CN113410628B - 一种宽带高效率天线单元、串并馈子阵列及相控阵 - Google Patents

一种宽带高效率天线单元、串并馈子阵列及相控阵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽带高效率天线单元、串并馈子阵列及相控阵，天线单元包括依次设置的第一介质基板、第一金属地板、第二介质基板、第三介质基板及第二金属地板，所述第一介质基板的上表面设置超表面结构，所述第一金属地板上蚀刻馈电缝隙，所述第一金属地板及第二介质基板之间设置带状馈电线。一种串并馈子阵列，包括两个镜向对称的串联子阵列，两个串联子阵列按照镜像对称轴拼接，一种相控阵，包括若干个串并馈子阵列沿子阵的垂直方向呈周期排列，本发明加工容易、成本低、剖面低，适合平面天线阵列设计，应用于大规模生产。

Description

一种宽带高效率天线单元、串并馈子阵列及相控阵
技术领域
本发明涉及通信领域，具体涉及一种宽带高效率天线单元、串并馈子阵列及相控阵。
背景技术
相控阵天线在军事和通信领域有着广泛的应用，早期雷达***中，阵列天线的波束方向固定，需要通过机械扫描控制波束方向，和传统的固定波束阵列相比，相控阵天线能迅速准确地控制波束进行无惯性扫描，在指定的空间内实现同时搜索和跟踪多目标的功能。相控阵天线最初应用于军事雷达中，目的是观测以及跟踪大范围空间内的机体目标。随着无线通信技术的发展，相控阵技术也开始用于民用产品，如汽车防撞雷达、蜂窝通信等。
在通信领域，5G通信已经开始逐步走进人们的生活。为了解决频谱资源短缺问题，5G通信将使用毫米波频段(24.25～29.5GHz)作为工作频段。然而在毫米波频段，电磁波在空间中的传输损耗将大幅增加，采用单个或少数天线单元，增益较低，无法保证信号的正常传输，天线阵列增益高，可以实现远距离信号传输；但阵列存在波束宽度窄，辐射效率低等问题，无法实现低耗能、宽角度的信号覆盖。因此，设计具有波束扫描功能、高效率的相控阵天线对于5G通信十分重要。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种宽带高效率天线单元、串并馈子阵列及相控阵。本发明具有较高的辐射效率、较宽的带宽，能实现较宽的波束扫描范围。
本发明宽带高效率天线单元采用如下技术方案：
一种宽带高效率天线单元，包括依次设置的第一介质基板、第一金属地板、第二介质基板、第三介质基板及第二金属地板，所述第一介质基板的上表面设置超表面结构，所述第一金属地板上蚀刻馈电缝隙，所述第二介质基板及第三介质基板之间设置带状馈电线。
进一步，所述带状馈电线为渐变型馈线。
进一步，所述带状馈电线周围加载金属接地柱，跨接在第一金属地板及第二金属地板之间。
本发明串并馈子阵列采用如下技术方案：
一种串并馈子阵列，包括两个镜向对称的串联子阵列，两个串联子阵列按照镜像对称轴拼接，所述串联子阵列由若干个所述宽带高效率天线单元沿子阵方向串馈排列形成。
进一步，还包括依次设置在第二金属地板下方的第四介质基板及第三金属地板，所述第二金属地板的中心处及第三金属地板的中心处分别蚀刻第一耦合缝隙及第二耦合缝隙。
进一步，还包括共面波导线，所述第二耦合缝隙与共面波导线连接，依次激励第二耦合缝隙、第一耦合缝隙及带状馈电线。
进一步，第一耦合缝隙上下电场信号等幅反相，镜像拼接的位于第一耦合缝隙上方的带状馈电线信号等幅同相，因此镜像放置的两个串联子阵列会被等幅同相的电磁信号激励，实现串并馈子阵列的中心并馈。
本发明的相控阵采用如下技术方案：
一种相控阵，包括若干个所述的串并馈子阵列，且沿子阵垂直方向呈周期排列。
进一步，相控阵的扫描范围由相邻串并馈子阵列之间的距离决定，距离越小，扫描范围越大。
进一步，还包括金属相位微扰枝节，设置在与带状馈电线同层或者异层，提高相邻串并馈子阵列的隔离度。
本发明的有益效果：
本发明天线单元采用超表面结构作为辐射单元，具有较宽的带宽。
本发明子阵列采用串并联馈电模式，馈电网络结构简单，损耗低，可以实现较高的天线辐射效率，且方向图对称。
本发明相控阵采用金属相位微扰枝节，可以降低子阵间的耦合，提高隔离度，同时具有阵列拓展性，可以广泛应用于高隔离阵列中。
本发明相控阵外接移向器，控制各输入端的相位差，可以实现±58°波束扫描；
本发明结构简单，加工容易，成本和重量都相对较小。因而可以大规模生产。
附图说明
图1是本发明的宽带高效率天线单元的三维图。
图2(a)是本发明的串馈子阵列的俯视图。
图2(b)是本发明的串馈子阵列中带状馈电线的结构图。
图2(c)是本发明的串馈子阵列的侧视图。
图3(a)是本发明的串并馈子阵列的三维分解图。
图3(b)是本发明的串并馈子阵列的侧视图。
图3(c)是本发明的串并馈子阵列馈电结构中第二金属地板和其上蚀刻的第一耦合缝隙、第三金属地板和蚀刻于其上的第二耦合缝隙以及共面波导线的结构图。
图4为本发明提出的宽带高效率宽角扫描相控阵俯视图。
图5(a)为本发明提出的宽带高效率天线单元的S参数；
图5(b)为宽带高效率天线单元增益随频率变化曲线；
图5(c)为宽带高效率天线单元辐射效率随频率变化曲线；
图6(a)为本发明的串并馈子阵列的S参数；
图6(b)、图6(c)及图6(d)分别为低频(24GHz)、中频(26.5GHz)、高频(29GHz)的H面方向图；
图7(a)为本发明的相控阵的S参数；
图7(b)、图7(c)及图7(d)分别为相控阵在低频(24GHz)、中频(26.5GHz)、高频(29GHz)的H面扫描性能，图7(e)为相控阵辐射效率随频率变化曲线，图7(f)为相控阵增益随频率变化曲线。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，一种宽带高效率天线单元，采用多层PCB工艺，整个天线采用Roger5880作为介质基板。包括从上到下依次贴合设置的第一介质基板2、第一金属地板3、第二介质基板5、第三介质基板8及第二金属地板9，所述第一介质基板的上表面设置超表面结构1，所述第一金属地板3上蚀刻馈电缝隙4，所述第三介质基板8及第二介质基板5之间设置带状馈电线7。
作为天线的辐射部分：所述超表面结构1由M×N个超表面单元呈中心对称周期排列构成，本实施例1中超表面结构由2×2个超表面单元呈中心对称周期排列构成。所述超表面单元包括金属贴片。
所述金属贴片的形状不限于长方形，也可以为正方形、平行四边形、梯形、菱形等；所述馈电缝隙的形状可以是H型、π型、一型或M型等,所述金属接地柱可以为圆柱或长方体。
作为天线的馈电部分：所述第一金属地板3的中心位置蚀刻馈电缝隙4，用于激励上方辐射部分。所述馈电缝隙为一条，馈电缝隙形状不限。本实施例1中的馈电缝隙为两个连接的十字形。
带状馈电线为渐变型馈线，用作宽带阻抗匹配调节，其渐变可以为圆弧型切割或者阶梯型切割；所述带状馈电线与馈电缝隙垂直，在所述带状馈电线7周围加载若干个金属接地柱6，跨接在两层金属地板之间以抑制馈线信号向外扩散。
金属贴片为长方形贴片，其尺寸a为2.6mm，尺寸b为0.8mm，相邻金属贴片之间的间距c为0.3mm，渐变带状馈电线长度sl3为12.7mm，渐变段R1为[0.6λ，0.8λ]，渐变段R2为[0.5λ，0.7λ]，其中λ为中心频率处的自由空间波长。H型缝隙的长度sl为3.2mm，sl2为1.4mm。采用的介质基板介电常数为2.2，损耗角为0.0009，第一介质基板厚度为0.508mm，第二介质基板、第三介质基板厚度为0.254mm。
结合图5(a)～图5(c)，天线单元工作频段为26.5±2.5GHz，阻抗带宽约20％，工作频带内阵列效率大于90％，天线方向图对称，交叉极化低于-30dB，增益波动小于2dB。
实施例2
如图3(a)、图3(b)及图3(c)所示，一种串并馈子阵列，包括两个镜向对称的串联子阵列，两个串联子阵列按照镜像对称轴拼接，所述串联子阵列D由若干个如实施例1所述宽带高效率天线单元沿子阵方向串馈排列形成。
如图2(a)、图2(b)及图2(c)所示，串联子阵列D由两个宽带高效率天线单元按子阵方向拓展组成，两个馈电缝隙对称。
每个宽带高效率天线单元在第二金属地板9下方还依次设置第四介质基板11及第三金属地板12，在第二金属板9的中心处蚀刻第一耦合缝隙10，第三金属地板12蚀刻第二耦合缝隙13，第二耦合缝隙位于第一耦合缝隙的下方。第二耦合缝隙与共面波导线14相连接；通过共面波导线14依次激励第二耦合缝隙13、第一耦合缝隙10及带状馈电线7。
所述第一耦合缝隙及第二耦合缝隙完全相同，其形状为一个末端为圆形的H型缝隙需要满足的条件是整体尺寸大概在1/2中心频率的介质波长。也可以是其他形状，比如一字型或双M型等，其末端部分的形状可以为圆形、方形、三角形等。
第一耦合缝隙上下电场信号等幅反相，镜像拼接的位于第一耦合缝隙上方的带状馈电线信号等幅同相，因此镜像放置的两个串联子阵列会被等幅同相的电磁信号激励，实现串并馈子阵列的中心并馈。
耦合缝隙的尺寸sl4为2.6mm，sl5为4.4mm，天线阵列总体尺寸为30.8mm×20mm。串并馈子阵列间距为4.5mm；采用的介质基板介电常数为2.2，损耗角为0.0009，第一介质基板厚度为0.508mm，第二介质基板及第三介质基板厚度为0.254mm。第四介质基板11厚度为0.127mm。
结合图6(a)～图6(d)，串并馈子阵工作频段为26.5±2.5GHz，阻抗带宽约20％，天线方向图对称，交叉极化低于-30dB。
实施例3
如图4所示，一种相控阵，若干个串并馈子阵列沿子阵的垂直方向呈周期排列组成，本实施例3中是由1×4个串并馈子阵列构成，并在串并馈子阵列的带状馈电线7的首尾两端周围加载金属相位微扰枝节15，以提高相邻串并馈子阵列之间的隔离。
金属相位微扰枝节，设置在与带状馈电线同层或者异层，提高相邻串并馈子阵列的隔离度，相控阵的金属相位微扰枝节按照镜像对称轴对称。
相控阵的扫描范围由相邻串并馈子阵列之间的距离决定，距离越小，扫描范围越大。一般小于半个波长，因此宽带高效率天线单元沿波束扫描方向的尺寸也应尽可能小。
所述相位微扰枝节15的形状可以是U型、平行线型、M型、π型等，转角处可以为圆弧切角、线切角或者无切角。可以应用于高隔离天线阵列中，其中包括微带贴片天线、缝隙天线、超表面天线阵列等。
相位微扰枝节15的尺寸sl6为1.8mm，sl7为2.6mm；阵列间距为4.5mm。
结合图7(a)～图7(f)，相控阵工作频段为26.5±2.5GHz，阻抗带宽约20％，阵列中单元之间隔离大于20dB，具有高隔离特性，工作频带内效率大于80％，天线方向图对称，交叉极化低于-30dB，增益波动小于2dB。阵列扫描性能可以由低频(24GHz)、中频(26.5GHz)、高频(29GHz)点来表示，保持激励信号幅度不变，改变各馈电端口的相位，便可以实现相控扫描，低频点扫描角可以到达60°，增益损耗小于5dB，中心频点扫描角可以达到60°，增益损耗小于4dB，高频点扫描可以到达58°，增益损耗小于3dB。
串并馈电网络的设计减少了馈电过程中的能量损失，能使天线阵列获得更高的辐射效率；金属相位微扰枝节位于带状馈电线同层，能实现宽带去耦并具有较好的阵列拓展性。本发明可在较宽频带内实现高效率的宽角扫描性能。又因本发明加工容易、成本低、剖面低，适合平面天线阵列设计，应用于大规模生产。
本发明可以通过改变输入信号的相位，从而改变波束指向，在5G通信设备中具有广阔的前景，同时具有尺寸小，集成度高、天线效率高，***耗能少的优点。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种宽带高效率天线单元，其特征在于，包括依次设置的第一介质基板、第一金属地板、第二介质基板、第三介质基板及第二金属地板，所述第一介质基板的上表面设置超表面结构，所述第一金属地板上蚀刻馈电缝隙，所述第三介质基板及第二介质基板之间设置带状馈电线；
所述超表面结构由M×N个超表面单元呈中心对称周期排列构成，所述带状馈电线为渐变型馈线，所述带状馈电线周围加载金属接地柱，跨接在第一金属地板及第二金属地板之间。
2.一种串并馈子阵列，其特征在于，包括两个镜向对称的串联子阵列，两个串联子阵列按照镜像对称轴拼接，所述串联子阵列由若干个如权利要求1所述的宽带高效率天线单元沿子阵方向串馈排列形成。
3.根据权利要求2所述的串并馈子阵列，其特征在于，还包括依次设置在第二金属地板下方的第四介质基板及第三金属地板，所述第二金属地板的中心处及第三金属地板的中心处分别蚀刻第一耦合缝隙及第二耦合缝隙。
4.根据权利要求3所述的串并馈子阵列，其特征在于，还包括共面波导线，所述第二耦合缝隙与共面波导线连接，依次激励第二耦合缝隙、第一耦合缝隙及带状馈电线。
5.根据权利要求3或4任一项所述的串并馈子阵列，其特征在于，第一耦合缝隙上下电场信号等幅反相，镜像拼接的位于第一耦合缝隙上方的带状馈电线信号等幅同相，因此镜像放置的两个串联子阵列会被等幅同相的电磁信号激励，实现串并馈子阵列的中心并馈。
6.一种相控阵，其特征在于，包括若干个如权利要求2-5任一项所述的串并馈子阵列，且沿子阵垂直方向呈周期排列。
7.根据权利要求6所述的相控阵，其特征在于，相控阵的扫描范围由相邻串并馈子阵列之间的距离决定，距离越小，扫描范围越大。
8.根据权利要求6或7任一项所述的相控阵，其特征在于，还包括金属相位微扰枝节，设置在与带状馈电线同层或者异层，提高相邻串并馈子阵列的隔离度。
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