一种紧凑型星载多波束四馈源合成馈源阵列
阅读说明：本技术 一种紧凑型星载多波束四馈源合成馈源阵列 (Compact satellite-borne multi-beam four-feed-source synthesis feed source array ) 是由 施锦文 成克伟 张龙 万继响 薛兆璇 张新刚 张乔山 于 2021-06-22 设计创作，主要内容包括：一种紧凑型星载多波束四馈源合成馈源阵列,包括辐射喇叭层(1)、极化频率双工层(2)、收发合成网络层(3)；辐射喇叭层(1)包括多个喇叭,相邻的两行喇叭交错排列,且喇叭的排布采用四色复用方案；极化频率双工层(2)包括多个极化频率双工器,发射左旋圆极化端口与发射右旋圆极化端口成90°正交,接收左旋圆极化端口与接收右旋圆极化端口平行；收发网络层(3)包括发射功分网络和接收合路网络,发射功分网络包括左旋功分网络单元和右旋功分网络单元,左旋功分网络单元与发射左旋圆极化端口连接且连接处成90°正交,右旋功分网络与发射右旋圆极化端口连接且连接处成90°正交。(A compact satellite-borne multi-beam four-feed source synthesis feed source array comprises a radiation horn layer (1), a polarization frequency duplex layer (2) and a receiving and transmitting synthesis network layer (3); the radiation horn layer (1) comprises a plurality of horns, two adjacent rows of horns are arranged in a staggered mode, and the arrangement of the horns adopts a four-color multiplexing scheme; the polarization frequency duplex layer (2) comprises a plurality of polarization frequency duplexers, a transmitting left-hand circular polarization port and a transmitting right-hand circular polarization port are orthogonal at 90 degrees, and a receiving left-hand circular polarization port is parallel to a receiving right-hand circular polarization port; the transmitting-receiving network layer (3) comprises a transmitting power distribution network and a receiving combining network, the transmitting power distribution network comprises a left-handed power distribution network unit and a right-handed power distribution network unit, the left-handed power distribution network unit is connected with a transmitting left-handed circularly polarized port, the connection position of the left-handed power distribution network unit and the right-handed power distribution network unit is 90-degree orthogonal, and the right-handed power distribution network is connected with a transmitting right-handed circularly polarized port, and the connection position of the right-handed power distribution network unit and the right-handed circularly polarized port is 90-degree orthogonal.)
技术领域
本发明涉及一种紧凑型星载多波束四馈源合成馈源阵列，属于星载合成多波束天线领域。
背景技术
随着互联网应用的发展，我国对宽带卫星通信服务需求逐年增加，特别是云计算、物联网及5G等技术的应用，卫星系统容量需求将呈井喷式增长。经分析，我国各行业到2025年对卫星通信容量的需求已接近1.7Tbps，迫切需求开展基于1Tbps容量的超大容量宽带卫星通信技术研究，以满足迅速增长的国内需求。
天地一体化系统通信体制、支持海量终端的地面系统架构设计、天地一体跳波束技术、宽带灵活载荷星上数字透明处理、极窄波束高增益低旁瓣多波束天线等，皆是基于1Tbps的超大容量通信卫星系统。若要发展超大容量通信卫星系统，合成多波束天线是天线领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种紧凑型星载多波束四馈源合成馈源阵列，包含了馈源阵列方案设计、紧凑型收发合成网络设计两部分内容，其中馈源阵列方案包含了馈源排列、四色复用、与收发合成网络的接口设计，为了抑制合成网络层间发射电磁波的泄漏，单馈源发射左旋与右旋接口成正交结构；收发合成网络为了达到紧凑型设计目的，设计为不等幅功分器自补偿相位的方案，从结构上看，没有了传统网络的移相层，从功能上看，功分器自我补偿相位。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
本发明实施例提供一种紧凑型星载多波束四馈源合成馈源阵列，包括辐射喇叭层、极化频率双工层、收发合成网络层；
辐射喇叭层包括M行、每行N个单喇叭，相邻的两行喇叭交错排列，且喇叭的排布采用四色复用方案；其中M≥2且为偶数，N≥2；
极化频率双工层包括M行、每行N个极化频率双工器，每个极化频率双工器均为五端口器件，公共口与喇叭连接，发射左旋圆极化端口与发射右旋圆极化端口成90°正交，接收左旋圆极化端口与接收右旋圆极化端口平行；
收发网络层包括发射功分网络和接收合路网络，发射功分网络包括左旋功分网络和右旋功分网络，左旋功分网络和右旋功分网络均采用H面一分四功分器，左旋功分网络单元的四个支路与极化频率双工器的四个发射左旋圆极化端口连接，右旋功分网络单元的四个支路与极化频率双工器的四个发射右旋圆极化端口连接；接收合路网络包括左旋合路网络和右旋合路网络，左旋合路网络单元的四个支路与极化频率双工器的四个接收左旋圆极化端口连接，右旋合路网络单元的四个支路与极化频率双工器的四个接收右旋圆极化端口连接。
本发明一实施例中，H面一分四功分器中，四个输出端口的臂长不等，使得四个输出端口的相位相等。
本发明一实施例中，辐射喇叭层中相邻两行阵列馈源中紧贴的四个单馈源形成一个波束。
本发明一实施例中，喇叭采用光壁赋型结构。
本发明一实施例中，极化频率双工器的公共口为圆形，剩余四个端口为矩形。
本发明一实施例中，收发网络层采用收发网络分层排布，尺寸较小的接收合路网络位于第一层，更接近极化频率双工层，尺寸较大的发射功分网络位于第二层，更远离极化频率双工层。
本发明一实施例中，发射左旋圆极化端口与发射右旋圆极化端口成90°正交，用于防止左旋圆极化电磁波与右旋圆极化电磁波相互泄漏。
本发明实施例提供一种超大容量通信卫星，其特征在于，包括卫星本体，以及上述的紧凑型星载多波束四馈源合成馈源阵列。
本发明一实施例中，卫星的通信容量不低于1Tbps。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明提供了一种紧凑型星载多波束四馈源合成馈源阵列，波束宽度窄，波束数量可至成百上千，适用于下一代超1Tbps及以上大容量通信卫星多波束天线领域。
(2)本发明公开了一种紧凑型星载多波束四馈源合成馈源阵列，结构紧凑，相邻波束间无共用单元，易于分层、剖分制造，分块装配组合，易于实现超大规模的阵列；
(3)本发明提供了一种收发网络，由于空间环境导致的热形变将导致收发网络铝板层间电磁泄漏，电磁泄漏将导致发射信号隔离度差，严重影响波束C/I，本发明通过极化频率双工层与收发网络层中发射功分网络左右旋圆极化接口 90°正交结构的设计，抑制了发射左、右旋圆极化电磁波的相互泄漏；
(4)本发明提供了一种收发网络，通过功分器和合路器不对称的设计结构，使得功分网络和合路网络同时具备功分和相位补偿功能，相比较与泰勒斯公司四馈源合成网络少了移相层，缩小了包络尺寸，有效的减轻了大规模阵列的重量。
附图说明
图1a为四馈源合成阵列喇叭辐射层结构示意图；
图1b为四馈源合成极化频率双工层结构示意图；
图1c为四馈源合成阵列收发合成网络层结构示意图；
图1d为四馈源合成馈源阵列图结构示意图；
图2为四馈源馈源阵列方案及收发合成网络接口示意图；
图3a为极化频率双工层与接收网络连接关系图；
图3b为极化频率双工层与发射网络连接关系图；
图4为收发合成网络空间分层设计示意图；
图5a接收合路器单元结构示意图；
图5b发射合成器单元1结构示意图；
图5c发射合成器单元2结构示意图；
图6为合成网络四支路相位补偿仿真计算结果；
图7为发射合成波束方向图仿真计算结果；
图8为接收合成波束方向图仿真计算结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
一种紧凑型星载多波束四馈源合成馈源阵列，包括辐射喇叭层1、极化频率双工层2、收发合成网络层3；
辐射喇叭层1包括M行、每行N个单喇叭，相邻的两行喇叭交错排列，且喇叭的排布采用四色复用方案；其中M≥2且为偶数，N≥2；
极化频率双工层2包括M行、每行N个极化频率双工器，每个极化频率双工器均为五端口器件，公共口与喇叭连接，发射左旋圆极化端口与发射右旋圆极化端口成90°正交，接收左旋圆极化端口与接收右旋圆极化端口平行；
收发网络层3包括发射功分网络和接收合路网络，发射功分网络包括左旋功分网络和右旋功分网络，左旋功分网络和右旋功分网络均采用H面一分四功分器，左旋功分网络单元的四个支路与极化频率双工器的四个发射左旋圆极化端口连接，右旋功分网络单元的四个支路与极化频率双工器的四个发射右旋圆极化端口连接；接收合路网络包括左旋合路网络和右旋合路网络，左旋合路网络单元的四个支路与极化频率双工器的四个接收左旋圆极化端口连接，右旋合路网络单元的四个支路与极化频率双工器的四个接收右旋圆极化端口连接。
H面一分四功分器中，四个输出端口的臂长不等，使得四个输出端口的相位相等。
辐射喇叭层1中相邻两行阵列馈源中紧贴的四个单馈源形成一个波束。喇叭采用光壁赋型结构。
极化频率双工器的公共口为圆形，剩余四个端口为矩形。
收发网络层3采用收发网络分层排布，尺寸较小的接收合路网络位于第一层，更接近极化频率双工层2，尺寸较大的发射功分网络位于第二层，更远离极化频率双工层2。
发射左旋圆极化端口与发射右旋圆极化端口成90°正交，用于防止左旋圆极化电磁波与右旋圆极化电磁波相互泄漏。
一种超大容量通信卫星，包括卫星本体，以及上述的紧凑型星载多波束四馈源合成馈源阵列。卫星的通信容量不低于1Tbps。
更具体的：
一种紧凑型星载多波束四馈源合成馈源阵列，包括辐射喇叭层1、极化频率双工层2、收发网络层3，见图1a、1b、1c和1d。
辐射喇叭层1喇叭按照一定间距排列成N行(N≥2)，每行M(M≥2) 个，共N×M个，相邻两行阵列喇叭交错排列。1、2、3、4、5、6号喇叭上下交错排列，其中3、4号为共用馈源。阵列排布为四色复用方案，1、2、4和5 号馈源合成F1/P1、F2/P1波束，2、3、5和6号馈源合成F1/P2、F2/P2波束，其中，F1为发射频率、F2为接收频率、P1为左旋极化、P2为右旋极化，也即六个喇叭即可合成四个波束。7、8、9、10、11和12号喇叭与1、2、3、 4、5、6在不同的位置实现了相同的功能，见图2。
上述为四馈源合成波束方案，以下内容将馈源阵列连接关系进一步详述。
辐射喇叭层1的辐射喇叭(即馈源)为光壁赋型结构，相邻的四个喇叭为一组，通过幅相加权合成发射、接收波束。辐射喇叭层1中单喇叭通过公共圆口与极化频率双工层2中双工器单元连接，即单喇叭连接单双工器。
极化频率双工层2中双工器实现了发射、接收圆极化的形成，并提供了良好的频率、极化隔离。其为五端口器件，公共圆口与辐射喇叭层1中喇叭单元连接，剩余四个端口为矩形端口，分别是发射左旋、右旋端口，接收左旋、右旋端口，。
收发网络层3实现了幅相加权系数。以四色波束连接关系来等效说明双工器与收发网络连接关系，四色波束分别为发射左、右旋(F1/P1、F1/P2)和接收左、右旋波束(F2/P1、F2/P2)。相邻六个双工器及喇叭为一组交错排布，中间两个双工器及喇叭为共用馈源，与其左侧两个双工器及喇叭，可实现发射左旋(F1/P1)和接收左旋(F2/P1)波束，与其右侧两个功分器及喇叭，可实现发射右旋(F1/P2)和接收右旋(F2/P2)波束。四个频率双工器四个发射左旋端口(211、212、213和214)与发射左旋功分网络连接，发射左旋信号由端口(301)馈入F1/P1，四个频率双工器四个发射右旋端口(221、222、223 和224)与发射右旋功分网络连接，发射右旋信号由端口(302)馈入F1/P2，，四个频率双工器四个接收左旋端口(231、232、233和234)与接收合路网络连接，合成左旋信号由端口(303)输出F2/P1，，四个频率双工器四个接收右旋端口(241、242、243和244)与接收合路网络连接，合成右旋信号由端口 (304)输出F2/P2，空余端口接吸收负载，见图3a、3b。
收发网络层3中一组四色波束中共四个网络，分别是接收合路网络(5、6)，发射功分网络(7、8)。为了满足空间布局和收发抑制的要求，采用收发网络分层排布，尺寸较小的接收合路网络位于第一层，更接近于极化频率双工层，尺寸较大的发射功分网络位于第二层，更远离极化频率双工层，见图4。
四馈源合成馈源阵列为收发共用体制，采用分层制造工艺，为防止合成网络铝板层间因螺钉压力不够，应力变形，热变形等问题导致的大功率的发射左、右旋圆极化电磁波相互泄漏，极化频率双工层2与收发网络层3中的发射左旋功分网络电磁通道与发射右旋电磁通道采用了接口正交的设计，见图3a中，发射左旋圆极化端口(211～214)与发射右旋圆极化端口(221～224)成90°正交。
收发网络层3中发射功分网络有发射左旋功分网络和发射右旋网络两种结构，见图5b，5c，接收左旋合路网络和接收合路网络为一种结构，见5a。
收发网络层3中发射功分器和接收合路器为紧凑型的设计，功分器和合成器都为1分4路微波无源器件，四支路功率不同，导致四支路相位不一致，为了补偿四个支路相位的不一致性，传统方案采用独立的移相层结构，本发明根据每路需要补偿的相位设计每个支路的臂长，这样四个支路臂长具有不对称结构，使得四路信号电磁路径不一致，补偿了四个支路的相位。以合成器单元为列，臂(401、403和405)的长度不等于臂(402、404和406)的长度，见图5a，补偿后相位关系如图6。
本发明中四馈源合成多波束方案辐射方向图设计结果如图7(发射频段) 和8(接收频段)。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
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