CN117220037A - 一种基于多馈源多波束技术的双频双圆极化波束覆盖透射阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信系统电子器件领域，公开了一种基于多馈源多波束技术的双频双圆极化波束覆盖透射阵天线系统，包括相对平行设置的第一款平面馈源阵列和第一款平面透射阵，相对平行设置的第二款平面馈源阵列和第二款平面透射阵，第一款平面透射阵包含多个呈共口径周期性排布的18GHz双圆极化相移单元和28GHz双圆极化相移单元，第二款平面透射阵包含多个呈共口径周期性排布的19.5GHz双圆极化相移单元和29.5GHz双圆极化相移单元。本发明采用集成化的双频双圆极化馈源阵列，实现了多馈源多波束覆盖，且波束间存在频率或者极化的差异，减少了波束间的串扰，在高通量卫星通信等领域具有重要的应用前景。

Description

一种基于多馈源多波束技术的双频双圆极化波束覆盖透射阵 天线

技术领域

本发明属于无线通信系统电子器件领域，具体涉及一种基于多馈源多波束技术的双频双圆极化波束覆盖透射阵天线。

背景技术

卫星通信技术，尤其是高通量卫星通信技术正在被广泛地关注，其对通信容量、通信速率、覆盖范围等都提出了更高的要求。Ka/K波段是目前应用比较广泛的高通量卫星通信频段，其中K波段负责下行传输，Ka波段负责上行传输。为了提升高通量卫星通信的性能，采用了“四色法”波束覆盖技术来实现频率和极化的复用。“四色法”波束覆盖技术指的是两两相邻波束之间是不同的频率或者不同的极化，这样便可以在实现频率和极化复用的同时使得波束之间具有较低的信号串扰。因此，双频双圆极化天线阵列在高通量卫星通信中有着重要的应用前景。

从已报导的文献来看，实现了双频双圆极化特性的天线阵列主要分为两种，分别是双频双圆极化的反射阵天线和双频双圆极化的透射阵天线。现有文献报导了一些双频双圆极化反射阵天线，例如利用动态相位、旋转相位调控和共口径排布实现的单功能层双频双圆极化反射阵天线；利用组合双频双线极化反射阵天线和双频线圆极化转换器实现的双功能层双频双圆极化反射阵天线；通过组合两个分别工作于不同频段的双圆极化反射阵天线和放置在其中间的频率选择表面实现的三功能层双频双圆极化反射阵天线。但是这些双频双圆极化反射阵天线都存在一个不可避免的共性问题，即馈源遮挡问题。因此，为了避免馈源遮挡问题，也有文献报导了双频双圆极化透射阵天线，但是其金属层数量较多，导致加工上比较复杂。虽然已报导的文献已经实现了具备双频双圆极化特性的天线，但是将其应用在高通量卫星通信领域，实现“四色法”波束覆盖性能的还未见报导。为了满足高通量卫星通信的需求，需要对具备波束覆盖特性的双频双圆极化透射阵天线进行探索。

发明内容

技术目的：本发明公开了一种基于多馈源多波束技术的双频双圆极化波束覆盖透射阵天线系统，可以满足高通量卫星通信系统对天线的需求，其利用两款工作于不同频段的双频双圆极化透射阵以及多馈源的技术，实现了满足“四色法”需求的多个不同频率和不同极化的波束。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于多馈源多波束技术的双频双圆极化波束覆盖透射阵天线系统，其特征在于：包括相对平行设置的第一款平面馈源阵列和第一款平面透射阵，相对平行设置的第二款平面馈源阵列和第二款平面透射阵，所述第一款平面馈源阵列和第二款平面馈源阵列位于同一平面，第一款平面透射阵和第二款平面透射阵位于同一平面；

其中，所述第一款平面透射阵包含多个呈共口径周期性排布的18GHz双圆极化相移单元和28GHz双圆极化相移单元，所述第二款平面透射阵包含多个呈共口径周期性排布的19.5GHz双圆极化相移单元和29.5GHz双圆极化相移单元，所有28GHz双圆极化相移单元排布在18GHz双圆极化相移单元围成的圆形区域内，所有29.5GHz双圆极化相移单元排布在19.5GHz双圆极化相移单元围成的圆形区域内。

优选地，所述第一款平面馈源阵列包含四个呈2×2排布的工作于18GHz和28GHz的双频双圆极化馈源天线，所述第二款平面馈源阵列包含四个呈2×2排布的工作于19.5GHz和29.5GHz的双频双圆极化馈源天线；各双频双圆极化馈源天线都采用宽带馈电网络缝隙耦合双频辐射贴片的形式。

优选地，所述双频双圆极化馈源天线包括六层金属层，即自下至上设置的馈源第一金属地板层、馈源馈线层、馈源带状线电路层、馈源第二金属地板层、馈源第一贴片层和馈源第二贴片层，其中，馈源第一金属地板层和馈源带状线电路层通过馈源第一金属柱连接，馈源第一金属地板层和馈源第二金属地板层通过馈源第二金属柱连接，馈源馈线层和馈源带状线电路层通过馈源第三金属柱连接；

其中，所述馈源第一金属地板层为整块的金属地板并留有两个用于连接接头的馈线；馈源馈线层有四个“Y”形的馈线，用于激励起馈源天线的x极化波；馈源带状线电路层由一个宽带耦合器和六个宽带功率分配器组成，馈源带状线电路层有两个输入端口和8个输出端口，馈源第二金属地板层上设有“十”字形缝隙；馈源第一贴片层包含多个第一贴片单元，每个第一贴片单元包括四个呈2×2排布的贴片；馈源第二贴片层包括多个第二贴片单元，每个第二贴片单元包括十六个呈4×4排布的贴片。

优选地，所述双频双圆极化馈源天线还包括五层基片层和四层粘接层，即自下至上设置的馈源第一基片层、馈源第二基片层、馈源第三基片层、馈源第四基片层和馈源第五基片层，其中，在馈源第一基片层和馈源第二基片层之间有馈源第一粘接层，在馈源第二基片层和馈源第三基片层之间有馈源第二粘接层，在馈源第三基片层和馈源第四基片层之间有馈源第三粘接层，在馈源第四基片层和馈源第五基片层之间有馈源第四粘接层；

所述馈源第一金属地板层设置于馈源第一基片层的下方，馈源馈线层设置于馈源第二基片层的下方，馈源带状线电路层设置于馈源第二基片层的上方，馈源第二金属地板层设置于馈源第三基片层的上方，馈源第一贴片层设置于馈源第四基片层的上方，馈源第二贴片层设置于馈源第五基片层的上方。

优选地，所述18GHz双圆极化相移单元、28GHz双圆极化相移单元、19.5GHz双圆极化相移单元和29.5GHz双圆极化相移单元均包括接收天线、移相带状线和发射天线，接收天线和发射天线通过移相带状线连接，且移相带状线在两个正交光轴上相差180°。

优选地，所述18GHz双圆极化相移单元呈二维周期性排布在边长为18GHz周期长度的正方形网格顶点上，28GHz双圆极化相移单元呈二维周期性排布在边长为18GHz周期长度的正方形网格中心点上，18GHz双圆极化相移单元的周期长度为0.3～0.5个18GHz波长，28GHz双圆极化相移单元的周期长度为0.5～0.8个28GHz波长；

所述19.5GHz双圆极化相移单元呈二维周期性排布在边长为19.5GHz周期长度的正方形网格顶点上，29.5GHz双圆极化相移单元呈二维周期性排布在边长为19.5GHz周期长度的正方形网格中心点上，19.5GHz双圆极化相移单元的周期长度为0.3～0.5个19.5GHz波长，29.5GHz双圆极化相移单元的周期长度为0.5～0.8个29.5GHz波长。

优选地，各个相移单元包括七层金属层，即自下至上设置的平面透射阵第一金属层，平面透射阵第二金属层，平面透射阵第三金属层，平面透射阵第四金属层，平面透射阵第五金属层，平面透射阵第六金属层和平面透射阵第七金属层；其中，平面透射阵第二金属层和平面透射阵第六金属层通过平面透射阵第一金属柱连接，平面透射阵第三金属层和平面透射阵第七金属层通过平面透射阵第二金属柱连接；

其中，平面透射阵第一金属层和平面透射阵第七金属层都采用了±45度方向切角的圆形贴片，平面透射阵第二金属层和平面透射阵第六金属层都采用有正交“工”字形缝隙的金属地板层，平面透射阵第三金属层和平面透射阵第五金属层都采用正交带状移相线，平面透射阵第四金属层采用了有两个圆形缝隙的金属地板层。

优选地，所述相移单元还包括六层基片层和三层粘接层，即自下至上设置的平面透射阵第一基片层，平面透射阵第二基片层，平面透射阵第三基片层，平面透射阵第四基片层，平面透射阵第五基片层，平面透射阵第六基片层；其中，在平面透射阵第二基片层和平面透射阵第三基片层之间设置有平面透射阵第一粘接层，在平面透射阵第三基片层和平面透射阵第四基片层之间设置有平面透射阵第二粘接层，在平面透射阵第四基片层和平面透射阵第五基片层之间设置有平面透射阵第三粘接层。

所述平面透射阵第一基片层的下方设置有平面透射阵第一金属层，在平面透射阵第二基片层的下方设置有平面透射阵第二金属层，在平面透射阵第三基片层的下方设置有平面透射阵第三金属层，在平面透射阵第四基片层的下方设置有平面透射阵第四金属层，在平面透射阵第四基片层的上方设置有平面透射阵第五金属层，在平面透射阵第五基片层的上方设置有平面透射阵第六金属层，在平面透射阵第六基片层的上方设置有平面透射阵第七金属层。

优选地，采用如下方式产生多馈源多波束：激励第一款平面馈源阵列，在第一款平面透射阵上形成不同指向的16个波束，激励第二款平面馈源阵列，在第二款平面透射阵上形成不同指向的16个波束，产生的32个波束覆盖了预设范围，且指向同一方向的两个波束是不同频率和不同极化的波束；馈源数量和所产生的波束数量均可扩展，且满足所产生的波束数量是馈源数量的4倍。

优选地，所述第一款平面馈源阵列放置于第一款平面透射阵的焦平面附近，距离第一款平面透射阵的垂直距离为F1，第一款平面透射阵的直径为D1，其中0.3≤F1/D1≤1.5，第二款平面馈源阵列放置于第二款平面透射阵的焦平面附近，距离第二款平面透射阵的垂直距离为F2，第二款平面透射阵的直径为D2，其中0.3≤F2/D2≤1.5。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种基于多馈源多波束技术的双频双圆极化波束覆盖透射阵天线，其优势在于：

(1)本发明利用集成化的双频双圆极化馈源阵列，实现了双频双圆极化波束覆盖，从而避免了传统方式需要频繁更换和移动馈源带来的系统复杂性增加；

(2)本发明所提出的18GHz双圆极化相移单元、19.5GHz双圆极化相移单元、28GHz双圆极化相移单元和29.5GHz双圆极化相移单元都采用了在两个正交光轴上存在180度相位差的形式，从而实现了高效率的交叉圆极化透射效率；

(3)本发明结合动态相位变化和旋转相位变化，在18GHz、19.5GHz、28GHz和29.5GHz都实现了对左旋圆极化透射相位和右旋圆极化透射相位的独立调控，即实现了双频双圆极化波束的独立可控；

(4)本发明将所需的低频左/右圆极化馈源和高频左/右圆极化馈源集成设计为一款双频双圆极化馈源，从而在实现多馈源多波束时节省了空间，同时还降低了透射阵天线整体的剖面；

(5)本发明所提出的透射阵天线系统只采用了单功能层结构，具备低剖面、易集成的优势，透射阵的剖面只有0.18λ₀。

附图说明

图1为本发明所提出的一种基于多馈源多波束技术的双频双圆极化波束覆盖透射阵天线的三维示意图；

图2是平面馈源阵列的层叠结构示意图；

图3是平面馈源阵列各个金属层的俯视图；

图4是平面透射阵的层叠结构示意图；

图5是平面透射阵各个金属层的俯视图；

其中，1-第一款平面馈源阵列，2-第一款平面透射阵，3-第二款平面馈源阵列，4-第二款平面透射阵；

11-第一款平面馈源阵列天线单元一，12-第一款平面馈源阵列天线单元二，13-第一款平面馈源阵列天线单元三，14-第一款平面馈源阵列天线单元四；

21-18GHz双圆极化相移单元，22-28GHz双圆极化相移单元；

31-第二款平面馈源阵列天线单元一，32-第二款平面馈源阵列天线单元二，33-第二款平面馈源阵列天线单元三，34-第二款平面馈源阵列天线单元四；

41-19.5GHz双圆极化相移单元，42-29.5GHz双圆极化相移单元；

5a-平面馈源阵列第一基片层，5b-平面馈源阵列第二基片层，5c-平面馈源阵列第三基片层，5d-平面馈源阵列第四基片层，5e-平面馈源阵列第五基片层，5f-平面馈源阵列第一粘接层，5g-平面馈源阵列第二粘接层，5h-平面馈源阵列第三粘接层，5i-平面馈源阵列第四粘接层；

5j-平面馈源阵列第一金属地板层，5k-平面馈源阵列馈线层，5l-平面馈源阵列带状线网络层，5m-平面馈源阵列第二金属地板层，5n-平面馈源阵列第一贴片层，5o-平面馈源阵列第二贴片层，5p-平面馈源阵列第一金属柱，5q-平面馈源阵列第二金属柱，5r-平面馈源阵列第三金属柱；

6a-平面透射阵第一基片层，6b-平面透射阵第二基片层，6c-平面透射阵第三基片层，6d-平面透射阵第四基片层，6e-平面透射阵第五基片层，6f-平面透射阵第六基片层，6g-平面透射阵第一粘接层，6h-平面透射阵第二粘接层，6i-平面透射阵第三粘接层；

6j-平面透射阵第一金属层，6k-平面透射阵第二金属层，6l-平面透射阵第三金属层，6m-平面透射阵第四金属层，6n-平面透射阵第五金属层，6o-平面透射阵第六金属层，6p-平面透射阵第七金属层，6q-平面透射阵第一金属柱，6r-平面透射阵第二金属柱；

图6给出了18GHz双圆极化相移单元一至单元四，19.5GHz双圆极化相移单元一至单元四，28GHz双圆极化相移单元一至单元四和29.5GHz双圆极化相移单元一至单元四的透射系数幅度和透射相位，图6A对应18GHz双圆极化相移单元一至单元四，图6B对应19.5GHz双圆极化相移单元一至单元四，图6C对应28GHz双圆极化相移单元一至单元四，图6D对应29.5GHz双圆极化相移单元一至单元四；

图7给出了18GHz双圆极化相移单元一至单元四，19.5GHz双圆极化相移单元一至单元四，28GHz双圆极化相移单元一至单元四和29.5GHz双圆极化相移单元一至单元四旋转不同角度后所形成的右旋圆极化2比特×左旋圆极化2比特共16种状态的透射相位分布图，图7A对应18GHz双圆极化相移单元，图7B对应19.5GHz双圆极化相移单元，图7C对应28GHz双圆极化相移单元，图7D对应29.5GHz双圆极化相移单元；

图8给出了所述双频双圆极化波束覆盖透射阵天线所产生的32个波束的3dB增益轮廓图；

图9给出了所述双频双圆极化波束覆盖透射阵天线所产生32个波束计算的增益和轴比随频率变化的曲线，图9A对应18GHz馈源激励下的，图9B对应19.5GHz馈源激励下的，图9C对应28GHz馈源激励下的，图9D对应29.5GHz馈源激励下的。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的说明。

实施例一

本发明是以卫星通信应用为背景的，目前高通量卫星通信使用的频段大多为K/Ka波段，其具体的频率范围为：下行：17.7–21.2GHz；上行：27.5–31GHz。因此，根据上述频率范围选取了18GHz和19.5GHz形成了下行的四色法复用，选取了28GHz和29.5GHz形成了上行的四色法复用。

如图1所示，本实施例提出了一种基于多馈源多波束技术的双频双圆极化波束覆盖透射阵天线系统，包括工作于18GHz和28GHz的第一款平面馈源阵列1，工作于18GHz和28GHz的第一款平面透射阵2，工作于19.5GHz和29.5GHz的第二款平面馈源阵列3，工作于19.5GHz和29.5GHz的第二款平面透射阵4。第一款平面馈源阵列1和第二款平面馈源阵列3统称为平面馈源阵列，第一款平面透射阵2和第二款平面透射阵4统称为平面透射阵。第一款平面馈源阵列1放置在第一款平面透射阵2的焦平面附近，第二款平面馈源阵列3放置在第二款平面透射阵4的焦平面附近。第一款平面透射阵2的直径为D1，此处设置为243.6mm，第一款平面馈源1距第一款透射阵2的垂直距离为F1，此处设置为211.4mm，F1/D1的值在0.3～1.5之间，此处设置为0.87，第二款平面透射阵4的直径为D2，此处设置为220.4mm，第二款平面馈源3距第二款透射阵4的垂直距离为F2，此处设置为211.4mm，F2/D2的值在0.3～1.5之间，此处设置为0.96。

如图1所示，第一款平面馈源阵列1包含四个呈2×2排布的工作于18GHz和28GHz的双频双圆极化馈源天线单元一11，双频双圆极化馈源天线单元二12，双频双圆极化馈源天线单元三13，双频双圆极化馈源天线单元四14。每个馈源天线单元都是双频双圆极化天线，即可以同时辐射18GHz右旋圆极化波、18GHz左旋圆极化波、28GHz右旋圆极化波和28GHz左旋圆极化波。第一款平面透射阵2包含呈共口径周期性排布的18GHz双圆极化相移单元21和28GHz双圆极化相移单元22。其中，18GHz双圆极化相移单元21呈二维周期性排布在边长为18GHz周期长度的正方形网格顶点上，28GHz双圆极化相移单元22呈二维周期性排布在边长为18GHz周期长度的正方形网格中心点上；18GHz双圆极化相移单元21的周期长度为0.3～0.5个18GHz波长，此处设置为5.8mm，即0.35个18GHz波长，28GHz双圆极化相移单元22的周期长度为0.5～0.8个28GHz波长，此处设置为5.8mm，即0.54个28GHz波长。

如图1所示，第二款平面馈源阵列3同理，包含四个呈2×2排布的工作于19.5GHz和29.5GHz的双频双圆极化馈源天线单元一31，双频双圆极化馈源天线单元二32，双频双圆极化馈源天线单元三33，双频双圆极化馈源天线单元四34。每个馈源天线单元都是双频双圆极化天线，即可以同时辐射19.5GHz右旋圆极化波、19.5GHz左旋圆极化波、29.5GHz右旋圆极化波和29.5GHz左旋圆极化波。第二款平面透射阵4包含呈共口径周期性排布的19.5GHz双圆极化相移单元41和29.5GHz双圆极化相移单元42。其中，19.5GHz双圆极化相移单元41呈二维周期性排布在边长为19.5GHz周期长度的正方形网格顶点上，29.5GHz双圆极化相移单元42呈二维周期性排布在边长为19.5GHz周期长度的正方形网格中心点上；19.5GHz双圆极化相移单元41的周期长度为0.3～0.5个19.5GHz波长，此处设置为5.8mm，即0.38个19.5GHz波长，29.5GHz双圆极化相移单元42的周期长度为0.5～0.8个29.5GHz波长，此处设置为5.8mm，即0.57个29.5GHz波长。

1、平面馈源阵列

本发明采用的馈源形式为双频双圆极化的馈源，此馈源形式可以在很大程度上减少馈源的使用数量。如图1所示，第一款平面馈源阵列1包含四个呈2×2排布的工作于18GHz和28GHz的双频双圆极化馈源天线单元一11，双频双圆极化馈源天线单元二12，双频双圆极化馈源天线单元三13，双频双圆极化馈源天线单元四14。四个双频双圆极化馈源天线单元完全一致，呈2×2排布在第一款平面透射阵的焦平面附近。工作于18GHz和28GHz的双频双圆极化馈源天线单元采用双频馈电网络缝隙激励双频辐射贴片的形式，通过分别激励两个馈电端口，形成在18GHz和28GHz的左旋圆极化波辐射，18GHz和28GHz的右旋圆极化辐射。

如图1所示，第二款平面馈源阵列3包含四个呈2×2排布的工作于19.5GHz和29.5GHz的双频双圆极化馈源天线单元一31，双频双圆极化馈源天线单元二32，双频双圆极化馈源天线单元三33，双频双圆极化馈源天线单元四34。四个双频双圆极化馈源天线单元完全一致，呈2×2排布在第二款平面透射阵的焦平面附近。工作于19.5GHz和29.5GHz的双频双圆极化馈源天线单元采用双频馈电网络缝隙激励双频辐射单元的形式，通过分别激励两个馈电端口，形成在19.5GHz和29.5GHz的左旋圆极化波辐射，19.5GHz和29.5GHz的右旋圆极化辐射。

如图2和图3所示，平面馈源阵列包括六层金属层，即自下至上设置的馈源第一金属地板层5j、馈源馈线层5k、馈源带状线电路层5l、馈源第二金属地板层5m、馈源第一贴片层5n和馈源第二贴片层5o；其中，馈源第一金属地板层5j和馈源带状线电路层5l通过馈源第一金属柱5p连接，馈源第一金属地板层5j和馈源第二金属地板层5m通过馈源第二金属柱5q连接，馈源馈线层5k和馈源带状线电路层5l通过馈源第三金属柱5r连接。

如图2所示，平面馈源阵列还包括五层基片层和四层粘接层，即自下至上设置的馈源第一基片层5a、馈源第二基片层5b、馈源第三基片层5c、馈源第四基片层5d和馈源第五基片层5e；在馈源第一基片层5a和馈源第二基片层5b之间有馈源第一粘接层5f，在馈源第二基片层5b和馈源第三基片层5c之间有馈源第二粘接层5g，在馈源第三基片层5c和馈源第四基片层5d之间有馈源第三粘接层5h，在馈源第四基片层5d和馈源第五基片层5e之间有馈源第四粘接层5i。

在本实施例中，馈源第一金属地板层5j设置于馈源第一基片层5a的下方，馈源馈线层5k设置于馈源第二基片层5b的下方，馈源带状线电路层5l设置于馈源第二基片层5b的上方，馈源第二金属地板层5m设置于馈源第三基片层5c的上方，馈源第一贴片层5n设置于馈源第四基片层5d的上方，馈源第二贴片层5o设置于馈源第五基片层5e的上方。

在本实施例中，采用平面馈源阵列，不仅可以降低透射阵天线的整体剖面，还可以在实现双频双圆极化波束覆盖时不需要频繁的移动或替换馈源，以满足多频多极化系统的集成需求。

在本实施例中，馈源第一金属地板层5j为整块的金属地板并留有两个用于连接接头的馈线；馈源馈线层5k有四个“Y”形的馈线，用于激励起馈源天线的x极化波；而由于两个馈线不能置于同一层(会发生交叠)，因此将两个馈线置于不同层。平面馈源阵列的馈源带状线电路层5l由一个宽带耦合器和六个宽带功率分配器组成，馈源带状线电路层5l有两个输入端口和8个输出端口，当分别激励馈源带状线电路层5l的两个输入端口时，可以在馈源带状线电路层5l的8个输出端口形成左旋圆极化所需的-90度相位差和右旋圆极化所需的90度相位差。在馈源第二金属地板层5m上有“十”字形缝隙，馈源带状线电路层5l通过馈源第二金属地板层5m上的“十”字形缝隙激励起双频辐射贴片。馈源第一贴片层5n包含四个呈2×2排布的贴片，馈源第二贴片层5o包含十六个呈4×4排布的贴片，馈源第一贴片层5n和馈源第二贴片层5o共同组成平面馈源阵列的双频辐射贴片。

在本实施例中，第一款平面馈源阵列1和第二款平面馈源阵列3都采用双频馈电网络缝隙激励双频辐射贴片的形式，形成双频双圆极化辐射特性。区别在于第一款平面馈源阵列1工作于18GHz和28GHz，第二款平面馈源阵列3工作于19.5GHz和29.5GHz。

2、平面透射阵

本发明中，第一款平面透射阵2包含18GHz双圆极化相移单元21和28GHz双圆极化相移单元22；第二款平面透射阵4包含19.5GHz双圆极化相移单元41和29.5GHz双圆极化相移单元42。18GHz双圆极化相移单元21、28GHz双圆极化相移单元22、19.5GHz双圆极化相移单元41和29.5GHz双圆极化相移单元42在形式上一致，都采用了接收天线-移相带状线-发射天线的形式，接收天线和发射天线通过移相带状线连接。可通过自下至上设置的若干金属层实现，且基于接收天线-移相-发射天线形式的天线结构都采用的是带状线缝隙耦合圆形贴片的结构。

如图4和图5所示，平面透射阵包括七层金属层，即自下至上设置的平面透射阵第一金属层6j，平面透射阵第二金属层6k，平面透射阵第三金属层6l，平面透射阵第四金属层6m，平面透射阵第五金属层6n，平面透射阵第六金属层6o和平面透射阵第七金属层6p；其中，平面透射阵第二金属层6k和平面透射阵第六金属层6o通过平面透射阵第一金属柱6q连接，平面透射阵第三金属层6l和平面透射阵第七金属层6p通过平面透射阵第二金属柱6r连接。

如图4所示，平面透射阵还包括六层基片层和三层粘接层，即自下至上设置的平面透射阵第一基片层6a，平面透射阵第二基片层6b，平面透射阵第三基片层6c，平面透射阵第四基片层6d，平面透射阵第五基片层6e，平面透射阵第六基片层6f；其中，在平面透射阵第二基片层6b和平面透射阵第三基片层6c之间设置有平面透射阵第一粘接层6g，在平面透射阵第三基片层6c和平面透射阵第四基片层6d之间设置有平面透射阵第二粘接层6h，在平面透射阵第四基片层6d和平面透射阵第五基片层6e之间设置有平面透射阵第三粘接层6i。

在本实施例中，在平面透射阵第一基片层6a的下方设置有平面透射阵第一金属层6j，在平面透射阵第二基片层6b的下方设置有平面透射阵第二金属层6k，在平面透射阵第三基片层6c的下方设置有平面透射阵第三金属层6l，在平面透射阵第四基片层6d的下方设置有平面透射阵第四金属层6m，在平面透射阵第四基片层6d的上方设置有平面透射阵第五金属层6n，在平面透射阵第五基片层6e的上方设置有平面透射阵第六金属层6o，在平面透射阵第六基片层6f的上方设置有平面透射阵第七金属层6p。

如图5所示，平面透射阵第一金属层6j和平面透射阵第七金属层6p都采用了±45度方向切角的圆形贴片，平面透射阵第二金属层6k和平面透射阵第六金属层6o都采用有正交“工”字形缝隙的金属地板层，平面透射阵第三金属层6l和平面透射阵第五金属层6n都是正交带状移相线，平面透射阵第四金属层6m采用了有两个圆形缝隙的金属地板层。在本实施例中，18GHz双圆极化相移单元21、28GHz双圆极化相移单元22、19.5GHz双圆极化相移单元41和29.5GHz双圆极化相移单元42在形式上一致，都采用了上述的结构，区别仅在于尺寸上的差别。

在本实施例中，为了达到在18GHz、19.5GHz、28GHz和29.5GHz右旋圆极化透射相位和左旋圆极化透射相位的同时独立可调功能，在18GHz、19.5GHz、28GHz和29.5GHz分别设计了四种移相度数的单元，即所设计的四种单元两两之间相差45°，具备了动态相位调制的功能，在此基础之上再将所设计的四种单元进行旋转，引入旋转相位的变化，便得到了右旋圆极化2比特×左旋圆极化2比特共16个状态的透射相位，实现了右旋圆极化透射相位和左旋圆极化透射相位独立调制的目的。

具体地，根据双圆极化移相单元移相度数的不同，通过改变平面透射阵第三金属层6l和平面透射阵第五金属层6n移相带状线的长度来实现具体的移相数值，实现四种双圆极化移相单元之间依次相差-45°，并将其命名为双圆极化相移单元一、双圆极化相移单元二、双圆极化相移单元三和双圆极化相移单元四；将所述双圆极化相移单元一和双圆极化相移单元三绕其中心旋转0°、45°、90°和135°，将所述双圆极化相移单元二和双圆极化相移单元四绕其中心旋转22.5°、67.5°、112.5°和157.5°后形成右旋圆极化2比特×左旋圆极化2比特共16个状态。

本发明的相移单元基于的传输矩阵形式为[1,0；0,-1]，即本发明的相移单元在工作机理上，在x极化照射下，其透射波仍为x极化，在y极化照射下，其透射波仍为y极化，且x极化透射波和y极化透射波存在180度相位差，意味着其传输矩阵为[exp(jφ_lin)，0；0，exp(jφ_lin+jπ)]，其中φ_lin为线极化传输相位。且本发明的相移单元采用的天线形式为带状线缝隙耦合贴片天线的结构，相移单元的层叠结构简单，能够大幅减少相移单元的金属层数量和金属过孔数量。

在本实施例中，从平面馈源阵列辐射的左旋/右旋圆极化波，首先被双圆极化相移单元的接收天线接收，然后经过移相带状线，到达发射天线再进行辐射，电磁波的相位在经过移相带状线后其相位已经得到了调制，所以向外辐射的电磁波便可以指向预定的方向。在本实施例中，设置的圆极化调控精度是2比特，对应到线极化的相位调控精度为3比特，若设置的圆极化调控精度是n(n≥1)比特，则对应的线极化调控精度为(n+1)比特。

在本实施例中，通过分别激励平面馈源阵列的不同馈源天线，可以获得不同指向的波束，所产生的多个波束最终覆盖了一定范围，并且覆盖范围内的每个区域都有工作于不同频段和不同极化的波束，用于数据上下行传输。此外，覆盖范围内不同区域间的波束都存在极化或者频率上的差异，可以降低区域间数据传输时的串扰。

本发明在第一款平面馈源阵列1和第二款平面馈源阵列3中，每个馈源天线单元的布置都是有要求的。首先，在多馈源多波束架构中：

馈源离焦点越远，波束的偏移也越大，反之亦然；

馈源离阵面越远，即焦距越大，波束的偏移也越小，反之亦然。

因此，在本发明设计中，根据最终想实现的图8的效果，选取了具体的焦距以及每个馈源单元的位置。

本发明提出的天线是一个整体的系统，可以在卫星通信的上行和下行频段都实现四色法复用的方向图。首先两组双频双圆极化透射阵天线本质上构成了一个透射阵天线系统，在卫星通信的上行和和下行频段都实现了四色法复用，其中第一组和第二组透射阵的低频都设置在卫星通信的下行频段，两组透射阵的高频都设置在卫星通信的上行频段。因此，馈源1、透射阵2的工作频率一致，构成了一组，馈源3、透射阵4的工作频率一致，构成了另一组。

图6A给出了所述四个18GHz双圆极化相移单元的透射系数幅度和透射相位，可以看出，在工作频段内交叉极化的透射系数幅度都高于-2dB，同极化的透射系数幅度都低于-15dB，四个18GHz双圆极化相移单元两两之间的相位相差45°，且在工作频段内相移曲线保持平行，确保了双圆极化相移单元的工作单元；

图6B给出了所述四个19.5GHz双圆极化相移单元的透射系数幅度和透射相位，可以看出，在工作频段内交叉极化的透射系数幅度都高于-2dB，同极化的透射系数幅度都低于-15dB，四个19.5GHz双圆极化相移单元两两之间的相位相差45°，且在工作频段内相移曲线保持平行，确保了双圆极化相移单元的工作单元；

图6C给出了所述四个28GHz双圆极化相移单元的透射系数幅度和透射相位，可以看出，在工作频段内交叉极化的透射系数幅度都高于-2dB，同极化的透射系数幅度都低于-15dB，四个28GHz双圆极化相移单元两两之间的相位相差45°，且在工作频段内相移曲线保持平行，确保了双圆极化相移单元的工作单元；

图6D给出了所述四个29.5GHz双圆极化相移单元的透射系数幅度和透射相位，可以看出，在工作频段内交叉极化的透射系数幅度都高于-2dB，同极化的透射系数幅度都低于-15dB，四个29.5GHz双圆极化相移单元两两之间的相位相差45°，且在工作频段内相移曲线保持平行，确保了双圆极化相移单元的工作单元；

图7A给出了所述18GHz双圆极化相移单元一和单元三绕其中心旋转0°、45°、90°和135°，18GHz双圆极化相移单元二和单元四绕其中心旋转22.5°、67.5°、112.5°和157.5°后形成的18GHz左旋圆极化2比特×右旋圆极化2比特共16个状态的透射相位分布图；

图7B给出了所述19.5GHz双圆极化相移单元一和单元三绕其中心旋转0°、45°、90°和135°，19.5GHz双圆极化相移单元二和单元四绕其中心旋转22.5°、67.5°、112.5°和157.5°后形成的19.5GHz左旋圆极化2比特×右旋圆极化2比特共16个状态的透射相位分布图；

图7C给出了所述28GHz双圆极化相移单元一和单元三绕其中心旋转0°、45°、90°和135°，28GHz双圆极化相移单元二和单元四绕其中心旋转22.5°、67.5°、112.5°和157.5°后形成的28GHz左旋圆极化2比特×右旋圆极化2比特共16个状态的透射相位分布图；

图7D给出了所述29.5GHz双圆极化相移单元一和单元三绕其中心旋转0°、45°、90°和135°，29.5GHz双圆极化相移单元二和单元四绕其中心旋转22.5°、67.5°、112.5°和157.5°后形成的29.5GHz左旋圆极化2比特×右旋圆极化2比特共16个状态的透射相位分布图。

图8给出了所述双频双圆极化波束覆盖透射阵天线第一款平面透射阵产生的16个波束和第二款平面透射阵产生的16个波束，共计32个波束的3dB增益轮廓图。在本明所提出的透射阵天线系统中，最终想呈现的效果是如图8所示的四色法复用结果，在图8中所有频段的波束宽度基本保持一致。本发明中所有28GHz双圆极化相移单元22是排布在18GHz双圆极化相移单元21内的圆形区域内，所有29.5GHz双圆极化相移单元42是排布在19.5GHz双圆极化相移单元41内的圆形区域内。对于双频的透射阵天线而言，假设把28GHz双圆极化相移单元22扩大为与18GHz双圆极化相移单元21(或者29.5GHz双圆极化相移单元42扩大为与19.5GHz双圆极化相移单元41)基本一致的口径时，由于在两个频段的方向性系数不一样，所以高频(22；42)的波束宽度必然会变窄，以至于不能实现如图8所示的效果。因此本发明将高频(22；42)单元的口径减小，以实现高低频近乎一致的波束宽度。

图9A给出了所述双频双圆极化波束覆盖透射阵天线所产生的8个18GHz波束的增益和轴比随频率变化的曲线，可以看出所产生的18GHz波束的2dB增益带宽约为11％，在此带宽内的轴比均低于2dB；

图9B给出了所述双频双圆极化波束覆盖透射阵天线所产生的8个19.5GHz波束的增益和轴比随频率变化的曲线，可以看出所产生的19.5GHz波束的2dB增益带宽约为11％，在此带宽内的轴比均低于2.5dB；

图9C给出了所述双频双圆极化波束覆盖透射阵天线所产生的8个28GHz波束的增益和轴比随频率变化的曲线，可以看出所产生的28GHz波束的2dB增益带宽约为6％，在此带宽内的轴比均低于3dB；

图9D给出了所述双频双圆极化波束覆盖透射阵天线所产生的8个29.5GHz波束的增益和轴比随频率变化的曲线，可以看出所产生的29.5GHz波束的2dB增益带宽约为6％，在此带宽内的轴比均低于3dB。

本发明的实例采用包含四个馈源单元的馈源1和包含四个馈源单元的馈源3共产生了32个圆极化波束。馈源1和馈源3都可以包含更多的馈源单元，以实现更多的波束。假设馈源1和馈源3各包含了八个馈源单元，便可以产生64个波束。

综上所述，本发明提供了一款基于多馈源多波束技术的双频双圆极化波束覆盖透射阵天线，该透射阵天线具有低剖面、易集成等优势，能够提供双频双圆极化、高增益、低轴比、增益抖动小、圆极化波束独立可控的功能，并且所产生的32个波束可以覆盖一定范围，实现“四色法”波束覆盖，在未来移动通信、卫星通信尤其是高通量卫星通信等领域有着重要的应用前景。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于多馈源多波束技术的双频双圆极化波束覆盖透射阵天线系统，其特征在于：包括相对平行设置的第一款平面馈源阵列(1)和第一款平面透射阵(2)，相对平行设置的第二款平面馈源阵列(3)和第二款平面透射阵(4)，所述第一款平面馈源阵列(1)和第二款平面馈源阵列(3)位于同一平面，第一款平面透射阵(2)和第二款平面透射阵(4)位于同一平面；

其中，所述第一款平面透射阵(2)包含多个呈共口径周期性排布的18GHz双圆极化相移单元(21)和28GHz双圆极化相移单元(22)，所述第二款平面透射阵(4)包含多个呈共口径周期性排布的19.5GHz双圆极化相移单元(41)和29.5GHz双圆极化相移单元(42)，所有28GHz双圆极化相移单元(22)排布在18GHz双圆极化相移单元(21)围成的圆形区域内，所有29.5GHz双圆极化相移单元(42)排布在19.5GHz双圆极化相移单元(41)围成的圆形区域内。

2.根据权利要求1所述的基于多馈源多波束技术的双频双圆极化波束覆盖透射阵天线系统，其特征在于：所述第一款平面馈源阵列(1)包含四个呈2×2排布的工作于18GHz和28GHz的双频双圆极化馈源天线(11；12；13；14)，所述第二款平面馈源阵列(3)包含四个呈2×2排布的工作于19.5GHz和29.5GHz的双频双圆极化馈源天线(31；32；33；34)；每个双频双圆极化馈源天线都采用宽带馈电网络缝隙耦合双频辐射贴片的形式。

3.根据权利要求2所述的基于多馈源多波束技术的双频双圆极化波束覆盖透射阵天线系统，其特征在于：所述双频双圆极化馈源天线包括六层金属层，即自下至上设置的馈源第一金属地板层(5j)、馈源馈线层(5k)、馈源带状线电路层(5l)、馈源第二金属地板层(5m)、馈源第一贴片层(5n)和馈源第二贴片层(5o)，所述馈源第一金属地板层(5j)和馈源带状线电路层(5l)通过馈源第一金属柱(5p)连接，馈源第一金属地板层(5j)和馈源第二金属地板层(5m)通过馈源第二金属柱(5q)连接，馈源馈线层(5k)和馈源带状线电路层(5l)通过馈源第三金属柱(5r)连接；

其中，所述馈源第一金属地板层(5j)为整块的金属地板并留有两个用于连接接头的馈线；馈源馈线层(5k)有四个“Y”形的馈线，用于激励起馈源天线的x极化波；馈源带状线电路层(5l)由一个宽带耦合器和六个宽带功率分配器组成，馈源带状线电路层(5l)有两个输入端口和8个输出端口，馈源第二金属地板层(5m)上设有“十”字形缝隙；馈源第一贴片层(5n)包含多个第一贴片单元，每个第一贴片单元包括四个呈2×2排布的贴片；馈源第二贴片层(5o)包括多个第二贴片单元，每个第二贴片单元包括十六个呈4×4排布的贴片。

4.根据权利要求3所述的基于多馈源多波束技术的双频双圆极化波束覆盖透射阵天线系统，其特征在于：所述双频双圆极化馈源天线还包括五层基片层和四层粘接层，即自下至上设置的馈源第一基片层(5a)、馈源第二基片层(5b)、馈源第三基片层(5c)、馈源第四基片层(5d)和馈源第五基片层(5e)，其中，在馈源第一基片层(5a)和馈源第二基片层(5b)之间有馈源第一粘接层(5f)，在馈源第二基片层(5b)和馈源第三基片层(5c)之间有馈源第二粘接层(5g)，在馈源第三基片层(5c)和馈源第四基片层(5d)之间有馈源第三粘接层(5h)，在馈源第四基片层(5d)和馈源第五基片层(5e)之间有馈源第四粘接层(5i)；

所述馈源第一金属地板层(5j)设置于馈源第一基片层(5a)的下方，馈源馈线层(5k)设置于馈源第二基片层(5b)的下方，馈源带状线电路层(5l)设置于馈源第二基片层(5b)的上方，馈源第二金属地板层(5m)设置于馈源第三基片层(5c)的上方，馈源第一贴片层(5n)设置于馈源第四基片层(5d)的上方，馈源第二贴片层(5o)设置于馈源第五基片层(5e)的上方。

5.根据权利要求1所述的基于多馈源多波束技术的双频双圆极化波束覆盖透射阵天线系统，其特征在于：所述18GHz双圆极化相移单元(21)、28GHz双圆极化相移单元(22)、19.5GHz双圆极化相移单元(41)和29.5GHz双圆极化相移单元(42)均包括接收天线、移相带状线和发射天线，接收天线和发射天线通过移相带状线连接，且移相带状线在两个正交光轴上相差180°，每个相移单元基于的传输矩阵形式为[1,0；0,-1]，即x极化波入射，出射为x极化波，y极化波入射，出射为y极化波，并且x极化和y极化波之间的相位相差180°。

6.根据权利要求1所述的基于多馈源多波束技术的双频双圆极化波束覆盖透射阵天线系统，其特征在于：所述18GHz双圆极化相移单元(21)呈二维周期性排布在边长为18GHz周期长度的正方形网格顶点上，28GHz双圆极化相移单元(22)呈二维周期性排布在边长为18GHz周期长度的正方形网格中心点上，18GHz双圆极化相移单元(21)的周期长度为0.3～0.5个18GHz波长，28GHz双圆极化相移单元(22)的周期长度为0.5～0.8个28GHz波长；

所述19.5GHz双圆极化相移单元(41)呈二维周期性排布在边长为19.5GHz周期长度的正方形网格顶点上，29.5GHz双圆极化相移单元(42)呈二维周期性排布在边长为19.5GHz周期长度的正方形网格中心点上，19.5GHz双圆极化相移单元(41)的周期长度为0.3～0.5个19.5GHz波长，29.5GHz双圆极化相移单元(42)的周期长度为0.5～0.8个29.5GHz波长。

7.根据权利要求1所述的基于多馈源多波束技术的双频双圆极化波束覆盖透射阵天线系统，其特征在于：各个相移单元包括七层金属层，即自下至上设置的平面透射阵第一金属层(6j)，平面透射阵第二金属层(6k)，平面透射阵第三金属层(6l)，平面透射阵第四金属层(6m)，平面透射阵第五金属层(6n)，平面透射阵第六金属层(6o)和平面透射阵第七金属层(6p)；其中，平面透射阵第二金属层(6k)和平面透射阵第六金属层(6o)通过平面透射阵第一金属柱(6q)连接，平面透射阵第三金属层(6l)和平面透射阵第七金属层(6p)通过平面透射阵第二金属柱(6r)连接；

其中，平面透射阵第一金属层(6j)和平面透射阵第七金属层(6p)都采用了±45度方向切角的圆形贴片，平面透射阵第二金属层(6k)和平面透射阵第六金属层(6o)都采用有正交“工”字形缝隙的金属地板层，平面透射阵第三金属层(6l)和平面透射阵第五金属层(6n)都采用正交带状移相线，平面透射阵第四金属层(6m)采用了有两个圆形缝隙的金属地板层。

8.根据权利要求7所述的基于多馈源多波束技术的双频双圆极化波束覆盖透射阵天线系统，其特征在于：所述相移单元还包括六层基片层和三层粘接层，即自下至上设置的平面透射阵第一基片层(6a)，平面透射阵第二基片层(6b)，平面透射阵第三基片层(6c)，平面透射阵第四基片层(6d)，平面透射阵第五基片层(6e)，平面透射阵第六基片层(6f)；其中，在平面透射阵第二基片层(6b)和平面透射阵第三基片层(6c)之间设置有平面透射阵第一粘接层(6g)，在平面透射阵第三基片层(6c)和平面透射阵第四基片层(6d)之间设置有平面透射阵第二粘接层(6h)，在平面透射阵第四基片层(6d)和平面透射阵第五基片层(6e)之间设置有平面透射阵第三粘接层(6i)；

所述平面透射阵第一基片层(6a)的下方设置有平面透射阵第一金属层(6j)，在平面透射阵第二基片层(6b)的下方设置有平面透射阵第二金属层(6k)，在平面透射阵第三基片层(6c)的下方设置有平面透射阵第三金属层(6l)，在平面透射阵第四基片层(6d)的下方设置有平面透射阵第四金属层(6m)，在平面透射阵第四基片层(6d)的上方设置有平面透射阵第五金属层(6n)，在平面透射阵第五基片层(6e)的上方设置有平面透射阵第六金属层(6o)，在平面透射阵第六基片层(6f)的上方设置有平面透射阵第七金属层(6p)。

9.根据权利1所述的基于多馈源多波束技术的双频双圆极化波束覆盖透射阵天线系统，其特征在于，采用如下方式产生多馈源多波束：激励第一款平面馈源阵列(1)，在第一款平面透射阵(2)上形成不同指向的16个波束，激励第二款平面馈源阵列(3)，在第二款平面透射阵(4)上形成不同指向的16个波束，产生的32个波束覆盖预设范围，且指向同一方向的两个波束是不同频率和不同极化的波束；

馈源数量和所产生的波束数量均可扩展，且满足所产生的波束数量是馈源数量的4倍。

10.根据权利1所述的基于多馈源多波束技术的双频双圆极化波束覆盖透射阵天线系统，其特征在于：所述第一款平面馈源阵列(1)放置于第一款平面透射阵(2)的焦平面附近，距离第一款平面透射阵(2)的垂直距离为F1，第一款平面透射阵(2)的直径为D1，其中0.3≤F1/D1≤1.5，第二款平面馈源阵列(3)放置于第二款平面透射阵(4)的焦平面附近，距离第二款平面透射阵(4)的垂直距离为F2，第二款平面透射阵(4)的直径为D2，其中0.3≤F2/D2≤1.5。