[发明专利]一种E面波导全并联馈电宽带高增益缝隙天线及设计方法

说明书

本发明公开了一种E面波导全并联馈电的宽带高增益缝隙天线及设计方法，包括天线，所述天线的馈电网络由E面波导T型功分器级联构成，馈电网络的末端输出端口与辐射单元相连接，实现了幅度相位可加权的1×1单元的天线子阵，且阵元间距小于一个自由空间波长。所述天线具有实现宽频带匹配和输出特性，所述E面波导T型功分器的输入波导和输出波导至少由两节不同窄边尺寸的波导构成，且各节波导窄边的中心在一条直线上，在输入输出波导的结合部，进行圆角或者切角变化。天线具有宽频带、高增益、易加工和低成本的特点，易于实现低副瓣和特殊波束赋形，可广泛应用于点对点通信、电子对抗、航空航天，卫星通信等领域。

技术领域

本发明涉及波导缝隙阵列天线技术领域，具体为一种E面波导全并联馈电宽带高增益缝隙天线。

背景技术

通常，阵列天线的带宽取决于阵元的带宽和馈电网络的带宽。而馈电网络的带宽与馈电形式和馈电元件(如：功分器等)的带宽密切相关。波导缝隙阵列天线具有高效率、低损耗、低剖面、高功率容量的特点。它的馈电网络可分为串联馈电，并联馈电以及串并联(或部分并联)馈电三种。当采用串联馈电时，可以通过频率改变实现波束扫描。但是由于长线效应(M.Ando,Y.Tsunemitsu,M.Zhang,J.Hirokawa and S.Fujii,“Reduction of LongLine Effects in Single-Layer Slotted Waveguide Arrays With an EmbeddedPartially Corporate Feed,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.58,no.7,pp.2275-2280,July 2010.)，随着阵列规模、串馈阵元数量的增大，其匹配和增益带宽减小。当采用并联馈电时，从馈源到各个阵元的馈线长度相等，馈电幅度和相位不随频率变化，因此不存在长线效应，其匹配和增益带宽较大，但是馈电网络较为复杂，加工成本较高，不易于实现波束扫描。串并联馈电是串联馈电和并联馈电的结合，优缺点介于上述两种馈电形式之间。

传统并联馈电的空气波导缝隙天线，(Y.Miura,J.Hirokawa,M.Ando,Y.Shibuya,and G.Yoshida,“Double-layer full-corporate-feed hollow-waveguide slot arrayantenna in the 60-GHz band,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.59,no.8,pp.2844–2854,Aug.2011.)，馈电网络采用H面波导，激励2×2单元天线子阵，正是由于H面波导较大的宽边尺寸，不能实现完美的全并联馈电去激励每一个辐射单元。入射电磁波通过天线下层由H面波导组成的功分网络，经由激励缝隙激励上层的谐振腔结构，再经由谐振腔表面的辐射缝隙辐射到外部空间。由于空气波导宽边尺寸大于半个自由空间波长，H面波导功分网络各个输出端口之间的距离大于一个自由空间波长，因此不能直接在输出波导的末端开辐射缝隙，否则辐射方向图会出现栅瓣，严重降低天线增益和辐射性能。所以采用2×2单元辐射子阵代替单一辐射缝隙，在馈电波导的上层经由激励缝隙加载谐振腔，并在谐振腔上表面的四角开槽形成2×2个等幅同相的辐射缝隙，使得阵元间距小于一个空气波长，消除栅瓣。但是，在2×2单元辐射子阵中，不能够独立控制由谐振腔激励的每个阵元的相对幅值和相位，在实现低副瓣或者特殊波束赋形时出现栅瓣，存在一定设计局限性。例如在实现泰勒分布时，由于2×2单元子阵中4个阵元是等幅同相激励，因此不能实现理想的泰勒分布，其辐射方向图会出现栅瓣。除此之外，传统并联馈电的空气波导缝隙天线的加工，通常采用数控机床对金属板进行铣削或者线切割，在金属板上蚀刻出想要的图案，之后通过扩散焊或者真空钎焊等焊接工艺将一层层金属板焊接起来构成完整天线，但是扩散焊或者真空钎焊等焊接工艺往往需要高温高压以及真空环境进行，其难度大、时间长、成本高、无法进行连续式批量生产。为了解决2×2单元天线子阵带来的的栅瓣问题，一些学者提出了天线子阵为1×1的全并联馈电波导缝隙阵列天线结构，其关键技术是，如何降低传输线的尺寸，实现在小于一个空气波长的间距内放置功分网络的输出端口。