一种三角形波导缝隙阵列天线.pdf

一种三角形波导缝隙阵列天线
    【技术领域】

    本发明涉及波导缝隙阵列天线的形状和结构的改进，具体是一种宽频带的三角形波导缝隙阵列天线，本发明可用于雷达通信、微波通信以及电视广播系统通信等领域。

    背景技术

    自二十世纪40年代以来，波导缝隙天线的研究和应用得到了迅速的发展。波导缝隙天线最初用于地面防空雷达，而后用于舰载、机载、信标和弹载雷达等领域。其优点在于阵面口径的电场幅度和相位分布能得到精确地控制，波导传输功率容量大、损耗小，容易实现高增益、低副瓣的要求。随着通信技术的不断提高，波导缝隙天线的应用范围更为广泛，其工作在X和Ku波段常用作雷达信标天线，工作在S波段用于有线电视节目传输的多频道微波分配系统的发射天线等。

    应用传统的矩形波导，在宽边上开几对互相相对排列的纵向并联缝隙，当缝隙间距为波导波长的二分之一时，构成驻波阵。此种波导缝隙天线可实现高增益以及低副瓣的特点。驻波阵是一种窄带天线，为保证天线所需的带宽，波导上的缝数受到限制。Mazen Hamadallah对此种驻波阵天线作了分析，并提出一根波导上的单元数越多，带宽越窄(Mazen Hamadallah，Frequency Limitationson Broad-Band Performance of Shunt Slot Arrays.IEEE Transactions on Antennasand Propagation.Vol.37，No.7，1989，pp：817-823)。矩形波导缝隙天线偏离中心频率时，输入端的驻波就会恶化，导致带宽窄。

    【发明内容】

    针对现有技术的不足，本发明提供一种横截面为等腰直角三角形的波导缝隙阵列天线，有效地提高了传统矩形波导缝隙天线的带宽。

    本发明具体的技术方案如下：

    本发明的波导缝隙阵列天线，具有一段波导，波导的横截面为等腰直角三角形，所述的波导的等腰直角三角形斜边壁面上具有缝隙，所述的波导两端封闭，一端装有馈电装置。

    所述波导的横截面为等腰直角三角形，直角边长为l，直角坐标系下如图1所示。此种波导中TE波的传输不同于传统的矩形波导，由下列边值问题确定：

     (∂2∂x2+∂2∂y2)Hz+(k2-kz2)Hz=0x=l,∂Hz∂x=0y=l,∂Hz∂y=0y=x,∂Hz∂x-∂Hz∂y=0]]>

    所述等腰直角三角形波导的TE波型可由相应的截面为正方形、边长为l的波导的波型叠加获得，波导中的TE波解为：

     Hz=H0z(cosmπlxcosnπly+cosnπlxcosmπly)ej(kz-ωt)]]>

    其中，kz=(ωc)2-(mπl)2-(nπl)2,]]>截止频率为fc=c2lm2+n2,]]>c为光速，TE₁₀波模的截止频率f_c为：

     fc=c2l]]>

    TE₁₀波模的截止波长λ_c为：

    λ_c＝2l

    由波导波长的公式可得出所述等腰直角三角形波导的波导波长λ_g为：

     λg=λ1-(fcf)2]]>

    其中，λ为中心工作波长，f为中心工作频率。

    波导缝隙天线的缝隙必须切割内壁电流，以激励天线向外辐射电磁波，所述波导缝隙天线的缝隙中心的间距为λ_g/2。为了保证波导中仅传输TE₁₀波，所述等腰直角三角形波导的直角边l应满足λ/2＜l＜λ，如确定天线的中心工作频率，则波导横截面尺寸范围即可确定。

    本发明与现有技术相比，具有以下突出的实质性特点和显著优点：

    1.波导截面为等腰直角三角形，通过仿真与实验验证，随着缝数的增加，天线的增益不断增大；随着缝数的增加，天线的带宽也不断递增。

    2.馈电装置采用N型同轴连接器，结构简单，节约成本。

    3.所述的N型同轴连接器的轴心和封闭端之间的距离为λ_g/4，长度可微调，所述的N型同轴连接器的轴心和第一个缝隙中心之间的距离为λ_g/2的整数倍可调，最后一个缝隙与封闭端的距离为λ_g/4的整数倍可调，N型同轴连接器的同轴探针的插入深度可调，使天线中心工作频率附近达到良好的匹配，实现高增益以及低副瓣的特点。

    【附图说明】

    图1为等腰直角三角形波导截面图。

    图2为天线整体外观效果图。

    图3为天线的俯视图。

    图4为图3的B-B的剖视图。

    图5为图3的A-A的剖视图。

    图6为本发明所述10缝X波段三角形波导缝隙阵列天线与10缝传统矩形波导缝隙天线增益比较结果。

    图7为本发明所述10缝X波段三角形波导缝隙阵列天线与10缝传统矩形波导缝隙天线电压驻波比比较结果。

    图中：1a-等腰直角三角形斜边壁面，1b-等腰直角三角形直角边壁面，1c-封闭端，1d-封闭端，2-辐射缝隙，3a-同轴馈电装置外壳，3b-同轴探针。

    【具体实施方式】

    下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步的说明。

    实施例1：

    参见图2、图3、图4、图5，一个优选实施例是工作于X波段的均匀分布的10缝等腰三角形波导缝隙阵列天线。本实施例可应用于其他波段，即改变辐射波导截面的等腰直角三角形的直角边长，如用于S波段、C波段等。如图2所示，阵列天线由辐射波导，包括等腰直角三角形斜边壁面1a、等腰直角三角形直角边壁面1b、封闭端1c和1d，辐射缝隙2和同轴馈电装置组成。

    辐射波导为一横截面为等腰直角三角形的金属波导，也可由敷铜介质板制成，两端分别封闭。直角边长W₁为22.86mm，壁厚W₂为1.27mm，辐射波导长度为220mm。

    如图2和图3所示，10个辐射缝隙2交错位于等腰直角三角形斜边壁面1a的中线两侧，辐射缝隙2为纵向矩形长缝或圆头矩形长缝。辐射缝隙2长约等于λ/2，本实施例优选尺寸为0.49λ。缝宽远小于缝长，本实施例优选尺寸为0.033λ。辐射缝隙之间的距离L₂必须满足λ_g/2的条件，可由上述计算公式求出。缝隙偏置距离h由电压驻波比等要求确定，本实施例优选尺寸为0.1λ。最后一个缝隙与封闭端1c的距离L₁为λ_g/4的整数倍可调，本实施例优选为λ_g/4。

    所述阵列天线的信号输入、输出端口为同轴馈电装置，位于等腰直角三角形斜边壁面1a的中线上。本实施例优选为50欧姆的N型同轴连接器，如图3、图4和图5所示，3a为同轴馈电装置外壳，3b为同轴探针。同轴馈电装置轴心与第一个缝隙中心的距离L₃为λ_g/2的整数倍可调，本实施例优选为λ_g/2。最后一个缝隙与封闭端1d的距离L₄为λ_g/4，长度可微调，本实施例优选为λ_g/4。同轴探针3b插入深度可调，本实施例为8mm。

    图6是本发明所述10缝X波段三角形波导缝隙阵列天线实施例与10缝传统矩形波导缝隙天线增益比较结果，三角形波导缝隙阵列天线与矩形波导缝隙天线相比，增益基本相同，三角形波导缝隙阵列天线的第一副瓣电平较低。

    图7为本发明所述10缝X波段三角形波导缝隙阵列天线实施例与10缝传统矩形波导缝隙天线电压驻波比比较结果，三角形波导缝隙阵列天线与矩形波导缝隙天线相比，电压驻波比小于2的工作带宽，三角形波导缝隙阵列天线比矩形波导缝隙天线增加了440MHz。

    本发明的又一实施例，其区别于实施例1中的辐射缝隙的类型为圆孔，其他同实施例1。

    本发明的又一实施例，其区别于实施例1中的辐射缝隙的类型为X型，其他同实施例1。

    本发明的又一实施例，以上所述所有实施例中的三角形波导缝隙阵列天线排列安装还可组成天线阵，排列方式可为：几个三角形波导缝隙阵列天线平行并排，等腰直角三角形斜边壁面1a朝上；或者几个三角形波导缝隙阵列天线成立体环绕，辐射波导的直角棱相对。

    另外，在本实施例的基础上，增加或减少缝隙的个数，相应调整匹配及馈电电路，都应当视为本发明由所提交的权利要求书确定的发明保护范围。