CN109818145B - 一种垂直折叠的开槽圆形贴片天线及阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直折叠的开槽圆形贴片天线及阵列，包括垂直折叠的开槽圆形贴片天线和以此天线作为阵元组建的阵列天线、圆极化阵列天线。该开槽圆形贴片天线的顶部金属层上设有一个开槽圆形贴片，中间第一金属层上为一个金属条带，开槽圆形贴片和金属条带通过一对金属化盲孔连接在一起；中间第二金属层为地，其上蚀刻有激励开槽圆形贴片的矩形细槽；底部金属层上为馈电结构。本发明可以获得超过23％的阻抗带宽，同时带内的增益波动也低于3dB，且容易扩展成较大规模的阵列；此外，其馈电结构设计于低剖面馈电网络之上，可以较容易地实现与射频前端电路的直接集成。

Description

一种垂直折叠的开槽圆形贴片天线及阵列

技术领域

本发明属于微波毫米波通信设备，具体涉及一种垂直折叠的开槽圆形贴片天线及阵列。

背景技术

由于各种实际的和潜在的应用的推动，毫米波技术在最近一些年受到了巨大的关注，例如5G毫米波通信，汽车雷达，高分辨率成像和探测以及一些其他应用。为了实现通信***中的高速率传输和汽车雷达和成像应用中的高分辨率，宽带的电子设备是必须的。特别地，作为毫米波无线***中关键器件的宽带毫米波器件天线急需要被开发和设计。

在毫米波阵列天线中，除了传统的矩形或方形贴片被用作辐射单元，圆形贴片也常常是一个选择。多个圆形贴片单元通过SIW或微带馈电网络的激励可以产生定向的线极化、圆极化等类型的辐射波。相关文献中报道的毫米波圆形贴片阵列天线中的辐射单元大部分采用传统圆形贴片结构，它们工作于圆形贴片的基本模式——TM₁₁模，通过微带端接或者缝隙耦合进行馈电。因为毫米波频段的电磁波在大气中传播相同距离时的路径损耗要比微波频段的电磁波要高，很多毫米波频段的无线应用采用阵列天线来获得高定向性的辐射波束以实现较远距离的电磁波传播。在这种情况下，采用增益较高的辐射单元来组阵对阵列天线的设计工作更加有益。一般而言，增大辐射单元的物理口径是提高单元增益的一个有效方式，对于圆形贴片单元而言，增大物理面积可能会使其在相同频率点上的工作模式发生变化，如工作模式从TM₁₁变为TM₂₁。不同于TM₁₁模圆形贴片，传统的TM₂₁模圆形贴片辐射锥状波束，使得原最大辐射方向此时变为方向图的零点，难以应用于高增益阵列天线的设计。为了使得工作于TM₂₁模式下的圆形贴片能够与工作于TM₁₁模式下的圆形贴片一样产生轴向辐射，需要对传统的TM₂₁模圆形贴片进行改进。由于TM₂₁模圆形贴片相对于TM₁₁模圆形贴片具有更大的物理尺寸，将其作为毫米波阵列的辐射单元时，阵元数目相同的情况下阵列的辐射口径更大，可以为层叠于辐射单元下方的阵列馈电网络的设计提供更大的空间。

发明内容

发明目的：针对现有的技术对于开槽圆形贴片阵列天线的阻抗宽带交底等问题，本发明所提供的一种垂直折叠的开槽圆形贴片天线及阵列，第一目的是提供一种工作于准TM₂₁模的垂直折叠的开槽圆形贴片天线，第二目的是提供一种由该天线组成的线极化阵列天线和一种由该天线组成的圆极化阵列天线，具有更简单的馈电网络，且获得更宽的有效带宽。

技术方案：本发明所述的一种垂直折叠的开槽圆形贴片天线，包括由上往下依次设置的顶部金属层、第一介质层、中间第一金属层、第二介质层、中间第二金属层、第三介质层和底部金属层；所述顶部金属层上设有一个开槽圆形贴片，开槽圆形贴片上有三个槽，其中一个槽位于圆形贴片中间并且将其分为两半，另外两个槽与槽垂直，并平行位于槽对称轴的两侧；所述中间第一金属层上为一个金属条带，开槽圆形贴片和金属条带通过一对金属化盲孔连接在一起；所述中间第二金属层为地，其上蚀刻有激励开槽圆形贴片的矩形细槽，且矩形细槽的中心与开槽圆形贴片的中心在空间上重合；所述底部金属层上为馈电结构，包括一个U形馈线和一个50欧姆微带线，其中50欧姆微带线连接至U形馈线的中间位置。

进一步地，所述开槽圆形贴片天线工作于准TM₂₁模式，其半径接近于工作于TM₂₁模式的传统圆形贴片的半径值；

进一步地，所述开槽圆形贴片天线第一介质层厚度优选为0.381mm，第二介质层可以为半固化粘合材料，其厚度优选0.254mm。

一种垂直折叠的开槽圆形贴片阵列天线，包括四个上述的垂直折叠的开槽圆形贴片天线作为阵元，这些阵元排列成两行两列，每行或者每列的两个阵元的激励端口分别连接至一个一分二的微带功率分配器的输出端口，两个一分二的微带功率分配器的输入端口分别连接至另一个一分二的微带功率分配器的输出端口。

进一步地，所述阵列天线结构的规模可以扩大到2^N×2^N(N≥2)，具体方法是通过将四个2^N-1×2^N-1(N≥2)阵列按照每行每列各两个进行排列，然后用“工”字形的微带功率分配器将这四个2^N-1×2^N-1(N≥2)阵列连接起来，每个2^N-1×2^N-1(N≥2)阵列的激励端口分别连接至“工”字形功率分配器的输出端口进行扩大规模。

一种圆极化阵列天线的实现方法，将四个所述的垂直折叠的开槽圆形贴片阵列天线作为子阵列，通过顺序旋转阵列技术来实现，具体方法如下：

将四个子阵列，即第一子阵列、第二子阵列、第三子阵列和第四子阵列，顺序旋转放置，然后在这四个子阵列的***利用一个微带馈电网络分别为第一子阵列至第四子阵列提供幅度相等，相位为0°、90°、180°、270°的激励信号。

有益效果：本发明所公开的一种垂直折叠的开槽圆形贴片天线及其阵列，工作于准TM₂₁模，相比现有技术，能够实现23％的阻抗带宽；当将设计的该垂直折叠的开槽圆形贴片天线扩展成阵列天线时，阵列天线的带宽与天线单元基本一致，而不会出现明显地带宽恶化的现象；并且，使用的低剖面微带馈电结构可以使得天线可以实现与毫米波射频前端电路的直接集成。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中天线的层次结构示意图；

图2为本发明具体实施方式中垂直折叠的开槽圆形贴片天线结构示意图；

图3为本发明具体实施方式中2×2阵列天线的顶层金属层的结构示意图；

图4为本发明具体实施方式中2×2阵列天线的底层金属层(馈电网络)的结构示意图；

图5为本发明具体实施方式中扩展成4×4阵列后的示意图；

图6为本发明具体实施方式中圆极化阵列天线组成示意图；

图7为本发明具体实施方式中4×4圆极化阵列天线的结构示意图

图8为本发明具体实施方式中垂直折叠的开槽圆形贴片天线的|S₁₁|；

图9为本发明具体实施方式中垂直折叠的开槽圆形贴片天线的归一化辐射方向图(30GHz)；

图10为本发明具体实施方式中4×4线极化阵列天线的|S₁₁|、增益和辐射效率；

图11为本发明具体实施方式中4×4线极化阵列天线的归一化辐射方向图；

图12为本发明具体实施方式中4×4圆极化阵列天线的|S₁₁|；

图13为本发明具体实施方式中4×4圆极化阵列天线的增益和轴比；

图14为本发明具体实施方式中4×4圆极化阵列天线的归一化辐射方向图。

具体实施方式

为了进一步的说明本发明公开的技术方案，下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。

现有技术包括公开过一种基于SIW馈电的准TM₂₁模开槽圆形贴片阵列天线，然而其阻抗带宽均低于6％(其中，1×8单元阵列天线为5.5％，4×8单元阵列天线为4.37％)，对于一些需要更宽带宽的应用，显得不足。相比准TM₂₁模开槽圆形贴片阵列天线，本发明可以获得更宽的有效带宽(同时考虑|S₁₁|<-10dB带宽，3dB增益带宽等)，更简单的馈电网络。

一种工作于准TM₂₁模的垂直折叠的开槽圆形贴片天线，如附图1-附图2所示，包括由上往下依次设置的顶部金属层1、第一介质层2、中间第一金属层3、第二介质层4、中间第二金属层5、第三介质层6和底部金属层7；所述顶部金属层1上设有一个开槽圆形贴片8，开槽圆形贴片8上有三个槽，其中一个槽9位于圆形贴片中间并且将其分为两半，另外两个槽与槽9垂直，并平行位于槽9对称轴的两侧；所述中间第一金属层3上为一个金属条带10，开槽圆形贴片8和金属条带10通过一对金属化盲孔11连接在一起；所述中间第二金属层5为地，其上蚀刻有激励开槽圆形贴片8的矩形细槽12，且矩形细槽12的中心与开槽圆形贴片8的中心在空间上重合；所述底部金属层上为馈电结构，包括一个U形馈线13和一个50欧姆微带线14，其中50欧姆微带线连接至U形馈线13的中间位置。

如附图3和附图4所示，可以由四个上述的垂直折叠的开槽圆形贴片天线排列成两行两列构成一个2×2的阵列天线，四个垂直折叠的开槽圆形贴片天线如图中所示为第一垂直折叠的开槽圆形贴片天线151，第二垂直折叠的开槽圆形贴片天线152，第三磁垂直折叠的开槽圆形贴片天线153和第四垂直折叠的开槽圆形贴片天线154，每行(或者每列)的两个垂直折叠的开槽圆形贴片天线的激励端口分别连接至一个一分二的微带功率分配器的输出端口，附图4中具体分别对应第一微带功率分配器161和第二微带功率分配器162，两个一分二的微带功率分配器的输入端口分别连接至一分二的第三微带功率分配器17的输出端口。

除此之外，在上述2×2阵列的基础上，阵列天线的规模还可以扩大到2^N×2^N(N≥2)，扩大的方法如下：

将四个2^N-1×2^N-1(N≥2)阵列按照每行每列各两个进行排列，然后用“工”字形的微带功率分配器将这四个2^N-1×2^N-1(N≥2)阵列连接起来，每个2^N-1×2^N-1(N≥2)阵列的激励端口分别连接至“工”字形功率分配器的输出端口。图5为由此方法设计完成的一个4×4的阵列天线。

除此之外，在上述2^N-1×2^N-1(N≥2)阵列的基础上，还可以形成一个2^N×2^N(N≥2)圆极化阵列天线，具体地方法如下：

将四个子阵列，即第一子阵列181、第二子阵列182、第三子阵列183和第四子阵列184，顺序旋转放置，然后在这四个子阵列的***利用一个微带馈电网络19分别为第一子阵列181至第四子阵列184提供幅度相等，相位为0°、90°、180°、270°的激励信号。

为了验证本发明提供的实现宽带阵列天线及其阵列结构的真实性和可靠性，首先设计了一个工作于Ka波段的垂直折叠的开槽圆形贴片天线，并对其进行了仿真，附图8和附图9分别给出了|S₁₁|和归一化方向图的仿真结果，结果显示，天线的中心频率约为306Hz，|S₁₁|＜-10dB带宽为7.16Hz，即23.67％，远高于文献[1]中的设计。本发明提供的方案和结构制作了一个4×4线极化阵列和一个4×4圆极化阵列天线实施例进行验证，阵列天线的第一介质层2采用厚度为0.381mm的介质基片TaconicTLY-5，第二介质层4采用厚度为0.2mm的粘贴片Rogers 4450B，第三介质层6采用厚度为0.254mm的介质基片Taconic TLY-5。附图10给出了4×4线极化阵列的|S11|、增益的仿真和实测值以及辐射效率的仿真结果。可以看出，实测结果和仿真结果之间具有良好的一致性。测试结果显示，|S11|<-10dB带宽为19.22％，即26.8-32.5GHz，而在该频带内测得的增益值在17.22和19.74dBi之间变化,在30GHz处观察到峰值增益为19.74dBi。。在有效工作频段内，辐射效率仿真值高于88％。4×4线极化阵列天线在27、29.5和33GHz处的归一化辐射方向图的仿真和测试结果分别在图11中给出。可以观察到，在这三个测试频点，所有的波束均保持稳定。附图12为4×4圆极化阵列天线的|S₁₁|仿真和实测结果，可以发现，实测的|S11|<-10dB带宽达到58.46％，即22.9-40GHz。附图13为4×4圆极化阵列天线的增益和轴比实验结果，可以看出，3dB轴比带宽实测值为13.68％(27.25-31.25GHz)，峰值增益出现在29GHz处，为14.69dBic。在AR<3dB的频带内，圆极化阵列天线的增益值在13.36和14.69dBic之间变化。28、29和30GHz三个频点处的归一化辐射方向图的仿真和实测结果附图14所示，波束始终稳定。

所有验证天线具有紧凑的结构，较宽的阻抗带宽，较高增益，等特点。并且馈电网络采用0.254mm厚度的介质基片，可以实现与毫米波射频前端芯片直接集成。

Claims (7)

1.一种垂直折叠的开槽圆形贴片天线，其特征在于：包括由上往下依次设置的顶部金属层（1）、第一介质层（2）、中间第一金属层（3）、第二介质层（4）、中间第二金属层（5）、第三介质层（6）和底部金属层（7）；所述顶部金属层（1）上设有开槽圆形贴片（8），所述开槽圆形贴片（8）上被槽（9）分割成两个部分，所述中间第一金属层（3）上为一个金属条带（10），开槽圆形贴片（8）和金属条带（10）通过一对金属化盲孔（11）连接在一起，所述一对金属化盲孔（11）对称设置在被开槽圆形贴片（8）中心处的槽（9）分割成的两个半圆形贴片靠近开槽圆形贴片（8）圆心的位置处；所述中间第二金属层（5）为地，其上蚀刻有激励垂直折叠的开槽圆形贴片的矩形细槽（12），且矩形细槽（12）的中心与开槽圆形贴片（8）的中心在空间上重合；所述底部金属层（7）上为馈电结构；

所述开槽圆形贴片天线工作于准TM₂₁模式。

2.根据权利要求1所述的一种垂直折叠的开槽圆形贴片天线，其特征在于：所述开槽圆形贴片（8）上有三个槽，其中一个槽（9）位于圆形贴片中间并且将其分为两半，另外两个槽与槽（9）垂直，并平行位于槽（9）对称轴的两侧。

3.根据权利要求1所述的一种垂直折叠的开槽圆形贴片天线，其特征在于：所述底部金属层（7）上的馈电结构包括一个U形馈线（13）和一个50欧姆微带线（14），其中50欧姆微带线（14）连接至U形馈线（13）的中间位置。

4.根据权利要求1所述的一种垂直折叠的开槽圆形贴片天线，其特征在于：所述开槽圆形贴片天线第一介质层（2）厚度约为0.05倍介质波长，第二介质层(4)包括设置为半固化粘合材料，其厚度约为0.035倍介质波长。

5.一种垂直折叠的开槽圆形贴片阵列天线，其特征在于：所述阵列天线由如权利要求1-4任一所述垂直折叠的开槽圆形贴片天线作为阵元，所述阵元按两行两列排列，每行或者每列的两个阵元的激励端口分别连接至一个一分二的微带功率分配器的输出端口，两个一分二的微带功率分配器的输入端口分别连接至另一个一分二的微带功率分配器的输出端口。

6.根据权利要求5所述的一种垂直折叠的开槽圆形贴片阵列天线，其特征在于：将所述阵列天线结构的规模扩大到 2^N×2^N，N≥2，具体如下：

四个2^N-1×2^N-1阵列按照每行每列各两个进行排列，所述的四个阵列通过“工”字形的微带功率分配器连接，每个阵列的激励端口分别连接至“工”字形功率分配器的输出端口进行扩大规模。

7.一种圆极化阵列天线的实现方法，其特征在于：所述圆极化阵列天线将四个如权利要求5或6所述垂直折叠的开槽圆形贴片阵列天线作为子阵列，通过顺序旋转阵列技术来实现，具体如下：

将四个子阵列，即第一子阵列（181）、第二子阵列（182）、第三子阵列（183）和第四子阵列（184），顺序旋转放置，然后在这四个子阵列的***利用一个微带馈电网络（19）分别为第一子阵列（181）至第四子阵列（184）提供幅度相等，相位为0°、90°、180°、270°的激励信号。

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