星载SAR轻型波导缝隙相控阵天线及平面天线阵

技术领域

本发明涉及微波天线技术领域，具体地，涉及一种星载SAR轻型波导缝隙相控阵天线及平面天线阵。

背景技术

对于星载SAR来说，天线重量一般占到整个SAR载荷重量的70％以上，因此随着微小型SAR卫星越来越广阔的应用市场，轻量化天线是研究的关键。波导缝隙相控阵天线具有低损耗、高功率容量及天线波束赋形灵活等优点，在星载SAR卫星中得到广泛应用。

SAR天线阵面往往采用波导缝隙阵的形式。由于天线阵面不应具有频扫特性，故波导缝隙阵只能采用驻波阵的形式。常规波导缝隙驻波阵具有窄带特性，且单列波导缝隙驻波阵的带宽与辐射单元数目直接相关。根据驻波阵的电压驻波比(VSWR)与缝隙数N和相对带宽之间的近似关系可知：缝隙数越多，天线的带宽越窄。单根波导缝隙驻波阵无法实现SAR天线所需长度的阵面，通常的解决方法通常是将天线划分为若干个子阵，以减少每根波导上的辐射单元数目，在子阵的中心进行馈电，子阵之间采用功分器馈电。但这种方法增大了天线剖面高度，并增加了天线总体重量。

一般来说，波导缝隙行波阵的带宽非常宽，波导缝隙行波阵可以设计较多的缝隙数以保证波束宽度达标。但直接使用波导缝隙行波阵的形式，会使得天线波束发生频扫，无法应用在SAR天线场景。结合行波阵的单元间距可以设计出准行波阵，波导缝隙准行波阵不具有频扫特性，且能在保证相对带宽的前提下，增加每根波导上的辐射单元数目。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种星载SAR轻型波导缝隙相控阵天线，相对工作带宽大于6.25％，波束宽度窄，副瓣较低，整体重量减轻。

根据本发明提供的星载SAR轻型波导缝隙相控阵天线，包括顶层辐射波导阵列和底层馈电波导；

所述顶层辐射波导阵列包括多根紧密排列的波导腔体，相邻的波导腔体之间通过脊分隔，所述波导腔体的脊由波导腔体下表面向所述波导腔体的上表面延伸且与不与所述波导腔体的上表面连接；

每根波导腔体的上表面开有一排辐射缝隙，所述辐射缝隙沿每一波导腔体中心线交错分布；

所述波导腔体下表面开有耦合缝隙，所述耦合缝隙与所述底层馈电波导相连。

优选地，所述的底层馈电波导的上表面与所述波导腔体的下表面共用，其上开有工字型耦合缝隙，以使得底层馈电波导的能量从该耦合缝隙进入辐射波导腔体内部。

优选地，在所述射波导腔体的辐射缝隙相邻区域设有金属扰动块；

所述金属扰动块，用于调节辐射缝隙的辐射强度。

优选地，还包括同轴探针；所述同轴探针设置在所述波导腔体的下表面；

所述同轴探针，用于对底层馈电波导产生激励。

优选地，所述同轴探针的内部金属探针插入底层馈电波导，所述同轴探针的外壳与底层馈电波导的底层铜层相接触。

优选地，所述波导腔体为矩形波导、脊波导或梯形波导。

优选地，所述辐射缝隙数量N为3至20的任意数值。

优选地，相邻两个所述辐射缝隙之间的间距相等，间距邻近但不等于波导波长的1/2。

优选地，所述顶层辐射波导阵列工作在准行波模式。

根据本发明提供的平面天线阵，包括M×N个所述的星载SAR轻型波导缝隙相控阵天线，M和N的取值为任意自然数。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明在保证相对带宽的前提条件下，结合准行波模式实现了在单根波导上开更多的缝隙，减少了馈电波导级数，减轻了天线重量，在星载场景中有巨大的潜在应用价值；

2、本发明区别于传统的波导缝隙天线阵，天线工作在准行波模式，有效展宽了天线工作带宽；

3、本发明区别于常规设计，结合准行波设计能够增加单根辐射波导腔体上的缝隙数量，减少功分器级数，使天线重量大幅减轻。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例中星载SAR轻型波导缝隙相控阵天线的结构示意图。

图2为本发明实施例中星载SAR轻型波导缝隙相控阵天线侧视图。

图3为本发明实施例中星载SAR轻型波导缝隙相控阵天线的12元子阵的俯视结构示意图。

图4为本发明实施例中星载SAR轻型波导缝隙相控阵天线的24元子阵的俯视结构示意图。

图5为本发明实施例中星载SAR轻型波导缝隙相控阵天线的12元子阵的仿真驻波曲线。

图6为本发明实施例中星载SAR轻型波导缝隙相控阵天线的24元子阵的仿真驻波曲线。

图7为本发明实施例中星载SAR轻型波导缝隙相控阵天线的24元子阵在0.96875f0频点上极化方向图。

图8为本发明实施例中星载SAR轻型波导缝隙相控阵天线的24元子阵在f0频点上极化方向图。

图9为本发明实施例中星载SAR轻型波导缝隙相控阵天线的24元子阵在1.003125f0频点上极化方向图。

图10为本发明实施例中星载SAR轻型波导缝隙相控阵天线在0.96875f0频点上极化方向图。

图11为本发明实施例中星载SAR轻型波导缝隙相控阵天线在f0频点上极化方向图。

图12为本发明实施例中星载SAR轻型波导缝隙相控阵天线在1.003125f0频点上极化方向图。

图中：

1为波导腔体；2为脊；3为辐射缝隙；4为耦合缝隙；5为底层馈电波导；6为金属扰动块；7为同轴探针；8为天线层；9为四级功分器；10为三级功分器；11为二级功分器；12为一级功分器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明实施例中星载SAR轻型波导缝隙相控阵天线的结构示意图，图2为本发明实施例中星载SAR轻型波导缝隙相控阵天线侧视图，如图1、图2所示，在本发明实施例中，本发明提供的星载SAR轻型波导缝隙相控阵天线，可以为12元轻型宽带脊波导缝隙天线子阵，波导腔体1为矩形波导、脊波导、梯形波导或圆波导，天线采用低损耗一体式金属腔体结构，辐射效率高达85％以上，波导腔体1内中下部固定设置有脊2，脊2的顶部与波导腔体1顶部内壁之间不连接，每根脊波导的顶层上表面开有一排共计12个不同尺寸的椭圆辐射缝隙3，辐射缝隙在3波导腔体1的上表面长度方向中心线上交错分布。在辐射波导腔体1的缝隙附近，设有长方体金属扰动块6，扰动块位于缝隙末端一侧，用于调节辐射缝隙3的辐射强度。

如图3所示，本发明实施例提供的星载SAR轻型波导缝隙相控阵天线，可以为24元轻型宽带脊波导缝隙天线子阵，由两个12元轻型宽带脊波导缝隙天线子阵和1：2波导功分器构成，馈电波导上表面与辐射波导腔体1的下表面共用，波导腔体1下表面开有工字型耦合缝隙4与底层馈电波导5相连。馈电波导采用单脊波导形式，采用同轴探针7对波导腔体1产生激励，同轴探针7的内部金属探针插入底层馈电波导5内部，其外壳与底层馈电波导5底层铜层相接触。

图4为本发明实施例中星载SAR轻型波导缝隙相控阵天线的24元子阵的俯视结构示意图，如图4所示，所述轻型宽带脊波导缝隙天线需具有大于6.25％的相对带宽，根据波导缝隙阵的谐振阵相关公式，当辐射缝隙3为常规矩形缝隙时，要实现6.25％相对带宽内的驻波小于1.5，则单根驻波阵的上缝隙数量不能大于3。根据设计需求，在方位维需要24个中心馈电的子阵组阵以实现144个辐射缝隙3，相应的需要一组1：24的五级波导功分器。在本实例中，辐射缝隙3间距在波导波长的1/2附近，天线工作在准行波模式，单根波导缝隙子阵具有12个辐射缝隙3，仅需12个中心馈电的子阵组阵即可满足方位维的设计要求，相应的波导功分器级数为四级，与常规设计相比，减少一级功分器，天线整体重量得以大幅减轻，核算每平方米的重量为6.4Kg。

本发明实施例中，图5为本发明实施例中星载SAR轻型波导缝隙相控阵天线的12元子阵的电压驻波比曲线，如图5所示，图中横坐标为工作频率，单位为GHz，纵坐标为回波损耗，单位为dB。从图中可以看出该天线在0.96875f0～1.003125f0范围内，电压驻波比小于1.5，相对带宽大于6.25％，实现了良好的宽带性能。

本发明实施例中，图6为本发明实施例中星载SAR轻型波导缝隙相控阵天线的24元子阵的电压驻波比曲线，如图6所示，图中横坐标为工作频率，单位为GHz，纵坐标为回波损耗，单位为dB。从图中可以看出该天线在0.96875f0～1.003125f0范围内，电压驻波比小于2，相对带宽大于6.25％，实现了良好的宽带性能。

本发明实施例中，图7～9分别为本发明实施例中星载SAR轻型波导缝隙相控阵天线的24元子阵在0.96875f0、f0和1.003125f0频点上的方向图与交叉极化效果图，横坐标为角度，单位为度，纵坐标为幅度，单位为分贝，即dB。三个频点的交叉极化分别为61dB、61dB和62.6dB，隔离度较好实现很好的交叉极化抑制。

本发明实施例中，图10～12为本发明实施例中星载SAR轻型波导缝隙相控阵天线在0.96875f0、f0和1.003125f0频点上的方向图与交叉极化效果图，横坐标为角度，单位为度，纵坐标为幅度，单位为分贝，即dB。从图中可以看出三个频点的副瓣分别为-13.47dB、-13.27dB、-13.22dB，交叉极化为61dB、61dB和62.7dB，实现很好的交叉极化抑制，与24阵元子阵性能保持一致。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性地，本申请的真正范围和精神由上述的权

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。