一種共形低副瓣波導縫隙陣列天線的制作方法

本發明屬于雷達天線技術領域，具體涉及一種共形低副瓣波導縫隙陣列天線。

背景技術：

隨著對雷達抗干擾要求的提高以及脈沖多普勒可視雷達的發展,天線應具有低副瓣甚至極低副瓣的性能，發展到現在，低副瓣天線主要分為陣列天線和反射面天線兩大類以及一些根據應用場合不同而制造的特殊天線等。

微帶貼片陣列天線，是一種典型的陣列天線。由于微帶具有體積小、重量輕、剖面薄、易于加工等優點，得到了廣泛的研究和應用，但是微帶天線具有較大的損耗，所以天線增益比較低，同時介質基板對天線性能的影響較大，可能存在表面波等缺點，制約了微帶天線在雷達應用中更廣泛的應用。

卡塞格倫天線，是一種常用的反射面天線。標準的卡塞格倫天線由主反射面、副反射面和饋源組成。為了獲得聚焦特性，主反射面必須是旋轉拋物面，副反射面是旋轉雙曲面，饋源可以是各種形式，但一般用喇叭作饋源，因此卡塞格倫天線的尺寸就相對而言較大，不符合小型化的設計需求，同時該天線的造價往往也更昂貴。

特殊饋源天線，是一種通過特殊設計的饋源來實現低副瓣的天線。比如帽子形自支撐式旋轉波紋饋源，用這種饋源給反射面饋電，可以實現很好的低副瓣效果，然而這些饋電系統是天線設計中的一個重要問題，在天線與饋源的匹配、結構的復雜性和饋電網絡的準確性之間權衡、解決內外噪聲干擾的問題上很難實現較好的平衡。

技術實現要素：

本發明為克服現有技術存在的缺陷與不足之處，提供一種易共形、低副瓣、高增益、易于設計、結構緊湊的共形低副瓣波導縫隙陣列天線，以期能滿足現代雷達技術對天線抗干擾能力以及對微信號靈敏度等指標要求，從而實現雷達對目標波束的精確截取并提高了反干擾的能力。

為實現上述技術目的，采本發明用的技術方案為：

本發明一種共形低副瓣波導縫隙陣列天線的特點是，所述波導縫隙陣列天線是n個波導縫隙天線組成，并以圓柱體為載體形成共形；每個波導縫隙天線是由輻射矩形波導陣列和饋電矩形波導構成；

所述輻射矩形波導陣列的寬邊垂直于所述饋電矩形波導的寬邊，且所述饋電矩形波導位于所述輻射矩形波導陣列長邊中心的正下方；

在所述輻射矩形波導陣列的寬邊上開有所述若干個偏置輻射縫隙；所述若干個偏置輻射縫隙縱向分布于所述輻射矩形波導陣列寬邊中心線的兩側，且左右交錯排列；所述若干個偏置輻射縫隙的寬度相同，但長度和相對于寬邊中心線的偏移量不同，并根據電導與長度的反三角函數計算得到；

在所述饋電矩形波導的寬邊開有若干個傾斜耦合縫隙；所述饋電矩形波導寬邊上的若干個傾斜耦合縫隙的寬度和長度均相同，但相對于所述饋電矩形波導寬邊中心線的傾斜角度不同，并根據電導與角度的反三角函數計算得到；

在所述波導縫隙陣列天線任意一側的饋電矩形波導的底部設置有所述同軸饋電及其接口；

由所述同軸饋電對所述饋電矩形波導的饋電形成第一級饋電，由所述傾斜耦合縫隙對所述輻射矩形波導陣列的饋電形成第二級饋電；

所述波導縫隙陣列天線是以兩級饋電為饋電區和傳輸區，以所述若干個偏置輻射縫隙為輻射區，從而實現能量的接收和發送。

本發明所述的一種共形低副瓣波導縫隙陣列天線的特點也在于，

根據電導與長度的反三角函數，利用式(1)獲得所述偏置輻射縫隙的相對于寬邊中心線的偏移量x和導納之間的關系：

式(1)中，a表示所述輻射矩形波導陣列的內壁寬邊長度；gn表示所述輻射矩形波導陣列上第n個所述偏置輻射縫隙的電導，并有：

式(2)中，an表示第n個所述偏置輻射縫隙的電平分布值；1≤n≤m，m為所述偏置輻射縫隙的個數。

根據電導gi與角度θi的反三角函數，利用式(3)獲得第i個饋電矩形波導上的傾斜耦合縫隙相對于寬邊中心線的傾斜角度θi：

式(3)中，gi表示所述饋電矩形波導上第i個所述傾斜耦合縫隙的電導；1≤i≤n，n為所述波導縫隙天線的個數；g0表示電導gi與傾斜角度θi之間的比例系數。

與現有技術相比，本發明有益效果體現在：

1、本發明天線中輻射矩形波導陣列的寬邊開有偏置輻射縫隙，偏置輻射縫隙通過切割輻射矩形波導陣列寬邊金屬外壁上表面電流，實現了天線能量輻射。偏置輻射縫隙的寬度相同，縫隙長度和縫隙偏移量不同，其參數根據反三角函數計算得出，與常見的泰勒加權不同，降低了天線的副瓣，提高了天線接收的靈敏度。

2、本發明天線中饋電矩形波導寬邊中心線上開有傾斜耦合縫隙，傾斜耦合縫隙切割饋電矩形波導寬邊金屬外壁上表面電流，實現了對輻射矩形波導陣列的饋電。傾斜耦合縫隙的寬度和長度均相同，只有傾斜角度不同，其參數根據電導與角度的反三角函數計算得出，與常見的泰勒加權不同，提高了天線的增益。

3、本發明天線采用兩級饋電。第一級是底部同軸饋電對中間的饋電矩形波導饋電，饋電方式簡單，且結構緊湊，易于加工和組成大型陣列天線；第二級是利用饋電矩形波導上制有的傾斜耦合縫隙對輻射矩形波導陣列饋電，有效地提高了饋電網絡的效率，減小了饋電系統對天線的影響，保證了天線性能。

4、本發明過使用全金屬的材料的方式，將饋電矩形波導和同軸饋電從上自下焊接壓合一體化，易加工，并有效的控制了天線的體積，更有利于延長天線的使用壽命及提高穩定性。

5、本發明天線適合共形。傳統的波導縫隙陣列天線，基本上都是平面結構，不宜應用于雷達和飛機等天線面積有限的情況，所以采用共形結構可以減少天線的占地面積，并且減少天線對共形載體的影響。

附圖說明

圖1是本發明的三維結構示意圖；

圖2是本發明的單根波導縫隙天線三維結構示意圖；

圖3是本發明的側視圖；

圖4是本發明的增益圖；

圖中標號：1圓柱體；2輻射矩形波導陣列；3饋電矩形波導；4同軸饋電；5傾斜耦合縫隙；6偏置輻射縫隙。

具體實施方式

本實施例中，如圖1所示，一種共形低副瓣波導縫隙陣列天線，是由n個波導縫隙天線組成，并以圓柱體1為載體形成共形；每個波導縫隙天線是由輻射矩形波導陣列2和饋電矩形波導3構成；

輻射矩形波導陣列2的寬邊垂直于饋電矩形波導3的寬邊，且饋電矩形波導3位于輻射矩形波導陣列2長邊中心的正下方，呈一體化設計，有利于延長天線的使用壽命及提高穩定性，并有效的控制了天線的體積。天線全部采用金屬材料，可以加強整個天線的物理強度，在惡劣條件下使用時間更加持久。選擇全金屬結構一方面保證了在結構所必要的支撐強度下節省了材料，降低成本，另一方面單一加工材料降低了天線加工的復雜程度。

如圖1所示，在輻射矩形波導陣列2的寬邊上開有若干個偏置輻射縫隙6；偏置輻射縫隙6切割輻射矩形波導陣列2寬邊金屬外壁上表面電流，表面電流一部分繞過偏置輻射縫隙6，另一部分以位移電流的形式沿原表面電流方向流過偏置輻射縫隙6，位移電流的電力線向外空間輻射，實現天線能量輻射。若干個偏置輻射縫隙6縱向分布于輻射矩形波導陣列2寬邊中心線的兩側，且左右交錯排列；若干個偏置輻射縫隙6的寬度相同，但長度和相對于寬邊中心線的偏移量不同，并需要根據天線性能要求來確定，同時各個偏置輻射縫隙6之間中心距為1/2波導波長λg為基準，再根據電導與長度的反三角函數計算得到各個增量，這樣得到的一個類似于正態分布的增量可以使天線輻射更加集中，以實現天線陣面低副瓣性能。具體的說，在輻射矩形波導陣列2的寬邊上開有m個偏置輻射縫隙6，可利用式(1)和式(2)獲得相對于寬邊中心線的偏移量x與導納gn之間的關系：

式(1)和式(2)中，1≤n≤m，m為偏置輻射縫隙6的個數；a表示輻射矩形波導陣列2的內壁寬邊長度；采用chebyshev電流分布，an表示第n個偏置輻射縫隙(6)的電平分布值；gn表示輻射矩形波導陣列2上第n個偏置輻射縫隙6的電導。同時，偏置輻射縫隙6的長度可以由hfss的優化功能來確定，寬度可以根據實際的加工確定。

如圖1所示，饋電矩形波導3的寬邊開有若干個傾斜耦合縫隙5，傾斜耦合縫隙5切割饋電矩形波導3寬邊金屬外壁上表面電流，表面電流一部分繞過傾斜耦合縫隙5，另一部分以位移電流的形式沿原表面電流方向流過傾斜耦合縫隙5，位移電流的電力線向外空間輻射，實現對輻射矩形波導陣列2的饋電。n個波導縫隙天線上的傾斜耦合縫隙5的寬度和長度均相同，但相對于饋電矩形波導3寬邊中心線的傾斜角度不同，并根據電導與角度的反三角函數計算得到。傾斜耦合縫隙5可以控制電磁波的輻射強度，饋電矩形波導3中的電磁波是在饋電矩形波導3壁上不斷反射向前傳播的，通過控制傾斜耦合縫隙5的旋轉角度可以控制從饋電矩形波導3中耦合到輻射矩形波導陣列2的電磁波輻射強度，旋轉角度越大對應的輻射強度越大，從而使相應的輻射矩形波導陣列2獲得不同功率的能量，實現天線的高增益。具體的傾斜角度θi與電導gi之間的關系如式(3)：

式(3)中，1≤i≤n，n為波導縫隙天線的個數；θi表示第i個饋電矩形波導3上傾斜耦合縫隙5相對于寬邊中心線的傾斜角度；gi表示饋電矩形波導3上第i個傾斜耦合縫隙5的電導；g0表示電導gi與傾斜角度θi之間的比例系數。

如圖1、圖2所示，波導縫隙陣列天線任意一側的饋電矩形波導3的底部設置有同軸饋電4及其接口。同軸饋電4對饋電矩形波導3的饋電形成第一級饋電，由傾斜耦合縫隙5對輻射矩形波導陣列2的饋電形成第二級饋電。第一級是外部直接饋電，在饋電矩形波導3的一端處設置同軸饋電4的接口，采用同軸饋電4，饋電方式簡單，結構緊湊，可以實現低副瓣，易于加工和組成大型陣列天線，同時減少了微帶線或者帶狀線等饋電結構中特性阻抗容易隨頻率的變化而發生改變的現象，提高了饋電和天線的匹配，減少了產生的色散現象，降低了寄生輻射。第二級是天線內部通過傾斜耦合縫隙5實現饋電，通過改變傾斜耦合縫隙5的排列規律和傾斜耦合縫隙5的位置、尺寸等參數，可以改變傾斜耦合縫隙5切割表面電流的大小，而使不同的傾斜耦合縫隙5處的金屬表面電流不同，這種饋電方式有效地提高了饋電網絡的效率，減小饋電系統對天線的影響，保證天線性能。

如圖3所示，由于傳統的波導縫隙陣列天線，基本上都是平面結構，不利于用在天線面積有限的情況，考慮到共形載體以及單元間互耦效應對陣列以及陣列單元的諧振頻率、帶寬和極化等性能的影響，該天線以圓柱體1為載體形成共形。采用共形結構增加了載體可以安裝天線的位置，大大減小了天線的氣動阻力，減少天線對共形載體的影響。

波導縫隙陣列天線是以兩級饋電為饋電區和傳輸區，若干個偏置輻射縫隙6為輻射區，從而實現能量的接收和發送。

如圖4所示，通過仿真測試，通過調整各個偏置輻射縫隙6的尺寸和位置，實現對天線輻射波束陣列方向的副瓣的調整，觀察在激勵方向和垂直于激勵方向的二維方向圖，主瓣增益為24db，副瓣增益為0.7db，與主瓣相差23db左右，滿足波導縫隙陣天線使用場合的低副瓣要求。