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随着卫星通信、雷达系统的发展以及在各种极化和气候条件下对目标进行跟踪和探测的需求，发射或接收圆极化的微波和毫米波系统变得越来越重要。目前，顺序旋转阵列已成为实现宽带圆极化天线阵列的主流技术之一。考虑到线极化单元组成的顺序旋转阵列的优缺点，能否在克服其口径效率低于理论最大值50%和只能辐射单圆极化波束两个缺点的同时又保留其宽带特性成为一个值得研究的问题。在此背景下，本文提出了新型的单端口双圆极化平面天线阵列，并对其进行了理论分析与实验验证。论文工作包括以下三个部分：
第一部分提出了一种广义顺序旋转阵列技术，可以仅通过一个单端口馈电网络实现双圆极化辐射波的独立波束成形。基于二元阵，推导出了相应的公式，由于不再需要使阵列单元的旋转角度和激励相位关系受限于传统顺序旋转技术所要求的对应关系，阵列中所有单元的线极化辐射波可分解而成的两个圆极化分量均可在远场的不同方向相增叠加，从而实现双圆极化定向辐射波束，此外，将该理论拓展到平面阵列和环形阵列。
在第二部分中，为了验证所提出的广义顺序旋转技术，首先设计了用作双圆极化阵列辐射单元的K波段圆形贴片天线，给出了可以准确地计算左旋和右旋圆极化波束的辐射方向图的方法，并展示了多个双圆极化双定向波束阵列的示例，以说明所提出的双圆极化阵列具有很高的设计自由度。然后，基于所提出的K波段线极化辐射单元，设计了两款8 ×8单元双圆极化双波束平面天线阵列，其中一个阵列具有均匀的激励幅度分布，另一个阵列具有呈锥削分布的激励幅度以抑制副瓣。最后，对两个阵列分别进行了加工和测量，结果表明等幅阵列的-10dB阻抗、3dB轴比和3dB增益联合带宽对于左旋圆极化波束与右旋圆极化波束分别为20.0%和22.5%，低副瓣阵列的相应联合带宽也可达到15.8%和16.7%，同时，波束摇头角度在工作频带内小于±3°。
第三部分设计并仿真分析了工作在 Q 波段的基于基片集成同轴线的孔径耦合圆形贴片差分天线。该差分天线的-10dB阻抗带宽为6%，在此频带内增益波动小于0.25 dB，且在θ=±30°的范围内具有很高的线极化纯度。与单端口天线相比，差分天线在其E面的交叉极化有显著的下降。该天线可以在毫米波频段克服微带结构引起的辐射损耗和交叉极化水平降低等问题，且具有更稳定和更对称的辐射方向图，基于该天线单元，进一步计算并分析了由其组成的双圆极化双波束平面天线阵列的波束特性。
本文提出的单端口双圆极化平面天线阵列及相关理论不仅可以突破传统顺序旋转阵列的理论最大口径效率，而且具有低剖面、高极化纯度和宽带性能等优势，在卫星通信、雷达、点对多点通信系统等方面有很大的应用潜力。
第一部分提出了一种广义顺序旋转阵列技术，可以仅通过一个单端口馈电网络实现双圆极化辐射波的独立波束成形。基于二元阵，推导出了相应的公式，由于不再需要使阵列单元的旋转角度和激励相位关系受限于传统顺序旋转技术所要求的对应关系，阵列中所有单元的线极化辐射波可分解而成的两个圆极化分量均可在远场的不同方向相增叠加，从而实现双圆极化定向辐射波束，此外，将该理论拓展到平面阵列和环形阵列。
在第二部分中，为了验证所提出的广义顺序旋转技术，首先设计了用作双圆极化阵列辐射单元的K波段圆形贴片天线，给出了可以准确地计算左旋和右旋圆极化波束的辐射方向图的方法，并展示了多个双圆极化双定向波束阵列的示例，以说明所提出的双圆极化阵列具有很高的设计自由度。然后，基于所提出的K波段线极化辐射单元，设计了两款8 ×8单元双圆极化双波束平面天线阵列，其中一个阵列具有均匀的激励幅度分布，另一个阵列具有呈锥削分布的激励幅度以抑制副瓣。最后，对两个阵列分别进行了加工和测量，结果表明等幅阵列的-10dB阻抗、3dB轴比和3dB增益联合带宽对于左旋圆极化波束与右旋圆极化波束分别为20.0%和22.5%，低副瓣阵列的相应联合带宽也可达到15.8%和16.7%，同时，波束摇头角度在工作频带内小于±3°。
第三部分设计并仿真分析了工作在 Q 波段的基于基片集成同轴线的孔径耦合圆形贴片差分天线。该差分天线的-10dB阻抗带宽为6%，在此频带内增益波动小于0.25 dB，且在θ=±30°的范围内具有很高的线极化纯度。与单端口天线相比，差分天线在其E面的交叉极化有显著的下降。该天线可以在毫米波频段克服微带结构引起的辐射损耗和交叉极化水平降低等问题，且具有更稳定和更对称的辐射方向图，基于该天线单元，进一步计算并分析了由其组成的双圆极化双波束平面天线阵列的波束特性。
本文提出的单端口双圆极化平面天线阵列及相关理论不仅可以突破传统顺序旋转阵列的理论最大口径效率，而且具有低剖面、高极化纯度和宽带性能等优势，在卫星通信、雷达、点对多点通信系统等方面有很大的应用潜力。