一种大频比的双频双极化全金属相控阵雷达天线

本发明涉及全金属相控阵雷达天线，尤其是涉及一种大频比的双频双极化全金属相控阵雷达天线。

背景技术：

1、随着无人机技术的快速发展和物联网的普及，相控阵雷达天线作为一种先进的雷达天线，在雷达和通信系统中的广泛应用为无人机系统的发展增添了新的维度。

2、在气象雷达应用中，s波段和c波段的相控阵天线设计对于提高雷达系统的探测精度和覆盖范围至关重要，而双极化雷达天线可以同时接收水平方向和垂直方向的回波信号，有助于提高雷达的探测准确性和可靠性。在通信领域，s波段和c波段的相控阵天线设计能够提高无人机系统与通信网络的连接稳定性和数据传输效率。无人机系统配备双频双极化相控阵天线可以实现更可靠的通信链接，为无人机系统在遥远地区的长时间任务和应急通信提供重要支持。

3、文献《a compact dual-band dual-polarized antenna with filteringstructures for sub-6 ghz base station applications》中提出了一种双频双极化天线，其中心频点在2.6ghz和3.5ghz。虽然该文献所提出的天线能满足双频双极化的要求，但是其频比较小，不能覆盖s波段和c波段，在应用于无人机系统与气象雷达中时，难以实现高稳定性连接和高效率数据传输，存在较大的局限性。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种能够覆盖s波段与c波段，且具有大频比，在用于无人机系统与气象雷达中时，能够实现高稳定性连接和高效率数据传输的大频比的双频双极化全金属相控阵雷达天线。

2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种大频比的双频双极化全金属相控阵雷达天线，包括n*n个天线单元，n为大于等于2的整数，n*n个天线单元按照n行n列方式无间隔排布形成天线阵列；每个所述的天线单元均包括两根金属同轴探针、金属底座、c波段收发结构和s波段收发结构；所述的c波段收发结构和所述的s波段收发结构分别设置在所述的金属底座上，且两者设置方位呈直角，将两根金属同轴探针分别称为第一金属同轴探针与第二金属同轴探针；所述的第一金属同轴探针与所述的c波段收发结构连接，所述的第二金属同轴探针与所述的s波段收发结构连接；所述的c波段收发结构基于三级过渡的双脊波导喇叭结构实现，能够实现电磁波的垂直极化以及自由空间特性阻抗到所需波导特性阻抗的平滑过渡，通过对其内三级过渡的双脊波导喇叭结构中双脊之间的间距与双脊位置的设置能够实现阻抗匹配的过渡区域，使其工作频段的中心频点为6.6ghz；所述的s波段收发结构基于三级过渡的双脊波导喇叭结构实现，能够实现电磁波的水平极化以及自由空间特性阻抗到所需波导特性阻抗的平滑过渡，通过对其内三级过渡的双脊波导喇叭结构中双脊之间的间距与双脊位置的设置能够实现阻抗匹配的过渡区域，使其工作频段的中心频点为2.2ghz。

3、与现有技术相比，本发明的优点在于通过两根金属同轴探针、金属底座、c波段收发结构和s波段收发结构构成天线单元，c波段收发结构实现电磁波的垂直极化以及自由空间特性阻抗到所需波导特性阻抗的平滑过渡，且其工作频段的中心频点为6.6ghz，s波段收发结构实现电磁波的水平极化以及自由空间特性阻抗到所需波导特性阻抗的平滑过渡，且其工作频段的中心频点为2.2ghz，从而实现了双频最大频比达到1：3；当大频比的双频双极化全金属相控阵雷达天线实现c波段和s波段发射功能时，每个天线单元中，第一金属同轴探针将外部c波段电磁波信号传输到c波段收发结构，第二金属同轴探针将外部s波段电磁波信号传输到s波段收发结构，c波段收发结构将第一金属同轴探针输出至其处的c波段电磁波信号进行垂直极化，产生垂直极化方向的c波段电磁波信号辐射到自由空间，s波段收发结构将第二金属同轴探针输出至其处的s波段电磁波信号进行水平极化，产生水平极化方向的s波段电磁波信号辐射到自由空间，实现双频双极化信号发射；当大频比的双频双极化全金属相控阵雷达天线实现c波段和s波段接收功能时，c波段收发结构将自由空间辐射至其处的垂直极化方向的c波段电磁波信号，通过其内三级过渡的双脊波导喇叭结构，实现从自由空间特性阻抗到所需波导特性阻抗的平滑过渡后，传输到第一金属同轴探针，第一金属同轴探针将c波段收发结构传输至其处的垂直极化方向的c波段电磁波信号输出至后端设备，s波段收发结构将自由空间辐射至其处的水平极化方向的s波段电磁波信号，通过其内三级过渡的双脊波导喇叭结构，实现从自由空间特性阻抗到所需波导特性阻抗的平滑过渡后，传输到第二金属同轴探针，第二金属同轴探针将s波段收发结构传输至其处的水平极化方向的s波段电磁波信号输出至后端设备，实现双频双极化信号接收，从而实现了s波段与c波段的双频双极化收发功能，由此，本发明的大频比的双频双极化全金属相控阵雷达天线能够覆盖s波段与c波段，且具有大频比，在用于无人机系统与气象雷达中时，能够实现高稳定性连接和高效率数据传输。

4、进一步的，将所述的天线阵列的行方向定义为前后方向，列方向定义为左右方向；每个天线单元中，所述的金属底座包括第一金属块、第二金属块、第一镂空槽、第二镂空槽、第三镂空槽、金属阶梯和金属连接板，所述的第一金属块、所述的第二金属块、所述的第一镂空槽、所述的第二镂空槽、所述的第三镂空槽和所述的金属连接板均为长方体结构，所述的第一金属块的长度沿前后方向，宽度沿左右方向，将所述的第一金属块的高度所沿方向作为上下方向，所述的第一金属块的长度大于其宽度，将使所述的第一金属块呈左右对称的平面称为第一对称面，将使所述的第一金属块呈前后对称的平面称为第二对称面；所述的金属连接板位于所述的第一金属块下方，且其长度沿前后方向，宽度沿左右方向，高度沿上下方向，所述的金属连接板的长度等于所述的第一金属块的长度，宽度等于所述的第一金属块的宽度，高度小于所述的第一金属块的高度，所述的金属连接板沿上下方向的中轴线与所述的第一金属块沿上下方向的中轴线位于同一直线，所述的金属连接板的上端面与所述的第一金属块的下端面连接，且呈贴合状态，所述的金属连接板关于所述的第一对称面呈左右对称，所述的金属连接板关于所述的第二对称面呈前后对称；所述的第一镂空槽、所述的第二镂空槽和所述的第三镂空槽均开设在所述的第一金属块上，且三者均将所述的第一金属块上下贯穿，所述的第一镂空槽长度沿前后方向，宽度沿左右方向，高度沿上下方向，且其长度大于其宽度，所述的第一镂空槽长度等于所述的第一金属块的长度，宽度小于所述的第一金属块的宽度，所述的第一镂空槽的右端面位于所述的第一对称面的左侧，且两者之间具有一段距离，所述的第一镂空槽的左端面位于所述的第一金属块的左端面的右侧，且两者之间具有一段距离，所述的第一镂空槽的后端面与所述的第一金属块的后端面齐平，所述的第二镂空槽长度沿前后方向，宽度沿左右方向，高度沿上下方向，且其长度小于其宽度，所述的第二镂空槽长度大于所述的第一镂空槽的宽度，所述的第二镂空槽的左端面与所述的第一金属块的左端面齐平，所述的第二镂空槽的右端面与所述的第一镂空槽的左端面连通且呈贴合状态，所述的第二镂空槽的前端面位于所述的第二对称面的前侧，且两者之间具有一段距离，所述的第二镂空槽的后端面位于所述的第二对称面的后侧，且两者之间具有一段距离，所述的第二镂空槽的前端面到所述的第二对称面的距离大于其后端面到所述的第二对称面的距离，所述的第二镂空槽的前端面位于所述的第一金属块的前端面的后侧，且两者之间具有一段距离；所述的第三镂空槽长度沿前后方向，宽度沿左右方向，高度沿上下方向，其长度小于其宽度，且其长度等于所述的第二镂空槽的长度，所述的第三镂空槽的左端面与所述的第一镂空槽的右端面连通且呈贴合状态，所述的第三镂空槽的右端面与所述的第一金属块的右端面齐平，所述的第三镂空槽的前端面与所述的第二镂空槽前端面位于同一平面；所述的第二金属块长度沿前后方向，宽度沿左右方向，高度沿上下方向，且其长度大于其宽度，所述的第二金属块位于所述的第一金属块上方，所述的第二金属块的左端面与所述的第一金属块的左端面齐平，所述的第二金属块的前端面与所述的第一金属块前端面齐平，所述的第二金属块的下端面与所述的第一金属块上端面连接且呈贴合状态，所述的第二金属块的后端面位于所述的第二镂空槽的前端面的前侧，且两者之间具有一段距离，所述的第二金属块的右端面位于所述的第一镂空槽的左端面的左侧，且两者之间具有一段距离；所述的金属阶梯包括第一级阶梯和第二级阶梯，所述的第一级阶梯和第二级阶梯均为长方体结构，其长度均沿前后方向，宽度均沿左右方向，高度均沿上下方向，所述的第一级阶梯和第二级阶梯的长度均小于其自身宽度，所述的第一级阶梯的右端面与所述的第一金属块右端面齐平，所述的第一级阶梯的前端面与所述的第一金属块的前端面齐平，所述的第一级阶梯的下端面与所述的第一金属块上端面连接且呈贴合状态，所述的第一级阶梯的左端面位于所述的第一镂空槽的右端面的右侧，且两者之间具有一段距离，所述的第一级阶梯的后端面位于所述的第三镂空槽的前端面的前侧，且两者之间具有一段距离，所述的第一级阶梯的高度等于所述的第二金属块的高度，所述的第二级阶梯位于所述的第一级阶梯的上方，所述的第二级阶梯的右端面与所述的第一级阶梯的右端面齐平，所述的第二级阶梯的前端面与所述的第一级阶梯的前端面齐平，所述的第二级阶梯的下端面与所述的第一级阶梯的上端面连接且呈贴合状态，所述的第二级阶梯的长度等于所述的第一级阶梯的长度，宽度小于所述的第一级阶梯的宽度，高度等于所述的第一级阶梯的高度，所述的第一级阶梯的左端面所在平面到所述的第二级阶梯的左端面的距离等于所述的第二金属块的宽度。

5、进一步的，每个所述的天线单元中，所述的c波段收发结构包括第一金属脊、第二金属脊、第三金属脊、第四金属脊和第五金属脊，所述的第一金属脊、所述的第二金属脊、所述的第三金属脊、所述的第四金属脊和所述的第五金属脊均为长方体结构，且其长度均沿前后方向，宽度均沿左右方向，高度均沿上下方向，所述的第一金属脊、所述的第二金属脊、所述的第三金属脊、所述的第四金属脊和所述的第五金属脊的长度相等，所述的第一金属脊位于所述的第二金属块的上方，所述的第一金属脊长度大于其宽度，其长度等于所述的第二金属块的长度，宽度小于所述的第二金属块的宽度，高度等于所述的第二级阶梯的高度；所述的第一金属脊的左端面与所述的第二金属块的左端面齐平，所述的第一金属脊的前端面与所述的第二金属块的前端面齐平，所述的第一金属脊的的下端面与所述的第二金属块的上端面连接，且呈贴合状态；所述的第二金属脊位于所述的第一级阶梯的上方以及所述的第二级阶梯的左侧，所述的第二金属脊的右端面与所述的第二级阶梯的左端面连接，且呈贴合状态，所述的第二金属脊的左端面位于所述的第一级阶梯的左端面所在平面的右侧，且两者之间具有一段距离，所述的第二金属脊的前端面与所述的第二级阶梯的前端面齐平，所述的第二金属脊的下端面与所述的第一级阶梯的上端面连接，且呈贴合状态；所述的第二金属脊的高度等于所述的第二级阶梯的高度；所述的第三金属脊位于所述的第二金属块的右侧，所述的第三金属脊的左端面与所述的第二金属块的右端面连接，且呈贴合状态，所述的第三金属脊的右端面位于所述的第一镂空槽的左端面所在平面的右侧以及所述的第一镂空槽的右端面所在平面的左侧，所述的第三金属脊的前端面与所述的第二金属块的前端面齐平，所述的第三金属脊的下端面与所述的第一金属块的下端面连接，且呈贴合状态，所述的第三金属脊的上端面与所述的第二金属块的上端面齐平；所述的第四金属脊位于所述的第一级阶梯的左侧，所述的第四金属脊的右端面与所述的第一级阶梯的左端面连接，且呈贴合状态，所述的第四金属脊的左端面位于所述的第一镂空槽的右端面所在平面的右侧，且两者之间具有一段距离，所述的第四金属脊的前端面与所述的第一级阶梯的前端面齐平，所述的第四金属脊的长度等于所述的第一级阶梯的长度，所述的第四金属脊的高度等于所述的第一级阶梯的高度，所述的第五金属脊设置于所述的第一镂空槽内，所述的第五金属脊的长度大于其宽度，且其宽度小于所述的第一镂空槽的宽度，高度小于所述的第一镂空槽的高度，所述的第五金属脊的前端面与所述的第一镂空槽的前端面齐平，所述的第五金属脊的上端面与所述的第一镂空槽的上端面齐平，所述的第五金属脊的左端面到所述的第一镂空槽的左端面具有一段距离，所述的第五金属脊的右端面到所述的第一镂空槽的右端面具有一段距离，所述的第五金属脊的左端面到所述的第一镂空槽的左端面的距离小于其右端面到所述的第一镂空槽的右端面的距离，所述的第五金属脊的左端面位于所述的第三金属脊的右端面所在平面的左侧，且两者之间具有一段距离，所述的第五金属脊的右端面位于所述的第三金属脊的右端面所在平面的右侧，且两者之间具有一段距离。

6、进一步的，每个所述的天线单元中，所述的s波段收发结构包括第六金属脊、第七金属脊、第八金属脊、第九金属脊和第十金属脊，所述的第六金属脊、所述的第七金属脊、所述的第八金属脊、所述的第九金属脊和所述的第十金属脊均为长方体结构，且其长度均沿前后方向，宽度均沿左右方向，高度均沿上下方向；所述的第六金属脊位于所述的第二级阶梯的后侧，所述的第六金属脊的长度大于其宽度，其宽度等于所述的第二级阶梯的宽度，高度等于所述的第二级阶梯的高度，所述的第六金属脊的右端面与所述的第二级阶梯的右端面齐平，所述的第六金属脊的前端面与所述的第二级阶梯的后端面连接，且呈贴合状态，所述的第六金属脊的下端面与所述的第二级阶梯的下端面齐平，所述的第六金属脊的后端面位于所述的第三镂空槽的前端面和后端面之间，所述的第七金属脊位于所述的第六金属脊的后侧，所述的第七金属脊的后端面与所述的第一金属块的后端面齐平，所述的第七金属脊的右端面与所述的第六金属脊的右端面齐平，所述的第七金属脊的左端面与所述的第六金属脊的左端面齐平，所述的第七金属脊的下端面与所述的第六金属脊的下端面齐平，所述的第七金属脊的上端面与所述的第六金属脊的上端面齐平，所述的第七金属脊的前端面位于所述的第三镂空槽的后端面所在平面的后侧，且两者之间具有一段距离，所述的第七金属脊的长度等于所述的第六金属脊的长度，所述的第八金属脊位于所述的第六金属脊的下方以及所述的第一级阶梯的后侧，所述的第八金属脊长度大于其宽度，其宽度等于所述的第六金属脊的宽度，高度等于所述的第二金属块的高度，所述的第八金属脊的右端面与所述的第一级阶梯的右端面齐平，所述的第八金属脊的前端面与所述的第一级阶梯的后端面连接，且呈贴合状态，所述的第八金属脊的下端面与所述的第一级阶梯的下端面齐平，所述的第八金属脊的后端面位于所述的第六金属脊的后端面所在平面的后侧以及所述的第三镂空槽的后端面所在平面的前侧，所述的第九金属脊位于所述的第七金属脊的下方，所述的第九金属脊的后端面与所述的第一金属块的后端面齐平，所述的第九金属脊的右端面与所述的第七金属脊的右端面齐平，所述的第九金属脊的左端面与所述的第八金属脊的左端面齐平，所述的第九金属脊的上端面与所述的第七金属脊的下端面连接，且呈贴合状态，所述的第九金属脊的下端面与所述的第一金属块的上端面连接，且呈贴合状态，所述的第九金属脊的前端面位于所述的第三镂空槽的后端面所在平面的后侧，且两者之间具有一段距离，所述的第九金属脊的长度等于所述的第八金属脊的长度；所述的第十金属脊设置于所述的第三镂空槽内，所述的第十金属脊的长度小于其宽度，且其长度小于所述的第三镂空槽的长度，高度小于所述的第三镂空槽的高度，宽度小于所述的第三镂空槽的宽度，所述的第十金属脊的右端面与所述的第三镂空槽的右端面齐平，所述的第十金属脊的上端面与所述的第三镂空槽的上端面齐平，所述的第十金属脊的前端面到所述的第三镂空槽前端面的距离大于其后端面到所述的第三镂空槽的后端面的距离，所述的第十金属脊的前端面位于所述的第三镂空槽的前端面与所述的第八金属脊的后端面所在平面之间，所述的第十金属脊的后端面位于所述的第八金属脊的后端面所在平面与所述的第三镂空槽的后端面之间。

7、进一步的，每个所述的天线单元中，每个所述的金属同轴探针均包括第一圆柱体与第二圆柱体，所述的第一圆柱体的轴向沿上下方向，所述的第一圆柱体上设置有轴向贯穿的第一通孔，所述的第一通孔与所述的第一圆柱体同轴，所述的第二圆柱体同轴穿过所述的第一通孔，所述的第二圆柱体的半径等于所述的第一通孔的半径，所述的第二圆柱体的下端面与所述的第一圆柱体的下端面齐平，所述的第二圆柱体的上端面位于所述的第一圆柱体的上端面所在平面的上方；所述的金属连接板上设置有上下贯通的第二通孔和第三通孔，所述的第二通孔位于所述的第五金属脊的正下方，所述的第二通孔的直径和所述的第三通孔的直径均等于所述的第一圆柱体的直径，所述的第一金属同轴探针的第一圆柱体的上部嵌入所述的第二通孔内，所述的第一金属同轴探针的第二圆柱体的上端面与所述的第五金属脊的下端面连接且呈贴合状态，所述的第三通孔位于所述的第十金属脊的正下方，所述的第二金属同轴探针的第一圆柱体的上部嵌入所述的第三通孔内，所述的第二金属同轴探针的第二圆柱体的上端面与所述的第十金属脊的下端面连接且呈贴合状态。