專利名稱：頻率選擇性寬帶波導縫隙天線陣的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及波導縫隙諧振式天線陣的結(jié)構(gòu)改進，具體是一種頻率選擇性寬帶波導縫隙 天線陣。本發(fā)明既可用于接收、也可用于發(fā)射無線電波。在軍事方面，可用作寬帶、抗干 擾相控陣雷達系統(tǒng)的終端天線。在民用方面，可作為極化分集通信的基站天線等。
背景技術：
隨著應用與需求的快速發(fā)展，對電磁頻譜的利用已得到極大的拓展和充分應用，并且 越來越顯的擁擠不堪。 一方面，工作于各個頻率的電子設備越來越多；另一方面， 一些平 臺如艦船、飛機和衛(wèi)星等空間受到限制；另外，部分電子設備的頻帶要求越來越寬。在這 種高密度頻譜情況下，使各電子設備的電磁環(huán)境非常惡劣，因此在設計各個電子系統(tǒng)時都 要考慮干擾和抗干擾等電磁兼容性問題。
另外，基于承載平臺的限制， 一些情況下對電子設備的重量、體積、功耗等都有特殊
要求，特別是各種雷達系統(tǒng)中，天線所占比例較大，因此對其進行減重、剖面壓縮、提高 效率和集成化設計是非常必要的。
在陣列天線的應用中，輻射天線通常選擇微帶天線或波導縫隙天線，兩者各有優(yōu)缺點， 選擇何種形式，需要根據(jù)系統(tǒng)對天線的體積、重量、效率、帶寬、機械、溫度甚至是熱傳 導等方面要求綜合折衷考慮。
波導縫隙天線陣由于其高效、易于幅相控制、加工簡單等因素得以大量應用，特別是 雷達系統(tǒng)。波導縫隙陣有行波陣和駐波陣(諧振陣)兩種，前者帶寬較寬、有頻掃特性，但 效率稍低，適合于大型平面陣；后者效率高，但帶寬窄，通常應用于尺寸較小的天線陣中。
對于波導縫隙諧振陣，帶寬受到單元數(shù)的限制(馬增.哈馬達拉，波導并聯(lián)縫隙天線 陣寬帶頻率限制，國際電氣與電子工程師協(xié)會-天線與傳播學報，Vo1.37,1989， ppr817-823./M. Haraadallah, Frequency limitations on broad-band performance of shunt slot arrays, IEEE Trans Antennas Propagat Vol. 37,1989， pp:817-823.),單 元數(shù)越多則帶寬越窄。我們在波導縫隙諧振陣的寬帶研究方面作了卓有成效的工作(l.汪 偉，齊美清，金謀平，"波導并聯(lián)縫隙諧振陣帶寬研究"，現(xiàn)代電子技術/增刊，2006.9, pp: 178-180; 2.汪偉，鐘順時，齊美清，梁仙靈，背靠背脊波導饋電寬帶脊波導縫隙天線陣，微波與光技術快報，2005, 45(2): 102-104/Wang Wei, Zhong Shun-Shi, Qi Mei-Qing and Liang Xian-Ling， Broadband ridged waveguide slot antenna array fed by back-to-back ridged waveguide, Microwave and Optical Tech. Lett., 2005, 45(2) :102-104; 3.汪偉，寬帶印刷天線與雙極化微帶及波導縫隙天線陣，博士畢業(yè)論文， 2005.2)。這些研究中，波導縫隙諧振陣帶寬拓展主要依賴于采用子陣設計方法，由功分 器對各個子陣饋電激勵，從而達到降低單元數(shù)的目的。設計中還采用了饋電波導與輻射波 導之間一體化集成設計方法，使天線陣剖面壓縮、結(jié)構(gòu)緊湊。
對于電子系統(tǒng)之間電磁兼容性問題的解決，通常的方法是外加濾波器，或者增加兩種 設備之間的空間距離從而增加空間隔離度。前者在微波系統(tǒng)中應用較多，例如為了抑制發(fā) 射機寄生干擾，在發(fā)射機輸出端外加漏壁式濾波器(張軼江，王小陸，李磊，脊波導漏壁式 濾波器的簡化算法，雷達科學與技術，2007， 5(5) :394-396)，或為了抑制其它信號對本 系統(tǒng)的干擾，在系統(tǒng)接收端外加濾波器等。其中，濾波器種類繁多，以傳輸線形式來劃分， 主要包括波導濾波器、帶狀線濾波器、微帶濾波器、腔體濾波器等等，在實際設計中根據(jù) 系統(tǒng)電訊及機械接口要求選擇適當?shù)臑V波器類型。微帶濾波器諧振腔體的Q值較低，帶來 插入損耗較大；同軸腔體濾波器主要應用于微波頻率較低的頻段，損耗較大；帶狀線結(jié)構(gòu) 的濾波器插入損耗低于微帶結(jié)構(gòu)；各種濾波器相比，波導濾波器損耗最小(加洛斯澳.尤俄， 天饋系統(tǒng)中的波導元件一理論與計算機輔助設計，1993/Jaroslaw Uher，Waveguide Components for Antenna Feed Systems: Theory and CAD, Artech House, 1993)， 例如 文獻(簡.波恩曼，弗瑞斯.阿德特，脊波導本征值問題橫向諧振、駐波和諧振公式及在E 面鰭波導濾波器的應用，國際電氣與電子工程師協(xié)會-微波理論與技術學報， Vol38(8), 1990, pp: 1104-1113/Jens Bornemann, and Fritz Arndt， Transverse Resonance, Standing Wave, and Resonator Formulations of the Ridge Waveguide Eigenvalue Problem and Its Application to the Design of E-Plane Finned Waveguide Filters, IEEE Trans. On MTT， Vol38(8)， 1990， pp: 1104-1113)中設計試驗的Ku波段3級消失模濾波 器，帶內(nèi)損失僅0.2dB。由于波導濾波器低損耗和高功率容量的優(yōu)勢，因此該類濾波器被 廣泛應用于星載通訊和雷達等設備中(威森特.恩波瑞阿，本利特.季門諾，衛(wèi)星應用中的 波導濾波器，國際電氣與電子工程師協(xié)會一微波雜志，2007. 10， pp:60-70/Vicente E. Boria andBenitoGimeno，WaveguideFiltersforSatellites, IEEE Microwave Magazine, Oct., 2007,卯60-70)。對于增加電子設備之間的空間距離的方法，將造成整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、體積、重量等方面的犧牲，特別是安裝平臺狹小的情況，如在星載合成孔徑 雷達(SAR)中，為了解決數(shù)傳天線對SAR系統(tǒng)的干擾，將數(shù)傳天線通過展開結(jié)構(gòu)伸出衛(wèi)星平 臺近3米左右(M，斯坦厄，R.沃寧豪斯，R.扎恩，X波段地面觀測合成孔徑雷達有源相控陣 天線，2003年國際相控陣系統(tǒng)與技術會議，美國，波士頓，2003年10月，pp:70-75/M. Stangle, R. Werninghaus, and R. Zahn, The TerrSAR-X Active Phased Array Antenna, IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology 2003， Boston ， USA, Oct., 2003, pp:70-75),這樣不僅造成重量的增加，也增加了設計難度和系統(tǒng)故障點， 降低了系統(tǒng)的可靠性。
總之，就目前波導縫隙天線而言，不管是窄帶還是寬帶設計，都未考慮帶外抑制功能， 即，不具備抗帶外干擾能力。在抗干擾要求的系統(tǒng)中，僅僅是通過機械安裝將天線和濾波 器簡單地級聯(lián)，兩者是各自獨立的設備，在體積、重量、安裝等方面具有較大劣勢，這在 諸如機載和星載電子設備應用中尤為突出。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有波導縫隙天線的抗外干擾能力差的問題，本發(fā)明提供一種可實現(xiàn)本系統(tǒng) 工作的頻帶匹配傳輸，而其它頻帶不傳輸，可消除工作帶外干擾的頻率選擇性寬帶波導縫 隙天線陣。
本發(fā)明在現(xiàn)有寬頻帶特征的波導縫隙天線陣的基礎上，通過結(jié)構(gòu)改進實現(xiàn)頻率選擇 性，具體的結(jié)構(gòu)改進技術方案如下
頻率選擇性寬帶波導縫隙天線陣包括輻射波導、饋電波導和同軸連接器； 所述輻射波導為對稱加金屬脊、終端封閉的矩形金屬輻射脊波導，輻射脊波導寬邊中 線的兩側(cè)交錯均布設置縱向細長輻射縫隙，輻射脊波導與輻射縫隙構(gòu)成波導縫隙諧振天 線；輻射波導通過其中間的金屬輻射脊波導的波導壁隔開構(gòu)成兩個獨立的腔體，將所述波 導縫隙諧振天線分成兩個相同的部分，即兩個子陣天線；所述饋電波導同樣為對稱加金屬 脊、終端封閉的矩形金屬饋電脊波導，與輻射波導上下相疊平行排列，所述饋電脊波導與 輻射脊波導之間通過耦合縫隙6相連，對兩個相同的子陣天線進行中間饋電；所述同軸連 接器位于饋電波導的下邊中間位置，其內(nèi)導體深入所述饋電脊波導腔體，與饋電波導腔體 上壁接觸，同軸連接器與饋電脊波導構(gòu)成T形結(jié)構(gòu)，構(gòu)成一個3dB功分器，即等功率分配 器；其改進在于
所述同軸連接器與兩側(cè)耦合縫隙之間的饋電脊波導的金屬脊上對稱設有三條以上的凹槽，整體結(jié)構(gòu)呈城墻垛形，構(gòu)成了波導消失模濾波器。
所述波導消失模濾波器在3dB功分器兩個輸出臂的直波導段上， 一邊一個，共兩個， 結(jié)構(gòu)上完全相同；波導消失模濾波器在結(jié)構(gòu)上表征為饋電金屬脊呈墻垛形的直波導段，金 屬脊凹槽的直波導段，為波導阻抗反向器，相間其中的脊波導段，為波導諧振器， 一起構(gòu) 成波導濾波器。
所述同軸連接器兩側(cè)的饋電脊波導的金屬脊上對稱設有3-7條凹槽，濾波器級數(shù)即波 導諧振器個數(shù)，可以選擇在2-6級，由天線對干擾信號頻率和抑制度確定。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點
充分利用寬帶波導縫隙天線陣的饋電單脊波導的直波導段，簡單地在金屬脊上開多個 凹槽，構(gòu)成帶通濾波器，在原來天線寬帶性能基礎上實現(xiàn)了工作頻帶外抑制功能，具有抗
干擾能力。該濾波器可以根據(jù)實際需要選擇2-6級諧振器，實現(xiàn)約15-60dB的帶外抑制， 與同等抑制度的其它濾波器相比，波導濾波器帶內(nèi)插入損耗小，如下述X波段濾波器， 數(shù)傳頻段抑制度為30dB時，波導濾波器帶內(nèi)插入損耗在0.2dB以內(nèi)，而采用微帶結(jié)構(gòu)的 小型化濾波器(置于T/R組件接收通道)將帶來大于1. 2dB的插入損耗；
該天線僅在原寬帶波導縫隙天線中饋電波導的金屬脊上切割出多個凹槽，沒有增加額 外結(jié)構(gòu)，因此未增加天線加工難度。
由于在金屬脊上開多個凹槽，減少了天線陣中金屬實體，降低了單個波導縫隙天線陣 重量，與獨立寬帶波導縫隙天線連接獨立波導濾波器的方法相比，重量減輕約10%，這在 擁有幾千根所述天線組成的大型星載合成孔徑雷達有源相控陣夭線中，重量減輕明顯。
由于本發(fā)明寬帶抗干擾天線的實現(xiàn)，使得一些多種電子設備(特別是多天線)安裝在有 限空間的情況下，電磁兼容性得以改善。典型應用實例是X波段星載合成孔徑雷達(SAR) 與X波段數(shù)傳之間的干擾問題，由于該天線的使用，使得數(shù)傳天線對SAR系統(tǒng)的干擾得到 有效抑制，該天線應用于星載SAR中，與常規(guī)的SAR天線與數(shù)傳天線電磁兼容性設計方法 相比(1.將數(shù)傳天線通過折疊展開機構(gòu)伸出3米左右；2.在T/R組件與天線之間加獨立的 濾波器；3.在T/R組件的接收通道加濾波器；4.或第一種與第二、三種方法相結(jié)合使用)， 具有如下優(yōu)點對于第一種現(xiàn)有方案，可以將數(shù)傳天線靠近SAR天線，無需伸出結(jié)構(gòu)，降 低了數(shù)傳天線的結(jié)構(gòu)設計難度，減小了數(shù)傳天線的饋線損耗，減輕了數(shù)傳天線的重量；對 于第二種現(xiàn)有方案，由于濾波器集成于天線之中，無需獨立的濾波器，因此降低了整個衛(wèi) 星有效載荷的重量，減小了器件連接點，降低了系統(tǒng)故障點的數(shù)量；對于第三種方案，基于結(jié)構(gòu)體積和電路集成方面的考慮，在T/R組件的接收通道所加濾波器需要采用微帶結(jié)構(gòu), 并且要小型化，因此損耗大，并且增加T/R組件設計難度，另外，盡管采用小型化微帶濾 波器結(jié)構(gòu)，仍然增加了 T/R組件的體積和重量。采用本發(fā)明所述天線將徹底解決上述問題， 綜上所述，應用了本發(fā)明所述寬帶抗干擾天線陣的SAR系統(tǒng)與常規(guī)X波段SAR系統(tǒng)相比， 實現(xiàn)了抑制數(shù)傳天線的干擾，同時具有損耗小、減輕重量、無額外設備、可靠性高和結(jié)構(gòu) 緊湊的優(yōu)勢。
圖1為本發(fā)明天線整體外觀效果圖2為本發(fā)明二級濾波天線的縱向剖面圖3為本發(fā)明五級濾波天線的縱向剖面圖4為圖2的B—B剖視圖5為圖3的C"C剖視圖6為圖2的A—A剖視圖7為本發(fā)明所述五級濾波天線實施例與傳統(tǒng)天線輸入端口反射損耗比較； 圖8為本發(fā)明所述五級濾波天線實施例與傳統(tǒng)天線增益比較。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖，通過實施例對本發(fā)明作進一步地說明。 實施例1:
參見圖1、圖3、圖5和圖6， 一個優(yōu)選實施例是工作于X波段的均勻分布的16單元 波導縫隙天線陣(五級濾波天線)，天線工作頻率范圍為A /H,其中厶為最低頻率，/#
為最高頻率，/。是中心頻率,阻帶上邊頻為/s。
天線陣包含輻射波導l、饋電波導2、同軸連接器3和輻射縫隙4組成，如圖1所示。
輻射波導1為一內(nèi)部加脊的矩形金屬脊波導管，終端封閉，金屬脊5a位于底邊中心 線上，如圖3和6所示。
饋電波導2為同樣是一終端封閉、內(nèi)部加脊的矩形金屬脊波導管，金屬脊5b位于底 邊中心線上，如圖3和6所示。
所述天線陣的輸入、輸出端口為同軸結(jié)構(gòu)的同軸連接器3，本實施例優(yōu)選為50歐姆的 SMA商用連接器。同軸連接器與饋電波脊導構(gòu)成T形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)導體伸入饋電波導2中與 波導上壁相連，如圖3和6所示，在電性上實現(xiàn)3dB功分器，兩個輸出臂為饋電脊波導，如圖1、 3和6所示。
16個輻射縫隙4交錯位于輻射波導1寬邊中線兩側(cè)，輻射縫隙4為縱向細矩形長縫或 圓頭矩形細長縫，如圖1所示。16單元波導縫隙按縱向分成相同的兩組，構(gòu)成兩個獨立的 子陣，兩個子陣按中截面鏡像對稱，如圖1和圖3所示。
饋電波導2腔體與輻射波導1腔體之間通過耦合縫隙6連接，如圖3所示。 所述饋電波導2的金屬脊5b上，位于同軸連接器3與兩側(cè)耦合縫隙6之間各開有6 個凹槽，相間其中的短金屬脊有5個，整體結(jié)構(gòu)呈城墻垛形，構(gòu)成了波導消失模濾波器， 如圖3和圖5所示。金屬脊切割凹槽的波導段表征為波導阻抗反向器，相間其中帶有短金 屬脊的波導段表征為波導諧振器，波導諧振器個數(shù)代表濾波器級數(shù)，這些結(jié)構(gòu)相連構(gòu)成5 級波導濾波器。
所述波導濾波器在3dB功分器的兩個輸出臂上一邊一個，共兩個，如圖3和5所示。 具體的參數(shù)確定如下
根據(jù)工作頻率范圍、天線空間掃描角或結(jié)構(gòu)限制的等空間范圍，確定波導縫隙天線的 寬度。在設計中，輻射縫隙單元間距以不出現(xiàn)柵瓣為限制條件，本實施例中選擇0.77^。
另外，因為在諧振陣中，輻射縫隙之間的間距必須滿足4。/2條件，因此，由選定的輻射
縫之間的縱向間距，確定輻射波導中工作中心頻率的波導波長;ig。，進而確定輻射波導高
度和金屬脊的高度。
輻射縫隙4長度約等于二分之一波長，本實施例優(yōu)選尺寸為0.475義。，縫寬遠小于縫
長，優(yōu)選尺寸為十分之一縫長；縫隙偏置位置由分塊后子陣單元數(shù)和駐波比要求確定，本 實施例優(yōu)選為0. 016義。；線陣終端距離最后一個縫隙&。/4處短路。
饋電脊波導寬度的選取與輻射脊波導寬度相同，波導高度和金屬脊高度以滿足通帶電 磁波傳播為條件，具體地說選擇波導截止頻率位于0.8倍工作頻帶的下邊頻率A，耦合縫
隙6與饋電波導終端短路面間距為0. 5;ig()。
以上天線具體參數(shù)的計算方法為本專業(yè)設計人員所熟知。
本實施例中的5級濾波器尺寸由常規(guī)單脊波導消失模濾波器設計方法仿真計算得到， 該方法為本專業(yè)設計人員所熟知。本實施例優(yōu)選為L1=0. 098 ;i。 ， L2=0.248A。， L3=0.304;i。， W1=0.154義。，W2=0. 107AQ， W3=0.104義。。其中表征濾波器位置的參數(shù)WO無嚴格要求，通常選擇使濾波器位于同軸連接器3與耦合縫隙6中間，本實施例優(yōu)選為 0. 61義0 。
圖7是本發(fā)明所述5級濾波的頻率選擇性天線陣與常規(guī)天線陣端口反射損耗比較，頻 率選擇性天線陣在低于/,頻點的干擾頻段表現(xiàn)為全反射，而常規(guī)天線陣無此性能，可以看
出本發(fā)明天線陣具有良好的頻率選擇性。
圖8是本發(fā)明所述天線與常規(guī)天線陣增益值，在通帶內(nèi)本發(fā)明天線增益略小于常規(guī)天 線，在0.4dB以內(nèi)，在阻帶增益低于通帶50dB以上，說明對干擾信號具有大于50dB的抑 制。
實施例2:
參見圖2、圖4和圖6，工作于X波段、均勻分布的16單元波導縫隙天線陣(二級濾 波天線)，饋電波導2的金屬脊5b上，位于同軸連接器3與兩側(cè)耦合縫隙6之間，各開有 3個凹槽，如圖2和4所示，相間其中的短金屬脊有2個，即2級濾波器。本實施例中濾 波器尺寸和位置參數(shù)優(yōu)選為L1=0.171義。，L2=0.252A。， W0=1.74;i。， Wl=0.168;i。。
其它同實施例l。
以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的詳細說明，不能認定本發(fā)明具體 實施僅限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術領域的技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的 前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，如矩形或其它形狀波導構(gòu)成的輻射波導和饋電 波導集成的寬帶波導縫隙天線，在饋電波導中集成E面濾波器、波紋波導濾波器等形式的 波導濾波器，都應當視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定的發(fā)明保護范圍。
權(quán)利要求
1、頻率選擇性寬帶波導縫隙天線陣，包括輻射波導、饋電波導和同軸連接器；所述輻射波導為對稱加金屬脊、終端封閉的矩形金屬輻射脊波導，輻射脊波導寬邊中線的兩側(cè)交錯均布設置縱向細長輻射縫隙，輻射脊波導與輻射縫隙構(gòu)成波導縫隙諧振天線；輻射波導通過其中間的金屬輻射脊波導的波導壁隔開構(gòu)成兩個獨立的腔體，將所述波導縫隙諧振天線分成兩個相同的部分，即兩個子陣天線；所述饋電波導同樣為對稱加金屬脊、終端封閉的矩形金屬饋電脊波導，與輻射波導上下相疊平行排列，所述饋電脊波導與輻射脊波導之間通過耦合縫隙相連，對兩個相同的子陣天線進行中間饋電；所述同軸連接器位于饋電波導的下邊中間位置，其內(nèi)導體深入所述饋電脊波導腔體，與饋電波導腔體上壁接觸，同軸連接器與饋電脊波導構(gòu)成T形結(jié)構(gòu)，構(gòu)成一個3dB功分器，即等功率分配器；其特征在于所述同軸連接器與兩側(cè)耦合縫隙之間的饋電脊波導的金屬脊上對稱設有三條以上的凹槽，整體結(jié)構(gòu)呈城墻垛形，構(gòu)成了波導消失模濾波器。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的頻率選擇性寬帶波導縫隙天線陣，其特征在于-所述波導消失模濾波器在3dB功分器兩個輸出臂的直波導段上， 一邊一個，共兩個，結(jié)構(gòu)上完全相同。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的頻率選擇性寬帶波導縫隙天線陣，其特征在于 所述同軸連接器兩側(cè)的饋電脊波導的金屬脊上對稱設有3-7條的凹槽。
全文摘要
本發(fā)明涉及頻率選擇性寬帶波導縫隙天線陣，解決了現(xiàn)有波導縫隙天線的抗頻帶外干擾能力差的問題。本發(fā)明包括輻射波導、饋電波導、同軸連接器和輻射縫隙；輻射波導和饋電波導均為一內(nèi)部加脊、終端封閉的矩形金屬脊波導管，金屬脊均位于底邊中心線上；同軸連接器位于饋電波導的下邊中間位置；在同軸連接器與兩側(cè)耦合縫隙之間的饋電脊波導的金屬脊上對稱設有三條以上的凹槽，整體結(jié)構(gòu)呈城墻垛形，構(gòu)成了波導消失模濾波器；所述波導消失模濾波器在3dB功分器兩個輸出臂的直波導段上，一邊一個，共兩個，結(jié)構(gòu)上完全相同。本發(fā)明實現(xiàn)了抑制工作頻帶外信號對天線的干擾，同時具有損耗小、減輕重量、無額外設備、可靠性高和結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)勢。
文檔編號H01Q21/00GK101557040SQ20091011683
公開日2009年10月14日 申請日期2009年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月22日
發(fā)明者張智慧, 張洪濤, 張玉梅, 磊 李, 偉 汪 申請人:中國電子科技集團公司第三十八研究所