CN110380218A - 一种圆极化平面基片集成磁电偶极子天线及其阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种圆极化平面基片集成磁电偶极子天线及其阵列，所述的天线包括由上往下依次设置的顶部金属层、第一介质层、中间金属层、第二介质层、第三介质层和底部金属层；顶部金属层上中心位置设有一对旋转对称放置的L形贴片，中间金属层为接地层，中间金属层上蚀刻有矩形槽，一对L形贴片与中间金属层之间通过贯穿第一介质层的一对金属化半盲孔实现电连接；该天线通过低剖面微带馈电结构进行馈电，可以方便地扩展成阵列，且无需额外增加介质层来设计馈电网络。本发明地天线可以获得50％左右的阻抗带宽，8％左右的3dB轴比带宽，以及较宽的3dB轴比波束宽度，可以实现与毫米波射频前端电路的直接集成。

Description

一种圆极化平面基片集成磁电偶极子天线及其阵列
技术领域
本发明属于微波毫米波通信，具体涉及一种圆极化平面基片集成磁电偶极子天线及其阵列。
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。由于毫米波较之微波频段在传播相同距离的过程中存在着更大的损耗，因此，就通信应用而言，未来毫米波通信更多的是室内短距接入、高速点对点数据传输等应用场景，这时，高增益天线将显得不可或缺。对于雷达应用而言，提高毫米波雷达天线的增益可以有效的提高其探测距离。这些应用的驱动之下，毫米波阵列天线由于可以实现较高的增益、可波束赋形等优势成为了重要的研究方向。圆极化天线由于辐射的圆极化波具有抑制多径衰落、抗雨衰等优点而被广泛用于无线通信，特别是卫星通信。综上所述，能够辐射圆极化波的毫米波平面集成阵列天线具有非常好的应用前景，尤其是低剖面易于直接集成的毫米波圆极化平面集成阵列天线。
磁电偶极子天线及阵列由于其具有宽工作频带、稳定的单向辐射方向图以及低交叉极化等特性获得了广泛关注。已有部分关于毫米波圆极化平面基片集成圆磁电偶极子天线及阵列的研究报道，并且获得了一些良好的性能。然而，就目前已报道的毫米波圆极化平面基片集成圆磁电偶极子天线及阵列而言，存在以下几个方面有待改进。一是，大部分的毫米波基片集成磁电偶极子在扩展成阵列天线时，其带宽往往都会明显变窄；二是，大部分共馈式的毫米波基片集成磁电偶极子阵列天线都需要采用三层以上的介质基片(不包含粘贴介质材料)，增加了加工的复杂度；三是，大部分的毫米波基片集成磁电偶极子天线阵列天线的馈电网络都设计在较厚的介质板材上，因此很难实现与毫米波前端电路芯片直接集成；
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种圆极化平面基片集成磁电偶极子天线，同时也提供一种由该天线组成的圆极化天线阵列，获得宽阻抗带宽，低复杂度馈电结构、低馈电剖面、易于直接集成的毫米波天线及阵列结构。
技术方案：本发明所述的一种圆极化平面基片集成磁电偶极子天线，包括由上往下依次设置的顶部金属层、第一介质层、中间金属层、第二介质层、第三介质层和底部金属层；所述顶部金属层上中心位置设有一对旋转对称放置的L形贴片，所述中间金属层为接地层，中间金属层上蚀刻有矩形槽，一对旋转对称放置的L形贴片与中间金属层之间通过贯穿第一介质层的一对金属化半盲孔实现电连接；蚀刻于中间金属层上的矩形槽位于一对金属化半盲孔中间，且与一对金属化半盲孔的中心连线垂直；所述天线还包括低剖面微带馈电结构，低剖面微带馈电结构包括中间金属层、第二介质层、第三介质层和底部金属层，其中，底部金属层上设有一个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，U形馈线空间上和矩形槽垂直，中间金属层作为辐射单元和微带馈电结构的公共地。
进一步地，所述天线中位于顶部金属层上一对的L形贴片的两条垂直臂宽度不一致，其中，与矩形槽垂直的臂宽度要较与矩形槽平行的臂的宽度更宽。
进一步地，所述第一介质层的厚度大约为四分之一导波波长，所述第二介质层为半固化粘贴介质层。
一种圆极化平面基片集成磁电偶极子阵列天线结构，采用四个上述的圆极化平面基片集成磁电偶极子天线作为阵元，也就是第一阵元，第二阵元，第三阵元和第四阵元；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，也就是第一阵元和第二阵元的激励端口分别连接至第一微带功率分配器，第三阵元和第四阵元的激励端口分别连接至第二微带功率分配器，第一微带功率分配器和第二微带功率分配器输入端口分别连接至另一个第三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2N×2N(N≥2)。
进一步地，所述阵列天线结构包括通过将四个2N-1×2N-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2N-1× 2N-1(N≥2)阵列连接起来，每个2N-1×2N-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。
有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的一种圆极化平面基片集成磁电偶极子天线及其阵列，单个圆极化平面基片集成磁电偶极子天线可以获得50％左右的阻抗带宽，8％左右的3dB轴比带宽，以及较宽的3dB轴比波束宽度；该天线结构可以很方便地扩展成阵列，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天线剖分结构示意图；
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天线|S11|仿真结果；
图7为本发明具体实施方式中天线增益和轴比曲线仿真结果；
图8为本发明具体实施方式中天线轴比波束宽度仿真结果(27.75GHz)；
图9为本发明具体实施方式中天线归一化辐射方向图仿真结果(28GHz)；
图10为本发明具体实施方式中2×2阵列天线的|S11|仿真和测试结果图；
图11为本发明具体实施方式中2×2阵列天线的增益、轴比仿真和测试结果图。
具体实施方式
为了进一步的说明本发明所公开的技术方案，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阐述。
如附图1-附图2所示，本具体实施方式公开了一种圆极化平面基片集成磁电偶极子天线，包括由上往下依次设置的顶部金属层1、第一介质层2、中间金属层3、第二介质层4、第三介质层5和底部金属层6；所述顶部金属层1上中心位置设有一对旋转对称放置的L形贴片7，所述中间金属层3为接地层，中间金属层3上蚀刻有矩形槽8，一对旋转对称放置的L形贴片7与中间金属层3之间通过贯穿第一介质层2的一对金属化半盲孔9实现电连接；蚀刻于中间金属层3上的矩形槽8位于一对金属化半盲孔9中间，且与一对金属化半盲孔9的中心连线垂直；所述天线还包括低剖面微带馈电结构，低剖面微带馈电结构包括中间金属层3、第二介质层 4、第三介质层5和底部金属层6，其中，底部金属层6上设有一个U形馈线10和一个50欧姆微带线11，其中50欧姆微带线连接至U形馈线13的中间位置，U形馈线10空间上和矩形槽9垂直，中间金属层3作为辐射单元和微带馈电结构的公共地。所述天线中位于顶部金属层1上一对的L形贴片7的两条垂直臂宽度不一致，其中，与矩形槽8垂直的臂宽度要较与矩形槽8平行的臂的宽度更宽。所述第一介质层2的厚度大约为四分之一导波波长，所述第二介质层4为半固化粘贴介质层。
如附图3-附图4所示，可以采用四个前述的圆极化平面基片集成磁电偶极子天线作为阵元，也就是第一阵元121，第二阵元122，第三阵元123和第四阵元124；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，也就是第一阵元121和第二阵元122的激励端口分别连接至第一微带功率分配器13，第三阵元123和第四阵元124的激励端口分别连接至第二微带功率分配器14，第一微带功率分配器13和第二微带功率分配器 14输入端口分别连接至另一个第三微带功率分配器15的输出端口。所述阵列天线结构的规模可以扩大到2N×2N(N≥2)，具体方法如下：
通过将四个2N-1×2N-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2N-1×2N-1(N≥2)阵列连接起来，每个 2N-1×2N-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。附图5给出个了根据该阵列扩展方法得到的4×4阵列天线的结构图；
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，首先利用商用全波仿真软件对公开的一种圆极化平面基片集成磁电偶极子天线结构模型进行了仿真，附图6-附图9分别给出了相关仿真结果，结果显示，该圆极化天线的|S11|<-10dB带宽为50.8％(24.4～38.5GHz)，3dB轴比(AR)带宽为8.29％ (26.6～28.9GHz)，峰值增益为6.97dBic。在27.75GHz的xoz和yoz面的轴比波束宽度仿真结果表明，xoz和yoz面的3dB轴比波束宽度分别为142°和182°。可以观察到XOZ面和YOZ面方向图较为对称，交叉极化较低。按照本发明提供的方案和结构制作了一个2×2阵列天线实施例进行验证，天线的第一介质层2可以采用厚度为1.52mm的介质基片Taconic TLY-5，第二介质层4可以采用厚度为0.1mm的粘贴片Rogers 4450B，第三介质层6可以采用厚度为0.127mm的介质基片Taconic TLY-5。附图10-附图11给出了该阵列天线的相关性能仿真和测试结果，仿真和测试实验结果可以看出，阵列天线的|S11|<-10dB带宽为34.67％(24.8～35.2GHz)，3dB轴比带宽为11.33％(27.6～31GHz)，峰值增益出现在28GHz，为13.12dBic。在28GHz处的xoz和yoz面辐射方向图的仿真和测试结果具有良好一致性，仿真的正交极化区分度优于16dB。该阵列天线具有紧凑的结构，较宽的阻抗带宽，较高增益，较高正交极化区分度等特点。并且馈电网络采用0.227mm厚度(0.1mm+0.127mm)的介质基片，可以实现与毫米波射频前端芯片直接集成。

Claims (6)

1.一种圆极化平面基片集成磁电偶极子天线，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)、中间金属层(3)、第二介质层(4)、第三介质层(5)和底部金属层(6)；所述顶部金属层(1)上中心位置设有一对旋转对称放置的L形贴片(7)，所述中间金属层(3)为接地层，中间金属层(3)上蚀刻有矩形槽(8)，一对旋转对称放置的L形贴片(7)与中间金属层(3)之间通过贯穿第一介质层(2)的一对金属化半盲孔(9)实现电连接；蚀刻于中间金属层(3)上的矩形槽(8)位于一对金属化半盲孔(9)中间，且与一对金属化半盲孔(9)的中心连线垂直；所述天线还包括低剖面微带馈电结构，低剖面微带馈电结构包括中间金属层(3)、第二介质层(4)、第三介质层(5)和底部金属层(6)；所述底部金属层(6)上设有一个U形馈线(10)和一个50欧姆微带线(11)，其中50欧姆微带线连接至U形馈线(13)的中间位置，U形馈线(10)空间上和矩形槽(8)垂直，中间金属层(3)作为辐射单元和微带馈电结构的公共地。
2.根据权利要求1所述的一种圆极化平面基片集成磁电偶极子天线，其特征在于：所述天线中位于顶部金属层(1)上一对的L形贴片(7)的两条垂直臂宽度不一致，其中矩形槽(8)垂直的臂宽度较与矩形槽(8)平行的臂的宽度更宽。
3.根据权利要求1所述的一种圆极化平面基片集成磁电偶极子天线，其特征在于：所述第一介质层(2)的厚度大约为四分之一导波波长，所述第二介质层(4)为半固化粘贴介质层。
4.如权利要求1所述的圆极化平面基片集成磁电偶极子天线构成的一种圆极化平面基片集成磁电偶极子阵列天线结构，其特征在于：所述阵列天线结构采用四个圆极化平面基片集成磁电偶极子天线作为阵元，包括第一阵元(121)，第二阵元(122)，第三阵元(123)和第四阵元(124)；该阵元排列成两行两列排列，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，所述第一阵元(121)和第二阵元(122)的激励端口分别连接至第一微带功率分配器(13)，第三阵元(123)和第四阵元(124)的激励端口分别连接至第二微带功率分配器(14)，第一微带功率分配器(13)和第二微带功率分配器(14)输入端口分别连接至另一个第三微带功率分配器(15)的输出端口。
5.根据权利要求4所述的一种圆极化平面基片集成磁电偶极子阵列天线结构，其特征在于：所述阵列天线结构的规模可以扩大到2N×2N(N≥2)。
6.根据权利要求5所述的一种圆极化平面基片集成磁电偶极子阵列天线结构，其特征在于：所述阵列天线结构包括通过将四个2N-1×2N-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2N-1×2N-1(N≥2)阵列连接起来，每个2N-1×2N-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。
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