一种基于折叠式巴特勒矩阵的宽带多波束端射天线

本发明涉及毫米波通信与天线，具体涉及一种基于折叠式巴特勒矩阵的宽带多波束端射天线。

背景技术：

1、ka波段具有可用带宽大、传输速率高等特点，已广泛应用于低轨卫星通信和卫星互联网。由于卫星链路传播损耗较大，需要采用高增益多波束天线实现波束覆盖和卫星跟踪。巴特勒矩阵是一种典型的无源波束成形网络，能够在不同输入端口激励时产生具有固定相位差的多路输出信号，具有结构稳定、成本较低和便于集成等优点。

2、现有毫米波巴特勒矩阵多采用微带线、基片集成波导（siw）或基片集成同轴线（sicl）实现。基片集成波导存在色散，宽带性能受到限制；非对称基片集成同轴线（asicl）支持tem模式传播，具有屏蔽性好、色散小和宽带传输的特点。随着巴特勒矩阵由4×4扩展至8×8，耦合器、移相器和交叉路径数量明显增加，容易造成网络尺寸增大、损耗升高和幅相误差累积。部分多层结构还需要采用盲孔、埋孔或缝隙耦合，并为不同信号层分别设置接地通孔，导致加工复杂、通孔密度高和输出端口难以与同平面天线阵列直接连接。因此，8×8 asicl巴特勒矩阵的小型化、宽带化及低成本集成仍需进一步研究。

技术实现思路

1、针对现有技术的上述不足，提供一种基于折叠式巴特勒矩阵的宽带多波束端射天线，该天线采用上下两层asicl布置8×8巴特勒矩阵的不同部分，使上下层相互对应的同类器件沿电路板厚度方向重叠，并共用接地全通孔，在减小矩阵平面尺寸和板内通孔密度的同时，保持宽带幅度及相位稳定。

2、为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

3、一种基于折叠式巴特勒矩阵的宽带多波束端射天线，包括激励端口分离器、8×8巴特勒矩阵和1×8端射天线阵列；激励端口分离器与8×8巴特勒矩阵的八个激励端口连接，8×8巴特勒矩阵的八个输出端口分别与1×8端射天线阵列的八个端射天线单元连接；激励端口分离器用于增大相邻激励端口之间的距离并对输入传输路径进行重排；8×8巴特勒矩阵设置于多层印制电路板中，多层印制电路板包括第一信号金属层、第二信号金属层、多个接地金属层和若干接地全通孔；若干接地全通孔沿射频传输路径的两侧排列，与对应信号金属层上下两侧的接地金属层共同构成上层非对称基片集成同轴传输通道和下层非对称基片集成同轴传输通道；8×8巴特勒矩阵包括设置于第一信号金属层的第一网络部分和设置于第二信号金属层的第二网络部分，第一网络部分与第二网络部分采用折叠布置，折叠布置是指将原本在同一平面内展开的8×8巴特勒矩阵拓扑沿折叠分界线分为两部分，分别布置于不同信号金属层且沿厚度方向至少部分重叠；第一网络部分和第二网络部分上设置有相互对应的相同类型射频功能器件，其中相互对应的相同类型射频功能器件沿多层印制电路板的厚度方向重叠设置，并共用设置于射频传输路径两侧的接地全通孔，相同类型射频功能器件包括定向耦合器、交叉耦合器、固定移相器和相位补偿器；8×8巴特勒矩阵的八个输出支路交替设置于第一信号金属层和第二信号金属层，位于其中一个信号金属层的四个输出支路通过层间过渡结构转换至另一信号金属层，使八个输出端口位于同一信号层；相邻输出支路之间的空余区域设置有相位补偿线，用于补偿层间转换和端口重排引入的相位差。

4、进一步地，多层印制电路板自上而下依次包括第一接地金属层、第一介质层、第一半固化片层、第一信号金属层、第二介质层、第二接地金属层、第二半固化片层、第三接地金属层、第三介质层、第二信号金属层、第三半固化片层、第四介质层和第四接地金属层；第一信号金属层位于第一接地金属层和第二接地金属层之间，且第一信号金属层与上下两侧接地金属层之间的等效介质厚度不同，形成上层非对称基片集成同轴传输通道；第二信号金属层位于第三接地金属层和第四接地金属层之间，且第二信号金属层与上下两侧接地金属层之间的等效介质厚度不同，形成下层非对称基片集成同轴传输通道。

5、进一步地，接地全通孔为贯穿多层印制电路板的金属化通孔，接地全通孔与第一接地金属层、第二接地金属层、第三接地金属层和第四接地金属层电连接；沿厚度方向重叠设置的上下层对应相同类型射频功能器件共用位于其射频传输路径两侧的同一组接地全通孔，使同一组接地全通孔同时构成上层基片集成同轴传输通道和下层基片集成同轴传输通道的侧向接地围栏，以减少接地通孔总数和单位面积内的通孔密度；多层印制电路板不采用盲孔或埋孔。

6、进一步地，8×8巴特勒矩阵的相同类型射频功能器件包括十二个3db定向耦合器、四个交叉耦合器、两个第一固定移相器、两个第二固定移相器、四个第三固定移相器、四个0°相位补偿器、十二个层间过渡结构、两组第一补偿传输线和两组第二补偿传输线；3db定向耦合器的输入端与输入支路连接，3db定向耦合器的输出端分别与第一固定移相器的输入端、第二固定移相器的输入端和第一补偿传输线的输入端连接；第一固定移相器的输出端、第二固定移相器的输出端均与第一补偿传输线的输入端连接；第一补偿传输线的输出端分别与交叉耦合器的输入端、第三固定移相器的输入端连接；交叉耦合器的输出端与0°相位补偿器的输入端连接；0°相位补偿器的输出端、第三固定移相器的输出端均与第二补偿传输线的输入端连接；第二补偿传输线的输出端与输出支路连接；层间过渡结构设置于第一信号金属层与第二信号金属层之间需要进行信号层切换的位置，层间过渡结构的一端连接第一信号金属层上的传输路径，层间过渡结构的另一端连接第二信号金属层上的对应传输路径，使设置于两个信号金属层上的相同类型射频功能器件按照8×8巴特勒矩阵拓扑级联。

7、进一步地，第一固定移相器用于提供67.5°的固定相移；第二固定移相器用于提供22.5°的固定相移；第三固定移相器用于提供45°的固定相移；第一补偿传输线用于补偿不同支路因折叠布线和层间转换产生的电长度差；0°相位补偿器用于进行等效电长度及相位频率特性补偿；第二补偿传输线用于对后级传输路径进行延长、重排和相位补偿，使不同支路在输出端保持预定的线性相位关系。

8、进一步地，第一网络部分和第二网络部分关于折叠分界线呈镜像对应布置，折叠分界线沿信号传输方向延伸，且相互对应的射频传输路径分别位于第一信号金属层和第二信号金属层，以将原本在同一平面内展开的巴特勒矩阵折叠至不同信号层。

9、进一步地，第一网络部分和第二网络部分中相互对应的相同类型射频功能器件沿多层印制电路板的厚度方向重叠，且平面投影至少部分重合。

10、进一步地，上下层相同类型射频功能器件之间设有接地金属层，接地金属层与共用的接地全通孔共同形成电磁屏蔽结构。

11、进一步地，层间过渡结构包括上层信号线、下层信号线、信号过渡通孔、设置于信号过渡通孔两端的信号焊盘，以及设置于信号过渡通孔所经过的接地金属层上的接地避让结构；信号过渡通孔直接连接上层信号线和下层信号线，信号焊盘和接地避让结构用于调节层间过渡结构的寄生参数和传输阻抗；层间过渡结构不采用缝隙耦合。

12、进一步地，八个输出支路按照第一信号金属层和第二信号金属层交替排列，使第一信号金属层、第二信号金属层上的相邻输出支路之间形成布线空余区域；相位补偿线和开路枝节中的至少一种设置于布线空余区域内；位于第一信号金属层的四个输出支路分别通过四个层间结构转换至第二信号金属层，并通过相位补偿线或开路枝节补偿层间转换及端口重排引入的附加相位，使八个输出端口位于同一信号层，且相邻输出端口间距与1×8端射天线阵列的馈电间距相适配；层间结构与层间过渡结构结构相同。

13、本发明的有益效果为：

14、本发明中的巴特勒矩阵采用上下两层asicl结构，上下层对应的同类型耦合器、交叉耦合器及移相器沿厚度方向重叠布置，并共用传输路径两侧的接地全通孔，以减小平面尺寸和通孔密度。巴特勒矩阵通过信号过渡通孔实现层间连接，并利用补偿传输线和开路枝节校正附加相位。输出级将分布于不同信号层的支路转换至同一信号层，与端射天线阵列直接连接。本发明无需盲孔、埋孔及缝隙耦合，具有结构紧凑、宽带传输、加工成本低和便于集成等优点，适用于ka波段卫星通信多波束前端。

15、本发明的天线采用上下两层asicl布置8×8巴特勒矩阵的不同部分，使上下层相互对应的同类器件沿电路板厚度方向重叠，并共用接地全通孔，在减小矩阵平面尺寸和板内通孔密度的同时，保持宽带幅度及相位稳定。