CN113097742B - 一种基于旋转辐射槽的波导阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于旋转辐射槽的波导阵列天线，包括按照从上到下顺序层叠的辐射层、耦合层和馈电层，馈电层用于将外部输入其内的能量均匀等分为多路能量，并将该多路能量同时传输到耦合层中，耦合层用于将输入其内的多路能量的幅值和相位均匀分布，抑制了交叉极化和光栅波瓣的恶化，再将多路能量输入辐射层中，辐射层采用旋转辐射槽结构实现，避免了副瓣的恶化，最终将输入其内的多路能量辐射出去；优点是能够有效减少天线层数并消除额外的插入损耗，增加了整体稳定性，充分降低天线结构复杂度和减少电磁波的泄漏，在保证具有低副瓣的基础上，更好地抑制光栅波瓣的恶化并具有较高的XPD和天线效率。

Description

一种基于旋转辐射槽的波导阵列天线

技术领域

本发明涉及一种波导阵列天线，尤其是涉及一种基于旋转辐射槽的波导阵列天线。

背景技术

随着数据通信的爆炸性增长，利用毫米波(mmW)频段来改善移动通信系统整体性能对于第五代(5G)移动通信来说是一个有前途的解决方案。与当前工作频率低于6GHz的移动通信系统不同，毫米波频段可提供更宽的工作带宽，更小的电路和天线尺寸。世界无线电通信大会(WRC)提出了24GHz及更高频谱的mmW频段作为5G mmW通信的推荐频段，其中，Ka频段内的28GHz和38GHz频段是最有利的频段。为了在5G mmW情况下实现远距离的高速和稳定通信，天线应具有出色的性能，包括高增益、高效率、低旁瓣电平(SLL)和更高的交叉极化鉴别度(XPD)等。

申请号为CN201710030209.6的中国专利中公开了一种CTS平板阵列天线，该天线通过装在顶部的分离45°线性的偏振器来改变辐射孔极化方向。该CTS平板阵列天线中，偏振器使用不但增加了天线层数并引入额外的插入损耗，而且安装该偏振器还需要额外的固定结构，这使得天线结构复杂，稳定性降低。

申请号为CN201710429885.0的中国专利中公开了一种波导缝隙阵列天线，该波导缝隙阵列天线包括从上到下设置的辐射层和馈电层，辐射层采用从下至上层叠的第一辐射单元、第二辐射单元、第三辐射单元和第四辐射单元构成的多层耦合结构实现。该天线通过将第四辐射单元直接旋转到阵列天线所需的斜对角线方向以实现45°线性偏振器的功能，但是由于这种方式会导致光栅波瓣和交叉极化的恶化，于是又通过在第三辐射单元中增加一个额外的激励槽，以此降低光栅波瓣，并通过增加辐射层的高度和在第四辐射单元中添加另一对窄槽，使得XPD增强。而激励槽和窄槽的添加不仅增大了天线结构复杂度导致成本提高，而且增加了电磁波的泄漏路径造成天线的工作效率下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够有效减少天线层数并消除额外的插入损耗，增加了整体稳定性，充分降低天线结构复杂度和减少电磁波的泄漏，在保证具有低副瓣的基础上，更好地抑制光栅波瓣的恶化并具有较高的XPD和天线效率的基于旋转辐射槽的波导阵列天线。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于旋转辐射槽的波导阵列天线，包括按照从上到下顺序层叠的辐射层、耦合层和馈电层，所述的馈电层用于将外部输入其内的能量均匀等分为多路能量，并将该多路能量同时传输到所述的耦合层中，所述的耦合层用于将输入其内的多路能量的幅值和相位均匀分布，抑制了交叉极化和光栅波瓣的恶化，再将多路能量输入所述的辐射层中，所述的辐射层采用旋转辐射槽结构实现，避免了副瓣的恶化，最终将输入其内的多路能量辐射出去。

所述的辐射层包括第一平板以及设置在所述的第一平板上的辐射阵列，所述的第一平板为矩形板，所述的辐射阵列包括等间隔设置的4^(n-1)个辐射单元，n为大于等于3的正整数，所述的辐射单元按照2^(n-1)行×2^(n-1)列的方式分布在所述的第一平板上，每个所述的辐射单元分别包括设置在所述的第一平板上4个辐射腔，4个所述的辐射腔按照2行×2列的方式均匀间隔排布，每个所述的辐射腔分别包括从上到下层叠连通的第一矩形腔和第二矩形腔，所述的第一矩形腔和所述的第二矩形腔的中心位于同一直线上，且该直线垂直于所述的第一平板，将该直线称为该辐射腔的中心线，所述的第一矩形腔的上端面与所述的第一平板的上端面齐平，所述的第一矩形腔的下端面与所述的第二矩形腔的上端面贴合，所述的第二矩形腔的下端面与所述的第一平板的下端面齐平，所述的第一矩形腔的前端面与所述的第二矩形腔的前端面位于同一平面，所述的第一矩形腔的后端面和所述的第二矩形腔的后端面位于同一平面，所述的第一矩形腔的左端面到其右端面之间的距离大于所述的第二矩形腔的左端面到其右端面之间的距离，所述的第一矩形腔的上端面与其下端面之间的距离大于所述的第二矩形腔的上端面与其下端面之间的距离，如果所述的辐射腔绕其中心线逆时针旋转45度，此时该辐射腔的第一矩形腔和第二矩形腔的前端面所在平面将与所述的第一平板前端面所在的平面平行。该结构在不添加额外的偏振器金属层的基础上，使得阵列天线的结构更加简单，采用将辐射腔旋转45度，有效地抑制了第一副瓣电平。

每个所述的辐射腔中，所述的第一矩形腔的前端面到其后端面之间的距离为0.64λ，所述的第一矩形腔的左端面到其右端面之间的距离为0.46λ，所述的第一矩形腔的上端面到其下端面之间的距离为0.19λ，所述的第二矩形腔的前端面到其后端面之间的距离为0.64λ，所述的第二矩形腔的左端面到其右端面之间的距离为0.29λ，所述的第一矩形腔的上端面到其下端面之间的距离为0.06λ；每个所述的辐射单元中，位于同一行的相邻两个所述的辐射腔之间的中心间距为0.83λ，位于同一列的相邻两个所述的辐射腔之间的中心间距为0.83λ；λ＝c/f，c为波速，c＝3*10^8m/s，f为所述的基于旋转辐射槽的低副瓣平板阵列天线的中心工作频率。

所述的耦合层包括第二平板以及设置在所述的第二平板上的耦合腔阵列，所述的第二平板为矩形板，所述的耦合腔阵列包括按照2^(n-1)行×2^(n-1)列均匀间隔排布的4^(n-1)个耦合腔，每个所述的耦合腔分别包括从上到下层叠的第一耦合腔、第二耦合腔和第三耦合腔；所述的第一耦合腔包括第三矩形腔、第一脊台阶、第二脊台阶、第一等腰直角三角块、第二等腰直角三角块、第三等腰直角三角块和第四等腰直角三角块，所述的第一脊台阶和所述的第二脊台阶均为矩形块，所述的第一脊台阶的前端面与所述的第三矩形腔的前端面连接且两者处于贴合状态，所述的第一脊台阶的左端面与所述的第三矩形腔的左端面之间具有一段距离，所述的第一脊台阶的右端面与所述的第三矩形腔的右端面之间具有一段距离，所述的第一脊台阶的左端面与所述的第三矩形腔的左端面之间的距离等于所述的第一脊台阶的右端面与所述的第三矩形腔的右端面之间的距离，所述的第二脊台阶的后端面与所述的第三矩形腔的后端面连接且两者处于贴合状态，所述的第一脊台阶沿左右方向的长度等于所述的第二脊台阶沿左右方向的长度，所述的第一脊台阶沿前后方向的长度等于所述的第二脊台阶沿前后方向的长度，且所述的第一脊台阶沿前后方向的对称面与所述的第二脊台阶沿前后方向的对称面位于同一平面，所述的第一脊台阶的上端面和所述的第二脊台阶的上端面均与所述的第三矩形腔的上端面齐平，所述的第三矩形腔的上端面与所述的第二平板的上端面齐平，所述的第一脊台阶的下端面和所述的第二脊台阶的下端面均与所述的第三矩形腔的下端面齐平，所述的第一脊台阶沿前后方向的长度与所述的第二脊台阶沿前后方向的长度之和小于所述的第三矩形腔沿前后方向的长度，所述的第一等腰直角三角块、所述的第二等腰直角三角块、所述的第三等腰直角三角块和所述的第四等腰直角三角块四者尺寸完全相同，所述的第一等腰直角三角块的两个直角边的尺寸与所述的第一脊台阶的前端面到其后端面的距离相等，所述的第一等腰直角三角块的两个直角边分别与所述的第三矩形腔的前端面和左端面分别连接且贴合，所述的第一等腰直角三角块的上端面与所述的第三矩形腔的上端面位于同一平面，所述的第一等腰直角三角块的下端面与所述的第三矩形腔的下端面位于同一平面，所述的第二等腰直角三角块的两个直角边与所述的第三矩形腔的前端面和所述的第一脊台阶的右端面分别连接且贴合，所述的第一等腰直角三角块与所述的第一脊台阶不接触，所述的第二等腰直角三角块与所述的第三矩形腔的右端面不接触，如果所述的第一等腰直角三角块相对于所述的第三矩形腔的中心轴线顺时针旋转180度将会与所述的第三等腰直角三角块完全重合，如果所述的第二等腰直角三角块相对于所述的第三矩形腔的中心轴线顺时针旋转180度将会与所述的第四等腰直角三角块完全重合；所述的第二耦合腔包括第四矩形腔、第五矩形腔、第六矩形腔、第七矩形腔和第八矩形腔，所述的第四矩形腔的左端面和所述的第六矩形腔的左端面分别与所述的第三矩形腔的左端面位于同一平面，所述的第七矩形腔的右端面和所述的第八矩形腔的右端面分别与所述的第三矩形腔的右端面位于同一平面，所述的第四矩形腔的前端面所在平面位于所述的第一脊台阶的后端面所在平面的前侧，所述的第八矩形腔的后端面所在平面位于所述的第二脊台阶的前端面所在平面的后侧，所述的第四矩形腔的左端面与其右端面之间的距离等于所述的第八矩形腔的左端面与其右端面之间的距离，所述的第六矩形腔位于所述的第四矩形腔的后侧且两者之间具有一段距离，所述的第五矩形腔位于所述的第六矩形腔的右侧，所述的第五矩形腔的左端面与所述的第六矩形腔的右端面连接且两者贴合，所述的第七矩形腔位于所述的第五矩形腔的右侧，所述的第七矩形腔的左端面与所述的第五矩形腔的右端面连接且两者贴合，所述的第六矩形腔的前端面与所述的第七矩形腔的前端面位于同一平面，所述的第六矩形腔的后端面与所述的第七矩形腔的后端面位于同一平面，所述的第五矩形腔沿左右方向的对称面与所述的第七矩形腔沿左右方向的对称面位于同一平面，所述的第五矩形腔的前端面与其后端面之间的距离大于所述的第七矩形腔的前端面与其后端面的距离，所述的第五矩形腔的前端面与所述的第四矩形腔的后端面之间具有一段距离，所述的第五矩形腔的后端面与所述的第八矩形腔的前端面之间具有一段距离，所述的第五矩形腔的前端面与所述的第四矩形腔的后端面之间的距离等于所述的第五矩形腔的后端面与所述的第八矩形腔的前端面之间的距离，所述的第六矩形腔的左端面与其右端面之间的距离等于所述的第七矩形腔的左端面与其右端面之间的距离；所述的第四矩形腔、所述的第五矩形腔、所述的第六矩形腔、所述的第七矩形腔和所述的第八矩形腔的上端面均与所述的第三矩形腔的下端面连接且处于贴合状态，所述的第四矩形腔的上端面到其下端面的距离等于所述的第八矩形腔的上端面到其下端面的距离，所述的第五矩形腔的上端面到其下端面的距离、所述的第六矩形腔的上端面到其下端面的距离和所述的第七矩形腔的上端面到其下端面的距离均相等，所述的第四矩形腔的上端面到其下端面的距离小于所述的第五矩形腔的上端面到其下端面的距离；所述的第三耦合腔包括第九矩形腔，所述的第九矩形腔的左端面与所述的第五矩形腔的左端面位于同一平面，所述的第九矩形腔的前端面与所述的第五矩形腔的前端面位于同一平面，所述的第九矩形腔的右端面与所述的第五矩形腔的右端面位于同一平面，所述的第九矩形腔的后端面与所述的第五矩形腔的后端面位于同一平面，所述的第九矩形腔的上端面与所述的第五矩形腔的下端面连接且贴合，所述的第九矩形腔的下端面位于所述的第二平板的下端面上；4^(n-1)个耦合腔与4^(n-1)个辐射单元一一对应上下连通，在对应的一个耦合腔和一个辐射单元中，辐射单元中位于第1行第1列的辐射腔的第一矩形腔的左端面与耦合腔的第一耦合腔的第一等腰直角三角块的斜边位于同一平面，辐射单元中位于第1行第2列的辐射腔的第一矩形腔的左端面与耦合腔的第一耦合腔的第二等腰直角三角块的斜边位于同一平面，辐射单元中位于第2行第1列的辐射腔的第一矩形腔的右端面与耦合腔的第一耦合腔的第四等腰直角三角块的斜边位于同一平面，辐射单元中位于第2行第2列的辐射腔的第一矩形腔的右端面与耦合腔的第一耦合腔的第三等腰直角三角块的斜边位于同一平面。该结构中，通过添加在第三矩形腔内添加第一等腰直角三角块、第二等腰直角三角块、第三等腰直角三角块和第四等腰直角三角块，实现相邻辐射腔中能量幅值的均匀分布，并设置第四矩形腔和第八矩形腔，实现相邻辐射腔中能量相位的均匀分布，在此基础上能够有效地抑制交叉极化和栅瓣电平的恶化，同时使得第一副瓣电平在原有情况的基础上保持不受影响，利于天线实现低副瓣电平、高XPD性能和提高其孔径辐射效率；通过添加第六矩形腔和第七矩形腔有效地提高了耦合腔的输入阻抗匹配。

每个所述的第一耦合腔中，所述的第三矩形腔的前端面到其后端面的距离为1.55λ，所述的第三矩形腔的左端面到其右端面的距离为1.55λ，所述的第三矩形腔的上端面到其下端面的距离为0.1λ，所述的第一脊台阶的前端面到其后端面的距离为0.39λ，所述的第一脊台阶的左端面到其右端面的距离为0.12λ，如果所述的第一等腰直角三角块向右平移0.83λ将会与所述的第二等腰直角三角块重叠，位于同一行相邻两个所述的耦合腔的第三矩形腔的中心间距为1.66λ，位于同一列相邻两个所述的耦合腔的第三矩形腔的中心间距为1.66λ。

所述的馈电层包括第三平板以及设置在所述的第三平板上的馈电网络，所述的第三平板为矩形板，所述的馈电网络包括m级馈电网络阵列、2个T型单脊波导功分网络、4×(2^m×2^m)个单脊波导-矩形波导转换器、矩形波导-单脊波导转换器和矩形波导，m＝n-2，所述的矩形波导为标准WR28波导，所述的矩形波导位于所述的第三平板的背面且其位于所述的第三平板的中心位置，所述的矩形波导的输入端口作为阵列天线的输入端口，每个所述的单脊波导-矩形波导转换器分别具有一个输入端口和一个输出端口，所述的矩形波导-单脊波导转换器具有一个输入端口和两个输出端口，所述的矩形波导的输出端口与所述的矩形波导-单脊波导转换器的输入端口连接，每个所述的T型单脊波导功分网络分别具有一个输入端口和两个输出端口，所述的矩形波导-单脊波导转换器的两个输出端口与两个T型单脊波导功分网络的输入端口一一对应连接，第k级馈电网络阵列包括2^k×2^k个H型单脊波导功分网络，第k级馈电网络阵列中的2^k×2^k个H型单脊波导功分网络按2^k行×2^k列等间隔均匀分布，k＝1,2，…，m，每个H型单脊波导功分网络分别具有一个输入端口和四个输出端口，两个T型单脊波导功分网络的四个输出端口与所述的第1级馈电网络中的2×2个H型单脊波导功分网络的输入端口一一对应连接，第j级馈电网络阵列中的2^j×2^j个H型单脊波导功分网络的4×2^j×2^j个输出端口与第j+1级馈电网络阵列中的2^j+1×2^j+1个H型单脊波导功分网络的2^j+1×2^j+1个输入端口一一对应连接，j＝1,2，…，m-1，第m级馈电网络阵列中的2^m×2^m个H型单脊波导功分网络的4×2^m×2^m个输出端口与4×(2^m×2^m)个单脊波导-矩形波导转换器的输入端口一一对应连接，4×(2^m×2^m)个单脊波导-矩形波导转换器的输出端口与4^(n-1)个耦合腔中的第九矩形腔一一对应连通。该结构中，馈电层利用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，实现了阵列天线超宽带高效率馈电，减轻天线重量，利于实现小型化。

所述的单脊波导-矩形波导转换器包括开设在所述的第三平板上的第十矩形腔，所述的第十矩形腔的上端面与所述的第三平板的上端面齐平，所述的第十矩形腔的高度小于所述的第三平板的高度，所述的第十矩形腔的前端面位于所述的第三平板的前端面后侧且两者平行，所述的第十矩形腔的后端面位于所述的第三平板的后端面前侧且两者平行，所述的第十矩形腔内设置有第一矩形块、第三脊台阶和第四脊台阶，所述的第一矩形块的左端面、后端面和下端面分别与所述的第十矩形腔的左端面、后端面和下端面贴合连接，所述的第一矩形块的高度与所述的第十矩形腔的高度相等，所述的第一矩形块沿前后方向的长度小于所述的第十矩形腔沿前后方向的长度的一半，所述的第三脊台阶的右端面与所述的第十矩形腔的右端面齐平，所述的第三脊台阶的下端面与所述的第十矩形腔的下端面贴合连接，所述的第三脊台阶的左端面所在平面位于所述的第一矩形块的右端面所在平面的右边，所述的第三脊台阶的前端面位于所述的第十矩形腔的前端面的后侧且两者平行，所述的第三脊台阶的后端面位于所述的第十矩形腔的后端面的前侧且两者平行，所述的第三脊台阶的前端面到所述的第十矩形腔的前端面的距离等于所述的第三脊台阶的后端面到所述的第十矩形腔的后端面的距离，所述的第四脊台阶的下端面与所述的第三脊台阶的上端面贴合连接，所述的第四脊台阶的高度小于所述的第三脊台阶的高度，所述的第四脊台阶的右端面与所述的第十矩形腔的右端面位于同一平面，所述的第四脊台阶的前端面与所述的第三脊台阶的前端面位于同一平面，所述的第四脊台阶的后端面与所述的第三脊台阶的后端面位于同一平面，所述的第四脊台阶的左端面到其右端面的距离小于所述的第三脊台阶的左端面到其右端面的距离，所述的第四脊台阶的上端面与所述的第十矩形腔的上端面齐平，所述的第十矩形腔的右端面为所述的单脊波导-矩形波导转换器的输入端口，所述的第十矩形腔的上端面为所述的单脊波导-矩形波导转换器的输出端口，当所述的第十矩形腔与对应的一个耦合腔中的第九矩形腔对应连通时，该第十矩形腔的前端面与该第九矩形腔的前端面位于同一个平面，该第十矩形腔的左端面与该第九矩形腔的左端面位于同一个平面。该结构中，第一矩形块、第三脊台阶和第四脊台阶用于实现阻抗匹配，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，且能够对辐射层中各个辐射单元均匀馈电。

所述的矩形波导-单脊波导转换器的输入端口位于所述的馈电层的中心位置，且其中心线与所述的第三平板的中心线重合，所述的标准WR28波导位于所述的第三平板内，如果将所述的标准WR28波导绕其中心线逆时针旋转45度后其前端面与所述的第三平板的前端面平行，所述的矩形波导-单脊波导转换器包括矩形开口、矩形匹配块、第一过渡结构和第二过镀结构，所述的矩形开口位于所述的标准WR28波导的正上方，所述的矩形开口沿左右方向的长度小于所述的标准WR28波导沿左右方向的长度，所述的矩形开口沿前后方向的长度等于所述的标准WR28波导沿前后方向的长度，所述的矩形开口的上端面与所述的第三平板的上端面齐平，所述的矩形匹配块固定在所述的第二平板的下端面上且嵌入所述的矩形开口内将所述的矩形开口的上部充满，所述的矩形匹配块沿前后方向的对称平面与所述的标准WR28波导沿前后方向对称平面重合，如果将所述的矩形匹配块绕其中心线逆时针旋转45度后其前端面会与所述的第二平板的前端面平行，所述的矩形开口的下部作为所述的矩形波导-单脊波导转换器的输入端口，所述的第一过渡结构和第二过渡结构分别位于所述的矩形开口左右两侧，且相对于所述的矩形开口的中心线呈中心对称结构；所述的第一过渡结构包括第十一矩形腔、第一直角三角形空腔、第二直角三角形空腔、第二矩形块、第三矩形块、第四矩形块、第一直角梯形块和第二直角梯形块，所述的第十一矩形腔的上端面与所述的第三平板的上端面齐平，所述的第十一矩形腔的右端面与所述的矩形开口的左端面连通，所述的第十一矩形腔的后端面与所述的矩形开口的后端面位于同一平面，所述的第十一矩形腔的前端面所在平面位于所述的矩形开口的前端面所在平面的后侧，所述的第十一矩形腔的下端面与所述的矩形开口的下端面位于同一平面，所述的第二矩形块的后端面、下端面和左端面分别与所述的第十一矩形腔的后端面、下端面和左端面贴合连接，所述的第二矩形块的高度和所述的第十一矩形腔的高度相等，所述的第三矩形块的前端面与所述的第十一矩形腔的前端面齐平，所述的第三矩形块的左端面和右端面之间的距离小于所述的第十一矩形腔的左端面和右端面之间的距离，所述的第三矩形块的左端面与所述的第十一矩形腔的左端面之间的距离等于所述的第三矩形块的右端面与所述的第十一矩形腔的右端面之间的距离，所述的第三矩形块的下端面与所述的第十一矩形腔的下端面贴合连接，所述的第三矩形块的高度小于所述的第十一矩形腔的高度，所述的第三矩形块的前端面到其后端面的距离小于所述的第十一矩形腔的前端面到其后端面的距离，所述的第三矩形块的后端面所在平面位于所述的第二矩形块的前端面所在平面的前侧，所述的第一直角三角形空腔位于所述的第十一矩形腔的前侧，且所述的第一直角三角形空腔的一个直角面与所述的第十一矩形腔的前端面完全重合，另一个直角面与所述的第十一矩形腔的右端面位于同一平面，所述的第一直角三角形空腔的下端面与所述的第十一矩形腔的下端面位于同一平面，所述的第一直角三角形空腔的上端面与所述的第十一矩形腔的上端面位于同一平面，所述的第一直角梯形块位于所述的第一直角三角形空腔内，所述的第一直角梯形块的下端面与所述的第三矩形块的下端面位于同一平面，所述的第一直角梯形块的直角腰所在平面与所述的第三矩形块的前端面完全重合，所述的第一直角梯形块的高度等于所述的第三矩形块的高度，所述的第一直角梯形块的斜面与所述的第一直角三角形空腔的斜边贴合，所述的第一直角梯形块的上底所在平面与所述的第三矩形块的左端面位于同一平面，所述的第一直角梯形块的下底所在平面与所述的第三矩形块的右端面位于同一平面，所述的第二直角三角形空腔的斜面与所述的第一直角三角形空腔的斜面完全重合，此时第二直角三角形空腔的一个直角面与所述的第三平板的前端面平行，该直角面为所述的矩形波导-单脊波导转换器的一个输出端口，所述的第二直角梯形块和所述的第四矩形块均位于所述的第二直角三角形空腔内，所述的第二直角梯形块的斜边所在端面与所述的第一直角梯形块的斜边所在端面完全重合，所述的第二直角梯形块的高度与所述的第一直角梯形块的高度相等，所述的第二直角梯形块的下端面与所述的第一直角梯形块的下端面位于同一平面，所述的第四矩形块的下端面与所述的第二直角梯形块的上端面贴合，所述的第四矩形块的前端面与所述的第二直角梯形块的前端面位于同一平面，所述的第四矩形块的高度小于所述的第二直角梯形块的高度，所述的第四矩形块的左端面与所述的第二直角梯形块的上底所在端面位于同一平面，所述的第四矩形块的右端面与所述的第二直角梯形块的下底所在端面位于同一平面，所述的第十一矩形腔、所述的第一直角三角形空腔和所述的第二直角三角形空腔三者一体成型连接。在该结构中，通过将标准WR28波导绕其中心线旋转45度实现天线的输入端口与辐射层的辐射端口极化方向平行，通过在矩形波导-单脊波导转换器中设置两个过渡结构和矩形匹配块以此提高输入空心波导与输出单脊波导之间的阻抗匹配。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过从上到下顺序层叠的辐射层、耦合层和馈电层构建波导阵列天线，馈电层用于将外部输入其内的能量均匀等分为多路能量，并将该多路能量同时传输到耦合层中，耦合层用于将输入其内的多路能量的幅值和相位均匀分布，抑制了交叉极化和光栅波瓣的恶化，再将多路能量输入辐射层中，辐射层采用旋转辐射槽结构实现，避免了副瓣的恶化，最终将输入其内的多路能量辐射出去，由此本发明仅通过三层实线，能够有效减少天线层数并消除额外的插入损耗，增加了整体稳定性，充分降低天线结构复杂度和减少电磁波的泄漏，在保证具有低副瓣的基础上，更好地抑制光栅波瓣的恶化并具有较高的XPD和天线效率。

附图说明

图1为本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的局部剖视图；

图2为本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的分解图一；

图3为本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的分解图二；

图4为本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的辐射层的结构图；

图5(a)为本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的耦合层的结构图；

图5(b)为本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的耦合腔的结构图；

图6为本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的馈电层的结构图；

图7为本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的单脊波导-矩形波导转换器的结构图；

图8(a)为本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的矩形波导-单脊波导转换器的结构图一；

图8(b)为本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的矩形波导-单脊波导转换器的结构图二；

图8(c)为本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的矩形波导-单脊波导转换器的结构图三；

图9为本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的反射系数曲线图；

图10(a)为本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的26.5GHz时的H面主极化和交叉极化方向图；

图10(b)为本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的29GHz时的H面主极化和交叉极化方向图；

图10(c)为本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的32GHz时的H面主极化和交叉极化方向图；

图11(a)为本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的26.5GHz时的E面主极化和交叉极化方向图；

图11(b)为本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的29GHz时的E面主极化和交叉极化方向图；

图11(c)为本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的32GHz时的E面主极化和交叉极化方向图。

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：如图1-3所示，一种基于旋转辐射槽的波导阵列天线，包括按照从上到下顺序层叠的辐射层1、耦合层2和馈电层3，馈电层3用于将外部输入其内的能量均匀等分为多路能量，并将该多路能量同时传输到耦合层2中，耦合层2用于将输入其内的多路能量的幅值和相位均匀分布，抑制了交叉极化和光栅波瓣的恶化，再将多路能量输入辐射层1中，辐射层1采用旋转辐射槽结构实现，避免了副瓣的恶化，最终将输入其内的多路能量辐射出去。

如图4所示，本实施例中，辐射层1包括第一平板4以及设置在第一平板4上的辐射阵列，第一平板4为矩形板，辐射阵列包括等间隔设置的4^(n-1)个辐射单元5，n为大于等于3的正整数，辐射单元5按照2^(n-1)行×2^(n-1)列的方式分布在第一平板4上，每个辐射单元5分别包括设置在第一平板4上4个辐射腔6，4个辐射腔6按照2行×2列的方式均匀间隔排布，每个辐射腔6分别包括从上到下层叠连通的第一矩形腔7和第二矩形腔8，第一矩形腔7和第二矩形腔8的中心位于同一直线上，且该直线垂直于第一平板4，将该直线称为该辐射腔6的中心线，第一矩形腔7的上端面与第一平板4的上端面齐平，第一矩形腔7的下端面与第二矩形腔8的上端面贴合，第二矩形腔8的下端面与第一平板4的下端面齐平，第一矩形腔7的前端面与第二矩形腔8的前端面位于同一平面，第一矩形腔7的后端面和第二矩形腔8的后端面位于同一平面，第一矩形腔7的左端面到其右端面之间的距离大于第二矩形腔8的左端面到其右端面之间的距离，第一矩形腔7的上端面与其下端面之间的距离大于第二矩形腔8的上端面与其下端面之间的距离，如果辐射腔6绕其中心线逆时针旋转45度，此时该辐射腔6的第一矩形腔7和第二矩形腔8的前端面所在平面将与第一平板4前端面所在的平面平行。

本实施例中，每个辐射腔6中，第一矩形腔7的前端面到其后端面之间的距离为0.64λ，第一矩形腔7的左端面到其右端面之间的距离为0.46λ，第一矩形腔7的上端面到其下端面之间的距离为0.19λ，第二矩形腔8的前端面到其后端面之间的距离为0.64λ，第二矩形腔8的左端面到其右端面之间的距离为0.29λ，第一矩形腔7的上端面到其下端面之间的距离为0.06λ；每个辐射单元5中，位于同一行的相邻两个辐射腔6之间的中心间距为0.83λ，位于同一列的相邻两个辐射腔6之间的中心间距为0.83λ；λ＝c/f，c为波速，c＝3*10^8m/s，f为基于旋转辐射槽的波导阵列天线的中心工作频率。

如图5(a)和图图5(b)所示，本实施例中，耦合层2包括第二平板9以及设置在第二平板9上的耦合腔阵列，第二平板9为矩形板，耦合腔阵列包括按照2^(n-1)行×2^(n-1)列均匀间隔排布的4^(n-1)个耦合腔10，每个耦合腔10分别包括从上到下层叠的第一耦合腔11、第二耦合腔12和第三耦合腔13；第一耦合腔11包括第三矩形腔14、第一脊台阶15、第二脊台阶16、第一等腰直角三角块17、第二等腰直角三角块18、第三等腰直角三角块19和第四等腰直角三角块20，第一脊台阶15和第二脊台阶16均为矩形块，第一脊台阶15的前端面与第三矩形腔14的前端面连接且两者处于贴合状态，第一脊台阶15的左端面与第三矩形腔14的左端面之间具有一段距离，第一脊台阶15的右端面与第三矩形腔14的右端面之间具有一段距离，第一脊台阶15的左端面与第三矩形腔14的左端面之间的距离等于第一脊台阶15的右端面与第三矩形腔14的右端面之间的距离，第二脊台阶16的后端面与第三矩形腔14的后端面连接且两者处于贴合状态，第一脊台阶15沿左右方向的长度等于第二脊台阶16沿左右方向的长度，第一脊台阶15沿前后方向的长度等于第二脊台阶16沿前后方向的长度，且第一脊台阶15沿前后方向的对称面与第二脊台阶16沿前后方向的对称面位于同一平面，第一脊台阶15的上端面和第二脊台阶16的上端面均与第三矩形腔14的上端面齐平，第三矩形腔14的上端面与第二平板9的上端面齐平，第一脊台阶15的下端面和第二脊台阶16的下端面均与第三矩形腔14的下端面齐平，第一脊台阶15沿前后方向的长度与第二脊台阶16沿前后方向的长度之和小于第三矩形腔14沿前后方向的长度，第一等腰直角三角块17、第二等腰直角三角块18、第三等腰直角三角块19和第四等腰直角三角块20四者尺寸完全相同，第一等腰直角三角块17的两个直角边的尺寸与第一脊台阶15的前端面到其后端面的距离相等，第一等腰直角三角块17的两个直角边分别与第三矩形腔14的前端面和左端面分别连接且贴合，第一等腰直角三角块17的上端面与第三矩形腔14的上端面位于同一平面，第一等腰直角三角块17的下端面与第三矩形腔14的下端面位于同一平面，第二等腰直角三角块18的两个直角边与第三矩形腔14的前端面和第一脊台阶15的右端面分别连接且贴合，第一等腰直角三角块17与第一脊台阶15不接触，第二等腰直角三角块18与第三矩形腔14的右端面不接触，如果第一等腰直角三角块17相对于第三矩形腔14的中心轴线顺时针旋转180度将会与第三等腰直角三角块19完全重合，如果第二等腰直角三角块18相对于第三矩形腔14的中心轴线顺时针旋转180度将会与第四等腰直角三角块20完全重合；第二耦合腔12包括第四矩形腔21、第五矩形腔22、第六矩形腔23、第七矩形腔24和第八矩形腔25，第四矩形腔21的左端面和第六矩形腔23的左端面分别与第三矩形腔14的左端面位于同一平面，第七矩形腔24的右端面和第八矩形腔25的右端面分别与第三矩形腔14的右端面位于同一平面，第四矩形腔21的前端面所在平面位于第一脊台阶15的后端面所在平面的前侧，第八矩形腔25的后端面所在平面位于第二脊台阶16的前端面所在平面的后侧，第四矩形腔21的左端面与其右端面之间的距离等于第八矩形腔25的左端面与其右端面之间的距离，第六矩形腔23位于第四矩形腔21的后侧且两者之间具有一段距离，第五矩形腔22位于第六矩形腔23的右侧，第五矩形腔22的左端面与第六矩形腔23的右端面连接且两者贴合，第七矩形腔24位于第五矩形腔22的右侧，第七矩形腔24的左端面与第五矩形腔22的右端面连接且两者贴合，第六矩形腔23的前端面与第七矩形腔24的前端面位于同一平面，第六矩形腔23的后端面与第七矩形腔24的后端面位于同一平面，第五矩形腔22沿左右方向的对称面与第七矩形腔24沿左右方向的对称面位于同一平面，第五矩形腔22的前端面与其后端面之间的距离大于第七矩形腔24的前端面与其后端面的距离，第五矩形腔22的前端面与第四矩形腔21的后端面之间具有一段距离，第五矩形腔22的后端面与第八矩形腔25的前端面之间具有一段距离，第五矩形腔22的前端面与第四矩形腔21的后端面之间的距离等于第五矩形腔22的后端面与第八矩形腔25的前端面之间的距离，第六矩形腔23的左端面与其右端面之间的距离等于第七矩形腔24的左端面与其右端面之间的距离；第四矩形腔21、第五矩形腔22、第六矩形腔23、第七矩形腔24和第八矩形腔25的上端面均与第三矩形腔14的下端面连接且处于贴合状态，第四矩形腔21的上端面到其下端面的距离等于第八矩形腔25的上端面到其下端面的距离，第五矩形腔22的上端面到其下端面的距离、第六矩形腔23的上端面到其下端面的距离和第七矩形腔24的上端面到其下端面的距离均相等，第四矩形腔21的上端面到其下端面的距离小于第五矩形腔22的上端面到其下端面的距离；第三耦合腔13包括第九矩形腔26，第九矩形腔26的左端面与第五矩形腔22的左端面位于同一平面，第九矩形腔26的前端面与第五矩形腔22的前端面位于同一平面，第九矩形腔26的右端面与第五矩形腔22的右端面位于同一平面，第九矩形腔26的后端面与第五矩形腔22的后端面位于同一平面，第九矩形腔26的上端面与第五矩形腔22的下端面连接且贴合，第九矩形腔26的下端面位于第二平板9的下端面上；4^(n-1)个耦合腔10与4^(n-1)个辐射单元5一一对应上下连通，在对应的一个耦合腔10和一个辐射单元5中，辐射单元5中位于第1行第1列的辐射腔6的第一矩形腔7的左端面与耦合腔10的第一耦合腔11的第一等腰直角三角块17的斜边位于同一平面，辐射单元5中位于第1行第2列的辐射腔6的第一矩形腔7的左端面与耦合腔10的第一耦合腔11的第二等腰直角三角块18的斜边位于同一平面，辐射单元5中位于第2行第1列的辐射腔6的第一矩形腔7的右端面与耦合腔10的第一耦合腔11的第四等腰直角三角块20的斜边位于同一平面，辐射单元5中位于第2行第2列的辐射腔6的第一矩形腔7的右端面与耦合腔10的第一耦合腔11的第三等腰直角三角块19的斜边位于同一平面。

本实施例中，每个第一耦合腔11中，第三矩形腔14的前端面到其后端面的距离为1.55λ，第三矩形腔14的左端面到其右端面的距离为1.55λ，第三矩形腔14的上端面到其下端面的距离为0.1λ，第一脊台阶15的前端面到其后端面的距离为0.39λ，第一脊台阶15的左端面到其右端面的距离为0.12λ，如果第一等腰直角三角块17向右平移0.83λ将会与第二等腰直角三角块18重叠，位于同一行相邻两个耦合腔10的第三矩形腔14的中心间距为1.66λ，位于同一列相邻两个耦合腔10的第三矩形腔14的中心间距为1.66λ。

如图6所示，本实施例中，馈电层3包括第三平板27以及设置在第三平板27上的馈电网络，第三平板27为矩形板，馈电网络包括m级馈电网络阵列、2个T型单脊波导功分网络28、4×(2^m×2^m)个单脊波导-矩形波导转换器、矩形波导-单脊波导转换器29和矩形波导30，m＝n-2，矩形波导30为标准WR28波导，矩形波导30位于第三平板27的背面且其位于第三平板27的中心位置，矩形波导30的输入端口作为阵列天线的输入端口，每个单脊波导-矩形波导转换器分别具有一个输入端口和一个输出端口，矩形波导-单脊波导转换器29具有一个输入端口和两个输出端口，矩形波导30的输出端口与矩形波导-单脊波导转换器29的输入端口连接，每个T型单脊波导功分网络28分别具有一个输入端口和两个输出端口，矩形波导-单脊波导转换器29的两个输出端口与两个T型单脊波导功分网络28的输入端口一一对应连接，第k级馈电网络阵列包括2^k×2^k个H型单脊波导功分网络，第k级馈电网络阵列中的2^k×2^k个H型单脊波导功分网络按2^k行×2^k列等间隔均匀分布，k＝1,2，…，m，每个H型单脊波导功分网络分别具有一个输入端口和四个输出端口，两个T型单脊波导功分网络28的四个输出端口与第1级馈电网络中的2×2个H型单脊波导功分网络的输入端口一一对应连接，第j级馈电网络阵列中的2^j×2^j个H型单脊波导功分网络的4×2^j×2^j个输出端口与第j+1级馈电网络阵列中的2^j+1×2^j+1个H型单脊波导功分网络的2^j+1×2^j+1个输入端口一一对应连接，j＝1,2，…，m-1，第m级馈电网络阵列中的2^m×2^m个H型单脊波导功分网络的4×2^m×2^m个输出端口与4×(2^m×2^m)个单脊波导-矩形波导转换器的输入端口一一对应连接，4×(2^m×2^m)个单脊波导-矩形波导转换器的输出端口与4^(n-1)个耦合腔10中的第九矩形腔26一一对应连通。

如图7所示，本实施例中，单脊波导-矩形波导转换器包括开设在第三平板27上的第十矩形腔31，第十矩形腔31的上端面与第三平板27的上端面齐平，第十矩形腔31的高度小于第三平板27的高度，第十矩形腔31的前端面位于第三平板27的前端面后侧且两者平行，第十矩形腔31的后端面位于第三平板27的后端面前侧且两者平行，第十矩形腔31内设置有第一矩形块32、第三脊台阶33和第四脊台阶34，第一矩形块32的左端面、后端面和下端面分别与第十矩形腔31的左端面、后端面和下端面贴合连接，第一矩形块32的高度与第十矩形腔31的高度相等，第一矩形块32沿前后方向的长度小于第十矩形腔31沿前后方向的长度的一半，第三脊台阶33的右端面与第十矩形腔31的右端面齐平，第三脊台阶33的下端面与第十矩形腔31的下端面贴合连接，第三脊台阶33的左端面所在平面位于第一矩形块32的右端面所在平面的右边，第三脊台阶33的前端面位于第十矩形腔31的前端面的后侧且两者平行，第三脊台阶33的后端面位于第十矩形腔31的后端面的前侧且两者平行，第三脊台阶33的前端面到第十矩形腔31的前端面的距离等于第三脊台阶33的后端面到第十矩形腔31的后端面的距离，第四脊台阶34的下端面与第三脊台阶33的上端面贴合连接，第四脊台阶34的高度小于第三脊台阶33的高度，第四脊台阶34的右端面与第十矩形腔31的右端面位于同一平面，第四脊台阶34的前端面与第三脊台阶33的前端面位于同一平面，第四脊台阶34的后端面与第三脊台阶33的后端面位于同一平面，第四脊台阶34的左端面到其右端面的距离小于第三脊台阶33的左端面到其右端面的距离，第四脊台阶34的上端面与第十矩形腔31的上端面齐平，第十矩形腔31的右端面为单脊波导-矩形波导转换器的输入端口，第十矩形腔31的上端面为单脊波导-矩形波导转换器的输出端口，当第十矩形腔31与对应的一个耦合腔10中的第九矩形腔26对应连通时，该第十矩形腔31的前端面与该第九矩形腔26的前端面位于同一个平面，该第十矩形腔31的左端面与该第九矩形腔26的左端面位于同一个平面。

如图8(a)、图8(b)和图8(c)所示，本实施例中，矩形波导-单脊波导转换器29的输入端口位于馈电层3的中心位置，且其中心线与第三平板27的中心线重合，标准WR28波导位于第三平板27内，如果将标准WR28波导绕其中心线逆时针旋转45度后其前端面与第三平板27的前端面平行，矩形波导-单脊波导转换器29包括矩形开口35、矩形匹配块36、第一过渡结构和第二过镀结构，矩形开口35位于标准WR28波导的正上方，矩形开口35沿左右方向的长度小于标准WR28波导沿左右方向的长度，矩形开口35沿前后方向的长度等于标准WR28波导沿前后方向的长度，矩形开口35的上端面与第三平板27的上端面齐平，矩形匹配块36固定在第二平板9的下端面上且嵌入矩形开口35内将矩形开口35的上部充满，矩形匹配块36沿前后方向的对称平面与标准WR28波导沿前后方向对称平面重合，如果将矩形匹配块36绕其中心线逆时针旋转45度后其前端面会与第二平板9的前端面平行，矩形开口35的下部作为矩形波导-单脊波导转换器29的输入端口，第一过渡结构和第二过镀结构分别位于矩形开口35左右两侧，且相对于矩形开口35的中心线呈中心对称结构；第一过渡结构包括第十一矩形腔37、第一直角三角形空腔38、第二直角三角形空腔39、第二矩形块40、第三矩形块41、第四矩形块42、第一直角梯形块43和第二直角梯形块44，第十一矩形腔37的上端面与第三平板27的上端面齐平，第十一矩形腔37的右端面与矩形开口35的左端面连通，第十一矩形腔37的后端面与矩形开口35的后端面位于同一平面，第十一矩形腔37的前端面所在平面位于矩形开口35的前端面所在平面的后侧，第十一矩形腔37的下端面与矩形开口35的下端面位于同一平面，第二矩形块40的后端面、下端面和左端面分别与第十一矩形腔37的后端面、下端面和左端面贴合连接，第二矩形块40的高度和第十一矩形腔37的高度相等，第三矩形块41的前端面与第十一矩形腔37的前端面齐平，第三矩形块41的左端面和右端面之间的距离小于第十一矩形腔37的左端面和右端面之间的距离，第三矩形块41的左端面与第十一矩形腔37的左端面之间的距离等于第三矩形块41的右端面与第十一矩形腔37的右端面之间的距离，第三矩形块41的下端面与第十一矩形腔37的下端面贴合连接，第三矩形块41的高度小于第十一矩形腔37的高度，第三矩形块41的前端面到其后端面的距离小于第十一矩形腔37的前端面到其后端面的距离，第三矩形块41的后端面所在平面位于第二矩形块40的前端面所在平面的前侧，第一直角三角形空腔38位于第十一矩形腔37的前侧，且第一直角三角形空腔38的一个直角面与第十一矩形腔37的前端面完全重合，另一个直角面与第十一矩形腔37的右端面位于同一平面，第一直角三角形空腔38的下端面与第十一矩形腔37的下端面位于同一平面，第一直角三角形空腔38的上端面与第十一矩形腔37的上端面位于同一平面，第一直角梯形块43位于第一直角三角形空腔38内，第一直角梯形块43的下端面与第三矩形块41的下端面位于同一平面，第一直角梯形块43的直角腰所在平面与第三矩形块41的前端面完全重合，第一直角梯形块43的高度等于第三矩形块41的高度，第一直角梯形块43的斜面与第一直角三角形空腔38的斜边贴合，第一直角梯形块43的上底所在平面与第三矩形块41的左端面位于同一平面，第一直角梯形块43的下底所在平面与第三矩形块41的右端面位于同一平面，第二直角三角形空腔39的斜面与第一直角三角形空腔38的斜面完全重合，此时第二直角三角形空腔39的一个直角面与第三平板27的前端面平行，该直角面为矩形波导-单脊波导转换器29的一个输出端口，第二直角梯形块44和第四矩形块42均位于第二直角三角形空腔39内，第二直角梯形块44的斜边所在端面与第一直角梯形块43的斜边所在端面完全重合，第二直角梯形块44的高度与第一直角梯形块43的高度相等，第二直角梯形块44的下端面与第一直角梯形块43的下端面位于同一平面，第四矩形块42的下端面与第二直角梯形块44的上端面贴合，第四矩形块42的前端面与第二直角梯形块44的前端面位于同一平面，第四矩形块42的高度小于第二直角梯形块44的高度，第四矩形块42的左端面与第二直角梯形块44的上底所在端面位于同一平面，第四矩形块42的右端面与第二直角梯形块44的下底所在端面位于同一平面，第十一矩形腔37、第一直角三角形空腔38和第二直角三角形空腔39三者一体成型连接。

对本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线进行仿真，其中，本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的反射系数曲线图如图9所示，本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的26.5GHz时的H面主极化和交叉极化方向图如图10(a)所示，本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的29GHz时的H面主极化和交叉极化方向图如图10(b)所示，本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的32GHz时的H面主极化和交叉极化方向图如图10(c)所示，本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的26.5GHz时的E面主极化和交叉极化方向图如图11(a)所示，本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的29GHz时的E面主极化和交叉极化方向图如图11(b)所示，本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的32GHz时的E面主极化和交叉极化方向图如图11(c)所示。分析图9可知：在26.5-32GHz频段内，本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的反射系数小于-15dB，表现出良好的阻抗匹配；图10(a)中，实线代表H面的归一化主极化增益，虚线代表H面的归一化交叉极化增益，分析图10(a)可知:在频点为26.5GHz时，本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的主极化的副瓣低于-26.2dB,主极化的栅瓣被抑制到-27dB以下，XPD在工作频段内大于30dB；图10(b)中，实线代表H面的归一化主极化增益，虚线代表H面的归一化交叉极化增益，分析图10(b)可知:在频点为29GHz时，本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的主极化的副瓣低于-26.2dB,主极化的栅瓣被抑制到-27dB以下，XPD在工作频段内大于30dB；图10(c)中，实线代表H面的归一化主极化增益，虚线代表H面的归一化交叉极化增益，分析图10(c)可知:在频点为32GHz时，本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的主极化的副瓣低于-26.2dB,主极化的栅瓣被抑制到-27dB以下，XPD在工作频段内大于30dB；图11(a)中，实线代表E面的归一化主极化增益，虚线代表E面的归一化交叉极化增益，分析图11(a)可知:在频点为26.5GHz时，本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的主极化的副瓣低于-26.2dB,主极化的栅瓣被抑制到-27dB以下，XPD在工作频段内大于30dB；图11(b)中，实线代表E面的归一化主极化增益，虚线代表E面的归一化交叉极化增益，分析图11(b)可知:在频点为29GHz时，本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的主极化的副瓣低于-26.2dB,主极化的栅瓣被抑制到-27dB以下，XPD在工作频段内大于30dB；图11(c)中，实线代表E面的归一化主极化增益，虚线代表E面的归一化交叉极化增益，分析图11(c)可知:在频点为32GHz时，本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线的主极化的副瓣低于-26.2dB,主极化的栅瓣被抑制到-27dB以下，XPD在工作频段内大于30dB。

综上所述，本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线在辐射层、耦合层和馈电层之外，没有添加任何附加结构层，通过特定的耦合腔结构来改善XPD和栅瓣，而不影响低副瓣。实验仿真结果表明，本发明的基于旋转辐射槽的波导阵列天线，在26.5GHz～32GHz的频率范围内，副瓣小于-26.2dB,XPD大于30dB，实现了在低副瓣的基础上改善了XPD同时抑制了栅瓣，在同一频段内，峰值增益高于25dBi，孔径效率高于75％，具有较高的增益及效率。

Claims (5)

1.一种基于旋转辐射槽的波导阵列天线，其特征在于包括按照从上到下顺序层叠的辐射层、耦合层和馈电层，所述的馈电层用于将外部输入其内的能量均匀等分为多路能量，并将该多路能量同时传输到所述的耦合层中，所述的耦合层用于将输入其内的多路能量的幅值和相位均匀分布，抑制了交叉极化和光栅波瓣的恶化，再将多路能量输入所述的辐射层中，所述的辐射层采用旋转辐射槽结构实现，避免了副瓣的恶化，最终将输入其内的多路能量辐射出去；

所述的辐射层包括第一平板以及设置在所述的第一平板上的辐射阵列，所述的第一平板为矩形板，所述的辐射阵列包括等间隔设置的4^(n-1)个辐射单元，n为大于等于3的正整数，所述的辐射单元按照2^(n-1)行×2^(n-1)列的方式分布在所述的第一平板上，每个所述的辐射单元分别包括设置在所述的第一平板上4个辐射腔，4个所述的辐射腔按照2行×2列的方式均匀间隔排布，每个所述的辐射腔分别包括从上到下层叠连通的第一矩形腔和第二矩形腔，所述的第一矩形腔和所述的第二矩形腔的中心位于同一直线上，且该直线垂直于所述的第一平板，将该直线称为该辐射腔的中心线，所述的第一矩形腔的上端面与所述的第一平板的上端面齐平，所述的第一矩形腔的下端面与所述的第二矩形腔的上端面贴合，所述的第二矩形腔的下端面与所述的第一平板的下端面齐平，所述的第一矩形腔的前端面与所述的第二矩形腔的前端面位于同一平面，所述的第一矩形腔的后端面和所述的第二矩形腔的后端面位于同一平面，所述的第一矩形腔的左端面到其右端面之间的距离大于所述的第二矩形腔的左端面到其右端面之间的距离，所述的第一矩形腔的上端面与其下端面之间的距离大于所述的第二矩形腔的上端面与其下端面之间的距离，如果所述的辐射腔绕其中心线逆时针旋转45度，此时该辐射腔的第一矩形腔和第二矩形腔的前端面所在平面将与所述的第一平板前端面所在的平面平行；

所述的耦合层包括第二平板以及设置在所述的第二平板上的耦合腔阵列，所述的第二平板为矩形板，所述的耦合腔阵列包括按照2^(n-1)行×2^(n-1)列均匀间隔排布的4^(n-1)个耦合腔，每个所述的耦合腔分别包括从上到下层叠的第一耦合腔、第二耦合腔和第三耦合腔；

所述的第一耦合腔包括第三矩形腔、第一脊台阶、第二脊台阶、第一等腰直角三角块、第二等腰直角三角块、第三等腰直角三角块和第四等腰直角三角块，所述的第一脊台阶和所述的第二脊台阶均为矩形块，所述的第一脊台阶的前端面与所述的第三矩形腔的前端面连接且两者处于贴合状态，所述的第一脊台阶的左端面与所述的第三矩形腔的左端面之间具有一段距离，所述的第一脊台阶的右端面与所述的第三矩形腔的右端面之间具有一段距离，所述的第一脊台阶的左端面与所述的第三矩形腔的左端面之间的距离等于所述的第一脊台阶的右端面与所述的第三矩形腔的右端面之间的距离，所述的第二脊台阶的后端面与所述的第三矩形腔的后端面连接且两者处于贴合状态，所述的第一脊台阶沿左右方向的长度等于所述的第二脊台阶沿左右方向的长度，所述的第一脊台阶沿前后方向的长度等于所述的第二脊台阶沿前后方向的长度，且所述的第一脊台阶沿前后方向的对称面与所述的第二脊台阶沿前后方向的对称面位于同一平面，所述的第一脊台阶的上端面和所述的第二脊台阶的上端面均与所述的第三矩形腔的上端面齐平，所述的第三矩形腔的上端面与所述的第二平板的上端面齐平，所述的第一脊台阶的下端面和所述的第二脊台阶的下端面均与所述的第三矩形腔的下端面齐平，所述的第一脊台阶沿前后方向的长度与所述的第二脊台阶沿前后方向的长度之和小于所述的第三矩形腔沿前后方向的长度，所述的第一等腰直角三角块、所述的第二等腰直角三角块、所述的第三等腰直角三角块和所述的第四等腰直角三角块四者尺寸完全相同，所述的第一等腰直角三角块的两个直角边的尺寸与所述的第一脊台阶的前端面到其后端面的距离相等，所述的第一等腰直角三角块的两个直角边分别与所述的第三矩形腔的前端面和左端面分别连接且贴合，所述的第一等腰直角三角块的上端面与所述的第三矩形腔的上端面位于同一平面，所述的第一等腰直角三角块的下端面与所述的第三矩形腔的下端面位于同一平面，所述的第二等腰直角三角块的两个直角边与所述的第三矩形腔的前端面和所述的第一脊台阶的右端面分别连接且贴合，所述的第一等腰直角三角块与所述的第一脊台阶不接触，所述的第二等腰直角三角块与所述的第三矩形腔的右端面不接触，如果所述的第一等腰直角三角块相对于所述的第三矩形腔的中心轴线顺时针旋转180度将会与所述的第三等腰直角三角块完全重合，如果所述的第二等腰直角三角块相对于所述的第三矩形腔的中心轴线顺时针旋转180度将会与所述的第四等腰直角三角块完全重合；

所述的第二耦合腔包括第四矩形腔、第五矩形腔、第六矩形腔、第七矩形腔和第八矩形腔，所述的第四矩形腔的左端面和所述的第六矩形腔的左端面分别与所述的第三矩形腔的左端面位于同一平面，所述的第七矩形腔的右端面和所述的第八矩形腔的右端面分别与所述的第三矩形腔的右端面位于同一平面，所述的第四矩形腔的前端面所在平面位于所述的第一脊台阶的后端面所在平面的前侧，所述的第八矩形腔的后端面所在平面位于所述的第二脊台阶的前端面所在平面的后侧，所述的第四矩形腔的左端面与其右端面之间的距离等于所述的第八矩形腔的左端面与其右端面之间的距离，所述的第六矩形腔位于所述的第四矩形腔的后侧且两者之间具有一段距离，所述的第五矩形腔位于所述的第六矩形腔的右侧，所述的第五矩形腔的左端面与所述的第六矩形腔的右端面连接且两者贴合，所述的第七矩形腔位于所述的第五矩形腔的右侧，所述的第七矩形腔的左端面与所述的第五矩形腔的右端面连接且两者贴合，所述的第六矩形腔的前端面与所述的第七矩形腔的前端面位于同一平面，所述的第六矩形腔的后端面与所述的第七矩形腔的后端面位于同一平面，所述的第五矩形腔沿左右方向的对称面与所述的第七矩形腔沿左右方向的对称面位于同一平面，所述的第五矩形腔的前端面与其后端面之间的距离大于所述的第七矩形腔的前端面与其后端面的距离，所述的第五矩形腔的前端面与所述的第四矩形腔的后端面之间具有一段距离，所述的第五矩形腔的后端面与所述的第八矩形腔的前端面之间具有一段距离，所述的第五矩形腔的前端面与所述的第四矩形腔的后端面之间的距离等于所述的第五矩形腔的后端面与所述的第八矩形腔的前端面之间的距离，所述的第六矩形腔的左端面与其右端面之间的距离等于所述的第七矩形腔的左端面与其右端面之间的距离；所述的第四矩形腔、所述的第五矩形腔、所述的第六矩形腔、所述的第七矩形腔和所述的第八矩形腔的上端面均与所述的第三矩形腔的下端面连接且处于贴合状态，所述的第四矩形腔的上端面到其下端面的距离等于所述的第八矩形腔的上端面到其下端面的距离，所述的第五矩形腔的上端面到其下端面的距离、所述的第六矩形腔的上端面到其下端面的距离和所述的第七矩形腔的上端面到其下端面的距离均相等，所述的第四矩形腔的上端面到其下端面的距离小于所述的第五矩形腔的上端面到其下端面的距离；

所述的第三耦合腔包括第九矩形腔，所述的第九矩形腔的左端面与所述的第五矩形腔的左端面位于同一平面，所述的第九矩形腔的前端面与所述的第五矩形腔的前端面位于同一平面，所述的第九矩形腔的右端面与所述的第五矩形腔的右端面位于同一平面，所述的第九矩形腔的后端面与所述的第五矩形腔的后端面位于同一平面，所述的第九矩形腔的上端面与所述的第五矩形腔的下端面连接且贴合，所述的第九矩形腔的下端面位于所述的第二平板的下端面上；4^(n-1)个耦合腔与4^(n-1)个辐射单元一一对应上下连通，在对应的一个耦合腔和一个辐射单元中，辐射单元中位于第1行第1列的辐射腔的第一矩形腔的左端面与耦合腔的第一耦合腔的第一等腰直角三角块的斜边位于同一平面，辐射单元中位于第1行第2列的辐射腔的第一矩形腔的左端面与耦合腔的第一耦合腔的第二等腰直角三角块的斜边位于同一平面，辐射单元中位于第2行第1列的辐射腔的第一矩形腔的右端面与耦合腔的第一耦合腔的第四等腰直角三角块的斜边位于同一平面，辐射单元中位于第2行第2列的辐射腔的第一矩形腔的右端面与耦合腔的第一耦合腔的第三等腰直角三角块的斜边位于同一平面；

所述的馈电层包括第三平板以及设置在所述的第三平板上的馈电网络，所述的第三平板为矩形板，所述的馈电网络包括m级馈电网络阵列、2个T型单脊波导功分网络、4×(2^m×2^m)个单脊波导-矩形波导转换器、矩形波导-单脊波导转换器和矩形波导，m＝n-2，所述的矩形波导为标准WR28波导，所述的矩形波导位于所述的第三平板的背面且其位于所述的第三平板的中心位置，所述的矩形波导的输入端口作为阵列天线的输入端口，每个所述的单脊波导-矩形波导转换器分别具有一个输入端口和一个输出端口，所述的矩形波导-单脊波导转换器具有一个输入端口和两个输出端口，所述的矩形波导的输出端口与所述的矩形波导-单脊波导转换器的输入端口连接，每个所述的T型单脊波导功分网络分别具有一个输入端口和两个输出端口，所述的矩形波导-单脊波导转换器的两个输出端口与两个T型单脊波导功分网络的输入端口一一对应连接，第k级馈电网络阵列包括2^k×2^k个H型单脊波导功分网络，第k级馈电网络阵列中的2^k×2^k个H型单脊波导功分网络按2^k行×2^k列等间隔均匀分布，k＝1,2，…，m，每个H型单脊波导功分网络分别具有一个输入端口和四个输出端口，两个T型单脊波导功分网络的四个输出端口与第1级馈电网络中的2×2个H型单脊波导功分网络的输入端口一一对应连接，第j级馈电网络阵列中的2^j×2^j个H型单脊波导功分网络的4×2^j×2^j个输出端口与第j+1级馈电网络阵列中的2^j+1×2^j+1个H型单脊波导功分网络的2^j+1×2^{j +1}个输入端口一一对应连接，j＝1,2，…，m-1，第m级馈电网络阵列中的2^m×2^m个H型单脊波导功分网络的4×2^m×2^m个输出端口与4×(2^m×2^m)个单脊波导-矩形波导转换器的输入端口一一对应连接，4×(2^m×2^m)个单脊波导-矩形波导转换器的输出端口与4^(n-1)个耦合腔中的第九矩形腔一一对应连通。

2.根据权利要求1所述的一种基于旋转辐射槽的波导阵列天线，其特征在于每个所述的辐射腔中，所述的第一矩形腔的前端面到其后端面之间的距离为0.64λ，所述的第一矩形腔的左端面到其右端面之间的距离为0.46λ，所述的第一矩形腔的上端面到其下端面之间的距离为0.19λ，所述的第二矩形腔的前端面到其后端面之间的距离为0.64λ，所述的第二矩形腔的左端面到其右端面之间的距离为0.29λ，所述的第一矩形腔的上端面到其下端面之间的距离为0.06λ；每个所述的辐射单元中，位于同一行的相邻两个所述的辐射腔之间的中心间距为0.83λ，位于同一列的相邻两个所述的辐射腔之间的中心间距为0.83λ；λ＝c/f，c为波速，c＝3*10^8m/s，f为所述的基于旋转辐射槽的低副瓣平板阵列天线的中心工作频率。

3.根据权利要求1所述的一种基于旋转辐射槽的波导阵列天线，其特征在于每个所述的第一耦合腔中，所述的第三矩形腔的前端面到其后端面的距离为1.55λ，所述的第三矩形腔的左端面到其右端面的距离为1.55λ，所述的第三矩形腔的上端面到其下端面的距离为0.1λ，所述的第一脊台阶的前端面到其后端面的距离为0.39λ，所述的第一脊台阶的左端面到其右端面的距离为0.12λ，如果所述的第一等腰直角三角块向右平移0.83λ将会与所述的第二等腰直角三角块重叠，位于同一行相邻两个所述的耦合腔的第三矩形腔的中心间距为1.66λ，位于同一列相邻两个所述的耦合腔的第三矩形腔的中心间距为1.66λ。

4.根据权利要求1所述的一种基于旋转辐射槽的波导阵列天线，其特征在于所述的单脊波导-矩形波导转换器包括开设在所述的第三平板上的第十矩形腔，所述的第十矩形腔的上端面与所述的第三平板的上端面齐平，所述的第十矩形腔的高度小于所述的第三平板的高度，所述的第十矩形腔的前端面位于所述的第三平板的前端面后侧且两者平行，所述的第十矩形腔的后端面位于所述的第三平板的后端面前侧且两者平行，所述的第十矩形腔内设置有第一矩形块、第三脊台阶和第四脊台阶，所述的第一矩形块的左端面、后端面和下端面分别与所述的第十矩形腔的左端面、后端面和下端面贴合连接，所述的第一矩形块的高度与所述的第十矩形腔的高度相等，所述的第一矩形块沿前后方向的长度小于所述的第十矩形腔沿前后方向的长度的一半，所述的第三脊台阶的右端面与所述的第十矩形腔的右端面齐平，所述的第三脊台阶的下端面与所述的第十矩形腔的下端面贴合连接，所述的第三脊台阶的左端面所在平面位于所述的第一矩形块的右端面所在平面的右边，所述的第三脊台阶的前端面位于所述的第十矩形腔的前端面的后侧且两者平行，所述的第三脊台阶的后端面位于所述的第十矩形腔的后端面的前侧且两者平行，所述的第三脊台阶的前端面到所述的第十矩形腔的前端面的距离等于所述的第三脊台阶的后端面到所述的第十矩形腔的后端面的距离，所述的第四脊台阶的下端面与所述的第三脊台阶的上端面贴合连接，所述的第四脊台阶的高度小于所述的第三脊台阶的高度，所述的第四脊台阶的右端面与所述的第十矩形腔的右端面位于同一平面，所述的第四脊台阶的前端面与所述的第三脊台阶的前端面位于同一平面，所述的第四脊台阶的后端面与所述的第三脊台阶的后端面位于同一平面，所述的第四脊台阶的左端面到其右端面的距离小于所述的第三脊台阶的左端面到其右端面的距离，所述的第四脊台阶的上端面与所述的第十矩形腔的上端面齐平，所述的第十矩形腔的右端面为所述的单脊波导-矩形波导转换器的输入端口，所述的第十矩形腔的上端面为所述的单脊波导-矩形波导转换器的输出端口，当所述的第十矩形腔与对应的一个耦合腔中的第九矩形腔对应连通时，该第十矩形腔的前端面与该第九矩形腔的前端面位于同一个平面，该第十矩形腔的左端面与该第九矩形腔的左端面位于同一个平面。

5.根据权利要求1所述的一种基于旋转辐射槽的波导阵列天线，其特征在于所述的矩形波导-单脊波导转换器的输入端口位于所述的馈电层的中心位置，且其中心线与所述的第三平板的中心线重合，所述的标准WR28波导位于所述的第三平板内，如果将所述的标准WR28波导绕其中心线逆时针旋转45度后其前端面与所述的第三平板的前端面平行，所述的矩形波导-单脊波导转换器包括矩形开口、矩形匹配块、第一过渡结构和第二过镀结构，所述的矩形开口位于所述的标准WR28波导的正上方，所述的矩形开口沿左右方向的长度小于所述的标准WR28波导沿左右方向的长度，所述的矩形开口沿前后方向的长度等于所述的标准WR28波导沿前后方向的长度，所述的矩形开口的上端面与所述的第三平板的上端面齐平，所述的矩形匹配块固定在所述的第二平板的下端面上且嵌入所述的矩形开口内将所述的矩形开口的上部充满，所述的矩形匹配块沿前后方向的对称平面与所述的标准WR28波导沿前后方向对称平面重合，如果将所述的矩形匹配块绕其中心线逆时针旋转45度后其前端面会与所述的第二平板的前端面平行，所述的矩形开口的下部作为所述的矩形波导-单脊波导转换器的输入端口，所述的第一过渡结构和第二过镀结构分别位于所述的矩形开口左右两侧，且相对于所述的矩形开口的中心线呈中心对称结构；

所述的第一过渡结构包括第十一矩形腔、第一直角三角形空腔、第二直角三角形空腔、第二矩形块、第三矩形块、第四矩形块、第一直角梯形块和第二直角梯形块，所述的第十一矩形腔的上端面与所述的第三平板的上端面齐平，所述的第十一矩形腔的右端面与所述的矩形开口的左端面连通，所述的第十一矩形腔的后端面与所述的矩形开口的后端面位于同一平面，所述的第十一矩形腔的前端面所在平面位于所述的矩形开口的前端面所在平面的后侧，所述的第十一矩形腔的下端面与所述的矩形开口的下端面位于同一平面，所述的第二矩形块的后端面、下端面和左端面分别与所述的第十一矩形腔的后端面、下端面和左端面贴合连接，所述的第二矩形块的高度和所述的第十一矩形腔的高度相等，所述的第三矩形块的前端面与所述的第十一矩形腔的前端面齐平，所述的第三矩形块的左端面和右端面之间的距离小于所述的第十一矩形腔的左端面和右端面之间的距离，所述的第三矩形块的左端面与所述的第十一矩形腔的左端面之间的距离等于所述的第三矩形块的右端面与所述的第十一矩形腔的右端面之间的距离，所述的第三矩形块的下端面与所述的第十一矩形腔的下端面贴合连接，所述的第三矩形块的高度小于所述的第十一矩形腔的高度，所述的第三矩形块的前端面到其后端面的距离小于所述的第十一矩形腔的前端面到其后端面的距离，所述的第三矩形块的后端面所在平面位于所述的第二矩形块的前端面所在平面的前侧，所述的第一直角三角形空腔位于所述的第十一矩形腔的前侧，且所述的第一直角三角形空腔的一个直角面与所述的第十一矩形腔的前端面完全重合，另一个直角面与所述的第十一矩形腔的右端面位于同一平面，所述的第一直角三角形空腔的下端面与所述的第十一矩形腔的下端面位于同一平面，所述的第一直角三角形空腔的上端面与所述的第十一矩形腔的上端面位于同一平面，所述的第一直角梯形块位于所述的第一直角三角形空腔内，所述的第一直角梯形块的下端面与所述的第三矩形块的下端面位于同一平面，所述的第一直角梯形块的直角腰所在平面与所述的第三矩形块的前端面完全重合，所述的第一直角梯形块的高度等于所述的第三矩形块的高度，所述的第一直角梯形块的斜面与所述的第一直角三角形空腔的斜边贴合，所述的第一直角梯形块的上底所在平面与所述的第三矩形块的左端面位于同一平面，所述的第一直角梯形块的下底所在平面与所述的第三矩形块的右端面位于同一平面，所述的第二直角三角形空腔的斜面与所述的第一直角三角形空腔的斜面完全重合，此时第二直角三角形空腔的一个直角面与所述的第三平板的前端面平行，该直角面为所述的矩形波导-单脊波导转换器的一个输出端口，所述的第二直角梯形块和所述的第四矩形块均位于所述的第二直角三角形空腔内，所述的第二直角梯形块的斜边所在端面与所述的第一直角梯形块的斜边所在端面完全重合，所述的第二直角梯形块的高度与所述的第一直角梯形块的高度相等，所述的第二直角梯形块的下端面与所述的第一直角梯形块的下端面位于同一平面，所述的第四矩形块的下端面与所述的第二直角梯形块的上端面贴合，所述的第四矩形块的前端面与所述的第二直角梯形块的前端面位于同一平面，所述的第四矩形块的高度小于所述的第二直角梯形块的高度，所述的第四矩形块的左端面与所述的第二直角梯形块的上底所在端面位于同一平面，所述的第四矩形块的右端面与所述的第二直角梯形块的下底所在端面位于同一平面，所述的第十一矩形腔、所述的第一直角三角形空腔和所述的第二直角三角形空腔三者一体成型连接。

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