CN114914717A - 一种带有双模比较器的基片集成波导单脉冲缝隙天线及其辐射方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有双模比较器的基片集成波导单脉冲缝隙天线及其辐射方法，其中，第一顶层金属层上设有4N路辐射缝隙、和端口和第一差端口，第一介质基板上设有第一基片集成波导腔，其包括第一金属过孔、第二金属过孔、两个4N路功分器和第一双模比较器，第一金属底板上设有第一耦合缝隙；第二顶层金属层上设有第二耦合缝隙、第二差端口和第三差端口，第二介质基板上设有第二基片集成波导腔，其包括第三金属过孔、第四金属过孔和第二双模比较器；第一双模比较器分别形成和波束和xoz面上的差波束，第二双模比较器形成yoz面上的差波束和双差波束。本发明天线具有简单紧凑、效率高、低成本和易集成等优点，极大简化了单脉冲天线的设计。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术，具体涉及一种带有双模比较器的基片集成波导单脉冲缝隙天线及其辐射方法，可应用于X波段微波目标追踪、探测、雷达通讯等用途。
背景技术
单脉冲天线是一种同时从和差信道接收/发射信号的天线，由于其精准的定位和追踪性能，被广泛应用于现代雷达和卫星系统。通常单脉冲天线主要由单脉冲网络和辐射部分组成，其中单脉冲网络生成和差信号，辐射部分负责辐射。
传统的单脉冲天线主要利用矩形波导或带有反射面的单脉冲馈电器来实现单脉冲性能。然而这种天线不仅复杂笨重，而且制造成本较高。近年来，像微带阵列和基片集成波导缝隙阵列等平面单脉冲天线由于体积小、成本低和易制备集成等优点，被广泛应用在雷达追踪系统中。但是微带线在馈电时，其馈线会与辐射部分产生互耦，且其杂散辐射会对天线方向图产生不利影响。而基片集成波导是一种具有类似波导性质的结构，通过在上下面印刷有金属层的介质基板上蚀刻金属化通孔，利用其对电磁波进行约束，避免了馈电结构对方向图的影响，具有剖面低、小型化和低杂散辐射等优点。
在之前的研究中提出了多种具有高增益和低零点深度等优异性能的平面单脉冲天线阵列。但是大多数设计都存在馈电网络复杂、天线剖面高以及端口隔离度差等问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种带有双模比较器的基片集成波导单脉冲缝隙天线及其辐射方法。
技术方案：本发明的一种带有双模比较器的基片集成波导单脉冲缝隙天线，由上至下依次包括第一顶层金属层、第一介质基板、第一金属底板、第二顶层金属层、第二介质基板和第二金属底板，第一顶层金属层上设有4N路辐射缝隙、和端口和第一差端口，第一介质基板上设有第一基片集成波导腔，第一基片集成波导腔包括第一金属过孔、第二金属过孔、第一4N路功分器、第二4N路功分器和第一双模比较器，第一金属底板上设有两个第一耦合缝隙；第二顶层金属层上设有与第一耦合缝隙匹配的第二耦合缝隙、第二差端口和第三差端口，第二介质基板上设有第二基片集成波导腔，第二基片集成波导腔包括第三金属过孔、第四金属过孔和第二双模比较器；第一金属过孔和第三金属过孔分别构成第一基片集成波导腔和第二基片集成波导腔的波导壁，第二金属过孔和第四金属过孔分别用于对第一基片集成波导腔和第二基片集成波导腔进行阻抗匹配；和端口和第一差端口分别将电磁波依次传输给第一双模比较器、第一4N路功分器和第二4N路功分器、4N路辐射缝隙后形成和波束和xoz面上的差波束电磁波；第二差端口和第三差端口分别将电磁波依次传输给第二双模比较器、第二耦合缝隙、第一耦合缝隙、第一4N路功分器和第二4N路功分器、4N路辐射缝隙后形成yoz面上的差波束和双差波束。
优选的，4N路辐射缝隙划分为4N个辐射缝隙单元，每个辐射缝隙单元内同一行的辐射缝隙在基片集成波导腔体横向中心线上下错位分布，激励和端口，第一双模比较器生成TE12模，电磁波经过第一4N路功分器、第二4N路功分器后，使得第一至第4N个辐射缝隙单元相位相同，形成和波束；激励第一差端口，第一双模比较器生成TE21模，电磁波经过第一4N路功分器、第二4N路功分器后，使得左侧2N2个辐射缝隙单元与右侧2N2个辐射单元相位相反，形成xoz面上的差波束；激励第二差端口，第二双模比较器生成TE12模，电磁波经过第二耦合缝隙、第一耦合缝隙、第一4N路功分器和第二4N路功分器后，使得上2N2个辐射缝隙单元和下2N2个辐射缝隙单元相位相反，形成yoz面上的差波束；激励第三差端口，第二双模比较器生成TE21模，电磁波经过第二耦合缝隙、第一耦合缝隙、第一4N路功分器和第二4N路功分器后，使得两斜对角线上的N2个辐射缝隙单元相位相反，形成双差波束。
优选的，辐射缝隙被蚀刻在第一顶层金属层上，同一辐射缝隙单元中，同一行内相邻辐射缝隙在x轴上的距离间隔相同，取值范围为13.5mm～15mm；同一行内相邻辐射缝隙在y轴上的高度差相同，取值范围为0.3mm～0.9mm。
优选的，第一4N路功分器和第二4N路功分器结构相同，均由第一金属过孔根据4N路功分器的功能进行排列组成；
第一双模比较器由第一金属过孔排列组成，其输出分别与第一4N路功分器和第二4N路功分器连接。
优选的，第二双模比较器由第三金属过孔排列组成，其输出分别与两个第二耦合缝隙连接，第二耦合缝隙将电磁波耦合至第一耦合缝隙。
优选的，第一金属过孔和第三金属过孔相同，其直径R和相邻两个第一金属过孔或第三金属过孔的距离d之间的范围关系为：R<d<2R，0.05<d/中心频率波长<0.25；第二金属过孔和第四金属过孔相同，其孔径范围为：0.7mm-0.9mm。
优选的，第一介质基板和第二介质基板均采用相对介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027的Rogers 4003C材料，厚度为1.524mm。
优选的，第一、第二顶层金属层和第一、第二金属底板均采用厚度为0.035mm的金属铜。
本发明的一种带有双模比较器的基片集成波导单脉冲缝隙天线的辐射方法，该天线包括一个和端口、三个差端口、两个双模比较器、两个4N路功分器、4N路辐射缝隙和两组耦合缝隙，4N路辐射缝隙划分为4N个辐射缝隙单元，辐射方法包括以下步骤：
激励和端口，第一双模比较器生成TE12模，电磁波分别经过第一4N路功分器、第二4N路功分器后，转换为4N路电磁波分别输入4N路辐射缝隙，使得第一至第4N个辐射缝隙单元相位相同，形成和波束；
激励第一差端口，第一双模比较器生成TE21模，电磁波分别经过第一4N路功分器、第二4N路功分器后，转换为4N路电磁波分别输入4N路辐射缝隙，使得左侧2N2个辐射缝隙单元与右侧2N2个辐射单元相位相反，形成xoz面上的差波束；
激励第二差端口，第二双模比较器生成TE12模，电磁波分别经过两组耦合缝隙，然后再分别经过第一4N路功分器和第二4N路功分器后，转换为4N路电磁波分别输入4N路辐射缝隙，使得上2N2个辐射缝隙单元和下2N2个辐射缝隙单元相位相反，形成yoz面上的差波束；
激励第三差端口，第二双模比较器生成TE21模，电磁波分别经过两组耦合缝隙，然后再分别经过第一4N路功分器和第二4N路功分器后，使得两斜对角线上的N2个辐射缝隙单元相位相反，形成双差波束。
有益效果：与现有技术相比，本发明天线馈电方式简单，利用两个双模比较器产生稳定的和波束、xoz、yoz面上的差波束以及双差波束。本发明天线在保持高辐射效率、低剖面的同时，具有高隔离度、易集成以及低成本等优点。
附图说明
图1为本发明天线结构示意图，其中(a)为主视图，(b)为侧视图；
图2为本发明天线顶层和底层结构示意图，其中(a)为顶层主视图，(b)为底层主视图；
图3为本发明天线S参数图，其中(a)为反射系数，(b)为隔离度；
图4为本发明天线的3D方向图，其中(a)为和波束，(b)为xoz面上的差波束，(c)为yoz面上的差波束，(d)为双差波束；
图5为本发明天线的方向图，其中(a)为和波束，b)为xoz面上的差波束，(c)为yoz面上的差波束，(d)为+45°斜面的双差波束，(e)为-45°斜面的双差波束。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明的一种带有双模比较器的基片集成波导单脉冲缝隙天线，由上至下依次包括第一顶层金属层、第一介质基板、第一金属底板、第二顶层金属层、第二介质基板和第二金属底板，第一顶层金属层上设有4N路辐射缝隙、和端口和第一差端口，第一介质基板上设有第一基片集成波导腔，第一基片集成波导腔包括第一金属过孔、第二金属过孔、第一4N路功分器、第二4N路功分器和第一双模比较器，第一金属底板上设有两个第一耦合缝隙；第二顶层金属层上设有与第一耦合缝隙匹配的第二耦合缝隙、第二差端口和第三差端口，第二介质基板上设有第二基片集成波导腔，第二基片集成波导腔包括第三金属过孔、第四金属过孔和第二双模比较器；4N路辐射缝隙划分为4N个辐射缝隙单元，每个辐射缝隙单元内同一行的辐射缝隙在基片集成波导腔体横向中心线上下错位分布；第一金属过孔和第三金属过孔分别构成第一基片集成波导腔和第二基片集成波导腔的波导壁；第二金属过孔和第四金属过孔分别用于对第一基片集成波导腔和第二基片集成波导腔进行阻抗匹配；激励和端口，第一双模比较器生成TE12模，电磁波经过第一4N路功分器、第二4N路功分器后，使得第一至第4N个辐射缝隙单元相位相同，形成和波束；激励第一差端口，第一双模比较器生成TE21模，电磁波经过第一4N路功分器、第二4N路功分器后，使得左侧2N2个辐射缝隙单元的相位与右侧2N2个辐射单元的相位相反，形成xoz面上的差波束；激励第二差端口，第二双模比较器生成TE12模，电磁波经过第二耦合缝隙、第一耦合缝隙、第一4N路功分器和第二4N路功分器后，使得上2N2个辐射缝隙单元的相位和下2N2个辐射缝隙单元的相位相反，形成yoz面上的差波束；激励第三差端口，第二双模比较器生成TE21模，电磁波经过第二耦合缝隙、第一耦合缝隙、第一4N路功分器和第二4N路功分器后，使得两斜对角线上的N2个辐射缝隙单元相位相反，形成双差波束。
本发明实施例的功分器采用四路功分器，相应的辐射分析为四路辐射缝隙，并划分为四个辐射缝隙单元，具体如下：
如图1和图2所示，一种带有双模比较器的基片集成波导单脉冲缝隙天线，由上至下依次包括：第一顶层金属层1、第一介质基板2、第一金属底板3、第二顶层金属层4、第二介质基板5和第二金属底板6。第一顶层金属层1上设有四路辐射缝隙、和端口11和第一差端口12，其中四路辐射缝隙划分为第一辐射缝隙单元13、第二辐射缝隙单元14、第三辐射缝隙单元15和第四辐射缝隙单元16。第一介质基板2上设有第一基片集成波导腔，第一基片集成波导腔包括第一金属过孔21、第二金属过孔22、第一四路功分器23、第二四路功分器24和第一双模比较器25，第一金属底板3上设有第一耦合缝隙31。第二顶层金属层4上设有与第一耦合缝隙匹配的第二耦合缝隙41、第二差端口42和第三差端口43，第二介质基板5上设有第二基片集成波导腔，第二基片集成波导腔包括第三金属过孔51、第四金属过孔52和第二双模比较器53。第一金属过孔21和第三金属过孔51分别构成第一基片集成波导腔和第二基片集成波导腔的波导壁，用于束缚电磁波并进行传输；第二金属过孔22和第四金属过孔52分别用于对第一基片集成波导腔和第二基片集成波导腔进行阻抗匹配，等效于电感，对基片集成波导腔腔体内的电场分布进行调节，优化天线的阻抗带宽；第一四路功分器23和第二四路功分器24结构相同，均由第一金属过孔21和第二金属过孔22根据四路功分器的功能排列组成，用于将一路电磁波平均馈送至四路辐射缝隙；第一双模比较器25由第一金属过孔21排列构成；第二双模比较器53由第三金属过孔51排列构成；双模比较器中两种相互正交的电磁波传输模式，大大提高了两个端口之间的隔离度；非金属过孔7用于两块板材固定。
天线工作时，激励和端口11，第一双模比较器25生成TE12模，电磁波经过第一四路功分器23、第二四路功分器24后，使得第一辐射缝隙单元13、第二辐射缝隙单元14、第三辐射缝隙单元15和第四辐射缝隙单元16相位相同，形成和波束；激励第一差端口12，第一双模比较器25生成TE21模，电磁波经过第一四路功分器23、第二四路功分器24后，使得第一辐射缝隙单元13和第三辐射缝隙单元15的相位与第二辐射缝隙单元14和第四辐射缝隙单元16的相位相反，形成xoz面上的差波束；激励第二差端口42，第二双模比较器53生成TE12模，电磁波经过第二耦合缝隙41、第一耦合缝隙31、第一四路功分器23和第二四路功分器24后，使得第一辐射缝隙单元13和第二辐射缝隙单元14的相位与第三辐射缝隙单元15和第四辐射缝隙单元16的相位相反，形成yoz面上的差波束；激励第三差端口43，第二双模比较器53生成TE21模，电磁波经过第二耦合缝隙41、第一耦合缝隙31、第一四路功分器23和第二四路功分器24后，使得第一辐射缝隙单元13和第四辐射缝隙单元16的相位与第二辐射缝隙单元14和第三辐射缝隙单元15的相位相反，形成双差波束。
本实施例中，四个辐射缝隙单元被蚀刻在第一顶层金属层1上，每个辐射缝隙单元包括4个辐射缝隙，分为2行2列，同一辐射缝隙单元内同一行的辐射缝隙在基片集成波导腔体横向中心线上下错位分布。辐射缝隙单元中同一行内相邻辐射缝隙在x轴上的距离间隔相同，取值范围为13.5mm～15mm；同一行内相邻辐射缝隙在y轴上的高度差相同，取值范围为0.3mm～0.9mm。本实施例中，同一行内的相邻辐射缝隙在x轴上的距离为13.58mm，在y轴上的高度差为0.6mm。
第一金属过孔21和第三金属过孔51结构相同，其直径R和相邻两个第一金属过孔21或第三金属过孔51的距离d之间的范围关系为：R<d<2R，0.05<d/中心频率波长<0.25；第二金属过孔22和第四金属过孔52结构相同，其孔径范围为：0.7mm-0.9mm。
第一介质基板2和第二介质基板5采用相对介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027的Rogers 4003C材料，厚度为1.524mm；第一顶层金属层1、第二顶层金属层4和第一金属底板3、第二金属底板6均采用厚度为0.035mm的金属铜。
上述一种带有双模比较器的基片集成波导单脉冲缝隙天线的辐射方法为：
激励和端口11，第一双模比较器25生成TE12模，电磁波分别经过第一四路功分器23、第二四路功分器24后，转换为四路电磁波分别输入四路辐射缝隙，使得第一辐射缝隙单元13、第二辐射缝隙单元14、第三辐射缝隙单元15和第四辐射缝隙单元16相位相同，形成和波束；
激励第一差端口12，第一双模比较器25生成TE21模，电磁波分别经过第一四路功分器23、第二四路功分器24后，转换为四路电磁波分别输入四路辐射缝隙，使得第一辐射缝隙单元13和第三辐射缝隙单元15的相位与第二辐射缝隙单元14和第四辐射缝隙单元16的相位相反，形成xoz面上的差波束；
激励第二差端口42，第二双模比较器53生成TE12模，电磁波依次经过第二耦合缝隙41和第一耦合缝隙31，然后再分别经过第一四路功分器23和第二四路功分器24后，转换为四路电磁波分别输入四路辐射缝隙，使得第一辐射缝隙单元13和第二辐射缝隙单元14的相位与第三辐射缝隙单元15和第四辐射缝隙单元16的相位相反，形成yoz面上的差波束；
激励第三差端口43，第二双模比较器53生成TE21模，电磁波依次经过第二耦合缝隙41和第一耦合缝隙31，然后再分别经过第一四路功分器23和第二四路功分器24后，转换为四路电磁波分别输入四路辐射缝隙，使得第一辐射缝隙单元13和第四辐射缝隙单元16的相位与第二辐射缝隙单元14和第三辐射缝隙单元15的相位相反，形成双差波束。
图3为本发明天线和差波束的S参数曲线，可以看出本发明天线四个端口工作频段一致，属于X波段，且端口的隔离度均高于30dB。
图4为本发明天线的3D方向图，可以看出具有稳定的和波束、xoz面的差波束、yoz面的差波束和双差波束。
图5(a)为本发明天线的和波束方向图，波束轴向增益最高达到16dB，实现了高增益。
图5(b)，(c)分别为本发明天线的xoz面和yoz面的差波束方向图，零深均低于-35dB，跟踪误差极低。
图5(d)，(e)分别为本发明天线的+45°和-45°斜面的双差波束方向图，其零深低于30dB，交叉极化水平低于-30dB。
本发明的一种带有双模比较器的基片集成波导单脉冲缝隙天线，属于天线技术领域。这种新型的带有双模比较器的基片集成波导单脉冲缝隙天线利用了双模比较器中两种相互正交的电磁波传输模式，大大提高了两个端口之间的隔离度，并且双馈的设计极大提高了天线的集成度和降低了制造成本。同时利用耦合缝隙代替多余的馈电网络，保持了天线的高辐射效率，实现了两个平面上的追踪和探测。本发明的单脉冲天线在保持具有高隔离度的同时，具有高增益、低零深、辐射效率高等优点，极大简化了单脉冲天线馈电网络的设计。
Claims (9)
1.一种带有双模比较器的基片集成波导单脉冲缝隙天线，其特征在于，由上至下依次包括第一顶层金属层、第一介质基板、第一金属底板、第二顶层金属层、第二介质基板和第二金属底板，第一顶层金属层上设有4N路辐射缝隙、和端口和第一差端口，第一介质基板上设有第一基片集成波导腔，第一基片集成波导腔包括第一金属过孔、第二金属过孔、第一4N路功分器、第二4N路功分器和第一双模比较器，第一金属底板上设有两个第一耦合缝隙；第二顶层金属层上设有与第一耦合缝隙匹配的第二耦合缝隙、第二差端口和第三差端口，第二介质基板上设有第二基片集成波导腔，第二基片集成波导腔包括第三金属过孔、第四金属过孔和第二双模比较器；第一金属过孔和第三金属过孔分别构成第一基片集成波导腔和第二基片集成波导腔的波导壁，第二金属过孔和第四金属过孔分别用于对第一基片集成波导腔和第二基片集成波导腔进行阻抗匹配；和端口和第一差端口分别将电磁波依次传输给第一双模比较器、第一4N路功分器和第二4N路功分器、4N路辐射缝隙后形成和波束和xoz面上的差波束电磁波；第二差端口和第三差端口分别将电磁波依次传输给第二双模比较器、第二耦合缝隙、第一耦合缝隙、第一4N路功分器和第二4N路功分器、4N路辐射缝隙后形成yoz面上的差波束和双差波束。
2.根据权利要求1所述的一种带有双模比较器的基片集成波导单脉冲缝隙天线，其特征在于，4N路辐射缝隙划分为4N个辐射缝隙单元，每个辐射缝隙单元内同一行的辐射缝隙在基片集成波导腔体横向中心线上下错位分布，激励和端口，第一双模比较器生成TE12模，电磁波经过第一4N路功分器、第二4N路功分器后，使得第一至第4N个辐射缝隙单元相位相同，形成和波束；激励第一差端口，第一双模比较器生成TE21模，电磁波经过第一4N路功分器、第二4N路功分器后，使得左侧2N2个辐射缝隙单元与右侧2N2个辐射单元相位相反，形成xoz面上的差波束；激励第二差端口，第二双模比较器生成TE12模，电磁波经过第二耦合缝隙、第一耦合缝隙、第一4N路功分器和第二4N路功分器后，使得上2N2个辐射缝隙单元和下2N2个辐射缝隙单元相位相反，形成yoz面上的差波束；激励第三差端口，第二双模比较器生成TE21模，电磁波经过第二耦合缝隙、第一耦合缝隙、第一4N路功分器和第二4N路功分器后，使得两斜对角线上的N2个辐射缝隙单元相位相反，形成双差波束。
3.根据权利要求2所述的一种带有双模比较器的基片集成波导单脉冲缝隙天线，其特征在于，辐射缝隙被蚀刻在第一顶层金属层上，同一辐射缝隙单元中，同一行内相邻辐射缝隙在x轴上的距离间隔相同，取值范围为13.5mm～15mm；同一行内相邻辐射缝隙在y轴上的高度差相同，取值范围为0.3mm～0.9mm。
4.根据权利要求1所述的一种带有双模比较器的基片集成波导单脉冲缝隙天线，其特征在于，第一4N路功分器和第二4N路功分器结构相同，均由第一金属过孔根据4N路功分器的功能进行排列组成；
第一双模比较器由第一金属过孔排列组成，其输出分别与第一4N路功分器和第二4N路功分器连接。
5.根据权利要求1所述的一种带有双模比较器的基片集成波导单脉冲缝隙天线，其特征在于，第二双模比较器由第三金属过孔排列组成，其输出分别与两个第二耦合缝隙连接，第二耦合缝隙将电磁波耦合至第一耦合缝隙。
6.根据权利要求1所述的一种带有双模比较器的基片集成波导单脉冲缝隙天线，其特征在于，第一金属过孔和第三金属过孔相同，其直径R和相邻两个第一金属过孔或第三金属过孔的距离d之间的范围关系为：R<d<2R，0.05<d/中心频率波长<0.25；第二金属过孔和第四金属过孔相同，其孔径范围为：0.7mm-0.9mm。
7.根据权利要求1所述的一种带有双模比较器的基片集成波导单脉冲缝隙天线，其特征在于，第一介质基板和第二介质基板均采用相对介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027的Rogers 4003C材料，厚度为1.524mm。
8.根据权利要求1所述的一种带有双模比较器的基片集成波导单脉冲缝隙天线，其特征在于，第一、第二顶层金属层和第一、第二金属底板均采用厚度为0.035mm的金属铜。
9.一种带有双模比较器的基片集成波导单脉冲缝隙天线的辐射方法，其特征在于，该天线包括一个和端口、三个差端口、两个双模比较器、两个4N路功分器、4N路辐射缝隙和两组耦合缝隙，4N路辐射缝隙划分为4N个辐射缝隙单元，辐射方法包括以下步骤：
激励和端口，第一双模比较器生成TE12模，电磁波分别经过第一4N路功分器、第二4N路功分器后，转换为4N路电磁波分别输入4N路辐射缝隙，使得第一至第4N个辐射缝隙单元相位相同，形成和波束；
激励第一差端口，第一双模比较器生成TE21模，电磁波分别经过第一4N路功分器、第二4N路功分器后，转换为4N路电磁波分别输入4N路辐射缝隙，使得左侧2N2个辐射缝隙单元与右侧2N2个辐射单元相位相反，形成xoz面上的差波束；
激励第二差端口，第二双模比较器生成TE12模，电磁波分别经过两组耦合缝隙，然后再分别经过第一4N路功分器和第二4N路功分器后，转换为4N路电磁波分别输入4N路辐射缝隙，使得上2N2个辐射缝隙单元和下2N2个辐射缝隙单元相位相反，形成yoz面上的差波束；
激励第三差端口，第二双模比较器生成TE21模，电磁波分别经过两组耦合缝隙，然后再分别经过第一4N路功分器和第二4N路功分器后，使得两斜对角线上的N2个辐射缝隙单元相位相反，形成双差波束。
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|---|---|---|---|---|
| CN116387788A (zh) * | 2023-06-06 | 2023-07-04 | 电子科技大学 | 一种三模复合的一分四功分网络 |
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| CN112259962A (zh) * | 2020-12-21 | 2021-01-22 | 东南大学 | 基于双模平行波导的双频段共口径天线阵 |
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2022
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