[发明专利]一种具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及波导缝隙天线，尤其是涉及一种具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线与一种基于过载技术的谐振式二维阵列的宽带设计方法。

背景技术

波导缝隙阵列天线具有效率高、结构紧凑、功率容量高等优点，易于实现高频段、高增益、低副瓣性能，广泛应用于航空航天和雷达通信系统等。它是在波导壁上按一定规律开细长的裂缝，通过切断波导壁上的电流通路，使缝隙受到激励，波导中传输的电磁波通过缝隙向自由空间中辐射而形成的一种口径天线。

常见的缝隙有开在波导的窄边上的倾斜缝隙、开在波导宽上边的横向缝隙和纵向缝隙、还有开在波导宽边中央的倾斜缝隙。其中窄壁上开斜缝和宽壁上开纵缝等效于传输线上的并联导纳，宽壁上开横缝和中央开斜缝等效于传输线上串联阻抗。

从阵元间距的角度，波导缝隙阵列可分为两种形式：谐振式缝隙阵和非谐振式缝隙阵。谐振式阵列又称为驻波阵，阵元间距等于二分之一导波波长，串联阵元数量增大时天线性能的频率响应变化大、带宽窄，适合设计实现小规模阵列；非谐振式缝隙阵又称为行波阵，间距不等于二分之一导波波长，与谐振式阵列相比有带宽相对较宽的特点，更适合设计实现大规模阵列。两者相比，当串联阵列数量小于5时，谐振式阵列的带宽特性优于非谐振式阵列。

为了改善波导缝隙阵列天线的带宽，目前有多种方法：可采用较宽的辐射缝隙，但是容易造成交叉极化的恶化；可降低辐射波导高度，但是将提升波导的金属损耗从而直接降低天线效率；也可用脊波导代替传统的矩形波导，但是会大幅增加天线设计和加工难度。

天线的子阵化是最行之有效的方法，采用多级并联馈电网络并利用周期性可将二维天线分解成若干个子阵，从而减少子阵中串联阵元数量，改善天线带宽并降低天线设计难度。最终，天线的宽带设计简化为如何有效扩宽子阵的带宽。

由于每个子阵中串联的辐射缝隙和耦合缝隙数量较少，可采用谐振式阵列即驻波阵的形式进行设计，而辐射缝隙子阵与耦合缝隙子阵还可独立设计。首先，辐射缝隙间距为二分之一导波波长，当子阵输入端的归一化导纳值为1时在中心频率取得最佳匹配效果，反射系数的频率响应呈单谐振特性。另外，耦合缝隙子阵中缝隙间距也为馈电波导中二分之一导波波长，通过调节耦合缝隙的旋转角度和长度，当子阵输入端的归一化阻抗值为1时在中心频率取得最佳匹配效果，反射系数的频率响应呈单谐振特性。此时，天线带宽将低于5％，不能为未来高性能雷达和高速无线通信服务。

特别是在进行二维阵列天线设计时，缝隙间的耦合效应可大幅降低天线的匹配带宽和辐射性能，因此辐射缝隙间的解耦显得尤为重要。实现有效的解耦结构是实现大规模、高效能波导缝隙阵列的重要工作。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线。

本发明的另一目的在于提供一种基于过载技术的具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线的宽带设计方法。

所述具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线由下层的馈电网络和上层的辐射波导、空气腔组成，所述下层的馈电网络设有T型功分器主波导和馈电波导，所述馈电波导与辐射波导之间通过耦合缝隙连接，辐射波导与空气腔之间通过辐射缝隙连接，入射电磁波从输入端依次经T型功分器主波导、馈电波导、耦合缝隙、辐射波导、辐射缝隙和空气腔，最终辐射到空间。

所述具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线，可以通过在辐射缝隙外部增加开放式腔体，有效抑制辐射缝隙间的互耦效应，从而进一步改善天线的整体带宽。开放式腔体的尺寸(长，宽，高)应根据工作频率和辐射缝的分布情况具体设计，也可去除缝隙弱耦合方向即缝隙长度方向的金属壁将呈周期格子分布的空气腔简化为平行的金属隔片，在维持解耦效果和改善天线带宽的同时，简化了天线结构，并有效降低加工难度和成本。

所述具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线，采用中心馈电、部分并联馈电或并联馈电网络，将天线整体简化为若干个子阵，可以改善天线带宽并降低天线的设计难度。辐射波导呈周期性排列，周期为辐射波导宽度与金属壁厚度之和，通过调整馈电波导宽度使得馈电波导导波波长为辐射波导周期的二分之一。

采用一种基于过载技术的具有解耦结构的二维波导缝隙阵列天线的宽带设计方法，包括以下步骤：

1)采用至少1个T型功分器构成天线所需的馈电网络，在T型功分器的主波导和馈电波导内插入二阶金属膜片，调节金属膜片的厚度和插入深度，实现具有双谐振的匹配效果；

2)根据天线馈电网络和阵元排列的周期性，将阵列天线整体分割为若干个子阵，并且每个子阵包括辐射缝隙子阵和耦合缝隙子阵；