033] 为便于理解，此处结合附图1-17对本实用新型的具体实施结构及工作流程作以下描述：

[0034] 本发明的具体结构，如图1-14所示，其主要由矩形波导层、由矩形缝隙21构成的耦合窗口再到一分二的脊波导层三部分组成。其中，矩形波导层位于脊波导层正下方，且两者通过开设在横隔板20上的耦合窗口实现两者的信号传输目的。矩形波导层在底面处布置横亘整个窄壁的金属膜片31，且该金属膜片31位于上述耦合窗口的正下方。考虑到耦合窗口所在横隔板20整体下沉以形成第一段阶梯腔41，此时在矩形波导层处看来，就好像耦合窗口所在的一段横隔板20整体的向下凹陷或突入矩形波导层内，从而使得耦合窗口处结构形成图8所示的向下延伸的凸台构造。实际操作时，通过调节耦合窗口所在横隔板20也即波导壁向下凹陷的深度，即可增加信号由矩形波导层到一分二的脊波导层处行进的距离，以此来提高低频的性能，使之与其它频率一致。

[0035] 实际操作时，本发明通过轴对称偏置的左脊波导和右脊波导，馈电信号经由矩形波导层一端部进入，并由耦合窗口处进入一分二的脊波导层处，经脊波导层变换后再进入如图1所示的外置的天线阵内，从而形成由矩形波导层、耦合窗口再到一分二的异形的脊波导层的信号传输通路。异型枝节47的底面扁平的结构，使得其底面边缘与脊块46底面一致，中间利用异型枝节47与相应腔壁间形成的阻抗变换段实现二者的阻抗匹配。此时，由于脊波导层、横隔板20及矩形波导层均处于管壁体10的腔壁内，因此宽度彼此一致，可保证在40度扫描角时阵列间距足够小，而不会出现栅瓣现象。而外置的天线结构可利用偏置缝进行辐射。

[0036] 为保证带宽内耦合系数的一致性，以及附加相位在较大动态的耦合系数下的一致性，HT耦合结构的设计是频扫天线的关键。通过开设缝隙长度与管壁体10窄壁宽度相同的耦合窗口，依靠调节该窗口大小以及异型枝节47各枝节长度的方法，即可实现其便捷调节效果，其工作性能优良。

[0037] 因为整个异型枝节47完全偏离了脊波导层的水平中心线，因此两个轴对称的异型枝节47在安装时并不存在干涉现象。异型枝节47与脊波导层内壁也即波导壁间存在作为接触部分的连接块48。虽然两异型枝节47之间有些耦合，但完全轴对称的结构在等分网络中并不影响最终的信号一分二的性能。为保证异型枝节47是直杆状的，此时不仅异型枝节47应当偏离上述水平中心线，而且下边缘应当处于同水平面上，整个异型枝节47同时形成阶梯杆状构造，其同轴阻抗很小只有20-30Ω。通过调整耦合窗的口径以及脊波导层内的异型枝节47的各枝干相对长度，即可实现各种耦合系数下的匹配目的。

[0038] 为便于进一步理解，此处给出如下两组实施例，以进一步描述本发明的具体实施构造：

[0039] 实施例1：

[0040] 参见图2，馈电口A为信号输入口，第一耦合口B与馈电口A为同侧；图3为其侧视尺寸标注图。由图3中看来，下层横截面所处腔道为矩形波导层，其中宽边a＝12.95mm,窄边b＝6.48mm。上层横截面所处腔道为脊波导层，其中与矩形波导层共用窄壁，因此脊波导层宽度b＝6.48mm，脊波导层高度th＝4.04mm,脊块宽度tw＝3.12mm，脊块高度h＝2.56mm。而本发明的另外一端的端口尺寸如图5所示，第二耦合口C与第一耦合口B尺寸完全一致，馈电口A与直通口D尺寸完全一致。右脊波导与第一耦合口B连，左脊波导与第二耦合口C相连，构成各脊波导的腔体及异型枝干47尺寸完全一致。金属膜片31的长度与矩形波导层的窄壁尺寸一致，为b＝6.48mm。

[0041] 参见图7，图7为异型枝节47在脊波导层中时的位置标注图，其中：

[0042] lt＝6.46mm，wt＝4.22mm。

[0043] 为视角更清晰，图8则为取出异型枝干47后脊波导层的的俯视状态下的尺寸标注图，其中：

[0044] w1＝6.48mm，w2＝2.14mm，w3＝2.54mm，w4＝3.28mm，l1＝18mm，l2＝2mm，l3＝4.4mm，l4＝2mm，l5＝12.95mm。

[0045] 参见图10，为图9的实施例尺寸标注图，其中：

[0046] ma＝16.9mm，mb＝12.95mm,mc＝11.25mm，md＝11.85mm，lf＝1.8mm,倒角半径rd＝0.5mm，开孔间距le＝2.96mm。馈电口A距耦合窗口处间距ls＝33.18mm，馈电口A距金属膜片的中心间距lv＝35.18mm。金属膜片31宽wk＝0.8mm，高jh＝0.9mm。除实际标注的壁厚外，其余所有壁厚均为1mm。

[0047] 图13-14为异型枝节47的各尺寸标注图，其中:

[0048] la＝12.38mm，lb＝9.6mm，ld＝9mm，wa＝1mm，wt＝2.38mm，wb＝0.7mm，wc＝0.5mm，wd＝2.2mm，we＝1.45mm，wf＝2.66mm，wg＝2.25mm，wh＝1.34mm，wi＝0.5mm，wj＝0.58mm，ww＝1.46mm，ta＝1.38mm，tj＝0.92mm。

[0049] 本实施例中，其中心工作频率为16.5GHz，工作频段为15.8～17.25GHz。本实施例的输入信号接馈电口A，输出信号通过直通口D排出，第一耦合口B和第二耦合口C分别通过工字型缝隙给外接辐射天线进行信号馈电。

[0050] 通过实际检测，参见图15～图17，分别得出本实施例的S11图、耦合曲线图和传输系数图。由图形结果可知，依照本实施例得出馈电结构，其S11值在频带内低于-20dB，耦合系数带内起伏优于±0.25dB，馈电效率优于99％，其工作效率极高。

[0051] 实施例2：

[0052] 参见图1，为本发明工作于Ku波段的42×12波导缝隙频扫天线处的结构示意图。本实施例中，外接的辐射天线选用脊波导宽边缝隙天线，每一列为12单元谐振驻波阵。其中本发明并列所构成的馈电结构E与实施例1中所述的馈电结构在结构外形、工作原理相同，不同耦合系数的馈电结构的尺寸选择方法、范围、工作原理等，可由实施例1及前述文本而进一步数据优化得出，这里不再详述。工作时，天线的输入信号通过一端的馈电网络输入口F馈电，输出信号通过位于馈电结构E另一段处的馈电网络输出端接匹配负载。该实施例展示了本发明的馈电结构在工作于Ku波段的42×12波导缝隙频扫天线系统中的具体应用，可以辐射至各种波导到波导馈电的网络中。