CN116598798B - 一种k波段宽角扫描相控阵天线单元及天线阵列 - Google Patents

一种k波段宽角扫描相控阵天线单元及天线阵列 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种K波段宽角扫描相控阵天线单元及天线阵列，该天线单元包括依次连接的波同转换单元和磁电偶极子天线单元；波同转换单元包括波导端口、过渡结构和波同转换结构；波导端口用于输入TE10模式的电磁波；过渡结构用于将TE10模式的电磁波转换为准TEM模式的电磁波；波同转换结构用于将准TEM模式的电磁波转换为同轴TEM模式的电磁波；磁电偶极子天线单元用于响应同轴TEM模式的电磁波。该天线阵列包括多个天线单元。本发明使用过渡结构和波同转换结构实现标准波导、加脊波导、同轴线的转换，通过增加加脊波导，减少馈电部分的体积，使天线获得良好匹配，改良磁电偶极子天线使得天线的远场方向图具有宽波束的特性。

Description

一种K波段宽角扫描相控阵天线单元及天线阵列
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种K波段宽角扫描相控阵天线单元及天线阵列。
背景技术
天线是无线通信系统中关键器件，主要起到导行电磁波与辐射电磁波之间能量转换的作用。相控阵天线是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变天线最大辐射方向的天线。相控阵天线具有天线最大辐射方向可变，波束扫描速度高等特点。
相控阵天线在当今的无线系统中有着重要地位，其在功能上已经极大程度地丰富，但是相控阵天线也面临着一些实际问题。当前K波段宽角度扫描相控阵普遍基于平面印制电路板工艺，但由于介质基板在毫米波频段损耗显著，天线的传输效率和功率容量收到限制；同时，在相控阵天线扫描到较大角度时，受限于单元天线的波束宽度，相控阵天线的增益衰减较大，影响相控阵的扫描效果。因此，实现K波段相控阵天线的高效率，宽波束，高功率容量是相控阵天线领域的研究目标。
在现有的Ka波段锥状波束天线中包括波同转换单元，用于将TE模式的电磁波转化为TEM模式的电磁波，且波同转换单元中的阶梯状结构用来阻抗匹配。该结构中仅具有单一一段阶梯状结构，用于标准波导向同轴波导的转换，此外，锥状波束天线的远场方向图有在时有一个凹陷点，从而实现锥状波束的特性，并且由于锥状波束天线对波束宽度没有严格要求，所以在/>增益抖动较为明显。
发明内容
为解决现有的K波段相控阵天线效率较低、功率容量较小、增益波动较大等技术问题，本发明的目的在于提供一种K波段宽角扫描相控阵天线单元及天线阵列。本发明使用过渡结构和波同转换结构实现标准波导、加脊波导、同轴线的转换，通过增加加脊波导，减少馈电部分的体积，使天线获得良好匹配，改良磁电偶极子天线使得天线的远场方向图具有宽波束的特性。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种K波段宽角扫描相控阵天线单元，包括依次连接的波同转换单元和磁电偶极子天线单元；
所述波同转换单元包括依次连接的波导端口、过渡结构和波同转换结构；
所述波导端口，用于输入TE10模式的电磁波；
所述过渡结构，用于将TE10模式的电磁波转换为准TEM模式的电磁波；
所述波同转换结构，用于将准TEM模式的电磁波转换为同轴TEM模式的电磁波；
所述磁电偶极子天线单元，用于响应同轴TEM模式的电磁波，并在天线远场辐射出具有宽波束特征的方向图。
进一步，所述波同转换单元的中心轴线和所述磁电偶极子天线单元的中心轴线位于同一直线上。
进一步，所述波导端口包括波导法兰盘和标准波导，所述标准波导的一端与所述波导法兰盘相连，所述标准波导的另一端与过渡结构的一端相连；所述波同转换结构的一端与所述磁电偶极子天线单元的输入端相连。
进一步，所述过渡结构包括第一矩形空腔和三级阶梯结构；所述三级阶梯结构的底部均与所述第一矩形空腔的同一内壁相连；
所述波同转换结构包括第二矩形空腔和两级阶梯结构，所述两级阶梯结构的底部均与所述第二矩形空腔的同一内壁相连。
本发明中，过渡结构内具有三级阶梯结构，波同转换结构内具有两级阶梯结构，通过三级阶梯结构和两级阶梯结构依次实现“标准波导(TE10模式的电磁波)→加脊波导(准TEM模式的电磁波)→同轴波导(同轴TEM模式的电磁波)”的转换，通过增加加脊波导主要是考虑由多个K波段宽角扫描相控阵天线单元组合形成的K波段宽角扫描相控阵天线，由此用以减少馈电部分的体积，使整体体积缩小，这样做的优势在于：拓展了圆场方向的波数宽度，还能够使天线匹配更好。在实验过程中发现，若采用标准波导替换加脊波导(非标准波导)，馈电部分将会发生冲突，导致无法实施。本发明的远场方向图在增益变化较为平滑，组成阵列后，可以实现宽角度的相控扫描。
更进一步，所述三级阶梯结构包括沿轴向依次布设的第一阶梯结构、第二阶梯结构和第三阶梯结构；所述第一阶梯结构、所述第二阶梯结构及所述第三阶梯结构均为长方体结构；
所述第一阶梯结构、所述第二阶梯结构及所述第三阶梯结构的高度沿朝向所述波同转换结构的方向依次增大；
所述第一阶梯结构、所述第二阶梯结构及所述第三阶梯结构的长度沿朝向所述波同转换结构的方向依次减小。
更进一步，所述两级阶梯结构包括沿轴向依次布设的第四阶梯结构和第五阶梯结构，所述第四阶梯结构及第五阶梯结构均为长方体结构；
所述第四阶梯结构及第五阶梯结构的高度沿朝向所述磁电偶极子天线单元的方向依次增大。
更进一步，所述所述波同转换结构的一端开设有同轴安装孔，所述磁电偶极子天线单元的一端插配于所述同轴安装孔内；所述第五阶梯结构的顶面开设有矩形凹槽，所述矩形凹槽设置于所述同轴安装孔的一侧。
进一步，所述磁电偶极子天线单元包括馈电枝节、第一馈电结构、第二馈电结构和辐射结构；
所述馈电枝节设置于所述波同转换单元的输出端；
所述第一馈电结构包括四根第一柱体，且布设在所述馈电枝节的两侧；
第二馈电结构包括两根第二柱体，两根所述第二柱体分别设置在所述辐射结构的两侧；
所述辐射结构沿垂直于所述馈电枝节的方向架设在相邻两个所述第一柱体上；所述辐射结构的一端内壁沿天线辐射方向逐渐张开。
更进一步，所述馈电枝节呈字母伽马形，所述馈电枝节的几何中心位于所述第二矩形空腔的几何中心的正上方；所述馈电枝节的高度与所述第二馈电结构的高度相近，所述馈电枝节的高度略低于所述第一馈电结构的高度。
更进一步，所述第二馈电结构与所述馈电枝节之间具有0.8mm的间隙；所述第二馈电结构的顶部与所述辐射结构之间具有1mm的空隙。
更进一步，所述辐射结构为直角梯形柱，所述辐射结构的长度为两个所述第一方形柱之间的距离；所述辐射结构的一端具有劈尖，所述劈尖具有第一平面和第二平面，所述第一平面平行于天线辐射方向，所述第二平面朝向所述馈电枝节的方向，所述第一平面与所述第二平面之间的夹角呈30°。
本发明还提供一种K波段宽角扫描相控阵天线阵列，包括多个K波段宽角扫描相控阵天线单元，且依次阵列排布。
进一步，相邻两个所述K波段宽角扫描相控阵天线单元上的第二馈电结构相互贴合构成第三馈电结构；相邻两个所述K波段宽角扫描相控阵天线单元共用一个第三馈电结构。
本发明的有益效果：
1、本发明中，过渡结构内具有三级阶梯结构，波同转换结构内具有两级阶梯结构，通过三级阶梯结构和两级阶梯结构依次实现标准波导、加脊波导、同轴波导的转换，通过增加加脊波导主要是考虑由多个K波段宽角扫描相控阵天线单元组合形成的K波段宽角扫描相控阵天线阵列，由此用以减少馈电部分的体积，使整体体积缩小，这样做的优势在于：拓展了圆场方向的波数宽度，还能够使天线匹配更好。在实验过程中发现，若采用标准波导替换加脊波导(非标准波导)，馈电部分将会发生冲突，导致无法实施。本发明的远场方向图在增益变化较为平滑，组成阵列后，可以实现宽角度的相控扫描。
2、本发明的天线单元在E面和H面的3dB波束宽度可达110度和150度，组成相控阵天线阵列可实现超宽角度扫描并能保持增益的稳定；得益于天线全金属结构，该天线具有较低的损耗，较高的效率和较高的功率容量；该相控阵天线采用3D打印工艺一体成型，有效控制成本，降低加工难度。
3、本发明对传统磁电偶极子天线结构进行改良优化，使其适用于组成K波段宽角扫描相控阵天线阵列；通过将传统磁电偶极子天线的电对称阵子变形为直角梯形柱，使得天线E面辐射方式改变，由原来的电偶极子天线形式转化为喇叭天线形式，有效拓展天线的E面波束宽度，同时，由于天线E面辐射方式发生改变，天线H面辐射方式也由原来的磁偶极子辐射方式变为简并模式，进而拓展天线H面波束宽度。通过对常规磁电偶极子的电壁开槽，添加辅助能量传输结构，使其总体尺寸缩小至工作波长的半波长内，适用宽角扫描相控阵的需求，同时，相控阵相邻的阵元共用相同的辅助能量传输结构，节约空间，并使天线的微细结构满足3D打印的最小尺寸需求。
4、本发明的馈电结构中使用加脊波导，使较小的波导尺寸能够传输低于其截止频率的电磁波，缩小了馈电部分的尺寸；采用三级阶梯做阻抗变换的波导同轴转换结构，实现电磁波从TE10模式到TEM模式的转换；采用空气填充的结构确保天线的高功率容量性能。
附图说明
图1为实施例中的K波段宽角扫描相控阵天线单元的结构示意图。
图2为实施例中的K波段宽角扫描相控阵天线单元的纵向剖视图。
图3为实施例中的K波段宽角扫描相控阵天线单元的横向剖视图。
图4为实施例中的波同转换单元的结构示意图。
图5为实施例中的波同转换单元的局部示意图。
图6为实施例中的磁电偶极子天线单元的结构示意图。
图7为实施例中的K波段宽角扫描相控阵天线阵列的结构示意图。
图8为实施例中的K波段宽角扫描相控阵天线阵列的纵向剖视图。
图9为实施例中的K波段宽角扫描相控阵天线单元的回波损耗。
图10为实施例中K波段宽角扫描相控阵天线阵列的各端口间的耦合系数。
图11为为实施例中K波段宽角扫描相控阵天线阵列的各阵元的总效率。
图12为实施例中K波段宽角扫描相控阵天线单元在24.5GHz，时的远场辐射方向图。
图13为实施例中K波段宽角扫描相控阵天线单元在24.5GHz，时的远场辐射方向图。
图14为实施例中所述的K波段宽角扫描相控阵天线单元在25.5GHz，时的远场辐射方向图。
图15为实施例中K波段宽角扫描相控阵天线单元在25.5GHz，时的远场辐射方向图。
图16为实施例中K波段宽角扫描相控阵天线阵列在24GHz时的仿真波束扫描远场方向图。
图17为实施例中K波段宽角扫描相控阵天线阵列在25GHz时的仿真波束扫描远场方向图。
图18为实施例中K波段宽角扫描相控阵天线阵列在26GHz时的仿真波束扫描远场方向图。
其中，1、波同转换单元；11、波导法兰盘；12、标准波导；13、过渡结构；131、第一矩形空腔；132、第一阶梯结构；133、第二阶梯结构；134、第三阶梯结构；14、波同转换结构；141、第二矩形空腔；142、第四阶梯结构；143、第五阶梯结构；144、同轴安装孔；2、磁电偶极子天线单元；21、馈电枝节；22、第一馈电结构；23、第二馈电结构；24、辐射结构；3、K波段宽角扫描相控阵天线阵列；31、第三馈电结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下述各实施例中所述实验方法如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到。
请参阅图1至图6，一种K波段宽角扫描相控阵天线单元，包括依次连接的波同转换单元1和磁电偶极子天线单元2；波同转换单元1的中心轴线和磁电偶极子天线单元2的中心轴线位于同一直线上。
波同转换单元1包括依次连接的波导端口、过渡结构13和波同转换结构14。
波导端口用于输入TE10模式的电磁波；波导端口包括波导法兰盘11和标准波导12，标准波导12的一端与波导法兰盘11相连，标准波导12的另一端与过渡结构13的一端相连。
过渡结构13用于将TE10模式的电磁波转换为准TEM模式的电磁波。过渡结构13的一端与波同转换结构14相连。过渡结构13包括第一矩形空腔131和三级阶梯结构；三级阶梯结构的底部均与第一矩形空腔131的同一内壁相连；其中，三级阶梯结构包括沿轴向依次布设的第一阶梯结构132、第二阶梯结构133和第三阶梯结构134；第一阶梯结构132、第二阶梯结构133和第三阶梯结构134的底面均与第一矩形空腔131的底板相连，第一阶梯结构132、第二阶梯结构133和第三阶梯结构134的顶面均朝第一矩形空腔131的顶板方向延伸；第一阶梯结构132、第二阶梯结构133及第三阶梯结构134均为长方体结构；第一阶梯结构132、第二阶梯结构133及第三阶梯结构134的高度沿朝向波同转换结构14的方向依次增大；第一阶梯结构132、第二阶梯结构133及第三阶梯结构134的长度沿朝向波同转换结构14的方向依次减小。
波同转换结构14用于将准TEM模式的电磁波转换为同轴TEM模式的电磁波；波同转换结构14的一端与磁电偶极子天线单元2的输入端相连。波同转换结构14包括第二矩形空腔141和两级阶梯结构，两级阶梯结构的底部均与第二矩形空腔141的同一内壁相连。其中，两级阶梯结构包括沿轴向依次布设的第四阶梯结构142和第五阶梯结构143，第四阶梯结构142及第五阶梯结构143的底面均与第二矩形空腔141的底板相连，第四阶梯结构142及第五阶梯结构143的顶面均朝第二矩形空腔141的顶板方向延伸；第四阶梯结构142及第五阶梯结构143均为长方体结构；第四阶梯结构142及第五阶梯结构143的高度沿朝向磁电偶极子天线单元2的方向依次增大。
波同转换结构14的一端开设有同轴安装孔144，磁电偶极子天线单元2的一端插配于同轴安装孔144内；第五阶梯结构143的顶面开设有矩形凹槽，矩形凹槽设置在靠近同轴安装孔144的一侧。
本发明实施例中，过渡结构13内具有三级阶梯结构，波同转换结构14内具有两级阶梯结构，通过三级阶梯结构和两级阶梯结构依次实现“标准波导(TE10模式的电磁波)→加脊波导(准TEM模式的电磁波)→同轴波导(同轴TEM模式的电磁波)”的转换，通过增加加脊波导主要是考虑由多个K波段宽角扫描相控阵天线单元组合形成的K波段宽角扫描相控阵天线阵列，由此用以减少馈电部分的体积，使整体体积缩小，这样做的优势在于：拓展了圆场方向的波数宽度，还能够使天线匹配更好。在实验过程中发现，若采用标准波导替换加脊波导(非标准波导)，馈电部分将会发生冲突，导致无法实施。本发明实施例的远场方向图在增益变化较为平滑，组成阵列后，可以实现宽角度的相控扫描。
磁电偶极子天线单元2用于响应同轴TEM模式的电磁波，并在天线远场辐射出具有宽波束特征的方向图。磁电偶极子天线单元2包括馈电枝节21、第一馈电结构22、第二馈电结构23和辐射结构24。
馈电枝节21设置于波同转换单元1的输出端；其中，馈电枝节21呈字母伽马形，馈电枝节21的几何中心位于第二矩形空腔141的几何中心的正上方；馈电枝节21的高度与第二馈电结构23的高度相近，馈电枝节21的高度略低于第一馈电结构22的高度。具体的，第二馈电结构23与馈电枝节21之间具有0.8mm的间隙；第二馈电结构23的顶部与辐射结构24之间具有1mm的空隙。
第一馈电结构22包括四根第一柱体，且布设在馈电枝节21的两侧。其中，第一柱体为第一方形柱，第一馈电结构22由四根第一方形柱构成，第一方形柱以第二矩形空腔141的外壁为底座，向天线辐射方向延伸；四根第一方形柱布置在馈电枝节21的对称面两侧，每一侧两根，其连线垂直于馈电枝节21的对称面。
第二馈电结构23包括两根第二柱体，两根第二柱体分别设置在辐射结构24的两侧。其中，第二柱体为第二方形柱，第二馈电结构23由两根第二方形柱构成，第二方形柱以第二矩形空腔141的外壁为底座，向天线辐射方向延伸；两根第二方形柱平行于馈电枝节21的对称面布置。
辐射结构24沿垂直于馈电枝节21的方向架设在相邻两个第一柱体上；辐射结构24的一端内壁沿天线辐射方向逐渐张开。具体的，辐射结构24分别布置在第一馈电结构22顶部，方向垂直于所述馈电枝节21的对称面。馈电枝节21部分放置在第一馈电结构22间的空隙中；馈电枝节21与第二馈电结构23间留有0.8mm缝隙；第二馈电结构23的顶部与辐射结构24间留有1mm空隙。辐射结构24为直角梯形柱，辐射结构24的长度为两个第一方形柱之间的距离；直角梯形柱的两个直角边与第一馈电结构22连接。辐射结构24的一端具有劈尖，劈尖具有第一平面和第二平面，第一平面平行于天线辐射方向，第二平面朝向馈电枝节21的方向，第一平面与第二平面之间的夹角呈30°。具体的，直角梯形柱的劈尖由斜面和垂直面构成，两者夹角呈30度；劈尖的斜面朝向馈电枝节21，劈尖的垂直面平行于天线辐射方向。
请参阅图7至图8，本发明实施例还提供一种K波段宽角扫描相控阵天线阵列3，包括多个K波段宽角扫描相控阵天线单元，且依次阵列排布。相邻两个K波段宽角扫描相控阵天线单元上的第二馈电结构相互贴合构成第三馈电结构31；相邻两个K波段宽角扫描相控阵天线单元共用一个第三馈电结构。由此，组成阵列后，相邻天线单元的第二馈电结构23将贴合在一起，如第三馈电结构31所示，相邻天线单元在邻近的一侧共用一个第三馈电结构31。
下面我们对K波段宽角扫描相控阵天线单元及天线阵列的具体结构进行具体说明。
实施例1
请参阅图1至图6，一种K波段宽角扫描相控阵天线单元，包括中心轴线位于同一直线上，且依次相连的波同转换单元1和磁电偶极子天线单元2；其中，波同转换单元1的输入端用于与电磁能量源相连，磁电偶极子天线单元2的输入端与波同转换单元1的输出端相连。
本实施例中，波同转换单元1用于将输入的电磁波中的TE10模式的电磁波转换为准TEM模式的电磁波，然后将准TEM模式的电磁波转换为同轴TEM模式的电磁波。磁电偶极子天线单元2用于响应同轴TEM模式的电磁波，在天线远场辐射出具有宽波束特征的方向图。
如附图4所示，本实施例中，波同转换单元1包括波导法兰盘11、标准波导12、过渡结构13及波同转换结构14；标准波导12的一端与波导法兰盘11相连，标准波导12与过渡结构13的一端相连；过渡结构13的另一端与波同转换结构14的一端相连，波同转换结构14的另一端与磁电偶极子天线单元2的输入端相连。
K波段宽角扫描相控阵天线单元采用WR-34标准波导馈电；其中，波导法兰盘11采用WR-34标准矩形波导法兰。标准波导12的尺寸与WR-34标准波导一致。
如附图5所示，本实施例中，过渡结构13包括第一矩形空腔131、沿空腔中轴线方向依次设置的第一阶梯结构132、第二阶梯结构133及第三阶梯结构134；第一阶梯结构132、第二阶梯结构133及第三阶梯结构134的底面均与第一矩形空腔131的底板相连，第一阶梯结构132、第二阶梯结构133及第三阶梯结构134的顶面朝第一矩形空腔131的顶板方向延伸；第一阶梯结构132、第二阶梯结构133及第三阶梯结构134均为长方体结构。本实施例中，第一矩形空腔131的纵剖面为等腰梯形，剖面尺寸特征为：底边a1×顶边c1×高d1＝8.64mm×4.2mm×7mm；第一矩形空腔131高度b1为4.32mm；第一阶梯结构132的尺寸特征为：长L1×宽S×高H1＝2.5mm×0.9mm×0.5mm；第二阶梯结构133的尺寸特征为：长L2×宽S×高H2＝2.4mm×0.9mm×1.2mm；第三阶梯结构134的尺寸特征为：长L3×宽S×高H3＝1.8mm×0.9mm×1.8mm。
波同转换结构14包括第二矩形空腔141、沿空腔中轴线方向依次设置的第四阶梯结构142及第五阶梯结构143；第四阶梯结构142及第五阶梯结构143的底面均与第二矩形空腔141的底板相连，第四阶梯结构142及第五阶梯结构143的顶面朝第二矩形空腔141的顶板方向延伸；第四阶梯结构142及第五阶梯结构143均为长方体结构，且高度依次增大；第五阶梯结构143的顶面开设有矩形凹槽，矩形凹槽靠近同轴安装孔144一侧设置。本实施例中，第二矩形空腔141的尺寸特征为：长a2×高b2＝8.64mm×4.32mm；第四阶梯结构142的尺寸特征为：长L4×宽S×高H4＝2.4mm×0.9mm×2.5mm；第五阶梯结构143的尺寸特征为：长L5×宽S×高H5＝1.16mm×0.9mm×3.6mm；同轴安装孔144的直径为R＝1.6mm。
如附图6所示，本实施例中，磁电偶极子天线单元2包括馈电枝节21、第一馈电结构22、第二馈电结构23及辐射结构24；馈电枝节21设置在波同转换单元1的输出端；第一馈电结构22由四根方形柱构成，方形柱以第二矩形空腔141的外壁为底座，向天线辐射方向延伸；四根方形柱布置在馈电枝节21的对称面两侧，每一侧两根，其连线垂直于述馈电枝节21的对称面；第二馈电结构23由两根方形柱构成，方形柱以第二矩形空腔141的外壁为底座，向天线辐射方向延伸；两根方形柱平行于馈电枝节21的对称面布置；辐射结构24分别布置在第一馈电结构22顶部，方向垂直于馈电枝节21的对称面；
馈电枝节21呈字母伽马形，其几何中心位于第二矩形空腔141的几何中心的正上方,尺寸特征为第一段长度4.2mm,第二段长度为2.31mm，第三段长度为2.2mm；第一馈电结构22高度为4.9mm，第一馈电结构间距离为2.4mm；第二馈电结构23，其尺寸特征为：长×宽×高＝0.8mm×0.4mm×4mm；馈电枝节21部分在第一馈电结构22间的空隙中；二号金属柱23部分放入与其相邻的第一馈电结构间的空隙中；馈电枝节21与第二馈电结构23间留有0.8mm缝隙；组成阵列后，相邻天线单元的第二馈电结构23将贴合在一起，如第三馈电结构31所示，相邻单元在邻近的一侧共用一个第三馈电结构31，其尺寸特征为：长×宽×高＝0.8mm×0.8mm×4mm。
辐射结构24为直角梯形柱，长度为第一馈电结构22的两个方形柱之间的距离；直角梯形柱的两个直角边与第一馈电结构22连接；直角梯形柱的劈尖由斜面和垂直面构成，两者夹角呈30度，劈尖的斜面朝向的馈电枝节21，劈尖的垂直面平行于天线辐射方向，劈尖的垂直面高2mm。
实施例2
请参阅图7至图8，一种K波段宽角扫描相控阵天线阵列，包括多个K波段宽角扫描相控阵天线单元，且依次阵列排布。相邻两个K波段宽角扫描相控阵天线单元上的第二馈电结构相互贴合构成第三馈电结构；相邻两个K波段宽角扫描相控阵天线单元共用一个第三馈电结构。由此，组成阵列后，相邻天线单元的第二馈电结构23将贴合在一起，如第三馈电结构31所示，相邻天线单元在邻近的一侧共用一个第三馈电结构31。
图9给出了的K波段宽角扫描相控阵天线单元的反射系数，由图9可以看出，天线单元在工作带宽(24-26GHz)内的反射系数均小于-10dB。
图10给出了的K波段宽角扫描相控阵天线阵列的各端口间的耦合系数，S21是1端口到2端口的耦合系数、S31是1端口到3端口的耦合系数，S41是1端口到4端口的耦合系数，S51是1端口到5端口的耦合系数，S61是1端口到6端口的耦合系数，S71是1端口到7端口的耦合系数，S81是1端口到8端口的耦合系数；由图10结果可以看出，各端口的耦合系数均低于-15dB。
图11给出了的K波段宽角扫描相控阵天线阵列各阵元的效率，1端口对应第一个天线单元，2端口对应第二个天线单元，3端口对应第三个天线单元，4端口对应第四个天线单元，5端口对应第五个天线单元，6端口对应第六个天线单元，7端口对应第七个天线单元，8端口对应第八个天线单元；由图11结果可以看出，各阵元效率均高于76％。
图12-13给出了的K波段宽角扫描相控阵天线单元在24.5GHz，和/>时的远场辐射方向图。由图12-13可以看出，的K波段宽波束天线单元在/>波束宽度为110°，在/>波束宽度为157°。
图14-15给出了的K波段宽角扫描相控阵天线单元在25.5GHz，和/>时的远场辐射方向图。由图14-15可以看出，K波段宽角扫描相控阵天线单元在/>波束宽度为120°，在/>波束宽度为150°。图14-15给出的远场辐射方向图在增益变化较为平滑，组成阵列天线后，可以实现宽角度的相控扫描。
图16-18给出K波段宽角扫描相控阵天线阵列的扫描性能。由图16-18可以看出，工作频带24-26GHz，最大扫描角度可达±70°，同时增益波动低于3dB，旁瓣电平低于-10dB。
本实施例中，天线单元的馈电部分有两段：第一段实现标准波导到非标准波导的转换，使用非标准波导是为了缩小馈电部分尺寸；如果使用标准波导馈电，馈电部分会发生冲突，无法实施；第二段实现非标准波导到同轴的转换。
本发明实施例中，采用空气填充的波导结构和同轴结构，提高了天线的功率容量，并且全金属电磁性能使天线具有很高的辐射效率；优化设计后的磁电偶极子天线单元具有超宽的波束宽度，宽波束天线单元组成阵列后具有超过±70°的扫描角度，低于-10dB的旁瓣电平和低于3dB的增益波动。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种K波段宽角扫描相控阵天线单元，其特征在于，包括依次连接的波同转换单元和磁电偶极子天线单元；
所述波同转换单元包括依次连接的波导端口、过渡结构和波同转换结构；
所述波导端口，用于输入TE10模式的电磁波；
所述过渡结构，用于将TE10模式的电磁波转换为准TEM模式的电磁波；
所述波同转换结构，用于将准TEM模式的电磁波转换为同轴TEM模式的电磁波；
所述磁电偶极子天线单元，用于响应同轴TEM模式的电磁波，并在天线远场辐射出具有宽波束特征的方向图；
所述过渡结构包括第一矩形空腔和三级阶梯结构；所述三级阶梯结构的底部均与所述第一矩形空腔的同一内壁相连；
所述三级阶梯结构包括沿轴向依次布设的第一阶梯结构、第二阶梯结构和第三阶梯结构；所述第一阶梯结构、所述第二阶梯结构及所述第三阶梯结构均为长方体结构；
所述波同转换结构包括第二矩形空腔和两级阶梯结构，所述两级阶梯结构的底部均与所述第二矩形空腔的同一内壁相连；
所述两级阶梯结构包括沿轴向依次布设的第四阶梯结构和第五阶梯结构，所述第四阶梯结构及第五阶梯结构均为长方体结构；
所述磁电偶极子天线单元包括馈电枝节、第一馈电结构、第二馈电结构和辐射结构；
所述馈电枝节设置于所述波同转换单元的输出端；
所述第一馈电结构包括四根第一柱体，且布设在所述馈电枝节的两侧；
第二馈电结构包括两根第二柱体，两根所述第二柱体分别设置在所述辐射结构的两侧；
所述辐射结构沿垂直于所述馈电枝节的方向架设在相邻两个所述第一柱体上；所述辐射结构的一端内壁沿天线辐射方向逐渐张开。
2.根据权利要求1所述的K波段宽角扫描相控阵天线单元，其特征在于，所述波同转换单元的中心轴线和所述磁电偶极子天线单元的中心轴线位于同一直线上。
3.根据权利要求1所述的K波段宽角扫描相控阵天线单元，其特征在于，所述波导端口包括波导法兰盘和标准波导，所述标准波导的一端与所述波导法兰盘相连，所述标准波导的另一端与过渡结构的一端相连；所述波同转换结构的一端与所述磁电偶极子天线单元的输入端相连。
4.根据权利要求1所述的K波段宽角扫描相控阵天线单元，其特征在于，所述第一阶梯结构、所述第二阶梯结构及所述第三阶梯结构的高度沿朝向所述波同转换结构的方向依次增大；
所述第一阶梯结构、所述第二阶梯结构及所述第三阶梯结构的长度沿朝向所述波同转换结构的方向依次减小。
5.根据权利要求1所述的K波段宽角扫描相控阵天线单元，其特征在于，所述第四阶梯结构及第五阶梯结构的高度沿朝向所述磁电偶极子天线单元的方向依次增大。
6.根据权利要求5所述的K波段宽角扫描相控阵天线单元，其特征在于，所述波同转换结构的一端开设有同轴安装孔，所述磁电偶极子天线单元的一端插配于所述同轴安装孔内；所述第五阶梯结构的顶面开设有矩形凹槽，所述矩形凹槽设置于所述同轴安装孔的一侧。
7.根据权利要求1所述的K波段宽角扫描相控阵天线单元，其特征在于，所述第二馈电结构与所述馈电枝节之间具有间隙；所述第二馈电结构的顶部与所述辐射结构之间具有空隙。
8.一种K波段宽角扫描相控阵天线阵列，包括多个权利要求1～7任意一项所述的K波段宽角扫描相控阵天线单元，且依次阵列排布。
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