CN113161765B - 一种轻量化的低剖面平板阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻量化的低剖面平板阵列天线，包括辐射层和馈电层，辐射层层叠在馈电层上方，馈电层用于接入外部信号并基于该外部信号产生n*n路信号输出，n＝2^m，m为大于等于1的整数，辐射层具有n*n个输入端和n*n个输出端，辐射层的n*n个输入端用于一一对应接入馈电层输出的n*n路信号，辐射层的n*n个输出端用于将馈电层输出的n*n路信号一一对应辐射到自由空间，馈电层基于H型H面单脊波导功放器实现，辐射层通过缝隙耦合从馈电层处接入馈电层输出的n*n路信号；优点是在实现宽频带、高增益和高效率的同时，剖面较低，且重量较轻。

Description

一种轻量化的低剖面平板阵列天线

技术领域

本发明涉及一种平板阵列天线，尤其是涉及一种轻量化的低剖面平板阵列天线。

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)移动通信系统来说是一个有前途的解决方案。与当前移动通信系统中低于6GHz工作频率相比，毫米波频段可提供更宽的工作带宽，更高的传输速率和更低的时延。世界无线电通信大会(WRC)提出了24GHz、28GHz和38GHz等更高频谱的mmW频段作为5G mmW通信的推荐频段，已实现5G mmW情况下远距离的高速和稳定通信。在当前固定无线电链路中，非常需要低剖面的宽带和高增益微波回传天线。为满足各种场合的应用要求，微波回传天线的主要实现方案为馈源类天线和平板阵列类天线。馈源类天线需要考虑最优的焦径比以提高天线的整体效率，从而难于实现低剖面特性。平板阵列类天线因其剖面低、重量轻，能很好的与其它部件集成，受到越来越多的关注。

申请号为CN201810742447.4的中国专利中公开了一种低剖面CTS平板阵列天线。该CTS平板阵列天线包括从上往下依次排列的多级辐射层、模式转换层和馈电网络层四层结构，各层均采用H面矩形波导TE10模或平行板波导TEM模传输，可以实现宽频带和高增益的需求，但由于天线层数过多导致天线剖面高度无法降低，同时多层结构使得天线整体较重。

申请号为CN202010417843.7的中国专利中公开了一种宽频带平板阵列天线。该宽频带平板阵列天线包括按照从上到下顺序层叠的极化层、辐射层和馈电层；馈电层采用E面波导结构将多路TE10模信号传输到辐射层，辐射层用于将来自馈电层的多路TE10模信号辐射到自由空间。该天线具有较高的增益和效率，但E面波导结构的厚度需要大于0.5λg，导致天线剖面较高，重量也较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在实现宽频带、高增益和高效率的同时，剖面较低，且重量较轻的轻量化的低剖面平板阵列天线。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种轻量化的低剖面平板阵列天线，包括辐射层和馈电层，所述的辐射层层叠在所述的馈电层上方，所述的馈电层用于接入外部信号并基于该外部信号产生n*n路信号输出，n＝2^m，m为大于等于1的整数，所述的辐射层具有n*n个输入端和n*n个输出端，所述的辐射层的n*n个输入端用于一一对应接入所述的馈电层输出的n*n路信号，所述的辐射层的n*n个输出端用于将所述的馈电层输出的n*n路信号一一对应辐射到自由空间，所述的馈电层基于H型H面单脊波导功分器实现，所述的辐射层通过缝隙耦合从所述的馈电层处接入所述的馈电层输出的n*n路信号。

所述的馈电层包括第一平板以及设置在所述的第一平板上的

个H型H面单脊波导功分网络和n²个单脊波导--矩形波导转换器，每个所述的H型H面单脊波导功分网络包含三个第一T型H面单脊波导功分器，每个所述的第一T型H面单脊波导功分器分别具有一个输入端和两个输出端，三个所述的第一T型H面单脊波导功分器按照从前向后的顺序依次排列，中间的第一T型H面单脊波导功分器的输入端作为所述的H型H面单脊波导功分网络的输入端，中间的第一T型H面单脊波导功分器的两个输出端与前面的第一T型H面单脊波导功分器的输入端和后面的第一T型H面单脊波导功分器的输入端一一对应对接，前面的第一T型H面单脊波导功分器和后面的第一T型H面单脊波导功分器关于中间的第一T型H面单脊波导功分器呈中心对称，前面的第一T型H面单脊波导功分器的两个输出端和后面的第一T型H面单脊波导功分器的两个输出端作为所述的H型H面单脊波导功分网络的四个输出端口；

个所述的H型H面单脊波导功分网络按照

行

列方式均匀分布形成第1级馈电网络阵列，从所述的第1级馈电网络阵列的第1行第1列开始，将所述的第1级馈电网络阵列中每2行×2列的H型H面单脊波导功分网络作为第1级H型H面单脊波导功分网络单元，所述的第1级馈电网络阵列包括

个第1级H型H面单脊波导功分网络单元，每个所述的第1级H型H面单脊波导功分网络单元中的4个H型H面单脊波导功分网络分别通过一个H型H面单脊波导功分网络连接，该4个H型H面单脊波导功分网络的输入端与该一个H型H面单脊波导功分网络的四个输出端一一对应连接；连接

个所述的第1级H型H面单脊波导功分网络单元中4个H型H面单脊波导功分网络的H型H面单脊波导功分网络构成第2级馈电网络阵列，第2级馈电网络阵列由

个H型H面单脊波导功分网络按照

分布形成，从所述的第2级馈电网络阵列的第1行第1列开始，将所述的第2级馈电网络阵列中每2行×2列的H型H面单脊波导功分网络作为第2级H型H面单脊波导功分网络单元，所述的第2级馈电网络阵列包括

个第2级H型H面单脊波导功分网络单元，每个所述的第2级H型H面单脊波导功分网络单元中的4个H型H面单脊波导功分网络分别通过一个H型H面单脊波导功分网络连接，该4个H型H面单脊波导功分网络的输入端与该一个H型H面单脊波导功分网络的四个输出端一一对应连接；以此类推，直至仅包括4个H型H面单脊波导功分网络的第k-1级H型H面单脊波导功分网络单元构成，所述的第k-1级H型H面单脊波导功分网络单元中的4个H型H面单脊波导功分网络通过一个H型H面单脊波导功分网络连接该4个H型H面单脊波导功分网络的输入端与该一个H型H面单脊波导功分网络的四个输出端一一对应连接，将该H型H面单脊波导功分网络作为第K级H型H面单脊波导功分网络单元；所述的第K级H型H面单脊波导功分网络单元包括两个第二T型H面单脊波导功分器和一个矩形波导-单脊波导转换器，两个所述的第二T型H面单脊波导功分器关于所述的第一平板的中心呈镜像对称的关系，每个所述的第二T型H面单脊波导功分器分别具有一个输入端和两个输出端，所述的矩形波导-单脊波导转换器位于所述的第一平板的中心，所述的矩形波导-单脊波导转换器具有一个矩形波导输入口和两个单脊波导输出口，所述的矩形波导-单脊波导转换器的两个单脊波导输出口分别对接所述的两个第二T型H面单脊波导功分器的输入口，所述的矩形波导-单脊波导转换器的矩形波导输入口作为所述的馈电层的输入端，用于接入外部信号；每个所述的单脊波导--矩形波导转换器分别具有一个单脊波导输入口和一个矩形波导输出口，n²个所述的单脊波导--矩形波导转换器的单脊波导输入口与第1级馈电网络阵列中

个H型H面单脊波导功分网络的n²个输出端一一对应连接，n²个所述的单脊波导--矩形波导转换器的矩形波导输出口作为所述的馈电层的n²个输出端，用于输出n*n路信号。该结构中，每个H型H面单脊波导功分网络分别由三个第一T型H面单脊波导功分器连接后形成，能够通过降低H型H面单脊波导功分网络整体的宽度以及增加第一T型H面单脊波导功分器中脊的高度来扩展主模带宽，避免使用多层馈电层，既能使得天线整体厚度降低，实现低剖面和轻量化，还扩展了主模带宽，实现了阵列天线超宽带高效率馈电。

每个所述的单脊波导--矩形波导转换器分别包括第一矩形空腔、第一金属脊、第一E面台阶和第一H面台阶，所述的第一矩形空腔开设在所述的第一平板上，所述的第一矩形空腔的上表面与所述的第一平板的上端面位于同一平面，所述的第一金属脊、所述的第一E面台阶和所述的第一H面台阶分别位于所述的第一矩形空腔内，所述的第一E面台阶、所述的第一金属脊和所述的第一H面台阶按照从左到右的顺序排列，所述的第一E面台阶的左端面与所述的第一矩形空腔的左端面连接且两者处于贴合状态，所述的第一E面台阶的右端面与所述的第一金属脊的左端面连接且两者处于贴合状态，所述的第一金属脊的右端面和所述的第一H面台阶的左端面连接且两者处于贴合状态，所述的第一H面台阶的右端面和所述的第一矩形空腔的右端面连接且两者处于贴合状态，所述的第一E面台阶、所述的第一金属脊和所述的第一H面台阶的下端面均与所述的第一矩形空腔的下端面贴合连接，所述的第一E面台阶、所述的第一金属脊和所述的第一H面台阶的后端面均与所述的第一矩形空腔的后端面贴合连接，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，且等于所述的第一金属脊的高度，所述的第一H面台阶的高度等于所述的第一矩形空腔的高度，所述的第一金属脊的左端面到所述的第一矩形空腔的左端面的距离与所述的第一金属脊的右端面到所述的第一矩形空腔的右端面的距离相等，所述的第一金属脊的前端面与所述的第一矩形空腔的前端面齐平，所述的第一E面台阶的前端面所在平面位于所述的第一金属脊的前端面所在平面的后侧，所述的第一H面台阶的前端面所在平面位于所述的第一E面台阶的前端面所在平面的后侧，所述的第一矩形空腔的前端面为所述的单脊波导--矩形波导转换器的单脊波导输入口，所述的第一矩形空腔的上端面为所述的单脊波导--矩形波导转换器的矩形波导输出口。

所述的矩形波导-单脊波导转换器包括第二矩形空腔、第一矩形金属块、第二矩形金属块和两个转换单元，所述的第二矩形空腔开设在所述的第一平板的中心处，且从上到下贯穿所述的第一平板，所述的第二矩形空腔的上端面与所述的第一平板的上端面齐平，所述的第二矩形空腔的下端面与所述的第一平板的下端面齐平，所述的第二矩形空腔的下端面为所述的矩形波导-单脊波导转换器的矩形波导输入口，所述的第一矩形金属块和所述的第二矩形金属块均位于所述的第二矩形空腔内，所述的第一矩形金属块的上表面固定在所述的辐射层底部，所述的第一矩形金属块的上表面与所述的第二矩形空腔的上表面齐平，所述的第一矩形金属块沿前后方向的长度等于所述的第二矩形空腔沿前后方向的长度，所述的第一矩形金属块沿左右方向的长度等于所述的第二矩形空腔沿左右方向的长度，所述的第二矩形金属块位于所述的第一矩形金属块的下方，所述的第二矩形金属块的左端面与所述的第一矩形金属块的左端面齐平，所述的第二矩形金属块的右端面与所述的第一矩形金属块的右端面齐平，所述的第二矩形金属块的上端面与所述的第一矩形金属块的上端面连接且处于贴合状态，所述的第二矩形金属块沿前后方向的长度小于所述的第一矩形金属块沿前后方向的长度，且所述的第二矩形金属块的前端面所在平面与所述的第一矩形金属块的前端面所在平面之间的距离等于所述的第二矩形金属块的后端面所在平面与所述的第一矩形金属块的后端面所在平面之间的距离，所述的第一矩形金属块和所述的第二矩形金属块的高度之和小于所述的第二矩形空腔的高度；两个所述的转换单元分别位于所述的第二矩形空腔的前方和后方，将位于所述的第二矩形空腔前方的转换单元称为第一转换单元，将位于所述的第二矩形空腔后方的转换单元称为第二转换单元，所述的第一转换单元包括第三矩形空腔、第四矩形空腔、第二金属脊和第三金属脊，所述的第三矩形空腔和所述的第四矩形空腔分别开设在所述的第一平板上，所述的第三矩形空腔位于所述的第二矩形空腔的前侧，所述的第四矩形空腔位于所述的第三矩形空腔的前侧，所述的第三矩形空腔和所述的第四矩形空腔的上端面与所述的第二矩形空腔的上端面齐平，所述的第三矩形空腔和所述的第四矩形空腔的下端面齐平，所述的第三矩形空腔和所述的第四矩形空腔的高度小于所述的第二矩形空腔的高度，所述的第三矩形空腔沿左右方向的长度小于所述的第二矩形空腔沿左右方向的长度，且大于所述的第四矩形空腔沿左右方向的长度，所述的第二矩形空腔、所述的第三矩形空腔和所述的第四矩形空腔沿前后方面的对称面位于同一平面，所述的第二矩形空腔的前端面与所述的第三矩形空腔的后端面贴合连接，所述的第三矩形空腔的前端面与所述的第四矩形空腔的后端面贴合连接，所述的第二金属脊位于所述的第三矩形空腔内，所述的第二金属脊的前端面与所述的第三矩形空腔的前端面齐平，所述的第二金属脊的后端面与所述的第三矩形空腔的后端面齐平，所述的第二金属脊的下端面与所述的第三矩形空腔的下端面贴合连接，所述的第二金属脊的高度小于所述的第三矩形空腔的高度，所述的第二金属脊沿左右方向的长度小于所述的第三矩形空腔沿左右方向的长度，所述的第二金属脊的左端面到所述的第三矩形空腔的左端面的距离等于所述的第二金属脊的右端面到所述的第三矩形空腔的右端面的距离，所述的第三金属脊位于所述的第四矩形空腔内，所述的第三金属脊的前端面与所述的第四矩形空腔的前端面齐平，所述的第三金属脊的后端面与所述的第四矩形空腔的后端面齐平，所述的第三金属脊的下端面与所述的第四矩形空腔的下端面贴合连接，所述的第三金属脊的高度小于所述的第四矩形空腔的高度，且大于所述的第二金属脊的高度，所述的第三金属脊沿左右方向的长度小于所述的第四矩形空腔沿左右方向的长度，所述的第三金属脊的左端面到所述的第四矩形空腔的左端面的距离等于所述的第三金属脊的右端面到所述的第四矩形空腔的右端面的距离，所述的第三金属脊的左端面与所述的第二金属脊的左端面齐平，所述的第三金属脊的右端面与所述的第二金属脊的右端面齐平，所述的第三金属脊的后端面与所述的第二金属脊的前端面贴合连接，所述的第四矩形空腔的前端面为所述的第一转换单元的输出端，所述的第二转换单元与所述的第一转换单元相对于所述的第二矩形空腔呈前后对称，两个转换单元的输出端作为所述的矩形波导-单脊波导转换器的两个单脊波导输出口。

所述的辐射层包括第二平板以及设置在所述的第二平板上的辐射阵列，所述的辐射阵列包括四个辐射块，所述的四个辐射块按照2行2列方式排列，其中，位于第1行的两个辐射块向后平移一段距离后将与位于第2行的两个辐射块一一对应重合，位于第1列的两个辐射块向右平移平移一段距离后将与位于第2列的两个辐射块一一对应重合,每个所述的辐射块分别包括n²个开设在所述的第二平板的辐射矩形腔，

个辐射矩形腔按照

行

列的方式排列，所述的辐射矩形腔的上表面与所述的第二平板的上表面位于同一平面，所述的辐射矩形腔的高度小于所述的第二平板的高度，所述的第二平板的下端面上开设有n²个矩形输入口，所述的四个辐射块的n²个辐射矩形腔与n²个矩形输入口一一对应上下连通，所述的四个辐射块的n²个辐射矩形腔通过n²个矩形输入口与所述的馈电层的n²个输出端一一对应对接。该结构直接在单脊波导转矩形波导接头处通过缝隙耦合实现将能量从馈电层传送到辐射层，相较于多级辐射结构，一级缝隙耦合使得辐射层厚度小，从而使得天线整体具有低剖面的特点，层数的减少也使得天线整体具有轻量化的特点。

位于第1行的两个辐射块向后平移

后将与位于第2行的两个辐射块一一对应重合，位于第1列的两个辐射块向右平移

后将与位于第2列的两个辐射块一一对应重合,λ＝c/f，c为波速，c＝3*10^8m/s，f为所述的低剖面平板阵列天线的中心工作频率，位于同一行的

个辐射矩形腔中相邻两个辐射矩形腔的间隔都为λ，位于同一列的

个辐射矩形腔中相邻两个辐射矩形腔的间隔都为0.8λ，每个所述的辐射矩形腔沿左右方向的长度为0.925λ，沿前后方向的长度为0.47λ，高度为0.185λ，由于所述的四个辐射块的n²个辐射矩形腔与所述的馈电层的n²个输出端一一对应对接，此时n²个辐射矩形腔与n²单脊波导--矩形波导转换器也一一对应，对应一个辐射矩形腔与一个单脊波导--矩形波导转换器中，该辐射矩形腔的左端面所在平面位于该单脊波导--矩形波导转换器的第一矩形空腔的左端面所在平面的左侧，且两者距离为0.1875λ，该辐射矩形腔的右端面所在平面位于该单脊波导--矩形波导转换器的第一矩形空腔的右端面所在平面的右侧，且两者距离为0.1875λ，该辐射矩形腔的前端面所在平面位于该单脊波导--矩形波导转换器的第一矩形空腔的前端面所在平面的前侧，且两者距离为0.0525λ，该辐射矩形腔的后端面所在平面位于该单脊波导--矩形波导转换器的第一矩形空腔的后端面所在平面的后侧，且两者距离为0.0525λ。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过H型H面单脊波导功分器实现馈电层，辐射层通过缝隙耦合从馈电层处接入馈电层输出的n*n路信号，H型H面单脊波导功分器厚度较小，可低至0.16λg，而当前常用来实现馈电层的E面波导结构的厚度需要大于0.5λg，由此H面波导结构厚度是E面波导结构的厚度的0.32倍左右，减少了馈电层厚度，使得天线厚度小，具有低剖面和轻量化的特点，对本发明进行仿真，仿真结果表面本发明在14.5Ghz-15.5Ghz频率范围内，回波损耗低于-17dB，增益高于27dB，效率高于86％，由此本发明在实现宽频带、高增益和高效率的同时，剖面较低，且重量较轻的轻量化。

附图说明

图1为本发明的轻量化的低剖面平板阵列天线的局部剖视图；

图2(a)为本发明的轻量化的低剖面平板阵列天线的分解图一；

图2(b)为本发明的轻量化的低剖面平板阵列天线的分解图二；

图3为本发明的轻量化的低剖面平板阵列天线的馈电层的结构图

图4(a)为本发明的轻量化的低剖面平板阵列天线的单脊波导-矩形波导转换器的分解图一；

图4(b)为本发明的轻量化的低剖面平板阵列天线的单脊波导-矩形波导转换器的分解图二；

图5(a)为本发明的轻量化的低剖面平板阵列天线的矩形波导-单脊波导转换器的分解图一；

图5(b)为本发明的轻量化的低剖面平板阵列天线的矩形波导-单脊波导转换器的分解图二；

图5(c)为本发明的轻量化的低剖面平板阵列天线的矩形波导-单脊波导转换器的分解图三；

图5(d)为本发明的轻量化的低剖面平板阵列天线的矩形波导-单脊波导转换器的分解图三；

图6为本发明的轻量化的低剖面平板阵列天线的辐射层的结构图；

图7(a)为本发明的轻量化的低剖面平板阵列天线的装配图一；

图7(b)为本发明的轻量化的低剖面平板阵列天线的装配图二；

图8(a)为本发明的轻量化的低剖面平板阵列天线的回波损耗的仿真图；

图8(b)为本发明的轻量化的低剖面平板阵列天线的增益和效率的仿真图。

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、图2(a)和图2(b)所示，一种轻量化的低剖面平板阵列天线，包括辐射层1和馈电层2，辐射层1层叠在馈电层2上方，馈电层2用于接入外部信号(能量)并基于该外部信号产生n*n路信号输出，n＝2^m，m为大于等于1的整数，辐射层1具有n*n个输入端和n*n个输出端，辐射层1的n*n个输入端用于一一对应接入馈电层2输出的n*n路信号，辐射层1的n*n个输出端用于将馈电层2输出的n*n路信号一一对应辐射到自由空间，馈电层2基于H型H面单脊波导功分器实现，辐射层1通过缝隙耦合从馈电层2处接入馈电层2输出的n*n路信号。

本实施例中，如图3所示，馈电层2包括第一平板3以及设置在第一平板3上的

个H型H面单脊波导功分网络4和n²个单脊波导--矩形波导转换器5，第一平板3为矩形板，每个H型H面单脊波导功分网络4分别包含三个第一T型H面单脊波导功分器，每个第一T型H面单脊波导功分器分别具有一个输入端和两个输出端，三个第一T型H面单脊波导功分器按照从前向后的顺序依次排列，中间的第一T型H面单脊波导功分器的输入端作为H型H面单脊波导功分网络的输入端，中间的第一T型H面单脊波导功分器的两个输出端与前面的第一T型H面单脊波导功分器的输入端和后面的第一T型H面单脊波导功分器的输入端一一对应对接，前面的第一T型H面单脊波导功分器和后面的第一T型H面单脊波导功分器关于中间的第一T型H面单脊波导功分器呈中心对称，前面的第一T型H面单脊波导功分器的两个输出端和后面的第一T型H面单脊波导功分器的两个输出端作为H型H面单脊波导功分网络的四个输出端口；

个H型H面单脊波导功分网络按照

行

列方式均匀分布形成第1级馈电网络阵列，从第1级馈电网络阵列的第1行第1列开始，将第1级馈电网络阵列中每2行×2列的H型H面单脊波导功分网络作为第1级H型H面单脊波导功分网络单元6，第1级馈电网络阵列包括

个第1级H型H面单脊波导功分网络单元6，每个第1级H型H面单脊波导功分网络单元6中的4个H型H面单脊波导功分网络分别通过一个H型H面单脊波导功分网络连接，该4个H型H面单脊波导功分网络的输入端与该一个H型H面单脊波导功分网络的四个输出端一一对应连接；连接

个第1级H型H面单脊波导功分网络单元中4个H型H面单脊波导功分网络的H型H面单脊波导功分网络构成第2级馈电网络阵列，第2级馈电网络阵列由

个H型H面单脊波导功分网络按照

分布形成，从第2级馈电网络阵列的第1行第1列开始，将第2级馈电网络阵列中每2行×2列的H型H面单脊波导功分网络作为第2级H型H面单脊波导功分网络单元，第2级馈电网络阵列包括

个第2级H型H面单脊波导功分网络单元，每个第2级H型H面单脊波导功分网络单元中的4个H型H面单脊波导功分网络分别通过一个H型H面单脊波导功分网络连接，该4个H型H面单脊波导功分网络的输入端与该一个H型H面单脊波导功分网络的四个输出端一一对应连接；以此类推，直至仅包括4个H型H面单脊波导功分网络的第k-1级H型H面单脊波导功分网络单元构成，第k-1级H型H面单脊波导功分网络单元中的4个H型H面单脊波导功分网络通过一个H型H面单脊波导功分网络连接该4个H型H面单脊波导功分网络的输入端与该一个H型H面单脊波导功分网络的四个输出端一一对应连接，将该H型H面单脊波导功分网络作为第K级H型H面单脊波导功分网络单元；第K级H型H面单脊波导功分网络单元包括两个第二T型H面单脊波导功分器7和一个矩形波导-单脊波导转换器8，两个第二T型H面单脊波导功分器7关于第一平板3的中心呈镜像对称的关系，每个第二T型H面单脊波导功分器7分别具有一个输入端和两个输出端，矩形波导-单脊波导转换器8位于第一平板3的中心，矩形波导-单脊波导转换器8具有一个矩形波导输入口和两个单脊波导输出口，矩形波导-单脊波导转换器8的两个单脊波导输出口分别对接两个第二T型H面单脊波导功分器7的输入口，矩形波导-单脊波导转换器8的矩形波导输入口作为馈电层2的输入端，用于接入外部信号；每个单脊波导--矩形波导转换器5分别具有一个单脊波导输入口和一个矩形波导输出口，n²个单脊波导--矩形波导转换器5的单脊波导输入口与第1级馈电网络阵列中

个H型H面单脊波导功分网络的n²个输出端一一对应连接，n²个单脊波导--矩形波导转换器5的矩形波导输出口作为馈电层2的n²个输出端，用于输出n*n路信号。

本实施例中，如图4(a)和图4(b)所示，每个单脊波导--矩形波导转换器5分别包括第一矩形空腔9、第一金属脊10、第一E面台阶11和第一H面台阶12，第一矩形空腔9开设在第一平板3上，第一矩形空腔9的上表面与第一平板3的上端面位于同一平面，第一金属脊10、第一E面台阶11和第一H面台阶12分别位于第一矩形空腔9内，第一E面台阶11、第一金属脊10和第一H面台阶12按照从左到右的顺序排列，第一E面台阶11的左端面与第一矩形空腔9的左端面连接且两者处于贴合状态，第一E面台阶11的右端面与第一金属脊10的左端面连接且两者处于贴合状态，第一金属脊10的右端面和第一H面台阶12的左端面连接且两者处于贴合状态，第一H面台阶12的右端面和第一矩形空腔9的右端面连接且两者处于贴合状态，第一E面台阶11、第一金属脊10和第一H面台阶12的下端面均与第一矩形空腔9的下端面贴合连接，第一E面台阶11、第一金属脊10和第一H面台阶12的后端面均与第一矩形空腔9的后端面贴合连接，第一E面台阶11的高度低于第一矩形空腔9的高度，且等于第一金属脊10的高度，第一H面台阶12的高度等于第一矩形空腔9的高度，第一金属脊10的左端面到第一矩形空腔9的左端面的距离与第一金属脊10的右端面到第一矩形空腔9的右端面的距离相等，第一金属脊10的前端面与第一矩形空腔9的前端面齐平，第一E面台阶11的前端面所在平面位于第一金属脊10的前端面所在平面的后侧，第一H面台阶12的前端面所在平面位于第一E面台阶11的前端面所在平面的后侧，第一矩形空腔9的前端面为单脊波导--矩形波导转换器5的单脊波导输入口，第一矩形空腔9的上端面为单脊波导--矩形波导转换器5的矩形波导输出口。

本实施例中，如图5(a)、图5(b)、图5(c)和图5(d)所示，矩形波导-单脊波导转换器8包括第二矩形空腔13、第一矩形金属块14、第二矩形金属块15和两个转换单元，第二矩形空腔13开设在第一平板3的中心处，且从上到下贯穿第一平板3，第二矩形空腔13的上端面与第一平板3的上端面齐平，第二矩形空腔13的下端面与第一平板3的下端面齐平，第二矩形空腔13的下端面为矩形波导-单脊波导转换器8的矩形波导输入口，第一矩形金属块14和第二矩形金属块15均位于第二矩形空腔13内，第一矩形金属块14的上表面固定在辐射层1底部，第一矩形金属块14的上表面与第二矩形空腔13的上表面齐平，第一矩形金属块14沿前后方向的长度等于第二矩形空腔13沿前后方向的长度，第一矩形金属块14沿左右方向的长度等于第二矩形空腔13沿左右方向的长度，第二矩形金属块15位于第一矩形金属块14的下方，第二矩形金属块15的左端面与第一矩形金属块14的左端面齐平，第二矩形金属块15的右端面与第一矩形金属块14的右端面齐平，第二矩形金属块15的上端面与第一矩形金属块14的上端面连接且处于贴合状态，第二矩形金属块15沿前后方向的长度小于第一矩形金属块14沿前后方向的长度，且第二矩形金属块15的前端面所在平面与第一矩形金属块14的前端面所在平面之间的距离等于第二矩形金属块15的后端面所在平面与第一矩形金属块14的后端面所在平面之间的距离，第一矩形金属块14和第二矩形金属块15的高度之和小于第二矩形空腔13的高度；两个转换单元分别位于第二矩形空腔13的前方和后方，将位于第二矩形空腔13前方的转换单元称为第一转换单元16，将位于第二矩形空腔13后方的转换单元称为第二转换单元17，第一转换单元16包括第三矩形空腔18、第四矩形空腔19、第二金属脊20和第三金属脊21，第三矩形空腔18和第四矩形空腔19分别开设在第一平板3上，第三矩形空腔18位于第二矩形空腔13的前侧，第四矩形空腔19位于第三矩形空腔18的前侧，第三矩形空腔18和第四矩形空腔19的上端面与第二矩形空腔13的上端面齐平，第三矩形空腔18和第四矩形空腔19的下端面齐平，第三矩形空腔18和第四矩形空腔19的高度小于第二矩形空腔13的高度，第三矩形空腔18沿左右方向的长度小于第二矩形空腔13沿左右方向的长度，且大于第四矩形空腔19沿左右方向的长度，第二矩形空腔13、第三矩形空腔18和第四矩形空腔19沿前后方面的对称面位于同一平面，第二矩形空腔13的前端面与第三矩形空腔18的后端面贴合连接，第三矩形空腔18的前端面与第四矩形空腔19的后端面贴合连接，第二金属脊20位于第三矩形空腔18内，第二金属脊20的前端面与第三矩形空腔18的前端面齐平，第二金属脊20的后端面与第三矩形空腔18的后端面齐平，第二金属脊20的下端面与第三矩形空腔18的下端面贴合连接，第二金属脊20的高度小于第三矩形空腔18的高度，第二金属脊20沿左右方向的长度小于第三矩形空腔18沿左右方向的长度，第二金属脊20的左端面到第三矩形空腔18的左端面的距离等于第二金属脊20的右端面到第三矩形空腔18的右端面的距离，第三金属脊21位于第四矩形空腔19内，第三金属脊21的前端面与第四矩形空腔19的前端面齐平，第三金属脊21的后端面与第四矩形空腔19的后端面齐平，第三金属脊21的下端面与第四矩形空腔19的下端面贴合连接，第三金属脊21的高度小于第四矩形空腔19的高度，且大于第二金属脊20的高度，第三金属脊21沿左右方向的长度小于第四矩形空腔19沿左右方向的长度，第三金属脊21的左端面到第四矩形空腔19的左端面的距离等于第三金属脊21的右端面到第四矩形空腔19的右端面的距离，第三金属脊21的左端面与第二金属脊20的左端面齐平，第三金属脊21的右端面与第二金属脊20的右端面齐平，第三金属脊21的后端面与第二金属脊20的前端面贴合连接，第四矩形空腔19的前端面为第一转换单元16的输出端，第二转换单元17与第一转换单元16相对于第二矩形空腔13呈前后对称，两个转换单元的输出端作为矩形波导-单脊波导转换器8的两个单脊波导输出口。

本实施例中，如图6所示，辐射层1包括第二平板22以及设置在第二平板22上的辐射阵列，第二平板22为矩形板，辐射阵列包括四个辐射块，四个辐射块按照2行2列方式排列，其中，位于第1行的两个辐射块向后平移一段距离后将与位于第2行的两个辐射块一一对应重合，位于第1列的两个辐射块向右平移平移一段距离后将与位于第2列的两个辐射块一一对应重合,每个辐射块分别包括

个开设在第二平板22的辐射矩形腔23，

个辐射矩形腔23按照

行

列的方式排列，辐射矩形腔23的上表面与第二平板22的上表面位于同一平面，辐射矩形腔23的高度小于第二平板22的高度，第二平板22的下端面上开设有n²个矩形输入口24，四个辐射块的n²个辐射矩形腔23与n²个矩形输入口24一一对应上下连通，四个辐射块的n²个辐射矩形腔23通过n²个矩形输入口24与馈电层2的n²个输出端一一对应对接。

本实施例中，位于第1行的两个辐射块向后平移

后将与位于第2行的两个辐射块一一对应重合，位于第1列的两个辐射块向右平移

后将与位于第2列的两个辐射块一一对应重合,λ＝c/f，c为波速，c＝3*10^8m/s，f为低剖面平板阵列天线的中心工作频率，位于同一行的

个辐射矩形腔23中相邻两个辐射矩形腔23的间隔都为λ，位于同一列的

个辐射矩形腔23中相邻两个辐射矩形腔23的间隔都为0.8λ，每个辐射矩形腔23沿左右方向的长度为0.925λ，沿前后方向的长度为0.47λ，高度为0.185λ，由于四个辐射块的n²个辐射矩形腔23与馈电层2的n²个输出端一一对应对接，此时n²个辐射矩形腔23与n²单脊波导--矩形波导转换器5也一一对应，对应一个辐射矩形腔23与一个单脊波导--矩形波导转换器5中，该辐射矩形腔23的左端面所在平面位于该单脊波导--矩形波导转换器5的第一矩形空腔9的左端面所在平面的左侧，且两者距离为0.1875λ，该辐射矩形腔23的右端面所在平面位于该单脊波导--矩形波导转换器5的第一矩形空腔9的右端面所在平面的右侧，且两者距离为0.1875λ，该辐射矩形腔23的前端面所在平面位于该单脊波导--矩形波导转换器5的第一矩形空腔9的前端面所在平面的前侧，且两者距离为0.0525λ，该辐射矩形腔23的后端面所在平面位于该单脊波导--矩形波导转换器5的第一矩形空腔9的后端面所在平面的后侧，且两者距离为0.0525λ。

如图7(a)和图7(b)所示，本发明中，辐射层1和馈电层2能够通过多个螺钉25来固定连接，安装过程简单。

对本发明的轻量化的低剖面平板阵列天线进行仿真，其中本发明的轻量化的低剖面平板阵列天线的回波损耗的仿真图如图8(a)所示，本发明的轻量化的低剖面平板阵列天线的增益和效率的仿真图如图8(b)所示。分析图8(a)可知：本发明在14.5Ghz-15.5Ghz频率范围内，回波损耗低于-17dB，相对带宽6.67％；分析图8(b)可知：本发明在带宽内增益高于27dBi，效率高于86％，本发明的轻量化的低剖面平板阵列天线实现了宽带、高增益和高效率。

Claims (4)

1.一种轻量化的低剖面平板阵列天线，包括辐射层和馈电层，所述的辐射层层叠在所述的馈电层上方，所述的馈电层用于接入外部信号并基于该外部信号产生n*n路信号输出，n＝2^m，m为大于等于1的整数，所述的辐射层具有n*n个输入端和n*n个输出端，所述的辐射层的n*n个输入端用于一一对应接入所述的馈电层输出的n*n路信号，所述的辐射层的n*n个输出端用于将所述的馈电层输出的n*n路信号一一对应辐射到自由空间，其特征在于所述的馈电层基于H型H面单脊波导功分器实现，所述的辐射层通过缝隙耦合从所述的馈电层处接入所述的馈电层输出的n*n路信号；

所述的馈电层包括第一平板以及设置在所述的第一平板上的

个H型H面单脊波导功分网络和n²个单脊波导--矩形波导转换器，每个所述的H型H面单脊波导功分网络包含三个第一T型H面单脊波导功分器，每个所述的第一T型H面单脊波导功分器分别具有一个输入端和两个输出端，三个所述的第一T型H面单脊波导功分器按照从前向后的顺序依次排列，中间的第一T型H面单脊波导功分器的输入端作为所述的H型H面单脊波导功分网络的输入端，中间的第一T型H面单脊波导功分器的两个输出端与前面的第一T型H面单脊波导功分器的输入端和后面的第一T型H面单脊波导功分器的输入端一一对应对接，前面的第一T型H面单脊波导功分器和后面的第一T型H面单脊波导功分器关于中间的第一T型H面单脊波导功分器呈中心对称，前面的第一T型H面单脊波导功分器的两个输出端和后面的第一T型H面单脊波导功分器的两个输出端作为所述的H型H面单脊波导功分网络的四个输出端口；

个所述的H型H面单脊波导功分网络按照

行

列方式均匀分布形成第1级馈电网络阵列，从所述的第1级馈电网络阵列的第1行第1列开始，将所述的第1级馈电网络阵列中每2行×2列的H型H面单脊波导功分网络作为第1级H型H面单脊波导功分网络单元，所述的第1级馈电网络阵列包括

个第1级H型H面单脊波导功分网络单元，每个所述的第1级H型H面单脊波导功分网络单元中的4个H型H面单脊波导功分网络分别通过一个H型H面单脊波导功分网络连接，该4个H型H面单脊波导功分网络的输入端与该一个H型H面单脊波导功分网络的四个输出端一一对应连接；

连接

个所述的第1级H型H面单脊波导功分网络单元中4个H型H面单脊波导功分网络的H型H面单脊波导功分网络构成第2级馈电网络阵列，

从所述的第2级馈电网络阵列的第1行第1列开始，将所述的第2级馈电网络阵列中每2行×2列的H型H面单脊波导功分网络作为第2级H型H面单脊波导功分网络单元，所述的第2级馈电网络阵列包括

个第2级H型H面单脊波导功分网络单元，每个所述的第2级H型H面单脊波导功分网络单元中的4个H型H面单脊波导功分网络分别通过一个H型H面单脊波导功分网络连接，该4个H型H面单脊波导功分网络的输入端与该一个H型H面单脊波导功分网络的四个输出端一一对应连接；

以此类推，直至仅包括4个H型H面单脊波导功分网络的第k-1级H型H面单脊波导功分网络单元构成，所述的第k-1级H型H面单脊波导功分网络单元中的4个H型H面单脊波导功分网络通过一个H型H面单脊波导功分网络连接该4个H型H面单脊波导功分网络的输入端与该一个H型H面单脊波导功分网络的四个输出端一一对应连接，将该H型H面单脊波导功分网络作为第K级H型H面单脊波导功分网络单元；

所述的第K级H型H面单脊波导功分网络单元包括两个第二T型H面单脊波导功分器和一个矩形波导-单脊波导转换器，两个所述的第二T型H面单脊波导功分器关于所述的第一平板的中心呈镜像对称的关系，每个所述的第二T型H面单脊波导功分器分别具有一个输入端和两个输出端，所述的矩形波导-单脊波导转换器位于所述的第一平板的中心，所述的矩形波导-单脊波导转换器具有一个矩形波导输入口和两个单脊波导输出口，所述的矩形波导-单脊波导转换器的两个单脊波导输出口分别对接所述的两个第二T型H面单脊波导功分器的输入口，所述的矩形波导-单脊波导转换器的矩形波导输入口作为所述的馈电层的输入端，用于接入外部信号；

每个所述的单脊波导--矩形波导转换器分别具有一个单脊波导输入口和一个矩形波导输出口，n²个所述的单脊波导--矩形波导转换器的单脊波导输入口与第1级馈电网络阵列中

个H型H面单脊波导功分网络的n²个输出端一一对应连接，n²个所述的单脊波导--矩形波导转换器的矩形波导输出口作为所述的馈电层的n²个输出端，用于输出n*n路信号；

所述的辐射层包括第二平板以及设置在所述的第二平板上的辐射阵列，所述的辐射阵列包括四个辐射块，所述的四个辐射块按照2行2列方式排列，其中，位于第1行的两个辐射块向后平移一段距离后将与位于第2行的两个辐射块一一对应重合，位于第1列的两个辐射块向右平移一段距离后将与位于第2列的两个辐射块一一对应重合,每个所述的辐射块分别包括

个开设在所述的第二平板的辐射矩形腔，

所述的辐射矩形腔的上表面与所述的第二平板的上表面位于同一平面，所述的辐射矩形腔的高度小于所述的第二平板的高度，所述的第二平板的下端面上开设有n²个矩形输入口，所述的四个辐射块的n²个辐射矩形腔与n²个矩形输入口一一对应上下连通，所述的四个辐射块的n²个辐射矩形腔通过n²个矩形输入口与所述的馈电层的n²个输出端一一对应对接。

2.根据权利要求1所述的一种轻量化的低剖面平板阵列天线，其特征在于每个所述的单脊波导--矩形波导转换器分别包括第一矩形空腔、第一金属脊、第一E面台阶和第一H面台阶，所述的第一矩形空腔开设在所述的第一平板上，所述的第一矩形空腔的上表面与所述的第一平板的上端面位于同一平面，所述的第一金属脊、所述的第一E面台阶和所述的第一H面台阶分别位于所述的第一矩形空腔内，所述的第一E面台阶、所述的第一金属脊和所述的第一H面台阶按照从左到右的顺序排列，所述的第一E面台阶的左端面与所述的第一矩形空腔的左端面连接且两者处于贴合状态，所述的第一E面台阶的右端面与所述的第一金属脊的左端面连接且两者处于贴合状态，所述的第一金属脊的右端面和所述的第一H面台阶的左端面连接且两者处于贴合状态，所述的第一H面台阶的右端面和所述的第一矩形空腔的右端面连接且两者处于贴合状态，所述的第一E面台阶、所述的第一金属脊和所述的第一H面台阶的下端面均与所述的第一矩形空腔的下端面贴合连接，所述的第一E面台阶、所述的第一金属脊和所述的第一H面台阶的后端面均与所述的第一矩形空腔的后端面贴合连接，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，且等于所述的第一金属脊的高度，所述的第一H面台阶的高度等于所述的第一矩形空腔的高度，所述的第一金属脊的左端面到所述的第一矩形空腔的左端面的距离与所述的第一金属脊的右端面到所述的第一矩形空腔的右端面的距离相等，所述的第一金属脊的前端面与所述的第一矩形空腔的前端面齐平，所述的第一E面台阶的前端面所在平面位于所述的第一金属脊的前端面所在平面的后侧，所述的第一H面台阶的前端面所在平面位于所述的第一E面台阶的前端面所在平面的后侧，所述的第一矩形空腔的前端面为所述的单脊波导--矩形波导转换器的单脊波导输入口，所述的第一矩形空腔的上端面为所述的单脊波导--矩形波导转换器的矩形波导输出口。

3.根据权利要求1所述的一种轻量化的低剖面平板阵列天线，其特征在于所述的矩形波导-单脊波导转换器包括第二矩形空腔、第一矩形金属块、第二矩形金属块和两个转换单元，所述的第二矩形空腔开设在所述的第一平板的中心处，且从上到下贯穿所述的第一平板，所述的第二矩形空腔的上端面与所述的第一平板的上端面齐平，所述的第二矩形空腔的下端面与所述的第一平板的下端面齐平，所述的第二矩形空腔的下端面为所述的矩形波导-单脊波导转换器的矩形波导输入口，所述的第一矩形金属块和所述的第二矩形金属块均位于所述的第二矩形空腔内，所述的第一矩形金属块的上表面固定在所述的辐射层底部，所述的第一矩形金属块的上表面与所述的第二矩形空腔的上表面齐平，所述的第一矩形金属块沿前后方向的长度等于所述的第二矩形空腔沿前后方向的长度，所述的第一矩形金属块沿左右方向的长度等于所述的第二矩形空腔沿左右方向的长度，所述的第二矩形金属块位于所述的第一矩形金属块的下方，所述的第二矩形金属块的左端面与所述的第一矩形金属块的左端面齐平，所述的第二矩形金属块的右端面与所述的第一矩形金属块的右端面齐平，所述的第二矩形金属块的上端面与所述的第一矩形金属块的上端面连接且处于贴合状态，所述的第二矩形金属块沿前后方向的长度小于所述的第一矩形金属块沿前后方向的长度，且所述的第二矩形金属块的前端面所在平面与所述的第一矩形金属块的前端面所在平面之间的距离等于所述的第二矩形金属块的后端面所在平面与所述的第一矩形金属块的后端面所在平面之间的距离，所述的第一矩形金属块和所述的第二矩形金属块的高度之和小于所述的第二矩形空腔的高度；

两个所述的转换单元分别位于所述的第二矩形空腔的前方和后方，将位于所述的第二矩形空腔前方的转换单元称为第一转换单元，将位于所述的第二矩形空腔后方的转换单元称为第二转换单元，所述的第一转换单元包括第三矩形空腔、第四矩形空腔、第二金属脊和第三金属脊，所述的第三矩形空腔和所述的第四矩形空腔分别开设在所述的第一平板上，所述的第三矩形空腔位于所述的第二矩形空腔的前侧，所述的第四矩形空腔位于所述的第三矩形空腔的前侧，所述的第三矩形空腔和所述的第四矩形空腔的上端面与所述的第二矩形空腔的上端面齐平，所述的第三矩形空腔和所述的第四矩形空腔的下端面齐平，所述的第三矩形空腔和所述的第四矩形空腔的高度小于所述的第二矩形空腔的高度，所述的第三矩形空腔沿左右方向的长度小于所述的第二矩形空腔沿左右方向的长度，且大于所述的第四矩形空腔沿左右方向的长度，所述的第二矩形空腔、所述的第三矩形空腔和所述的第四矩形空腔沿前后方面的对称面位于同一平面，所述的第二矩形空腔的前端面与所述的第三矩形空腔的后端面贴合连接，所述的第三矩形空腔的前端面与所述的第四矩形空腔的后端面贴合连接，所述的第二金属脊位于所述的第三矩形空腔内，所述的第二金属脊的前端面与所述的第三矩形空腔的前端面齐平，所述的第二金属脊的后端面与所述的第三矩形空腔的后端面齐平，所述的第二金属脊的下端面与所述的第三矩形空腔的下端面贴合连接，所述的第二金属脊的高度小于所述的第三矩形空腔的高度，所述的第二金属脊沿左右方向的长度小于所述的第三矩形空腔沿左右方向的长度，所述的第二金属脊的左端面到所述的第三矩形空腔的左端面的距离等于所述的第二金属脊的右端面到所述的第三矩形空腔的右端面的距离，所述的第三金属脊位于所述的第四矩形空腔内，所述的第三金属脊的前端面与所述的第四矩形空腔的前端面齐平，所述的第三金属脊的后端面与所述的第四矩形空腔的后端面齐平，所述的第三金属脊的下端面与所述的第四矩形空腔的下端面贴合连接，所述的第三金属脊的高度小于所述的第四矩形空腔的高度，且大于所述的第二金属脊的高度，所述的第三金属脊沿左右方向的长度小于所述的第四矩形空腔沿左右方向的长度，所述的第三金属脊的左端面到所述的第四矩形空腔的左端面的距离等于所述的第三金属脊的右端面到所述的第四矩形空腔的右端面的距离，所述的第三金属脊的左端面与所述的第二金属脊的左端面齐平，所述的第三金属脊的右端面与所述的第二金属脊的右端面齐平，所述的第三金属脊的后端面与所述的第二金属脊的前端面贴合连接，所述的第四矩形空腔的前端面为所述的第一转换单元的输出端，所述的第二转换单元与所述的第一转换单元相对于所述的第二矩形空腔呈前后对称，两个转换单元的输出端作为所述的矩形波导-单脊波导转换器的两个单脊波导输出口。

4.根据权利要求1所述的一种轻量化的低剖面平板阵列天线，其特征在于位于第1行的两个辐射块向后平移

后将与位于第2行的两个辐射块一一对应重合，位于第1列的两个辐射块向右平移

后将与位于第2列的两个辐射块一一对应重合,λ＝c/f，c为波速，c＝3*10^8m/s，f为所述的低剖面平板阵列天线的中心工作频率，位于同一行的

个辐射矩形腔中相邻两个辐射矩形腔的间隔都为λ，位于同一列的

个辐射矩形腔中相邻两个辐射矩形腔的间隔都为0.8λ，每个所述的辐射矩形腔沿左右方向的长度为0.925λ，沿前后方向的长度为0.47λ，高度为0.185λ，由于所述的四个辐射块的n²个辐射矩形腔与所述的馈电层的n²个输出端一一对应对接，此时n²个辐射矩形腔与n²单脊波导--矩形波导转换器也一一对应，对应一个辐射矩形腔与一个单脊波导--矩形波导转换器中，该辐射矩形腔的左端面所在平面位于该单脊波导--矩形波导转换器的第一矩形空腔的左端面所在平面的左侧，且两者距离为0.1875λ，该辐射矩形腔的右端面所在平面位于该单脊波导--矩形波导转换器的第一矩形空腔的右端面所在平面的右侧，且两者距离为0.1875λ，该辐射矩形腔的前端面所在平面位于该单脊波导--矩形波导转换器的第一矩形空腔的前端面所在平面的前侧，且两者距离为0.0525λ，该辐射矩形腔的后端面所在平面位于该单脊波导--矩形波导转换器的第一矩形空腔的后端面所在平面的后侧，且两者距离为0.0525λ。

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