CN117154423B - 一种平面式高容差毫米波相控阵天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及毫米波高容差天线领域，尤其涉及一种平面式高容差毫米波相控阵天线，包括：从上至下依次设置的第四介质层、第三介质层、第二介质层和第一介质层，第一金属柱贯穿所述第三介质层、第二介质层和第一介质层，第二金属柱贯穿所述第二介质层和第一介质层；通过第二高容差互补金属地层与所述矩形腔室配合进而在第三介质层的上表面边沿处形成电磁场带隙，在第三介质层的上表面中部形成两个相互垂直的工字槽结构；本发明提供一种平面式高容差毫米波相控阵天线，天线单元采用正交工字槽耦合馈电的贴片天线，实现了剖面的降低与分体式组装设计，通过采用高容差互补式金属地结构，提高了天线的容差性能，降低了对天线垂直维度的组装精度要求。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波高容差天线领域，尤其涉及一种平面式高容差毫米波相控阵天线。
背景技术
近年来为满足军用及民用的高通量数据传输需求，通信频段在不断向上迁移以得到更高的传输速率，目前大力建设的低轨卫星通信频段由C、X频段也由拓展到K/Ka频段。在这种需求下，大量的毫米波波段的学术文章、新型产品涌现。但由于频段升高，波长变短，其天线工艺精度要求高，加工复杂度高，加工成本居高不下。同时微小的误差将导致巨大的性能下降，其鲁棒性也难以满足各种应用场景的需求。这种对误差的高灵敏度，低鲁棒、低容差特性，导致毫米波相控阵天线居高不下的加工成本，同时限制高频段的形态与应用场景。
目前，常见的Ka频段相控阵天线，均存在难以工艺迁移，工艺要求高，容差性能差的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种平面式高容差毫米波相控阵天线，用于解决天线的容差性能较差的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种平面式高容差毫米波相控阵天线，包括：从上至下依次设置的第四介质层、第三介质层、第二介质层和第一介质层，第一金属柱贯穿所述第三介质层、第二介质层和第一介质层，第二金属柱贯穿所述第二介质层和第一介质层；
其中，所述第三介质层与所述第四介质层之间设有第一高容差互补金属地层，所述第一介质层的下表面设有第一金属地层，所述第一高容差互补金属地层与所述第一金属地层通过所述第一金属柱连接，所述第一高容差互补金属地层上设有多个用于填充第二高容差互补金属地层的矩形腔室，通过第二高容差互补金属地层与所述矩形腔室配合进而在所述第三介质层的上表面边沿处形成电磁场带隙，在所述第三介质层的上表面中部形成两个相互垂直的工字槽结构；
其中所述第三介质层与第二介质层之间设有馈线金属层，所述馈线金属层与所述第二金属柱的顶部连接。
可选地，所述第四介质层的上表面的中心处设有圆形金属辐射贴片。
可选地，所述第一金属柱为Ka频段双极化天线的屏蔽结构。
可选地，所述第二金属柱与第一金属地层共同形成同轴线的结构作为天线的信号传输结构。
可选地，所述馈线金属层采用带状线制成，用于将输入信号传输到工字槽结构处，进而对天线进行馈电。
可选地，所述馈线金属层下表面设有第二金属柱，通过第二金属柱对所述馈线金属层的馈电。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种平面式高容差毫米波相控阵天线，天线单元采用正交工字槽耦合馈电的贴片天线，实现了剖面的降低与分体式组装设计，通过采用高容差互补式金属地结构，提高了天线的容差性能，降低了对天线垂直维度的组装精度要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为实施例所述的平面式高容差毫米波相控阵天线的整体沿横向中轴线方向的侧面剖视图；
图2为实施例中平面式高容差毫米波相控阵天线的结构图；
图3为实施例中平面式高容差毫米波相控阵天线的***图；
图4为实施例中互补金属地层与气隙机构示意图；
图5为实施例中的容差效果对照实验图。
附图标号：
1-第四介质层，2-第三介质层，3-第二介质层，4-第一介质层，5-圆形金属辐射贴片，6-第二高容差互补金属地层，7-第一高容差互补金属地层，8-馈线金属层，9-第一金属地层，10-第一金属柱，11-第二金属柱，12-工字槽结构，13-电磁场带隙。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、 “外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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。
实施例1：如图1-3所示，本实施例提供了一种平面式高容差毫米波相控阵天线，包括：从上至下依次设置的第四介质层1、第三介质层2、第二介质层3和第一介质层4，第一金属柱10贯穿所述第三介质层2、第二介质层3和第一介质层4，第二金属柱11贯穿所述第二介质层3和第一介质层4；
其中，所述第三介质层2与所述第四介质层1之间设有第一高容差互补金属地层7，所述第一介质层4的下表面设有第一金属地层9，所述第一高容差互补金属地层7与所述第一金属地层9通过所述第一金属柱10连接，所述第一高容差互补金属地层7上设有多个用于填充第二高容差互补金属地层6的矩形腔室，通过第二高容差互补金属地层6与所述矩形腔室配合进而在所述第三介质层2的上表面边沿处形成电磁场带隙13，在所述第三介质层2的上表面中部形成两个相互垂直的工字槽结构12；
其中所述第三介质层2与第二介质层3之间设有馈线金属层8，所述馈线金属层8与所述第二金属柱11的顶部连接。
在本实施例中，通过提供一种平面式高容差毫米波相控阵天线，其中天线单元采用正交工字槽耦合馈电的贴片天线，实现了剖面的降低与分体式组装设计，通过采用高容差互补式金属地结构，提高了天线的容差性能，降低了对天线垂直维度的组装精度要求。
其次，在本实施例中，所述第四介质层1的上表面的中心处设有圆形金属辐射贴片5；所述第一金属柱10为Ka频段双极化天线的屏蔽结构；所述第二金属柱11与第一金属地层9共同形成同轴线的结构作为天线的信号传输结构。
其次，在本实施例中，所述馈线金属层8采用带状线制成，用于将输入信号传输到工字槽结构12处，进而对天线进行馈电；所述馈线金属层8下表面设有第二金属柱11，通过第二金属柱11对所述馈线金属层8的馈电。
实施例2：本实施例基于实施例1，为便于对实施例1所述的相关结构的理解，需要对本上述实施例1中的相关结构或部件的单个功能或多部件结合功能做相关解释，并提供一定的实验效果支撑，具体内容如下：
针对平面式毫米波天线机械组装带来误差产生气隙影响电性能，导致难以实际应用的问题，提出采用具有高容差互补金属地层特征的平面式金属单元，利用电磁场带隙13限制电磁场的泄露，利用存在的气隙重构工字槽结构12形成新的等效电路进行匹配。
其次，多层介质基板包括自下而上一次叠层第一金属地层9、第一介质层4、第二介质层3与第三介质层2以多层介质板的形式加工，第四介质层1独立加工；第一高容差互补金属地层7与第二高容差互补金属地层6分别设在第三介质层2上表面与第四介质层1下表面，以上结构通过额外机械步骤统一组装。
第一金属地层9上表面设有第一金属柱10，第一金属柱10为Ka频段双极化天线的屏蔽结构，通过第一金属柱10实现与第一高容差互补金属地层7的连接；第二金属柱11与馈线金属层8连接，第二金属柱11与第一金属地层9共同形成同轴线的结构作为天线的信号传输结构。
第二介质层3与第三介质层2之前设有馈线金属层8。在本实施例中，该馈线金属层采用带状线制成，能够将输入信号传输到工字槽结构12对天线进行馈电，馈线金属层8下表面设有第二金属柱11，通过第二金属柱11实现对馈线金属层8的馈电。
第三介质层2的上表面设有第二高容差互补金属地层6；第四介质层1下表面设有第一高容差互补金属地层7；
如图4所示，当第三介质层2与第四介质层1之间不存在组装误差时，其处于正常工作状态，当第三介质层2与第四介质层1之间存在组装误差，会导致空气隙存在，其第一高容差互补金属地层7和第二高容差互补金属地层6将会组成方块形电磁场带隙13阻止信号泄露，同时形成重构的工字槽结构12进行二次匹配，减缓误差带来的影响。
图5展示了Ka频段范围（27.5-31GHz）范围内引入0.1mm气隙后有无容差结构的匹配性能。其中有容差结构时，整个带内自反射系数优于-8dB，而无容差结构时带内自反射系数优于-4dB，优化4dB。
综上可见，采用上述技术方案后，本发明通过引入高容差结构，克服了毫米波波段天线机械组装导致电性能下降的问题，提高了天线的容差能力。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种平面式高容差毫米波相控阵天线，其特征在于，包括：从上至下依次设置的第四介质层（1）、第三介质层（2）、第二介质层（3）和第一介质层（4），第一金属柱（10）贯穿所述第三介质层（2）、第二介质层（3）和第一介质层（4），第二金属柱（11）贯穿所述第二介质层（3）和第一介质层（4）；
其中，所述第三介质层（2）与所述第四介质层（1）之间设有第一高容差互补金属地层（7），所述第一介质层（4）的下表面设有第一金属地层（9），所述第一高容差互补金属地层（7）与所述第一金属地层（9）通过所述第一金属柱（10）连接，所述第一高容差互补金属地层（7）上设有多个用于填充第二高容差互补金属地层（6）的矩形腔室，通过第二高容差互补金属地层（6）与所述矩形腔室配合进而在所述第三介质层（2）的上表面边沿处形成电磁场带隙（13），在所述第三介质层（2）的上表面中部形成两个相互垂直的工字槽结构（12）；
其中所述第三介质层（2）与第二介质层（3）之间设有馈线金属层（8），所述馈线金属层（8）与所述第二金属柱（11）的顶部连接。
2.根据权利要求1所述的一种平面式高容差毫米波相控阵天线，其特征在于，所述第四介质层（1）的上表面的中心处设有圆形金属辐射贴片（5）。
3.根据权利要求1所述的一种平面式高容差毫米波相控阵天线，其特征在于，所述第一金属柱（10）为Ka频段双极化天线的屏蔽结构。
4.根据权利要求1所述的一种平面式高容差毫米波相控阵天线，其特征在于，所述第二金属柱（11）与第一金属地层（9）共同形成同轴线的结构作为天线的信号传输结构。
5.根据权利要求1所述的一种平面式高容差毫米波相控阵天线，其特征在于，所述馈线金属层（8）采用带状线制成，用于将输入信号传输到工字槽结构（12）处，进而对天线进行馈电。
6.根据权利要求1所述的一种平面式高容差毫米波相控阵天线，其特征在于，所述馈线金属层（8）下表面设有第二金属柱（11），通过第二金属柱（11）对所述馈线金属层（8）的馈电。
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