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

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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、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。

2、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：

3、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；

4、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。

5、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。

6、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；

7、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。

8、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；

9、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。

10、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°。

11、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；

12、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。

13、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；

14、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。

15、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。

16、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。

17、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。

18、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。

19、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：

20、(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；

21、(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；

22、(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；

23、(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；

24、(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。