CN107134658A - 一种小型化cts平板阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化CTS平板阵列天线，包括从上往下依次排列的辐射层、波导功分层、模式转换层和馈电网络层；模式转换层包括第一金属平板以及设置在第一金属平板上表面的模式转换腔阵列，模式转换腔阵列由n²个模式转换腔按照n行×n列的方式排布，馈电网络层包括4ⁿ个H型单脊波导功分网络、两个矩形波导‑单脊波导转换器和E面波导功分器，n为大于等于1的整数，H型单脊波导功分网络具有一个输入端和四个输出端，矩形波导‑单脊波导转换器具有矩形波导输入端和单脊波导输出端；优点是在具有宽频带、高增益和高效率的基础上，尺寸较小、加工装配过程简单。

Description

一种小型化CTS平板阵列天线

技术领域

本发明涉及一种CTS平板阵列天线，尤其是涉及一种小型化CTS平板阵列天线。

背景技术

近年来，高灵敏度、宽频带和低剖面的高性能平板天线由于具有多频段、低成本的特点，在无线通信、超宽带通信和卫星通信等领域得到了广泛的应用。目前常用的平板天线形式主要有微带阵列天线、波导缝隙阵列天线和CTS(连续横向枝节)平板阵列天线。微带阵列天线具有剖面低、小型化、重量轻、易加工等特性，但是当频率升高或天线阵列规模变大时，微带天线由于导体损耗和介质损耗导致其插损增大，无法满足高频率和高效率的应用。波导缝隙阵列天线分为波导缝隙行波阵和驻波阵两种形式，具有导体损耗低、高效率、性能稳定等特性，但是波导缝隙行波阵天线波束指向随频率变化，导致天线波束在宽频带范围内指向不一致，只能在极窄的带宽内应用，频带无法展宽；波导缝隙驻波阵由于本质上是谐振天线，一旦频率偏离谐振频率，方向图、副瓣电平等电性能指标会发生明显恶化，从而导致波导缝隙驻波阵天线只适用于窄频带应用，且带宽与阵列天线规模成反比。CTS平板阵列天线具有低驻波、高增益、高效率、低成本、对制作精度不敏感等特性。CTS平板阵列天线由开有切向缝隙的平行板波导组成，任何由平面波激励的平行板波导产生的纵向电流分量会被横向缝隙切断，在缝隙和平行板波导的交界处产生纵向位移电流，此时平行板里面传递的能量就能通过切向节耦合并且向外辐射电磁波。

现有的CTS平板阵列天线通常包括平板反射器、波导功分器和辐射单元，平板反射器包括H面扇形喇叭天线、偏置抛物反射面和平板波导，H面扇形喇叭天线和偏置抛物反射面设置在平板波导内部，H面扇形喇叭天线的相位中心设置在偏置抛物反射面的焦点，波导功分器连接在偏置抛物反射面的一端，并位于平板阵列天线的E面内，为平板阵列天线E面做等幅分布，天线辐射单元包括矩形波导及与矩形波导正交组装的介质格栅。该CTS平板阵列天线中，平板反射器采用柱面波转换平面波和反射器天线原理产生平面波，将H面扇形喇叭天线置于抛物面反射器的焦点处，喇叭天线辐射的场在偏置抛物反射面处产生等幅度同相位的平面波。

但是，现有的CTS平板阵列天线存在以下问题：一、平板反射器的偏置抛物反射面需要较大的空间，尺寸较大；二、偏置抛物反射面加工要求较高，且装配过程中，偏置抛物反射面的焦点与H面扇形喇叭天线的相位中心需要严格对准，装配要求较高；三、波导功分器由至少四层波导功分层层叠形成，尺寸较大，且每个波导功分层需要分别加工后再组装，装配要求过程复杂，装配要求高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在具有宽频带、高增益和高效率的基础上，尺寸较小、加工装配过程简单的小型化CTS平板阵列天线。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种小型化CTS平板阵列天线，包括从上往下依次排列的辐射层、波导功分层、模式转换层和馈电网络层；所述的模式转换层包括第一金属平板以及设置在所述的第一金属平板上表面的模式转换腔阵列，所述的模式转换腔阵列由n²个模式转换腔按照n行×n列的方式排布，n为大于等于4的整数，位于同一列的n个所述的模式转换腔依次首尾连接，位于第k行第j列的模式转换腔与位于第k行第j+1列的模式转换腔之间的中心间距位于1.5倍的波长至2倍的波长之间，k＝1，2，3，…，n，j＝1，2，3，…，n-1，所述的模式转换腔包括从前向后依次连接的第一矩形腔、第二矩形腔、第三矩形腔、第四矩形腔、第五矩形腔、第六矩形腔、第七矩形腔、第八矩形腔和第九矩形腔，所述的第一矩形腔、所述的第二矩形腔、所述的第三矩形腔、所述的第四矩形腔、所述的第五矩形腔、所述的第六矩形腔、所述的第七矩形腔、所述的第八矩形腔和所述的第九矩形腔的长度方向沿所述的模式转换腔阵列的行方向，所述的第一矩形腔、所述的第二矩形腔、所述的第三矩形腔、所述的第四矩形腔、所述的第五矩形腔、所述的第六矩形腔、所述的第七矩形腔、所述的第八矩形腔和所述的第九矩形腔的宽度方向沿所述的模式转换腔阵列的列方向，所述的第二矩形腔和所述的第三矩形腔和所述的第四矩形腔的长度相等，以所述的第一矩形腔的中心作为基准，所述的第二矩形腔的中心相对于所述的第一矩形腔的中心向右偏移，所述的第二矩形腔的右端宽边超出所述的第一矩形腔的右端宽边，所述的第三矩形腔的中心和所述的第五矩形腔的中心与所述的第一矩形腔的中心位于同一直线上，所述的第四矩形腔的中心相对于所述的第一矩形腔的中心向左偏移，所述的第四矩形腔的左端宽边超出所述的第一矩形腔的左端宽边，所述的第六矩形腔和所述的第四矩形腔相对于所述的第五矩形腔的中心对称，所述的第七矩形腔和所述的第三矩形腔相对于所述的第五矩形腔的中心对称，所述的第八矩形腔和所述的第二矩形腔相对于所述的第五矩形腔的中心对称，所述的第九矩形腔和所述的第一矩形腔相对于所述的第五矩形腔的中心对称，所述的第一矩形腔、所述的第二矩形腔、所述的第三矩形腔、所述的第四矩形腔、所述的第五矩形腔、所述的第六矩形腔、所述的第七矩形腔、所述的第八矩形腔和所述的第九矩形腔通过在所述的第一金属平板的上表面开设矩形槽形成，所述的第一矩形腔、所述的第二矩形腔、所述的第三矩形腔、所述的第四矩形腔、所述的第五矩形腔、所述的第六矩形腔、所述的第七矩形腔、所述的第八矩形腔和所述的第九矩形腔的厚度相等且小于所述的第一金属平板的厚度，所述的第一金属平板的下表面设置有n²个输入端口，n²个输入端口按照n行×n列的方式排布，n²个所述的输入端口分别通过在所述的第一金属平板的下表面开设矩形槽实现，n²个所述的输入端口与n²个所述的模式转换腔按照一一对应连接，所述的输入端口的长度与所述的第五矩形腔的长度相等，所述的输入端口的宽度与所述的第五矩形腔的宽度之差小于所述的第四矩形腔的宽度，每个所述的输入端口的中心与其相应的模式转换腔中第五矩形腔的中心重叠，每个所述的输入端口的长度方向与其相应的模式转换腔中第五矩形腔的长度方向平行，每个所述的输入端口的宽度方向与其相应的模式转换腔中第五矩形腔的宽度方向重叠；所述的馈电网络层包括4ⁿ个H型单脊波导功分网络、两个矩形波导-单脊波导转换器和E面波导功分器，n为大于等于1的整数，所述的H型单脊波导功分网络具有一个输入端和四个输出端，所述的矩形波导-单脊波导转换器具有矩形波导输入端和单脊波导输出端，4ⁿ个所述的H型单脊波导功分网络均匀分布形成k行×k列的第1级馈电网络阵列，其中将所述的第1级馈电网络阵列中2行×2列的H型单脊波导功分网络作为第1级H型单脊波导功分网络单元，所述的第1级馈电网络阵列包括4^n-1个第1级H型单脊波导功分网络单元，每个所述的第1级H型单脊波导功分网络单元中的4个H型单脊波导功分网络的输入端通过一个H型单脊波导功分网络连接；连接4^n-1个所述的第1级H型单脊波导功分网络单元中的4个H型单脊波导功分网络的输入端的H型单脊波导功分网络构成j行×j列的第2级馈电网络阵列，其中，将所述的第2级馈电网络阵列中2行×2列的H型单脊波导功分网络作为第2级H型单脊波导功分网络单元，所述的第2级馈电网络阵列包括4^n-2个第2级H型单脊波导功分网络单元，每个所述的第2级H型单脊波导功分网络单元中的4个H型单脊波导功分网络的输入端通过一个H型单脊波导功分网络连接；以此类推，直至仅包括4个H型单脊波导功分网络的第n-1级H型单脊波导功分网络单元构成，所述的第n-1级H型单脊波导功分网络单元中的4个H型单脊波导功分网络的输入端也通过一个H型单脊波导功分网络连接，两个所述的矩形波导-单脊波导转换器的单脊波导输出口分别与所述的第n-1级H型单脊波导功分网络单元中的4个H型单脊波导功分网络的一个H型单脊波导功分网络的输入端连接，两个所述的矩形波导-单脊波导转换器的矩形波导输入端分别与所述的E面波导功分器的输出端连接，所述的E面波导功分器的输入端为所述的CTS平板阵列天线的输入端，所述的第1级馈电网络中的每个H型单脊波导功分网络的四个输出端分别设置有单脊波导-矩形波导转换器。

所述的单脊波导-矩形波导转换器包括第一矩形金属块，所述的第一矩形金属块内设置有第一矩形空腔，所述的第一矩形空腔的左侧设置有第一E面台阶，所述的第一E面台阶的高度低于所述的第一矩形空腔的高度，所述的第一E面台阶与所述的第一矩形空腔的前侧壁、后侧壁和左侧壁连接，所述的第一矩形空腔的右侧设置有第一H面台阶，所述的第一H面台阶与所述的第一矩形空腔的右侧壁和后侧壁连接，所述的第一H面台阶的高度与所述的第一矩形空腔的高度相等，所述的第一矩形金属块的上表面设置有与所述的第一矩形空腔相通的矩形波导输出口，所述的第一矩形金属块的前侧面上设置有单脊波导输入口，所述的单脊波导输入口与所述的第一矩形空腔连通，所述的单脊波导输入口的高度与所述的第一矩形空腔的高度相等，所述的单脊波导输入口的底面与所述的第一矩形空腔的底面位于同一平面上，所述的单脊波导输入口的底面设置有延伸到所述的第一矩形空腔底面上的第一脊阶梯，所述的第一脊阶梯包括依次连接的第一矩形脊梁和第二矩形脊梁，所述的第一矩形脊梁的高度大于所述的第二矩形脊梁的高度，所述的第一矩形脊梁的高度小于所述的第一矩形空腔的高度。该结构中，单脊波导-矩形波导转换器在单脊波导与矩形波导相接处设置有第一脊阶梯，在矩形波导H面弯角处设置有与矩形波导等高的第一H面台阶，在矩形波导E面弯角处设置有第一E面台阶，第一脊阶梯、第一E面台阶与第一H面台阶用于阻抗匹配，降低因结构的不连续性带来的回波损耗，使该结构具有良好的宽带传输特性。

所述的矩形波导-单脊波导转换器包括第一金属矩形板、第二金属矩形板、第一金属矩形侧板和第二金属矩形侧板，所述的第一金属矩形板和所述的第二金属矩形板上下对称设置，所述的第一金属矩形侧板连接所述的第一金属矩形板的左侧和所述的第二金属矩形板的左侧，所述的第二金属矩形侧板连接所述的第一金属矩形板的右侧和所述的第二金属矩形板的右侧，所述的第一金属矩形板、所述的第二金属矩形板、所述的第一金属矩形侧板和所述的第二金属矩形侧板连接围成第二矩形空腔，所述的第二矩形空腔内设置有第二E面台阶、第二H面台阶、第三H面台阶和第二脊阶梯，所述的第二E面台阶的前端面与所述的第二矩形空腔的前端面齐平，所述的第二E面台阶的左端面与所述的第一金属矩形侧板的内侧面贴合，所述的第二E面台阶的右端面与所述的第二金属矩形侧板的内侧面贴合，所述的第二E面台阶的下端面与所述的第一金属矩形板的上端面贴合，所述的第二E面台阶的高度小于所述的第二矩形空腔的高度，所述的第二H面台阶的左端面与所述的第一金属矩形侧板的内侧面贴合，所述的第二H面台阶的右端面与所述的第三H面台阶的左端面贴合，所述的第二H面台阶的下端面和所述的第三H面台阶的下端面分别与所述的第一金属矩形板的上端面贴合，所述的第二H面台阶的前端面与所述的第二E面台阶的后端面贴合，所述的第三H面台阶的前端面与所述的第二E面台阶的后端面之间具有一段距离，所述的第二H面台阶的后端面和所述的第三H面台阶的后端面与所述的第二矩形空腔的后端面齐平，所述的第二H面台阶的高度和所述的第三H面台阶的高度与所述的第二矩形空腔的高度相等，所述的第二脊阶梯包括依次连接的第三矩形脊梁和第四矩形脊梁，所述的第三矩形脊梁的高度大于所述的第四矩形脊梁的高度，所述的第三矩形脊梁的高度小于所述的第二矩形空腔的高度，所述的第四矩形脊梁的高度大于所述的第二E面台阶的高度，所述的第三矩形脊梁和所述的第四矩形脊梁的左端面齐平，所述的第三矩形脊梁和所述的第四矩形脊梁的右端面齐平，所述的第三矩形脊梁和所述的第四矩形脊梁的下端面分别与所述的第一金属矩形板的上端面贴合，所述的第三矩形脊梁的前端面和所述的第四矩形脊梁的后端面贴合，所述的第三矩形脊梁的左端面与所述的第三H面台阶的右端面不接触，所述的第三矩形脊梁的右端面与所述的第二金属矩形侧板的内侧面不接触，所述的第三矩形脊梁的左端面与所述的第三H面台阶的右端面之间的距离等于所述的第三矩形脊梁的右端面与所述的第二金属矩形侧板的内侧面之间的距离，所述的第四矩形脊梁的前端面和所述的第二E面台阶的后端面贴合，所述的第二矩形空腔的前部为所述的矩形波导-单脊波导转换器的矩形波导输入端，所述的第二矩形空腔的后部为所述的矩形波导-单脊波导转换器的单脊波导输出端。该结构中，矩形波导-单脊波导转换器在矩形波导与单脊波导相接处设置有高度不等的第三矩形脊梁和第四矩形脊梁，在矩形波导H面与脊阶梯相连处设置有与矩形波导H面等宽的第二E面台阶，在脊波导的E面处设置第二H面台阶和第三H面台阶，第三矩形脊梁、第四矩形脊梁、第二E面台阶、第二H面台阶和第三H面台阶均用于阻抗匹配，降低因结构的不连续性带来的回波损耗，使该结构具有良好的宽带传输特性。

所述的辐射层上还设置有极化层，所述的极化层包括介质基板、第一金属层和第二金属层，所述的第一金属层包括刻蚀在所述的介质基板上表面且呈周期性分布的多个第一金属条带，所述的第二金属层包括刻蚀在所述的介质基板下表面且呈周期性分布的多个第二金属条带，所述的第二金属条带的方向与所述的辐射层的辐射方向平行，所述的第一金属条带和所述的第二金属条带之间的夹角为45度。该结构能够使CTS平板阵列天线E面方向图和H面方向图得到优化，保证宽频带，实现低副瓣。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过多个H型单脊波导功分网络、两个矩形波导-单脊波导转换器和E面波导功分器构成馈电网络层，馈电网络层把从标准波导口馈入的单路TE10模，转化为多路功率相同，相位相同的TE10模信号，多路等幅同相信号以相距2倍波导波长的距离，同时馈入包括第一金属平板以及设置在第一金属平板上表面的模式转换腔阵列的模式转换层中，保证了各路信号电磁场方向的一致性，多路等幅同相信号在模式转换腔内部能量相互合成而无抵消，即首先完成多路功率合成为一路的目的，各个H型单脊波导功分网络采用输入和输出同向结构，结构紧凑，能够降低截止频率，扩宽主模带宽，在给定频率下H型单脊波导功分网络可以消减宽边尺寸，可以实现小型化；模式转换腔由宽度不等，高低错落分布的第一矩形腔、第二矩形腔、第三矩形腔、第四矩形腔、第五矩形腔、第六矩形腔、第七矩形腔、第八矩形腔和第九矩形腔这九个波导腔组成，高、低波导腔以半个波导波长周期性排列，这与矩形波导内TE10模传输的电磁场相吻合，模式转换腔内的电磁场经过耦合缝隙时，电磁场矢量方向发生偏转，由于高、低波导腔的排列规律，各个波导腔偏转后的电磁场矢量方向将保持一致，这样就形成了TEM模线源，模式转换腔输出的TEM波通过E面波导功分器、横向枝节和辐射层的E面阶梯喇叭向外辐射平面波，相邻模式转换腔之间形成的横向枝节，能够在宽带传输的条件下得到较高的增益和较低的副瓣。各个模式转换腔结构设计紧凑，在同一平面内完成TEM模式转换，无需反射面等复杂的结构，降低了加工难度，有利于实现低剖面，小型化的设计，使CTS平板阵列天线在具有宽频带、高增益和高效率的基础上，尺寸较小、加工装配过程简单。

附图说明

图1为本发明的小型化CTS平板阵列天线的局部剖视图；

图2为本发明的小型化CTS平板阵列天线的分解图；

图3为本发明的小型化CTS平板阵列天线的辐射层的示意图；

图4为本发明的小型化CTS平板阵列天线的波导功分层的示意图；

图5(a)为本发明的小型化CTS平板阵列天线的模式转换层的俯视图；

图5(b)为本发明的小型化CTS平板阵列天线的模式转换层的仰视图；

图5(c)本发明的小型化CTS平板阵列天线的模式转换腔的示意图；

图6为本发明的小型化CTS平板阵列天线的馈电网络层的结构图；

图7(a)为本发明的小型化CTS平板阵列天线的单脊波导-矩形波导转换器的立体图；

图7(b)为本发明的小型化CTS平板阵列天线的单脊波导-矩形波导转换器的分解图；

图8(a)为本发明的小型化CTS平板阵列天线的矩形波导-单脊波导转换器的立体图；

图8(b)为本发明的小型化CTS平板阵列天线的矩形波导-单脊波导转换器的分解图；

图9为本发明的小型化CTS平板阵列天线在35GHz至40GHz的回波损耗曲线图；

图10为本发明的小型化CTS平板阵列天线在37GHz时的E面和H面方向图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：如图1-图6所示，一种小型化CTS平板阵列天线，包括从上往下依次排列的辐射层1、波导功分层2、模式转换层3和馈电网络层4；模式转换层3包括第一金属平板31以及设置在第一金属平板31上表面的模式转换腔阵列32，模式转换腔阵列32由n²个模式转换腔33按照n行×n列的方式排布，n为大于等于4的整数，位于同一列的n个模式转换腔33依次首尾连接，位于第k行第j列的模式转换腔33与位于第k行第j+1列的模式转换腔33之间的中心间距位于1.5倍的波长至2倍的波长之间，k＝1，2，3，…，n，j＝1，2，3，…，n-1，模式转换腔33包括从前向后依次连接的第一矩形腔331、第二矩形腔332、第三矩形腔333、第四矩形腔334、第五矩形腔335、第六矩形腔336、第七矩形腔337、第八矩形腔338和第九矩形腔339，第一矩形腔331、第二矩形腔332、第三矩形腔333、第四矩形腔334、第五矩形腔335、第六矩形腔336、第七矩形腔337、第八矩形腔338和第九矩形腔339的长度方向沿模式转换腔阵列32的行方向，第一矩形腔331、第二矩形腔332、第三矩形腔333、第四矩形腔334、第五矩形腔335、第六矩形腔336、第七矩形腔337、第八矩形腔338和第九矩形腔339的宽度方向沿模式转换腔阵列32的列方向，第二矩形腔332和第三矩形腔333和第四矩形腔334的长度相等，以第一矩形腔331的中心作为基准，第二矩形腔332的中心相对于第一矩形腔331的中心向右偏移，第二矩形腔332的右端宽边超出第一矩形腔331的右端宽边，第三矩形腔333的中心和第五矩形腔335的中心与第一矩形腔331的中心位于同一直线上，第四矩形腔334的中心相对于第一矩形腔331的中心向左偏移，第四矩形腔334的左端宽边超出第一矩形腔331的左端宽边，第六矩形腔336和第四矩形腔334相对于第五矩形腔335的中心对称，第七矩形腔337和第三矩形腔333相对于第五矩形腔335的中心对称，第八矩形腔338和第二矩形腔332相对于第五矩形腔335的中心对称，第九矩形腔339和第一矩形腔331相对于第五矩形腔335的中心对称，第一矩形腔331、第二矩形腔332、第三矩形腔333、第四矩形腔334、第五矩形腔335、第六矩形腔336、第七矩形腔337、第八矩形腔338和第九矩形腔339通过在第一金属平板31的上表面开设矩形槽形成，第一矩形腔331、第二矩形腔332、第三矩形腔333、第四矩形腔334、第五矩形腔335、第六矩形腔336、第七矩形腔337、第八矩形腔338和第九矩形腔339的厚度相等且小于第一金属平板31的厚度，第一金属平板31的下表面设置有n²个输入端口34，n²个输入端口34按照n行×n列的方式排布，n²个输入端口34分别通过在第一金属平板31的下表面开设矩形槽实现，n²个输入端口34与n²个模式转换腔33按照一一对应连接，输入端口34的长度与第五矩形腔335的长度相等，输入端口34的宽度与第五矩形腔335的宽度之差小于第四矩形腔334的宽度，每个输入端口34的中心与其相应的模式转换腔33中第五矩形腔335的中心重叠，每个输入端口34的长度方向与其相应的模式转换腔33中第五矩形腔335的长度方向平行，每个输入端口34的宽度方向与其相应的模式转换腔33中第五矩形腔335的宽度方向重叠；馈电网络层4包括4ⁿ个H型单脊波导功分网络、两个矩形波导-单脊波导转换器5和E面波导功分器6，n为大于等于1的整数，H型单脊波导功分网络具有一个输入端和四个输出端，矩形波导-单脊波导转换器5具有矩形波导输入端8和单脊波导输出端9，4ⁿ个H型单脊波导功分网络均匀分布形成k行×k列的第1级馈电网络阵列，其中将第1级馈电网络阵列中2行×2列的H型单脊波导功分网络作为第1级H型单脊波导功分网络单元，第1级馈电网络阵列包括4^n-1个第1级H型单脊波导功分网络单元，每个第1级H型单脊波导功分网络单元中的4个H型单脊波导功分网络的输入端通过一个H型单脊波导功分网络连接；连接4^n-1个第1级H型单脊波导功分网络单元中的4个H型单脊波导功分网络的输入端的H型单脊波导功分网络构成j行×j列的第2级馈电网络阵列，其中，将第2级馈电网络阵列中2行×2列的H型单脊波导功分网络作为第2级H型单脊波导功分网络单元，第2级馈电网络阵列包括4^n-2个第2级H型单脊波导功分网络单元，每个第2级H型单脊波导功分网络单元中的4个H型单脊波导功分网络的输入端通过一个H型单脊波导功分网络连接；以此类推，直至仅包括4个H型单脊波导功分网络的第n-1级H型单脊波导功分网络单元构成，第n-1级H型单脊波导功分网络单元中的4个H型单脊波导功分网络的输入端也通过一个H型单脊波导功分网络连接，两个矩形波导-单脊波导转换器5的单脊波导输出口分别与连接第n-1级H型单脊波导功分网络单元中的4个H型单脊波导功分网络的一个H型单脊波导功分网络的输入端连接，两个矩形波导-单脊波导转换器5的矩形波导输入端8分别与E面波导功分器6的输出端连接，E面波导功分器6的输入端为CTS平板阵列天线的输入端，第1级馈电网络中的每个H型单脊波导功分网络的四个输出端分别设置有单脊波导-矩形波导转换器7。

本实施例中，辐射层1上还设置有极化层10，极化层10包括介质基板、第一金属层和第二金属层，第一金属层包括刻蚀在介质基板上表面且呈周期性分布的多个第一金属条带，第二金属层包括刻蚀在介质基板下表面且呈周期性分布的多个第二金属条带，第二金属条带的方向与辐射层1的辐射方向平行，第一金属条带和第二金属条带之间的夹角为45度。

本实施例中，辐射层1和波导功分层2采用其技术领域的成熟技术实现。

实施例二：如图1-图6所示，一种小型化CTS平板阵列天线，包括从上往下依次排列的辐射层1、波导功分层2、模式转换层3和馈电网络层4；模式转换层3包括第一金属平板31以及设置在第一金属平板31上表面的模式转换腔阵列32，模式转换腔阵列32由n²个模式转换腔33按照n行×n列的方式排布，n为大于等于4的整数，位于同一列的n个模式转换腔33依次首尾连接，位于第k行第j列的模式转换腔33与位于第k行第j+1列的模式转换腔33之间的中心间距位于1.5倍的波长至2倍的波长之间，k＝1，2，3，…，n，j＝1，2，3，…，n-1，模式转换腔33包括从前向后依次连接的第一矩形腔331、第二矩形腔332、第三矩形腔333、第四矩形腔334、第五矩形腔335、第六矩形腔336、第七矩形腔337、第八矩形腔338和第九矩形腔339，第一矩形腔331、第二矩形腔332、第三矩形腔333、第四矩形腔334、第五矩形腔335、第六矩形腔336、第七矩形腔337、第八矩形腔338和第九矩形腔339的长度方向沿模式转换腔阵列32的行方向，第一矩形腔331、第二矩形腔332、第三矩形腔333、第四矩形腔334、第五矩形腔335、第六矩形腔336、第七矩形腔337、第八矩形腔338和第九矩形腔339的宽度方向沿模式转换腔阵列32的列方向，第二矩形腔332和第三矩形腔333和第四矩形腔334的长度相等，以第一矩形腔331的中心作为基准，第二矩形腔332的中心相对于第一矩形腔331的中心向右偏移，第二矩形腔332的右端宽边超出第一矩形腔331的右端宽边，第三矩形腔333的中心和第五矩形腔335的中心与第一矩形腔331的中心位于同一直线上，第四矩形腔334的中心相对于第一矩形腔331的中心向左偏移，第四矩形腔334的左端宽边超出第一矩形腔331的左端宽边，第六矩形腔336和第四矩形腔334相对于第五矩形腔335的中心对称，第七矩形腔337和第三矩形腔333相对于第五矩形腔335的中心对称，第八矩形腔338和第二矩形腔332相对于第五矩形腔335的中心对称，第九矩形腔339和第一矩形腔331相对于第五矩形腔335的中心对称，第一矩形腔331、第二矩形腔332、第三矩形腔333、第四矩形腔334、第五矩形腔335、第六矩形腔336、第七矩形腔337、第八矩形腔338和第九矩形腔339通过在第一金属平板31的上表面开设矩形槽形成，第一矩形腔331、第二矩形腔332、第三矩形腔333、第四矩形腔334、第五矩形腔335、第六矩形腔336、第七矩形腔337、第八矩形腔338和第九矩形腔339的厚度相等且小于第一金属平板31的厚度，第一金属平板31的下表面设置有n²个输入端口34，n²个输入端口34按照n行×n列的方式排布，n²个输入端口34分别通过在第一金属平板31的下表面开设矩形槽实现，n²个输入端口34与n²个模式转换腔33按照一一对应连接，输入端口34的长度与第五矩形腔335的长度相等，输入端口34的宽度与第五矩形腔335的宽度之差小于第四矩形腔334的宽度，每个输入端口34的中心与其相应的模式转换腔33中第五矩形腔335的中心重叠，每个输入端口34的长度方向与其相应的模式转换腔33中第五矩形腔335的长度方向平行，每个输入端口34的宽度方向与其相应的模式转换腔33中第五矩形腔335的宽度方向重叠；馈电网络层4包括4ⁿ个H型单脊波导功分网络、两个矩形波导-单脊波导转换器5和E面波导功分器6，n为大于等于1的整数，H型单脊波导功分网络具有一个输入端和四个输出端，矩形波导-单脊波导转换器5具有矩形波导输入端8和单脊波导输出端9，4ⁿ个H型单脊波导功分网络均匀分布形成k行×k列的第1级馈电网络阵列，其中将第1级馈电网络阵列中2行×2列的H型单脊波导功分网络作为第1级H型单脊波导功分网络单元，第1级馈电网络阵列包括4^n-1个第1级H型单脊波导功分网络单元，每个第1级H型单脊波导功分网络单元中的4个H型单脊波导功分网络的输入端通过一个H型单脊波导功分网络连接；连接4^n-1个第1级H型单脊波导功分网络单元中的4个H型单脊波导功分网络的输入端的H型单脊波导功分网络构成j行×j列的第2级馈电网络阵列，其中，将第2级馈电网络阵列中2行×2列的H型单脊波导功分网络作为第2级H型单脊波导功分网络单元，第2级馈电网络阵列包括4^n-2个第2级H型单脊波导功分网络单元，每个第2级H型单脊波导功分网络单元中的4个H型单脊波导功分网络的输入端通过一个H型单脊波导功分网络连接；以此类推，直至仅包括4个H型单脊波导功分网络的第n-1级H型单脊波导功分网络单元构成，第n-1级H型单脊波导功分网络单元中的4个H型单脊波导功分网络的输入端也通过一个H型单脊波导功分网络连接，两个矩形波导-单脊波导转换器5的单脊波导输出口分别与连接第n-1级H型单脊波导功分网络单元中的4个H型单脊波导功分网络的一个H型单脊波导功分网络的输入端连接，两个矩形波导-单脊波导转换器5的矩形波导输入端8分别与E面波导功分器6的输出端连接，E面波导功分器6的输入端为CTS平板阵列天线的输入端，第1级馈电网络中的每个H型单脊波导功分网络的四个输出端分别设置有单脊波导-矩形波导转换器7。

本实施例中，辐射层1和波导功分层2采用其技术领域的成熟技术实现。

如图7(a)和图7(b)所示，本实施例中，单脊波导-矩形波导转换器7包括第一矩形金属块71，第一矩形金属块71内设置有第一矩形空腔72，第一矩形空腔72的左侧设置有第一E面台阶73，第一E面台阶73的高度低于第一矩形空腔72的高度，第一E面台阶73与第一矩形空腔72的前侧壁、后侧壁和左侧壁连接，第一矩形空腔72的右侧设置有第一H面台阶74，第一H面台阶74与第一矩形空腔72的右侧壁和后侧壁连接，第一H面台阶74的高度与第一矩形空腔72的高度相等，第一矩形金属块71的上表面设置有与第一矩形空腔72相通的矩形波导输出口75，第一矩形金属块71的前侧面上设置有单脊波导输入口76，单脊波导输入口76与第一矩形空腔72连通，单脊波导输入口76的高度与第一矩形空腔72的高度相等，单脊波导输入口76的底面与第一矩形空腔72的底面位于同一平面上，单脊波导输入口76的底面设置有延伸到第一矩形空腔72底面上的第一脊阶梯，第一脊阶梯包括依次连接的第一矩形脊梁77和第二矩形脊梁78，第一矩形脊梁77的高度大于第二矩形脊梁78的高度，第一矩形脊梁77的高度小于第一矩形空腔72的高度。

如图8(a)和图8(b)所示，本实施例中，矩形波导-单脊波导转换器5包括第一金属矩形板51、第二金属矩形板52、第一金属矩形侧板53和第二金属矩形侧板54，第一金属矩形板51和第二金属矩形板52上下对称设置，第一金属矩形侧板53连接第一金属矩形板51的左侧和第二金属矩形板52的左侧，第二金属矩形侧板54连接第一金属矩形板51的右侧和第二金属矩形板52的右侧，第一金属矩形板51、第二金属矩形板52、第一金属矩形侧板53和第二金属矩形侧板54连接围成第二矩形空腔55，第二矩形空腔55内设置有第二E面台阶56、第二H面台阶57、第三H面台阶58和第二脊阶梯，第二E面台阶56的前端面与第二矩形空腔55的前端面齐平，第二E面台阶56的左端面与第一金属矩形侧板53的内侧面贴合，第二E面台阶56的右端面与第二金属矩形侧板54的内侧面贴合，第二E面台阶56的下端面与第一金属矩形板51的上端面贴合，第二E面台阶56的高度小于第二矩形空腔55的高度，第二H面台阶57的左端面与第一金属矩形侧板53的内侧面贴合，第二H面台阶57的右端面与第三H面台阶58的左端面贴合，第二H面台阶57的下端面和第三H面台阶58的下端面分别与第一金属矩形板51的上端面贴合，第二H面台阶57的前端面与第二E面台阶56的后端面贴合，第三H面台阶58的前端面与第二E面台阶56的后端面之间具有一段距离，第二H面台阶57的后端面和第三H面台阶58的后端面与第二矩形空腔55的后端面齐平，第二H面台阶57的高度和第三H面台阶58的高度与第二矩形空腔55的高度相等，第二脊阶梯包括依次连接的第三矩形脊梁59和第四矩形脊梁60，第三矩形脊梁59的高度大于第四矩形脊梁60的高度，第三矩形脊梁59的高度小于第二矩形空腔55的高度，第四矩形脊梁60的高度大于第二E面台阶56的高度，第三矩形脊梁59和第四矩形脊梁60的左端面齐平，第三矩形脊梁59和第四矩形脊梁60的右端面齐平，第三矩形脊梁59和第四矩形脊梁60的下端面分别与第一金属矩形板51的上端面贴合，第三矩形脊梁59的前端面和第四矩形脊梁60的后端面贴合，第三矩形脊梁59的左端面与第三H面台阶58的右端面不接触，第三矩形脊梁59的右端面与第二金属矩形侧板54的内侧面不接触，第三矩形脊梁59的左端面与第三H面台阶58的右端面之间的距离等于第三矩形脊梁59的右端面与第二金属矩形侧板54的内侧面之间的距离，第四矩形脊梁60的前端面和第二E面台阶56的后端面贴合，第二矩形空腔55的前部为矩形波导-单脊波导转换器5的矩形波导输入端8，第二矩形空腔55的后部为矩形波导-单脊波导转换器5的单脊波导输出端9。

本实施例中，辐射层1上还设置有极化层10，极化层10包括介质基板、第一金属层和第二金属层，第一金属层包括刻蚀在介质基板上表面且呈周期性分布的多个第一金属条带，第二金属层包括刻蚀在介质基板下表面且呈周期性分布的多个第二金属条带，第二金属条带的方向与辐射层1的辐射方向平行，第一金属条带和第二金属条带之间的夹角为45度。

采用CST电磁仿真工具对本发明的小型化CTS平板阵列天线进行仿真。本发明的小型化CTS平板阵列天线在35GHz至40GHz的回波损耗曲线如图9所示；本发明的小型化CTS平板阵列天线在37GHz时的E面和H面方向图如图10所示。分析图9可知，本发明的小型化CTS平板阵列天线在35GHz至40GHz整个频带内回波损耗(S1，1)优于-15dB；分析图10可知，本发明的小型化CTS平板阵列天线在37GHz频率时天线E面和H面方向图副瓣优于-25dB，主瓣宽度小于2度。由此可知，本发明的小型化CTS平板阵列天线不仅尺寸较小、加工装配过程简单，还具有良好的性能。

Claims (4)

1.一种小型化CTS平板阵列天线，其特征在于包括从上往下依次排列的辐射层、波导功分层、模式转换层和馈电网络层；

所述的模式转换层包括第一金属平板以及设置在所述的第一金属平板上表面的模式转换腔阵列，所述的模式转换腔阵列由n²个模式转换腔按照n行×n列的方式排布，n为大于等于4的整数，位于同一列的n个所述的模式转换腔依次首尾连接，位于第k行第j列的模式转换腔与位于第k行第j+1列的模式转换腔之间的中心间距位于1.5倍的波长至2倍的波长之间，k＝1，2，3，…，n，j＝1，2，3，…，n-1，所述的模式转换腔包括从前向后依次连接的第一矩形腔、第二矩形腔、第三矩形腔、第四矩形腔、第五矩形腔、第六矩形腔、第七矩形腔、第八矩形腔和第九矩形腔，所述的第一矩形腔、所述的第二矩形腔、所述的第三矩形腔、所述的第四矩形腔、所述的第五矩形腔、所述的第六矩形腔、所述的第七矩形腔、所述的第八矩形腔和所述的第九矩形腔的长度方向沿所述的模式转换腔阵列的行方向，所述的第一矩形腔、所述的第二矩形腔、所述的第三矩形腔、所述的第四矩形腔、所述的第五矩形腔、所述的第六矩形腔、所述的第七矩形腔、所述的第八矩形腔和所述的第九矩形腔的宽度方向沿所述的模式转换腔阵列的列方向，所述的第二矩形腔和所述的第三矩形腔和所述的第四矩形腔的长度相等，以所述的第一矩形腔的中心作为基准，所述的第二矩形腔的中心相对于所述的第一矩形腔的中心向右偏移，所述的第二矩形腔的右端宽边超出所述的第一矩形腔的右端宽边，所述的第三矩形腔的中心和所述的第五矩形腔的中心与所述的第一矩形腔的中心位于同一直线上，所述的第四矩形腔的中心相对于所述的第一矩形腔的中心向左偏移，所述的第四矩形腔的左端宽边超出所述的第一矩形腔的左端宽边，所述的第六矩形腔和所述的第四矩形腔相对于所述的第五矩形腔的中心对称，所述的第七矩形腔和所述的第三矩形腔相对于所述的第五矩形腔的中心对称，所述的第八矩形腔和所述的第二矩形腔相对于所述的第五矩形腔的中心对称，所述的第九矩形腔和所述的第一矩形腔相对于所述的第五矩形腔的中心对称，所述的第一矩形腔、所述的第二矩形腔、所述的第三矩形腔、所述的第四矩形腔、所述的第五矩形腔、所述的第六矩形腔、所述的第七矩形腔、所述的第八矩形腔和所述的第九矩形腔通过在所述的第一金属平板的上表面开设矩形槽形成，所述的第一矩形腔、所述的第二矩形腔、所述的第三矩形腔、所述的第四矩形腔、所述的第五矩形腔、所述的第六矩形腔、所述的第七矩形腔、所述的第八矩形腔和所述的第九矩形腔的厚度相等且小于所述的第一金属平板的厚度，所述的第一金属平板的下表面设置有n²个输入端口，n²个输入端口按照n行×n列的方式排布，n²个所述的输入端口分别通过在所述的第一金属平板的下表面开设矩形槽实现，n²个所述的输入端口与n²个所述的模式转换腔按照一一对应连接，所述的输入端口的长度与所述的第五矩形腔的长度相等，所述的输入端口的宽度与所述的第五矩形腔的宽度之差小于所述的第四矩形腔的宽度，每个所述的输入端口的中心与其相应的模式转换腔中第五矩形腔的中心重叠，每个所述的输入端口的长度方向与其相应的模式转换腔中第五矩形腔的长度方向平行，每个所述的输入端口的宽度方向与其相应的模式转换腔中第五矩形腔的宽度方向重叠；

所述的馈电网络层包括4ⁿ个H型单脊波导功分网络、两个矩形波导-单脊波导转换器和E面波导功分器，n为大于等于1的整数，所述的H型单脊波导功分网络具有一个输入端和四个输出端，所述的矩形波导-单脊波导转换器具有矩形波导输入端和单脊波导输出端，4ⁿ个所述的H型单脊波导功分网络均匀分布形成k行×k列的第1级馈电网络阵列，其中将所述的第1级馈电网络阵列中2行×2列的H型单脊波导功分网络作为第1级H型单脊波导功分网络单元，所述的第1级馈电网络阵列包括4^n-1个第1级H型单脊波导功分网络单元，每个所述的第1级H型单脊波导功分网络单元中的4个H型单脊波导功分网络的输入端通过一个H型单脊波导功分网络连接；连接4^n-1个所述的第1级H型单脊波导功分网络单元中的4个H型单脊波导功分网络的输入端的H型单脊波导功分网络构成j行×j列的第2级馈电网络阵列，其中，将所述的第2级馈电网络阵列中2行×2列的H型单脊波导功分网络作为第2级H型单脊波导功分网络单元，所述的第2级馈电网络阵列包括4^n-2个第2级H型单脊波导功分网络单元，每个所述的第2级H型单脊波导功分网络单元中的4个H型单脊波导功分网络的输入端通过一个H型单脊波导功分网络连接；以此类推，直至仅包括4个H型单脊波导功分网络的第n-1级H型单脊波导功分网络单元构成，所述的第n-1级H型单脊波导功分网络单元中的4个H型单脊波导功分网络的输入端也通过一个H型单脊波导功分网络连接，两个所述的矩形波导-单脊波导转换器的单脊波导输出口分别与所述的第n-1级H型单脊波导功分网络单元中的4个H型单脊波导功分网络的一个H型单脊波导功分网络的输入端连接，两个所述的矩形波导-单脊波导转换器的矩形波导输入端分别与所述的E面波导功分器的输出端连接，所述的E面波导功分器的输入端为所述的CTS平板阵列天线的输入端，所述的第1级馈电网络中的每个H型单脊波导功分网络的四个输出端分别设置有单脊波导-矩形波导转换器。

2.根据权利要求1所述的一种CTS平板阵列天线，其特征在于所述的单脊波导-矩形波导转换器包括第一矩形金属块，所述的第一矩形金属块内设置有第一矩形空腔，所述的第一矩形空腔的左侧设置有第一E面台阶，所述的第一E面台阶的高度低于所述的第一矩形空腔的高度，所述的第一E面台阶与所述的第一矩形空腔的前侧壁、后侧壁和左侧壁连接，所述的第一矩形空腔的右侧设置有第一H面台阶，所述的第一H面台阶与所述的第一矩形空腔的右侧壁和后侧壁连接，所述的第一H面台阶的高度与所述的第一矩形空腔的高度相等，所述的第一矩形金属块的上表面设置有与所述的第一矩形空腔相通的矩形波导输出口，所述的第一矩形金属块的前侧面上设置有单脊波导输入口，所述的单脊波导输入口与所述的第一矩形空腔连通，所述的单脊波导输入口的高度与所述的第一矩形空腔的高度相等，所述的单脊波导输入口的底面与所述的第一矩形空腔的底面位于同一平面上，所述的单脊波导输入口的底面设置有延伸到所述的第一矩形空腔底面上的第一脊阶梯，所述的第一脊阶梯包括依次连接的第一矩形脊梁和第二矩形脊梁，所述的第一矩形脊梁的高度大于所述的第二矩形脊梁的高度，所述的第一矩形脊梁的高度小于所述的第一矩形空腔的高度。

3.根据权利要求1所述的一种CTS平板阵列天线，其特征在于所述的矩形波导-单脊波导转换器包括第一金属矩形板、第二金属矩形板、第一金属矩形侧板和第二金属矩形侧板，所述的第一金属矩形板和所述的第二金属矩形板上下对称设置，所述的第一金属矩形侧板连接所述的第一金属矩形板的左侧和所述的第二金属矩形板的左侧，所述的第二金属矩形侧板连接所述的第一金属矩形板的右侧和所述的第二金属矩形板的右侧，所述的第一金属矩形板、所述的第二金属矩形板、所述的第一金属矩形侧板和所述的第二金属矩形侧板连接围成第二矩形空腔，所述的第二矩形空腔内设置有第二E面台阶、第二H面台阶、第三H面台阶和第二脊阶梯，所述的第二E面台阶的前端面与所述的第二矩形空腔的前端面齐平，所述的第二E面台阶的左端面与所述的第一金属矩形侧板的内侧面贴合，所述的第二E面台阶的右端面与所述的第二金属矩形侧板的内侧面贴合，所述的第二E面台阶的下端面与所述的第一金属矩形板的上端面贴合，所述的第二E面台阶的高度小于所述的第二矩形空腔的高度，所述的第二H面台阶的左端面与所述的第一金属矩形侧板的内侧面贴合，所述的第二H面台阶的右端面与所述的第三H面台阶的左端面贴合，所述的第二H面台阶的下端面和所述的第三H面台阶的下端面分别与所述的第一金属矩形板的上端面贴合，所述的第二H面台阶的前端面与所述的第二E面台阶的后端面贴合，所述的第三H面台阶的前端面与所述的第二E面台阶的后端面之间具有一段距离，所述的第二H面台阶的后端面和所述的第三H面台阶的后端面与所述的第二矩形空腔的后端面齐平，所述的第二H面台阶的高度和所述的第三H面台阶的高度与所述的第二矩形空腔的高度相等，所述的第二脊阶梯包括依次连接的第三矩形脊梁和第四矩形脊梁，所述的第三矩形脊梁的高度大于所述的第四矩形脊梁的高度，所述的第三矩形脊梁的高度小于所述的第二矩形空腔的高度，所述的第四矩形脊梁的高度大于所述的第二E面台阶的高度，所述的第三矩形脊梁和所述的第四矩形脊梁的左端面齐平，所述的第三矩形脊梁和所述的第四矩形脊梁的右端面齐平，所述的第三矩形脊梁和所述的第四矩形脊梁的下端面分别与所述的第一金属矩形板的上端面贴合，所述的第三矩形脊梁的前端面和所述的第四矩形脊梁的后端面贴合，所述的第三矩形脊梁的左端面与所述的第三H面台阶的右端面不接触，所述的第三矩形脊梁的右端面与所述的第二金属矩形侧板的内侧面不接触，所述的第三矩形脊梁的左端面与所述的第三H面台阶的右端面之间的距离等于所述的第三矩形脊梁的右端面与所述的第二金属矩形侧板的内侧面之间的距离，所述的第四矩形脊梁的前端面和所述的第二E面台阶的后端面贴合，所述的第二矩形空腔的前部为所述的矩形波导-单脊波导转换器的矩形波导输入端，所述的第二矩形空腔的后部为所述的矩形波导-单脊波导转换器的单脊波导输出端。

4.根据权利要求1所述的一种CTS平板阵列天线，其特征在于所述的辐射层上还设置有极化层，所述的极化层包括介质基板、第一金属层和第二金属层，所述的第一金属层包括刻蚀在所述的介质基板上表面且呈周期性分布的多个第一金属条带，所述的第二金属层包括刻蚀在所述的介质基板下表面且呈周期性分布的多个第二金属条带，所述的第二金属条带的方向与所述的辐射层的辐射方向平行，所述的第一金属条带和所述的第二金属条带之间的夹角为45度。