一种低成本高增益宽带频扫天线的制作方法

1.本发明涉及微波技术领域，具体涉及一种低成本高增益宽带频扫天线。


背景技术：

2.相控阵天线由于其波束指向、波束形状快速变化能力，广泛应用于雷达、通信、对抗等军用领域，监控设备等民用场景。目前，相控阵天线主要存在四种实现方式：相位扫描、频率扫描、时延扫描和电子馈电开关扫描。其中，通过相位扫描与频率扫描实现相控阵天线的波束控制运用最多。通过改变阵元输入信号的相位来实现波束扫描是相位扫描；通过改变信号的频率来改变天线单元之间的“阵内相位差”，从而实现波束的扫描是频率扫描。
3.现有的频率扫描天线主要有两种基本形式：带有频扫线源的抛物柱面天线和另一种为频扫阵列天线。其中，带频扫馈源的抛物面频扫天线重量太大，一般都在几百公斤以上,适合应用在低频段；频扫阵列天线有波导窄边耦合阵列天线与微带慢波线耦合阵列天线两种。微带天线由于其损耗大，副瓣难以控制、低增益低效率、加工成本高、工艺复杂等缺点没有被广泛应用，而波导慢波线结构由于其辐射效率高、损耗低、副瓣易控制，加工成本低及工艺简单而受到关注。目前广泛应用的波导频扫天线有两种：一种是利用波导的色散效应制作而成，其扫描角度、工作带宽受到严重限制，无法满足大带宽、大扫描角度的要求；第二种是利用波导慢波结构与微带辐射天线相结合的混合结构，效率低下，制作成本高。为此，提出一种低成本高增益宽带频扫天线。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于：如何解决现有的频率扫描天线存在的成本高、效率低、带宽窄的的问题，提供了一种低成本高增益宽带频扫天线。该阵列天线把波导慢波线结构与高增益喇叭相结合，降低馈线损耗的同时大大提高了天线的辐射效率，极大的提高了在整个扫描角度内的增益水平，实现了整个扫描角度内增益保持基本不变的电性能指标。采用全金属结构，馈电网络与阵列天线可分开加工，也可一体加工，灵活多变，结构紧凑、方便加工和组装，降低了频扫天线的工艺设计及加工成本。
5.本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括天线阵面与馈电网络，所述天线阵面包括多个列线源，每个所述列线源均包括一部分被矩形金属栅格分割成的喇叭天线，所述列线源由这一部分喇叭天线组成的开口喇叭组成，多个所述列线源均沿所述波导慢波线路径设置，所述波导慢波线与所述列线源之间设置有多个馈电缝隙，所述慢波线通过所述馈电缝隙对所述天线辐射单元馈电。
6.更进一步地，在沿所述波导慢波线路径方向上通过改变天线工作频率实现频率扫描。
7.更进一步地，通过控制所述波导慢波线的长度来调节扫描角度的大小。
8.更进一步地，通过调节所述馈电结构，包括腔体的深度和缝隙的位置对所述列线源进行幅度加权。
9.更进一步地，所述列线源为一部分金属栅格分割的喇叭天线。
10.更进一步地，所述波导慢波线为带耦合结构的波导，所述带状线呈连续s形弯折状。
11.更进一步地，多个所述列线源按照周期性隔设置在所述带状线上方。
12.更进一步地，在阵面内所述耦合缝隙与所述波导慢波线耦合结构位置不一致，通过调节所述耦合结构位置与高度改变耦合度。
13.更进一步地，所述耦合结构与慢波线一体加工成型。
14.本发明相比现有技术具有以下优点：该低成本高增益宽带频扫天线，其慢波线、辐射单元全部采用金属结构形式，实现简单高效的工程设计；且结合了喇叭天线辐射效率高、大带宽的优点和波导传输线低损耗的优点，实现了降低整个系统成本的同时，提高了整个系统的辐射效率，值得被推广使用，尤其在高频段领域。
附图说明
15.图1是本发明实施例二中的流程示意图；
16.图2是本发明实施例二中的馈电网络结构；
17.图3是本发明实施例二中的列线源结构；
具体实施方式
18.下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
19.实施例一
20.本实施例提供一种技术方案：一种低成本高增益宽带频扫天线，包括波导慢波线馈电网络与列线源辐射部分，所述波导慢波线馈电网络包括一条带有耦合结构的波导慢波线，多个所述由列线源组成的天线辐射单元设置在所述波导慢波线的上方。
21.所述波导慢波线一端为信号输入端，另一端为匹配负载吸收端，电磁波在传播途中通过慢波线中的耦合结构把电磁波耦合到所述列线源上。
22.所述耦合结构为波导中周期排布的凸起结构，通过控制耦合结构的凸起高度与相对列线源的位置来控制耦合度，从而实现列线源的幅度加权。
23.所述列线源为由矩形金属栅格分割而成的喇叭天线的一部分，分布在馈电网络结构的上方，馈电网络通过耦合缝隙对列线源进行馈电。
24.在本实施例中，波导慢波线与耦合结构集成一体化设计。
25.在本实施例中，馈电网络、列线源全部采用全金属结构。
26.在本实施例中，利用波导慢波线为列线源馈电。
27.实施例二
28.如图1、2所示，本实施例的频扫阵列天线共有两部分组成，从上到下分别是列线源1和波导慢波线馈电网络2。
29.慢波线2为带耦合结构(耦合凸起和缝隙)的波导结构，带状线弯折形成一个“蛇形”走线，“蛇形”走线的目的是在确定了列线源的间距之后，在有限的空间里可以使得带状
线可以布置的更长,扩大频扫天线的扫描范围。频扫阵列天线中，波束扫描的角度与阵列中相邻两个列线源之间的相位差满足如下关系：
[0030][0031]
可以看出，当l一定时，改变λ
g
，即雷达的工作频率，相邻两个单元的相位差就发生了变化，天线阵列的波束指向也就跟着发生了改变，进行了波束扫描。这就是慢波线频扫的基本原理。一个长度为l的传输线工作在两个频率的时候，相位差为：
[0032][0033]
从公式(2)中可以看出，要实现大角度扫描的话可以通过(1)增加工作带宽；(2)增加传输线长度l来实现，本实施例中采用了方法(2)来实现列线源方向上相邻单元之间产生一个相位差从而实现有限空间里的大角度扫描。
[0034]
通过设计耦合结构3中的凸起结构4的高度尺寸，凸起结构4相对耦合缝隙5的相对位置，来控制耦合度大小，从而实现对电磁波传播方向上列线源6的幅度加权。当电磁波在波导慢波线结构中由输入端向负载端进行传播时，耦合凸起结构正上方的耦合缝隙5破坏了波导壁上的电流分布，使电磁波向外辐射，且凸起结构越高、缝隙偏移量越大，电磁波辐射的能量也就越多，即对列线源激励的幅度也就越大。
[0035]
具体的设计过程为，首先，利用科学计算软件matlab计算出慢波线方向上的各个天线单元的激励幅度的大小(本实施例中为
‑
20db的taylor加权分布)；然后，通过三维电磁仿真软件(如hfss等)对各个缝隙的尺寸进行优化，使得从馈电缝隙5耦合上来的能量满足上述过程中计算出来的结果。
[0036]
列线源1为频扫相控阵天线的辐射部分，由开口喇叭天线7通过插入不同高度、相同厚度的金属矩形金属栅格6组成，每一列被分割好的带金属栅格的部分喇叭天线组成一个列线源1，每一个列线源的馈电口8与波导慢波线的耦合缝隙一一对应。
[0037]
从整体上看，本实施例的频扫阵列天线在慢波线方向包括若干个列线源，通过控制列线源馈电的幅度和相位来实现慢波线方向的加权和扫描。
[0038]
频扫阵列天线由对应的波导慢波线和列线源组成。每个列线源通过一一对应的耦合缝隙进行馈电，实现幅度加权和扫描相位分布，列线源把耦合的电磁波能量辐射出去。
[0039]
综上所述，上述实施例的低成本高增益宽带频扫阵列天线，慢波线、列线源全部采用金属结构形式，实现一体化紧凑设计；并把波导和喇叭天线两种无源器件的优点如大带宽、高辐射效率、低成本等相结合，实现了整个系统成本的减小和性能的提升，值得被推广使用。
[0040]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。