[發(fā)明專利]寬帶寬角掃描開(kāi)口波導(dǎo)相控陣列天線

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110262856.6
• 申請(qǐng)日: 2021-03-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113036440A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-06-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 梁修業(yè);關(guān)放;黃浩;張喆;曾建平;劉曉晗;資劍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號(hào): H01Q13/06
• 分類號(hào): H01Q13/06;H01Q21/06;H01Q21/00;H01Q1/50;H01Q1/48
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種寬帶寬角掃描的開(kāi)口波導(dǎo)相控陣天線。陣列由矩形開(kāi)口波導(dǎo)天線單元以正三角形柵格排列而成。陣列口徑處加載表面調(diào)制結(jié)構(gòu)，包含金字塔型介質(zhì)凸起結(jié)構(gòu)和錐形金屬側(cè)壁。金字塔型介質(zhì)凸起作為阻抗?jié)u變結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)寬角掃描阻抗匹配；錐形金屬側(cè)壁作為電磁帶隙結(jié)構(gòu)，用于產(chǎn)生表面波帶隙，抑制工作頻段內(nèi)的掃描盲點(diǎn)。該陣列在40%的工作帶寬內(nèi)可實(shí)現(xiàn)主平面±65°以上的掃描，結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種開(kāi)口波導(dǎo)相控陣列天線。

背景技術(shù)

金屬波導(dǎo)天線因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低損耗高增益、可靠性高、功率容量大和加工方便等諸多優(yōu)良特性而在雷達(dá)、通信、射電天文等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。波導(dǎo)天線可通過(guò)在其金屬側(cè)壁上開(kāi)縫形成縫隙陣列天線，作為高增益定波束陣列天線來(lái)使用，也可以在一個(gè)維度上形成頻率掃描或者通過(guò)多根波導(dǎo)并排形成相位掃描。然而，縫隙天線由于其強(qiáng)諧振特性，工作帶寬較窄，除此之外難以形成二維相控掃描。

相控陣天線由于其高數(shù)據(jù)率，快速準(zhǔn)確的波束捷變能力等優(yōu)點(diǎn)近年來(lái)在軍事和民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。不同于波導(dǎo)側(cè)壁開(kāi)縫，將開(kāi)口波導(dǎo)二維排列，可以形成二維相控陣天線。然而，將波導(dǎo)組成陣列后，由于互耦效應(yīng)，天線的特性與單天線有很大的差異。一方面，互耦會(huì)使得陣列在大角度掃描時(shí)，有源阻抗變化較大，造成輸入端口阻抗失配，嚴(yán)重影響輻射效率。另一方面，由于波導(dǎo)口面處表面波模式的存在，使得在特定角度下，弗洛凱模式和表面波模式強(qiáng)耦合，造成“掃描盲點(diǎn)”，表現(xiàn)為天線端口阻抗完全失配，有源反射系數(shù)接近于1。多年來(lái)，人們嘗試了很多方法來(lái)提高波導(dǎo)陣列的寬帶寬角掃描能力，如采用金屬匹配膜片、介質(zhì)塞加載、寬角阻抗匹配層等。這些方法僅能在較窄的帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)陣列的寬角阻抗匹配，其中介質(zhì)覆層的使用還會(huì)進(jìn)一步加劇高頻的表面波效應(yīng)，使得掃描盲點(diǎn)向低頻移動(dòng)，從而影響陣列的掃描性能。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種表面結(jié)構(gòu)調(diào)制的寬帶寬角掃描開(kāi)口波導(dǎo)相控陣列天線，可以同時(shí)解決陣列寬角掃描阻抗失配問(wèn)題和由表面波引起的掃描盲點(diǎn)問(wèn)題。

本發(fā)明提供的寬帶寬角掃描開(kāi)口波導(dǎo)相控陣列天線，由若干矩形開(kāi)口波導(dǎo)天線單元以正三角形柵格形式排列而成的 M×N的二維陣列（M、N相等或不相等）；陣列主體采用金屬結(jié)構(gòu)，內(nèi)部填充介質(zhì)材料。天線單元的基本形狀為一長(zhǎng)方柱體，由三段構(gòu)成，從上到下依次為：表面調(diào)制結(jié)構(gòu)、具有介質(zhì)填充塊的矩形波導(dǎo)、饋電網(wǎng)絡(luò)。天線單元在底部通過(guò)同軸接頭激勵(lì)饋電，陣列底部由一金屬地板固定。

本發(fā)明中所述陣列采用正三角形柵格排布，其含義是，陣列中，在同一行方向，天線單元是順序延拓排列；而在相鄰兩行之間，其中相鄰三個(gè)天線單元的中心軸線成正三角形分布，而且，相間兩行的天線單元位置平齊；參見(jiàn)圖5所示。這樣的陣列天線的排布方式，可以在不引入柵瓣的情況下，盡可能增大波導(dǎo)口徑，降低波導(dǎo)截止頻率。

本發(fā)明中，的矩形開(kāi)口波導(dǎo)天線單元為單線極化工作天線，主模為T(mén)E₁₀模式。

所述矩形波導(dǎo)中的介質(zhì)填充塊的材料是介電常數(shù)大于1的低損耗介質(zhì)材料，可以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)主模截止頻率的降低，拓寬其在陣列中的工作帶寬。

本發(fā)明中，所述表面調(diào)制結(jié)構(gòu)，為本發(fā)明的核心，包含金字塔型介質(zhì)凸起結(jié)構(gòu)和三角形金屬側(cè)壁。這里，所謂金字塔型介質(zhì)凸起結(jié)構(gòu)，實(shí)際是一四棱錐體，四棱錐體的底部為與矩形波導(dǎo)匹配的矩形；在四棱錐體的寬邊一側(cè)的金屬側(cè)壁為兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)并列排布的等腰三角形（該腰三角形的底邊長(zhǎng)為四棱錐體寬邊長(zhǎng)度的1/2），在四棱錐體的窄邊一側(cè)的金屬側(cè)壁為一個(gè)等腰三角形（該腰三角形的底邊長(zhǎng)與四棱錐體窄邊長(zhǎng)度相同）。

在所述表面調(diào)制結(jié)構(gòu)中，金字塔型介質(zhì)凸起結(jié)構(gòu)和三角形金屬側(cè)壁的高度大約相同，并且約為中心頻率的半波長(zhǎng)。