一种L波段帚形天线

技术领域

本申请属于天线设计技术领域，特别涉及一种L波段帚形天线。

背景技术

目标散射特性是航空武器装备的核心性能指标之一。准确获悉目标散射特性是开展航空武器装备设计、制造、试验等全流程研制的先决条件，是部队面向实战条件开展训练的有效支撑，也是保证高烈度作战条件下飞机高生存力和高出动率的必备因素。

飞机目标散射特性检测方式包括紧缩场暗室、室外测试场、空中动态飞行和室内近场检测四种方式，其中近场测试以实装飞机出厂、服役检测为主，同时兼顾设备与部件。在室内采用近场测量手段对实装隐身飞机目标散射特性进行方位、俯仰、极化及频段的测试，通过高分辨率成像和近远场变换处理获取飞机的散射特性数据，评估目标散射特性的完整性。整机室内近场检测评估相对于紧缩场暗室、室外测试场、动态飞行隐身测试，具有保密性强、测试效率高、成本低、获取信息量大的优点。飞机散射特性室内近场检测是新兴的可支撑未来有/无人作战飞机，尤其是隐身作战飞机目标散射特性的重要检测手段。

室内近场检测为满足飞机类扁目标及室内测试环境的特殊性，通常对测量系统的收发天线性能有特殊要求，主要涵盖方向图形状、副瓣电平、波束相位平坦度以及天线尺寸等参数。其具体要求如下：

1)方位面宽波束，俯仰面窄波束。综合考虑真实战斗机尺寸，为使测试电磁波全面覆盖飞机目标，要求天线波束在水平方向上宽度不小于 30°，在垂直方向宽度不小于13°；

2)低副瓣电平。综合考虑天花板高度与飞机目标架设离地高度，要求测量天线方位面副瓣电平不大于-15dB，俯仰面副瓣电平不大于-10dB；

3)高波束相位平坦度。为降低测量中波束相位波动引入的测试误差，保证散射特性测试准确性，测量天线主瓣波束宽度内相位变化不大于 15°；

4)小物理尺寸。为了降低来自环境的杂散回波，用于近场测量的各波段天线通常放置于天线室内，要求测量L波段天线的物理尺寸不大于 800mm×500mm×1500mm。

目前常用的测量天线有方口/圆口喇叭天线、波纹喇叭天线、脊波导喇叭天线等，这些天线具备宽带高增益、低副瓣的特点，但是应用于室内近场散射特性检测时出现了方位面波束宽度不足、俯仰面波束宽度过大、波束相位分布平坦型不足、天线尺寸较大的问题，因此目前急需一种适用于飞机目标室内近场散射特性检测性能要求的测量天线。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种用于飞机目标散射特性室内近场检测的L波段帚形天线，该天线包括：

脊波导馈源，所述脊波导馈源包括一外形为矩形框的盒体，盒体内设置有沿宽边波段壁延伸的脊状金属片，沿脊状金属片中线开宽度由窄变宽的渐变槽，其中所述渐变槽的较窄的一侧为入口，对应侧为出口；

馈源反射腔过渡结构，设置在脊波导馈源的出口处，所述馈源反射腔过渡结构自连接脊波导馈源的一端向另一端呈喇叭口状延伸，实现与抛物线反射腔的平滑过渡；

抛物面反射腔，包括一个抛物线反射腔面以及与所述抛物线反射腔面相对的辐射出口，抛物线反射腔面的一端连接在馈源反射腔过渡结构的出口的一个窄边上，另一端形成辐射出口的顶端，辐射出口的底端连接在馈源反射腔过渡结构的出口的另一个窄边上；

其中，所述抛物面反射腔的抛物线焦点为馈源反射腔过渡结构的中心点。

优选的是，所述渐变槽沿指数形式渐变。

优选的是，还包括整形耳片，设置在由辐射出口的顶端及底端之间的两个侧壁上，两个整形耳片向外侧倾斜延伸。

优选的是，所述馈源反射腔过渡结构自连接脊波导馈源的一端向另一端呈喇叭口状线性扩展。

优选的是，所述馈源反射腔过渡结构包括两个呈喇叭口延伸的第一边及第二边，第一边自脊波导馈源处向上延伸至辐射出口的底边，第二边自脊波导馈源处延伸至低于所述辐射出口的底边的位置处，并横向延伸至抛物线反射腔面上。

本申请具备方向图方位面波束宽，俯仰面波束窄，副瓣电平低，波束相位平坦度高，物理尺寸小的特点，满足飞机目标近场散射特性检测对测量天线的使用需求与性能要求，提高了测试系统性能与测试效率。本申请可应用于飞机目标的近场散射特性检测，支撑航空武器装备设计、制造、试验等全流程研制，后续应用前景非常广阔。

附图说明

图1是本申请L波段帚形天线的结构示意图。

图2是本申请天线原理结构示意图。

图3是本申请L波段帚形天线的天线工作状态下电场分布图。

其中，1-脊波导馈源，2-馈源反射腔过渡结构，21-第一边，22-第二边，3-抛物面反射腔，31-抛物线反射腔面，32-辐射出口，4-整形耳片。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本申请源自于对电磁场理论，天线设计及目标近场散射特性检测的系统性了解，特别是对反射面天线、波导馈电相关原理的理解，针对飞机目标近场散射特性检测对测量天线需求及性能要求，设计出一种适用于室内近场飞机目标散射特性检测的小型化、扁波束、低副瓣、辐射相位平坦的L波段帚型天线。本申请能够提高测试系统性能与测试效率，完全满足飞机目标散射特性检测的使用需求。

本申请L波段帚形天线，如图1-3所示，主要包括：

脊波导馈源1，所述脊波导馈源1包括一外形为矩形框的盒体，盒体内设置有沿宽边波段壁延伸的脊状金属片，沿脊状金属片中线开宽度由窄变宽的渐变槽，其中所述渐变槽的较窄的一侧为入口，对应侧为出口；

馈源反射腔过渡结构2，设置在脊波导馈源1的出口处，所述馈源反射腔过渡结构2自连接脊波导馈源1的一端向另一端呈喇叭口状延伸，实现与抛物线反射腔3的平滑过渡；

抛物面反射腔3，包括一个抛物线反射腔面31以及与所述抛物线反射腔面相对的辐射出口32，抛物线反射腔面31的一端连接在馈源反射腔过渡结构2的出口的一个窄边上，另一端形成辐射出口的顶端，辐射出口32 的底端连接在馈源反射腔过渡结构2的出口的另一个窄边上；

其中，所述抛物面反射腔3的抛物线焦点为馈源反射腔过渡结构2的中心点。

本实施例中，天线竖直放置时，脊波导馈源位于帚形天线根部，抛物面反射腔位于天线顶部，馈源反射腔过渡结构连接波导馈源与反射腔、辐射出口32置于反射腔抛物面状腔壁对面。脊波导馈源的波导横截面轮廓为矩形，宽边波段壁中心位置有脊状金属片，沿脊状金属片中线开宽度由窄变宽的指数曲线渐变槽，形式可以通过图3看出。

抛物面反射腔宽度与馈源反射腔过渡结构的宽度相同，抛物反射壁面位于馈源口面法线方向，其抛物焦点位于馈源-反射腔过渡结构中心点，辐射出口32宽度与抛物面反射腔宽度相等，高度为抛物面反射腔高度与过渡结构过渡边长度的差值相等。

本申请由于采用了波导加脊的馈电方式，可实现工作频段对L波段的全覆盖，且可减小波导馈源口面，缩短馈源长度，实现馈源小型化。采用馈源-反射腔过渡结构，保证馈源与反射腔的良好阻抗匹配，并可实现抛物焦点位置的调节，与抛物面腔壁外形曲面联合优化，获得良好的天线方向图辐射波束俯仰指向性能，控制抛物面腔壁高度可获得良好的俯仰向波束宽度，采用一定倾斜角度的整形耳片可实现方位面方向图波束宽度的控制优化以及方向图方位面的低副瓣性能。

图2给出了本申请的原理示意图，图中AB是偏置喇叭的激励端，利用波导对偏置喇叭进行激励。为了满足馈源喇叭的尺寸要求，通常是将标准波导尺寸设计成锥形喇叭对AB输入端激励。FABC是偏置喇叭结构，对不同的极化激励模，它呈现不同扇型喇叭。

例如，对沿垂直于FABC面极化的电场，它是一个H面扇型喇叭，对与FABC面平行的电场极化分量，它是一个E面扇型喇叭。CD段是一个以喇叭顶点为焦点的抛物型反射面，抛物线的焦距是根据喇叭辐射口径尺寸决定的。而喇叭辐射径DE是根据辐射方向图的要求决定的。FA,BC是偏置喇叭的两个壁面，BC长度由抛物反射体焦距决定，FA长度由抛物线焦轴方向与辐射口径DE的相对关系所确定。抛物线的焦轴方向取决于所要求辐射波束的指向。从图中我们可以看到，如果在AB端施加一个激励电场在偏置喇叭FABC结构中形成一个球面波，该球面波在DEFABC喇叭盒中传播，入射到抛物型结构CD，根据几何光学原理可知，抛物线CD对入射波产生一个反射波，其传播方向则是与抛物线CD的焦轴方向平行。由抛物线特性，从焦点发出的场，经抛物壁面CD反射后，到达辐射口径上，由于DE与焦轴垂直，因此每条射线所经过的路程相同。所以，在口径上得到一个等相分布的口径场。由口径DE上分布，形成天线辐射波束特性。

在一些可选实施方式中，所述渐变槽沿指数形式渐变。

在一些可选实施方式中，还包括整形耳片4，设置在由辐射出口32的顶端及底端之间的两个侧壁上，两个整形耳片4向外侧倾斜延伸。

在一些可选实施方式中，所述馈源反射腔过渡结构2自连接脊波导馈源1的一端向另一端呈喇叭口状线性扩展。

在一些可选实施方式中，所述馈源反射腔过渡结构2包括两个呈喇叭口延伸的第一边21及第二边22，第一边21自脊波导馈源1处向上延伸至辐射出口32的底边，第二边22自脊波导馈源1处延伸至低于所述辐射出口32 的底边的位置处，并横向延伸至抛物线反射腔面31上。

图3给出了天线工作状态下的电场分布图，辐射电磁波从波导馈源底部向上，经加脊指数渐变槽线传播辐射至馈源-反射腔过渡结构，馈源- 反射腔过渡结构宽边与波导馈源宽边长度一致，内部向两个侧壁(第一边21，第二边22)呈喇叭状线性扩展，实现馈源口面与反射腔口面的平滑过渡，电磁波波前经线性渐变过渡结构整形为幅度锥削分布的球面波，沿馈源口面法线方向传播照射至抛物面反射壁面，抛物面反射腔宽度与馈源-反射腔过渡结构窄变宽度相同，反射壁面抛物焦点位于馈源-反射腔过渡结构中心点，通过优化抛物面反射壁曲面外形，将电磁波波前由球面波整形为幅度锥削分布的平面波，继续沿水平方向传播至辐射口面，辐射口面宽度与抛物面反射腔宽度相等，高度为抛物面反射腔高度与过渡结构过渡边长度的差值相等，辐射口面宽度与高度根据天线波束宽度进行设计。整形耳片与辐射口面左右壁面连接，高度与辐射口面高度相等，在口面外部向反射腔后部倾斜，用于进一步调整优化天线方位面方向图宽度与压低天线副瓣电平。

本发明中的帚形天线的其它性能如表一所示。

表一：本发明中的帚形天线性能

本申请具备方向图方位面波束宽，俯仰面波束窄，副瓣电平低，波束相位平坦度高，物理尺寸小的特点，满足飞机目标近场散射特性检测对测量天线的使用需求与性能要求，提高了测试系统性能与测试效率。本申请可应用于飞机目标的近场散射特性检测，支撑航空武器装备设计、制造、试验等全流程研制，后续应用前景非常广阔。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。