本發(fā)明涉及電磁輻射，更具體地，涉及四頻共口徑的圓極化天線結(jié)構(gòu)單元及其陣列。

背景技術(shù)：

1、在現(xiàn)代衛(wèi)星通信技術(shù)的快速發(fā)展中，對(duì)于衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能要求不斷提高，隨著衛(wèi)星載荷小型化、集成化和多功能一體化的發(fā)展趨勢(shì)，星載相控陣天線的研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向開(kāi)發(fā)在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能和性能的同時(shí)兼顧系統(tǒng)體積和成本的最優(yōu)化的天線，在這一背景下，共面天線技術(shù)作為一種創(chuàng)新的解決方案，逐漸受到廣泛關(guān)注。

2、共面天線技術(shù)通過(guò)將多個(gè)不同頻段的天線集成在同一平面口徑中，其核心優(yōu)勢(shì)在于能夠在緊湊的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多頻段天線的集成，而所集成的天線可以各自擁有不同的結(jié)構(gòu)形式，從而與傳統(tǒng)天線陣列中結(jié)構(gòu)形式相同的天線單元區(qū)別開(kāi)來(lái)，不僅極大地節(jié)省了天線所占的空間，有效降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，還在不增加額外空間需求的情況下，為天線結(jié)構(gòu)提供了更廣泛的工作頻段和更高的系統(tǒng)靈活性。

3、然而，將共面天線技術(shù)應(yīng)用于星載相控陣天線的設(shè)計(jì)上時(shí)仍具有一定挑戰(zhàn)，其面臨的最大問(wèn)題在于如何確保在集成多個(gè)頻段天線的同時(shí)，滿足相控陣天線在二維大角度掃描時(shí)的性能要求，特別是在天線單元之間的間距設(shè)計(jì)上，需要嚴(yán)格控制在小于二分之一波長(zhǎng)的范圍內(nèi)，以避免柵瓣的產(chǎn)生，這對(duì)于天線的設(shè)計(jì)和制造提出了更高的技術(shù)要求。傳統(tǒng)的疊層或立體陣子單元雖然在縮小天線間距方面有所成效，但往往伴隨著剖面高度的增加，這對(duì)于追求低剖面設(shè)計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)說(shuō)是一個(gè)不利因素。因此，如何在保持低剖面特性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)多頻段天線的有效集成，成為了當(dāng)前技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在克服上述現(xiàn)有技術(shù)的至少一種不足，提供一種實(shí)現(xiàn)了四頻共口徑的圓極化天線結(jié)構(gòu)單元及其陣列。

2、本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種四頻共口徑的圓極化天線結(jié)構(gòu)單元，所述天線結(jié)構(gòu)單元至少包括第一頻段天線單元及第二頻段天線單元，所述第一頻段天線單元及第二頻段天線單元共平面設(shè)置，且所述第一頻段天線單元包括第一天線單元及第二天線單元，所述第二頻段天線單元包括第三天線單元及第四天線單元；

3、四個(gè)天線單元分別通過(guò)設(shè)置加角，和/或，切角的輻射貼片實(shí)現(xiàn)圓極化；且在所述第一頻段天線單元及第二頻段天線單元中，均分別存在一個(gè)天線單元中采用直連饋電，而另一個(gè)天線單元中采用耦合濾波帶線饋電；

4、四個(gè)天線單元間獨(dú)立設(shè)置，且在所述第一頻段天線單元及第二頻段天線單元中，采用直連饋電的兩個(gè)天線單元間的工作頻率比與采用濾波帶線饋電的兩個(gè)天線單元間的工作頻率比一致。

5、在本技術(shù)的技術(shù)方案中，通過(guò)在同一個(gè)天線結(jié)構(gòu)單元上共口徑設(shè)置了來(lái)自兩個(gè)頻段、且頻率各不相同的四個(gè)天線單元，從而為天線結(jié)構(gòu)單元提供了四種不同的工作頻率，在保持天線結(jié)構(gòu)單元的小型化的同時(shí)，提高了頻譜資源的利用率，同時(shí)，通過(guò)合理設(shè)置天線結(jié)構(gòu)單元中的圓極化天線單元的工作頻率及饋電模式，提高了天線結(jié)構(gòu)單元中各天線單元的極化隔離度，避免了信號(hào)串?dāng)_，提高了天線的性能和通信穩(wěn)定性，在保持低剖面特性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了多頻段天線的有效集成。具體地，通過(guò)在四個(gè)天線單元中分別設(shè)置加角，和/或，切角的輻射貼片以令四個(gè)天線單元形成圓極化天線單元，具體地，通過(guò)在天線單元中的輻射貼片中引入切角，和/或，加角作為微擾單元，激勵(lì)天線單元中產(chǎn)生簡(jiǎn)并模，形成兩個(gè)或多個(gè)振幅相等，而相位相差90°的線極化電場(chǎng)，使得天線單元輻射出圓極化波，從而利用圓極化性能提高了天線單元的性能和可靠性；并且通過(guò)切角，和/或，加角可以有效地增加輻射貼片的等效輻射長(zhǎng)度，從而在不增加物理尺寸的情況下提高天線單元的輻射效率，在便于減小天線單元整體的尺寸的同時(shí)，還能夠通過(guò)改變切角，和/或，加角的形狀及大小從而提高更好的頻率選擇性，從而改善天線單元在不同頻段的工作性能，使得天線單元在多個(gè)頻段上都能保持良好的輻射特性。進(jìn)一步地，為了在各頻段實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化，在第一頻段天線單元及第二頻段天線單元中，均分別存在一個(gè)天線單元中采用直連饋電，而另一個(gè)天線單元中采用耦合濾波帶線饋電；具體地，在天線單元中，通過(guò)采用直連饋電方式直接將信號(hào)源連接到天線，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還能促進(jìn)圓極化波的產(chǎn)生并最大化程度地傳遞信號(hào)，并減少信號(hào)在傳輸過(guò)程中的損失，提高了天線單元的增益和方向性，同時(shí)提高了天線結(jié)構(gòu)單元整體的可靠性和穩(wěn)定性；而同頻段的另一個(gè)天線單元中采用耦合濾波饋電方式，通過(guò)在饋電網(wǎng)絡(luò)中引入耦合饋電帶線，從而使天線單元具備濾波響應(yīng)性能，有效濾除非自身頻段的電磁波，減少其他天線單元的耦合影響，同時(shí)，通過(guò)耦合濾波饋電還便于對(duì)天線單元的阻抗實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)節(jié)，從而顯著拓展天線單元的阻抗帶寬，使得天線單元能夠在更寬的頻率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的阻抗匹配，從而提高了天線結(jié)構(gòu)單元整體的適應(yīng)性和靈活性。

6、進(jìn)一步地，為了提高天線結(jié)構(gòu)單元中各天線單元間的隔離度，使得天線結(jié)構(gòu)單元能在其對(duì)應(yīng)的四個(gè)工作頻率上獨(dú)立工作，提高了天線結(jié)構(gòu)單元整體的使用性能和穩(wěn)定性，具體地，設(shè)置令四個(gè)天線單元間獨(dú)立設(shè)置，不相互交聯(lián)，同時(shí)，由于圓極化天線還具有旋向正交性，即不同旋向的電磁波之間具有較大的極化隔離，通過(guò)引入不同的輻射貼片及饋電方式在各天線單元中構(gòu)建形成了旋向不同的圓極化天線單元，從而提高了不同天線單元間的極化隔離度，提高了天線結(jié)構(gòu)單元整體的信號(hào)傳輸穩(wěn)定性及抗干擾能力。并且，優(yōu)選地，在第一頻段天線單元及第二頻段天線單元中，同頻段的兩個(gè)天線單元的工作頻率不同，且采用直連饋電的兩個(gè)天線單元間的工作頻率比與采用濾波帶線饋電的兩個(gè)天線單元間的工作頻率比一致，從而使得共面設(shè)置的多個(gè)天線單元的工作頻率間呈倍數(shù)設(shè)置，通過(guò)合理設(shè)置多個(gè)天線單元的頻率倍數(shù)，不僅可以提高天線結(jié)構(gòu)單元整體的容量和傳輸效率，還能優(yōu)化信號(hào)傳輸質(zhì)量，減少干擾，從而提升天線結(jié)構(gòu)單元整體的使用性能。

7、優(yōu)選地，在本技術(shù)方案中，設(shè)置令所述第一天線單元至少包括由上至下設(shè)置的若干個(gè)第一輻射貼片及第一直連饋電結(jié)構(gòu)，所述第一直連饋電結(jié)構(gòu)包括第一金屬化過(guò)孔，并通過(guò)所述第一金屬化過(guò)孔連接第一輻射貼片及金屬地板；

8、所述第二天線單元至少包括由上至下設(shè)置的若干個(gè)第二輻射貼片及第一耦合濾波帶線饋電結(jié)構(gòu)，所述第一耦合濾波帶線饋電結(jié)構(gòu)包括第二金屬化過(guò)孔及第一耦合濾波饋電帶線，所述第一耦合濾波饋電帶線與所述第二輻射貼片間留有間隙，所述第二金屬化過(guò)孔連接第一耦合濾波饋電帶線及金屬地板；

9、所述第三天線單元至少包括由上至下設(shè)置的若干個(gè)第三輻射貼片及第二直連饋電結(jié)構(gòu)，所述第二直連饋電結(jié)構(gòu)包括第三金屬化過(guò)孔，并通過(guò)所述第三金屬化過(guò)孔連接第三輻射貼片及金屬地板；

10、所述第四天線單元至少包括由上至下設(shè)置的若干個(gè)第四輻射貼片及第二耦合濾波帶線饋電結(jié)構(gòu)，所述第二耦合濾波帶線饋電結(jié)構(gòu)包括第四金屬化過(guò)孔及第二耦合濾波饋電帶線，所述第二耦合濾波饋電帶線與所述第四輻射貼片間留有間隙，所述第四金屬化過(guò)孔連接第二耦合濾波饋電帶線及金屬地板。

11、進(jìn)一步地，所述第二頻段單元設(shè)置于所述天線結(jié)構(gòu)單元中心，且所述第三天線單元及所述第四天線單元共軸層疊設(shè)置；所述第一頻段單元以所述第二頻段單元為中心對(duì)稱設(shè)置，且所述第一天線單元及所述第二天線單元共面設(shè)置。在本技術(shù)的技術(shù)方案中，在天線結(jié)構(gòu)單元中，通過(guò)令第三天線單元及第四天線單元共軸層疊設(shè)置、令第一天線單元及第二天線單元共面設(shè)置，從而使得不同天線單元獨(dú)立設(shè)置，同時(shí)通過(guò)兼顧橫向排布及豎向排布，不僅盡可能提高了天線結(jié)構(gòu)單元的空間利用率，進(jìn)而降低了天線結(jié)構(gòu)單元的尺寸，還令不同天線單元中的輻射貼片之間方便通過(guò)不同的排布方式形成旋向不同的圓極化，進(jìn)一步提高了天線單元間的極化隔離度，保證了四個(gè)天線單元間獨(dú)立、有效地工作。

12、優(yōu)選地，設(shè)置令所述天線結(jié)構(gòu)單元由上至下依次為第一金屬層、第一介質(zhì)層、第二金屬層、第二介質(zhì)層、第三金屬層、第三介質(zhì)層及金屬地板；

13、所述第一金屬層包含第一輻射貼片、第二輻射貼片及第三輻射貼片；

14、所述第二金屬層包含第一耦合濾波饋電帶線及第四輻射貼片；

15、所述第三金屬層包含第二耦合濾波饋電帶線。通過(guò)令天線結(jié)構(gòu)單元為層疊設(shè)置的金屬層及介質(zhì)層，從而使其與pcb的疊層結(jié)構(gòu)一致，疊層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有更高的空間設(shè)計(jì)包容度，且濾波帶線及輻射貼片共同為pcb上的金屬層可一同設(shè)置于同一金屬層上，從而進(jìn)一步減小了天線結(jié)構(gòu)單元的剖面尺寸，使得天線結(jié)構(gòu)單元在保持其工作性能的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)高度小型化的目標(biāo)；同時(shí)還使得天線結(jié)構(gòu)單元中的所有層均可通過(guò)pcb制作的工藝流程一體制作出來(lái)，節(jié)省了制作流程，更為經(jīng)濟(jì)。

16、進(jìn)一步地，所述第一輻射貼片及第二輻射貼片均采用加角貼片；所述第三輻射貼片及第四輻射貼片均采用切角貼片。通過(guò)對(duì)輻射貼片進(jìn)行加角或切角設(shè)置，在應(yīng)對(duì)其所設(shè)置的工作頻率時(shí)有效縮小了各天線單元中各輻射貼片的尺寸，不僅降低了天線單元的尺寸，還提高了天線單元的輻射效率和頻率響應(yīng)特性，使得天線單元在保證其工作性能得同時(shí)能在有限的空間內(nèi)更加緊湊地排列，且實(shí)現(xiàn)了天線結(jié)構(gòu)單元整體的小型化，更貼合于星載相控陣系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

17、進(jìn)一步地，所述第一耦合濾波饋電結(jié)構(gòu)及第二耦合濾波饋電結(jié)構(gòu)分別包括至少兩條平行設(shè)置且互不相連的微帶線。通過(guò)采用多個(gè)耦合的微帶線進(jìn)行饋電，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)天線阻抗的精細(xì)調(diào)節(jié)，從而顯著拓展天線的阻抗帶寬，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了濾波性能、增加了天線單元之間的隔離度，減少不同頻率天線之間的相互干擾，從而提高了整個(gè)天線結(jié)構(gòu)單元的性能和可靠性。

18、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述天線結(jié)構(gòu)單元為一平面圖形為正方形的四棱柱；

19、在所述第一頻段天線單元中，包含四個(gè)第一天線單元及四個(gè)第二天線單元，所述第一天線單元分設(shè)于所述天線結(jié)構(gòu)單元的四角處，所述第二天線單元分設(shè)于所述天線結(jié)構(gòu)單元的中心十字線上；

20、所述第二頻段單元設(shè)置于所述天線結(jié)構(gòu)單元中心，包含依次疊放的一個(gè)第三天線單元及一個(gè)第四天線單元。

21、進(jìn)一步地，在第一天線單元中，所述第一輻射貼片為加角圓形貼片，所述加角圓形貼片為在朝向所述正方形的角加設(shè)有一弧形凸出部的圓形貼片，且所述加角圓形貼片以所述正方形的對(duì)角線對(duì)稱；不僅通過(guò)圓形加角貼片實(shí)現(xiàn)了左旋圓極化，還通過(guò)2×2順序旋轉(zhuǎn)布陣的方式，顯著提升了軸比性能，提高了第一天線單元的穩(wěn)定性。

22、在第二天線單元中，所述第二輻射貼片為加角方形貼片，所述加角方形貼片為四角加設(shè)有方形凸出部的方形貼片，且四個(gè)第二輻射貼片分設(shè)于所述天線結(jié)構(gòu)單元的中心十字線上；不僅通過(guò)方形加角貼片實(shí)現(xiàn)了右旋圓極化，還通過(guò)2×2順序旋轉(zhuǎn)布陣的方式，顯著提升了軸比性能，提高了第二天線單元的穩(wěn)定性。

23、在第三天線單元中，設(shè)置令所述第三輻射貼片為在其相對(duì)的兩角切去有對(duì)稱兩個(gè)三角形的切角方形貼片，從而實(shí)現(xiàn)了右旋圓極化；同時(shí)，在第四天線單元中，設(shè)置令所述第四輻射貼片為在其四角切去有對(duì)稱的四個(gè)三角形的切角方形貼片，且所述第四輻射貼片的設(shè)置位置較所述第三輻射貼片旋轉(zhuǎn)45°，從而實(shí)現(xiàn)了左旋圓極化；進(jìn)一步地，由于第三輻射貼片與第四輻射貼片疊層設(shè)計(jì)，設(shè)置令所述第四輻射貼片的尺寸大于所述第三輻射貼片，使得在第二頻段天線單元中，第四輻射貼片可作為第三輻射貼片的參考地，第三輻射貼片亦可作為第四輻射貼片的引向片，提高了兩個(gè)天線單元的增益，拓寬了二者的工作帶寬，進(jìn)一步在兩個(gè)天線單元中實(shí)現(xiàn)了寬帶圓極化。

24、進(jìn)一步地，設(shè)置令所述第一耦合濾波饋電帶線及第二耦合濾波饋電帶線分別包含一條線形帶線及一條折角帶線，且所述線形帶線與折角帶線平行設(shè)置且互不相連；

25、在所述第二天線單元及所述第二天線單元中，所述第二金屬化過(guò)孔及所述第四金屬化過(guò)孔與其對(duì)應(yīng)的濾波帶線中的線形帶線相連。

26、在本技術(shù)方案中，濾波帶線饋電結(jié)構(gòu)包括平行設(shè)置且互不相連的一條線形帶線及一條折角帶線，以及連接于線形帶線及金屬地板間的金屬化過(guò)孔，且線形帶線及折角帶線的帶線寬度可以用來(lái)調(diào)節(jié)天線的阻抗匹配,從而通過(guò)調(diào)整線形帶線及折角帶線及其耦合間隙的尺寸，可以在天線單元實(shí)現(xiàn)特定的頻率選擇特性和極化特性，從而濾除非自身頻段的電磁波，同時(shí)還可調(diào)整天線單元的圓極化特性，進(jìn)而減少其他天線單元的耦合影響，保證了各天線單元間獨(dú)立、有效工作，提高了天線結(jié)構(gòu)單元在多頻段工作時(shí)的可靠性和穩(wěn)定性。

27、進(jìn)一步地，所述第三金屬化過(guò)孔貫穿所述第四輻射貼片，在所述第四輻射貼片之上，在所述第三金屬化過(guò)孔的貫穿位點(diǎn)處開(kāi)設(shè)有避空槽，所述避空槽的尺寸大于所述第三金屬化過(guò)孔；通過(guò)避空槽的設(shè)置允許了第三天線單元及第四天線單元可采用疊層嵌套的結(jié)構(gòu)，既降低了第二頻段天線單元的尺寸，又減小了不同天線單元之間的電磁耦合，保證了不同天線單元間的隔離度，使得兩個(gè)天線單元間可以相互獨(dú)立工作，保證其的工作性能。優(yōu)選地，第三金屬化過(guò)孔與與第四金屬化過(guò)孔在第二頻段天線單元中對(duì)角設(shè)置從而盡可能地增加第三金屬化過(guò)孔及第四金屬化過(guò)孔的間距，進(jìn)一步減小了兩個(gè)天線單元間的耦合影響，保證了兩個(gè)天線單元間獨(dú)立的工作性能。

28、本發(fā)明的另一目的在于提供一種四頻共口徑的圓極化天線陣列，其上包括接收單元、發(fā)射單元及陣列設(shè)置的若干個(gè)如本技術(shù)方案中所提供的四頻共口徑的圓極化天線結(jié)構(gòu)單元，所述天線陣列中的各單元集成于pcb上。

29、在本技術(shù)方案中，接收單元、發(fā)射單元與陣列設(shè)置的若干個(gè)天線結(jié)構(gòu)單元一體制備形成天線pcb，通過(guò)接收單元、發(fā)射單元實(shí)現(xiàn)對(duì)天線結(jié)構(gòu)單元間的相位進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)了二維大角度掃描。在天線結(jié)構(gòu)單元中，包括共口徑設(shè)置的兩個(gè)頻段、四個(gè)頻率的天線單元，通過(guò)共面設(shè)置及共軸設(shè)置兩種排布方式提高了天線結(jié)構(gòu)單元的空間利用率，同時(shí)，通過(guò)輻射貼片的旋轉(zhuǎn)設(shè)置及輻射貼片的層疊設(shè)置提高了天線增益，通過(guò)直連饋電、耦合濾波饋電方式提高了天線單元間的隔離度，在保證天線結(jié)構(gòu)單元小型化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了四頻率天線單元的有效集成；進(jìn)一步地，通過(guò)控制天線結(jié)構(gòu)單元的工作頻段與發(fā)射單元及接收單元相匹配，即使得天線pcb實(shí)現(xiàn)在二維方向上的大角度掃描。

30、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

31、1、提供了一種四頻共口徑的天線結(jié)構(gòu)單元，通過(guò)在同一個(gè)天線結(jié)構(gòu)單元上共口徑設(shè)置了來(lái)自兩個(gè)頻段、且頻率各不相同的四個(gè)天線單元，為天線結(jié)構(gòu)單元提供了四種不同的工作頻率，在保持天線結(jié)構(gòu)單元的小型化的同時(shí)，提高了頻譜資源的利用率，同時(shí)，通過(guò)合理設(shè)置天線結(jié)構(gòu)單元中的圓極化天線單元的工作頻率及饋電模式，提高了天線結(jié)構(gòu)單元中各天線單元的極化隔離度，避免了信號(hào)串?dāng)_，提高了天線的性能和通信穩(wěn)定性，在保持低剖面特性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了多頻段天線的有效集成。

32、2、通過(guò)在四個(gè)天線單元中分別設(shè)置加角，和/或，切角的輻射貼片以令四個(gè)天線單元形成圓極化天線單元，有效地增加輻射貼片的等效輻射長(zhǎng)度，從而在不增加物理尺寸的情況下提高天線單元的輻射效率，在減小天線單元整體的尺寸的同時(shí)，還能夠通過(guò)改變切角，和/或，加角的形狀及大小為天線單元提供了更好的頻率選擇性，改善了天線單元在不同頻段的工作性能。

33、3、通過(guò)在第一頻段天線單元及第二頻段天線單元中，均分別存在一個(gè)天線單元中采用直連饋電，而另一個(gè)天線單元中采用耦合濾波帶線饋電，在各頻段中既實(shí)現(xiàn)了天線增益及寬帶圓極化，又提高了天線單元的適應(yīng)性和靈活性。

34、4、通過(guò)設(shè)置令四個(gè)天線單元間獨(dú)立設(shè)置，不相互交聯(lián)，同時(shí)，通過(guò)引入不同的輻射貼片及饋電方式在各天線單元中構(gòu)建形成了旋向不同的圓極化天線單元，從而提高了不同天線單元間的極化隔離度，提高了天線結(jié)構(gòu)單元整體的信號(hào)傳輸穩(wěn)定性及抗干擾能力。

35、5、在第一頻段天線單元及第二頻段天線單元中，同頻段的兩個(gè)天線單元的工作頻率不同，通過(guò)設(shè)置令采用直連饋電的兩個(gè)天線單元間的工作頻率比與采用濾波帶線饋電的兩個(gè)天線單元間的工作頻率比一致，從而使得共面設(shè)置的多個(gè)天線單元的工作頻率間呈倍數(shù)設(shè)置，通過(guò)合理設(shè)置多個(gè)天線單元的頻率倍數(shù)，提高了天線結(jié)構(gòu)單元整體的容量和傳輸效率，還能優(yōu)化信號(hào)傳輸質(zhì)量，減少干擾，從而提升天線結(jié)構(gòu)單元整體的使用性能。