CN113690595A - 一种宽波束天线单元及相控阵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽波束天线单元及相控阵，包括贴合设置的上层介质基板及下层介质基板，所述下层介质基板的上表面设置金属辐射贴片，其下表面设置金属地板，所述上层介质基板的上表面设置寄生金属辐射贴片，在上层介质基板及下层介质基板的同侧分别设置第一列接地柱及第二列接地柱，所述第一列接地柱分别与寄生金属辐射贴片及金属辐射贴片连接，所述第二列接地柱分别与金属辐射贴片及金属地板连接。通过在等效磁流小型化宽波束天线阵列之间引入新的去耦路径，可以有效提高天线单元之间的隔离，进一步改善相控阵的扫描环境，且此去耦结构可进行大规模的阵列扩展。

Description

一种宽波束天线单元及相控阵
技术领域
本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种宽波束天线单元及相控阵。
背景技术
随着现代无线通信技术的发展，第五代移动通信(5G)已成为全球的热点。为满足5G三大应用场景所需的大带宽、低时延、高速率等要求。研究人员的研究重心逐渐向具有更充裕频谱资源的毫米波频段迁移，毫米波天线需要解决的问题就是毫米波频段由于频率高，导致其波长短，传输距离以及覆盖范围受限。
为了解决这个问题，相控阵将成为5G束捷变、波束合成和分解等能力但相控阵在扫描过程中存在增益下降过快即扫描过程中容易失配。而这问题的原因在于阵列单元波束宽度以及阵列端口间的隔离有关，若阵列单元波束宽度较窄，由方向图乘积定理可知，阵列方向图等于单元方向图乘以阵因子，而阵列规模确定时，相控阵扫描过程中的增益波动就取决于单元波束宽度。但上述条件成立的前提，必须保证阵列的隔离优于一个定值下，扫描过程中才不会出现失配情况，所以需要通过加载去耦结构来优化阵列端口间的隔离，但有时受限天线单元本身尺寸限制，导致去耦困难。因而具有小型化宽波束阵列天线单元的探索就显得尤为重要，是解决上述问题的关键。基于小型化宽波束阵列单元的设计基础，在阵列单元之间通过引入新的去耦路径来抵消原来天线阵列间的固有耦合来改善阵列隔离，进一步改善阵列的扫描性能，两者共同作用，实现宽角扫描相控阵。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种宽波束天线单元及相控阵，所述相控阵为宽角扫描相控阵，是基于宽波束天线单元及去耦结构共同作用实现的。
本发明采用如下技术方案：
一种宽波束天线单元，包括贴合设置的上层介质基板及下层介质基板，所述下层介质基板的上表面设置金属辐射贴片，其下表面设置金属地板，所述上层介质基板的上表面设置寄生金属辐射贴片，在上层介质基板及下层介质基板的同侧分别设置第一列接地柱及第二列接地柱，所述第一列接地柱分别与寄生金属辐射贴片及金属辐射贴片连接，所述第二列接地柱分别与金属辐射贴片及金属地板连接。
进一步，所述第一列接地柱及第二列接地柱均是纵向设置，且接地柱的孔径及相邻接地柱的间距均相同。
进一步，寄生金属辐射贴片和金属辐射贴片的长边尺寸相同，宽边尺寸不同。
进一步，还包括馈电结构，所述馈电结构包括一个金属探针，所述金属探针通过金属地板的圆孔进行底部馈电，然后垂直穿过金属地板与金属辐射贴片连接。
进一步，一种基于去耦结构的相控阵，包括N×M个阵列排布的如权利要求1所述的宽波束天线单元，水平方向相邻宽波束天线单元加载去耦结构，所述去耦结构包括L形枝节及一字形枝节，所述L形枝节的一个分支末端与一字形枝节连接，L形枝节的另一个分支与寄生金属辐射贴片的宽边垂直。
进一步，所述去耦结构设置在上层介质基板，其与寄生金属辐射贴片不同层。
进一步，所述L形枝节的两个分支长为0.167λg0、0.145λg0；两个分支宽为0.0446λg0，λg0为中心频率点对应的介质基板的有效波长。
进一步，相邻宽波束天线单元的间距为0.337λ，λ为中心频率对应的自由空间波长。
进一步，一字形枝节的长为0.337λg0，宽度为0.022λg0，λg0为中心频率点对应的介质基板的有效波长。
进一步，相控阵中E面方向相邻天线单元间距为0.337λ，H面方向相邻天线单元间距为0.6λ。
本发明的有益效果：
(1)本发明宽波束天线单元包括叠层金属辐射贴片、接地柱，由于叠层金属辐射贴片属于四分之一波长谐振，可以有效减小贴片的尺寸，同时形成单磁流辐射，展宽单元波束宽度，使天线具有小型化、宽波束和平面结构。
(2)本发明在实现宽波束性能的同时，通过加载寄生金属辐射贴片结构实现了双频谐振，进一步扩宽天线的阻抗带宽；
(3)本发明通过在金属辐射贴片辐射边金属柱接地短路，使得宽波束天线单元由原来的等效双磁流辐射改进为单磁流辐射，即相当于贴片由原来双磁流乘积方向图除去了阵因子部分，仅剩单元方向图，从而展宽天线宽波束。
(4)本发明宽波束天线单元采用两层介质基板和一层金属地板，及两列短路接地金属柱，成本和重量都相对较小，因而可以大规模生产。
(5)本发明基于宽波束的天线单元在阵列之间引入新的去耦结构，可以提高天线单元之间的隔离，进一步改善相控阵的扫描环境，且此去耦结构可进行大规模的阵列扩展。
(6)基于本发明中的等效磁流小型化宽波束天线单元及发明中的去耦结构两者结合而设计的宽角扫描相控阵，可以实现在较宽扫描角情况下，其增益在扫描过程仅在一个较小的范围内波动。
附图说明
图1是本发明一种宽波束天线单元的立体结构示意图；
图2(a)是图1的俯视图；
图2(b)是图1的侧视图；
图3是本发明一种宽波束天线单元的反射特性示意图；
图4(a)是本发明一种宽波束天线单元在24GHz处的辐射方向图示意图；
图4(b)是本发明一种宽波束天线单元在25.5GHz处的辐射方向图示意图；
图4(c)是本发明一种宽波束天线单元在27GHz处的辐射方向图示意图；
图5(a)是本发明实施例2中去耦结构的相对位置示意图；
图5(b)是本发明实施例2中相控阵的结构俯视图；
图5(c)是本发明实施例2中相控阵的结构侧试图；
图6是本发明实施例2中阵列端口之间S参数示意图；
图7(a)是本发明实施例3相控阵俯视图；
图7(b)是本发明实施例3相控阵侧视图；
图8(a)是本发明实施例3阵列边缘端口之间S参数示意图；
图8(b)是本发明实施例3阵列中心端口之间S参数示意图；
图9(a)是本发明实施例3在25.5Ghz处的扫描性能；
图9(b)是本发明实施例3在26.5Ghz处的扫描性能。
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
本实施例1中，介质基板的X轴方向为竖直方向，Y轴方向为水平方向，原点为介质基板的中心点。
如图1及图2(a)及图2(b)所示一种基于等效磁流小型化宽波束天线单元，包括同轴馈电结构、上层介质基板2及下层介质基板1，两层介质基板贴合设置，所述下层介质基板1的下表面设置金属地板3，下层介质基板1的上表面设置金属辐射贴片4，所述上层介质基板的上表面设置一个寄生金属辐射贴片5，加载寄生金属辐射贴片实现双频谐振，进一步拓宽天线的阻抗带宽。
所述寄生金属辐射贴片5及金属辐射贴片4均是同轴设置，两个贴片的右侧辐射边对齐设置，两层介质基板的右侧分别设置第一列接地柱7及第二列接地柱6，两列接地柱在同一条竖直直线上，列向布置为X轴方向，所述寄生金属辐射贴片5及金属辐射贴片4的右侧边分别与第一列接地柱7及第二列接地柱6连接。所述第一列接地柱分别与寄生金属辐射贴片及金属辐射贴片连接，所述第二列接地柱分别与金属辐射贴片及金属地板连接。
本发明通过在金属辐射贴片及寄生金属辐射贴片的辐射边设置金属柱接地短路，贴片天线由原来的等效双磁流辐射改进为单磁流辐射，即相当于贴片由原来双磁流乘积方向图除去了阵因子部分，仅剩单元方向图，从而展宽天线宽波束。
两列接地柱均沿X轴分布，两列接地柱除分布在不同的介质层，其两列接地柱各孔径及金属柱与金属柱间的间距均一致，每一列接地金属柱的个数为11。
所述同轴馈电结构采用单馈馈电方式，包括一个金属探针8，及设置在金属地板底部馈电的圆孔9。金属探针与该圆孔共圆心，所述金属探针从金属地板底部馈电，垂直穿过金属地板、与下层金属辐射贴片相连接，连接点位于Y轴线上。
进一步，金属辐射贴片及寄生金属辐射贴片均为矩形，其长边长度相同，宽边长度不同。
所述介质基板1、2的介电常数εr均为2.2，下层介质基板1厚度为0.0224λ；上层介质基板2厚度为0.0337λ；金属地板3厚度为0.0005λ，两者边长g都为1.13λ。其中，λ为自由空间波长。
所述上层介质基板为三层PCB板构成。
金属辐射贴片4非辐射边a为0.206λg0，辐射边b1为0.117λg0，寄生金属辐射贴片5非辐射边a为0.206λg0，辐射边b2为0.088λg0，其中，λg0为天线中心频率对应的介质有效波长。
接地金属柱直径R2为0.015λ，每列中接地金属柱之间的中心距为0.024λ。
馈电用的金属探针8的直径为0.0075λ；金属探针8与金属辐射贴片4连接处与辐射贴片边缘距离为d＝0.022λ。
金属地板3上蚀刻的圆孔10的直径为0.0172λ，其中，λ为自由空间波长。
本实施例1中各部分尺寸如下：
下层及上层介质基板1、2的介电常数εr均为2.2，下层介质基板1厚度h1＝0.254mm；上层介质基板2厚度h2＝0.0.381mm；金属地板厚度为0.006mm，两者的边长都是g＝12.8mm。其中，λ为自由空间波长。
金属辐射贴片4的两边长a＝3.465mm,b＝1.975mm，寄生金属辐射贴片5的两边长a＝3.465mm,b＝1.75mm。
接地金属柱直径R2为0.2mm，每列中接地金属柱之间的中心距为0.32mm。
馈电用的金属探针的直径为0.1mm；金属探针与金属辐射贴片连接处与辐射贴片边缘距离为d＝0.3mm。
金属地板上蚀刻的圆孔10的直径为0.23mm。
结合图3，天线在工作频段内具有较好的阻抗匹配，天线在中心频率处匹配良好，且具有相对较宽的阻抗带宽，带宽为11.8％。
结合图4(a)、图4(b)及图4(c)，天线在通带内的方向图对称性基本良好，且在频带内具有较宽波束宽度，带内波束宽度约140°。
实施例2
一种宽角扫描相控阵，包括以等效磁流小型化宽波束天线单元为阵元，构成1×3阵列进行去耦研究，所述去耦结构设置在水平方向，相邻阵元之间，分寄生金属辐射贴片非同层，具体设置在上层介质基板中的第二层PCB板的上下表面。
如图5(a)-图5(c)所示，去耦结构包括包括L形枝节10、一字形枝节11以及金属通孔12，L形枝节10的右端通过金属通孔12与下表面的一字形11的左端相接，L形枝节与一字形枝节为非等宽设计，所述L形枝节与一字形枝节分别位于第二层PCB板的上下表面。
所述的去耦结构在阵列之间，其中L形枝节10位于两两阵列单元中心靠左，且部分L形枝节位于上层寄生金属辐射贴片的下方，其余部分以及一字形枝节加载于寄生金属辐射贴片5的边缘。
实施例3
图7(a)及图7(b)所示，一种宽角扫描相控阵，以实施例1中的等效磁流小型化宽波束天线单元为阵元，构成4×4阵列，以相同的阵间距沿E面方向排列，在水平方向相邻阵元之间设置去耦结构，所述去耦结构设置在上层介质基板，且与寄生金属辐射贴片不同层。
所述去耦结构为非对称结构，包括L形枝节10、一字形枝节11以及金属通孔12，所述L形枝节及一字形枝节非同层设置，两者相距0.127mm。所述L形枝节位于寄生金属辐射贴片的下方，且一个分支与寄生金属辐射贴片垂直，另一个分支Y轴方向设置，且与一字型枝节的一端通过金属通孔连接。L形枝节与一字形枝节为非等宽设计。
去耦结构L形枝节两边长Ls1为0.167λg0，Ls2为0.145λg0，L形枝节宽度Lw1为0.0446λg0，一字形枝节长边Ls3为0.337λg0及其宽度Lw2为0.022λg0，λg0为中心频率点对应的介质基板的有效波长，介质为Rogers5880,介电常数为2.2，介质损耗角正切：0.002。
阵列中阵间距为darray为0.337λ以及去耦结构距天线Y轴对称中心的距离为dx为0.188λ。
相控阵阵列中E面方向(y轴方向)单元间阵间距仍然为darray为0.337λ，H面方向单元阵间距为dxarray(x轴方向)为0.6λ。
本实施例3中的阵列沿E面为小阵间距设计，为提高天线阵列整体增益，H面(X轴方向)阵列采用大阵间距，与此同时，为保证相控阵扫描环境，在E面阵列之间加载上述的去耦结构，提高阵列间端口隔离，从而改善相控阵扫描性能。
结合图6，图中包含了去耦前后，相邻端口间的隔离对比，从图6中可以明显看出阵列间相邻端口间的隔离由原来的12dB提高到现在的19dB以上，此时已可以为接下来的大规模的相控阵扫描提供一个较好的扫描环境，进而改善相控阵的扫描性能。
结合图8(a)及图8(b)，相控阵阵列中无论是边缘端口还是阵列中心端口的回损一致性较好，且低于于-10dB。并且在去耦结构作用下，其相邻端口之间的端口隔离约优于20dB，即表明相邻端口之间能量串扰小。
结合图9(a)及图9(b)，相控阵在25.5Ghz和26.5Ghz两频点其扫描角均大于62°，而且阵列在扫描过程中，其增益波动仅为1.4dBi。从图中交叉极化曲线中可以看出，阵列在扫描过程中其交叉隔离优于60dB。
其中，λ为中心频率对应的自由空间波长，λg0为中心频率点对应的介质有效波长，本实施例中λ取值为13.321mm，λg0取值为8.981mm。
本发明通过在等效磁流小型化宽波束天线阵列之间引入新的去耦路径，可以有效提高天线单元之间的隔离，进一步改善相控阵的扫描环境，且此去耦结构可进行大规模的阵列扩展。整合等效磁流宽波束天线单元及阵列去耦中的去耦结构，两者相辅相成，共同实现宽角扫描相控阵设计。
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 (10)

1.一种宽波束天线单元，其特征在于，包括贴合设置的上层介质基板及下层介质基板，所述下层介质基板的上表面设置金属辐射贴片，其下表面设置金属地板，所述上层介质基板的上表面设置寄生金属辐射贴片，在上层介质基板及下层介质基板的同侧分别设置第一列接地柱及第二列接地柱，所述第一列接地柱分别与寄生金属辐射贴片及金属辐射贴片连接，所述第二列接地柱分别与金属辐射贴片及金属地板连接。
2.根据权利要求1所述的宽波束天线单元，其特征在于，所述第一列接地柱及第二列接地柱均是纵向设置，且接地柱的孔径及相邻接地柱的间距均相同。
3.根据权利要求1所述的宽波束天线单元，其特征在于，寄生金属辐射贴片和金属辐射贴片的长边尺寸相同，宽边尺寸不同。
4.根据权利要求1-3任一项所述的宽波束天线单元，其特征在于，还包括馈电结构，所述馈电结构包括一个金属探针，所述金属探针通过金属地板的圆孔进行底部馈电，然后垂直穿过金属地板与金属辐射贴片连接。
5.一种基于去耦结构的相控阵，其特征在于，包括N×M个阵列排布的如权利要求1-4任一项所述的宽波束天线单元，水平方向相邻宽波束天线单元加载去耦结构，所述去耦结构包括L形枝节及一字形枝节，所述L形枝节的一个分支末端与一字形枝节连接，L形枝节的另一个分支与寄生金属辐射贴片的宽边垂直。
6.根据权利要求5所述的相控阵，其特征在于，所述去耦结构设置在上层介质基板，其与寄生金属辐射贴片不同层。
7.根据权利要求5所述的相控阵，其特征在于，所述L形枝节的两个分支长为0.167λg0、0.145λg0；两个分支宽为0.0446λg0，λg0为中心频率点对应的介质基板的有效波长。
8.根据权利要求5所述的相控阵，其特征在于，相邻宽波束天线单元的间距为0.337λ，λ为中心频率对应的自由空间波长。
9.根据权利要求5所述的相控阵，其特征在于，一字形枝节的长为0.337λg0，宽度为0.022λg0，λg0为中心频率点对应的介质基板的有效波长。
10.根据权利要求5所述的相控阵，其特征在于，相控阵中E面方向相邻天线单元间距为0.337λ，H面方向相邻天线单元间距为0.6λ。
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