CN114361787A - 基于3d正交并馈网络的双频段/双极化cts天线 - Google Patents

Abstract

基于3D正交并馈网络的双频段/双极化CTS天线，包括第I级馈电网络、第II级馈电网络、辐射器；第I级馈电网络包括两路传输通道，传输通道用于将点源信号转换为线源信号，两路传输通道输出的两路线源信号正交；第II级馈电网络用于将两路正交线源信号转换为两个正交的2D线源阵列信号，辐射器用于将两个正交的2D线源阵列信号辐射到自由空间，辐射器包括用于支撑的低损耗介质层以及呈矩形阵列的第I棱台；相邻四个形成矩形形状的第I棱台之间的行间隙和列间隙形成十字型辐射单元。采用高隔离度两级正交并馈结构和双频段/双极化共用口径辐射器，实现两个独立端口激励和两个独立通道，双频段电磁信号分别实现从点源到2D线源阵转换，结构紧凑，尺寸小。

Description

基于3D正交并馈网络的双频段/双极化CTS天线

技术领域

本发明涉及双频段/双极化天线技术，具体与一种基于3D正交并馈网络的双频段/双极化CTS天线有关。

背景技术

天线作为信息传输和交换的关键节点，在现代通信中起着桥梁的作用。在各种各样的通信系统中，对天线的指标和型式的要求各不相同，而这些往往与载体平台、通信协议、应用场景等有关。

为了提高信号的抗干扰能力，移动卫星通信系统的接收和发射频段往往是分离的，卫星通信天线必须具备双频段/双极化功能，以提供高隔离的独立的接收和发射通道。

在超宽带的地面通信领域，如移动基站之间的毫米波无线通信，频谱资源日趋紧张，为了充分利用信号带宽，提高数据吞吐量，无线通信系统需要具备极化分集能力，这就要求天线必须支持双极化功能。

双频段/双极化天线对于减少平台天线数量和尺寸，降低天线制造成本，提高系统集成度有着明显的优势，在现代通信中应用极其广泛。有许多方法可以实现双频段/双极化工作，例如双极化微带阵列，双频段/双极化喇叭阵列，双频段/双极化波导缝隙阵列，双频段/双极化反射面等。不过，上述天线架构在实际应用中受到诸多限制。

例如，基于传统反射面的双频段/双极化天线结构相当笨重，一个通用的基于传统反射面的实现双频段，即两个信号通道Rx与Tx，和双极化，即垂直极化和水平极化，或RHCP和LHCP，工作的方法是将一个双频段天线馈源放置在一个偏置抛物面反射器的焦点上。这种设计的缺点是双频段馈源需要集成极化旋转关节或圆极化器，正交模耦合器OMT等，结构复杂，系统成本高，且馈源照射会产生边缘溢出损失。此外，反射面天线轮廓高，不合适高机动的动中通应用。

例如，基于波导缝隙的双频段/双极化天线本质上是一种谐振天线，带宽窄，需要精密机械加工工艺来保证缝隙的加工精度，从而确保不会发生频率偏移，加工成本高，结构笨重。

例如，基于喇叭阵列的双频段/双极化天线存在跨频段设计困难，交叉极化高，易出现珊瓣等问题。一个实现喇叭阵列双频段/双极化工作的方法是采用方波导作为辐射单元，这将导致辐射方向图的交叉极化高。此外，如果接收频段和发射频段相隔较远，如K/Ka频段，辐射单元的尺寸不好设计，易于产生珊瓣。

尽管CTS天线的性能优秀，但其本质上是一种单极化、单频段天线，目前缺少有效的可实现双频段/双极化CTS天线的技术手段。

发明内容

为解决上述相关现有技术不足，本发明提供一种基于3D正交并馈网络的双频段/双极化CTS天线，采用高隔离度的两级正交并馈结构和双频段/双极化共用口径辐射器，实现两个独立端口激励和两个独立通道，双频段电磁信号分别实现从一个点源到线源阵的转换，且结构紧凑，天线尺寸极大缩小。

为了实现本发明的目的，拟采用以下方案：

一种基于3D正交并馈网络的双频段/双极化CTS天线，包括自下而上依次叠合装配的第I级馈电网络、第II级馈电网络、辐射器；

第I级馈电网络包括两路传输通道，传输通道一端为点源信号输入端口，另一端为线源信号输出端口，传输通道用于将点源信号转换为线源信号，两路传输通道输出的两路线源信号正交；

第II级馈电网络用于将两路正交线源信号转换为两个正交的2D线源阵列信号，第II级馈电网络包括多层平板以及设于相邻平板之间的支撑层；其中，每层平板均设有贯通平板前后侧的通道I和贯通平板左右侧的通道II，通道I和通道II数量相同，且通道I和通道II相互正交，通道I和通道II均贯通平板顶面和底面；最下层平板的通道I和通道II数量均为1个，上一层平板的通道I和通道II数量均为相邻下一层平板的通道I和通道II的数量两倍；

辐射器用于将两个正交的2D线源阵列信号辐射到自由空间，辐射器包括用于支撑的低损耗介质层以及呈矩形阵列形式设于低损耗介质层一面的第I棱台；每相邻两列第I棱台之间的列间隙相同，每相邻两行第I棱台之间的行间隙相同，相邻四个形成矩形形状的第I棱台之间的行间隙和列间隙形成十字型辐射单元。

进一步，第I级馈电网络包括：

一分二功分器I、一分二功分器II；以及

绕中心轴呈90°旋转设置的E面波导多级功分网络I、E面波导多级功分网络II、E面波导多级功分网络III、E面波导多级功分网络IV；E面波导多级功分网络I相邻于E面波导多级功分网络II和E面波导多级功分网络IV；一分二功分器I、E面波导多级功分网络I、E面波导多级功分网络III为第一路传输通道，一分二功分器II、E面波导多级功分网络II、E面波导多级功分网络IV为第二路传输通道；

E面波导多级功分网络I和E面波导多级功分网络III的分支端口齐平于第一平面，工作于两个频段或正交极化其中的第一个；E面波导多级功分网络II和E面波导多级功分网络IV的分支端口齐平于第二平面，工作于两个频段或正交极化其中的第二个，第一平面与第二平面正交；

一分二功分器I的主路端连接输入口I，分支端口分别连接E面波导多级功分网络I、E面波导多级功分网络III的主路端口；一分二功分器II的主路端连接输入口II，分支端口分别连接E面波导多级功分网络II、E面波导多级功分网络IV的主路端口；

输入口I、输入口II为点源信号端口，E面波导多级功分网络I、E面波导多级功分网络II、E面波导多级功分网络III、E面波导多级功分网络IV的分支端口为线源信号端口。

进一步，E面波导多级功分网络I、E面波导多级功分网络II、E面波导多级功分网络III、E面波导多级功分网络IV水平设置；

E面波导多级功分网络I和E面波导多级功分网络III的分支端口均连接有垂直设置的波导耦合过渡口I；E面波导多级功分网络II和E面波导多级功分网络IV的分支端口均连接有垂直设置的波导耦合过渡口II；波导耦合过渡口I和波导耦合过渡口II用于将线源信号输出方向调整为垂直向上；

所有波导耦合过渡口I所在直线与所有波导耦合过渡口II所在直线垂直，呈十字型；

处于中间的连续多个波导耦合过渡口I的输入功率设置为大于剩余均分的处于两边的多个波导耦合过渡口I的输入功率；

处于中间的连续多个波导耦合过渡口II的输入功率设置为大于剩余均分的处于两边的多个波导耦合过渡口II的输入功率。

进一步，输入口I用于作为第一个频段或极化的输入端，输入口II用于作为第二个频段或极化的输入端；

输入口I通过输入传输线I连接一分二功分器I的主路端，输入传输线I上设有滤波器I，滤波器I用于抑制第二个频段或极化的信号；

输入口II通过输入传输线II连接一分二功分器II的主路端，输入传输线II上设有滤波器II，滤波器II用于抑制第一个频段或极化的信号；

一分二功分器I的一个分支端口通过第一分支传输线I连接E面波导多级功分网络I的主路端口，另一个分支端口通过第二分支传输线I连接E面波导多级功分网络III的主路端口；

一分二功分器II的一个分支端口通过第一分支传输线II连接E面波导多级功分网络II的主路端口，另一个分支端口通过第二分支传输线II连接E面波导多级功分网络IV的主路端口。

进一步，第I级馈电网络包括上下两层，E面波导多级功分网络I、E面波导多级功分网络II、E面波导多级功分网络III、E面波导多级功分网络IV处于上层；输入口I和输入口II处于下层；一分二功分器I和一分二功分器II的分支端口均处于下层，主路端口均垂直于分支端口；输入传输线I和输入传输线II均包括依次连接下层部段、垂直过渡段、上层部段，下层部段分别对应连接输入口I和输入口II，上层部段分别对应连接一分二功分器I和一分二功分器II的主路端口；第一分支传输线I、第二分支传输线I、第一分支传输线II、第二分支传输线II均包括依次连接下层传输段、垂直过渡传输段、上层传输段，第一分支传输线I和第二分支传输线I的下层传输段分别连接于一分二功分器I的分支端口，第一分支传输线II和第二分支传输线II的下层传输段分别连接于一分二功分器II的分支端口，第一分支传输线I和第二分支传输线I的上层传输段分别对应连接E面波导多级功分网络I和E面波导多级功分网络III的主路端口，第一分支传输线II和第二分支传输线II的上层传输段分别对应连接E面波导多级功分网络II和E面波导多级功分网络IV的主路端口。

第I级馈电网络形成于腔体，腔体包括自下而上依次装配的下板、中间腔、上腔；下板顶面与中间腔底面配合后形成第I级馈电网络的下层；中间腔顶面与上腔底面配合后形成第I级馈电网络的上层；波导耦合过渡口I和波导耦合过渡口II形成于上腔。

进一步，相邻两层平板的通道I错位设置，相邻两层平板的通道II错位设置，最下层平板的通道I和通道II为第II级馈电网络的耦合输入端，最上层平板的通道I和通道II为第II级馈电网络的耦合输出端，最下层平板和最上层平板以外的其余平板的通道I和通道II为过渡通道，耦合输出端和过渡通道的下部区域均填充有低损耗介质，填充的低损耗介质与下方相邻的支撑层一体成型。

进一步，最上层平板设有多个贯通平板前后侧和左右侧的扼流凹槽，每两个相邻的贯通平板前后侧的扼流凹槽之间有一个通道I，每两个相邻的贯通平板左右侧的扼流凹槽之间有一个通道II；最上层平板以外的每层平板的每个通道I两侧设有一对贯通平板前后侧的扼流凹槽，每个通道II两侧设有一对贯通平板左右侧的扼流凹槽；扼流凹槽用于界定和限制电磁波的传播范围，并用于阻抗匹配。

进一步，最上层平板以外的每层平板的每个通道I两侧设有一对贯通平板前后侧的匹配凹槽，每个通道II两侧设有一对贯通平板左右侧的匹配凹槽，匹配凹槽用于阻抗匹配并提高工作带宽。

进一步，最上层平板以外的每层平板的每个通道I两侧设有一对贯通平板前后侧的凸起脊，每个通道II两侧设有一对贯通平板左右侧的凸起脊，凸起脊用于功率分配以实现阶梯权重加权。

进一步，低损耗介质层一面设有与第I棱台数量一致的第一装配凹槽，第I棱台包括第I棱台第一级和第I棱台第二级，第I棱台第一级设于第一装配凹槽，用于从含低损耗介质层的第II级馈电网络中耦合能量；第I棱台第二级形成于第I棱台第一级顶面，用于将第I棱台第一级耦合的能量辐射到自由空间；第I棱台第一级的顶面长度和宽度均大于第I棱台第二级底面的长度和宽度。

进一步，第I棱台的矩形阵列两侧分别阵列有一列第II棱台，每个第II棱台分别对应一行第I棱台，相邻第II棱台之间的行间隙与相邻两行第I棱台之间的行间隙相同，相邻第II棱台之间的行间隙形成条形辐射单元，条形辐射单元与相邻的十字型辐射单元连通，在每行第I棱台的行延伸方向上，该行第I棱台的投影形状与该行第I棱台对应第II棱台的投影形状一致。

低损耗介质层一面设有与第II棱台数量一致的第二装配凹槽，第II棱台包括第II棱台第一级和第II棱台第二级，第II棱台第一级设于第二装配凹槽，用于从含低损耗介质层的第II级馈电网络中耦合能量；第II棱台第二级形成于第II棱台第一级顶面，用于将第II棱台第一级耦合的能量辐射到自由空间；第II棱台的长度方向与对应行的第I棱台的行延伸方向一致，第II棱台第一级的顶面长度与第II棱台第二级底面的长度一致，第II台第一级的顶面宽度大于第II棱台第二级的底面宽度。

本发明的有益效果在于：

1、在独立的两个馈电网络中分别实现了双频段电磁信号从一个点源到一个2D线源阵列的分配；其中，第I级馈电网络用于将两个独立频段和正交线极化的电磁信号从一个点源转换为一个线源；第II级馈电网络用于将线源信号转换为一个2D线源阵列，以向多层结构中的双频段CTS辐射器提供馈电，产生预期辐射方向图；取代传统的用于将两个正交极化微波信号组合或隔开的正交模耦合器OMT；

2、正交布局的两个极化的独立并馈网络的相互隔离，双频段/双极化CTS天线的两个独立通道可以在两个不同频段工作，两个独立通道分别是两个不同的正交线极化或两个不同旋向的圆极化；两个独立通道也可以工作在相同的频段，两个独立通道分别是两个不同的正交线极化或两个不同旋向的圆极化；

3、收发共口径，将具有两个不同极化（例如，水平/垂直）的工作于不同频段（或相同频段）的辐射器集成于一体，明显改善天线的面积利用率，对于减小天线尺寸和重量，降低平台设计和电磁环境的复杂性，提高系统集成有着重要的意义；

4、在第II级馈电网络中，通过在预定的位置设置凸起脊，以进行功率分配，实现阶梯权重加权，避免了常规旁瓣抑制方法带来的设计复杂、中心幅度与边缘幅度比值过大不能实现等问题，以一种非常简单的方法实现了旁瓣抑制设计；通过在预定的位置设置扼流凹槽，以界定和限制电磁波的传播范围，使传统的多层馈电网络可以分层实现，减轻了多层馈电网络的重量和实现难度，此外扼流凹槽有利于阻抗匹配；通过在预定的位置设置匹配凹槽，以进一步阻抗匹配并提高工作带宽；

5、整体结构紧凑，第I级馈电网络、第II级馈电网络、辐射器依次装配后，对应的位置依次对齐，在紧凑的尺寸上实现了双频段/双极化共口径工作，天线系统尺寸减小一半。

附图说明

本文描述的附图只是为了说明所选实施例，而不是所有可能的实施方案，更不是意图限制本申请的范围。

图1为本申请实施例的整体结构爆炸视图。

图2为本申请实施例的辐射器立体结构示意图。

图3为本申请实施例的辐射器局部结构示意图。

图4为本申请实施例的辐射器辐射单元结构示意图。

图5为本申请实施例的第II级馈电网络结构示意图。

图6为本申请实施例的第II级馈电网络另一视角结构示意图。

图7为本申请实施例的第II级馈电网络局部结构示意图。

图8为本申请实施例的第I级馈电网络的腔体结构爆炸视图。

图9为本申请实施例的第I级馈电网络的上腔及上板装配示意图。

图10为本申请实施例的第I级馈电网络结构示意图。

图11为本申请实施例的采用等幅同相馈电的Ku频段CTS天线的辐射方向图。

图12为本申请实施例的采用阶梯权重加权的Ku频段CTS天线的辐射方向图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明，但本发明所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本实例提供一种基于3D正交并馈网络的双频段/双极化CTS天线，由两个独立端口激励，实现双频段/双极化CTS天线，包括一个用于发射或接收电磁信号的双频段/双极化CTS辐射器，一个用于发射或接收两个极化RF信号其中一个的第一并联馈电网络；一个用于发射或接收两个极化RF信号其中另一个的第二并联馈电网络，其中第二并馈网络与第一并馈网络几何正交。

具体的，如图1所示，双频段/双极化CTS天线包括自下而上依次叠合装配的第I级馈电网络3、第II级馈电网络2、辐射器1。

第I级馈电网络3包括两个完全物理隔离的信号路径，两个信号路径的极化不同，输入信号通过第I级馈电网络3传输到第II级馈电网络2；第II级馈电网络2包括两个正交的信号路径，能量在平行板波导内传输。辐射器1从第II级馈电网络2的平行板结构中耦合能量，从而辐射到自由空间中。

其中，如图1、图8、图9、图10所示的第I级馈电网络3中包括有第一并馈网络的第I级和第二并馈网络的第I级；如图1、图5、图6、图7所示第II级馈电网络2中包括有第一并馈网络的第II级和第二并馈网络的第II级；第一并馈网络的第I级和第一并馈网络的第II级构成完整的第一并馈网络；第二并馈网络的第I级和第二并馈网络的第II级构成完整的第二并馈网络。

具体的，第I级馈电网络3将输入的点源信号转换为第II级馈电网络2所需要的线源信号，第I级馈电网络包括两路传输通道，分别对应第一并馈网络的第I级和第二并馈网络的第I级，传输通道一端为点源信号输入端口，另一端为线源信号输出端口，传输通道用于将点源信号转换为线源信号，两路输出通道输出的两路线源信号正交。

在如图1、图8、图9、图10所示的实例中，第I级馈电网络3包括一分二功分器I 304、一分二功分器II 314、以及绕中心轴呈90°旋转设置的E面波导多级功分网络I 306a、E面波导多级功分网络II 316a、E面波导多级功分网络III 306b、E面波导多级功分网络IV 316b。

E面波导多级功分网络I 306a相邻于E面波导多级功分网络II 316a和E面波导多级功分网络IV 316b；即E面波导多级功分网络I 306a与E面波导多级功分网络III 306b呈对角布置，E面波导多级功分网络II 316a与E面波导多级功分网络IV 316b呈对角布置。一分二功分器I 304、E面波导多级功分网络I 306a、E面波导多级功分网络III 306b为第一路传输通道，一分二功分器II 314、E面波导多级功分网络II 316a、E面波导多级功分网络IV316b为第二路传输通道。

从而在E面波导多级功分网络I 306a、E面波导多级功分网络II 316a、E面波导多级功分网络III 306b、E面波导多级功分网络IV 316b形成的一个矩形区域内，E面波导多级功分网络I 306a、E面波导多级功分网络II 316a、E面波导多级功分网络III 306b、E面波导多级功分网络IV 316b分别处于不同象限内，且第一路传输通道和第二路传输通道的E面波导多级功分网络间隔设置。

E面波导多级功分网络I 306a和E面波导多级功分网络III 306b的分支端口齐平于第一平面，E面波导多级功分网络II 316a和E面波导多级功分网络IV 316b的分支端口齐平于第二平面，第一平面与第二平面正交。

一分二功分器I 304的主路端连接输入口I 301，分支端口分别连接E面波导多级功分网络I 306a、E面波导多级功分网络III 306b的主路端口；一分二功分器II314的主路端连接输入口II 311，分支端口分别连接E面波导多级功分网络II316a、E面波导多级功分网络IV316b的主路端口。

输入口I 301、输入口II 311为点源信号端口，E面波导多级功分网络I 306a、E面波导多级功分网络II 316a、E面波导多级功分网络III 306b、E面波导多级功分网络IV316b的分支端口为线源信号端口。

E面波导多级功分网络I 306a、E面波导多级功分网络II 316a、E面波导多级功分网络III 306b、E面波导多级功分网络IV 316b水平设置；E面波导多级功分网络I 306a和E面波导多级功分网络III 306b的分支端口均连接有垂直设置的波导耦合过渡口I 307；E面波导多级功分网络II 316a和E面波导多级功分网络IV 316b的分支端口均连接有垂直设置的波导耦合过渡口II 317。

输入口I 301用于作为第一个频段或极化的输入端，输入口II 311用于作为第一个频段或极化的输入端；输入口I 301通过输入传输线I 303连接一分二功分器I 304的主路端，输入传输线I 303上设有滤波器I 302，滤波器I 302用于抑制第二个频段或极化的信号；输入口II 311通过输入传输线II 313连接一分二功分器II 314的主路端，输入传输线II 313上设有滤波器II 312，滤波器II 312用于抑制第一个频段或极化的信号。滤波器I302和滤波器II 312为波导滤波器，用于提高两个独立转换通道之间的端口隔离度。

一分二功分器I 304的一个分支端口通过第一分支传输线I 305a连接E面波导多级功分网络I 306a的主路端口，另一个分支端口通过第二分支传输线I 305b连接E面波导多级功分网络III 306b的主路端口；一分二功分器II 314的一个分支端口通过第一分支传输线II 315a连接E面波导多级功分网络II 316a的主路端口，另一个分支端口通过第二分支传输线II 315b连接E面波导多级功分网络IV 316b的主路端口。

如图10所示，可以看出，本实例的一种实施方式中，为了缩小体积，使得结构更加紧凑，将第I级馈电网络3设置为上下两层。E面波导多级功分网络I 306a、E面波导多级功分网络II 316a、E面波导多级功分网络III 306b、E面波导多级功分网络IV 316b处于上层；输入口I 301和输入口II 311处于下层；一分二功分器I 304和一分二功分器II 314的分支端口均处于下层，主路端口均垂直于分支端口；输入传输线I 303和输入传输线II 313均包括依次连接下层部段、垂直过渡段、上层部段，下层部段分别对应连接输入口I 301和输入口II 311，上层部段分别对应连接一分二功分器I 304和一分二功分器II 314的主路端口；第一分支传输线I 305a、第二分支传输线I 305b、第一分支传输线II 315a、第二分支传输线II 315b均包括依次连接下层传输段、垂直过渡传输段、上层传输段，第一分支传输线I305a和第二分支传输线I 305b的下层传输段分别连接于一分二功分器I 304的分支端口，第一分支传输线II 315a和第二分支传输线II 315b的下层传输段分别连接于一分二功分器II 314的分支端口，第一分支传输线I 305a和第二分支传输线I 305b的上层传输段分别对应连接E面波导多级功分网络I 306a和E面波导多级功分网络III 306b的主路端口，第一分支传输线II 315a和第二分支传输线II 315b的上层传输段分别对应连接E面波导多级功分网络II 316a和E面波导多级功分网络IV 316b的主路端口。

具体的，如图8~9所示，第I级馈电网络3形成于腔体，腔体包括自下而上依次装配的下板31、中间腔32、上腔33；下板31顶面与中间腔32底面配合后形成第I级馈电网络3的下层；中间腔32顶面与上腔33底面配合后形成第I级馈电网络3的上层；波导耦合过渡口I307和波导耦合过渡口II 317形成于上腔33。上腔33顶面还设有上板34。上板34另一面用于与第II级馈电网络2配合。波导耦合过渡口I 307和波导耦合过渡口II 317用于将线源信号输出方向调整为垂直向上；所有波导耦合过渡口I 307所在直线与所有波导耦合过渡口II317所在直线垂直，呈十字型。

通过旋转设置E面波导多级功分网络，并通过垂直过渡段和垂直过渡传输段将上下两层过渡，以及传输线和输入线的结构设置，不仅有效将整体体积控制在一个矩形块形状范围，而且还利于实现物理隔离，避免两路信号干扰，通过中间腔和下板形成下层结构，通过中间腔和上腔形成上层结构，使得整体结构紧凑，体积尺寸极大缩小，方便应用于两个极化/频段的天线结构中。

作为一种优选的实施方式，采用阶梯权重加权方式，处于中间的连续多个波导耦合过渡口I 307的输入功率设置为大于剩余均分的处于两边的多个波导耦合过渡口I 307的输入功率，如图9中所示，中心区域331b中的波导耦合过渡口I 307，输入功率设为P1dBm，边缘区域331a中的波导耦合过渡口I 307，输入功率设为P2 dBm，P1＞P2；同样，处于中间的连续多个波导耦合过渡口II 317的输入功率设置为大于剩余均分的处于两边的多个波导耦合过渡口II 317的输入功率，如图9中，中心区域332b中的波导耦合过渡口II 317的输入功率大于边缘区域332a中的波导耦合过渡口II 317的输入功率。采用本选优实施例的阶梯权重加权方式，可以避免其他幅度加权方案导致的色散增益损失、中心到边缘馈电幅度变化大和仿真时间长等问题。

对应的，如图10所示，每个E面波导多级功分网络包括两个一分二组件和三个一分四组件，其中1个一分二组件的一个分支连接另一个一分二组件的主路端，另一个分支连接一个一分四组件的主路端，另一个一分二组件的两个分支分别连接一个一分四组件的主路端。通过1个一分二组件直接连接的一分四组件，位于靠近旋转对称的中心的位置，其分支端口位于中心区域331b或中心区域332b，其他通过两级一分二连接的2个一分四组件的分支端口，位于边缘区域331a或边缘区域332a，通过此种方式形成的E面波导多级功分网络，可以配合实现阶梯权重加权。如此，第I级馈电网络中采用的阶梯权重加权，在所有频段的两个正交极化进行了实现。

第I级馈电网络3巧妙地将工作于两个正交极化的两个独立信号路径分别布置在矩形块形状的第一、第三象限和第二、第四象限，通过滤波器I和滤波器II，以及垂直过渡段和垂直过渡传输段，实现完全的物理隔离，避免了两个独立信号路径的干涉。这种设计将两个正交线极化的馈电网络集成在一个共用口径上，空间得到了充分的利用，结构更加紧凑。

第II级馈电网络2用于将两路正交线源信号转换为两个正交的2D线源阵列信号，作为本申请实施例第II级馈电网络2的详细实施方式之一，如图5、图6、图7所示，第II级馈电网络2包括多层平板21以及设于相邻平板21之间的支撑层22。具体的，平板21为金属材质，或者表面镀铜的塑料、陶瓷等非金属材质。支撑层22采用低损耗介质材料或空气，用于将平板21上下隔开，形成传输通道。每层平板21均设有贯通平板21前后侧的通道I和贯通平板21左右侧的通道II，通道I和通道II数量相同，且通道I和通道II相互正交，通道I和通道II均贯通平板21顶面和底面；最下层平板21的通道I和通道II数量均为1个，上一层平板21的通道I和通道II数量均为相邻下一层平板21的通道I和通道II的数量两倍。

相邻两层平板21的通道I错位设置，相邻两层平板21的通道II错位设置，最下层平板21的通道I和通道II为第II级馈电网络2的耦合输入端211，最上层平板21的通道I和通道II为第II级馈电网络2的耦合输出端216，最下层平板21和最上层平板21以外的其余平板21的通道I和通道II为过渡通道215，用于实现层与层之间的电磁信号传播，耦合输出端216和过渡通道215的下部区域均填充有低损耗介质，填充的低损耗介质与下方相邻的采用低损耗介质材料的支撑层22一体成型。

对应属于通道I的耦合输入端211、过渡通道215、耦合输出端216以及对应的传输通道，形成第II级馈电网络2中的第一并馈网络的第II级，对应属于通道II耦合输入端211、过渡通道215、耦合输出端216以及对应的传输通道，形成第II级馈电网络2中的第二并馈网络的第II级。

具体的，在如图7所示的实施例中，包括L1、L2、L3、L4、L5共5层平板21。L1层的平板21为最下层，L5的平板21为最上层。L1层的平板21，其通道I和通道II相互垂直构成十字型输入口，用于将第I级馈电网络3输出的两路正交线源信号耦合到第II级馈电网络2中，一路线源信号对应进入第一并馈网络的第II级，另一路线源信号对应进入第二并馈网络的第II级。L5层的平板21，其通道I和通道II相互垂直形成了网络状，用于形成两个正交方向的线阵输出。从耦合输入端211，通过通道I和通道II可以分别输入两个极化或两个频段的线源电磁信号，分别经过与其对应的过渡通道215进行依次功分，通过L2层、L3层、L4层、L5层的逐层扩展，即一分二，二分四，四分八，八分十六……，在L5层馈电网络的耦合输出端216实现两个正交方向的2D线源阵列输出。

作为第II级馈电网络2的优选实施方案，最上层平板21设有多个贯通平板21前后侧和左右侧的扼流凹槽212，每两个相邻的贯通平板21前后侧的扼流凹槽212之间有一个通道I，每两个相邻的贯通平板21左右侧的扼流凹槽212之间有一个通道II；最上层平板21以外的每层平板21的每个通道I两侧设有一对贯通平板21前后侧的扼流凹槽212，每个通道II两侧设有一对贯通平板21左右侧的扼流凹槽212；扼流凹槽212用于界定和限制电磁波的传播范围，并用于阻抗匹配。扼流凹槽212的尺寸可以根据电磁信号工作频率来设置。

作为进一步优选，在最上层平板21以外的每层平板21的每个通道I两侧设有一对贯通平板21前后侧的匹配凹槽214，每个通道II两侧设有一对贯通平板21左右侧的匹配凹槽214，匹配凹槽214用于阻抗匹配并提高工作带宽。

作为更进一步优选，最上层平板21以外的每层平板21的每个通道I两侧设有一对贯通平板21前后侧的凸起脊213，每个通道II两侧设有一对贯通平板21左右侧的凸起脊213，凸起脊213用于功率分配以实现阶梯权重加权。

在如图6~图8所示的实例中，同时具有凸起脊213、匹配凹槽214、扼流凹槽212的平板21，匹配凹槽214位于扼流凹槽212和对应的通道I或通道II之间，凸起脊213位于匹配凹槽214和对应的通道I或通道II之间。

如图2~图4所示，辐射器1包括用于支撑的低损耗介质层10以及呈矩形阵列形式设于低损耗介质层10一面的第I棱台11。辐射器1用于将两个正交的2D线源阵列信号辐射到自由空间。具体的，每相邻两列第I棱台11之间的列间隙相同，每相邻两行第I棱台11之间的行间隙相同，相邻四个形成矩形形状的第I棱台11之间的行间隙和列间隙形成十字型辐射单元11c。

将辐射器1装配于第II级馈电网络2上时，第II级馈电网络2的耦合输出端216分别对应第I棱台11的列间隙、行间隙及十字型辐射单元200a。

低损耗介质层10一面设有与第I棱台11数量一致的第一装配凹槽101a，第I棱台11包括第I棱台第一级11a和第I棱台第二级11b，第I棱台第一级11a设于第一装配凹槽101a，用于从包含低损耗介质层10的第II级馈电网络中2耦合能量；第I棱台第二级11b形成于第I棱台第一级11a顶面，用于将第I棱台第一级11a耦合的能量辐射到自由空间；第I棱台第一级11a的顶面长度和宽度均大于第I棱台第二级11b底面的长度和宽度。通过第一装配凹槽101a，方便实现第I棱台11装配，并实现定位，提高装配后的稳定性。

作为辐射器1的优选实施方案之一，为了提高其中一个极化频段的辐射效果，第I棱台11的矩形阵列两侧分别阵列有一列第II棱台12，第II棱台12与第I棱台11处于同一面。每个第II棱台12分别对应一行第I棱台11设置，相邻第II棱台12之间的行间隙与相邻两行第I棱台11之间的行间隙相同，相邻第II棱台12之间的行间隙形成条形辐射单元12c，条形辐射单元12c与相邻的十字型辐射单元11c连通，通过此种结构设计，进一步有效利用了天线辐射器的整体空间，在有限的空间内，在低损耗介质层10上布局更多有利于天线辐射性能的结构，提高了天线辐射器的实用性。在每行第I棱台11的行延伸方向上，该行第I棱台11的投影形状与该行第I棱台11对应第II棱台12的投影形状一致，从而可以确保，增加的第II棱台12不会影响第I棱台11本身的性能。

具体的，低损耗介质层10一面设有与第II棱台12数量一致的第二装配凹槽101b，第II棱台12包括第II棱台第一级12a和第II棱台第二级12b，第II棱台第一级12a设于第二装配凹槽101b，用于从含低损耗介质层10的第II级馈电网络中2耦合能量；第II棱台第二级12b形成于第II棱台第一级12a顶面，用于将第II棱台第一级12a耦合的能量辐射到自由空间；第II棱台12的长度方向与对应行的第I棱台11的行延伸方向一致，第II棱台第一级12a的顶面长度与第II棱台第二级12b的底面长度一致，第II棱台第一级12a的顶面宽度大于第II棱台第二级12b的底面宽度。

在上述实施方式中，第I棱台11和第II棱台12，可采用全金属结构，或者表面镀有金属的塑料、陶瓷等非金属材料，比如镀铜。

本实例的辐射器1实现在一个有限的共用口径上实现Rx频段和Tx频段的集成，并保持高效率、高增益的辐射性能，实现共口设计，尺寸极大缩小。

图11和图12分别是一个采用等幅同相馈电和采用该阶梯权重加权馈电的Ku频段CTS天线例子的辐射方向图。从图中可以看出，相比传统的抛物面天线，CTS天线的辐射方向图更加干净，仅在两个正交主平面有旁瓣存在，其他剖面无明显旁瓣，这对于CTS天线在卫星通信中减小零星干扰ASI非常有利。

从图11中的辐射方向图可以看出，采用等幅同相馈电，Ku频段CTS天线的旁瓣电平为-13.5dB，这和阵列理论的结果非常符合。

从图12中的辐射方向图中可以看出，采用阶梯权重加权馈电，辐射方向图的旁瓣电平降至-17.95dB，降低了4.95dB，旁瓣抑制效果十分明显。

在本申请实施例的某些双极化CTS实施架构中可能出现的一个可选的极化器4，用于进行极化切换，以适配目标信号极化，比如设置一个用于将CTS天线的固有线极化转换为目标信号极化的双频段极化器。作为一个可选设置，极化器4设置于辐射器1顶面，用于将CTS辐射器1的线极化适配到卫星或其他通信链路来波的极化。每一个电信频段都有它自己的频谱和极化协定，因此CTS天线可以应用跨不同通信频段的不同种类的极化器类型。

在本申请实施例的某些双极化CTS实施架构中可能出现的一个用于实现电磁信号无损耗通过和避免环境影响的双频段或宽带天线罩。

相比传统的反射器天线和先进相控阵天线，本实例的双频段/双极化CTS天线能够在一个有限的共用口径上实现Rx频段和Tx频段的集成，并保持高效率、高增益的辐射性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不表示是唯一的或是限制本发明。本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的范围情况下，对本发明进行的各种改变或同等替换，均属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于3D正交并馈网络的双频段/双极化CTS天线，其特征在于，包括自下而上依次叠合装配的第I级馈电网络（3）、第II级馈电网络（2）、辐射器（1）；

第I级馈电网络（3）包括两路传输通道，传输通道一端为点源信号输入端口，另一端为线源信号输出端口，传输通道用于将点源信号转换为线源信号，两路传输通道输出的两路线源信号正交；

第II级馈电网络（2）用于将两路正交线源信号转换为两个正交的2D线源阵列信号，第II级馈电网络（2）包括多层平板（21）以及设于相邻平板（21）之间的支撑层（22）；其中，每层平板（21）均设有贯通平板（21）前后侧的通道I和贯通平板（21）左右侧的通道II，通道I和通道II数量相同，且通道I和通道II相互正交，通道I和通道II均贯通平板（21）顶面和底面；最下层平板（21）的通道I和通道II数量均为1个，上一层平板（21）的通道I和通道II数量均为相邻下一层平板（21）的通道I和通道II的数量两倍；

辐射器（1）用于将两个正交的2D线源阵列信号辐射到自由空间，辐射器（1）包括用于支撑的低损耗介质层（10）以及呈矩形阵列形式设于低损耗介质层（10）一面的第I棱台（11）；每相邻两列第I棱台（11）之间的列间隙相同，每相邻两行第I棱台（11）之间的行间隙相同，相邻四个形成矩形形状的第I棱台（11）之间的行间隙和列间隙形成十字型辐射单元（11c）。

2.根据权利要求1所述的基于3D正交并馈网络的双频段/双极化CTS天线，其特征在于，第I级馈电网络（3）包括：

一分二功分器I（304）、一分二功分器II（314）；

绕中心轴呈90°旋转设置的E面波导多级功分网络I（306a）、E面波导多级功分网络II（316a）、E面波导多级功分网络III（306b）、E面波导多级功分网络IV（316b）；E面波导多级功分网络I（306a）相邻于E面波导多级功分网络II（316a）和E面波导多级功分网络IV（316b）；一分二功分器I（304）、E面波导多级功分网络I（306a）、E面波导多级功分网络III（306b）为第一路传输通道，一分二功分器II（314）、E面波导多级功分网络II（316a）、E面波导多级功分网络IV（316b）为第二路传输通道；

E面波导多级功分网络I（306a）和E面波导多级功分网络III（306b）的分支端口齐平于第一平面，E面波导多级功分网络II（316a）和E面波导多级功分网络IV（316b）的分支端口齐平于第二平面，第一平面与第二平面正交；

一分二功分器I（304）的主路端连接输入口I（301），分支端口分别连接E面波导多级功分网络I（306a）、E面波导多级功分网络III（306b）的主路端口；一分二功分器II（314）的主路端连接输入口II（311），分支端口分别连接E面波导多级功分网络II（316a）、E面波导多级功分网络IV（316b）的主路端口；

输入口I（301）、输入口II（311）为点源信号输入端口，E面波导多级功分网络I（306a）、E面波导多级功分网络II（316a）、E面波导多级功分网络III（306b）、E面波导多级功分网络IV（316b）的分支端口为线源信号输出端口。

3.根据权利要求2所述的基于3D正交并馈网络的双频段/双极化CTS天线，其特征在于：

E面波导多级功分网络I（306a）、E面波导多级功分网络II（316a）、E面波导多级功分网络III（306b）、E面波导多级功分网络IV（316b）水平设置；

E面波导多级功分网络I（306a）和E面波导多级功分网络III（306b）的分支端口均连接有垂直设置的波导耦合过渡口I（307）；E面波导多级功分网络II（316a）和E面波导多级功分网络IV（316b）的分支端口均连接有垂直设置的波导耦合过渡口II（317）；波导耦合过渡口I（307）和波导耦合过渡口II（317）用于将线源信号输出方向调整为垂直向上；

所有波导耦合过渡口I（307）所在直线与所有波导耦合过渡口II（317）所在直线垂直，呈十字型；

处于中间的连续多个波导耦合过渡口I（307）的输入功率设置为大于剩余均分的处于两边的多个波导耦合过渡口I（307）的输入功率；

处于中间的连续多个波导耦合过渡口II（317）的输入功率设置为大于剩余均分的处于两边的多个波导耦合过渡口II（317）的输入功率。

4.根据权利要求2所述的基于3D正交并馈网络的双频段/双极化CTS天线，其特征在于，

输入口I（301）用于作为第一个频段或极化的输入端，输入口II（311）用于作为第二个频段或极化的输入端；

输入口I（301）通过输入传输线I（303）连接一分二功分器I（304）的主路端，输入传输线I（303）上设有滤波器I（302），滤波器I（302）用于抑制第二个频段或极化的信号；

输入口II（311）通过输入传输线II（313）连接一分二功分器II（314）的主路端，输入传输线II（313）上设有滤波器II（312），滤波器II（312）用于抑制第一个频段或极化的信号；

一分二功分器I（304）的一个分支端口通过第一分支传输线I（305a）连接E面波导多级功分网络I（306a）的主路端口，另一个分支端口通过第二分支传输线I（305b）连接E面波导多级功分网络III（306b）的主路端口；

一分二功分器II（314）的一个分支端口通过第一分支传输线II（315a）连接E面波导多级功分网络II（316a）的主路端口，另一个分支端口通过第二分支传输线II（315b）连接E面波导多级功分网络IV（316b）的主路端口。

5.根据权利要求4所述的基于3D正交并馈网络的双频段/双极化CTS天线，其特征在于，第I级馈电网络（3）包括上下两层，E面波导多级功分网络I（306a）、E面波导多级功分网络II（316a）、E面波导多级功分网络III（306b）、E面波导多级功分网络IV（316b）处于上层；输入口I（301）和输入口II（311）处于下层；一分二功分器I（304）和一分二功分器II（314）的分支端口均处于下层，主路端口均垂直于分支端口；输入传输线I（303）和输入传输线II（313）均包括依次连接下层部段、垂直过渡段、上层部段，下层部段分别对应连接输入口I（301）和输入口II（311），上层部段分别对应连接一分二功分器I（304）和一分二功分器II（314）的主路端口；第一分支传输线I（305a）、第二分支传输线I（305b）、第一分支传输线II（315a）、第二分支传输线II（315b）均包括依次连接下层传输段、垂直过渡传输段、上层传输段，第一分支传输线I（305a）和第二分支传输线I（305b）的下层传输段分别连接于一分二功分器I（304）的分支端口，第一分支传输线II（315a）和第二分支传输线II（315b）的下层传输段分别连接于一分二功分器II（314）的分支端口，第一分支传输线I（305a）和第二分支传输线I（305b）的上层传输段分别对应连接E面波导多级功分网络I（306a）和E面波导多级功分网络III（306b）的主路端口，第一分支传输线II（315a）和第二分支传输线II（315b）的上层传输段分别对应连接E面波导多级功分网络II（316a）和E面波导多级功分网络IV（316b）的主路端口；

第I级馈电网络（3）形成于腔体，腔体包括自下而上依次装配的下板（31）、中间腔（32）、上腔（33）；下板（31）顶面与中间腔（32）底面配合后形成第I级馈电网络（3）的下层；中间腔（32）顶面与上腔（33）底面配合后形成第I级馈电网络（3）的上层；波导耦合过渡口I（307）和波导耦合过渡口II（317）形成于上腔（33）。

6.根据权利要求1所述的基于3D正交并馈网络的双频段/双极化CTS天线，其特征在于，相邻两层平板（21）的通道I错位设置，相邻两层平板（21）的通道II错位设置，最下层平板（21）的通道I和通道II为第II级馈电网络（2）的耦合输入端（211），最上层平板（21）的通道I和通道II为第II级馈电网络（2）的耦合输出端（216），最下层平板（21）和最上层平板（21）以外的其余平板（21）的通道I和通道II为过渡通道（215），耦合输出端（216）和过渡通道（215）的下部区域均填充有低损耗介质，填充的低损耗介质与下方相邻的支撑层（22）一体成型。

7.根据权利要求6所述的基于3D正交并馈网络的双频段/双极化CTS天线，其特征在于，最上层平板（21）设有多个贯通平板（21）前后侧和左右侧的扼流凹槽（212），每两个相邻的贯通平板（21）前后侧的扼流凹槽（212）之间有一个通道I，每两个相邻的贯通平板（21）左右侧的扼流凹槽（212）之间有一个通道II；最上层平板（21）以外的每层平板（21）的每个通道I两侧设有一对贯通平板（21）前后侧的扼流凹槽（212），每个通道II两侧设有一对贯通平板（21）左右侧的扼流凹槽（212）；扼流凹槽（212）用于界定和限制电磁波的传播范围，并用于阻抗匹配；

最上层平板（21）以外的每层平板（21）的每个通道I两侧设有一对贯通平板（21）前后侧的匹配凹槽（214），每个通道II两侧设有一对贯通平板（21）左右侧的匹配凹槽（214），匹配凹槽（214）用于阻抗匹配并提高工作带宽；

最上层平板（21）以外的每层平板（21）的每个通道I两侧设有一对贯通平板（21）前后侧的凸起脊（213），每个通道II两侧设有一对贯通平板（21）左右侧的凸起脊（213），凸起脊（213）用于功率分配以实现阶梯权重加权。

8.根据权利要求1所述的基于3D正交并馈网络的双频段/双极化CTS天线，其特征在于，低损耗介质层（10）一面设有与第I棱台（11）数量一致的第一装配凹槽（101a），第I棱台（11）包括第I棱台第一级（11a）和第I棱台第二级（11b），第I棱台第一级（11a）设于第一装配凹槽（101a），用于从含低损耗介质层（10）的第II级馈电网络中（2）耦合能量；第I棱台第二级（11b）形成于第I棱台第一级（11a）顶面，用于将第I棱台第一级（11a）耦合的能量辐射到自由空间；第I棱台第一级（11a）的顶面长度和宽度均大于第I棱台第二级（11b）底面的长度和宽度。

9.根据权利要求8所述的基于3D正交并馈网络的双频段/双极化CTS天线，其特征在于，第I棱台（11）的矩形阵列两侧分别有一列第II棱台（12）阵列，每个第II棱台（12）分别对应一行第I棱台（11），相邻第II棱台（12）之间的行间隙与相邻两行第I棱台（11）之间的行间隙相同，相邻第II棱台（12）之间的行间隙形成条形辐射单元（12c），条形辐射单元（12c）与相邻的十字型辐射单元（11c）连通，在每行第I棱台（11）的行延伸方向上，该行第I棱台（11）的投影形状与该行第I棱台（11）对应第II棱台（12）的投影形状一致；

低损耗介质层（10）一面设有与第II棱台（12）数量一致的第二装配凹槽（101b），第II棱台（12）包括第II棱台第一级（12a）和第II棱台第二级（12b），第II棱台第一级（12a）设于第二装配凹槽（101b），用于从含低损耗介质层（10）的第II级馈电网络中（2）耦合能量；第II棱台第二级（12b）形成于第II棱台第一级（12a）顶面，用于将第II棱台第一级（12a）耦合的能量辐射到自由空间；第II棱台（12）的长度方向与对应行的第I棱台（11）的行延伸方向一致，第II棱台第一级（12a）的顶面长度与第II棱台第二级（12b）的底面长度一致，第II棱台第一级（12a）的顶面宽度大于第II棱台第二级（12b）的底面宽度。

10.根据权利要求1~9中任意一项所述的基于3D正交并馈网络的双频段/双极化CTS天线，其特征在于，还包括极化器（4），极化器（4）设于辐射器（1）顶面。

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