一种宽带金属腔体天线及设计方法及天线阵

摘要

本发明公开一种宽带金属腔体天线及设计方法及天线阵，包括金属腔体，所述金属腔体顶部设置有两个矩形的辐射腔；所述辐射腔底部均设有耦合缝隙；所述辐射腔内壁设有长条台阶；两所述长条台阶以所述耦合缝隙对称设置，各所述长条台阶的中间位置设置有楔形金属块；所述耦合缝隙下方还设置有金属耦合腔，所述耦合缝隙与金属耦合腔相连；所述金属腔体的底部设置有馈电波导，所述馈电波导与所述金属耦合腔的下端面中心通过一耦合腔相连；本发明所述宽带金属腔体天线工作于x～Ku波段，具有稳定的带内辐射特性和高增益高效率特性，且具有极低的交叉极化性能；同时采用全金属腔体结构，结构简单，工艺性好，加工难度低。

权利要求

1.一种宽带金属腔体天线，其特征在于，包括金属腔体，所述金属腔体顶部设置有两个矩形的辐射腔，两个矩形的辐射腔结构相同；所述辐射腔底部均设有耦合缝隙；每个辐射腔内壁都设有两个长条台阶，两个长条台阶在该辐射腔内以耦合缝隙对称设置，各所述长条台阶的中间位置设置有楔形金属块；所述耦合缝隙下方还设置有金属耦合腔，所述耦合缝隙与金属耦合腔相连；所述金属腔体的底部设置有馈电波导，所述馈电波导与所述金属耦合腔的下端面中心通过一耦合腔相连。

2.一种如权利要求1所述的宽带金属腔体天线的设计方法，其特征在于，包括步骤：

S1，根据频率范围、最低频率下的主模传输要求，馈电波导的长边尺寸要大于最低频率波长λL的一半，并结合结构限制的空间范围确定所述馈电波导的截面尺寸；

S2，根据频率范围、结构限制的空间范围、方向图的要求确定所述辐射腔的尺寸；

S3，根据步骤S1和S2的尺寸数据完成所述宽带金属腔体天线的整体结构设计。

3.一种天线阵，其特征在于，包括两个以上如权利要求1所述的宽带金属腔体天线，相邻所述宽带金属腔体天线上所述金属腔体的侧壁为公共壁。

说明书

一种宽带金属腔体天线及设计方法及天线阵

技术领域

[0001] 本发明涉及天线领域，具体涉及一种宽带金属腔体天线及设计方法及天线阵。

背景技术

[0002] 宽带天线在军用和民用领域的应用越来越广泛。同时，在某些具体的应用中，对于天线还有诸如：体积、重量、效率和环境适应性等方面的特殊要求。例如：对于机/星载平台，要求天线剖面薄、重量轻、效率高并且满足一定环境应用条件。

[0003] 由于超宽带技术具有分辨率高、具有隐身和反隐身特性、穿透能力强、抗干扰能力强等优点，超宽带天线在无线通信和雷达技术领域中获得了飞速发展。同时，由多个天线单元组成的相控阵天线，相比单个天线单元来说，可以实现波束扫描、产生多波束、具有高增益等特性。

[0004] 常规的相控阵作有限扫描天线应用时，能够提供优良的电性能，但为了消除不希望的栅瓣辐射，每个单元间距需要小于一个波长。对于一部大型相控阵雷达来说，动辄需要上万个有源通道，因此整个系统的造价比较昂贵，系统的功耗巨大。为了降低系统成本和系统功耗，采用大间距有限扫描相控阵天线技术成为一个最佳选择。

[0005] 传统的超宽带天线，诸如Vivaldi天线、榕树天线、对数周期天线等组成阵列时为紧耦合阵列，其单元间距往往小于高频的半个波长，当拉大单元之间的间距时，其工作带宽受限或工作频带内出现盲点。

[0006] 孙立春、汪伟和张洪涛等在“金属腔体宽带天线”(中国专利申请号：201410514936.6)和汪伟、孙立春和张洪涛等在“一种频率选择性天线”(中国专利申请号：
201510068608.2)中提出的宽带低剖面天线单元，但该种天线由于增益低，组阵时单元间距小，不能作为超宽带大间距相控阵天线单元。

[0007] 鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

[0008] 为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种宽带金属腔体天线，包括金属腔体，所述金属腔体顶部设置有两个矩形的辐射腔；所述辐射腔底部均设有耦合缝隙；所述辐射腔内壁设有长条台阶；两所述长条台阶以所述耦合缝隙对称设置，各所述长条台阶的中间位置设置有楔形金属块；所述耦合缝隙下方还设置有金属耦合腔，所述耦合缝隙与所述金属耦合腔相连；所述金属腔体的底部设置有馈电波导，所述馈电波导与所述金属耦合腔的下端面中心通过一耦合腔相连。

[0009] 较佳的，一种所述宽带金属腔体天线的设计方法，包括以下步骤：

[0010] S1，根据频率范围、最低频率下的主模传输要求，即馈电波导的长边尺寸要大于最低频率波长λL的一半，并结合结构限制的空间范围确定所述馈电波导的截面尺寸；

[0011] S2，根据频率范围、结构限制的空间范围、方向图的要求确定所述辐射腔的尺寸。

[0012] s3，根据步骤S1和s2的尺寸数据完成所述宽带金属腔体天线的整体结构设计。

[0013] 较佳的，一种天线阵，包括两个以上的所述宽带金属腔体天线，相邻所述宽带金属腔体天线上所述金属腔体的侧壁为公共壁。

[0014] 与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，本发明所述宽带金属腔体天线工作于X～Ku波段，具有稳定的带内辐射特性和高增益高效率特性，且具有极低的交叉极化性能；同时采用全金属腔体结构，结构简单，工艺性好，加工难度低；2，本发明所述宽带金属腔体天线由于缝隙正向切割电流，使交叉极化低于‑60dB以下；同时采用完全金属结构，效率高，达到90％以上；3，本发明所述天线阵采用多天线一体化加工构成近似蜂窝结构，自身强度高；同时采用纯金属材料加工，天线阵可靠性高，环境应用范围广。

附图说明

[0015] 图1为所述宽带金属腔体天线的结构立体图；

[0016] 图2为所述宽带金属腔体天线的剖面立体结构示意图；

[0017] 图3为所述宽带金属腔体天线的结构俯视图；

[0018] 图4为所述宽带金属腔体天线的横截面结构视图；

[0019] 图5为所述宽带金属腔体天线的驻波曲线图；

[0020] 图6为所述宽带金属腔体天线10GHz的方向图；

[0021] 图7为所述宽带金属腔体天线14GHz的方向图；

[0022] 图8为所述宽带金属腔体天线18GHz的方向图；

[0023] 图9为所述天线阵的结构视图。

[0024] 图中数字表示：

[0025] 1‑金属腔体；2‑辐射腔；3‑耦合缝隙；4‑长条台阶；5‑楔形金属块；6‑金属耦合腔；7‑馈电波导；8‑耦合腔。

具体实施方式

[0026] 以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

[0027] 实施例一

[0028] 工作波长30mm～16.67mm的X～Ku波段的一种宽带金属腔体天线单元，中心频率波长λ0为21.43mm，中心频率为14GHz，下边频为10GHz，上边频为18GHz。

[0029] 如图1、图2所示，图1为所述宽带金属腔体天线的结构立体图；图2为所述宽带金属腔体天线的剖面立体结构示意图。

[0030] 本发明所述宽带金属腔体天线包括金属腔体1，所述金属腔体1顶部设置有两个矩形的辐射腔2；所述辐射腔2底部均设有耦合缝隙3；所述辐射腔2内壁设有长条台阶4；两所述长条台阶4以所述耦合缝隙3对称设置，各所述长条台阶4的中间位置设置有楔形金属块5；所述耦合缝隙3下方还设置有金属耦合腔6，所述耦合缝隙3与所述金属耦合腔6相连；所述金属腔体1的底部设置有馈电波导7，所述馈电波导7与所述金属耦合腔6的下端面中心通过一耦合腔8相连。

[0031] 具体的，本实施例中，所述金属腔体天线的口径尺寸为1.26λH×1.18λH；所述金属腔体1顶部设置有两个矩形的辐射腔2，辐射腔2长L1为20mm，宽W1为5mm；所述辐射腔2底部均设有耦合缝隙3，耦合缝隙3长L2为14.5mm，宽W2为1.6mm，两个耦合缝隙间的间距dx为9.8mm；所述辐射腔2内壁设有长条台阶4，台阶4的宽度m_W1为1.5mm；两所述长条台阶4以所述耦合缝隙3对称设置，各所述长条台阶4的中间位置设置有楔形金属块5，楔形金属块5宽度m_w2为2mm；所述耦合缝隙3下方还设置有金属耦合腔6，所述耦合缝隙3与所述金属耦合腔6相连，所述金属耦合腔6高CH1为2.8mm，宽CW1为14.8mm，所述金属耦合腔6中间有一向下调谐块，用于匹配，高m_H1为1.2mm，宽m_W3为1.5mm；所述金属腔体1的底部设置有馈电波导
7，所述馈电波导7与所述金属耦合腔6的下端面中心通过一耦合腔8相连。

[0032] 如图3和图4所示，图3为所述宽带金属腔体天线的结构俯视图；图4为所述宽带金属腔体天线的横截面结构视图。

[0033] 如图5～图8所示，图5为所述宽带金属腔体天线的驻波曲线图，图6～图8为所述宽带金属腔体天线的中心频点方向图。可看出，本发明所述宽带金属腔体天线的工作于X～Ku波段，具有稳定的带内辐射特性和高增益高效率特性，且具有极低的交叉极化性能。

[0034] 如图9所示，图9为所述天线阵的结构视图；本发明所述天线阵，包括两个以上的所述宽带金属腔体天线，相邻所述宽带金属腔体天线上所述金属腔体1的侧壁为公共壁。所述宽带金属腔体天线的间距相同。

[0035] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。