CN103825101A

CN103825101A - 宽带平板阵列天线

Info

Publication number: CN103825101A
Application number: CN201410073352.XA
Authority: CN
Inventors: 程钰间; 吴杰; 黄伟娜; 刘小亮
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: Chengdu Ningjinwei Communication Technology Co ltd
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2034-02-28
Also published as: CN103825101B

Abstract

本发明公开了一种既能够实现宽频带且又可以提高阵列天线增益的宽带平板阵列天线。该宽带平板阵列天线采用一个耦合槽来激励两个微带子阵，此时单根微带线的阻抗较高，易于辐射贴片进行高阻抗匹配，从而展宽微带子阵的带宽，实现宽频带，而且这种馈电方式的相对带宽（S11<–10dB）可以达到16%，1dB增益带宽可达14.6%，而普通结构的带宽只有6%左右；此外，采用“工”字形的基片集成波导馈电网络，所有微带子阵全部并联馈电，随着阵列单元的增加，带宽几乎不变，宽带特性能够在大阵中得以保持，而阵列天线的增益会逐渐提高；另外，馈电网络位于微带子阵的下方，不会增加额外电路面积，有利于阵列天线小型化。适合在微波毫米波天线技术领域推广应用。

Description

宽带平板阵列天线

技术领域

本发明涉及微波毫米波天线技术领域，具体涉及一种宽带平板阵列天线。

背景技术

在无线通信系统中，天线是信号接收和发射的关键部件。随着无线移动通信技术的发展，要求微波毫米波天线在保证电气性能的同时，尽可能实现低剖面、高增益、宽频带等特性。

低剖面天线的实现方式主要有印刷天线和波导缝隙天线。印刷天线厚度小，重量轻，易与安装载体共形；缺点是馈线在毫米波频率上损耗大，难以实现较高增益。波导缝隙天线具有较高的辐射效率，易实现波束赋形；缺点是体积偏大，带宽窄，成本高。近年来基片集成波导作为一种新的传输线，在毫米波频段上具有较小的馈线损耗，同时易与平面电路集成，是一种优良的毫米波馈线结构。利用缝隙槽或印刷天线作为辐射单元，再利用基片集成波导作为馈电网络成为了毫米波天线组阵的一种较好选择。

例如，有人提出了一种毫米波阵列天线，其包含一层介质层和两层金属覆铜层。上层金属覆铜层上开辐射槽，下层金属覆铜层作为地平面，中间介质层中利用金属化过孔构成功率分配网络。该结构形式结构紧凑，辐射效率高，天线最大增益33.1dBi，缺点是带宽窄，1dB增益带宽只有2%。

也有人提出了一种可适用于毫米波频段的基片集成阵列天线。该结构包含三层金属覆铜层和两层介质层，下层金属覆铜层、中层金属覆铜层和下层介质层构成基片集成波导馈电网络，上层金属覆铜层为圆形贴片辐射单元，上层介质层为上层金属覆铜层中贴片辐射单元提供支撑。天线采用了1×4串联缝隙馈电，再用一分四功分器构成4×4阵列。该阵列1dB增益带宽可达6%，但考虑到其馈电采用了串馈结构，随阵列天线口径加大，其增益带宽会逐渐下降；此外，其馈电结构面积较大，不利于小型化，很难进行大阵列组阵，以实现高增益。

从现有报道可以发现，虽然基片集成波导在毫米波天线及阵列设计中具有优势，但并没有很好的解决高增益和宽频带之间的矛盾，要同时实现阵列天线平面化、高增益、宽频带特性，困难较大。此外还有进一步增大增益的实际需求，考虑到长的基片集成波导在毫米波频率的介质损耗也相当可观，天线阵元增多带来的增益提升会被馈线长度增加带来的损耗所抵消，甚至出现负增长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种既能够实现宽频带且又可以提高阵列天线增益的宽带平板阵列天线。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该宽带平板阵列天线，包括从上往下依次层叠设置的第一金属覆铜层、第一介质层、第二金属覆铜层、第二介质层、第三金属覆铜层，所述第一金属覆铜层上刻蚀有多组微带子阵，所述每组微带子阵由两个微带贴片单元和连接两个微带贴片单元的微带馈线组成；第二介质层上设置有“工”字形的基片集成波导馈电网络，所述基片集成波导馈电网络包括多个基片集成波导单元以及功分调谐孔，所述基片集成波导单元由两排边壁孔以及位于两排边壁孔一端的短路孔构成，所述边壁孔、短路孔、功分调谐孔均贯穿第二金属覆铜层、第二介质层、第三金属覆铜层，在第二金属覆铜层上开有多个耦合槽，所述多个耦合槽分别与多个基片集成波导单元一一对应，每个耦合槽的中心线与对应的基片集成波导单元的中心线之间存在间隙，所述每个耦合槽同时对两组微带子阵馈电，每组微带子阵中的两个微带贴片单元以及微带馈线对称的分布在耦合槽的两侧。

进一步的是，还包括波导馈电网络，所述波导馈电网络通过设置在第三金属覆铜层上的第一馈电槽、第二馈电槽以及耦合调谐孔与基片集成波导馈电网络相互连接，耦合调谐孔设置在第一馈电槽与第二馈电槽之间。

进一步的是，所述波导馈电网络由多个H面T型结组成，所述每个H面T型结包括波导管以及连接在波导管两端的法兰盘，所述法兰盘上设置有连接孔。

进一步的是，所述第一馈电槽与第二馈电槽平行排列，其开槽方向垂直于基片集成波导单元的轴线。

进一步的是，所述微带贴片单元的形状为矩形或圆形。

进一步的是，所述微带馈线为阶梯弯折状。

进一步的是，所述耦合槽为矩形或椭圆形。

进一步的是，所述第一介质层与第二金属覆铜层之间设置有粘接层。

本发明的有益效果：本发明所述的宽带平板阵列天线采用一个耦合槽来激励两个微带子阵，此时单根微带线的阻抗较高，易于辐射贴片进行高阻抗匹配，从而展宽微带子阵的带宽，实现宽频带，而且这种馈电方式的相对带宽（S11<–10dB）可以达到16%，1dB增益带宽可达14.6%，而普通结构的带宽只有6%左右；此外，采用“工”字形的基片集成波导馈电网络，所有微带子阵全部并联馈电，随着阵列单元的增加，带宽几乎不变，宽带特性能够在大阵中得以保持，而阵列天线的增益会逐渐提高；另外，馈电网络和微带子阵分层设计，馈电网络位于微带子阵的下方，不会增加额外电路面积，有利于阵列天线小型化。

附图说明

图1是本发明宽带平板阵列天线的三维结构示意图；

图2是本发明宽带平板阵列天线的基片集成波导对微带子阵的馈电结构图；

图3是本发明宽带平板阵列天线的基片集成波导馈电网络结构图；

图4是本发明宽带平板阵列天线的波导馈电网络与基片集成波导馈电网络连接处的结构图；

图5是本发明宽带平板阵列天线的波导馈电网络与基片集成波导馈电网络装配示意图；

图中标记说明：第一金属覆铜层1、微带子阵11、微带贴片单元111、微带馈线112、第二金属覆铜层2、耦合槽21、第三金属覆铜层3、第一馈电槽31、第二馈电槽32、第一介质层4、粘接层5、第二介质层6、边壁孔711、短路孔712、功分调谐孔713、耦合调谐孔714、波导管81、法兰盘82、连接孔83。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

如图1至5所示，该宽带平板阵列天线，包括从上往下依次层叠设置的第一金属覆铜层1、第一介质层4、第二金属覆铜层2、第二介质层6、第三金属覆铜层3，所述第一金属覆铜层1上刻蚀有多组微带子阵11，所述每组微带子阵11由两个微带贴片单元111和连接两个微带贴片单元111的微带馈线112组成；第二介质层6上设置有“工”字形的基片集成波导馈电网络，所述基片集成波导馈电网络包括多个基片集成波导单元以及功分调谐孔713，所述基片集成波导单元由两排边壁孔711以及位于两排边壁孔711一端的短路孔712构成，所述边壁孔711、短路孔712、功分调谐孔713均贯穿第二金属覆铜层2、第二介质层6、第三金属覆铜层3，在第二金属覆铜层2上开有多个耦合槽21，所述多个耦合槽21分别与多个基片集成波导单元一一对应，每个耦合槽21的中心线与对应的基片集成波导单元的中心线之间存在间隙，所述每个耦合槽21同时对两组微带子阵11馈电，每组微带子阵11中的两个微带贴片单元111以及微带馈线112对称的分布在耦合槽21的两侧。本发明所述的宽带平板阵列天线采用一个耦合槽21来激励两个微带子阵11，此时单根微带线的阻抗较高，易于辐射贴片进行高阻抗匹配，从而展宽微带子阵11的带宽，实现宽频带，而且这种馈电方式的相对带宽S11<–10dB可以达到16%，1dB增益带宽可达14.6%，而普通结构的带宽只有6%左右；此外，采用“工”字形的基片集成波导馈电网络，所有微带子阵11全部并联馈电，随着阵列单元的增加，带宽几乎不变，宽带特性能够在大阵中得以保持，而阵列天线的增益会逐渐提高；另外，馈电网络和微带子阵11分层设计，馈电网络位于微带子阵11的下方，不会增加额外电路面积，有利于阵列天线小型化。

为了进一步减小馈线损耗，扩大阵列的有效面积，提高阵列天线的增益上限值，增加了波导馈电网络，所述波导馈电网络通过设置在第三金属覆铜层3上的第一馈电槽31、第二馈电槽32以及耦合调谐孔714与基片集成波导馈电网络相互连接。

所述波导馈电网络由多个H面T型结组成，所述每个H面T型结包括波导管81以及连接在波导管81两端的法兰盘82，所述法兰盘82上设置有连接孔83。为了连接方便，法兰盘82可以按照布阵需要作成非标准形式，波导管81也可以使用减高波导替代，只要保证主模传输条件即可。利用多个H面T型结可以实现32×32阵列、32×64阵列、64×64阵列等，为了减小装配的影响，需要采用介质螺栓和介质螺母，连接孔83的位置应该开在基片集成波导单元结构外，如子阵与子阵的间隙之处。

为了保证波导馈电网络与基片集成波导馈电网络之间具有较好的连接特性，所述第一馈电槽31与第二馈电槽32平行排列，其开槽方向垂直于基片集成波导单元的轴线。

为了保证微带子阵11的辐射效果，所述微带贴片单元111的形状为矩形或圆形或类似形状，所述微带馈线112为阶梯弯折状或类似形状。

进一步的是，所述耦合槽21为矩形或椭圆形。

所述第一介质层4与第二金属覆铜层2之间设置有粘接层5，用于层间粘接。

实施例1

本实施例中宽带平板阵列天线的阵列为4×4阵列，其中心频率为61.5GHz，对其在HFSS中进行电磁全波仿真。该宽带平板阵列天线，包括从上往下依次层叠设置的第一金属覆铜层1、第一介质层4、第二金属覆铜层2、第二介质层6、粘接层5、第三金属覆铜层3，所述第一金属覆铜层1上刻蚀有多组微带子阵11，所述每组微带子阵11由两个微带贴片单元111和连接两个微带贴片单元111的微带馈线112组成；第二介质层6上设置有“工”字形的基片集成波导馈电网络，所述基片集成波导馈电网络包括多个基片集成波导单元以及功分调谐孔713，所述基片集成波导单元由两排边壁孔711以及位于两排边壁孔711一端的短路孔712构成，所述边壁孔711、短路孔712、功分调谐孔713均贯穿第二金属覆铜层2、第二介质层6、第三金属覆铜层3，在第二金属覆铜层2上开有多个耦合槽21，所述多个耦合槽21分别与多个基片集成波导单元一一对应，每个耦合槽21的中心线与对应的基片集成波导单元的中心线之间存在间隙，所述每个耦合槽21同时对两组微带子阵11馈电，每组微带子阵11中的两个微带贴片单元111以及微带馈线112对称的分布在耦合槽21的两侧。选用的第一介质层4为TLY-5，介电常数为2.2，厚度0.254mm，损耗角正切为0.0009；选用的粘接层5为FR-28-0040-50，介电常数为2.81，厚度0.1mm，损耗角正切为0.0017；选用的第二层介质层为TLY-5，厚度0.508mm；第一金属覆铜层1、第二金属覆铜层2、第三金属覆铜层3的厚度均为0.035mm；选定微带贴片单元111为矩形微带贴片，尺寸为1.4mm×1.4mm，微带贴片单元111间距3.2mm；微带馈线112宽度为0.2mm和0.325mm，由同一耦合槽21馈电的两条馈微带线间距为0.6mm；基片集成波导单元的边壁孔711和短路孔712的直径为0.4mm，孔中心距为0.8mm，功分调谐孔713的直径为0.3mm；基片集成波导单元的宽度为2.4mm，耦合槽21的长度为1.9mm，宽度为0.3mm，耦合槽21偏离基片集成波导波导轴线0.48mm，耦合槽21的槽中心距离短路面1.4mm。仿真结果表明，从端口a馈电，4×4阵列在57GHz～66GHz的范围内，天线电压驻波比小于1.6，天线最大增益18.35dB，1dB带宽增益带宽可达14.6%。

实施例2

本实施例中宽带平板阵列天线的阵列为32×32阵列，其中心频率为61.5GHz，对其在HFSS中进行电磁全波仿真。该宽带平板阵列天线，包括从上往下依次层叠设置的第一金属覆铜层1、第一介质层4、第二金属覆铜层2、第二介质层6、粘接层5、第三金属覆铜层3，所述第一金属覆铜层1上刻蚀有多组微带子阵11，所述每组微带子阵11由两个微带贴片单元111和连接两个微带贴片单元111的微带馈线112组成；第二介质层6上设置有“工”字形的基片集成波导馈电网络，所述基片集成波导馈电网络包括多个基片集成波导单元以及功分调谐孔713，所述基片集成波导单元由两排边壁孔711以及位于两排边壁孔711一端的短路孔712构成，所述边壁孔711、短路孔712、功分调谐孔713均贯穿第二金属覆铜层2、第二介质层6、第三金属覆铜层3，在第二金属覆铜层2上开有多个耦合槽21，所述多个耦合槽21分别与多个基片集成波导单元一一对应，每个耦合槽21的中心线与对应的基片集成波导单元的中心线之间存在间隙，所述每个耦合槽21同时对两组微带子阵11馈电，每组微带子阵11中的两个微带贴片单元111以及微带馈线112对称的分布在耦合槽21的两侧，还包括波导馈电网络，所述波导馈电网络通过设置在第三金属覆铜层3上的第一馈电槽31、第二馈电槽32以及耦合调谐孔714与基片集成波导馈电网络相互连接，所述第一馈电槽31与第二馈电槽32平行排列，其开槽方向垂直于基片集成波导单元的轴线，所述波导馈电网络由多个H面T型结组成，所述每个H面T型结包括波导管81以及连接在波导管81两端的法兰盘82，所述法兰盘82上设置有连接孔83。选用的第一介质层4为TLY-5，介电常数为2.2，厚度0.254mm，损耗角正切为0.0009；选用的粘接层5为FR-28-0040-50，介电常数为2.81，厚度0.1mm，损耗角正切为0.0017；选用的第二层介质层为TLY-5，厚度0.508mm；第一金属覆铜层1、第二金属覆铜层2、第三金属覆铜层3的厚度均为0.035mm；选定辐射贴片为矩形微带贴片，尺寸为1.4mm×1.4mm，贴片单元间距3.2mm；微带馈线112宽度为0.2mm和0.325mm，由同一耦合槽21馈电的两条馈微带线间距为0.6mm；基片集成波导单元的边壁孔711和短路孔712的直径为0.4mm，孔中心距为0.8mm，功分调谐孔713和耦合调谐孔714直径为0.3mm；基片集成波导单元的宽度为2.4mm，耦合槽21的长度为1.9mm，宽度为0.3mm，耦合槽21偏离基片集成波导波导轴线0.48mm，耦合槽21的槽中心距离短路面1.4mm。第一馈电槽31和第二馈电槽32的长度均为2.8mm，宽度为0.2mm，第一馈电槽31和第二馈电槽32相距0.9mm，第一馈电槽31和第二馈电槽32之间加载两个耦合调谐孔714，两孔间距1.4mm，孔中心到短路孔712的距离为1.3mm。利用H面波导T型结将阵列扩充到32×32阵列，利用软件CST全波仿真，结果表明天线在57GHz～66GHz的范围内，天线电压驻波比小于2.5，天线增益大于33dBi，1dB增益带宽为11%。

Claims

1.宽带平板阵列天线，其特征在于：包括从上往下依次层叠设置的第一金属覆铜层（1）、第一介质层（4）、第二金属覆铜层（2）、第二介质层（6）、第三金属覆铜层（3），所述第一金属覆铜层（1）上刻蚀有多组微带子阵（11），所述每组微带子阵（11）由两个微带贴片单元（111）和连接两个微带贴片单元（111）的微带馈线（112）组成；第二介质层（6）上设置有“工”字形的基片集成波导馈电网络，所述基片集成波导馈电网络包括多个基片集成波导单元以及功分调谐孔（713），所述基片集成波导单元由两排边壁孔（711）以及位于两排边壁孔（711）一端的短路孔（712）构成，所述边壁孔（711）、短路孔（712）、功分调谐孔（713）均贯穿第二金属覆铜层（2）、第二介质层（6）、第三金属覆铜层（3），在第二金属覆铜层（2）上开有多个耦合槽（21），所述多个耦合槽（21）分别与多个基片集成波导单元一一对应，每个耦合槽（21）的中心线与对应的基片集成波导单元的中心线之间存在间隙，所述每个耦合槽（21）同时对两组微带子阵（11）馈电，每组微带子阵（11）中的两个微带贴片单元（111）以及微带馈线（112）对称的分布在耦合槽（21）的两侧。

2.如权利要求1所述的宽带平板阵列天线，其特征在于：还包括波导馈电网络，所述波导馈电网络通过设置在第三金属覆铜层（3）上的第一馈电槽（31）、第二馈电槽（32）以及耦合调谐孔（714）与基片集成波导馈电网络相互连接，耦合调谐孔（714）设置在第一馈电槽（31）与第二馈电槽（32）之间。

3.如权利要求2所述的宽带平板阵列天线，其特征在于：所述波导馈电网络由多个H面T型结组成，所述每个H面T型结包括波导管（81）以及连接在波导管（81）两端的法兰盘（82），所述法兰盘（82）上设置有连接孔（83）。

4.如权利要求3所述的宽带平板阵列天线，其特征在于：所述第一馈电槽（31）与第二馈电槽（32）平行排列，其开槽方向垂直于基片集成波导单元的轴线。

5.如权利要求1所述的宽带平板阵列天线，其特征在于：所述微带贴片单元（111）的形状为矩形或圆形。

6.如权利要求1所述的宽带平板阵列天线，其特征在于：所述微带馈线（112）为阶梯弯折状。

7.如权利要求1所述的宽带平板阵列天线，其特征在于：所述耦合槽（21）为矩形或椭圆形。

8.如权利要求1所述的宽带平板阵列天线，其特征在于：所述第一介质层（4）与第二金属覆铜层（2）之间设置有粘接层（5）。