一种波束独立可控的双频双圆极化透射阵天线

1.本发明属于无线通信系统电子器件领域，具体涉及一种波束独立可控的双频双圆极化透射阵天线。


背景技术：

2.面向下一代的无线通信系统已经不仅仅局限于地面间通信，天地一体化通信进程已然成为了必然趋势，卫星通信技术在这一进程中扮演着不可或缺的角色。相比于频率较低的x波段、ku波段等卫星通信，ka/k波段卫星通信因其宽带、高增益、小尺寸等优势越来越受到关注。因为工作于ka/k波段的线极化波经过电离层时会受到影响，所以通常需要天线具备圆极化特性。因此，设计满足卫星上下行通信需求的双频双圆极化天线已然成为了必然趋势。
3.从已报导的文献来看，满足上述双频双圆极化要求的天线少之又少。反射阵/透射阵天线得益于其平面化结构、高增益、加工简单等优势常用于实现多频段多极化特性。反射阵/透射阵天线都是由其经典的曲面反射面/曲面透镜天线演进而来，通过在反射阵/透射阵天线口面上合理的排布相位调制单元，便可以将馈源的球面波转换为均匀平面波实现高增益。现有文献已报导了三类双频双圆极化的反射阵天线。第一类是基于单功能层实现的，即通过组合动态相位调控、旋转相位调控以及共口径排布的形式实现单功能层的双频双圆极化反射阵。第二类是基于双功能层形式实现的，即通过组合放置于底部的双频双线极化反射阵天线功能层和放置于顶部的双频线-圆极化转换器功能层实现双频双圆极化反射阵。第三类是基于三功能层实现的，即将放置于底部的ku波段双圆极化反射阵功能层、放置于顶部的ka波段双圆极化反射阵功能层、以及放置于中间用于隔开两个频段的频率选择表面功能层。
4.相比于反射阵天线，透射阵天线不存在馈源遮挡问题，可以更好的服务于卫星通信。目前已有相关文献报导了双频透射阵天线、双圆极化透射阵天线，多数是基于双频单元共口径的形式实现双频透射阵天线、基于双线极化透射阵和线圆极化转换器、组合动态相位调控和旋转相位调控形式实现双圆极化透射阵天线。但是为了满足高通量卫星通信的需求，需要对双频双圆极化透射阵天线加以深入的研究。


技术实现要素：

5.技术目的：面向高通量卫星通信的需求，本发明公开了一种波束独立可控的双频双圆极化透射阵天线，该透射阵天线具备剖面低、单元间距小等优势，并且能够提供双频双圆极化、低轴比、高增益、波束指向独立可控的功能。
6.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：一种波束独立可控的双频双圆极化透射阵天线，其特征在于：包括相对平行设置的平面宽带圆极化馈源阵列和平面透射阵；所述平面宽带圆极化馈源阵列包括设置于同一平面上的k波段左旋圆极化馈源天线、k波段右旋圆极化馈源天线、ka波段左旋圆极化馈源
天线和ka波段右旋圆极化馈源天线。
7.优选地，所述k波段左旋圆极化馈源天线、k波段右旋圆极化馈源天线、ka波段左旋圆极化馈源天线和ka波段右旋圆极化馈源天线均为采用微带线缝隙耦合叠层贴片的形式构建的宽带圆极化天线，且集成在同一块平面馈源阵列上。
8.优选地，所述k波段左旋圆极化馈源天线、k波段右旋圆极化馈源天线、ka波段左旋圆极化馈源天线、以及ka波段右旋圆极化馈源天线均包括四层金属层，即自下至上设置的馈源微带电路层、馈源金属地板层、馈源第一切角圆形贴片层和馈源第二切角圆形贴片层。
9.优选地，所述馈源微带电路层包括由微带线连接而成的一个输入端口和四个输出端口，四个输出端口间形成左旋圆极化所需的-90度相位差或者形成右旋圆极化所需的90度相位差；馈源金属地板层上设有四个顺序旋转90度的形状相同的缝隙，馈源第一切角圆形贴片层和馈源第二切角圆形贴片层均设有四个顺序旋转90度的切角圆形贴片。
10.优选地，所述馈源第一切角圆形贴片层和馈源第二切角圆形贴片层设有切角圆形贴片和切角矩形贴片中的一种，馈源金属地板层的四个缝隙为“一”字形、“工”字形、“十”字形、“z”字形或椭圆形中的任一种。
11.优选地，所述平面宽带圆极化馈源阵列还包括三层基片层，三层基片层分别为馈源第一基片层、馈源第二基片层、馈源第三基片层；所述馈源微带电路层设置于馈源第一基片层的下方、馈源金属地板层设置于馈源第一基片层的上方、馈源第一切角圆形贴片层设置于馈源第二基片层的上方、馈源第一切角圆形贴片层设置于在馈源第三基片层的下方。
12.优选地，所述平面宽带圆极化馈源阵列还包括馈源粘接层和馈源空气层，在馈源第一基片层和馈源第二基片层之间设有馈源粘接层，在馈源第二基片层和馈源第三基片层之间设有馈源粘接层或馈源空气层。
13.优选地，所述平面透射阵包含多个呈共口径周期性交错排布的k波段双圆极化相移单元和ka波段双圆极化相移单元。
14.优选地，所述k波段双圆极化相移单元呈二维周期性排布在边长为k波段周期长度的正方形网格顶点上，ka波段双圆极化相移单元呈二维周期性排布在边长为k波段周期长度的正方形网格中心点上，k波段双圆极化相移单元的周期长度为0.3~0.5个k波段波长，ka波段双圆极化相移单元的周期长度为0.5~0.8个ka波段波长。
15.优选地，所述k波段双圆极化相移单元和ka波段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。
16.优选地，所述k波段双圆极化相移单元和ka波段双圆极化相移单元均采用x线极化接收y线极化发射的形式或y线极化接收x线极化发射的形式，且x线极化接收y线极化发射的移相度数和y线极化接收x线极化发射的移相度数一致。
17.优选地，所述k波段双圆极化相移单元包括由下至上设置的若干金属层，金属层组成k波段双圆极化相移单元的接收天线、移相带状线和发射天线；通过设置k波段双圆极化相移单元的移相带状线金属层的移相度数，将平面透射阵中四个k波段双圆极化相移单元对应的线极化透射相位设置为相邻单元间相差45度。
18.优选地，所述k波段双圆极化相移单元包括自下至上设置的k波段第一金属层、k波段第四金属层、k波段第五金属层、k波段第六金属层、k波段第七金属层、k波段第八金属层
和k波段第十一金属层；所述k波段第四金属层和k波段第六金属层之间、k波段第五金属层和k波段第七金属层之间、k波段第六金属层和k波段第八金属层之间分别通过设置若干根k波段金属柱连接。
19.优选地，所述k波段双圆极化相移单元的k波段第一金属层和k波段第十一金属层均设置为切角圆形贴片、切角矩形贴片中的一种。
20.优选地，所述k波段第一金属层和k波段第十一金属层均为设有
±
45度方向切角的圆形贴片，k波段第四金属层和k波段第八金属层均为设有正交的l形微带馈线，k波段第五金属层和k波段第七金属层均为设有开有两个圆形孔的金属地板，k波段第六金属层为两根移相带状线。
21.优选地，所述ka波段双圆极化相移单元包括若干金属层，金属层组成ka波段双圆极化相移单元的接收天线、移相带状线和发射天线；通过设置ka波段双圆极化相移单元的移相带状线金属层的移相度数，将平面透射阵中四个ka波段双圆极化相移单元对应的线极化透射相位设置为相邻单元间相差45度。
22.优选地，所述ka波段双圆极化相移单元包括自下至上设置的ka波段第一金属层、ka波段第三金属层、ka波段第四金属层、ka波段第五金属层、ka波段第六金属层、ka波段第七金属层和ka波段第九金属层，其中，所述ka波段第三金属层和ka波段第五金属层之间、ka波段第四金属层和ka波段第六金属层之间、ka波段第五金属层和ka波段第七金属层之间通过设置若干根ka波段金属柱连接。
23.优选地，所述ka波段双圆极化相移单元的ka波段第一金属层、ka波段第九金属层都为切角圆形贴片、切角矩形贴片中的一种。
24.优选地，所述ka波段第一金属层和ka波段第九金属层均为设有
±
45度方向切角的圆形贴片，ka波段第三金属层和ka波段第七金属层均为设有正交的l形微带馈线，ka波段第四金属层和ka波段第六金属层均为设有开有两个圆形孔的金属地板，ka波段第五金属层为两根移相带状线。
25.优选地，所述平面透射阵包括若干基片层和粘接层，相邻基片层之间设有粘接层，各个金属层以叠层贴片的形式设置于基片层的上方或下方。
26.优选地，所述平面宽带圆极化馈源阵列放置于平面透射阵的焦平面附近，距平面透射阵的垂直距离为f，平面透射阵的直径为d，其中，0.3≤f/d≤1.5。
27.有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种波束独立可控双频双圆极化高增益透射阵天线，其优势在于：（1）本发明将所需的k波段左旋圆极化馈源、k波段右旋圆极化馈源、ka波段左旋圆极化馈源以及ka波段右旋圆极化馈源集成在同一块平面馈源阵列上，在实现双频双圆极化性能时不仅不需要频繁更换馈源同时还降低了透射阵天线整体的剖面；（2）本发明所提出的k波段双圆极化相移单元的接收天线和发射天线采取同样的天线形式，简化了透射阵天线的设计，同时采用叠层贴片以及弯折贴片的形式实现了天线的宽带、小型化性能；所提出的ka波段双圆极化相移单元的接收天线和发射天线同样采用相同的天线形式，将天线的圆形贴片进行弯折实现了天线的小型化特性；
（3）本发明所提出的k波段双圆极化相移单元和ka波段双圆极化相移单元都采用了x（y）线极化接收y（x）线极化发射的形式，所以单元不需要在两个光轴上相差180度，不存在色散问题，因此所设计的k波段双圆极化相移单元和ka波段双圆极化相移单元都具备宽带移相特性；（4）本发明结合动态相位变化和旋转相位变化，在k波段和ka波段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；（5）本发明所提出的透射阵天线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0.18 λk，λ
k 表示k波段自由空间波长，与此前已有的双功能层单频双圆极化透射阵天线相比剖面降低了近88%，且具备更宽的带宽。
附图说明
28.图1为本发明所提出的一种波束独立可控的双频双圆极化透射阵天线的三维示意图；图2是平面宽带圆极化馈源阵列的三维示意图；图3是k波段双圆极化相移单元和ka波段双圆极化相移单元的层叠结构示意图；图4是k波段双圆极化相移单元各个金属层的俯视图；图5是ka波段双圆极化相移单元各个金属层的俯视图；其中，1-平面宽带圆极化馈源阵列，2-k波段左旋圆极化馈源天线、3-k波段右旋圆极化馈源天线、4-ka波段左旋圆极化馈源天线，5-ka波段右旋圆极化馈源天线，6-平面透射阵，7-k波段双圆极化相移单元，8-ka波段双圆极化相移单元；1a-馈源第一基片层，1b-馈源第二基片层，1c-馈源第三基片层，1d-馈源粘接层，1e-馈源空气层；2a-k波段左旋圆极化馈源微带电路层，2b-k波段左旋圆极化馈源金属地板层，2c-k波段左旋圆极化馈源“工”字形缝隙，2d-k波段左旋圆极化馈源第一切角圆形贴片层，2e-k波段左旋圆极化馈源第二切角圆形贴片层；3a-k波段右旋圆极化馈源微带电路层，3b-k波段右旋圆极化馈源金属地板层，3c-k波段右旋圆极化馈源“工”字形缝隙，3d-k波段右旋圆极化馈源第一切角圆形贴片层，3e-k波段右旋圆极化馈源第二切角圆形贴片层；4a-ka波段左旋圆极化馈源微带电路层，4b-ka波段左旋圆极化馈源金属地板层，4c-ka波段左旋圆极化馈源“工”字形缝隙，4d-ka波段左旋圆极化馈源第一切角圆形贴片层，4e-ka波段左旋圆极化馈源第二切角圆形贴片层；5a-ka波段右旋圆极化馈源微带电路层，5b-ka波段右旋圆极化馈源金属地板层，5c-ka波段右旋圆极化馈源“工”字形缝隙，5d-ka波段右旋圆极化馈源第一切角圆形贴片层，5e-ka波段右旋圆极化馈源第二切角圆形贴片层；6a-透射阵第一基片层，6b-透射阵第二基片层，6c-透射阵第三基片层，6d-透射阵第四基片层，6e-透射阵第五基片层，6f-透射阵第六基片层，6g-透射阵第七基片层，6h-透射阵第八基片层，6i-透射阵第一粘接层，6j-透射阵第二粘接层，6k-透射阵第三粘接层，6l-透射阵第四粘接层，6m-透射阵第五粘接层，6n-透射阵第六粘接层，6o-透射阵第七粘接
层；7a-k波段第一金属层，7b-k波段第二金属层，7c-k波段第一金属柱，7d-k波段第三金属层，7e-k波段第四金属层，7f-k波段第二金属柱，7g-k波段第五金属层，7h-k波段第三金属柱，7i-k波段第六金属层，7j-k波段第七金属层，7k-k波段第四金属柱，7l-k波段第八金属层，7m-k波段第九金属层，7n-k波段第五金属柱，7o-k波段第十金属层，7p-k波段第十一金属层；8a-ka波段第一金属层，8b-ka波段第一金属柱，8c-ka波段第二金属层，8d-ka波段第三金属层，8e-ka波段第二金属柱，8f-ka波段第四金属层，8g-ka波段第五金属层，8h-ka波段第三金属柱，8i-ka波段第四金属柱，8j-ka波段第六金属层，8k-ka波段第七金属层，8l-ka波段第八金属层，8m-ka波段第五金属柱，8n-ka波段第九金属层；图6给出了k波段和ka波段双圆极化单元一至单元四的透射系数幅度和透射相位，图6中的a对应k波段，图6中的b对应ka波段；图7给出了k波段和ka波段双圆极化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7中的a对应k波段透射相位，图7中的b对应ka波段透射相位；图8给出了所述波束独立可控的双频双圆极化透射阵天线在k波段左旋圆极化馈源天线激励下计算的右旋圆极化和左旋圆极化归一化辐射方向图，图8中的a对应18.5 ghz时yz面，图8中的b对应18.5 ghz时xz1面（），图8中的c对应19.5 ghz时yz面，图8中的d对应19.5 ghz时xz1面，图8中的e对应20.5 ghz时yz面，图8中的f对应20.5 ghz时xz1面；图9给出了所述波束独立可控的双频双圆极化透射阵天线在k波段右旋圆极化馈源天线激励下计算的右旋圆极化和左旋圆极化归一化辐射方向图，图9中的a对应18.5 ghz时xz面，图9中的b对应18.5 ghz时yz2面（），图9中的c对应19.5 ghz时xz面，图9中的d对应19.5 ghz时yz2面，图9中的e对应20.5 ghz时xz面，图9中的f对应20.5 ghz时yz2面；图10给出了所述波束独立可控的双频双圆极化透射阵天线在ka波段左旋圆极化馈源天线激励下计算的右旋圆极化和左旋圆极化归一化辐射方向图，图10中的a对应28.5 ghz时xz面，图10中的b对应28.5 ghz时yz3面（），图10中的c对应29.5 ghz时xz面，图10中的d对应29.5 ghz时yz3面，图10中的e对应30.5 ghz时xz面，图10中的f对应30.5 ghz时yz3面；图11给出了所述波束独立可控的双频双圆极化透射阵天线在ka波段右旋圆极化馈源天线激励下计算的右旋圆极化和左旋圆极化归一化辐射方向图，图11中的a对应28.5 ghz时yz面，图11中的b对应28.5 ghz时xz4面（），图11中的c对应29.5 ghz时yz面，图11中的d对应29.5 ghz时xz4面，图11中的e对应30.5 ghz时yz面，图11中的f对应30.5 ghz时xz4面；图12给出了所述波束独立可控的双频双圆极化透射阵天线利用k波段左旋/右旋圆极化馈源天线激励时计算的增益和轴比随频率变化的曲线，图12中的a对应增益，图12中的b对应轴比；
图13给出了所述波束独立可控的双频双圆极化透射阵天线利用ka波段左旋/右旋圆极化馈源天线激励时计算的增益和轴比随频率变化的曲线，图13中的a对应增益，图13中的b对应轴比。
具体实施方式
29.下面结合附图对本发明做更进一步的说明。
30.实施例一如图1所示，本实施例提出了一种波束独立可控的双频双圆极化透射阵天线，包括平面宽带圆极化馈源阵列1和平面透射阵6。平面宽带圆极化馈源阵列1放置在平面透射阵6的焦平面附近。平面透射阵6的直径为d，此处设置为216 mm，平面宽带圆极化馈源阵列1距平面透射阵6的垂直距离为f，此处设置为151.2 mm，f/d的值在0.3~1.5之间，此处设置为0.7。
31.如图1所示，平面透射阵6包含呈共口径周期性交错排布的k波段双圆极化相移单元7和ka波段双圆极化相移单元8。其中，k波段双圆极化相移单元7呈二维周期性排布在边长为k波段周期长度的正方形网格顶点上，ka波段双圆极化相移单元8呈二维周期性排布在边长为k波段周期长度的正方形网格中心点上；k波段双圆极化相移单元7的周期长度为0.3~0.5个k波段波长，此处设置为5.4 mm，即0.35个k波段波长；ka波段双圆极化相移单元8的周期长度为0.5~0.8个ka波段波长，此处设置为5.4 mm，即0.53个ka波段波长。
32.一，平面宽带圆极化馈源阵列如图2所示，平面宽带圆极化馈源阵列1包括k波段左旋圆极化馈源天线2、k波段右旋圆极化馈源天线3、ka波段左旋圆极化馈源天线4、以及ka波段右旋圆极化馈源天线5，四种馈源天线均为采用微带线缝隙耦合叠层贴片的形式构建的宽带圆极化天线，均包括四层金属层，且可以集成在同一块平面馈源阵列上。四层金属层自下至上分别为馈源微带电路层、馈源金属地板层、馈源第一切角圆形贴片层以及馈源第二切角圆形贴片层，馈源第二切角圆形贴片层朝向平面透射阵设置。
33.如图2所示，平面宽带圆极化馈源阵列1还包括三层基片层、一层粘接层以及一层空气层；三层基片层自下至上分别为馈源第一基片层1a、馈源第二基片层1b、馈源第三基片层1c，在馈源第一基片层1a和馈源第二基片层1b之间有馈源粘接层1d，在馈源第二基片层1b和馈源第三基片层1c之间有馈源空气层1e或馈源粘接层1d。
34.本实施例中，馈源微带电路层设置于馈源第一基片层1a的下方、馈源金属地板层设置于馈源第一基片层1a的上方、馈源第一切角圆形贴片层设置于馈源第二基片层1b的上方、馈源天线第一切角圆形贴片层设置于在馈源第三基片层1c的下方。
35.如图2所示，k波段左旋圆极化馈源天线2的四层金属层自下至上分别为k波段左旋圆极化馈源天线微带电路层2a、k波段左旋圆极化馈源天线金属地板层2b、k波段左旋圆极化馈源天线第一切角圆形贴片层2d，以及k波段左旋圆极化馈源第二切角圆形贴片层2e，其中，在k波段左旋圆极化馈源天线金属地板层2b上有四个k波段左旋圆极化馈源天线“工”字形缝隙2c。
36.k波段右旋圆极化馈源天线3由四层金属层组成，四层金属层自下至上分别为k波段右旋圆极化馈源天线微带电路层3a，k波段右旋圆极化馈源天线金属地板层3b，k波段右
旋圆极化馈源天线第一切角圆形贴片层3d，以及k波段右旋圆极化馈源第二切角圆形贴片层3e，其中，在k波段右旋圆极化馈源天线金属地板层3b上有四个k波段右旋圆极化馈源天线“工”字形缝隙3c。
37.其中，ka波段左旋圆极化馈源天线4由四层金属层组成，四层金属层自下至上分别为ka波段左旋圆极化馈源天线微带电路层4a，ka波段左旋圆极化馈源天线金属地板层4b，ka波段左旋圆极化馈源天线第一切角圆形贴片层4d，以及ka波段左旋圆极化馈源第二切角圆形贴片层4e，其中，在ka波段左旋圆极化馈源天线金属地板层4b上有四个ka波段左旋圆极化馈源天线“工”字形缝隙4c。
38.ka波段右旋圆极化馈源天线5由四层金属层组成，四层金属层自下至上分别为ka波段右旋圆极化馈源天线微带电路层5a，ka波段右旋圆极化馈源天线金属地板层5b，ka波段右旋圆极化馈源天线第一切角圆形贴片层5d，以及ka波段右旋圆极化馈源第二切角圆形贴片层5e，其中，在ka波段右旋圆极化馈源天线金属地板层5b上有四个ka波段右旋圆极化馈源天线“工”字形缝隙5c。
39.本实施例中，采用平面宽带圆极化馈源阵列的优势在于，可以降低透射阵天线的整体剖面，还可以满足多频多极化功能的需求。
40.本实施例中，k波段左旋圆极化馈源天线2、k波段右旋圆极化馈源天线3、ka波段左旋圆极化馈源天线4、以及ka波段右旋圆极化馈源天线5都采用微带线缝隙耦合叠层贴片的形式构建宽带圆极化天线。
41.以k波段左旋圆极化馈源天线2为例，馈源微带电路层2a包含k波段左旋圆极化馈源微带电路，其微带电路由三个功率分配器组成，微带电路包含了一个输入端口和四个输出端口，在四个输出端口间有形成左旋圆极化所需的-90度相位差。k波段左旋圆极化馈源天线2的第一切角圆形贴片层2d有四个顺序旋转90度的切角圆形贴片，第二切角圆形贴片层2e同样有四个顺序旋转90度的切角圆形贴片。在k波段左旋圆极化馈源天线2的金属地板2b上有四个顺序旋转90度的“工”字形缝隙2c。因此，从微带电路馈入的电磁波被一分为四，经由金属地板上的四个“工”字形缝隙耦合到四个叠层切角圆形贴片上，由于微带电路的四个输出端口存在-90度相位差，因此便形成了宽带左旋圆极化波。同理，将微带电路的四个输出端口设计成存在90度相位差，便可以形成k波段右旋圆极化波。
42.将k波段左旋/右旋圆极化天线的尺寸缩放到ka波段便得到ka波段左旋/右旋圆极化天线。
43.二，平面透射阵本发明中，k波段双圆极化相移单元7和ka波段双圆极化相移单元8都采用接收天线-移相带状线-发射天线的形式，即k波段双圆极化相移单元7和ka波段双圆极化相移单元8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。可通过由下至上设置的若干金属层实现，即金属层组成各个k波段双圆极化相移单元7或ka波段双圆极化相移单元8对应的接收天线、移相带状线和发射天线。通过设置k波段双圆极化相移单元7的移相带状线金属层的移相度数，将平面透射阵6中四个k波段双圆极化相移单元7对应的线极化透射相位设置为相邻单元间相差45度。
44.平面透射阵6还包括若干基片层和粘接层，各个相移单元的各个金属层以叠层贴片的形式设置于基片层的上方或下方，相邻基片层之间设有粘接层。
45.本发明中k波段双圆极化相移单元7和ka波段双圆极化相移单元8的金属层的数量是不唯一的，可以根据带宽、剖面等天线的性能需求进行调整。
46.本实施例中，以对称结构的相移单元为例，发射天线和接收天线以采用相同的天线形式，k波段双圆极化相移单元7包括十一层金属层，ka波段双圆极化相移单元8包括九层金属层。具体结构如图3至图5所示，平面透射阵6由八层基片层以及七层粘接层组成；其中，八层基片层自下至上分别为透射阵第一基片层6a、透射阵第二基片层6b、透射阵第三基片层6c、透射阵第四基片层6d、透射阵第五基片层6e、透射阵第六基片层6f、透射阵第七基片层6g、透射阵第八基片层6h，平面透射阵的七层粘接层自下至上分别为透射阵第一粘接层6i、透射阵第二粘接层6j、透射阵第三粘接层6k、透射阵第四粘接层6l、透射阵第五粘接层6m、透射阵第六粘接层6n、透射阵第七粘接层6o。
47.如图3所示，k波段双圆极化相移单元7由十一层金属层组成、ka波段双圆极化相移单元8由九层金属层组成；其中，k波段双圆极化相移单元7的十一层金属层自下至上分别为k波段第一金属层7a、k波段第二金属层7b、k波段第三金属层7d、k波段第四金属层7e、k波段第五金属层7g、k波段第六金属层7i、k波段第七金属层7j、k波段第八金属层7l、k波段第九金属层7m、k波段第十金属层7o、k波段第十一金属层7p，其中，k波段第二金属层7b和k波段第三金属层7d之间通过十六根k波段第一金属柱7c连接，k波段第四金属层7e和k波段第六金属层7i通过两根k波段第二金属柱7f连接、k波段第五金属层7g和k波段第七金属层7j通过三十六根k波段第三金属柱7h连接、k波段第六金属层7i和k波段第八金属层7l通过两根k波段第四金属柱7k连接、k波段第九金属层7m和k波段第十金属层7o通过十六根k波段第五金属柱7n连接；其中，各种金属柱起隔离作用，其数量并不惟一。 k波段第二金属层7b、 k波段第三金属层7d、k波段第九金属层7m、k波段第五金属柱7n、 k波段第一金属柱7c和k波段第十金属层7o是可选的。
48.ka波段双圆极化相移单元8的九层金属层自下至上分别为ka波段第一金属层8a、ka波段第二金属层8c、ka波段第三金属层8d、ka波段第四金属层8f、ka波段第五金属层8g、ka波段第六金属层8j、ka波段第七金属层8k、ka波段第八金属层8l、ka波段第九金属层8n，其中，ka波段第一金属层8a和ka波段第二金属层8c通过八根ka波段第一金属柱8b连接、ka波段第三金属层8d和ka波段第五金属层8g通过两根ka波段第二金属柱8e连接、ka波段第四金属层8f和ka波段第六金属层8j通过三十根ka波段第三金属柱8h连接、ka波段第五金属层8g和ka波段第七金属层8k通过两根ka波段第四金属柱8i连接、ka波段第八金属层8l和ka波段第九金属层8n通过八根ka波段第五金属柱8m连接。其中，各种金属柱起隔离作用，其数量并不惟一。ka波段第八金属层8l，ka波段第五金属柱8m 、ka波段第一金属柱8b，ka波段第二金属层8c是可选的。
49.如图3所示，k波段双圆极化相移单元7的k波段第一金属层7a在透射阵第一基片层6a的下方，k波段第二金属层7b在透射阵第二基片层6b的下方，k波段第三金属层7d在透射阵第二基片层6b的上方，k波段第四金属层7e在透射阵第三基片层6c的下方，k波段第五金属层7g在透射阵第四基片层6d的下方，k波段第六金属层7i在透射阵第四基片层6d的上方，k波段第七金属层7j在透射阵第五基片层6e的上方，k波段第八金属层7l在透射阵第六基片层6f的上方，k波段第九金属层7m在透射阵第七基片层6g的下方，k波段第十金属层7o在透
射阵第七基片层6g的上方，k波段第十一金属层7p在透射阵第八基片层6h的上方；ka波段双圆极化相移单元8的ka波段第一金属层8a在透射阵第一基片层6a的下方，ka波段第二金属层8c在透射阵第一基片层6a的上方，ka波段第三金属层8d在透射阵第三基片层6c的下方，ka波段第四金属层8f在透射阵第四基片层6d的下方，ka波段第五金属层8g在透射阵第四基片层6d的上方，ka波段第六金属层8j在透射阵第五基片层6e的上方，ka波段第七金属层8k在透射阵第六基片层6f的上方，ka波段第八金属层8l在透射阵第八基片层6h的下方，ka波段第九金属层8n在透射阵第八基片层6h的上方。
50.如图4所示，k波段第一金属层7a和k波段第十一金属层7p都为
±
45度方向切角的圆形贴片，k波段第二金属层7b和k波段第十金属层7o都为
±
45度方向切角的圆形贴片，k波段第三金属层7d和k波段第九金属层7m都为
±
45度方向切角的环形贴片，k波段第四金属层7e和k波段第八金属层7l都为正交的l形微带馈线，k波段第五金属层7g和k波段第七金属层7j都为开有两个圆形孔的金属地板，k波段第六金属层7i为两根移相带状线，根据移相数值的不同，即k波段第六金属层7i的带状线长度的不同，将k波段第六金属层7i分为7i-1、7i-2、7i-3、7i-4。
51.如图5所示，ka波段第一金属层8a和第九金属层8n都为
±
45度方向切角的圆形贴片，ka波段第二金属层8c和第八金属层8l都为
±
45度方向切角的环形贴片，ka波段第三金属层8d和ka波段第七金属层8k都为正交的l形微带馈线，ka波段第四金属层8f和ka波段第六金属层8j都为开有两个圆形孔的金属地板，ka波段第五金属层8g为两根移相带状线，根据移相数值的不同，将ka波段第五金属层8g分为8g-1、8g-2、8g-3、8g-4。
52.由上面介绍的结构可知，本实施例中， k波段双圆极化相移单元7采用的天线形式为l形微带枝节馈叠层贴片的形式，利用叠层贴片产生的两个相邻但不重合的谐振，拓宽了天线的阻抗带宽。为了减小天线的尺寸，本实施例在贴片上进行开槽的形式，例如7a、7p的结构，在贴片的
±
45度方向上都蚀刻了矩形槽，用于蜿蜒电流路径达到减小贴片尺寸的目的，进一步地，将下层圆形贴片进行弯折，贴片尺寸得到了进一步地缩减，例如7b、7c、7d构成的弯折贴片形式、7o、7n、7m构成的弯折贴片形式，实现了k波段的7b，7o的弯折处理。将所设计的k波段天线背靠背放置并通过带状线连接，便得到了k波段双圆极化相移单元，带状线在此不仅起到了连接发射天线和接收天线的目的，通过改变带状线的长度，还获得了改变透射相位的功能。
53.为了达到右旋圆极化透射相位和左旋圆极化透射相位同时独立可调的功能，设计了四种移相度数的单元，所设计的四种单元两两之间相差45度具备了动态相位调制的功能，在此基础上再将所设计的四种单元进行旋转，引入旋转相位变化，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，实现了右旋圆极化和左旋圆极化透射相位独立调制的目的。
54.具体地，根据k波段第六金属层两根移相带状线长度的不同，将k波段双圆极化相移单元命名为k波段双圆极化相移单元一、k波段双圆极化相移单元二、k波段双圆极化相移单元三和k波段双圆极化相移单元四，所述k波段双圆极化相移单元从x极化到y极化的透射相位（）和从y极化到x极化的透射相位（）一致，四个k波段双圆极化相移单元之间的透射相位依次相差-45度，即k波段双圆极化相移单元二比k波段双圆极化相移单元一滞后-45度，k波段双圆极化相移单元三比k波段双圆极化相移单元二滞后-45度，k波段双圆极
化相移单元四比k波段双圆极化相移单元三滞后-45度；将所述k波段双圆极化相移单元一和三绕其单元中心旋转0度、45度、90度、135度，所述k波段双圆极化相移单元二和四绕其单元中心旋转22.5度、67.5度、112.5度、157.5度后形成k波段右旋圆极化2比特
×
左旋圆极化2比特共16个状态。
55.类似地，ka波段双圆极化相移单元8采用了l形微带枝节馈单层圆形贴片的形式。为了减小天线的尺寸，在贴片的
±
45度方向上都蚀刻了矩形槽，并将圆形贴片进行弯折。在具体实施过程中，根据系统带宽、剖面等要求，在不影响双频双圆极化透射阵天线功能的基础上可以适当的增加或减少贴片的数量。将所设计的ka波段天线背靠背放置并通过带状线连接，便得到了ka波段双圆极化相移单元，带状线在此不仅起到了连接发射天线和接收天线的目的，通过改变带状线的长度，还获得了改变透射相位的功能。为了达到右旋圆极化透射相位和左旋圆极化透射相位同时独立可调的功能，设计了具备了动态相位调制的四种两两之间存在45度相位差的单元，在此基础上再将所设计的四种单元进行旋转，引入旋转相位变化，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，实现了右旋圆极化和左旋圆极化透射相位独立调制的目的。因此，从馈源天线辐射的ka波段左旋/右旋圆极化波，首先被ka波段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进行辐射，电磁波在经过移相带状线后其相位已经得到了调制，所以辐射波束便可以指向预定的方向。
56.具体地，根据ka波段第五金属层两根移相带状线长度的不同，将ka波段双圆极化相移单元命名为ka波段双圆极化相移单元一、ka波段双圆极化相移单元二、ka波段双圆极化相移单元三和ka波段双圆极化相移单元四，所述ka波段双圆极化相移单元从x极化到y极化的透射相位（）和从y极化到x极化的透射相位（）一致，四个ka波段双圆极化相移单元之间的透射相位依次相差-45度，即ka波段双圆极化相移单元二比ka波段双圆极化相移单元一滞后-45度，ka波段双圆极化相移单元三比ka波段双圆极化相移单元二滞后-45度，ka波段双圆极化相移单元四比ka波段双圆极化相移单元三滞后-45度；将所述ka波段双圆极化相移单元一和三绕其单元中心旋转0度、45度、90度、135度，所述ka波段双圆极化相移单元二和四绕其单元中心旋转22.5度、67.5度、112.5度、157.5度后形成ka波段右旋圆极化2比特
×
左旋圆极化2比特共16个状态。
57.区别于传统在x光轴和y光轴存在180度相位差的半波片单元结构，在本发明中采用了全新的x（y）线极化接收y（x）线极化发射的单元架构，便可以摒弃传统半波片结构中由于180度相位差需求引入的影响带宽的色散问题，从而实现了更宽的增益和轴比带宽。本发明中，设置的圆极化调控精度是2比特，对应到线极化调控精度为3比特，即相邻单元间的相位相差45度，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。因此，从馈源天线辐射的k波段左旋/右旋圆极化波，首先被k波段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进行辐射，电磁波在经过移相带状线后其相位已经得到了调制，所以辐射波束便可以指向预定的方向。
58.图6中的a给出了所述四个k波段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，可以看出在工作频段内，交叉极化透射系数幅度都高于-2 db，同极化透射系数幅度都低于-10 db，四个k波段双圆极化相移单元一至单元四的透射相位两两之间相差45度，且在一定带宽内相移曲线保持平行，确保了双圆极化相移单元的工作带宽；
图6中的b给出了所述四个ka波段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，可以看出在工作频段内，交叉极化透射系数幅度都高于-2 db，同极化透射系数幅度都低于-16 db，四个ka波段双圆极化相移单元一至单元四的透射相位两两之间相差45度，且在一定带宽内相移曲线保持平行，确保了双圆极化相移单元的工作带宽。
59.图7中的a给出了所述k波段双圆极化相移单元一和三绕其单元中心旋转0度、45度、90度、135度，k波段双圆极化相移单元二和四绕其单元中心旋转22.5度、67.5度、112.5度、157.5度后形成的k波段右旋圆极化2比特
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左旋圆极化2比特共16个状态的透射相位分布图。
60.图7中的b给出了所述ka波段双圆极化相移单元一和三绕其单元中心旋转0度、45度、90度、135度，ka波段双圆极化相移单元二和四绕其单元中心旋转22.5度、67.5度、112.5度、157.5度后形成的ka波段右旋圆极化2比特
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左旋圆极化2比特共16个状态的透射相位分布图。
61.根据平面透射阵上k/ka波段周期性交错排布单元所需的左旋圆极化和右旋圆极化透射相位分布，将所设计的右旋圆极化2比特
×
左旋圆极化2比特共16个状态中的一种放置在平面透射阵对应单元的位置上，便实现了k/ka波段双圆极化波束的独立可控。最终，k波段右旋圆极化波指向θ=30度， =90度（θ指俯仰角度，指方位角度），其最大增益为27.5 dbic，效率为29.3%；k波段左旋圆极化波指向θ=-30度，=0度，其最大增益为27.6 dbic，效率为29.8%；k波段右旋/左旋圆极化的2db增益带宽均为13%，在此带宽内轴比均小于1.5 db。ka波段右旋圆极化波指向θ=20度，=0度，其最大增益为30 dbic，效率为23.4%；ka波段左旋圆极化波指向θ=-20度，=90度，其最大增益为30.3 dbic，效率为25.3%；ka波段右旋圆极化的2db增益带宽均为9.1%，ka波段左旋圆极化波束的2 db增益带宽为8.5%，在此带宽内轴比均低于1 db。
62.图8给出了所述波束独立可控双频双圆极化透射阵天线在k波段左旋圆极化馈源天线激励下时18.5，19.5，20.5 ghz的yz面和xz1面内计算的右旋圆极化和左旋圆极化归一化辐射方向图，可以看出在yz面内有一个指向30度方向的右旋圆极化波束。
63.以平面透射阵6所在的平面为xy平面，z轴垂直于xy平面。
64.图9给出了所述波束独立可控双频双圆极化透射阵天线在k波段右旋圆极化馈源天线激励下时18.5，19.5，20.5 ghz的xz面和yz2面内计算的右旋圆极化和左旋圆极化归一化辐射方向图，可以看出在xz面内有一个指向-30度方向的左旋圆极化波束。
65.图10给出了所述波束独立可控双频双圆极化透射阵天线在ka波段左旋圆极化馈源天线激励下时28.5，29.5，30.5 ghz的xz面和yz3面内计算的右旋圆极化和左旋圆极化归一化辐射方向图，可以看出在xz面内有一个指向20度方向的右旋圆极化波束。
66.图11给出了所述波束独立可控双频双圆极化透射阵天线在ka波段右旋圆极化馈源天线激励下时28.5，29.5，30.5 ghz的yz面和xz4面内计算的右旋圆极化和左旋圆极化归一化辐射方向图，可以看出在yz面内有一个指向-20度方向的左旋圆极化波束。
67.图12给出了所述波束独立可控双频双圆极化透射阵天线在k波段左旋/右旋圆极化馈源天线激励下时计算的增益和轴比随频率变化的曲线，可以看出所产生的k波段右旋/左旋圆极化波束的2 db增益带宽均为13%，在此带宽内轴比均低于1.5 db。
68.图13给出了所述波束独立可控双频双圆极化透射阵天线在ka波段左旋/右旋圆极
化馈源天线激励下时计算的增益和轴比随频率变化的曲线，可以看出所产生的ka波段右旋圆极化波束的2 db增益带宽为9.1%，ka波段左旋圆极化波束的2 db增益带宽为8.5%，在此带宽内轴比均低于1 db。
69.综上所述，本发明提供了一款能够工作于k和ka波段的波束独立可控的双频双圆极化透射阵天线，该透射阵天线具有低剖面、易集成等优势，并且能够提供双频双圆极化、宽带、高增益、低轴比、增益抖动小、圆极化波束独立可控的功能，在未来移动通信和卫星通信等领域有着重要的应用前景。
70.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。