CN115621748A - 宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元及阵列 - Google Patents

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CN115621748A CN202211387083.5A CN202211387083A CN115621748A CN 115621748 A CN115621748 A CN 115621748A CN 202211387083 A CN202211387083 A CN 202211387083A CN 115621748 A CN115621748 A CN 115621748A
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Abstract

本发明涉及圆极化相控阵天线技术领域，提供一种宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元及阵列；天线单元包括：依次层叠设置的第一介质层、第二介质层和第三介质层；辐射贴片设于第一介质层背离第二介质层的一侧，辐射贴片为圆形微带贴片；第一金属地层夹设于第一介质层和第二介质层之间，第一金属地层上开设有以旋转中心对称的两条耦合缝隙以及围绕两条耦合缝隙的外周布置的多条隔离缝隙，旋转中心与辐射贴片的圆心在层叠方向上重合，且每条耦合缝隙的一端具有朝向一侧弯折的第一圆弧缝隙、另一端具有朝向相反的另一侧弯折的第二圆弧缝隙；馈电微带夹设于第二介质层和第三介质层之间，馈电微带用以通过两条耦合缝隙对辐射贴片耦合馈电。

Description

宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元及阵列
技术领域
本发明涉及圆极化相控阵天线技术领域，尤其涉及一种宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元及阵列。
背景技术
毫米波宽带宽角扫描圆极化相控阵天线是6G网络馈电链路的首选。近年来，利用双线极化构成圆极化是实现宽角扫描的圆极化相控阵的典型方案。
然而，双线圆极化通常采用双点馈电，需要额外较大的馈电网络，导致在相同天线规模情况下成倍增加了***的通道数目，增加了***的复杂度，而且一个天线单元对应两个极化，每个极化对应一套功分***，增加了***设计难度，而随着频率提高，空间布局有限，还增加了布线的难度。同时，在双线极化合成圆极化的过程中，不仅要调节各个线极化的相位差满足要求，还要调节各个线极化的幅度相等，可能引起不必要的损耗，导致降低***的效率，而且由于每一个天线都要进行幅度相位的加权，大大增加了天线调试的工作量和难度。另外，现有圆极化天线组成相控阵，子阵间距接近或超过天线的波长，造成相控阵扫描角度范围变小。
发明内容
本发明提供一种宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元及阵列，用以解决现有技术中圆极化天线组成宽带宽角扫描相控阵时***复杂度高、设计难度大、布线难度大，天线调试的工作量和难度大，可能降低***效率，以及相控阵扫描角度范围变小的缺陷。
本发明提供一种宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元，包括：依次层叠设置的第一介质层、第二介质层和第三介质层；
辐射贴片，设于所述第一介质层背离所述第二介质层的一侧，所述辐射贴片为圆形微带贴片；
第一金属地层，夹设于所述第一介质层和所述第二介质层之间，所述第一金属地层上开设有两条耦合缝隙以及多条隔离缝隙，所述两条耦合缝隙设置为以旋转中心旋转对称，所述旋转中心与所述辐射贴片的圆心在层叠方向上重合，且每条所述耦合缝隙的一端具有朝向一侧弯折的第一圆弧缝隙、另一端具有朝向相反的另一侧弯折的第二圆弧缝隙，以激励相互垂直的两种电磁模式，所述多条隔离缝隙围绕所述两条耦合缝隙的外周布置；
馈电微带，夹设于所述第二介质层和所述第三介质层之间，所述馈电微带包括连接部和馈电部，所述馈电部对应所述两条耦合缝隙布置，用以通过所述两条耦合缝隙对所述辐射贴片耦合馈电；
第二金属地层，贴设于所述第三介质层背离所述第二介质层的一侧，所述第二金属地层设置有同轴馈电点，所述同轴馈电点与所述连接部电连接。
根据本发明提供的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元，所述第一圆弧缝隙的长度与所述宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元的天线反射系数相关联；所述第二圆弧缝隙的长度与所述宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元的天线轴比谐振点的位置相关联。
根据本发明提供的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元，所述耦合缝隙还具有中段缝隙，所述第一圆弧缝隙连接于所述中段缝隙的一端，所述第二圆弧缝隙连接于所述中段缝隙的另一端；所述两条耦合缝隙将所述第一金属地层分为中部区域和***区域，所述中部区域位于所述两条耦合缝隙中间；所述馈电部包括第一馈电枝节和第二馈电枝节，所述第一馈电枝节和所述第二馈电枝节连接于所述连接部一端的相对两侧；所述连接部在所述第一金属地层上的投影位于所述两条耦合缝隙之间，所述第一馈电枝节在所述第一金属地层上的投影与一条所述耦合缝隙的所述中段缝隙垂直交叉，所述第二馈电枝节在所述第一金属地层上的投影与另一条所述耦合缝隙的所述中段缝隙垂直交叉；且所述第一馈电枝节在所述第一金属地层上的投影位于所述中部区域部分的长度，与所述第二馈电枝节在所述第一金属地层上的投影位于所述中部区域部分的长度的差值为二分之一介质波长。
根据本发明提供的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元，所述耦合缝隙沿长度方向分为第一段和第二段，所述第一段和所述第二段的分界线为所述第一馈电枝节或所述第二馈电枝节的中心线在所述第一金属地层上的投影；所述分界线的位置与所述宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元的天线反射系数相关联。
根据本发明提供的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元，所述第一馈电枝节和所述第二馈电枝节均包括在所述第一金属地层上的投影位于所述***区域的末端枝节部分，两个所述末端枝节部分的长度相等，且所述末端枝节部分的长度与所述宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元的天线反射系数相关联。
根据本发明提供的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元，所述第二介质层的介电常数大于所述第一介质层的介电常数和所述第三介质层的介电常数。
根据本发明提供的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元，所述第一介质层、所述第二介质层和所述第三介质层均为毫米波射频板材。
根据本发明提供的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元，所述第二介质层和所述第三介质层上均设有多个金属通孔，所述多个金属通孔均连接所述第一金属地层和所述第二金属地层，且所述多个金属通孔围绕所述馈电微带和所述耦合缝隙的外部轮廓布置，以将所述馈电微带和所述耦合缝隙均封闭在所述多个金属通孔的围合范围内。
根据本发明提供的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元，靠近所述同轴馈电点的多个所述金属通孔围绕所述同轴馈电点的部分外周布置。
根据本发明提供的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元，所述宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元还包括黏贴层，所述黏贴层夹设于所述第一介质层和所述第一金属地层之间以及夹设于所述第二介质层和所述第三介质层之间；所述宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元由多层PCB混压工艺制成。
本发明还提供一种宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线阵列，包括上述任一项所述的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元。
本发明提供的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元及阵列，通过采用单点馈电，单点馈电的圆极化天线结构最为简洁，不需要额外的馈电网络，有效降低***的复杂度，而且单点馈电具有剖面低的优势，节省空间，降低布线的难度，结构简单易于实现，有效降低***设计难度，降低成本；通过设置双倒S型的耦合缝隙对辐射贴片耦合馈电，可以激励起两种相互垂直的电磁模式，实现利用双线极化构成圆极化，既拓展了工作的频率带宽，又展宽了圆极化轴比带宽，避免单点馈电的圆极化天线的工作带宽较窄的缺陷；同时，通过设置圆形的辐射贴片以及双倒S型的耦合缝隙关于圆心对称，使得天线单元结构具有非常好的圆极化对称性，从而在空间获得旋转对称性好的辐射方向图和轴比方向图，有利于天线阵列设计的优化，无需费力调整线极化的相位和幅度，避免降低***效率，有效降低天线调试的工作量和难度，还能够有效避免组阵后相控阵扫描角度范围变小，实现具有宽带宽角波束特性的圆极化天线；通过设置隔离缝隙，能够提高天线单元的隔离性能，减少泄漏，利用本发明的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元组成圆极化相控阵天线阵列时，能够有效降低阵元间的相互耦合，可以实现宽角扫描的毫米波圆极化相控阵。
本发明的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元，通过采用单点馈电结合具有非常好的圆极化对称性的天线单元结构，实现具有宽带宽角波束特性的圆极化天线，解决了现有技术中圆极化天线组成宽带宽角扫描相控阵时***复杂度高、设计难度大、布线难度大，天线调试的工作量和难度大，可能降低***效率，以及相控阵扫描角度范围变小的缺陷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元的叠层结构示意图；
图2是本发明实施例提供的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元的俯视图；
图3是本发明实施例提供的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线阵列的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元及阵列阵元的反射系数曲线图；
图5是本发明实施例提供的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元及阵列阵元的最大辐射方向的轴比曲线图；
图6是本发明实施例提供的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元的辐射方向图；
图7是本发明实施例提供的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元的轴比方向图；
图8是本发明实施例提供的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线阵列阵元的辐射方向图；
图9是本发明实施例提供的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线阵列阵元的轴比方向图。
附图标记：
100：宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元；
1：第一介质层；2：第二介质层；3：第三介质层；4：辐射贴片；5：第一金属地层；6：馈电微带；7：第二金属地层；8：金属通孔；9：黏贴层；
51：耦合缝隙；511：第一圆弧缝隙；512：第二圆弧缝隙；513：第一段；514：第二段；515：分界线；516：中段缝隙；52：隔离缝隙；61：连接部；62：馈电部；621：第一馈电枝节；622：第二馈电枝节；623：末端枝节部分；71：同轴馈电点。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，“垂直方向”、“水平方向”、“+45°或-45°方向”、“上”、“中”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合图1-图3描述本发明的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元及阵列。
如图1和图2所示，本发明提供的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100，包括第一介质层1、第二介质层2、第三介质层3、辐射贴片4、第一金属地层5、馈电微带6和第二金属地层7。
其中，第一介质层1、第二介质层2和第三介质层3依次层叠设置，辐射贴片4设于第一介质层1背离第二介质层2的一侧，辐射贴片4为圆形微带贴片；第一金属地层5夹设于第一介质层1和第二介质层2之间，第一金属地层5上开设有两条耦合缝隙51以及多条隔离缝隙52，两条耦合缝隙51设置为以旋转中心旋转对称，且旋转中心与辐射贴片4的圆心在层叠方向上重合，且每条耦合缝隙51的一端具有朝向一侧弯折的第一圆弧缝隙511、另一端具有朝向相反的另一侧弯折的第二圆弧缝隙512，以激励相互垂直的两种电磁模式，多条隔离缝隙52围绕两条耦合缝隙51的外周布置。馈电微带6夹设于第二介质层2和第三介质层3之间，馈电微带6包括连接部61和馈电部62，馈电部62对应两条耦合缝隙51布置，用以通过两条耦合缝隙51对辐射贴片4耦合馈电；第二金属地层7贴设于第三介质层3背离第二介质层2的一侧，第二金属地层7设置有同轴馈电点71，同轴馈电点71与馈电微带6的连接部61电连接。
其中，两条耦合缝隙51以旋转中心旋转对称，是指两条耦合缝隙51的结构相同，并相对于旋转中心呈中心对称布置，且两条耦合缝隙51能够绕旋转中心旋转至相重合；层叠方向是指第一介质层1、第二介质层2和第三介质层3依次层叠设置的方向。
圆极化相控阵天线利用大规模天线阵列以及灵活的波束赋型技术，动态地产生一系列高指向性的波束，大大提高空间复用的效率，同时相控阵的圆极化特性弥补了电磁波穿透电离层的极化旋转效应对电波的影响。采用具有宽带宽角扫描性能的圆极化天线构成相控阵，是实现移动卫星通信***的关键技术。
在本实施例中，宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100(简称天线单元)集成在多层介质上，辐射贴片4用于向外辐射电磁信号；第一金属地层5上开设有耦合缝隙51，耦合缝隙51用于向辐射贴片4耦合射频信号；馈电微带6的馈电部62对应两条耦合缝隙布置51，用以通过两条耦合缝隙51对辐射贴片4耦合馈电；第二金属地层7设置同轴馈电点71，同轴馈电点71与馈电微带6的连接部61电连接，通过同轴馈电点71向馈电微带6传递射频信号，实现单点馈电；从而辐射贴片4、第一金属地层5、馈电微带6和第二金属地层7组成天线单元主体。使用时，射频信号通过馈电微带6传输并耦合至辐射贴片4实现信号的对外发射。
其中，天线单元集成在多个介质层(即第一介质层1、第二介质层2和第三介质层3)上，可以采用多层PCB(Printed circuit boards，印刷电路板)混压工艺加工，易于生产实现，降低成本。
辐射贴片4采用圆形微带贴片，例如圆形金属贴片，结构上旋转对称，旋转对称有利于辐射方向图及轴比方向图的对称，使得天线单元在组成天线阵列时阵元间的相互耦合对方向图的影响最小。
耦合缝隙51的两末端分别设置弯折方向相反的第一圆弧缝隙511和第二圆弧缝隙512，形成整体呈倒S型的耦合缝隙51，两条耦合缝隙51可以激励起两种相互垂直的电磁模式，是产生圆极化特性的基础，并能拓展工作的频率带宽和天线单元的圆极化轴比带宽；具体来说，两条耦合缝隙51的两个第一圆弧缝隙511用于产生一个方向的极化，两个第二圆弧缝隙512用于产生另一个方向的极化，且两个极化方向相互垂直，构成正交布置的双线极化，进而利用双线极化构成圆极化。
两条倒S型的耦合缝隙51旋转中心对称分布，并且旋转中心与辐射贴片4的圆心重合，使得激励的辐射场在空间具有更好的旋转对称性，使天线单元激励起的方向图具有良好的旋转对称性，从而利用天线单元组成天线阵列时，阵元方向图的一致性能够得到保障。
关于圆心对称的双倒S耦合结构以及圆形贴片，使得天线单元结构具有非常好的圆极化对称性，从而在空间获得旋转对称性好的辐射方向图和轴比方向图，有利于天线阵列设计的优化。
第一金属地层5上还开设隔离缝隙52，并且隔离缝隙52围绕两条耦合缝隙51布置，可以在天线单元组阵时切断相邻阵元间第一金属地层5上的耦合感应电流，减少泄漏，从而降低阵元间的相互耦合；并且相比现有阵元间加载金属孔的方法，隔离缝隙52简单易实现，尤其是在多层PCB混压工艺中，可以减少混压次数，使得原本由于混压次数不可加工的方案变的可以实现。目前多层PCB混压工艺超过4次混压即不可加工。
本发明的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100，通过采用单点馈电，单点馈电的圆极化天线结构最为简洁，不需要额外的馈电网络，有效降低***的复杂度，而且单点馈电具有剖面低的优势，节省空间，降低布线的难度，结构简单易于实现，有效降低***设计难度，降低成本；通过设置双倒S型的耦合缝隙51对辐射贴片4耦合馈电，可以激励起两种相互垂直的电磁模式，实现利用双线极化构成圆极化，既拓展了工作的频率带宽，又展宽了圆极化轴比带宽，避免单点馈电的圆极化天线的工作带宽较窄的缺陷；同时，通过设置圆形的辐射贴片4以及双倒S型的耦合缝隙51关于圆心对称，使得天线单元结构具有非常好的圆极化对称性，从而在空间获得旋转对称性好的辐射方向图和轴比方向图，有利于天线阵列设计的优化，无需费力调整线极化的相位和幅度，避免降低***效率，有效降低天线调试的工作量和难度，还能够有效避免组阵后相控阵扫描角度范围变小，实现具有宽带宽角波束特性的圆极化天线；通过设置隔离缝隙52，能够提高天线单元的隔离性能，减少泄漏，利用本发明的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100组成圆极化相控阵天线阵列时，能够有效降低阵元间的相互耦合，可以实现宽角扫描的毫米波圆极化相控阵。
本发明的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100，通过采用单点馈电结合具有非常好的圆极化对称性的天线单元结构，实现具有宽带宽角波束特性的圆极化天线，解决了现有技术中圆极化天线组成宽带宽角扫描相控阵时***复杂度高、设计难度大、布线难度大，天线调试的工作量和难度大，可能降低***效率，以及相控阵扫描角度范围变小的缺陷。
在一个具体实施例中，第一金属地层5为矩形金属板，隔离缝隙52为矩形缝隙；八条矩形的隔离缝隙52开设于第一金属地层5的四个周向边缘。其中，隔离缝隙52可以通过蚀刻加工而成。
具体地，如图1所示，第一圆弧缝隙511的长度L1与宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100的天线反射系数相关联；第二圆弧缝隙512的长度L2与宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100的天线轴比谐振点的位置相关联。
在本实施例中，调节第一圆弧缝隙511的长度L1可以调节天线反射系数，调节第二圆弧缝隙512的长度L2可以调节天线轴比谐振点的位置，从而可以控制轴比带宽，有利于拓展天线的轴比带宽。
具体地，如图1所示，耦合缝隙51还具有中段缝隙516，第一圆弧缝隙511连接于中段缝隙516的一端，第二圆弧缝隙512连接于中段缝隙516的另一端，且第一圆弧缝隙511和第二圆弧缝隙512分别朝向中段缝隙516的相反两侧弯折；两条耦合缝隙51将第一金属地层5分为中部区域和***区域，中部区域位于两条耦合缝隙51中间，***区域围绕两条耦合缝隙51的外部。如图2所示，馈电微带6的馈电部62包括第一馈电枝节621和第二馈电枝节622，第一馈电枝节621和第二馈电枝节622连接于连接部61一端的相对两侧，连接部61的另一端与同轴馈电点71电连接。沿层叠方向观察馈电微带6和两条耦合缝隙51的位置关系，即连接部61在第一金属地层5上的投影位于两条耦合缝隙51之间，第一馈电枝节621在第一金属地层5上的投影与一条耦合缝隙51的中段缝隙516垂直交叉，第二馈电枝节622在第一金属地层5上的投影与另一条耦合缝隙51垂直交叉；且第一馈电枝节621在第一金属地层5上的投影位于中部区域部分的长度L3，与第二馈电枝节622在第一金属地层5上的投影位于中部区域部分的长度L4的差值为二分之一介质波长。
其中，第一馈电枝节621在第一金属地层5上的投影与一条耦合缝隙51的中段缝隙516垂直交叉，是指第一馈电枝节621在第一金属地层5上的投影与该条耦合缝隙51的中段缝隙516相交叉，交叉位置位于该中段缝隙516上，且第一馈电枝节621的投影和该中段缝隙516在交叉位置的部分相互垂直。
同理，第二馈电枝节622在第一金属地层5上的投影与另一条耦合缝隙51垂直交叉，是指第二馈电枝节622在第一金属地层5上的投影与该另一条耦合缝隙51的中段缝隙516相交叉，交叉位置位于该中段缝隙516上，且第二馈电枝节622的投影和该中段缝隙516在交叉位置的部分相互垂直。
在本实施例中，第一馈电枝节621与一条耦合缝隙51对应布置，通过设置垂直交叉，以通过该条耦合缝隙51耦合馈电，第二馈电枝节622与另一条耦合缝隙51对应布置，通过设置垂直交叉，以通过该另一条耦合缝隙51耦合馈电，从而馈电微带6构成T型功分器；通过设置第一馈电枝节621和第二馈电枝节622的投影位于中部区域部分的长度差值为二分之一介质波长，可以实现两条耦合缝隙51的差分馈电，保证提供幅度相等、相位相差90°的激励，确保天线单元实现圆极化辐射。
具体地，耦合缝隙51沿长度方向分为第一段513和第二段514，第一段513和第二段514的分界线515为第一馈电枝节621或第二馈电枝节622的中心线在第一金属地层5上的投影；其中，分界线515的位置与宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100的天线反射系数相关联。
其中，第一段513为包括第一圆弧缝隙511的部分耦合缝隙51，第一段513的长度为L5；第二段514为包括第二圆弧缝隙512的部分耦合缝隙51，第二段514的长度为L6。
在本实施例中，耦合缝隙51以馈电微带6的馈电枝节中心线投影分为两部分，并且馈电微带6的馈电枝节中心线投影与耦合缝隙51的相对位置改变，从而调整第一段513的长度L5和第二段514的长度L6，可以调节天线单元的反射系数。
具体地，耦合缝隙51的第一段513的长度L5大约为四分之一介质波长，第二段514的长度L6大约为二分之一介质波长，第一段513和第二段514的长度差值为四分之一介质波长。
具体地，如图1所示，中段缝隙516可以包括依次转折连接的多个缝隙段，从而可以在有限的空间内增加中段缝隙516的长度。
具体地，如图2所示，第一馈电枝节621和第二馈电枝节622均包括在第一金属地层5上的投影位于***区域的末端枝节部分623，两个末端枝节部分623的长度L7相等，且末端枝节部分623的长度L7与宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100的天线反射***相关联。
在本实施例中，馈电微带6具有两个末端枝节部分623，调节末端枝节部分623的长度L7，可以调节天线单元的反射系数。
具体地，第二介质层2的介电常数大于第一介质层1的介电常数和第三介质层3的介电常数。
在本实施例中，通过设置第一介质层1和第三介质层3具有较低的介电常数，材质较硬，适合于多层多次压合，不易变形；通过设置第二介质层2具有更大的介电常数，可以减小介质波长，进而可以缩短耦合缝隙51的长度，有利于减小宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100的体积。
具体地，第一介质层1、第二介质层2和第三介质层3均为毫米波射频板材。
在本实施例中，天线单元集成在多层毫米波射频板材上，例如，毫米波射频板材可以是陶瓷板。其中，毫米波射频板材的种类型号根据天线使用频段及阵元间距要求选择确定，以保证天线单元具有优良的辐射性能。
具体地，第二介质层2和第三介质层3上均设有多个金属通孔8，多个金属通孔8均连接第一金属地层5和第二金属地层7，且多个金属通孔8围绕馈电微带6和耦合缝隙51的外部轮廓布置，以将馈电微带6和耦合缝隙51均封闭在多个金属通孔8的围合范围内。
在本实施例中，通过设置多个金属通孔8包围封闭馈电微带6和耦合缝隙51，将耦合缝隙51和馈电微带6进行隔离，能够隔离天线单元中的射频信号，增加天线单元的隔离度，可以减小馈电电路的电磁辐射对天线方向图的影响。
具体地，靠近同轴馈电点71的多个金属通孔8围绕同轴馈电点71的部分外周布置。
在本实施例中，通过设置同轴馈电点71附近的多个金属通孔8围绕同轴馈电点71的部分外周布置，将同轴馈电点71半包围，形成类似同轴馈电的外金属层，减少泄漏，提高射频信号的隔离效果。
具体地，宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100还包括黏贴层9，黏贴层9夹设于第一介质层1和第一金属地层5之间，以及夹设于第二介质层2和第三介质层3之间；宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100由多层PCB混压工艺制成。
在本实施例中，宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100由三层介质采用多层PCB混压工艺实现，黏贴层9用于将三层介质以及第一金属地层5、第二金属地层7黏贴压合固定在一起，易于加工实现，降低成本。
具体地，黏贴层9为半固化片，半固化片的种类型号根据毫米波射频板材的种类型号选择确定，例如，黏贴层9选择与第一介质层1的性能接近的半固化片。
在一个具体实施例中，第一介质层1和第三介质层3的毫米波射频板材采用Rogers4350B陶瓷板，介电常数3.66，介电常数较低，板材较硬，多层多次压合不易变形。第二介质层2的毫米波射频板材采用Rogers 6010陶瓷板，介电常数10.2，耦合缝隙51会更短。陶瓷板间的黏贴层9，采用型号为FR28的半固化片进行黏贴，介电常数2.8，厚度0.1毫米。天线单元的总厚度为1.867毫米。
另一方面，如图3所示，本发明实施例还提供一种宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线阵列，包括由上述任一实施例提供的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100。
通过采用上述实施例的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100组成相控阵天线阵列，方向图具有很好的旋转对称性，能够有效降低阵元间的相互耦合，实现宽带宽角扫描性能。
在一个具体实施例中，如图3所示，为了验证本发明的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100的方向图对称特性，设计了4×4阵列案例。以上述具体实施例中的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100作为阵元组成4×4阵列，中间2×2阵列为工作阵元，周围阵元作为哑元。以此为基础，可以扩展成任意规模阵列，阵列参数同中间2×2阵列的参数即可。
如图4所示，为本发明实施例的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元及阵列阵元的反射系数曲线图。图中给出了上述具体实施例中的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100和利用该天线单元组阵后中间一阵元的反射系数随频率的变化曲线。图中，横坐标轴代表频率，单位(GHz)；纵坐标轴代表反射系数的值，单位(dB)。
如图5所示，为本发明实施例的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元及阵列阵元的最大辐射方向的轴比曲线图。图中给出了上述具体实施例中的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100和利用该天线单元组阵后中间阵元的轴比。图中，横坐标轴代表频率，单位(GHz)；纵坐标轴代表轴比值，单位(dB)。
如图6所示，为本发明实施例的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元的辐射方向图。图中给出了上述具体实施例中的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100的辐射方向图。图中，横坐标轴代表角度，单位(°)，该角度为与天线坐标系中z轴正方向的夹角；纵坐标轴代表天线增益幅度值，单位(dB)。图中分别给出了相位角
Figure BDA0003930386300000163
45°、90°、135°四个面上的主极化(LHCP)和交叉极化(RHCP)辐射方向图。
如图7所示，为本发明实施例的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元的轴比方向图。图中给出了上述具体实施例中的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100的轴比方向图。图中，横坐标轴代表角度，单位(°)，该角度为与天线坐标系中z轴正方向的夹角；纵坐标轴代表天线轴比值，单位(dB)。图中分别给出了相位角
Figure BDA0003930386300000164
45°、90°、135°四个面上轴比方向图。
如图8所示，为本发明实施例的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线阵列阵元的辐射方向图。图中给出了利用上述具体实施例中的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100组阵后中间阵元的辐射方向图。图中，横坐标轴代表角度，单位(°)，该角度为与天线坐标系中z轴正方向的夹角；纵坐标轴代表天线增益幅度值，单位(dB)。图中分别给出了相位角
Figure BDA0003930386300000161
45°、90°、135°四个面上的主极化(LHCP)和交叉极化(RHCP)辐射方向图。
如图9所示，为本发明实施例的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线阵列阵元的轴比方向图。图中给出了利用上述具体实施例中的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100组阵后中间阵元的轴比方向图。图中，横坐标轴代表角度，单位(°)，该角度为与天线坐标系中z轴正方向的夹角；纵坐标轴代表天线轴比值，单位(dB)。图中分别给出了相位角
Figure BDA0003930386300000162
45°、90°、135°四个面上轴比方向图。
根据图4至图7可以看出，上述具体实施例的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100达到的技术指标如下：
根据图4可得，宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100的反射系数(S11)在-10dB以下带宽：24.8GHz—27.8GHz，共3GHz，相对带宽达到11.5％。
根据图5可得，宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100最大辐射方向的轴比-3dB以下带宽：24.8GHz—27.4GHz，共2.6GHz，相对带宽达到10％。
根据图6，宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100的
Figure BDA0003930386300000177
45°、90°、135°四个面上的主极化(LHCP)和交叉极化(RHCP)辐射方向图数据见下表：
Figure BDA0003930386300000171
由上表数据可见，3dB波束宽度
Figure BDA0003930386300000172
和
Figure BDA0003930386300000173
两个面、
Figure BDA0003930386300000174
和
Figure BDA0003930386300000175
两个面上基本重合，且四个面上相差不大，方向图具有很好的旋转对称性。
根据图7，宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100的3dB轴比波束范围数据见下表：
Figure BDA0003930386300000176
由上表数据可得，宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100的3dB轴比波束大于160°。
通过仿真优化，本发明的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元100组成4×4阵列案例，其性能得到了验证，结果如下：
根据图4可得，宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线阵列中阵元天线的反射系数(S11)在-10dB以下带宽：25.1GHz—27.6GHz，共2.5GHz，相对带宽达到9.6％。
根据图5可得，宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线阵列中阵元天线最大辐射方向的轴比-3dB以下带宽：24.9GHz—27.2GHz，共2.3GHz，相对带宽达到8.8％。
根据图8，宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线阵列中阵元的
Figure BDA0003930386300000188
45°、90°、135°四个面上的主极化(LHCP)和交叉极化(RHCP)辐射方向图数据可见下表：
Figure BDA0003930386300000181
由上表数据可见，3dB波束宽度
Figure BDA0003930386300000182
和
Figure BDA0003930386300000183
两个面、
Figure BDA0003930386300000184
和
Figure BDA0003930386300000185
两个面上基本重合，且四个面上相差不大，方向图具有很好的旋转对称性。验证了天线单元的旋转对称性对组阵有着决定作用。
根据图9，宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线阵列中阵元的3dB轴比波束范围数据见下表：
Figure BDA0003930386300000186
由上表数据可得，阵列天线阵元的3dB轴比波束范围(除
Figure BDA0003930386300000187
面的3dB轴比波束范围达到225°)减小，这是由于组阵后相邻阵元间相互耦合造成的；但是最小的3dB轴比波束范围仍达到118°
Figure BDA0003930386300000189
说明阵元间的相互耦合得到了降低。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元，其特征在于，包括：
依次层叠设置的第一介质层、第二介质层和第三介质层；
辐射贴片，设于所述第一介质层背离所述第二介质层的一侧，所述辐射贴片为圆形微带贴片；
第一金属地层，夹设于所述第一介质层和所述第二介质层之间，所述第一金属地层上开设有两条耦合缝隙以及多条隔离缝隙，所述两条耦合缝隙设置为以旋转中心旋转对称，所述旋转中心与所述辐射贴片的圆心在层叠方向上重合，且每条所述耦合缝隙的一端具有朝向一侧弯折的第一圆弧缝隙、另一端具有朝向相反的另一侧弯折的第二圆弧缝隙，以激励相互垂直的两种电磁模式，所述多条隔离缝隙围绕所述两条耦合缝隙的外周布置；
馈电微带，夹设于所述第二介质层和所述第三介质层之间，所述馈电微带包括连接部和馈电部，所述馈电部对应所述两条耦合缝隙布置，用以通过所述两条耦合缝隙对所述辐射贴片耦合馈电；
第二金属地层，贴设于所述第三介质层背离所述第二介质层的一侧，所述第二金属地层设置有同轴馈电点，所述同轴馈电点与所述连接部电连接。
2.根据权利要求1所述的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元，其特征在于，所述第一圆弧缝隙的长度与所述宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元的天线反射系数相关联；所述第二圆弧缝隙的长度与所述宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元的天线轴比谐振点的位置相关联。
3.根据权利要求1所述的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元，其特征在于，所述耦合缝隙还具有中段缝隙，所述第一圆弧缝隙连接于所述中段缝隙的一端，所述第二圆弧缝隙连接于所述中段缝隙的另一端；所述两条耦合缝隙将所述第一金属地层分为中部区域和***区域，所述中部区域位于所述两条耦合缝隙中间；
所述馈电部包括第一馈电枝节和第二馈电枝节，所述第一馈电枝节和所述第二馈电枝节连接于所述连接部一端的相对两侧；所述连接部在所述第一金属地层上的投影位于所述两条耦合缝隙之间，所述第一馈电枝节在所述第一金属地层上的投影与一条所述耦合缝隙的所述中段缝隙垂直交叉，所述第二馈电枝节在所述第一金属地层上的投影与另一条所述耦合缝隙的所述中段缝隙垂直交叉；且所述第一馈电枝节在所述第一金属地层上的投影位于所述中部区域部分的长度，与所述第二馈电枝节在所述第一金属地层上的投影位于所述中部区域部分的长度的差值为二分之一介质波长。
4.根据权利要求3所述的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元，其特征在于，所述耦合缝隙沿长度方向分为第一段和第二段，所述第一段和所述第二段的分界线为所述第一馈电枝节或所述第二馈电枝节的中心线在所述第一金属地层上的投影；所述分界线的位置与所述宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元的天线反射系数相关联。
5.根据权利要求3所述的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元，其特征在于，所述第一馈电枝节和所述第二馈电枝节均包括在所述第一金属地层上的投影位于所述***区域的末端枝节部分，两个所述末端枝节部分的长度相等，且所述末端枝节部分的长度与所述宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元的天线反射系数相关联。
6.根据权利要求1至5任一项所述的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元，其特征在于，所述第二介质层的介电常数大于所述第一介质层的介电常数和所述第三介质层的介电常数。
7.根据权利要求1至5任一项所述的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元，其特征在于，所述第一介质层、所述第二介质层和所述第三介质层均为毫米波射频板材。
8.根据权利要求1至5任一项所述的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元，其特征在于，所述第二介质层和所述第三介质层上均设有多个金属通孔，所述多个金属通孔均连接所述第一金属地层和所述第二金属地层，且所述多个金属通孔围绕所述馈电微带和所述耦合缝隙的外部轮廓布置，以将所述馈电微带和所述耦合缝隙均封闭在所述多个金属通孔的围合范围内。
9.根据权利要求8所述的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元，其特征在于，靠近所述同轴馈电点的多个所述金属通孔围绕所述同轴馈电点的部分外周布置。
10.根据权利要求8所述的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元，其特征在于，所述宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元还包括黏贴层，所述黏贴层夹设于所述第一介质层和所述第一金属地层之间，以及夹设于所述第二介质层和所述第三介质层之间；所述宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元由多层PCB混压工艺制成。
11.一种宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线阵列，其特征在于，包括如权利要求1至10任一项所述的宽带宽角扫描圆极化毫米波相控阵天线单元。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117154423A (zh) * 2023-10-31 2023-12-01 成都辰星迅联科技有限公司 一种平面式高容差毫米波相控阵天线
CN117154423B (zh) * 2023-10-31 2023-12-29 成都辰星迅联科技有限公司 一种平面式高容差毫米波相控阵天线

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