一种全金属超宽带CTS天线的制作方法

一种全金属超宽带cts天线
技术领域
1.本发明涉及一种cts天线，尤其是涉及一种全金属超宽带cts天线。


背景技术：

2.cts(continuous transverse stub)阵列天线是美国raytheon公司于20世纪90年代率先提出，并发展出大量平面结构的天线。作为cts阵列天线的进一步演进，全金属超宽带cts天线在继承了cts阵列天线原有高效率的基础上，还能实现低剖面、超宽带以及强可扩展性。当前，全金属超宽带cts天线已广泛应用于多频段多功能无线卫星通信系统。
3.传统的全金属超宽带cts天线包括线源发生器lsg(linear source generator)、多个垂直ppw(parallel-plate waveguide，平行板波导)功分器网络与多个cts辐射缝，垂直ppw功分器网络与cts辐射缝的数量相等，多个垂直ppw功分器网络与多个cts辐射缝一一对应连接。lsg产生用于将te10模转换为准tem波后馈入多个垂直ppw功分器网络中，多个垂直ppw功分器网络将其内传输的准tem波一一对应传输至多个cts辐射缝处，多个cts辐射缝将传输至其处的准tem波向自由空间辐射出去，传统的全金属超宽带cts天线中，准tem波传播方式为空气介质传导方式。
4.但是，上述传统的全金属超宽带cts天线具有如下问题：一、随着cts辐射缝数量的增加，垂直ppw功分器网络的数量也随之上升，从而增加了垂直ppw网络金属的层数；虽然cts辐射缝数量的增加可以提高增益，但是垂直ppw功分器网络数量的增加又会导致天线制造和组装变得困难，从而无法实现低剖面，不利于天线阵列的拓展；二、线源发生器lsg无论是基于柱箱耦合器还是基于多端口激励ppw结构，都需要馈入垂直ppw功分器网络后再传输至cts辐射缝，由此线源发生器lsg产生的准tem波需要通过长路径传播才能到达cts辐射缝。准tem波在垂直ppw功分器传播过程中，会在垂直ppw功分器处产生反射而发生叠加，从而影响准tem波的质量，降低天线整体效率。
5.因此，基于cts天线理论，结合功分器的基本原理，设计一种能够实现低剖面，高效率的超宽带天线对于多频段多功能无线卫星通信系统的发展具有重要意义。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是提供一种制造和组装容易，能够实现低剖面，且高效率的全金属超宽带cts天线。
7.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种全金属超宽带cts天线，包括按照从上到下顺序设置的辐射层、线源发生器层、背腔功分器层和平面单脊功分器层，所述的平面单脊功分器层用于接收te10模并将te10模等分传输至所述的背腔功分器层，所述的背腔功分器层用于传输te10模并将te10模馈电至所述的线源发生器层，以激励所述的线源发生器层，所述的线源发生器层用于将馈电至其处的te10模转换为准tem模后进行传输，并最终将该准tem模耦合至所述的辐射层，所述的辐射层用于将传输至其处的准tem模辐射向自由空间，所述的平面单脊功分器层、所述的背腔功分器层和所述的线源发生器层构成宽
带馈电网络，用于向所述的辐射层馈送准tem模；所述的辐射层包括第一金属板和设置在所述的第一金属板上的cts辐射缝组，所述的cts辐射缝组由与所述的第一金属板垂直的8条cts辐射缝组成，8条cts辐射缝照从前往后顺序等间隔排布，任意相邻两条cts辐射缝之间的间距为9mm，每条所述的cts辐射缝的宽度为6.5mm，8条所述的cts辐射缝分别通过在所述的第一金属板上开设镂空的t型截面空气槽实现；所述的线源发生器层包括第二金属板和设置在所述的第二金属板上的8个结构尺寸相同的线源发生器，所述的第二金属板位于所述的第一金属板的下方，8个所述的线源发生器与8条所述的cts辐射缝一一对应连接，8个所述的线源发生器分别通过在所述的第二金属板上开槽实现，且8个所述的线源发生器分别采用基于多端口激励的ppw结构实现；将8个所述的线源发生器分别称为第一线源发生器、第二线源发生器、第三线源发生器、第四线源发生器、第五线源发生器、第六线源发生器、第七线源发生器和第八线源发生器；所述的背腔功分器层包括第三金属板和设置在所述的第三金属板上的4个背腔功分器组，4个所述的背腔功分器组按照从左往右顺序等间隔排布，每个所述的背腔功分器组分别由按照从前往后顺序等间隔排布的4个1分4背腔功分器组成，每个所述的1分4背腔功分器均采用单脊波导构成，并通过在所述的第三金属板上开槽实现，每个所述的1分4背腔功分器分别具有1个输入端口和4个输出端口，将该4个1分4背腔功分器分别称为第一1分4背腔功分器、第二1分4背腔功分器、第三1分4背腔功分器和第四1分4背腔功分器，将4个所述的背腔功分器组分别称为第一背腔功分器组、第二背腔功分器组、第三背腔功分器组和第四背腔功分器组，所述的第一背腔功分器组中第一1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口、第二1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口、第三1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口和第四1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口均与所述的第一线源发生器连接；所述的第一背腔功分器组中第一1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口、第二1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口、第三1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口和第四1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口均与所述的第二线源发生器连接，所述的第二背腔功分器组中第一1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口，第二1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口，第三1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口和第四1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口均与所述的第三线源发生器连接，所述的第二背腔功分器组中第一1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口，第二1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口，第三1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口和第四1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口均与所述的第四线源发生器连接，所述的第三背腔功分器组中第一1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口，第二1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口，第三1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口和第四1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口均与所述的第五线源发生器连接，所述的第三背腔功分器组中第一1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口，第二1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口，第三1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口和第四1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口均与所述的第六线源发生器连接，所述的第四背腔功分器组中第一1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口，第二1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口，第三1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口和第四1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口均与所述的第七线源发生器连接，所述的第四背腔功分器组中第一1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口，第二1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口，第三1分4背腔功分器
的第3个和第4个输出端口和第四1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口均与所述的第八线源发生器连接；所述的平面单脊功分器层包括第四金属板、设置在所述的第四金属板上的标准同轴端口和设置在所述的第四金属板上的1个1分16单脊功分器，所述的第四金属板位于所述的第三金属板的下方，所述的1分16单脊功分器为等幅同相功分器；所述的1分16单脊功分器具有1个输入端口和16个输出端口，所述的标准同轴端口和所述的1分16单脊功分器的输入端口通过一个3阶扩口阻抗变换器相连接，所述的1分16单脊功分器通过在所述的第四金属板上开槽实现，所述的1分16单脊功分器由4个1分4单脊功分器构成，每个1分4单脊功分器分别具有1个输入端口和4个输出端口，4个1分4单脊功分器的输入端口连接且其连接端作为所述的1分16单脊功分器的输入端口，4个1分4单脊功分器的4个输出端口，共计16个输出端口，作为所述的1分16单脊功分器的16个输出端口；每个1分4单脊功分器的输出端口均为矩形波导转接口，将4个1分4单脊功分器分别称为第一1分4单脊功分器、第二1分4单脊功分器、第三1分4单脊功分器和第四1分4单脊功分器，所述的第一1分4单脊功分器的4个输出端口与所述的第一背腔功分器组中4个1分4背腔功分器的输入端口一一对应连接，所述的第二1分4单脊功分器的4个输出端口与所述的第二背腔功分器组中4个1分4背腔功分器的输入端口一一对应连接，所述的第三1分4单脊功分器的4个输出端口与所述的第三背腔功分器组中4个1分4背腔功分器的输入端口一一对应连接，所述的第四1分4单脊功分器的4个输出端口与所述的第四背腔功分器组中4个1分4背腔功分器的输入端口一一对应连接；每个所述的1分4单脊功分器分别由多个h面单脊t型结依次级联实现，每个所述的h面单脊t型结的中心处设置有一个用于改善输入阻抗匹配的匹配短节，每个所述的1分4单脊功分器中，将用于与所述的标准同轴端口连接的h面单脊t型结称为第一h面单脊t型结，该第一h面单脊t型结与所述的标准同轴端口之间通过金属脊线耦合结构连接，且该金属脊线耦合结构与所述的第四金属板相连，通过调整所述的第四金属板的厚度，可以实现宽带阻抗匹配；当所述的全金属超宽带cts天线实现发射功能时，所述的标准同轴端口受电路激励产生17-32ghz频率的准tem模等分传输至所述的1分16平面单脊功分器中的4个1分4单脊功分器中，每个1分4单脊功分器分别将传输至其处的准tem模转换为te10模再等分传输至与其连接的背腔功分器组中，其中，所述的第一1分4单脊功分器将te10模等分传输至所述的第一背腔功分器组中的4个1分4背腔功分器中，所述的第二1分4单脊功分器将te10模等分传输至所述的第二背腔功分器组中的4个1分4背腔功分器中，所述的第三1分4单脊功分器将te10模等分传输至所述的第三背腔功分器组中的4个1分4背腔功分器中，所述的第四1分4单脊功分器将te10模等分传输至所述的第四背腔功分器组中的4个1分4背腔功分器中，所述的第一背腔功分器组中的4个1分4背腔功分器、所述的第二背腔功分器组中的4个1分4背腔功分器、所述的第三背腔功分器组中的4个1分4背腔功分器以及所述的第四背腔功分器组中的4个1分4背腔功分器分别将其处传输的te10模进行功率等分配后馈电至与其连接的线源发生器处，8个所述的线源发生器将馈电至其处的te10模转换为准tem模后馈电至所述的辐射层中，所述的辐射层处的准tem模通过各个cts辐射缝形成波束并向自由空间辐射能量。
8.与现有技术相比，本发明的优点在于通过将线源发生器层直接与辐射层的cts辐射缝直接对接，从而避免了采用垂直ppw功分器网络，背腔功分器层和平面单脊功分器相结合构成一个宽带多路功分器来激励线源发生器层，线源发生器层产生的准tem波直接馈送
到辐射层的cts辐射缝，大幅改善了准tem波的质量，且平面单脊功分器层中的1分4单脊功分器由多个h面单脊t型结依次级联实现，基于这种全并馈的拓扑结构，当辐射层的cts辐射缝数量增加时，只需要水平延伸平面单脊功分器层、背腔功分器层和线源发生器层构成的宽带馈电网络，而不增加cts天线的整体高度，显著提高了cts天线的效率，并且增加了cts天线带宽，结构更加紧凑，cts天线的可扩展性大大提高，由此本发明制造和组装容易，能够实现低剖面，且具有较高的效率。
附图说明
9.图1为本发明的一种全金属超宽带cts天线的整体图；
10.图2为本发明的一种全金属超宽带cts天线的爆裂图；
11.图3为本发明的一种全金属超宽带cts天线的右视图；
12.图4为本发明的一种全金属超宽带cts天线的平面单脊功分器层侧视图；
13.图5为本发明的一种全金属超宽带cts天线的峰值增益、方向性以及效率的仿真图。
具体实施方式
14.以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
15.实施例：如图1-图4所示，一种全金属超宽带cts天线，包括按照从上到下顺序设置的辐射层1、线源发生器层2、背腔功分器层3和平面单脊功分器层4，平面单脊功分器层4用于接收te10模并将te10模等分传输至背腔功分器层3，背腔功分器层3用于传输te10模并将te10模馈电至线源发生器层2，以激励线源发生器层2，线源发生器层2用于将馈电至其处的te10模转换为准tem模后进行传输，并最终将该准tem模耦合至辐射层1，辐射层1用于将传输至其处的准tem模辐射向自由空间，平面单脊功分器层4、背腔功分器层3和线源发生器层2构成宽带馈电网络，用于向辐射层1馈送准tem模；辐射层1包括第一金属板5和设置在第一金属板5上的cts辐射缝6组，cts辐射缝6组由与第一金属板5垂直的8条cts辐射缝6组成，8条cts辐射缝6照从前往后顺序等间隔排布，任意相邻两条cts辐射缝6之间的间距为9mm，每条cts辐射缝6的宽度为6.5mm，8条cts辐射缝6分别通过在第一金属板5上开设镂空的t型截面空气槽实现；线源发生器层2包括第二金属板7和设置在第二金属板7上的8个结构尺寸相同的线源发生器，第二金属板7位于第一金属板5的下方，8个线源发生器与8条cts辐射缝6一一对应连接，8个线源发生器分别通过在第二金属板7上开槽实现，且8个线源发生器分别采用基于多端口激励的ppw结构实现；将8个线源发生器分别称为第一线源发生器8、第二线源发生器9、第三线源发生器10、第四线源发生器11、第五线源发生器12、第六线源发生器13、第七线源发生器14和第八线源发生器15；背腔功分器层3包括第三金属板16和设置在第三金属板16上的4个背腔功分器组，4个背腔功分器组按照从左往右顺序等间隔排布，每个背腔功分器组分别由按照从前往后顺序等间隔排布的4个1分4背腔功分器28组成，每个1分4背腔功分器28均采用单脊波导构成，并通过在第三金属板16上开槽实现，每个1分4背腔功分器28分别具有1个输入端口和4个输出端口，将该4个1分4背腔功分器分别称为第一1分4背腔功分器、第二1分4背腔功分器、第三1分4背腔功分器和第四1分4背腔功分器，将4个背腔功分器组分别称为第一背腔功分器组17、第二背腔功分器组18、第三背腔功分器组19和
第四背腔功分器组20，第一背腔功分器组17中第一1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口、第二1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口、第三1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口和第四1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口均与第一线源发生器8连接；第一背腔功分器组17中第一1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口、第二1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口、第三1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口和第四1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口均与第二线源发生器9连接，第二背腔功分器组18中第一1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口，第二1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口，第三1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口和第四1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口均与第三线源发生器10连接，第二背腔功分器组18中第一1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口，第二1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口，第三1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口和第四1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口均与第四线源发生器11连接，第三背腔功分器组19中第一1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口，第二1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口，第三1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口和第四1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口均与第五线源发生器12连接，第三背腔功分器组19中第一1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口，第二1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口，第三1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口和第四1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口均与第六线源发生器13连接，第四背腔功分器组20中第一1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口，第二1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口，第三1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口和第四1分4背腔功分器的第1个和第2个输出端口均与第七线源发生器14连接，第四背腔功分器组20中第一1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口，第二1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口，第三1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口和第四1分4背腔功分器的第3个和第4个输出端口均与第八线源发生器15连接；平面单脊功分器层4包括第四金属板21、设置在第四金属板21上的标准同轴端口22和设置在第四金属板21上的1个1分16单脊功分器23，第四金属板21位于第三金属板16的下方，1分16单脊功分器23为等幅同相功分器；1分16单脊功分器23具有1个输入端口和16个输出端口，标准同轴端口22和1分16单脊功分器的输入端口通过一个3阶扩口阻抗变换器24相连接，1分16单脊功分器通过在第四金属板21上开槽实现，1分16单脊功分器由4个1分4单脊功分器25构成，每个1分4单脊功分器25分别具有1个输入端口和4个输出端口，4个1分4单脊功分器25的输入端口连接且其连接端作为1分16单脊功分器23的输入端口，4个1分4单脊功分器25的4个输出端口，共计16个输出端口，作为1分16单脊功分器23的16个输出端口；每个1分4单脊功分器25的输出端口均为矩形波导转接口26，将4个1分4单脊功分器分别称为第一1分4单脊功分器、第二1分4单脊功分器、第三1分4单脊功分器和第四1分4单脊功分器，第一1分4单脊功分器的4个输出端口与第一背腔功分器组17中4个1分4背腔功分器的输入端口一一对应连接，第二1分4单脊功分器的4个输出端口与第二背腔功分器组18中4个1分4背腔功分器的输入端口一一对应连接，第三1分4单脊功分器的4个输出端口与第三背腔功分器组19中4个1分4背腔功分器的输入端口一一对应连接，第四1分4单脊功分器的4个输出端口与第四背腔功分器组20中4个1分4背腔功分器的输入端口一一对应连接；每个1分4单脊功分器分别由多个h面单脊t型结依次级联实现，每个h面单脊t型结的中心处设置有一个用于改善输入阻抗匹配的匹配短节，每个1分4单脊功分器中，将用于与标准同轴端口22连接的h
面单脊t型结称为第一h面单脊t型结，该第一h面单脊t型结与标准同轴端口22之间通过金属脊线耦合结构27连接，且该金属脊线耦合结构27与第四金属板21相连，通过调整第四金属板21的厚度，可以实现宽带阻抗匹配；当全金属超宽带cts天线实现发射功能时，标准同轴端口22受电路激励产生17-32ghz频率的准tem模等分传输至1分16平面单脊功分器中的4个1分4单脊功分器中，每个1分4单脊功分器分别将传输至其处的准tem模转换为te10模再等分传输至与其连接的背腔功分器组中，其中，第一1分4单脊功分器将te10模等分传输至第一背腔功分器组17中的4个1分4背腔功分器中，第二1分4单脊功分器将te10模等分传输至第二背腔功分器组18中的4个1分4背腔功分器中，第三1分4单脊功分器将te10模等分传输至第三背腔功分器组19中的4个1分4背腔功分器中，第四1分4单脊功分器将te10模等分传输至第四背腔功分器组20中的4个1分4背腔功分器中，第一背腔功分器组17中的4个1分4背腔功分器、第二背腔功分器组18中的4个1分4背腔功分器、第三背腔功分器组19中的4个1分4背腔功分器以及第四背腔功分器组20中的4个1分4背腔功分器分别将其处传输的te10模进行功率等分配后馈电至与其连接的线源发生器处，8个线源发生器将馈电至其处的te10模转换为准tem模后馈电至辐射层1中，辐射层1处的准tem模通过各个cts辐射缝6形成波束并向自由空间辐射能量。
16.本发明的一种全金属超宽带cts天线的峰值增益、方向性以及效率的仿真图如图5所示。图5中，simulated efficiency为cts天线的效率仿真曲线，simulated peak gain为cts天线的峰值增益仿真曲线，simulated directivity为cts天线的方向性仿真曲线；分析图5可知：在17-32ghz的频率范围内，本发明的峰值增益结果在23.2-28.4dbi之间变化，效率则达到了85％，方向性在23.3-28.34dbi之间变化。由此，本发明具有较高的峰值增益、较高的效率以及良好的辐射方向图。