CN115051144A - 一种大扫描范围的双频共口径波束扫描天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大扫描范围的双频共口径波束扫描天线，包括馈电网络层、平行板波导层和辐射层，辐射层中通过周期性间隔分布的CTS辐射枝节和双脊波导辐射枝节，实现高频的TEM模电磁波和低频的TEM模电磁波的双频段输出，同时平行板波导层处第一平行板波导结合非均匀慢波结构，控制平行板波导层中高频TEM模电磁波和低频TEM模电磁波的传输相位和向辐射中耦合的能量，实现双频段的波束扫描角度控制和宽波束覆盖，PPW双工器将不同频段的平面波合并以实现单侧激励，有助于权衡两个频段中CTS辐射枝节和双脊波导辐射枝节之间的幅度分布；优点是在高频段和低频段均能实现宽波束覆盖和较高的扫描效率。

Description

一种大扫描范围的双频共口径波束扫描天线
技术领域
本发明涉及一种双频共口径波束扫描天线，尤其是涉及一种大扫描范围的双频共口径波束扫描天线。
背景技术
在高速卫星通信、便携式终端、5G基站等各种通信应用领域的发展过程中，对于天线高定向性和快速可变波束的性能有了越来越高的要求。双频共口径VICTS(Variableinclination continuous transverse stub)天线能够在一副天线的口径面上实现双频段的波束扫描，可以有效减少天线数量，节省系统体积，已经成为了现代通信系统发展的必然趋势。
现有的双频共口径波束扫描天线在高低频段的波束覆盖范围不同。在高频段的波束覆盖较高，可以实现俯仰角平面上60°的覆盖。但是在满足高频段实现宽波束覆盖的同时无法兼顾低频段的波束起始范围，低频段的波束覆盖较窄只有38°，低频段窄波束覆盖不利于卫星与移动平台之间的稳定通信。此外，由于现有的双频共口径波束扫描天线的辐射机理需要串联馈电结构，很难同时在两个频带中实现高扫描效率较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在高频段和低频段均能实现宽波束覆盖同时保持高扫描效率的大扫描范围的双频共口径波束扫描天线。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种大扫描范围的双频共口径波束扫描天线，包括按照自下而上顺序依次层叠设置的馈电网络层、平行板波导层和辐射层，所述的馈电网络层用于接入外部的TE模电磁波，并将接入的TE模电磁波转换为准TEM模电磁波输出至所述的平行板波导层，所述的平行板波导层用于将输入其内的准TEM模电磁波采用空气介质传导方式传输至所述的辐射层，所述的辐射层用于将传输至其处的准TEM模电磁波向自由空间传播；所述的馈电网络层包括第一圆形金属板以及设置在所述的第一圆形金属板上的馈电网络结构，所述的馈电网络结构包括第一线源、第二线源、PPW双工器、第一输入端口和第二输入端口，所述的第一线源具有一个输入端口和十六个输出端口，所述的第二线源具有一个输入端口和八个输出端口，所述的第一线源的输入端口与所述的馈电网络结构的第一输入端口连接，所述的第二线源的输入端口与所述的馈电网络结构的第二输入端口连接，所述的第一线源采用具有一个输入端口和十六个输出端口的一分十六四级等分H面矩形波导功分器实现，且该一分十六四级等分H面矩形波导功分器的输入端口作为所述的第一线源的输入端口，该一分十六四级等分H面矩形波导功分器的十六个输出端口作为所述的第一线源的十六个输出端口，所述的第二线源采用具有一个输入端口和八个输出端口的一分八三级等分H面矩形波导功分器实现，且该一分八三级等分H面矩形波导功分器的输入端口作为所述的第二线源的输入端口，该一分八三级等分H面矩形波导功分器的八个输出端口作为所述的第二线源的八个输出端口，所述的馈电网络结构的第一输入端口用于馈入高频段激励信号，所述的馈电网络的第二输入端口用于馈入低频段激励信号，当所述的馈电网络结构的第一输入端口馈入高频段激励信号时，所述的第一线源能够在该高频段激励信号激励下产生高频段的TE模电磁波，并将产生的高频段的TE模电磁波进行功率分配后等分传输至其十六个输出端口，并最终在其十六个输出端口处形成高频段的TE模电磁波输出；当所述的馈电网络结构的第二输入端口馈入低频段激励信号时，所述的第二线源能够在该低频段激励信号激励下产生低频段的TE模电磁波，并将产生的低频段的TE模电磁波进行功率分配后等分传输至其八个输出端口，并最终在其八个输出端口处形成低频段的TE模电磁波输出，所述的PPW双工器具有第一输入端口、第二输入端口和一个输出端口，所述的PPW双工器的第一输入端口与所述的第一线源的十六个输出端口均连接，所述的PPW双工器的第二输入端口与所述的第二线源的八个输出端口均连接，所述的PPW双工器的第二输入端口的上表面和下表面均设置有一个短路枝节，将设置在所述的PPW双工器的第二输入端口上表面的短路枝节称为第一短路枝节，将设置在所述的PPW双工器的第二输入端口下表面的短路枝节称为第二短路枝节，所述的第二短路枝节位于所述的第一短路枝节正下方的左侧，所述的第一短路枝节和所述的第二短路直接用于实现所述的PPW双工器的第二输入端口电磁波对其第一输入端口电磁波的隔离，所述的PPW双工器用于将所述的第一线源输出的高频段的TE模电磁波转换为高频段的准TEM模电磁波以及将所述的第二线源输出的低频段的TE模电磁波转换为低频段的准TEM模电磁波，所述的PPW双工器的输出端口用于输出所述的PPW双工器转换得到的低频段的准TEM模电磁波和高频段的准TEM模电磁波的混合信号；所述的平行板波导层包括第二圆形金属板以及设置在所述的第二圆形金属板上的双频段扼流槽、第一平行板波导和非均匀慢波结构，所述的双频段扼流槽包括倒F扼流结构、90°弯曲平行波导结构、一个输入端口、第一输出端口和第二输出端口，所述的倒F扼流结构由一个输入端口、一个长枝节和位于所述的长枝节左侧的两个短路枝节构成，将两个短路枝节称为第三短路枝节和第四短路枝节，所述的第三短路枝节位于所述的第四短路枝节的上方，所述的第三短路枝节和第四短路枝节均与所述的长枝节相连，所述的第三短路枝节用于对高频段的电磁波扼流，所述的第四短路枝节用于对低频段的电磁波扼流，所述的长枝节与所述的倒F扼流结构的输入端口相连，所述的倒F扼流结构的输入端口与所述的双频段扼流槽的第一输出端口相连，所述的90°弯曲平行波导结构包括一个输入端口、一个输出端口和两个波导结构，其中一个波导结构沿水平方向设置，将该波导结构称为水平波导结构，另一个波导结构沿竖直方向设置，将该波导结构称为垂直波导结构，两个波导结构相互垂直，形成90°的夹角，所述的垂直波导结构与所述的90°弯曲平行波导结构的输入端口相连，所述的水平波导结构的右端与所述的90°弯曲平行波导结构的输出端口相连，所述的水平波导结构的左端与所述的倒F扼流结构的输入端口相连，所述的90°弯曲平行波导结构的输入端口与所述的馈电网络结构中的PPW双工器的输出端口相连，所述的90°弯曲平行波导结构的输出端口与所述的双频段扼流槽的第二输出端口连接，所述的第一平行板波导具有一个输入端口和一个输出端口，所述的第一平行板波导的高度位于低频段1/4波长～1/2波长范围内，所述的非均匀慢波结构设置在所述的第一平行板波导的下表面，所述的第一平行板波导的输出端口用于将传输至其处的高频的准TEM模电磁波和低频的准TEM模电磁波传输至所述的辐射层，所述的非均匀慢波结构包括i个不同高度的矩形块，i为大于等于1的整数，i个矩形块以高度从高到低等间隔排列形成梳齿状，每个矩形块的上端面均为倾斜设置的矩形面，每个矩形块的下端面也均为倾斜设置的矩形面，i个矩形块的上端面位于同一倾斜平面上，i个矩形块的下端面也位于同一倾斜平面上，i个矩形块的上端面所在倾斜平面的斜率(与水平面之间的夹角)和下端面所在倾斜平面的斜率(与水平面之间的夹角)用于确定所述的第一平行板波导的输出端口耦合的电磁波大小，所述的第一平行板波导的输入端口与所述的90°弯曲平行波导结构的输出端口相连，所述的90°弯曲平行波导结构用于实现所述的第一平行板波导的串馈激励；所述的辐射层包括第三圆形金属板以及设置在所述的第三圆形金属板上的辐射单元，所述的辐射单元包括两个不同类型的辐射枝节组，将两个不同类型的辐射枝节组分别称为CTS辐射枝节组和双脊波导辐射枝节组，所述的CTS辐射枝节组包括按照从前到后顺序均匀间隔排布的n个CTS辐射枝节，所述的双脊波导辐射枝节组包括按照从前到后顺序均匀间隔排布的n个双脊波导辐射枝节，n为大于等于2的整数，相邻两个CTS辐射枝节之间和相邻两个双脊波导辐射枝节之间的中心间距均为低频段的0.5波长～1波长范围内，每个所述的CTS辐射枝节分别包括由两个第一过渡枝节自下而上层叠而成的两级第一过渡枝节和设置在所述的两级第一过渡枝节中位于下方的第一过渡枝节左侧的第一矩形匹配块，每个所述的双脊波导辐射枝节分别包括由两个第二过渡枝节自下而上层叠而成的两级第二过渡枝节、设置在所述的两级第二过渡枝节中位于下方的第二过渡枝节左侧的第二矩形匹配块以及设置在所述的两级第二过渡枝节中位于下层的第二过渡枝节下端面上的双脊波导阵，所述的双脊波导阵包括按照从前到后顺序均匀间隔排布的m个相同的双脊波导，m为大于等于2的整数，所述的双脊波导的长度由双脊波导截止频率对应的波导波长决定，双脊波导截止频率为低频段的最高频点与高频段的最低频点之间的中心频点，n个CTS辐射枝节和n个双脊波导辐射枝节交叉排布，且任意相邻的CTS辐射枝节和双脊波导辐射枝节之间的中心间距相等，该中心间距位于高频段的0.5波长～1波长范围内；当所述的第一平行板波导的输出端口将传输至其处的高频的准TEM模电磁波传输至所述的辐射层时，此时n个所述的CTS辐射枝节和n个所述的双脊波导辐射枝节均能够将高频的准TEM模电磁波向自由空间辐射；当所述的第一平行板波导的输出端口将传输至其处的低频的准TEM模电磁波传输至所述的辐射层时，此时n个所述的CTS辐射枝节能够将低频的准TEM模电磁波向自由空间辐射，而n个所述的双脊波导辐射枝节由于截止频率的存在将对低频的准TEM模电磁波进行抑制，低频的准TEM模电磁波不能通过n个所述的双脊波导辐射枝节向自由空间辐射。
所述的第三圆形金属板采用可转动方式安装在所述的第二圆形金属板上，所述的第二圆形金属板与所述的第一圆形金属板固定连接，所述的第二圆形金属板与所述的第三圆形金属板之间存在1毫米的间隙，以保证所述的第三圆形金属板与所述的第二圆形金属板能够顺畅进行相对旋转，完成方位面和俯仰面的二维波束扫描。
与现有技术相比，本发明的优点在于通过按照自下而上顺序依次层叠设置的馈电网络层、平行板波导层和辐射层构成大扫描范围的双频共口径波束扫描天线，馈电网络层用于接入外部的TE模电磁波，并将接入的TE模电磁波转换为准TEM模电磁波输出至平行板波导层，平行板波导层用于将输入其内的准TEM模电磁波采用空气介质传导方式传输至辐射层，辐射层用于将传输至其处的准TEM模电磁波向自由空间传播，馈电网络层包括第一圆形金属板以及设置在第一圆形金属板上的馈电网络结构，馈电网络结构包括第一线源、第二线源、PPW双工器、第一输入端口和第二输入端口，第一线源采用具有一个输入端口和十六个输出端口的一分十六四级等分H面矩形波导功分器实现，第二线源采用具有一个输入端口和八个输出端口的一分八三级等分H面矩形波导功分器实现，平行板波导层包括第二圆形金属板以及设置在第二圆形金属板上的双频段扼流槽、第一平行板波导和非均匀慢波结构，双频段扼流槽包括倒F扼流结构、90°弯曲平行波导结构、一个输入端口、第一输出端口和第二输出端口，倒F扼流结构由一个输入端口、一个长枝节和位于长枝节左侧的两个短路枝节构成，辐射层包括第三圆形金属板以及设置在第三圆形金属板上的辐射单元，辐射单元包括两个不同类型的辐射枝节组，将两个不同类型的辐射枝节组分别称为CTS辐射枝节组和双脊波导辐射枝节组，CTS辐射枝节组包括按照从前到后顺序均匀间隔排布的n个CTS辐射枝节，双脊波导辐射枝节组包括按照从前到后顺序均匀间隔排布的n个双脊波导辐射枝节，当高频激励信号产生的高频段的TE模电磁波从馈电网络结构的第一输入端口馈入时，第一线源将输入其内的高频段的TE模电磁波进行功率分配，并最终在其十六个输出端口处形成高频段的TE模电磁波输出至PPW双工器的第一输入端口，当低频激励信号产生的低频段的TE模电磁波从馈电网络结构的第二输入端口馈入时，第二线源将输入其内的低频段的TE模电磁波进行功率分配，并最终在其八个输出端口处形成低频段的TE模电磁波输出至PPW双工器的第二输入端口，PPW双工器将其第一输入端口输入的高频段的TE模电磁波转换为高频段的准TEM模电磁波以及将第二输入端口输入的低频段的TE模电磁波转换为低频段的准TEM模电磁波，高频的准TEM模电磁波和低频的准TEM模电磁波的混合信号通过PPW双工器的输出端口输出至90°弯曲平行波导结构的输入端口，并通过90°弯曲平行波导结构的输出端口向第一平行板波导的输入端口和倒F扼流结构的输入端口传输，由于倒F扼流结构中第三短路枝节和第四短路枝节对高低频段电磁波的扼流，只有小部分高频的准TEM模电磁波和低频的准TEM模电磁波的混合信号会传输至倒F扼流结构，绝大部分的高频的准TEM模电磁波和低频的准TEM模电磁波的混合信号会通过90°弯曲平行波导结构的输出端口传输至第一平行板波导的输入端口，从第一平行板波导的输入端口输入的高频的准TEM模电磁波和低频的准TEM模电磁波的混合信号在非均匀慢波结构的作用下控制了耦合的能量大小，并向第一平行板波导的输出端口输出，当第一平行板波导的输出端口将传输至其处的高频的准TEM模电磁波传输至辐射层时，此时n个CTS辐射枝节和n个双脊波导辐射枝节均能够将高频的准TEM模电磁波向自由空间辐射；当第一平行板波导的输出端口将传输至其处的低频的准TEM模电磁波传输至辐射层时，此时n个CTS辐射枝节能够将低频的准TEM模电磁波向自由空间辐射，而n个双脊波导辐射枝节由于截止频率的存在将对低频的准TEM模电磁波进行抑制，低频的准TEM模电磁波不能通过n个双脊波导辐射枝节向自由空间辐射，由此本发明通过周期性间隔分布的CTS辐射枝节和双脊波导辐射枝节，克服传统VICTS天线中辐射枝节固定周期的缺点，实现高频的TEM模电磁波和低频的TEM模电磁波的双频段输出，同时第一平行板波导结合非均匀慢波结构，可以控制平行板波导层中高频TEM模电磁波和低频TEM模电磁波的传输相位和向辐射层中耦合的能量，实现双频段的波束扫描角度控制和宽波束覆盖，PPW双工器将两个线源中生成的不同频段的平面波合并以实现单侧激励，这有助于权衡两个频段中CTS辐射枝节和双脊波导辐射枝节之间的幅度分布，实验验证本发明能够同时覆盖Ku和K波段的两个频段，在40°的相对旋转角内实现了两个频段的波束覆盖超过50°，且优于77％的孔径效率，由此本发明在高频段和低频段均能实现宽波束覆盖同时保持较高的扫描效率。
附图说明
图1为本发明的大扫描范围的双频共口径波束扫描天线的爆炸图；
图2为本发明的大扫描范围的双频共口径波束扫描天线的馈电网络层的俯视图；
图3为本发明的大扫描范围的双频共口径波束扫描天线的馈电网络层的侧视图；
图4为本发明的大扫描范围的双频共口径波束扫描天线的平行板波导层的俯视图；
图5为本发明的大扫描范围的双频共口径波束扫描天线的平行板波导层的侧视图；
图6为本发明的大扫描范围的双频共口径波束扫描天线的辐射层的俯视图；
图7为本发明的大扫描范围的双频共口径波束扫描天线的辐射层的侧视图；
图8为本发明的大扫描范围的双频共口径波束扫描天线在12.5GHz下的仰角平面上模拟和测量的归一化辐射方向图；
图9为本发明的大扫描范围的双频共口径波束扫描天线在20.4GHz下的仰角平面上模拟和测量的归一化辐射方向图；
图10为本发明的大扫描范围的双频共口径波束扫描天线在不同相对旋转角下的天线效率图；
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：如图所示，一种大扫描范围的双频共口径波束扫描天线，包括按照自下而上顺序依次层叠设置的馈电网络层1、平行板波导层2和辐射层3，馈电网络层1用于接入外部的TE模电磁波，并将接入的TE模电磁波转换为准TEM模电磁波输出至平行板波导层2，平行板波导层2用于将输入其内的准TEM模电磁波采用空气介质传导方式传输至辐射层3，辐射层3用于将传输至其处的准TEM模电磁波向自由空间传播；
馈电网络层1包括第一圆形金属板4以及设置在第一圆形金属板4上的馈电网络结构，馈电网络结构包括第一线源5、第二线源6、PPW双工器7、第一输入端口8和第二输入端口9，第一线源5具有一个输入端口和十六个输出端口，第二线源6具有一个输入端口和八个输出端口，第一线源5的输入端口与馈电网络结构的第一输入端口8连接，第二线源6的输入端口与馈电网络结构的第二输入端口9连接，第一线源5采用具有一个输入端口和十六个输出端口的一分十六四级等分H面矩形波导功分器实现，且该一分十六四级等分H面矩形波导功分器的输入端口作为第一线源5的输入端口，该一分十六四级等分H面矩形波导功分器的十六个输出端口作为第一线源5的十六个输出端口，第二线源6采用具有一个输入端口和八个输出端口的一分八三级等分H面矩形波导功分器实现，且该一分八三级等分H面矩形波导功分器的输入端口作为第二线源6的输入端口，该一分八三级等分H面矩形波导功分器的八个输出端口作为第二线源6的八个输出端口，馈电网络结构的第一输入端口8用于馈入高频段激励信号，馈电网络的第二输入端口9用于馈入低频段激励信号，当馈电网络结构的第一输入端口8馈入高频段激励信号时，第一线源5能够在该高频段激励信号激励下产生高频段的TE模电磁波，并将产生的高频段的TE模电磁波进行功率分配后等分传输至其十六个输出端口，并最终在其十六个输出端口处形成高频段的TE模电磁波输出；当馈电网络结构的第二输入端口9馈入低频段激励信号时，第二线源6能够在该低频段激励信号激励下产生低频段的TE模电磁波，并将产生的低频段的TE模电磁波进行功率分配后等分传输至其八个输出端口，并最终在其八个输出端口处形成低频段的TE模电磁波输出，PPW双工器7具有第一输入端口、第二输入端口和一个输出端口，PPW双工器7的第一输入端口与第一线源5的十六个输出端口均连接，PPW双工器7的第二输入端口与第二线源6的八个输出端口均连接，PPW双工器7的第二输入端口的上表面和下表面均设置有一个短路枝节，将设置在PPW双工器7的第二输入端口上表面的短路枝节称为第一短路枝节10，将设置在PPW双工器7的第二输入端口下表面的短路枝节称为第二短路枝节11，第二短路枝节11位于第一短路枝节10正下方的左侧，第一短路枝节10和第二短路直接用于实现PPW双工器7的第二输入端口电磁波对其第一输入端口8电磁波的隔离，PPW双工器7用于将第一线源5输出的高频段的TE模电磁波转换为高频段的准TEM模电磁波以及将第二线源6输出的低频段的TE模电磁波转换为低频段的准TEM模电磁波，PPW双工器7的输出端口用于输出PPW双工器7转换得到的低频段的准TEM模电磁波和高频段的准TEM模电磁波的混合信号；
平行板波导层2包括第二圆形金属板12以及设置在第二圆形金属板12上的双频段扼流槽33、第一平行板波导13和非均匀慢波结构14，双频段扼流槽33包括倒F扼流结构15、90°弯曲平行波导结构16、一个输入端口、第一输出端口和第二输出端口，倒F扼流结构15由一个输入端口、一个长枝节17和位于长枝节17左侧的两个短路枝节构成，将两个短路枝节称为第三短路枝节18和第四短路枝节19，第三短路枝节18位于第四短路枝节19的上方，第三短路枝节18和第四短路枝节19均与长枝节17相连，第三短路枝节18用于对高频段的电磁波扼流，第四短路枝节19用于对低频段的电磁波扼流，长枝节17与倒F扼流结构15的输入端口相连，倒F扼流结构15的输入端口与双频段扼流槽33的第一输出端口相连，90°弯曲平行波导结构16包括一个输入端口、一个输出端口和两个波导结构，其中一个波导结构沿水平方向设置，将该波导结构称为水平波导结构20，另一个波导结构沿竖直方向设置，将该波导结构称为垂直波导结构21，两个波导结构相互垂直，形成90°的夹角，垂直波导结构21与90°弯曲平行波导结构16的输入端口相连，水平波导结构20的右端与90°弯曲平行波导结构16的输出端口相连，水平波导结构20的左端与倒F扼流结构15的输入端口相连，90°弯曲平行波导结构16的输入端口与馈电网络结构中的PPW双工器7的输出端口相连，90°弯曲平行波导结构16的输出端口与双频段扼流槽33的第二输出端口连接，第一平行板波导13具有一个输入端口和一个输出端口，第一平行板波导13的高度位于低频段1/4波长～1/2波长范围内，非均匀慢波结构14设置在第一平行板波导13的下表面，第一平行板波导13的输出端口用于将传输至其处的高频的准TEM模电磁波和低频的准TEM模电磁波传输至辐射层3，非均匀慢波结构14包括i个不同高度的矩形块22，i为大于等于1的整数，i个矩形块22以高度从高到低等间隔排列形成梳齿状，每个矩形块22的上端面均为倾斜设置的矩形面，每个矩形块22的下端面也均为倾斜设置的矩形面，i个矩形块22的上端面位于同一倾斜平面23上，i个矩形块22的下端面也位于同一倾斜平面24上，i个矩形块22的上端面所在倾斜平面23的斜率(与水平面之间的夹角)和下端面所在倾斜平面24的斜率(与水平面之间的夹角)用于确定第一平行板波导13的输出端口耦合的电磁波大小，第一平行板波导13的输入端口与90°弯曲平行波导结构16的输出端口相连，90°弯曲平行波导结构16用于实现第一平行板波导13的串馈激励；
辐射层3包括第三圆形金属板25以及设置在第三圆形金属板25上的辐射单元，辐射单元包括两个不同类型的辐射枝节组，将两个不同类型的辐射枝节组分别称为CTS辐射枝节组和双脊波导辐射枝节组，CTS辐射枝节组包括按照从前到后顺序均匀间隔排布的n个CTS辐射枝节26，双脊波导辐射枝节组包括按照从前到后顺序均匀间隔排布的n个双脊波导辐射枝节27，n为大于等于2的整数，相邻两个CTS辐射枝节26之间和相邻两个双脊波导辐射枝节27之间的中心间距均为低频段的0.5波长～1波长范围内，每个CTS辐射枝节26分别包括由两个第一过渡枝节28自下而上层叠而成的两级第一过渡枝节和设置在两级第一过渡枝节中位于下方的第一过渡枝节左侧的第一矩形匹配块29，每个双脊波导辐射枝节27分别包括由两个第二过渡枝节30自下而上层叠而成的两级第二过渡枝节、设置在两级第二过渡枝节中位于下方的第二过渡枝节左侧的第二矩形匹配块31以及设置在两级第二过渡枝节中位于下层的第二过渡枝节下端面上的双脊波导阵，双脊波导阵包括按照从前到后顺序均匀间隔排布的m个相同的双脊波导32，m为大于等于2的整数，双脊波导32的长度由双脊波导截止频率对应的波导波长决定，双脊波导截止频率为低频段的最高频点与高频段的最低频点之间的中心频点，n个CTS辐射枝节26和n个双脊波导辐射枝节27交叉排布，且任意相邻的CTS辐射枝节26和双脊波导辐射枝节27之间的中心间距相等，该中心间距位于高频段的0.5波长～1波长范围内；当第一平行板波导13的输出端口将传输至其处的高频的准TEM模电磁波传输至辐射层3时，此时n个CTS辐射枝节26和n个双脊波导辐射枝节27均能够将高频的准TEM模电磁波向自由空间辐射；当第一平行板波导13的输出端口将传输至其处的低频的准TEM模电磁波传输至辐射层3时，此时n个CTS辐射枝节26能够将低频的准TEM模电磁波向自由空间辐射，而n个双脊波导辐射枝节27由于截止频率的存在将对低频的准TEM模电磁波进行抑制，低频的准TEM模电磁波不能通过n个双脊波导辐射枝节27向自由空间辐射。
本实施例中，第三圆形金属板25采用可转动方式安装在第二圆形金属板12上，第二圆形金属板12与第一圆形金属板4固定连接，第二圆形金属板12与第三圆形金属板25之间存在1毫米的间隙，以保证第三圆形金属板25与第二圆形金属板12能够顺畅进行相对旋转，完成方位面和俯仰面的二维波束扫描。
本发明的大扫描范围的双频共口径波束扫描天线在12.5GHz下的仰角平面上模拟和测量的归一化辐射方向图如图8所示，分析图8可知：在相对旋转角为0°时，在12.5GHz处测量的初始波束指向4°，模拟的初始波束指向4.5°，在相对旋转角为40°时，模拟和测量波束指向分别为-54°和-53.8°。本发明的大扫描范围的双频共口径波束扫描天线在20.4GHz下的仰角平面上模拟和测量的归一化辐射方向图如图9所示，分析图9可知：在相对旋转角为0°时，在20.4GHz处测量的初始波束指向-4.9°，模拟的初始波束指向-6°，在相对旋转角为40°时，模拟和测量波束方向分别为-65°和-66°。由此可知，本发明的大扫描范围的双频共口径波束扫描天线在高频段和低频段都能够实现超过50°的扫描范围，实现了高频段和低频段的宽波束覆盖。本发明的大扫描范围的双频共口径波束扫描天线在不同相对旋转角下的天线效率图如图10所示，分析图10可知：在12.5GHz和20.4GHz时，天线效率在81.5％-73.9％和84.7％-76.1％范围内。同时，这两个频段的仿真最大天线口径效率分别高达79％和77％，由此可知，本发明的大扫描范围的双频共口径波束扫描天线在高频段和低频段实现了较高的扫描效率。

Claims (2)

1.一种大扫描范围的双频共口径波束扫描天线，其特征在于包括按照自下而上顺序依次层叠设置的馈电网络层、平行板波导层和辐射层，所述的馈电网络层用于接入外部的TE模电磁波，并将接入的TE模电磁波转换为准TEM模电磁波输出至所述的平行板波导层，所述的平行板波导层用于将输入其内的准TEM模电磁波采用空气介质传导方式传输至所述的辐射层，所述的辐射层用于将传输至其处的准TEM模电磁波向自由空间传播；
所述的馈电网络层包括第一圆形金属板以及设置在所述的第一圆形金属板上的馈电网络结构，所述的馈电网络结构包括第一线源、第二线源、PPW双工器、第一输入端口和第二输入端口，所述的第一线源具有一个输入端口和十六个输出端口，所述的第二线源具有一个输入端口和八个输出端口，所述的第一线源的输入端口与所述的馈电网络结构的第一输入端口连接，所述的第二线源的输入端口与所述的馈电网络结构的第二输入端口连接，所述的第一线源采用具有一个输入端口和十六个输出端口的一分十六四级等分H面矩形波导功分器实现，且该一分十六四级等分H面矩形波导功分器的输入端口作为所述的第一线源的输入端口，该一分十六四级等分H面矩形波导功分器的十六个输出端口作为所述的第一线源的十六个输出端口，所述的第二线源采用具有一个输入端口和八个输出端口的一分八三级等分H面矩形波导功分器实现，且该一分八三级等分H面矩形波导功分器的输入端口作为所述的第二线源的输入端口，该一分八三级等分H面矩形波导功分器的八个输出端口作为所述的第二线源的八个输出端口，所述的馈电网络结构的第一输入端口用于馈入高频段激励信号，所述的馈电网络的第二输入端口用于馈入低频段激励信号，当所述的馈电网络结构的第一输入端口馈入高频段激励信号时，所述的第一线源能够在该高频段激励信号激励下产生高频段的TE模电磁波，并将产生的高频段的TE模电磁波进行功率分配后等分传输至其十六个输出端口，并最终在其十六个输出端口处形成高频段的TE模电磁波输出；当所述的馈电网络结构的第二输入端口馈入低频段激励信号时，所述的第二线源能够在该低频段激励信号激励下产生低频段的TE模电磁波，并将产生的低频段的TE模电磁波进行功率分配后等分传输至其八个输出端口，并最终在其八个输出端口处形成低频段的TE模电磁波输出，所述的PPW双工器具有第一输入端口、第二输入端口和一个输出端口，所述的PPW双工器的第一输入端口与所述的第一线源的十六个输出端口均连接，所述的PPW双工器的第二输入端口与所述的第二线源的八个输出端口均连接，所述的PPW双工器的第二输入端口的上表面和下表面均设置有一个短路枝节，将设置在所述的PPW双工器的第二输入端口上表面的短路枝节称为第一短路枝节，将设置在所述的PPW双工器的第二输入端口下表面的短路枝节称为第二短路枝节，所述的第二短路枝节位于所述的第一短路枝节正下方的左侧，所述的第一短路枝节和所述的第二短路直接用于实现所述的PPW双工器的第二输入端口电磁波对其第一输入端口电磁波的隔离，所述的PPW双工器用于将所述的第一线源输出的高频段的TE模电磁波转换为高频段的准TEM模电磁波以及将所述的第二线源输出的低频段的TE模电磁波转换为低频段的准TEM模电磁波，所述的PPW双工器的输出端口用于输出所述的PPW双工器转换得到的低频段的准TEM模电磁波和高频段的准TEM模电磁波的混合信号；
所述的平行板波导层包括第二圆形金属板以及设置在所述的第二圆形金属板上的双频段扼流槽、第一平行板波导和非均匀慢波结构，所述的双频段扼流槽包括倒F扼流结构、90°弯曲平行波导结构、一个输入端口、第一输出端口和第二输出端口，所述的倒F扼流结构由一个输入端口、一个长枝节和位于所述的长枝节左侧的两个短路枝节构成，将两个短路枝节称为第三短路枝节和第四短路枝节，所述的第三短路枝节位于所述的第四短路枝节的上方，所述的第三短路枝节和第四短路枝节均与所述的长枝节相连，所述的第三短路枝节用于对高频段的电磁波扼流，所述的第四短路枝节用于对低频段的电磁波扼流，所述的长枝节与所述的倒F扼流结构的输入端口相连，所述的倒F扼流结构的输入端口与所述的双频段扼流槽的第一输出端口相连，所述的90°弯曲平行波导结构包括一个输入端口、一个输出端口和两个波导结构，其中一个波导结构沿水平方向设置，将该波导结构称为水平波导结构，另一个波导结构沿竖直方向设置，将该波导结构称为垂直波导结构，两个波导结构相互垂直，形成90°的夹角，所述的垂直波导结构与所述的90°弯曲平行波导结构的输入端口相连，所述的水平波导结构的右端与所述的90°弯曲平行波导结构的输出端口相连，所述的水平波导结构的左端与所述的倒F扼流结构的输入端口相连，所述的90°弯曲平行波导结构的输入端口与所述的馈电网络结构中的PPW双工器的输出端口相连，所述的90°弯曲平行波导结构的输出端口与所述的双频段扼流槽的第二输出端口连接，所述的第一平行板波导具有一个输入端口和一个输出端口，所述的第一平行板波导的高度位于低频段1/4波长～1/2波长范围内，所述的非均匀慢波结构设置在所述的第一平行板波导的下表面，所述的第一平行板波导的输出端口用于将传输至其处的高频的准TEM模电磁波和低频的准TEM模电磁波传输至所述的辐射层，所述的非均匀慢波结构包括i个不同高度的矩形块，i为大于等于1的整数，i个矩形块以高度从高到低等间隔排列形成梳齿状，每个矩形块的上端面均为倾斜设置的矩形面，每个矩形块的下端面也均为倾斜设置的矩形面，i个矩形块的上端面位于同一倾斜平面上，i个矩形块的下端面也位于同一倾斜平面上，i个矩形块的上端面所在倾斜平面的斜率(与水平面之间的夹角)和下端面所在倾斜平面的斜率(与水平面之间的夹角)用于确定所述的第一平行板波导的输出端口耦合的电磁波大小，所述的第一平行板波导的输入端口与所述的90°弯曲平行波导结构的输出端口相连，所述的90°弯曲平行波导结构用于实现所述的第一平行板波导的串馈激励；
所述的辐射层包括第三圆形金属板以及设置在所述的第三圆形金属板上的辐射单元，所述的辐射单元包括两个不同类型的辐射枝节组，将两个不同类型的辐射枝节组分别称为CTS辐射枝节组和双脊波导辐射枝节组，所述的CTS辐射枝节组包括按照从前到后顺序均匀间隔排布的n个CTS辐射枝节，所述的双脊波导辐射枝节组包括按照从前到后顺序均匀间隔排布的n个双脊波导辐射枝节，n为大于等于2的整数，相邻两个CTS辐射枝节之间和相邻两个双脊波导辐射枝节之间的中心间距均为低频段的0.5波长～1波长范围内，每个所述的CTS辐射枝节分别包括由两个第一过渡枝节自下而上层叠而成的两级第一过渡枝节和设置在所述的两级第一过渡枝节中位于下方的第一过渡枝节左侧的第一矩形匹配块，每个所述的双脊波导辐射枝节分别包括由两个第二过渡枝节自下而上层叠而成的两级第二过渡枝节、设置在所述的两级第二过渡枝节中位于下方的第二过渡枝节左侧的第二矩形匹配块以及设置在所述的两级第二过渡枝节中位于下层的第二过渡枝节下端面上的双脊波导阵，所述的双脊波导阵包括按照从前到后顺序均匀间隔排布的m个相同的双脊波导，m为大于等于2的整数，所述的双脊波导的长度由双脊波导截止频率对应的波导波长决定，双脊波导截止频率为低频段的最高频点与高频段的最低频点之间的中心频点，n个CTS辐射枝节和n个双脊波导辐射枝节交叉排布，且任意相邻的CTS辐射枝节和双脊波导辐射枝节之间的中心间距相等，该中心间距位于高频段的0.5波长～1波长范围内；当所述的第一平行板波导的输出端口将传输至其处的高频的准TEM模电磁波传输至所述的辐射层时，此时n个所述的CTS辐射枝节和n个所述的双脊波导辐射枝节均能够将高频的准TEM模电磁波向自由空间辐射；当所述的第一平行板波导的输出端口将传输至其处的低频的准TEM模电磁波传输至所述的辐射层时，此时n个所述的CTS辐射枝节能够将低频的准TEM模电磁波向自由空间辐射，而n个所述的双脊波导辐射枝节由于截止频率的存在将对低频的准TEM模电磁波进行抑制，低频的准TEM模电磁波不能通过n个所述的双脊波导辐射枝节向自由空间辐射。
2.根据权利要求1所述的一种大扫描范围的双频共口径波束扫描天线，其特征在于所述的第三圆形金属板采用可转动方式安装在所述的第二圆形金属板上，所述的第二圆形金属板与所述的第一圆形金属板固定连接，所述的第二圆形金属板与所述的第三圆形金属板之间存在1毫米的间隙，以保证所述的第三圆形金属板与所述的第二圆形金属板能够顺畅进行相对旋转，完成方位面和俯仰面的二维波束扫描。
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