一种Ka波段宽带一体化开口脊波导阵列天线

本发明属于电磁场天线，具体涉及一种ka波段宽带一体化开口脊波导阵列天线。

背景技术：

1、在星载微波系统中，天线的尺寸、重量、机械强度、频率带宽、功率容量、辐射效率等都是天线子系统设计时所需关注的问题。开口波导天线是一种结构简单而适用性强的微波天线，具有机械强度好、频率带宽大、功率容量大、辐射效率高等优点，能很好地满足空间环境中应用对天线结构性能和电性能的要求。但单个开口波导天线方向图较宽，增益低，为了增强方向性，需进行组阵。对于大型相控阵，收发模块数量大，成本高；并且在ka频段或更高频率，由于单元间距过小，每个单元作为一个通道的设计会极大增加组件芯片的布局难度。因此，在保证增益和扫描性能的前提下，可以采用一个收发模块和多个辐射单元一带多的形式，以降低成本和组件布局难度。采用一带多的形式，则需要首先对辐射单元进行子阵列设计。对开口波导进行子阵列设计，需要使用波导功分器来馈电，存在馈电网络复杂，剖面高，不易于实现空间上二维方向的扫描的问题。

2、文献《ka波段一体化开口波导阵列天线设计》（《无线电工程》,vol.46,no.6），设计了一种ka波段一体化开口波导阵列天线。该天线vsw r≤2带宽覆盖33.3～40 ghz(18.3%);天线阵可实现一维±18°扫描。

3、文献《ka频段开口波导天线阵设计》（《2017年全国微波毫米波会议论文集（下册）》），设计了一种ka频段开口波导天线阵。该天线在33ghz~37ghz（11.4%）的工作频带内，驻波小于2；将该线阵组成阵面，天线阵可实现一维±30°扫描。

4、对于ka波段开口波导相控阵天线，现有技术存在的缺陷主要是其带宽较窄，成本高，组件布局难度大，馈电网络复杂，且不利于阵列二维扫描的实现。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种ka波段宽带一体化开口脊波导阵列天线。

2、为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

3、一种ka波段宽带一体化开口脊波导阵列天线，由多个子阵单元组成，天线阵面的方位向和俯仰向的子阵单元的数量相同；单通道的子阵单元为一个2×2的阵列，包括四个开口脊波导辐射单元、第一级波导功分器和第二级波导功分器、一个同轴-波导转换结构；所述开口脊波导辐射单元采用开口波导的形式，四个开口脊波导辐射单元呈田字形分布，构成一个2×2开口脊波导辐射单元的子阵；方位向相邻的两个开口脊波导辐射单元共用同一波导壁；所述第一级波导功分器和第二级波导功分器级联构成一个一分四功分器，通过功分器输出端口实现对四个开口脊波导辐射单元馈电；第一级波导功分器的输入端与同轴-波导转换结构相连接，两个输出端口分别与第二级波导功分器的两个一分二功分器的输入端连接。

4、进一步地，两个第二级波导功分器平行分布，其四个输出端口呈田字形分布，与开口脊波导辐射单元的位置分布及尺寸相同。

5、进一步地，子阵单元的四个开口脊波导辐射单元、第一级波导功分器和第二级波导功分器、一个同轴-波导转换结构为一体化设计。

6、进一步地，各开口脊波导辐射单元的结构和尺寸一致。

7、进一步地，为了减轻重量，俯仰向相邻开口脊波导辐射单元之间留有宽为1mm的间隙。

8、进一步地，采用同轴连接器实现馈电，在其底部设置同轴-波导转换结构。

9、进一步地，为了实现同轴线与脊波导之间基模的转换以及实现阻抗的匹配，在同轴-波导转换结构的波导部分的下脊上设置了阶梯状的过渡匹配段和谐振腔；通过调节优化过渡匹配段和谐振腔的尺寸，有效改善子阵单元的阻抗带宽。

10、进一步地，在阶梯状的过渡匹配段上，与同轴连接器的内导体对应的位置处，开设一个圆柱形的孔，保证两者之间有良好的物理接触，使得馈电结构安装简单而可靠。

11、进一步地，在距开口脊波导辐射单元的口径面深2.6mm处设置一个厚0.4mm的连接脊，用于加强天线机械强度；在子阵单元俯仰向波导外侧的相同位置也设置同样厚度的连接脊，用于子阵单元组阵时与相邻单元连接。

12、进一步地，开口脊波导辐射单元的窄边对应的壁厚最薄，为0.2mm，组阵时相邻两个子阵单元的窄边壁直接连接，在阵列中为0.4mm；在进行组阵时，同轴-波导转换结构、第一级波导功分器和第二级波导功分器和开口脊波导辐射单元的壁厚也均为0.4mm，最终天线阵列的每个子阵单元的总重量为85g。

13、有益效果：

14、本发明馈电网络与辐射结构的一体化设计，结构更紧凑，剖面低，有利于与空间有限的毫米波收发模块进行集成。该天线在30ghz~40ghz（28.6%）频率范围内，满足各端口有源驻波比小于2，带宽性能优于现有技术中的设计。并且，与现有技术相比较，本发明馈电网络与辐射结构实现了更好的一体化设计，结构更紧凑，剖面低（2.16λ30ghz，含同轴连接器，λ30ghz指工作频率为30ghz时电磁波对应的自由空间波长），二维方向上采用收发模块和辐射单元一带二的形式，即单通道含有四个辐射单元，有效降低了系统的成本，并且有利于收发模块等组件的布局，二维方向上具有±15°的扫描能力。

技术特征：

1.一种ka波段宽带一体化开口脊波导阵列天线，其特征在于，由多个子阵单元组成，天线阵面的方位向和俯仰向的子阵单元的数量相同；单通道的子阵单元为一个2×2的阵列，包括四个开口脊波导辐射单元、第一级波导功分器和第二级波导功分器、一个同轴-波导转换结构；所述开口脊波导辐射单元采用开口波导的形式，四个开口脊波导辐射单元呈田字形分布，构成一个2×2开口脊波导辐射单元的子阵；方位向相邻的两个开口脊波导辐射单元共用同一波导壁；所述第一级波导功分器和第二级波导功分器级联构成一个一分四功分器，通过功分器输出端口实现对四个开口脊波导辐射单元馈电；第一级波导功分器的输入端与同轴-波导转换结构相连接，两个输出端口分别与第二级波导功分器的两个一分二功分器的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种ka波段宽带一体化开口脊波导阵列天线，其特征在于，两个第二级波导功分器平行分布，其四个输出端口呈田字形分布，与开口脊波导辐射单元的位置分布及尺寸相同。

3.根据权利要求1所述的一种ka波段宽带一体化开口脊波导阵列天线，其特征在于，子阵单元的四个开口脊波导辐射单元、第一级波导功分器和第二级波导功分器、一个同轴-波导转换结构为一体化设计。

4.根据权利要求1所述的一种ka波段宽带一体化开口脊波导阵列天线，其特征在于，各开口脊波导辐射单元的结构和尺寸一致。

5.根据权利要求1所述的一种ka波段宽带一体化开口脊波导阵列天线，其特征在于，为了减轻重量，俯仰向相邻开口脊波导辐射单元之间留有宽为1mm的间隙。

6.根据权利要求1所述的一种ka波段宽带一体化开口脊波导阵列天线，其特征在于，采用同轴连接器实现馈电，在其底部设置同轴-波导转换结构。

7.根据权利要求1所述的一种ka波段宽带一体化开口脊波导阵列天线，其特征在于，为了实现同轴线与脊波导之间基模的转换以及实现阻抗的匹配，在同轴-波导转换结构的波导部分的下脊上设置了阶梯状的过渡匹配段和谐振腔；通过调节优化过渡匹配段和谐振腔的尺寸，有效改善子阵单元的阻抗带宽。

8.根据权利要求7所述的一种ka波段宽带一体化开口脊波导阵列天线，其特征在于，在阶梯状的过渡匹配段上，与同轴连接器的内导体对应的位置处，开设一个圆柱形的孔，保证两者之间有良好的物理接触，使得馈电结构安装简单而可靠。

9.根据权利要求1所述的一种ka波段宽带一体化开口脊波导阵列天线，其特征在于，在距开口脊波导辐射单元的口径面深2.6mm处设置一个厚0.4mm的连接脊，用于加强天线机械强度；在子阵单元俯仰向波导外侧的相同位置也设置同样厚度的连接脊，用于子阵单元组阵时与相邻单元连接。

10.根据权利要求1所述的一种ka波段宽带一体化开口脊波导阵列天线，其特征在于，开口脊波导辐射单元的窄边对应的壁厚最薄，为0.2mm，组阵时相邻两个子阵单元的窄边壁直接连接，在阵列中为0.4mm；在进行组阵时，同轴-波导转换结构、第一级波导功分器和第二级波导功分器和开口脊波导辐射单元的壁厚也均为0.4mm，最终天线阵列的每个子阵单元的总重量为85g。

技术总结本发明提供一种Ka波段宽带一体化开口脊波导阵列天线，由多个子阵单元组成，天线阵面的方位向和俯仰向的子阵单元的数量相同；单通道的子阵单元为一个2×2的阵列，包括四个开口脊波导辐射单元、第一级波导功分器和第二级波导功分器、一个同轴‑波导转换结构；所述开口脊波导辐射单元采用开口波导的形式，四个开口脊波导辐射单元呈田字形分布，构成一个2×2开口脊波导辐射单元的子阵；方位向相邻的两个开口脊波导辐射单元共用同一波导壁。本发明馈电网络与辐射结构的一体化设计，结构更紧凑，剖面低，有利于与空间有限的毫米波收发模块进行集成。技术研发人员：孙福坤,吴贤,欧乃铭,邓云凯受保护的技术使用者：中国科学院空天信息创新研究院技术研发日：技术公布日：2024/11/4