CN116315670A - 一种双频段无色差波束扫描天线及其应用的天线组阵 - Google Patents

一种双频段无色差波束扫描天线及其应用的天线组阵 Download PDF

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CN116315670A CN202310345087.5A CN202310345087A CN116315670A CN 116315670 A CN116315670 A CN 116315670A CN 202310345087 A CN202310345087 A CN 202310345087A CN 116315670 A CN116315670 A CN 116315670A
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Abstract

本申请涉及微波天线领域，公开了一种双频段无色差波束扫描天线及其应用的天线组阵，一种双频段无色差波束扫描天线，包括底座、设置在底座内的双频馈源、设置在底座上的双层空心转动机构和两个设置在双层空心转动机构内的超表面平板，超表面平板包括双通道波束偏折层和双通道色散补偿层。一种天线组阵，包括多个上述的波束扫描天线。本申请能够通过采用超表面平板内的双通道波束偏折层对双频电磁波进行偏折，再采用超表面平板内的双通道色散补偿层对双频电磁波进行消色差，双层空心转动机构带动两个超表面平板进行转动，可对双频电磁波射出的仰俯角和方位角进行调节，从而使得波束扫描天线具备低剖面、低重量、低成本和适应性强等特性。

Description

一种双频段无色差波束扫描天线及其应用的天线组阵
技术领域
本申请涉及微波天线的领域，尤其是涉及一种双频段无色差波束扫描天线及其应用的天线组阵。
背景技术
低剖面平板天线的波束扫描能力，是雷达和通讯领域必不可少的功能需求，而其中分化出多种具体指标的要求，例如波束扫描范围、波束扫描速度、波束指向精度、波束宽度、工作带宽和多频段共面等等。
对于平板天线波束扫描天线而言，上述各项指标中，具备较大的瞬时带宽是一项较难实现的需求，往往在相控阵体系下利用分子阵实时延迟来实现。尽管相控阵在波束扫描速度上具有无可比拟的优势，但如果是对扫描速度要求不高的系统，相控阵附加子阵的解决方式引入了极为复杂的电控系统和较高的制备成本。
因此，如何设计并制备一款尽可能多的包含上述波束扫描范围、波束扫描速度、波束指向精度、波束宽度、工作带宽和多频段共面等多项功能，同时，又具备低剖面、低重量、低成本、适应性强的天线系统，是一项迫切的需求。
发明内容
为了改善平板天线在各项综合性能上的局限性与不可兼顾性，本申请提供一种双频段无色差波束扫描天线及其应用的天线组阵。
本申请提供的一种双频段无色差波束扫描天线及其应用的天线组阵采用如下的技术方案：
一种双频段无色差波束扫描天线，包括底座、双频馈源、双层空心转动机构和两个超表面平板，所述双频馈源设置在底座内，所述双层空心转动机构设置在底座上，两个所述双频馈源分别设置在双层空心转动机构的两个空心旋转端，且所述超表面平板位于双频馈源上方，所述超表面平板包括用于对双频电磁波进行偏折的双通道波束偏折层和用于对双频电磁波进行消色差的双通道色散补偿层。
通过采用上述技术方案，底座上的双频馈源发射出双频电磁波，双频电磁波先经过超表面平板的双通道波束偏折层时发生偏折，再经过超表面平板的双通道色散补偿层进行消色差，使得双频电磁波能够发生偏折的同时，提高了天线在波束扫描中的带宽性能；使用双层空心转动机构带动两个超表面平板进行转动，从而对双频电磁波射出的仰俯角和方位角进行调节。如此设置，使得波束扫描天线具备低剖面、低重量、低成本和适应性强等特性。
优选的，所述双频馈源包括第一功分网络层、第二功分网络层和天线辐射层，所述天线辐射层内形成有多个与第一功分网络层连接的Ku辐射单元以及多个与第二功分网络层连接的Ka辐射单元。
通过采用上述技术方案，第一功分网络层与Ku辐射单元配合发射低频电磁波，第二功分网络层与Ka辐射单元配合发射高频电磁波，使用双独立馈电通道，从而实现波束扫描天线双频工作带宽并增大了天线的辐射效率。
优选的，多个所述Ku辐射单元和Ka辐射单元形成相互嵌套的排列形式。
通过采用上述技术方案，Ku辐射单元和Ka辐射单元形成相互嵌套的排列形式，从而降低了双频间的耦合互扰，提高波束扫描天线的辐射效率。
优选的，所述双通道波束偏折层包括至少两个第一金属单元层，一个所述第一金属单元层内形成有共面的第一低频透射通道和第一高频偏折通道，另一个所述第一金属单元层内形成有共面的第一低频偏折通道和第一高频透射通道。
通过采用上述技术方案，当双频电磁波经过一个旋转的第一金属单元层时，低频电磁波通过第一低频透射通道发生透射，高频电磁通过第一高频偏折通道发生偏折，透射的低频电磁波再通过另一个旋转的第一金属单元层的第一低频偏折通过发生偏折，偏折的高频电磁波再通过另一个第一金属单元层的第一高频透射通道发生透射。如此设置，使得高频电磁波和低频电磁波经超表面平板的双通道波束偏折层发生偏折，降低了波束扫描天线的生产成本，使得不同频率的电磁波在进行偏折时不易发生干扰。
优选的，所述第一低频透射通道与第一低频偏折通道对应，所述第一高频偏折通道与第一高频透射通道对应。
通过采用上述技术方案，两个第一金属单元层中的低频通道与高频通道相互对应，使得双通道波束偏折层对双频电磁波的透射和偏折效果更佳。
优选的，所述双通道色散补偿层包括至少一个第二金属单元层，所述第二金属单元层由多个双通道子阵排列组合而成，所述双通道子阵内形成有共面的第二低频透射通道和第二高频透射通道，且多个所述双通道子阵的透射相位按照等差数列依次分布。
通过采用上述技术方案，双频电磁波经过第二金属单元层的第二低频透射通道和第二高频透射通道后发生透射，且多个双通道子阵的透射相位按照等差数列依次分布，从而对不同频点的波束进行补偿，实现电磁波消色差。如此设置，使用超表面平板对斜角度出射的电磁波进行消色差，成本更低且效率更高，从而提高波束扫描天线在波束扫描中的瞬时带宽性能。
优选的，相邻所述双通道子阵的高频带宽内，透射相位关于频率的斜率为等差数列排布，相邻所述双通道子阵的低频带宽内，透射相位关于频率的斜率为等差数列排布。
通过采用上述技术方案，使得高频电磁波和低频电磁波穿过双通道子阵的第二低频透射通道和第二高频透射通道后，高频电磁波与低频电磁波的消色差效果相同。
优选的，所述双层空心转动机构包括上外环、支撑环、下外环和两个驱动部，所述支撑环通过支撑件设置在底座上，所述上外环和下外环分别转动套设在支撑环轴线方向的两侧，两个超表面平板分别设置在上外环和下外环内，两个驱动部设置在底座上并分别驱动上外环和下外环单独转动。
通过采用上述技术方案，两个驱动部驱动上外环和下外环在支撑环上单独进行转动，从而带动两个超表面平板进行独立转动，从而能够对波束射出的仰俯角和方位角进行调节。如此设置，无需使用大质量的配重，弱化了部件转动带来的重心和转动惯量的变化，从而能够大幅降低波束扫描天线的剖面高度和整体重量。
优选的，所述驱动部包括驱动电机和驱动齿轮，所述上外环和下外环的外侧壁上均形成有与驱动齿轮啮合的齿圈。
通过采用上述技术方案，驱动电机带动驱动齿轮进行转动，驱动齿轮通过上外环和下外环外侧的齿圈带动上外环和下外环进行转动。如此设置，采用驱动齿轮啮合齿圈的形式对上外环和下外环进行驱动，从而使得超表面平板的转动更加快速精准。
一种天线组阵，包括多个所述波束扫描天线，所述底座与支撑环设置为形状相同的多边形，多个所述波束扫描天线拼接组合成天线组阵，多个多边形的所述底座进行拼接，多个多边形的所述支撑环进行拼接，一个所述驱动部驱动多个波束扫描天线的上外环进行转动，另一个所述驱动部驱动多个波束扫描天线的下外环进行转动。
通过采用上述技术方案，将多个波束扫描天线拼接组合成天线组阵，形成等效更大口径的天线阵列，从而提高天线整体增益，增强天线通讯效率。多个底座与支撑环进行拼接，使得天线组阵结构更加稳定，一个驱动部驱动多个上外环或下外环进行转动，进一步降低天线组阵的生产成本。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.通过采用超表面平板内的双通道波束偏折层对双频电磁波进行偏折，再采用超表面平板内的双通道色散补偿层对双频电磁波进行消色差，同时，双层空心转动机构带动两个超表面平板进行转动，可对双频电磁波射出的仰俯角和方位角进行调节，从而使得波束扫描天线具备低剖面、低重量、低成本和适应性强等特性。
2.通过采用双频馈源内的双独立馈电通道，从而实现波束扫描天线双频工作带宽并增大了天线的辐射效率；
3.通过采用双通道波束偏折层，使得双频电磁波经超表面平板的双通道波束偏折层发生偏折，一方面，降低了波束扫描天线的生产成本，另一方面，使得不同频率的电磁波在进行偏折时不易发生干扰；
4.通过采用双通道色散补偿层对斜角度出射的电磁波进行消色差，成本更低且效率更高，并提高波束扫描天线在波束扫描中的瞬时带宽性能；
5.通过采用多个波束扫描天线拼接组合成天线组阵，形成等效更大口径的天线阵列，从而提高天线整体增益，增强天线通讯效率。
附图说明
图1是本申请实施例1中波束扫描天线的整体结构示意图；
图2是本申请实施例1中波束扫描天线的部分结构示意图；
图3是本申请实施例1中波束扫描天线的部分结构剖视图；
图4是本申请实施例1中波束扫描天线的双频馈源剖视图；
图5是本申请实施例1中波束扫描天线的双频馈源爆炸图；
图6是本申请实施例1中波束扫描天线为突出展示Ka辐射单元与Ka功分网络的部分结构示意图；
图7是本申请实施例1中波束扫描天线为突出展示Ku辐射单元与Ku功分网络的部分结构示意图；
图8是本申请实施例1中波束扫描天线的双通道波束偏折层的剖视图；
图9是本申请实施例1中波束扫描天线为突出展示第一金属单元层中结构A的部分结构示意图；
图10是本申请实施例1中波束扫描天线为突出展示第一金属单元层中结构B的部分结构示意图；
图11是本申请实施例1中波束扫描天线为突出展示第一金属单元层中结构C的部分结构示意图；
图12是本申请实施例1中波束扫描天线为突出展示第一金属单元层中结构D的部分结构示意图；
图13是本申请实施例1中波束扫描天线为突出展示低偏高透层中低频通道单元晶轴依次旋转的示意图；
图14是本申请实施例1中波束扫描天线为突出展示高偏低透层中高频通道单元晶轴依次旋转的示意图；
图15是本申请实施例1中波束扫描天线的双通道色散补偿层的剖视图；
图16是本申请实施例1中波束扫描天线为突出展示第二金属单元层的部分结构示意图；
图17是本申请实施例1中波束扫描天线为突出展示双通道子阵的部分结构示意图；
图18是本申请实施例1中波束扫描天线为突出展示第二金属单元层中结构E内二号子阵的部分结构示意图；
图19是本申请实施例1中波束扫描天线为突出展示第二金属单元层中结构E内三号子阵的部分结构示意图；
图20是本申请实施例1中波束扫描天线为突出展示第二金属单元层中结构E内四号子阵的部分结构示意图；
图21是本申请实施例1中波束扫描天线为突出展示第二金属单元层中结构E内五号子阵的部分结构示意图；
图22是本申请实施例1中波束扫描天线为突出展示第二金属单元层中结构F内二号子阵的部分结构示意图；
图23是本申请实施例1中波束扫描天线为突出展示第二金属单元层中结构F内三号子阵的部分结构示意图；
图24是本申请实施例1中波束扫描天线为突出展示第二金属单元层中结构F内四号子阵的部分结构示意图；
图25是本申请实施例1中波束扫描天线为突出展示第二金属单元层中结构F内五号子阵的部分结构示意图；
图26是本申请实施例2中天线组阵的整体结构示意图。
附图标记说明：1、底座；2、双频馈源；21、第一功分网络层；211、Ku功分网络；22、第二功分网络层；221、Ka功分网络；23、天线辐射层；231、Ku辐射单元；232、Ka辐射单元；3、双层空心转动机构；31、上外环；32、支撑环；33、下外环；34、驱动部；341、驱动电机；342、驱动齿轮；4、超表面平板；41、双通道波束偏折层；411、第一金属单元层；4111、第一低频透射通道；4112、第一高频偏折通道；4113、第一低频偏折通道；4114、第一高频透射通道；42、双通道色散补偿层；421、第二金属单元层；4211、双通道子阵；42111、第二低频透射通道；42112、第二高频透射通道；43、低偏高透层；44、高偏低透层；5、第一芯板；6、第一通孔；7、第二通孔；8、第三通孔；9、缝隙；10、金属通孔；11、第二芯板；12、第一泡沫板；13、第二泡沫板；15、第三芯板；16、第三泡沫板；17、支撑件；18、滚珠；19、环形轨道；20、轨道盖；26、第一金属底板；27、第二金属底板。
具体实施方式
以下结合附图1-26对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开一种双频段无色差波束扫描天线及其应用的天线组阵。
实施例1：
参照图1和3，一种双频段无色差波束扫描天线包括底座1、双频馈源2、双层空心转动机构3和两个超表面平板4。底座1呈正六边形，双频馈源2呈圆形并固定嵌设在底座1中部，双层空心转动机构3安装在底座1上，两个超表面平板4分别安装在双层空心转动机构3的两个空心旋转端内，两个超表面平板4呈圆形，两个超表面平板4位于双频馈源2正上方并平行于双频馈源2。超表面平板4包括堆叠的双通道波束偏折层41和双通道色散补偿层42，且双通道色散补偿层42位于双通道波束偏折层41远离双频馈源2的下方。
双频馈源2能够发射出双频电磁波，双频电磁波依次经过两个旋转的超表面平板4，双频电磁波首先经过超表面平板4的双通道波束偏折层41并发生偏折，再经过双通道色散补偿层42并进行消色差。如此，双频电磁波能够发生偏折的同时，提高天线在波束扫描中的带宽性能。使用双层空心转动机构3带动两个超表面平板4进行转动，从而对双频电磁波射出的仰俯角和方位角进行调节。如此，使得波束扫描天线具备低剖面、低重量、低成本和适应性强等特性。
参照图1和2，具体的，双层空心转动机构3包括上外环31、支撑环32、下外环33和两个驱动部34，支撑环32的外轮廓呈正六边形并与底座1相同，支撑环32通过十二个支撑件17固定安装在底座1上，本申请中，底座1和支撑件17均可选用为高硬度塑料制成，上外环31、支撑环32、下外环33均可选用为铝镁合金制成，从而减轻波束扫描天线的整体重量。
参照图3，支撑环32的横截面为向外侧凸出的凸型，上外环31和下外环33的横截面为L型，上外环31沿支撑环32的轴线方向相适配同轴转动套设在支撑环32的顶壁上，下外环33沿支撑环32的轴线方向相适配同轴转动套设在支撑环32的底壁上。
参照图1、2和3，两个超表面平板4嵌入安装在上外环31和下外环33内，上外环31与下外环33的内径为502mm，超表面平板4的外径为500mm，超表面平板4嵌入上外环31和下外环33内存在2mm的间隙，从而使得超表面平板4不易发生磕碰导致受损。
两个超表面平板4之间的间距为25mm，下层的超表面平板4与双频馈源2之间的间距为35mm，25mm与35mm的间距足够将双频馈源2与超表面平板4出射的Ku频段的局域电磁场转化为平面波，即可确保两层超表面平板4和双频馈源2彼此之间无局域场耦合，从而提高天线效率。
上外环31与支撑环32之间以及下外环33与支撑环32之间均开设有环形轨道19，环形轨道19内滚动安装有多个滚珠18，使用环形轨道19配合滚珠18，使得上外环31和下外环33可在支撑环32上自由进行旋转。支撑环32内侧壁上通过螺栓可拆卸固定安装有两个轨道盖20，打开两个轨道盖20，即可将滚珠18装入两个环形轨道19内。
驱动部34包括驱动电机341和驱动齿轮342，驱动电机341固定安装在底座1上，一个驱动电机341的驱动端位于支撑环32下方，另一个驱动电机341的驱动端贯穿支撑环32并位于支撑环32的上方，驱动齿轮342固定安装在驱动电机341的驱动端。
上外环31和下外环33的外侧壁上均形成有齿圈，且两个驱动齿轮342分别与两个齿圈啮合。本申请中，驱动电机341可选用为伺服电机。驱动电机341通过驱动齿轮342与齿圈带动上外环31和下外环33独立进行转动，采用驱动齿轮342啮合齿圈的形式对上外环31和下外环33进行驱动，从而使得超表面平板4的转动更加快速精准。
两个彼此独立旋转的超表面平板4，通过分别调整超表面平板4的旋转角，来实现正入射电磁波在透过两个超表面平板4组合后，透过的波束可以偏折到所需方向。当双频馈源2水平放置时，以水平方向为x轴和y轴建立二维坐标系，取x轴方向为两个超表面平板4旋转角和的初始角度，由于超表面平板4可以在xy平面内水平旋转，因此和的角度取值范围在0～360°。由此可以确定两个超表面平板4综合作用下，天线系统波束最大偏折角度为θmax，此时，旋转角ω1和ω2与波束的方位角俯仰角关系如下：
Figure BDA0004159406920000071
其中Δω＝(ω2-ω1)/2，因此设定ω2>ω1。根据上述关系式即可得出波束偏折角与两个超表面平板4转动角度之间的关系。两个驱动电机341分别连接各自的电源线和计算机外接控制线，通过计算机预先编写的软件，控制驱动电机341按要求旋转，从而控制波束的指向。
参照图4和5，具体的，双频馈源2包括由下至上叠置的第一功分网络层21、第二功分网络层22和天线辐射层23。第一功分网络层21包括一个第一芯板5和位于第一芯板5的底壁上的Ku功分网络211；第二功分网络层22包括两个第一芯板5和位于两个第一芯板5之间的Ka功分网络221；天线辐射层23包括一个第一芯板5和位于第一芯板5顶壁上的多个Ku辐射单元231和Ka辐射单元232，Ku辐射单元231和Ka辐射单元232共口面设置，且Ku辐射单元231与Ku功分网络211连接，Ka辐射单元232与Ka功分网络221连接。
双频馈源2作为平板天线发射双频电磁波，Ka功分网络221的输入端口为SMA接头，射频后端通过SMA接头与Ka功分网络221连接，且Ka频段的频率范围为19.6GHz-21.2GHz；Ku功分网络211的输入端口为SMA接头，射频后端通过SMA接头与Ku功分网络211连接，且Ku频段的频率范围为12.25GHz-12.75GHz。
Ka功分网络221与Ka辐射单元232配合发射高频电磁波，Ku功分网络211与Ku辐射单元231配合发射低频电磁波，使用双独立馈电通道，从而实现平板天线的双频工作带宽并增大了天线的辐射效率。Ku辐射单元231和Ka辐射单元232共口面排列，使得平板天线更加轻薄。
双频馈源2供包括五层金属铜层，4个损耗正切0.0009的PCB第一芯板5，五层金属铜层由上至下分别为天线辐射层23、第一金属底板26、Ka功分网络221、第二金属底板27和Ku功分网络211，四个第一芯板5依次分布在五层金属铜层之间。
在制备双频馈源2时，采用三步压合，三次通孔的流程：1、在顶壁为第一金属底板26、底壁为Ka功分网络221的第一芯板5上开设第一通孔6，第一通孔6的孔壁上电镀形成金属铜层，使得第一金属底板26与Ka功分网络221电连接；2、将底壁为第二金属底板27的第一芯板5压合在底壁为Ka功分网络221的第一芯板5的底壁上，在两个第一芯板5上开设第二通孔7，第二通孔7的孔壁上电镀形成金属铜层，使得第一金属底板26与第二金属底板27电连接；3、将顶壁为天线辐射层23的第一金属顶板压合在顶壁为第一金属底板26的第一芯板5的顶壁上，将底壁为Ku功分网络211的第一芯板5压合在底壁为第二金属底板27的第一芯板5的底壁上，在四个第一芯板5上开设第三通孔8，第三通孔8的孔壁上电镀形成金属铜层，使得Ku功分网络211与天线辐射层23内的Ku辐射单元231电连接。且每相邻两个第一芯板5之间均放置有PP半固化片进行粘接加固，使得双频馈源2的结构强度更高。
参照图5、6和7，每相邻四个Ku辐射单元231组成一个正方形格子，正方形格子围绕在一个Ka辐射单元232的周侧；每相邻四个辐射单元组成一个正方形格子，正方形格子围绕在一个Ku辐射单元231的周侧。Ku辐射单元231和Ka辐射单元232采用四边形相互嵌套格子排列，两套格子之间用连接第一芯板5的金属线做阻隔，从而降低了双频间的耦合互扰，提高了平板天线的辐射效率。
两套独立馈电网络皆为不等分馈电网络，用以匹配圆形双频馈源2的外形轮廓，不等分馈电网络确保天线的辐射口面能够最大程度的占据圆形双频馈源2面积，从而提升天线效率。Ku与Ka频段的不等分馈电网络在不等分的形式上相同，从总馈口进入到四分之一圆形双频馈源2的过程中是等分过程，之后在四分之一圆形双频馈源2内开始三阶不等分过程：第一阶为八比七的比例，占比八的一支依次经过三次等分到2*2辐射单元上进行辐射，占比七的一支进行第二次不等分馈电：第二节为四比三的比例，同理占比四的一支经过两次等分，占比三的一支进行第三次不等分馈电：第三节为二比一，再将占比三的三份能量馈入到2*2辐射单元上，至此整个幅面的单元都为等幅等相馈电。
Ku辐射单元231采用类十字结构，Ku辐射单元231通过第三通孔8与Ku功分网络211电连接，从而发出低频电磁波。相邻Ku辐射单元231进行90°几何旋转排布，Ku功分网络211进行微带线长度微调，实现90°相位差等差馈电，从而实现优秀圆极化轴比的Ku频段辐射。
Ka辐射单元232采用八边形结构，便于与Ku辐射单元231的类十字结构最大幅度的嵌套。第一金属底板26上对应多个Ka辐射单元232开设有多个C型缝隙9，且第一金属底板26位于每个缝隙9的周侧均开设有多个金属通孔10。Ka功分网络221通过第三通孔8与第一金属底板26电连接，第一金属底板26通过缝隙9以及金属通孔10与Ka辐射单元232耦合连接，从而发出高频电磁波。Ka频段馈电采用缝隙9耦合形式，最大化工作带宽，进一步优化辐射电磁波的轴比。
参照图4，四个第一芯板5中附带功分网络的三个第一芯板5厚度均为0.254mm，附带天线辐射层23的第一芯板5厚度为1.516mm，此外PP半固化片的厚度为0.1mm，铜箔厚度为35μm，双频馈源2的直径为500mm。如此，双频馈源2整体厚度在2.4mm之内，从而使得天线更加轻薄。
参照图8，具体的，双通道波束偏折层41包括层结构相同并叠置的低偏高透层43和高偏低透层44，低偏高透层43和高偏低透层44之间放置有第一泡沫板12，第一泡沫板12的相对两侧均铺设有一层氰酸酯胶膜，用于对低偏高透层43和高偏低透层44进行粘接加固，低偏高透层43位于高偏低透层44的下方，且低偏高透层43和高偏低透层44的层结构均为四层第一金属单元层411、三个第二芯板11和两个第二泡沫板13。
在低偏高透层43或高偏低透层44中，两个第二泡沫板13依次位于三个第二芯板11之间，两层第一金属单元层411对称位于低偏高透层43或高偏低透层44中间第二芯板11的上下两表面上，两层第一金属单元层411对称位于低偏高透层43或高偏低透层44上下两个第二芯板11相互远离的表面上。双通道波束偏折层41采用压合工艺制成，第一金属单元层411采用铜箔刻印而成，每个第二泡沫板13的相对两侧均铺设有一层氰酸酯胶膜，用于对三个第二芯板11进行粘接加固，使得双通道波束偏折层41结构强度更高。
参照图9和11，在低偏高透层43中，第一金属单元层411内形成有共面的近似圆形的第一低频各向异性单元和近似三角形的第一高频各向同性单元。第一低频各向异性单元作为第一低频偏折通道4113，并在发生旋转时，使得低频电磁波波束经过后发生偏折；第一高频各向同单元作为第一高频透射通道4114使得高频电磁波波束经过后发生透射。
位于低偏高透层43中部的第二芯板11的两表面上的第一金属单元层411形状相同，并记为结构A，位于低偏高透层43上下两侧的两个第二芯板11相互远离的表面上的第一金属单元层411形状相同，并记为结构B。结构A与结构B中第一低频各向异性单元和第一高频各向同性单元的尺寸在X轴向和Y轴向存在细微差别，从而能够实现低频信号的波束偏折。
参照图10和12，在高偏低透层44中，第一金属单元层411内形成有共面的近似六边形的第一低频各向同性单元和近似椭圆形的第一高频各向异性单元。第一低频各向同性单元作为第一低频透射通道4111使得低频电磁波波束经过后发生透射；第一高频各向异性单元作为第一高频偏折通道4112，并在发生旋转时，使得高频电磁波波束经过后发生偏折。
位于高偏低透层44中部的第二芯板11的两表面上的第一金属单元层411形状相同，并记为结构C，位于高偏低透层44上下两侧的两个第二芯板11相互远离的表面上的第一金属单元层411形状相同，并记为结构D。结构C与结构D中第一高频各向异性单元和第一低频各向同性单元的尺寸在X轴向和Y轴向存在细微差别，从而能够实现高频信号的波束偏折。
参照图9和10，在高偏低透层44和低偏高透层43中，多个第一低频透射通道4111与多个第一低频偏折通道4113一一对应，多个第一高频偏折通道4112与多个第一高频透射通道4114一一对应，使得双通道波束偏折层41对双频电磁波的透射和偏折效果更佳。
参照图8，当双频电磁波依次经过具有双通道的旋转的低偏高透层43和高偏低透层44后，双频电磁波均发生偏折。如此，降低了波束扫描天线的生产成本，并使得不同频率的电磁波在进行偏折时不易发生干扰。
参照图13和14，当相邻的各向异性单元晶轴旋转才能实现入射电磁波的反常偏折透射，其中低偏高透层43中低频通道相邻单元晶轴夹角为31°，高偏低透层44中高频通道相邻单元晶轴夹角为50°。如此，能够实现高低频电磁波都具有相同的偏折角度。
综上，超表面平板4中双通道波束偏折层41对于Ku频段正入射的圆极化电磁波，整个频段12.25-12.75GHz内透射率达到94％，Ka频段19.6-21.2GHz内，透射率达到91％，且双频段透射波的偏折角度都为设计值22.5°。
参照图8，第二芯板11选用为厚度0.508mm、节点常数2.55、损耗正切0.0013的PCB芯板，其内部为多层玻纤布与聚四氟乙烯和陶瓷填料的混合物；第一金属单元层411为厚度0.035mm的铜层；第一泡沫板12为厚度5mm的PMI泡沫板；第二泡沫板13为厚度2mm的PMI泡沫板。双通道波束偏折层41的厚度为16mm，从而使得超表面平板4更加轻薄。
参照图15，具体的，双通道色散补偿层42包括四层第二金属单元层421、四个第三芯板15和三个第三泡沫板16，四层第二金属单元层421分别位于四个第三芯板15上，三个第三泡沫板16分别位于四个第三芯板15之间。第三泡沫板16对第三芯板15进行分隔保护，使得第三芯板15上的第二金属单元层421不易受到损伤，氰酸酯胶膜对第三泡沫板16与第三芯板15之间进行粘连加固，使得双通道色散补偿层42结构强度更高。
参照图16和17，第二金属单元层421由五个双通道子阵4211依次排列组合而成，五个双通道子阵4211依次称为一号子阵、二号子阵、三号子阵、四号子阵和五号子阵，每个双通道子阵4211的宽度为100mm。每个双通道子阵4211内均形成有共面的第二低频透射通道42111和第二高频透射通道42112，且五个双通道子阵4211的透射相位按照等差数列依次分布。
双通道子阵4211由多个近似圆形的第二低频各向同性单元和多个近似三角形的第二高频各向同性单元共面构成。第二低频各向同性单元作为第二低频透射通道42111使得低频电磁波波束经过后发生透射，第二高频各向同性单元作为第二高频透射通道42112使得高频电磁波波束经过后发生透射，且相互嵌套的排列方式使得高低频电磁波之间不易发生干扰。
五个双通道子阵4211的透射相位按照等差数列依次分布，其中一号子阵作为起始子阵，不采用金属图案，而是裸露的第三芯板15，然后以一号子阵的透射相位斜率作为参考基底，二号子阵、三号子阵、四号子阵和五号子阵依次等差递增带内透射相位斜率。五个双通道子阵4211的透射相位斜率分别为：0，13.78，27.56，41.33，55.11(°/GHz)，满足斜率表达式在波束偏折角22.5°时的子阵相位斜率分布要求，对该偏折角度超表面进行带内带间色散完美补偿。
参照图17，第二金属单元层421中第二高频各向同性单元和第二低频各向同性单元之间存在有多个间隙，随着双通道子阵4211的序号不断增加，第二金属单元层421中金属区域的占空比越来越大，第二金属单元层421中间隙的占空比不断减小。通过减小金属图案的间隙，增大电磁场的近场耦合现象，压缩通带的频率范围，从而提升双频带宽内透射相位随频率变化的斜率值。
参照图15和图18-25，随着双通道子阵4211的序号不断增加，双频带宽内透射相位随频率变化的斜率值不断增加。通过双频带宽内不断增加的斜率值对不同频点的波束进行补偿，从而实现电磁波消色差。使用双通道色散补偿层42对斜角度出射的双频电磁波进行消色差，成本更低且效率更高，从而提高平板天线在波束扫描中的瞬时带宽性能。
位于双通道色散补偿层42中部的两个第三芯板15相互远离表面上的第二金属单元层421形状相同，并记为结构E，位于双通道色散补偿层42上下两侧的两个第三芯板15相互远离表面上的第二金属单元层421形状相同，并记为结构F。结构E与结构F中第二高频各向同性单元和第二低频各向同性单元的尺寸存在细微差别，如此，能够提升高频电磁波与低频电磁波的透射率。
双通道色散补偿层42对于Ku频段正入射的电磁波，整个频段12.25-12.75GHz内平均透射率达到96％，Ka频段19.6-21.2GHz内平均透射率达到92％，且Ku和Ka频段内的透射相位斜率依照双通道子阵4211序号呈等差数列分布。
参照图15，第三芯板15选用为厚度0.508mm、节点常数2.55、损耗正切0.0013的PCB芯板，其内部为多层玻纤布与聚四氟乙烯和陶瓷填料的混合物；第二金属单元层421为厚度0.035mm的铜箔刻印而成；三个第三泡沫板16均采用0.11g/cm3密度的PMI泡沫板，且三个第三泡沫板16的厚度依次为3.9mm、2.6mm和3.9mm；氰酸酯胶层的厚度为0.106mm。双通道色散补偿层42的厚度为13.4mm，从而使得超表面平板4更加轻薄。
参照图8和15，双通道色散补偿层42与双通道波束偏折层41组合后，其双通道双频段波束偏折消色差的工作机理如下(低频高频工作机理相同)：第一步，入射电磁波首先经过双通道色散补偿层42，利用双通道子阵4211相位斜率的等差数值分布进行带内相位补偿，预留好带内消色差的阵面相位需求；第二步，电磁波再经过波束偏折超表面，把每个子阵内的透射相位差做成梯度相位分布，结合整个阵面的子阵相位分布，即可实现双频段带间带内完美消色差。
本申请实施例1的实施原理为：双频馈源2能够发射出双频电磁波，双频电磁波依次经过两个超表面平板4，双频电磁波首先经过超表面平板4的双通道波束偏折层41，再经过双通道色散补偿层42。当双频电磁波经过双通道波束偏折层41后发生偏折，当双频电磁波经过双通道色散补偿层42后进行消色差，使得双频电磁波能够发生偏折的同时，提高了天线在波束扫描中的带宽性能。使用双层空心转动机构3带动两个超表面平板4进行转动，从而对双频电磁波射出的仰俯角和方位角进行调节。如此，使得波束扫描天线具备低剖面、低重量、低成本和适应性强等特性。
实施例2：
参照图26，本申请实施例公开了一种天线组阵，包括至少三个上述一种双频段无色差波束扫描天线，每三个波束扫描天线组成一个三角格子并拼接组成天线组阵。将三个波束扫描天线的底座1和支撑环32进行拼接，即可快速完成三个波束扫描天线的拼接，且三个底座1与支撑环32进行拼接，使得天线组阵结构更加稳定。
此时，一个驱动部34的驱动齿轮342同时啮合一个三角格子中三个上外环31的齿圈，一个驱动部34的驱动齿轮342同时啮合相邻的另一个三角格子中三个下外环33的齿圈。一个驱动部34可同时驱动多个上外环31或下外环33进行转动，从而进一步降低天线组阵的生产成本。
一个驱动部34可驱动三个超表面平板4同步进行转动，因此，天线组阵的三个分天线全部指向相同方向，天线组阵相对单个天线提升4.5dB增益。
本申请实施例2的实施原理为：将多个波束扫描天线拼接组合成天线组阵，形成等效更大口径的天线阵列，从而提高天线整体增益，增强天线通讯效率。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双频段无色差波束扫描天线，其特征在于：包括底座(1)、双频馈源(2)、双层空心转动机构(3)和两个超表面平板(4)，所述双频馈源(2)设置在底座(1)内，所述双层空心转动机构(3)设置在底座(1)上，两个所述双频馈源(2)分别设置在双层空心转动机构(3)的两个空心旋转端，且所述超表面平板(4)位于双频馈源(2)上方，所述超表面平板(4)包括用于对双频电磁波进行偏折的双通道波束偏折层(41)和用于对双频电磁波进行消色差的双通道色散补偿层(42)。
2.根据权利要求1所述的一种双频段无色差波束扫描天线，其特征在于：所述双频馈源(2)包括第一功分网络层(21)、第二功分网络层(22)和天线辐射层(23)，所述天线辐射层(23)内形成有多个与第一功分网络层(21)连接的Ku辐射单元(231)以及多个与第二功分网络层(22)连接的Ka辐射单元(232)。
3.根据权利要求2所述的一种双频段无色差波束扫描天线，其特征在于：多个所述Ku辐射单元(231)和Ka辐射单元(232)形成相互嵌套的排列形式。
4.根据权利要求1所述的一种双频段无色差波束扫描天线，其特征在于：所述双通道波束偏折层(41)包括至少两个第一金属单元层(411)，一个所述第一金属单元层(411)内形成有共面的第一低频透射通道(4111)和第一高频偏折通道(4112)，另一个所述第一金属单元层(411)内形成有共面的第一低频偏折通道(4113)和第一高频透射通道(4114)。
5.根据权利要求4所述的一种双频段无色差波束扫描天线，其特征在于：所述第一低频透射通道(4111)与第一低频偏折通道(4113)对应，所述第一高频偏折通道(4112)与第一高频透射通道(4114)对应。
6.根据权利要求1所述的一种双频段无色差波束扫描天线，其特征在于：所述双通道色散补偿层(42)包括至少一个第二金属单元层(421)，所述第二金属单元层(421)由多个双通道子阵(4211)排列组合而成，所述双通道子阵(4211)内形成有共面的第二低频透射通道(42111)和第二高频透射通道(42112)，且多个所述双通道子阵(4211)的透射相位按照等差数列依次分布。
7.根据权利要求6所述的一种双频段无色差波束扫描天线，其特征在于：相邻所述双通道子阵(4211)的高频带宽内，透射相位关于频率的斜率为等差数列排布，相邻所述双通道子阵(4211)的低频带宽内，透射相位关于频率的斜率为等差数列排布。
8.根据权利要求1所述的一种双频段无色差波束扫描天线，其特征在于：所述双层空心转动机构(3)包括上外环(31)、支撑环(32)、下外环(33)和两个驱动部(34)，所述支撑环(32)通过支撑件(17)设置在底座(1)上，所述上外环(31)和下外环(33)分别转动套设在支撑环(32)轴线方向的两侧，两个所述超表面平板(4)分别设置在上外环(31)和下外环(33)内，两个所述驱动部(34)设置在底座(1)上并分别驱动上外环(31)和下外环(33)单独转动。
9.根据权利要求8所述的一种双频段无色差波束扫描天线，其特征在于：所述驱动部(34)包括驱动电机(341)和驱动齿轮(342)，所述上外环(31)和下外环(33)的外侧壁上均形成有与驱动齿轮(342)啮合的齿圈。
10.一种天线组阵，其特征在于：包括多个权利要求1至9任意一项所述波束扫描天线，所述底座(1)与支撑环(32)设置为形状相同的多边形，多个所述波束扫描天线拼接组合成天线组阵，多个多边形的所述底座(1)进行拼接，多个多边形的所述支撑环(32)进行拼接，一个所述驱动部(34)驱动多个波束扫描天线的上外环(31)进行转动，另一个所述驱动部(34)驱动多个波束扫描天线的下外环(33)进行转动。
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