專利名稱：大型毫米波單脈沖平板縫隙陣列天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種平板波導(dǎo)縫隙陣列天線結(jié)構(gòu),尤其是ー種尺寸彡500mmX530mm,増益大于42dB的大型毫米波單脈沖平板縫隙陣列天線。
背景技術(shù)：
由于波導(dǎo)縫隙天線具有結(jié)構(gòu)緊湊，功率容量大，穩(wěn)定性高，饋電方便和口徑利用率高等特點而被廣泛應(yīng)用于雷達和通訊領(lǐng)域等各種微波、毫米波系統(tǒng)中。而波導(dǎo)寬邊開諧振縫隙的天線又具有交叉極化電平比較低的優(yōu)點， 成為波導(dǎo)縫隙天線中比較常用的形式。自1948年美國的A. F. Stevensio η提出縫隙福射問題以來,平板縫隙陣列形式的天線引起了人們廣泛的關(guān)注和研究。經(jīng)過幾十年的研究，波導(dǎo)縫隙天線的理論及設(shè)計方法已經(jīng)趨于成熟。上世紀80年代，R. S. Elliott等人對矩形波導(dǎo)寬邊縱向縫隙陣列進行了深入的研究，提出了著名的裂縫設(shè)計三個方程，給出了設(shè)計方法，通過調(diào)節(jié)縫隙的長度和偏心距對縫隙的饋電幅度進行控制。波導(dǎo)縫隙天線陣在構(gòu)成上包括輻射陣面和饋電網(wǎng)絡(luò)，主要分成輻射陣面綜合和饋電網(wǎng)絡(luò)綜合兩大部分。首先根據(jù)技術(shù)指標要求(如増益、波寬等)確定天線陣列的尺寸，包括単元數(shù)、単元間距等，然后根據(jù)單元數(shù)以及副瓣要求再綜合出每ー個単元的幅度、相位分布，綜合時要考慮單元之間的互耦。早期的單脈沖天線多使用卡塞格侖雙反射器天線，其中的主、次反射器分別為拋物面和雙曲面，用多喇叭或其它多模技術(shù)獲得單脈沖天線的和、差信號。該天線的前后徑長、轉(zhuǎn)動慣量大，且次反射器會影響天線效率。另外，拋物面反射引起的寄生極化產(chǎn)生交叉極化分量也會影響天線效率。目前對于尺寸為500mmX530mm，増益大于42dB的大型毫米波縫隙天線陣列，其難度主要在于陣列太大。由于整個陣面尺寸非常大，根據(jù)天線系統(tǒng)要實現(xiàn)單脈沖，方位及俯仰均要實現(xiàn)和、差波束的要求，即使分為四個象限，每ー個象限的尺寸也同樣很大，即使采用現(xiàn)有計算設(shè)備進行一體化設(shè)計，其難度仍然非常大，如果采用常規(guī)設(shè)計，制造如此大的陣列必然會存在極大的加工風(fēng)險。因此目前國內(nèi)外相關(guān)文獻報道很少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是針對大型單脈沖平板縫隙陣列天線陣面尺寸大，陣元間互耦大，加工風(fēng)險高，一體化設(shè)計難的問題，提供ー種具有高増益、低副瓣、能夠減小饋電網(wǎng)絡(luò)高度，便于進行加工的大型毫米波單脈沖平板縫隙陣列天線。本發(fā)明目的可以通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)ー種大型毫米波單脈沖平板縫隙陣列天線，包括輻射縱縫及波導(dǎo)組成的四個象限天線陣面、寬邊中心斜縫組成的耦合波導(dǎo)和饋電網(wǎng)絡(luò)；每個象限又分為4X4的子象限，其特征在于所述饋電網(wǎng)絡(luò)采用相互連接在饋電波導(dǎo)之間的H-T不等功分器級聯(lián)。H-T不等功分器級聯(lián)組成一分十六功分器網(wǎng)絡(luò)，功分器網(wǎng)絡(luò)與16個子象限連接饋電，構(gòu)成天線ー個象限的天線陣面。兩個相鄰陣列的子象限各有兩根成一條直線的耦合波導(dǎo)，ー個子象限相連ー根耦合波導(dǎo)饋電，每根耦合波導(dǎo)寬壁中心斜縫數(shù)Mes = 9，以非標準波導(dǎo)作為饋電波導(dǎo)，饋電波導(dǎo)通過縫耦合給耦合波導(dǎo)饋電，耦合波導(dǎo)兩端短路，短路端與平面陣底部共壁，且寬壁上開有中心斜縫。本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果。本發(fā)明利用現(xiàn)有的計算機技術(shù)結(jié)合Ansoft HFSS仿真軟件進行電磁仿真，完成輻射縫隙、饋電縫隙參數(shù)的提取，用小陣模擬大陣的方法克服現(xiàn)有的計算設(shè)備條件限制，完成整個天線的參數(shù)設(shè)計；饋電波導(dǎo)通過縫耦合給耦合波導(dǎo)饋電，非標準波導(dǎo)饋電波導(dǎo)，饋電波導(dǎo)之間由H-T相互連接，減小了饋電網(wǎng)絡(luò)的高度。本發(fā)明將整個天線陣面分成4塊，每個象限由1296個輻射縫隙、16個子象限組成，包含了 5184個輻射縫隙單元，由4個象限來完成單脈沖功能(形成和波束、方位差波束以及俯仰差波束)。天線總厚度約為10_。為便于加工這種大型的平板縫隙陣列，本發(fā)明在結(jié)構(gòu)上將天線分成獨立四塊進行設(shè)計，將整個陣面的幅相分布簡化到ー個象限子陣，既減 輕設(shè)計負擔(dān)又減小了加工難度和加工成本。


圖I是本發(fā)明的單脈沖平板縫隙天線的結(jié)構(gòu)原理框圖。圖2是本發(fā)明4個象限天線陣面的分解示意圖。圖3是本發(fā)明整個平板縫隙天線陣面的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是圖3后視結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明其中ー個象限的平板縫隙天線陣面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是圖5象限陣面天線的饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。圖7是圖5象限陣面天線的分層示意圖。圖中1輻射縱縫，2寬邊中心斜縫，3耦合波導(dǎo)，4饋電波導(dǎo)，5輻射波導(dǎo)，6耦合波導(dǎo)層，7饋電網(wǎng)絡(luò)，8天線陣面，9非標準輻射波導(dǎo)，10標準波導(dǎo)，11子象限，12功分器網(wǎng)絡(luò)，13輻射波導(dǎo)短路面，14耦合波導(dǎo)短路面。
具體實施例方式參閱圖I。整個天線陣面分為四個象限，象限I、象限II、象限III和象限IV，來形成單脈沖功能所需的和波束、方位差波束以及俯仰差波束。每ー個象限的輸出信號分別令其為El、E2、E 3、E4，通過和差饋電網(wǎng)絡(luò)可形成和通道信號為E Σ、方位差通道信號為ΕΛα，以及俯仰差通道信號為ΕΔ0，從而完成單脈沖功能。具體可描述為Ε =Ε1+Ε2+Ε3+Ε4 ；ΕΔα=(Ε1+Ε3)-(Ε2+Ε4) ；ΕΔ0 = (Ε1+Ε2)-(Ε3+Ε4)。參閱圖2、圖3、圖4、圖5。在以下實施例中，以尺寸為500mm X530mm，增益大于42dB為最佳實施例組成的天線系統(tǒng)為單脈沖體制。由于平板縫隙陣電尺寸非常大，縫隙單元數(shù)非常多，縫隙陣列必須劃分成許多子陣(這也是為滿足天線工作帶寬的需要)，ー個象限共由16個子象限組成；與之對應(yīng)的就是饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，饋電網(wǎng)絡(luò)形式可以采用H-T不等功分器，級聯(lián)成一分十六功分器網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計方法采用模式匹配法并結(jié)合電磁仿真設(shè)計軟件HFSS進行仿真；功分器網(wǎng)絡(luò)與16個子象限連接饋電，構(gòu)成天線ー個象限的結(jié)構(gòu)。H-T為波導(dǎo)分支器，即從波導(dǎo)窄邊(H面)接出的分支波導(dǎo)，形成H-T接頭。該大型毫米波單脈沖平板縫隙陣列天線，主要包括輻射縱縫及波導(dǎo)組成的平面陣陣列本體，所述陣列本體包含了 5184個輻射縫隙單元。陣列天線本體從結(jié)構(gòu)上可以分成三個部分由輻射縱縫及波導(dǎo)組成的平面陣、由寬邊中心斜縫(2)組成的耦合波導(dǎo)(3)和饋電網(wǎng)絡(luò)(7)。耦合波導(dǎo)(3)和饋電網(wǎng)絡(luò)(7)是由寬邊中心斜縫(2)組成的。天線陣面分為四個象限，每ー個象限又可以分為4X4的子象限(11)。為實現(xiàn)天線俯仰面和方位面波束寬度均為1°，可選擇平面陣為72行，每ー個象限為36行。這樣在方位面上的輻射縱縫(I)可達72個，可以滿足方位面波束的要求。天線陣面由共計576根非標準輻射波導(dǎo)組成?？紤]到天線陣面四個象限理論上可以設(shè)計成完全相同的子陣列，可以重點設(shè)計其中ー個象限，將整個陣面的幅相分布簡化到一個子陣，這樣既減輕設(shè)計負擔(dān)又減小加工難度。饋電網(wǎng)絡(luò)采用互連接在饋電波導(dǎo)之間的H-T不等功分器級聯(lián)，級聯(lián)組成ー分十六功分器網(wǎng)絡(luò)，功分器網(wǎng)絡(luò)與16個子象限連接饋電，構(gòu)成天線ー個象限的天線陣面。平板縫隙天線及饋電網(wǎng)絡(luò)分為由輻射縱縫⑴及波導(dǎo)(5)組成的平面陣、由寬邊中心斜縫(2)組成的耦合波導(dǎo)(6)和饋電網(wǎng)絡(luò)(7)。根據(jù)天線系統(tǒng)要實現(xiàn)單脈沖，方位及俯仰均要實現(xiàn)和、差波束的要求，為降低設(shè)計風(fēng)險和加工難度，在分成四個象限的天線陣面中，可以將每ー個象限分為4X4的子象限(11)。為方便描述，將ー個象限分為圖5所示的16個子陣Au，其中俯仰從上至下編號為i = 1，2，3，4，方位從左至右編號為j = 1，2，3，4。
俯仰方位波束寬度均為1°，可選擇平面陣為72行，每ー個象限為36行，子陣的劃分如表I所示。表I :子陣單元數(shù)劃分
權(quán)利要求
1.一種大型毫米波單脈沖平板縫隙陣列天線，包括輻射縱縫及波導(dǎo)組成的四個象限天線陣面、寬邊中心斜縫組成的耦合波導(dǎo)和饋電網(wǎng)絡(luò)；每個象限又分為4X4個子象限，所述饋電網(wǎng)絡(luò)采用相互連接在饋電波導(dǎo)之間的H-T不等功分器級聯(lián)，級聯(lián)組成一分十六功分器網(wǎng)絡(luò)，功分器網(wǎng)絡(luò)與16個子象限連接饋電，構(gòu)成一個象限的天線陣面；兩個相鄰陣列的子象限各有兩根成一條直線的耦合波導(dǎo)，一個子象限相連一根耦合波導(dǎo)饋電，每根耦合波導(dǎo)寬壁中心斜縫以非標準波導(dǎo)作為饋電波導(dǎo)，饋電波導(dǎo)通過縫耦合給耦合波導(dǎo)饋電，耦合波導(dǎo)兩端短路，短路端與平面陣底部共壁，且寬壁上開有中心斜縫。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種大型的毫米波單脈沖平板縫隙陣列天線，其特征在于陣列天線本體從結(jié)構(gòu)上分成三個部分由輻射縱縫及波導(dǎo)組成的平面陣、由寬邊中心斜縫(2)組成的耦合波導(dǎo)(3)和饋電網(wǎng)絡(luò)(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的大型的毫米波單脈沖平板縫隙陣列天線，其特征在于耦合波導(dǎo)(3)和饋電網(wǎng)絡(luò)(7)是由寬邊中心斜縫(2)組成的。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大型的毫米波單脈沖平板縫隙陣列天線，其特征在于每一個象限的輸出信號分別令其為El、E2、E3、E4，通過和差饋電網(wǎng)絡(luò)形成的和通道信號為E E、方位差通道信號為Ea，以及俯仰差通道信號為Ea e，具有E s = E1+E2+E3+E4 ；EAa =(E1+E3)-(E2+E4) ；EA0 = (E1+E2)-(E3+E4)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大型的毫米波單脈沖平板縫隙陣列天線，其特征在于H-T不等功分器級聯(lián)組成一分十六功分器網(wǎng)絡(luò)，功分器網(wǎng)絡(luò)與16個子象限連接饋電，構(gòu)成一個象限的天線陣面。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大型的毫米波單脈沖平板縫隙陣列天線，其特征在于在每根波導(dǎo)(5)中，各縫沿波導(dǎo)縱向排列，其縱向間距為X gl/2，每根波導(dǎo)兩端的縫隙距輻射波導(dǎo)短路面(13)距離為Xgl/4，Xgl為輻射波導(dǎo)內(nèi)波長，每個輻射縱縫⑴的長度和所在波導(dǎo)的偏心距分別為ln，xn，(n = 1，2，. . .，N)，In為諧振縫長，偏心距Xn由該縫的激勵幅度決定。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種大型的毫米波單脈沖平板縫隙陣列天線，其特征在于每一個象限為36行，子陣單元數(shù)劃分如表I所示的子陣。
表I :
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大型的毫米波單脈沖平板縫隙陣列天線，其特征在于輻射波導(dǎo)(5)寬邊尺寸和耦合波導(dǎo)(3)寬邊尺寸a2滿足下式 aj+tj =入 g2/2 ①
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大型的毫米波單脈沖平板縫隙陣列天線，其特征在于每根耦合波導(dǎo)寬壁中心斜縫數(shù)Mes = 9。
全文摘要
本發(fā)明提出的一種大型毫米波單脈沖平板縫隙陣列天線，包括輻射縱縫及波導(dǎo)組成的四個象限天線陣面、寬邊中心斜縫組成的耦合波導(dǎo)和饋電網(wǎng)絡(luò)；每個象限又分為4×4個子象限，所述饋電網(wǎng)絡(luò)采用相互連接在饋電波導(dǎo)之間的H-T不等功分器級聯(lián)，級聯(lián)組成一分十六功分器網(wǎng)絡(luò)，功分器網(wǎng)絡(luò)與16個子象限連接饋電，構(gòu)成一個象限的天線陣面；兩個相鄰陣列的子象限各有兩根成一條直線的耦合波導(dǎo)，一個子象限相連一根耦合波導(dǎo)饋電，每根耦合波導(dǎo)寬壁中心斜縫以非標準波導(dǎo)作為饋電波導(dǎo)，饋電波導(dǎo)通過縫耦合給耦合波導(dǎo)饋電，耦合波導(dǎo)兩端短路，短路端與平面陣底部共壁，且寬壁上開有中心斜縫。
文檔編號H01Q13/10GK102810745SQ20121025278
公開日2012年12月5日 申請日期2012年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月12日
發(fā)明者鄭一農(nóng), 王建, 馮梅, 吳杰, 趙玉國, 汪波, 陳斌, 李富軍, 耿敏學(xué), 吳萬軍 申請人:零八一電子集團有限公司