CN114614257B - 一种平面式高隔离度K/Ka频段共口径相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面式高隔离度K/Ka频段共口径相控阵天线,属于毫米波圆极化共口径天线技术领域。该天线包括多层介质基板，多层介质基板的第十介质层为天线单元，其上设有K频段金属贴片阵列结构和Ka频段金属贴片阵列结构；第一金属地层为金属地，连接有用于实现与后续芯片多层介质基板电信连接的BGA金属植球；第十介质层和第一金属地层之间的各层为射频信号走线、K/Ka频段滤波结构、天线金属地、滤波金属地。所述K频段滤波结构包括两个K频段滤波结构和两个Ka频段滤波结构，各频段两个滤波结构设置位置不同。通过上述方式，本发明克服了毫米波共口径相控阵天线的滤波结构难以集成，不同频率单元间隔离度难以提升的问题。

Description

一种平面式高隔离度K/Ka频段共口径相控阵天线

技术领域

本发明属于毫米波圆极化共口径天线技术领域，尤其涉及一种平面式高隔离度K/Ka频段共口径相控阵天线。

背景技术

低轨卫星星座是天地一体化信息网络的重要组成部分，其快速发展将促进天地一体信息网络的联通，推动信息基础设施的新变革。为满足军用及民用的高通量数据传输需求，相关低轨卫星通信频段由C、X频段拓展到K/Ka频段。

相控阵天线具备灵活、快速的波束赋形能力及大范围波束覆盖能力，是卫通无线***中的重要组成部分，近年来，随着卫星通信的迅速发展，对于卫通天线提出了新的要求：一、收发阵面实现共口径复用，以此减小收发总体尺寸，使其能够灵活应用于小型化搭载平台，减低***制造、载荷发射及回收成本等；二、频带宽，满足军民用大容量数据传输；三、K/Ka频段收发隔离度要高，收发干扰抑制能力强，能满足共口径后收发通道同时工作。

目前，常见的K/Ka或类似频率比的共口径天线阵中，均存在滤波结构难以集成、导致不同频率单元间隔离度较低的问题。

中国专利申请201910094604.X公开的一种用于二维相控阵扫描的双频双圆极化共口径天线阵，该共口径天线阵采用一层介质基板和一层金属底板拼成，K/Ka频段天线均采用单一同轴馈电，同样实现了共口径复用。但是，由于该结构中没有集成滤波结构，天线通道间隔离度差，难以满足收发同时工作，且单层结构往往带宽不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种平面式高隔离度K/Ka频段共口径相控阵天线，在保证带宽的前提下，解决了上述K/Ka频段共口径相控阵天线的滤波结构难以集成、导致不同频率单元间隔离度较低，难以满足收发同时工作的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种平面式高隔离度K/Ka频段共口径相控阵天线，包括多层介质基板、K频段金属贴片阵列结构、Ka频段金属贴片阵列结构、K频段滤波结构和Ka频段滤波结构；

所述多层介质基板包括自下而上依次层叠的第一金属地层、第一介质层、第二介质层、第二金属地层、第三介质层、第四介质层、第三金属地层、第五介质层、第四金属地层、第六介质层、第七介质层、第五金属地层、第八介质层、第九介质层、第十介质层和第十一介质层；

第一金属地层的下表面连接有用于实现与后续芯片多层介质基板电信连接的BGA金属植球，上表面设有第一金属柱和第二金属柱；通过第一金属柱实现与第五金属地层、第四金属地层、第三金属地层、第二金属地层的连接；通过第二金属柱实现与BGA金属植球、第四金属地层、第三金属地层、第二金属地层的连接；

第一介质层与第二介质层之间设有Ka频段一分二功分器金属层；Ka频段一分二功分器金属层上表面设有第三金属柱，下表面设有第四金属柱；通过第三金属柱连接Ka频段金属阵列结构进行馈电；通过第四金属柱实现与BGA金属植球的连接；

第三金属地层上表面设有第五金属柱，通过第五金属柱实现与第四金属地层的连接；

第四金属地层上设有K频段馈电结构；K频段馈电结构通过第五金属地层上的十字槽阵列结构实现K频段馈电；

第五金属地层上设有的十字槽阵列结构位于K频段金属贴片阵列结构的正下方，且十字槽阵列结构中的十字槽与K频段金属贴片阵列中的金属贴片一一对应；

第三介质层上表面设有第六金属层，第六金属层连接第二金属柱；

第十介质层的上表面设有K频段金属贴片阵列结构，下表面设有Ka频段金属贴片阵列结构，且Ka频段金属贴片阵列结构正对K频段金属贴片阵列结构；Ka频段金属贴片阵列结构各贴片通过第三金属柱实现与Ka频段一分二功分器金属层的连接，且Ka频段金属贴片阵列结构的金属贴片在第十介质层上的投影与K频段金属贴片阵列结构的金属贴片在第十介质层的投影不重合；

所述K频段滤波结构包括第一K频段滤波结构和第二K频段滤波结构，第一K频段滤波结构设置在第二金属地层、第六金属层、第三金属地层或第四金属地层中的任意一层上，第二K频段滤波结构设置在Ka频段一分二功分器金属层上；Ka频段滤波结构包括第一Ka频段滤波结构和第二Ka频段滤波结构；第一Ka频段滤波结构设于K频段馈电结构上；第二Ka频段滤波结构设置在第二金属地层或第六金属层上；当第一K频段滤波结构设于第四金属地层时，与K频段馈电结构和第二Ka频段滤波结构均不接触。

进一步的，所述K频段金属贴片阵列结构由多个金属贴片单元阵列排布而成；排布时，相邻金属贴片之间设有间距，且间距大于0；金属贴片单元的金属贴片有4个，4个金属贴片的中心点分别位于一个正方形的4个顶点上，相邻金属贴片之间也设有大于0的间距，且相邻金属贴片之间的间距与相邻金属贴片单元之间的间距相等；Ka频段金属贴片阵列结构13与K频段金属贴片阵列结构的结构相同，不同的是：Ka频段金属贴片阵列结构中，相邻两个金属贴片之间的间距大于K频段金属贴片阵列结构中相邻两个金属贴片之间的间距。

更进一步的， K频段金属贴片阵列结构在第十介质层上的投影与Ka频段金属贴片阵列结构在第十介质层上的投影处于同一区域，将K频段金属贴片阵列结构中的金属贴片单元作为第一金属贴片单元，Ka频段金属贴片阵列结构中的金属贴片单元作为第二金属贴片单元；第二金属贴片单元嵌套在第一金属贴片单元内，且K频段金属贴片单元的四个顶点分别位于Ka频段金属贴片单元正方形的4条边的中点上。

更进一步的，所述K频段金属贴片阵列结构中相邻两个金属贴片之间间距与Ka频 段金属贴片阵列结构中相邻两个金属贴片之间间距之比为

。

进一步的，所述K频段滤波结构与Ka频段滤波结构为非闭合结构，由并联或串联的金属微带线任意弯折而成，K频段滤波结构和Ka频段滤波结构选用的金属微带线线宽不相等。

进一步的，所述K频段馈电结构为非闭合结构，由一个L型结构和一个V形结构组成，L型结构的短边与V型的其中一边相连；L型结构和V型结构均采用金属微带线弯折而成。

本发明提供的一种平面式高隔离度K/Ka频段共口径相控阵天线，该天线采用多层工艺，将K频段相控阵天线与Ka频段相控阵天线共口径集成。K频段相控阵天线和Ka频段相控阵天线通过采用各自独立的滤波结构，实现了共口径不同频率通道间隔离度的提升；在集成过程中，并进一步提供一种优选方案，即将K频段和Ka频段滤波结构中的第一滤波结构同层设置，使得器件整体尺寸更小。相较于现有技术中的K/Ka频段共口径相控阵天线，本发明克服了毫米波共口径相控阵天线的滤波结构难以集成，不同频率单元间隔离度难以提升的问题。

附图说明

图1为本发明整体侧面剖面示意图；

图2为实施例中K频段金属贴片阵列结构与Ka频段金属贴片阵列结构俯视示意图；

图3为实施例中第五金属地层俯视示意图；

图4实施例中第四金属地层俯视示意图；

图5为实施例中第六金属层俯视示意图；

图6为实施例Ka频段一分二功分器金属层俯视示意图；

图7为实施例的平面式高隔离度K/Ka频段共口径相控阵天线未加载高频滤波枝节时相邻收发通道耦合图；

图8为实施例的平面式高隔离度K/Ka频段共口径相控阵天线加载高频滤波枝节时相邻收发通道耦合图；

图9为实施例的平面式高隔离度K/Ka频段共口径相控阵天线未加载低频滤波枝节时相邻收发通道耦合图；

图10为实施例的平面式高隔离度K/Ka频段共口径相控阵天线加载低频滤波枝节时相邻收发通道耦合图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本实施例中提出一种平面式高隔离度K/Ka频段共口径相控阵天线，整体高度控制在3mm左右，小于最高工作频率对应波长的一半，适用于低剖面、平面化应用平台。其结构如图1所示，包括多层介质基板、K频段金属贴片阵列结构12、Ka频段金属贴片阵列结构13、K频段滤波结构和Ka频段滤波结构。

多层介质基板包括自下而上依次层叠的第一金属地层20、第一介质层11、第二介质层10、第二金属地层18、第三介质层9、第四介质层8、第三金属地层16、第五介质层7、第四金属地层15、第六介质层6、第七介质层5、第五金属地层14、第八介质层4、第九介质层3、第十介质层2和第十一介质层1。

第一金属地层20的下表面连接有用于实现与后续芯片多层介质基板电信连接的BGA金属植球26，上表面设有第一金属柱21和第二金属柱25；第一金属柱21为Ka频段天线的屏蔽结构，通过第一金属柱21实现与第五金属地层14、第四金属地层15、第三金属地层16、第二金属地层18的连接，同时实现同频或异频电磁能量在PCB板之间的耦合。第二金属柱25作为K频段天线的信号传输结构，通过第二金属柱25实现与BGA金属植球26、第四金属地层15、第三金属地层16、第二金属地层18的连接。

第一介质层11与第二介质层10之间设有Ka频段一分二功分器金属层19。在本实施例中，该一分二功分器金属层采用微带线制成，能够将输入信号平均分成两路功率相等的信号，并在给圆极化天线馈电的过程中，根据两路信号中的微带线长度差计算得到相位差为90°的两路输出信号。Ka频段一分二功分器金属层19上表面设有第三金属柱22，下表面设有第四金属柱23；第三金属柱22和第四金属柱23作为Ka频段天线的信号传输结构，通过第三金属柱22与Ka频段金属贴片13连接后，由Ka频段金属贴片13进行馈电；通过第四金属柱23实现与BGA金属植球26的连接。

第三金属地层16上设有第五金属柱24，通过增加的第五金属柱24实现与第四金属地层15的连接后提高了K频段的辐射效率。

第四金属地层15上表面设有K频段馈电结构28；该结构为一条弯折的金属微带线，金属微带线的一端沿长度方向首先弯折成“L”字形结构，然后继续弯折成“V”字形结构；该馈电结构通过第五属地层上的十字槽馈电实现K频段馈电。L的结束点和V的起始点的夹角为130°～140°，均向内弯曲，使其趋近于一个正方形。

图3为实施例中第五金属地层14俯视示意图；如图3所示，第五金属地层14上设有用于实现能量耦合的贯通的十字槽阵列27，十字槽阵列27结构位于K频段金属贴片阵列12中的正下方，且阵列中的十字槽27与K频段金属贴片阵列中的金属贴片一一对应。

第三介质层9上设有第六金属层17，第六金属层17连接第二金属柱25。

第十介质层2的上表面设有K频段金属贴片阵列结构12，下表面设有Ka频段金属贴片阵列结构13。Ka频段金属贴片阵列结构13通过第三金属柱22实现与Ka频段一分二功分器金属层19的连接，且Ka频段金属贴片阵列结构13中金属贴片在第十介质层2上的投影与K频段金属贴片12中金属贴片在第十介质层2的投影不重合。所述K频段金属贴片阵列结构12由多个的金属贴片单元阵列排布而成；排布时，相邻金属贴片单元之间设有间距，且间距大于0；金属贴片单元的金属贴片有4个，4个金属贴片的中心点分别位于一个正方形的4个顶点上，相邻金属贴片之间也设有大于0的间距，且相邻金属贴片之间的间距与相邻单元之间的间距相等。Ka频段金属贴片阵列结构13与K频段金属贴片阵列结构12结构相同，不同的是：Ka频段金属贴片阵列结构13中，相邻两个金属贴片之间的间距小于K频段金属贴片阵列结构12中相邻两个金属贴片之间的间距。本实施例中，K频段金属贴片阵列结构12中相邻两个金属贴片的间距为7mm，Ka频段金属贴片阵列结构13中相邻两个金属贴片之间的间距为4.95mm。实际应用中，两个频段金属贴片阵列结构中的金属贴片可以根据应用需求进行调整，其调整的范围应控制在原有间距±10%。

如图2所示， Ka频段金属贴片阵列结构13正对K频段金属贴片阵列结构12，即K频 段金属贴片阵列结构12在第十介质层2上的投影，与Ka频段金属贴片阵列结构13在第十介 质层2上的投影处于同一区域。将K频段金属贴片阵列结构12的金属贴片单元作为第一金属 贴片单元，Ka频段金属贴片阵列结构13的金属贴片单元作为第二金属贴片单片；第二金属 贴片单元嵌套在第一金属贴片单元内，且Ka频段金属贴片单元的四个顶点分别位于K频段 金属贴片单元正方形的4条边的中点上。实施过程中，为保证佳隔离效果，K频段金属贴片阵 列结构12中相连两个金属贴片之间间距与Ka频段金属贴片阵列结构13中相邻两个金属贴 片之间间距之比为

。需要说明的是：本实施例中每个金属贴片为圆形结构，其半径为 二分之一介质波长，在整个阵列结构中，馈电方式可采用探针直接接触馈电或者间接耦合 馈电，使得电磁能量能很好的辐射出去。

所述K频段滤波结构包括第一K频段滤波结构29和第二K频段滤波结构32，Ka频段滤波结构包括第一Ka频段滤波结构30和第二Ka频段滤波结构31。实施时，为获得更好的滤波效果，本实施例采用并联或串联的金属微带任意弯折制作的非闭合结构作为滤波结构，制作时，两个频段优选线宽不相等的金属微带线，以进一步提升隔离度。设计时，为进一步减小整体器件尺寸的同时保证最佳隔离度，除第一Ka频段滤波结构30选用串联结构外，均选用并联结构，第一Ka频段滤波结构30设置在K频段馈电结构28“L”字形结构远离“V”字形结构的一边上，第一K频段滤波结构29与第一Ka频段滤波结构30同层设置在第四金属地层15上，且与K频段馈电结构28和第二Ka频段滤波结构均不接触，具***置关系参阅图4。第二K频段滤波结构32结构如图6所示，设于Ka频段功分器金属层19上表面。第二Ka频段滤波结构31结构如图5所示，为并联的任意弯折微带线，设于第六金属层17上。

使用时，Ka频段金属贴片阵列结构13由Ka频段功分器金属层19的一分二功分器连接第三金属柱22直接接触馈电并产生圆极化辐射模式；K频段金属贴片阵列结构12由K频段金属弯折微带线28激励金属地层14上的十字槽27，能量通过十字槽27耦合到K频段金属贴片阵列结构12中并产生圆极化辐射模式。第一K频段滤波结构29、第二K频段滤波结构32分别刻蚀在第四金属地层15和Ka频段功分器金属层19上，整体占用尺寸仅为0.1倍波长左右，与第三金属柱22连接后，能够实现20dB左右的异频隔离度提升效果。将第一Ka频段滤波结构30和第二Ka频段滤波结构31分别蚀刻在K频段馈电结构28和第六金属层17上，并与第二金属柱25连接后，滤波结构整体占用尺寸仅为0.3倍波长左右，且在横向上未额外占用天线空间，同样实现20dB左右的异频隔离度提升效果。

关于上述技术方案需要说明的是：方案中设置在金属地层上表面的滤波结构、馈电结构、Ka频段一分二功分器均与所在金属地层保持同一水平面。

图7展示了K频段（17.7-21.2GHz）范围内未加载K频段滤波时异频隔离度性能，取单个高频天线单元及6个相邻的不同低频天线单元，此时隔离度均只优于-17dB；图8展示了K频段（17.7-21.2GHz）范围内加载K频段滤波后异频隔离度性能，同样取单个高频天线单元及6个相邻的不同低频天线单元，此时隔离度在（17.7-21.2GHz）范围内均优于-33dB，在（19-20.8GHz）范围内均优于-40dB，提升效果在15到25dB；图9展示了Ka频段（27.5-31GHz）范围内未加载Ka频段滤波时异频隔离度性能，取单个低频天线单元及6个相邻的不同高频天线单元，此时隔离度均只优于-15dB；图10展示了Ka频段（27.5-31GHz）范围内加载Ka频段滤波后异频隔离度性能，同样取单个低频天线单元及6个相邻的不同高频天线单元，此时隔离度在（27.5-31GHz）范围内均优于-35dB，在（28-31GHz）范围内均优于-40dB，提升效果在20到30dB。

综上可见，采用上述技术方案后，本发明通过增加多层介质基板的层数获得了更宽的带宽，在保证带宽的前提下，克服了现有K/KA频段共口径相控阵天线的滤波结构难以集成、导致不同频率单元间隔离度较低，难以满足收发同时工作的问题。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (6)

1.一种平面式高隔离度K/Ka频段共口径相控阵天线，包括多层介质基板、K频段金属贴片阵列结构、Ka频段金属贴片阵列结构、K频段滤波结构和Ka频段滤波结构，其特征在于：

所述多层介质基板包括自下而上依次层叠的第一金属地层、第一介质层、第二介质层、第二金属地层、第三介质层、第四介质层、第三金属地层、第五介质层、第四金属地层、第六介质层、第七介质层、第五金属地层、第八介质层、第九介质层、第十介质层和第十一介质层；

第一金属地层的下表面连接有用于实现与后续芯片多层介质基板电信连接的BGA金属植球，上表面设有第一金属柱和第二金属柱；通过第一金属柱实现与第五金属地层、第四金属地层、第三金属地层、第二金属地层的连接；通过第二金属柱实现与BGA金属植球、第四金属地层、第三金属地层、第二金属地层的连接；

第一介质层与第二介质层之间设有Ka频段一分二功分器金属层；Ka频段一分二功分器金属层上表面设有第三金属柱，下表面设有第四金属柱；通过第三金属柱连接Ka频段金属贴片阵列结构进行馈电；通过第四金属柱实现与BGA金属植球的连接；

第三金属地层上表面设有第五金属柱，通过第五金属柱实现与第四金属地层的连接；

第四金属地层上设有K频段馈电结构；K频段馈电结构通过第五金属地层上的十字槽阵列结构实现K频段馈电；

第五金属地层上的十字槽阵列结构位于K频段金属贴片阵列结构的正下方，且十字槽阵列结构中的十字槽与K频段金属贴片阵列中的金属贴片一一对应；

第三介质层上表面设有第六金属层，第六金属层连接第二金属柱；

第十介质层的上表面设有K频段金属贴片阵列结构，下表面设有Ka频段金属贴片阵列结构，且Ka频段金属贴片阵列结构正对K频段金属贴片阵列结构；Ka频段金属贴片阵列结构各贴片通过第三金属柱实现与Ka频段一分二功分器金属层的连接，且Ka频段金属贴片阵列结构的金属贴片在第十介质层上的投影与K频段金属贴片阵列结构的金属贴片在第十介质层的投影不重合；

所述K频段滤波结构包括第一K频段滤波结构和第二K频段滤波结构，第一K频段滤波结构设置在第二金属地层、第六金属层、第三金属地层或第四金属地层中的任意一层上，第二K频段滤波结构设置在Ka频段一分二功分器金属层上；Ka频段滤波结构包括第一Ka频段滤波结构和第二Ka频段滤波结构；第一Ka频段滤波结构设于K频段馈电结构上；第二Ka频段滤波结构设置在第二金属地层或第六金属层上；当第一K频段滤波结构设于第四金属地层时，与K频段馈电结构和第二Ka频段滤波结构均不接触。

2.根据权利要求1所述的一种平面式高隔离度K/Ka频段共口径相控阵天线，其特征在于：所述K频段金属贴片阵列结构由多个金属贴片单元阵列排布而成；排布时，相邻金属贴片单元之间设有间距，且间距大于0；金属贴片单元的金属贴片有4个，4个金属贴片的中心点分别位于一个正方形的4个顶点上，相邻金属贴片之间也设有大于0的间距，且相邻金属贴片之间的间距与相邻金属贴片单元之间的间距相等；Ka频段金属贴片阵列结构与K频段金属贴片阵列结构的结构相同。

3.根据权利要求2所述的一种平面式高隔离度K/Ka频段共口径相控阵天线，其特征在于： K频段金属贴片阵列结构在第十介质层上的投影与Ka频段金属贴片阵列结构在第十介质层上的投影处于同一区域，将K频段金属贴片阵列结构的金属贴片单元作为第一金属贴片单元，Ka频段金属贴片阵列结构的金属贴片单元作为第二金属贴片单元；第二金属贴片单元嵌套在第一金属贴片单元内，且第二金属贴片单元的四个顶点分别位于第一金属贴片单元正方形的4条边的中点上。

4.根据权利要求3所述的一种平面式高隔离度K/Ka频段共口径相控阵天线，其特征在 于：所述K频段金属贴片阵列结构中相邻两个金属贴片之间间距与Ka频段金属贴片阵列结 构中相邻两个金属贴片之间间距之比为

。

5.根据权利要求1所述的一种平面式高隔离度K/Ka频段共口径相控阵天线，其特征在于：所述K频段滤波结构与Ka频段滤波结构为非闭合结构，由并联或串联的金属微带线任意弯折而成，K频段滤波结构和Ka频段滤波结构选用的金属微带线线宽不相等。

6.根据权利要求1所述的一种平面式高隔离度K/Ka频段共口径相控阵天线，其特征在于：所述K频段馈电结构为非闭合结构，由一个L型结构和一个V形结构组成，L型结构的短边与V型的其中一边相连；L型结构和V型结构都由金属微带线弯折而成。

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