CN110635232A - 一种具有宽角宽带扫描能力的双极化微带天线单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于宽角、宽带扫描的双极化微带天线单元，属于天线工程技术领域。该天线由叠层贴片层、双极化馈电层和金属底板构成；其中叠层贴片层包含两层PCB板，并使用金属壁作为支撑；馈电层包含水平极化的微带馈线、地面上的十字形耦合槽、垂直极化的非对称带状线馈电，分别设置于三层PCB板上。通过金属壁和金属底板，增大了天线的机械强度和稳定性；金属壁支撑的空气腔体增大了天线带宽，避免了低介电常数PCB板的使用，减少了PCB板层数，从而减小了拼装过程的对齐误差并降低了成本；馈电层避免了盲孔，减小了加工难度、降低了加工成本。仿真和实验结果表明，该天线单元用于相控阵中，可以实现15％的相对带宽，带宽内扫描±45度不出现栅瓣、高副瓣，有源驻波低于2.5，交叉极化低于‑20dB，隔离度在23dB以上。

Description

一种具有宽角宽带扫描能力的双极化微带天线单元
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，涉及一种可以实现宽角、宽带扫描的双极化微带天线单元。
背景技术
双极化天线可以加倍频谱利用率，广泛应用于通信***，在雷达探测及成像领域，不同极化也可以得到目标的不同成像信息；微带天线具有低剖面、结构简单、加工成本低等优点，然而普通的微带天线带宽仅2％～5％，限制了其应用。在文献“Wide-Bandmicrostrip antenna with an H-shaped coupling aperture”中，使用叠层贴片增大了微带天线带宽；在文献“Dual polarized wide-band aperture stacked patch antennas”中，使用十字形耦合槽和Y字形馈线激励叠层贴片，实现了宽带双极化微带天线。然而，文献中的天线为单天线，尺寸偏大，且没有考察在阵列环境中的扫描特性，不适合作为相控阵天线单元。
在此基础上，文献“A cross-stacked radiating antenna with enhancedscanning performance for digital beamforming multifunction phased-arrayradars”进一步设计了适用于宽角、宽带扫描的相控阵叠层微带天线单元。然而，该天线单元使用了8层介质，且大量使用盲孔。首先增大了加工和拼装误差；其次大量的盲孔和介质层压结构增大了加工的难度和成本，天线层采取了低介电常数的RT/duroid 5880LZ材料，也增大了成本；再次，天线缺少金属骨架，介质材料的机械强度不够。最后，文中并未给出不同扫描角下天线单元的有源驻波随频率变化曲线。
发明内容
本发明在背景技术的基础上，提出一种机械强度高、加工难度和成本低的双极化微带天线单元，具有宽角、宽带扫描能力。
本发明采用的技术方案为：一种具有宽角宽带扫描能力的双极化微带天线单元，该天线单元包括：从上到下依次层叠的叠层贴片层、双极化馈电层、金属底板；
所述叠层贴片层包括：第一叠层贴片、第一PCB板层、第二叠层贴片、第二PCB板层、金属框；所述第一叠层贴片设置于第一PCB板层的上表面，且面积小于第一PCB板层的上表面；所述第二叠层贴片设置于第二PCB板层的上表面，且面积小于第二PCB板层的上表面；所述第二PCB板层镶嵌在金属框内部，第一PCB板层被金属框支撑，使第一PCB板层与第二PCB板层间形成空气腔体层；
所述双极化馈电层包括：上到下依次层叠的在第三、第四、第五PCB板层，所述第三PCB板层上表面设置水平极化馈线，所述第四PCB板层内设置十字形耦合槽，所述第五PCB板层上表面设置垂直极化馈线；
所述金属底板上设置有垂直极化馈电探针和水平极化馈电探针，所述垂直极化馈电探针从金属底板出发依次穿过第五PCB板层、第四PCB板层到达第三PCB板层下表面，垂直极化馈电探针穿过第五PCB板层时与设置于第五PCB板层上表面的垂直极化馈线输入端连接；所述水平极化馈电探针从金属底板出发依次穿过第五PCB板层、第四PCB板层、第三PCB板层到达第二PCB板层下表面，水平极化馈电探针穿过第三PCB板层时与设置于第三PCB板层上表面的水平极化馈线输入端连接；
所述双极化馈电层中设置有一圈金属化过孔，用于包围住水平极化馈线、垂直极化馈线、垂直极化馈电探针、水平极化馈电探针。
进一步的，所述水平极化馈线为沿y方向的Y字形微带线，垂直极化馈线为沿x方向的Y字形带状线。
进一步的，所述十字形耦合槽的每一个枝节末端都设置有一个宽度大于十字形耦合槽并与之联通的矩形槽；所述十字形耦合槽深度矩形槽相同，且等于第四PCB板层的厚度。
进一步的，所述金属底板内设置有两个通孔，分别连接水平极化馈电探针、垂直极化馈电探针。
进一步的，所述第二叠层贴片形状与双极化馈电层中设置的一圈金属化过孔围成的形状大小相同，所述第一叠层贴片位于第二叠层贴片正上方，且面积大于第二叠层贴片。
进一步的，所述水平极化馈线的包括两部分：“U”型微带线部分和“1”型微带线部分，所述“1”型微带线部分的顶点连接“U”型微带线部分的下底边中点，“1”型微带线部分的底点为输入点。
本发明采用金属壁和金属底板作为天线骨架，增大了天线的机械强度和稳定性；金属壁支撑起空气腔体，增大天线带宽，避免了低介电常数PCB板的使用，减少了PCB板层数，从而减小了拼装过程的对齐误差并降低了成本；馈电层避免了盲孔，减小了加工难度、降低了加工成本。
附图说明
图1为本发明的3D结构示意图。
图2为无限阵列环境下周期性单元仿真的有源驻波(Active VSWR)随频率变化曲线，其中(a)、(b)图分别为垂直、水平极化的性能。
图3为5×5阵列示意图，图中单元四周的圆柱为拼装过程中的螺钉位置。
图4为5×5阵列中心单元水平极化有源驻波随频率变化曲线，其中(a)、(b)、(c)图分别为H面、D面、E面的仿真和测试结果。
图5为5×5阵列中心单元双极化端口间传输系数曲线。
图6为5×5阵列在4.2GHz的仿真与实测增益方向图，其中(a)、(b)、(c)图依次为中心单元方向图、E面扫描方向图、H面扫描方向图。
图7为图1的主视图。
图8为图1各层结构的平面图。
具体实施方式
本实施例中天线单元结构见图1，天线整体分六层，分别为五层PCB板层10、20、30、40、50和一层金属底板62，厚度依次为0.5mm、1.5mm、0.5mm、0.5mm、3mm、3mm，PCB板介电常数均为2.2；其中10、20层以及金属框22构成叠层贴片层，金属框厚度为5mm，30、40、50层构成馈电层；单元尺寸为40×40mm2。
叠层贴片11、21分别为边长25.5mm、19mm的方形贴片，金属框内壁宽度为38mm。
水平极化Y字形馈线31主干线和分支线线宽分别为1.59mm、0.45mm，分支线间距6mm，分支线终端距离单元中心6mm；十字形骨状耦合槽41内部细槽长宽分别为8.5mm、0.5mm，y方向槽的终端矩形槽长宽分别为5mm、2.5mm，x方向槽的终端矩形槽长宽分别为5mm、2mm；垂直极化Y字形馈线51主干线和分支线线宽分别为1.59mm、0.45mm，分支线间距7mm，分支线终端距离单元中心6.5mm。
金属化过孔43直径为0.8mm，其中一部分环绕带状线馈线围成21×18mm2的矩形区域，相邻间距为1.5mm，另一部分围绕垂直极化馈电探针64、水平极化馈电探针65，距离探针2mm。
金属底板内两个通孔66分别在x和y方向中心线上，距离单元边沿5mm，直径2.9mm；馈电采用标准SMA接头，其内芯64、65直径均为1.27mm。
由图2可知，天线单元在E、H、D面两个极化从0到45度扫描，在3.6～4.2GHz驻波均低于2.5，带宽15％；有限阵列环境下仿真与实测结果也验证了该结论，见图4。
由图5可知，实测的双极化端口隔离度在23dB以上。
由图6(a)可知，天线单元最高增益在5dB以上，由此可以计算口径效率在80％以上，交叉极化在-20dB以下，前后比12dB以上；由图6(b)、(c)可知，阵列从0扫描到45度，副瓣电平在-10dB以下，未出现栅瓣。

Claims (6)

1.一种具有宽角宽带扫描能力的双极化微带天线单元，该天线单元包括：从上到下依次层叠的叠层贴片层、双极化馈电层、金属底板；
所述叠层贴片层包括：第一叠层贴片、第一PCB板层、第二叠层贴片、第二PCB板层、金属框；所述第一叠层贴片设置于第一PCB板层的上表面，且面积小于第一PCB板层的上表面；所述第二叠层贴片设置于第二PCB板层的上表面，且面积小于第二PCB板层的上表面；所述第二PCB板层镶嵌在金属框内部，第一PCB板层被金属框支撑，使第一PCB板层与第二PCB板层间形成空气腔体层；
所述双极化馈电层包括：上到下依次层叠的在第三、第四、第五PCB板层，所述第三PCB板层上表面设置水平极化馈线，所述第四PCB板层内设置十字形耦合槽，所述第五PCB板层上表面设置垂直极化馈线；
所述金属底板上设置有垂直极化馈电探针和水平极化馈电探针，所述垂直极化馈电探针从金属底板出发依次穿过第五PCB板层、第四PCB板层到达第三PCB板层下表面，垂直极化馈电探针穿过第五PCB板层时与设置于第五PCB板层上表面的垂直极化馈线输入端连接；所述水平极化馈电探针从金属底板出发依次穿过第五PCB板层、第四PCB板层、第三PCB板层到达第二PCB板层下表面，水平极化馈电探针穿过第三PCB板层时与设置于第三PCB板层上表面的水平极化馈线输入端连接；
所述双极化馈电层中设置有一圈金属化过孔，用于包围住水平极化馈线、垂直极化馈线、垂直极化馈电探针、水平极化馈电探针。
2.如权利要求1所述的一种具有宽角宽带扫描能力的双极化微带天线单元，其特征在于所述水平极化馈线为沿y方向的Y字形微带线，垂直极化馈线为沿x方向的Y字形带状线。
3.如权利要求1所述的一种具有宽角宽带扫描能力的双极化微带天线单元，其特征在于所述十字形耦合槽的每一个枝节末端都设置有一个宽度大于十字形耦合槽并与之联通的矩形槽；所述十字形耦合槽深度矩形槽相同，且等于第四PCB板层的厚度。
4.如权利要求1所述的一种具有宽角宽带扫描能力的双极化微带天线单元，其特征在于所述金属底板内设置有两个通孔，分别连接水平极化馈电探针、垂直极化馈电探针。
5.如权利要求1所述的一种具有宽角宽带扫描能力的双极化微带天线单元，其特征在于所述第二叠层贴片形状与双极化馈电层中设置的一圈金属化过孔围成的形状大小相同，所述第一叠层贴片位于第二叠层贴片正上方，且面积大于第二叠层贴片。
6.如权利要求2所述的一种具有宽角宽带扫描能力的双极化微带天线单元，其特征在于所述水平极化馈线的包括两部分：“U”型微带线部分和“1”型微带线部分，所述“1”型微带线部分的顶点连接“U”型微带线部分的下底边中点，“1”型微带线部分的底点为输入点。
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