CN111525250B - 毫米波天线级封装中宽带半椭圆缝隙天线阵列及设计方法 - Google Patents

Abstract

毫米波天线级封装中宽带共面波导半椭圆形缝隙天线阵列结构，涉及天线阵列技术领域，解决如何设计阵列带宽大、增益高、易于集成的适用于窄长直场景中的天线阵列；包括天线阵列辐射组件、天线阵馈电组件、GCPW到CPW过渡结构；天线阵馈电组件通过GCPW到CPW过渡结构、矩形CPW馈线激励对应的天线单元；天线单元包括在微波介质基板上表面第一金属接地板的刻蚀半椭圆形缝隙和开路扇形枝节，半椭圆形缝隙为扇形枝节的扇形外边缘与第一金属接地板刻蚀的缝隙，开路扇形枝节的扇形弧对应的弦的中点到周围第一金属接地板的距离按照半椭圆形逐渐变化，与传统圆形和椭圆缝隙结构相比，缩短了缝隙宽度，提高了阵列辐射效果，具有更大的阵列带宽和增益。

Description

毫米波天线级封装中宽带半椭圆缝隙天线阵列及设计方法

技术领域

本发明属于毫米波通信和探测天线级封装系统中天线阵列技术领域，具体涉及毫米波天线级封装中宽带半椭圆缝隙天线阵列及设计方法。

背景技术

当前随着全球通信业务的迅速发展，作为未来个人通信主要手段的无线移动通信技术己引起了人们的极大关注，在整个无线通讯系统中，天线是将射频信号转化为无线信号的关键器件，其性能的优良对无线通信工程的成败起到重要作用。目前在天线领域中，毫米波宽带天线这类新型天线因传输速率高、系统容量大、空间分辨和目标识别能力强，尺寸小以集成等优点而备受关注。

随各种场景下的高速通信和高分辨率探测需求不断升高，针对超长街道、长桥、隧道、高速公路、铁路、地铁和走廊等窄长直场景中的通信与探测系统的需求，天线阵列需要具有双向辐射效果，且为满足通信和探测设备的高速率，高分辨率需求，天线需具有宽带工作性能。

采用共面波导(CPW)结构的缝隙天线可以实现双向辐射效果，且共面波导结构以其低剖面，易集成，与微带结构相比更低的损耗和更大的阻抗带宽的优点，是针对超长街道、长桥、隧道、高速公路、铁路、地铁和走廊等窄长直场景中的通信与探测天线级系统中天线阵列结构的优秀选择。多种类型的共面波导缝隙天线相继被提出。

现有技术中，Horng-Dean Chen提出了具有宽阻抗枝节的方形缝隙天线结构，将天线的工作相对带宽提升到超过60％，F.Muge在其研究基础上设计了1×4的天线阵列，但单元缝隙间耦合降低了阵列带宽和增益；Evangelos S.等学者提出了圆形和椭圆形缝隙结构的宽阻抗枝节的宽带缝隙天线，但其较大尺寸阻碍了高性能小型化的阵列设计；传统结构缝隙天线单无法实现良好的阵列效果，有些小型化的缝隙天线阵列则因过近的阵元相互耦合造成增益较低，有些具有较好增益的缝隙天线阵列则工作带宽较窄，无法适应宽带要求，无法满足面向窄长直场景宽带高增益的天线级封装系统中双向缝隙天线阵列需求。

那么，如何在天线阵列具有双向辐射特性的前提下，提高天线的阻抗带宽，同时具有良好的阵列增益和稳定的方向图效果，且易于集成化为面向窄长直场景中的高速率和高分辨率通信与探测系统中天线阵列急需解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何设计一种阵列带宽大、增益高、易于集成的适用于窄长直场景中的天线阵列。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的。

毫米波天线级封装中宽带半椭圆缝隙天线阵列，包括天线阵列辐射组件、天线阵馈电组件、多个GCPW到CPW过渡结构；所述的天线阵馈电组件位于微波介质基板(171)的下表面；所述的天线阵列辐射组件位于微波介质基板(171)的上表面，包括多个天线单元、多个矩形CPW馈线(31)和第一金属接地板(161)，所述的多个天线单元与多个矩形CPW馈线(31)对应连接，所述的多个矩形CPW馈线(31)与多个GCPW到CPW过渡结构对应连接，所述的多个GCPW到CPW过渡结构与分别与天线阵馈电组件的输出端对应连接；天线阵馈电组件通过多个GCPW到CPW过渡结构、多个矩形CPW馈线(31)激励对应的天线单元；所述的天线单元包括在微波介质基板(171)上表面第一金属接地板(161)的刻蚀半椭圆形缝隙(11)和开路扇形枝节(21)，所述的半椭圆形缝隙(11)为扇形枝节的扇形外边缘与第一金属接地板(161)刻蚀的缝隙，开路扇形枝节(21)的扇形弧对应的弦的中点到周围第一金属接地板(161)的距离按照半椭圆形逐渐变化。

通过半椭圆缝隙与开路扇形枝节的组合，枝节到周围第一金属接地板的距离逐渐变化，不同谐振模式之间阻抗变化很小，实现宽带范围的天线谐振效果；与传统圆形和椭圆缝隙结构相比缩短了缝隙宽度，提高了阵列辐射效果，与传统矩形缝隙结构相比，具有更大的阵列带宽和增益。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的半椭圆形的短半轴与等腰梯形的上底重合、其长度大于等腰梯形的上底的长度，半椭圆形的长半轴与矩形CPW馈线(31)的纵中心线重合、其长度大于开路扇形枝节(21)的扇形弧的顶点到弧对应的弦的距离。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的开路扇形枝节(21)包括渐变梯形CPW传输带和扇形传输带，所述的渐变梯形CPW传输带的形状是等腰梯形，扇形传输带的扇形的弧对应的弦的长度与等腰梯形的上底相等，矩形CPW馈线(31)的宽度与等腰梯形的下底相等，所述的矩形CPW馈线(31)、渐变梯形CPW传输带、扇形传输带依次连接，用于传输激励信号。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的GCPW到CPW过渡结构包括多个过渡枝节，多个多级斜角开槽(51)、多个第一金属过孔(41)；所述的第一金属过孔(41)是在每个矩形CPW馈线(31)上远离开路扇形枝节(21)的一端钻的通孔，用于连接矩形CPW馈线(31)和过渡枝节；所述的过渡枝节是在微波介质基板(171)的下表面覆铜层上一体刻蚀的带状微带线，带状微带线两侧均预留一定宽度的与带状微带线边缘相匹配的缝隙；所述的多级斜角开槽(51)是在矩形CPW馈线(31)的远离开路扇形枝节(21)的一端的下方一定距离刻蚀形成的“V”字槽，包括对称两个第一级斜角开槽(511)、两个第二级斜角开槽(512)、两个第三级斜角开槽(513)；所述的第一级斜角开槽(511)、第二级斜角开槽(512)、第三级斜角开槽(513)的外边缘为均直线段，相互首尾连接。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的天线阵馈电组件包括多路输出的多阶GCPW功分馈电网络；所述的多路输出的多阶GCPW功分馈电网络包括多个输出枝节与多个阻抗变换枝节，所述的多个输出枝节与多个阻抗变换枝节均是在微波介质基板(171)的下表面覆铜层上一体刻蚀的带状微带线，带状微带线两侧均预留一定宽度的与带状微带线边缘相匹配的缝隙。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的微波介质基板(171)的下表面覆铜层被多路输出的多阶GCPW功分馈电网络的的带状微带线划分多个下层金属接地板，所述的带状微带线两侧的多个下层金属接地板的外边缘钻有多个均匀连续分布的第二金属过孔(151)，所述的带状微带线和多个下层金属接地板的拐角处均进行削角处理。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的矩形CPW馈线(31)远离开路扇形枝节(21)的一端的两侧均匀对称的钻有多个第三金属过孔(152)，第一金属接地板(161)通过多个第三金属过孔(152)与下层金属接地板连接。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的半椭圆形缝隙(11)对应的微波介质基板(171)的下表面的区域为裸露的微波介质基板。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的天线单元与功分馈电网络均具有宽带阻抗带宽。

毫米波天线级封装中宽带半椭圆缝隙天线阵列的设计方法，包括以下步骤：

1)根据中心频率计算出开路扇形枝节(21)的扇形弧对应的弦的长度计算公式如下：

4l₁≈λ_g (1)

其中，l₁为开路扇形枝节(21)的扇形的弧对应的弦的长度，λg为介质中导波波长；

2)根据中心频率计算半椭圆形的短半轴长度、半椭圆形的长半轴长度的公式如下：

0.75*(l₂+l₃)≈λ_g (2)

l₃≈2*l₂ (3)

其中，l₂为半椭圆形的短半轴长度、l₃为半椭圆形的长半轴长度、λg为介质中导波波长；

3)所述的多级斜角开槽(51)的尺寸计算公式如下：

其中，λg为介质中导波波长；L₁和W₁为第一级斜角开槽的长度和底边宽度，L₂和W₂为第二级斜角开槽的长度和底边宽度，L₃和W₃为第三级斜角开槽的长度和底边宽度。

本发明的优点在于：

(1)通过半椭圆缝隙与扇形枝节的组合，枝节到周围接地板的距离逐渐变化，不同谐振模式之间阻抗变化很小，实现宽带范围的天线谐振效果。与传统圆形和椭圆缝隙结构相比，缩短了缝隙宽度，提高了阵列辐射效果；与传统矩形缝隙结构相比，具有更大的阵列带宽和增益。

(2)多级斜角开槽和金属过孔A用于GCPW到CPW信号线间的阻抗匹配，多级斜角开槽的渐变结构可以补偿传输转换过程中的信号不连续性，使信号逐步从GCPW模式转换到CPW模式，降低了转换中信号的不连续性，提高馈电网络传输效果。

(3)GCPW增加了结构的机械硬度，易于散热，也隔绝了多层结构系统中信号对金属地板下方前端电路影响，更有利于集成，多级阻抗枝节实现宽带传输效果。

(4)多个均匀连续分布的第二金属过孔将需要传递的信号束缚在带状微带线周围，从而减小传输过程中的损耗。削角处理，减小信号传输不连续性，提高传输效果。

(5)第三金属过孔将需要传递的信号束缚在信号线周围的作用，使信号逐步从GCPW模式转换到CPW模式，降低了转换中信号的不连续性，提高馈电网络传输效果。

(6)所述的缝隙天线阵列辐射单元所在微波介质基板的底部无金属接地板，实现双向辐射效果。

(7)所天线单元与功分馈电网络均具有宽带阻抗带宽，实现了天线阵与馈电网络一体化集成设计，符合当前系统的小型化，高集成度要求。

附图说明

图1为本发明实施例的毫米波天线级封装中宽带半椭圆缝隙天线阵列的立体透视图；

图2为本发明实施例的毫米波天线级封装中宽带半椭圆缝隙天线阵列的z轴负方向俯视图；

图3为本发明实施例的毫米波天线级封装中宽带半椭圆缝隙天线阵列的z轴正方向仰视图；

图4为本发明实施例的毫米波天线级封装中宽带半椭圆缝隙天线阵列的x轴正方向侧视图；

图5为本发明实施例的毫米波天线级封装中宽带半椭圆缝隙天线阵列的GCPW功分馈电网络到CPW馈线的转换结构立体示意图；

图6为本发明实施例的毫米波天线级封装中宽带半椭圆缝隙天线阵列的多级斜角开槽的尺寸计算示意图；

图7为本发明实施例的毫米波天线级封装中宽带半椭圆缝隙天线阵列的半椭圆形缝隙天线单元与传统矩形和圆形缝隙天线单元S参数和增益结果比较图；

图8为本发明实施例的毫米波天线级封装中宽带半椭圆缝隙天线阵列的S参数仿真结果展示图；

图9为本发明实施例的毫米波天线级封装中宽带半椭圆缝隙天线阵列的增益仿真结果展示图；

图10为本发明实施例的毫米波天线级封装中宽带半椭圆缝隙天线阵列的天线E面辐射方向图；

图11为本发明实施例的毫米波天线级封装中宽带半椭圆缝隙天线阵列的天线H面辐射方向图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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。

下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：

实施例一

如图1至图5所示，毫米波天线级封装中宽带半椭圆缝隙天线阵列，包括微波介质基板171，微波介质基板171是绝缘的，微波介质基板171上表面全部覆铜层，微波介质基板171下表面一部分覆铜层、另一部分为裸露的绝缘的微波介质基板171。

在微波介质基板171的上表面覆铜层沿着x轴方向从下到上一体刻蚀四条均匀对称排布的矩形CPW馈线31、四个开路扇形枝节21；所述的开路扇形枝节21包括渐变梯形CPW传输带和扇形传输带，所述的渐变梯形CPW传输带的形状是等腰梯形，扇形传输带的扇形的弧对应的弦的长度为l₁，l₁与等腰梯形的上底相等，矩形CPW馈线31的宽度与等腰梯形的下底相等，所述的矩形CPW馈线31、渐变梯形CPW传输带、扇形传输带依次连接，用于传输激励信号。

根据中心频率计算开路扇形枝节21的扇形弧对应的弦的长度的公式如下：

4l₁≈λ_g (1)

其中，l₁为开路扇形枝节21的扇形的弧对应的弦的长度，λg为介质中导波波长。

在每个矩形CPW馈线31的两侧一定距离、沿着x轴方向均分别对称的刻蚀两条长缝隙边，两条长缝隙边的长度与矩形CPW馈线31的长度相等。

在每个矩形CPW馈线31的远离扇形枝节的一端的下方(x轴负方向)一定距离刻蚀多级斜角开槽51；所述的多级斜角开槽51包括对称两个第一级斜角开槽511、两个第二级斜角开槽512、两个第三级斜角开槽513；所述的第一级斜角开槽511、第二级斜角开槽512、第三级斜角开槽513的外边缘为均直线段，相互首尾连接，形成一个阶梯的“V”字形结构。

在开路扇形枝节21的x轴正方向上刻蚀半椭圆形缝隙边，半椭圆形的短半轴与等腰梯形的上底重合、其长度l₂大于等腰梯形的上底的长度，半椭圆形的长半轴与矩形CPW馈线31的纵中心线重合、其长度l₃大于扇形枝节的扇形的弧的顶点到弧对应的弦的距离。

根据中心频率计算半椭圆形的短半轴长度l₂、半椭圆形的长半轴长度l₃的公式如下：

0.75*(l₂+l₃)≈λ_g (2)

l₃≈2*l₂ (3)

其中，l₂为半椭圆形的短半轴长度、l₃为半椭圆形的长半轴长度、λg为介质中导波波长。

在每个渐变梯形CPW传输带的两侧一定距离均刻蚀两条对称的过渡连接边；两条过渡连接边用于连接半椭圆形缝隙边和长缝隙边；过渡连接边与半椭圆形的短半轴的夹角小于等腰梯形腰与半椭圆形的短半轴的夹角。

半椭圆形缝隙边、两条过渡连接边、两条长缝隙边、多级斜角开槽51依次连接、一体刻蚀成型的，并与矩形CPW馈线31的外边界形成一个封闭的缝隙；所述的缝隙的区域内的覆铜层全部被腐蚀掉，为裸露的绝缘的微波介质基板171；封闭的缝隙边缘外部的微波介质基板171上表面覆铜层为第一金属接地板161；在封闭的缝隙中，半椭圆形缝隙边与开路扇形枝节21的扇形外边缘形成的缝隙为半椭圆形缝隙11，开路扇形枝节21到第一金属接地板161的距离逐渐变化，不同谐振模式之间阻抗变化很小，实现宽带范围的天线谐振效果。

所述的半椭圆形缝隙11对应的微波介质基板171的下表面的区域为裸露的微波介质基板，此区域的微波介质基板表面不存在覆铜层，天线发射的信号，不会被覆铜层屏蔽，因此实现了天线的双向辐射的效果。

每个矩形CPW馈线31远离开路扇形枝节21的一端的传输带上均钻有一个第一金属通孔41。

在微波介质基板171的下表面覆铜层刻蚀四路输出的两阶功分馈电网络，所述的四路输出的两阶功分馈电网络包括：功分馈电网络输入枝节61、一级功分网络阻抗变换枝节71、第一一级功分网络输出枝节81、第二一级功分网络输出枝节82、第一二级功分网络第一级阻抗变换枝节91、第二二级功分网络第一级阻抗变换枝节92、第一二级功分网络第二级阻抗变换枝节101、第二二级功分网络第二级阻抗变换枝节102、第一二级功分网络第三级阻抗变换枝节111、第二二级功分网络第三级阻抗变换枝节112、第一二级功分网络输出枝节121、第二二级功分网络输出枝节122、第三二级功分网络输出枝节123、第四二级功分网络输出枝节124、第一二级功分网络到过渡结构阻抗变换枝节131、第二二级功分网络到过渡结构阻抗变换枝节132、第三二级功分网络到过渡结构阻抗变换枝节133、第四二级功分网络到过渡结构阻抗变换枝节134、第一过渡枝节141、第二过渡枝节142、第三过渡枝节143、第四过渡枝节144均是在微波介质基板171的下表面覆铜层上一体刻蚀的带状微带线，带状微带线两侧均预留一定宽度的与带状微带线边缘相匹配的缝隙。

所述的功分馈电网络输入枝节61的矩形微带线的宽度大于一级功分网络阻抗变换枝节71的带状微带线的宽度，形成二级阶梯状的结构。

所述的第一一级功分网络输出枝节81、第一二级功分网络第一级阻抗变换枝节91、第一二级功分网络第二级阻抗变换枝节101、第一二级功分网络第三级阻抗变换枝节111的带状微带线的宽度依次增加，形成四级阶梯状的结构。

所述的第二一级功分网络输出枝节82、第二二级功分网络第一级阻抗变换枝节92、第二二级功分网络第二级阻抗变换枝节102、第二二级功分网络第三级阻抗变换枝节112的带状微带线的宽度依次增加，形成四级阶梯状的结构；

所述的第一二级功分网络输出枝节121、第一二级功分网络到过渡结构阻抗变换枝节131、第一过渡枝节141的带状微带线的宽度依次增加，形成三级阶梯状的结构。

所述的第二二级功分网络输出枝节122、第二二级功分网络到过渡结构阻抗变换枝节132、第二过渡枝节142的带状微带线的宽度依次增加，形成三级阶梯状的结构。

所述的第三二级功分网络输出枝节123、第三二级功分网络到过渡结构阻抗变换枝节133、第三过渡枝节143的带状微带线的宽度依次增加，形成三级阶梯状的结构。

所述的第四二级功分网络输出枝节124、第四二级功分网络到过渡结构阻抗变换枝节134、第四过渡枝节144的带状微带线的宽度依次增加，形成三级阶梯状的结构。

根据功分馈电网络的工作中心频率确定工作波长；设定功分馈电网络中一级功分网络阻抗变换枝节长度为四分之一波长，功分馈电网络输入枝节61和一级功分网络输出枝节的长度根据天线阵元之间的距离选择合适的长度；四路输出的功分馈电网络采用SMA同轴接头匹配，用于激励天线，一级功分网络输出枝节与二级功分网络输出枝节加载了三级阻抗匹配枝节，第二级枝节与第三级枝节保持两侧金属接地板缝隙宽度相同，只改变信号线宽度实现阻抗变换，功分器输出枝节与GCPW到CPW过渡结构枝节间加载了阻抗变换枝节，两段枝节保持两侧金属接地板缝隙宽度相同。

第一路输出功分馈电网络结构包括依次连接的功分馈电网络输入枝节61、一级功分网络阻抗变换枝节71、第一一级功分网络输出枝节81、第一二级功分网络第一级阻抗变换枝节91、第一二级功分网络第二级阻抗变换枝节101、第一二级功分网络第三级阻抗变换枝节111、第一二级功分网络输出枝节121、第一二级功分网络到过渡结构阻抗变换枝节131、第一过渡枝节141。

第二路功分馈电网络结构包括依次连接的功分馈电网络输入枝节61、一级功分网络阻抗变换枝节71、第一一级功分网络输出枝节81、第一二级功分网络第一级阻抗变换枝节91、第一二级功分网络第二级阻抗变换枝节101、第一二级功分网络第三级阻抗变换枝节111、第二二级功分网络输出枝节122、第二二级功分网络到过渡结构阻抗变换枝节132、第二过渡枝节142。

第三路功分馈电网络结构包括依次连接的功分馈电网络输入枝节61、一级功分网络阻抗变换枝节71、第二一级功分网络输出枝节82、第二二级功分网络第一级阻抗变换枝节92、第二二级功分网络第二级阻抗变换枝节102、第二二级功分网络第三级阻抗变换枝节112、第三二级功分网络输出枝节123、第三二级功分网络到过渡结构阻抗变换枝节133、第三过渡枝节143。

第四路功分馈电网络结构包括依次连接的功分馈电网络输入枝节61、一级功分网络阻抗变换枝节71、第二一级功分网络输出枝节82、第二二级功分网络第一级阻抗变换枝节92、第二二级功分网络第二级阻抗变换枝节102、第二二级功分网络第三级阻抗变换枝节112、第四二级功分网络输出枝节124、第四二级功分网络到过渡结构阻抗变换枝节134、第四过渡枝节144。

所述的第一过渡枝节141、第二过渡枝节142、第三过渡枝节143、第四过渡枝节144上对应的分别钻有第一金属通孔41，第一金属通孔41用于微波介质基板171上表面的矩形CPW馈线31与微波介质基板171下表面的四路输出的两阶功分馈电网络之间的电信号的连接传输。

微波介质基板171的下表面覆铜层被四路输出的两阶功分馈电网络的带状微带线划分为第一下层金属接地板162、第二下层金属接地板163、第三下层金属接地板164、第四下层金属接地板165、第五下层金属接地板166；第一下层金属接地板162位于第一路功分网络结构的y轴负方向的外边缘，第二下层金属接地板163位于第四路功分网络结构的y轴正方向的外边缘，第三下层金属接地板164位于第二路功分网络结构的外边缘和第三路功分网络结构的外边缘之间，第四下层金属接地板165位于第一路功分网络结构的外边缘和第二路功分网络结构的外边缘之间，第五下层金属接地板166位于第三路功分网络结构的外边缘和第四路功分网络结构的外边缘之间。

带状微带线和两侧金属接地板在拐角处进行了切角处理，从而减小传输过程中的损耗。

在第一下层金属接地板162、第二下层金属接地板163、第三下层金属接地板164、第四下层金属接地板165、第五下层金属接地板166的外边缘钻有多个均匀连续分布的第二金属过孔151，第二金属过孔151用于第一下层金属接地板162、第二下层金属接地板163、第三下层金属接地板164、第四下层金属接地板165、第五下层金属接地板166与第一金属接地板161之间的连接，多个均匀连续分布的第二金属过孔151将需要传递的信号束缚在带状微带线周围，从而减小传输过程中的损耗。

矩形CPW馈线31远离开路扇形枝节21的一端的两侧均匀对称的钻有多个第三金属过孔152，第一金属接地板161通过多个第三金属过孔152与第一下层金属接地板162、第二下层金属接地板163、第三下层金属接地板164、第四下层金属接地板165、第五下层金属接地板166连接；第三金属过孔152将需要传递的信号束缚在信号线周围的作用，使信号逐步从GCPW模式转换到CPW模式，降低了转换中信号的不连续性，提高馈电网络传输效果。

如图5所示，所述的多级斜角开槽51的尺寸计算公式如下：

其中，λg为介质中导波波长；L₁和W₁为第一级斜角开槽的长度和底边宽度，L₂和W₂为第二级斜角开槽的长度和底边宽度，L₃和W₃为第三级斜角开槽的长度和底边宽度。

多级斜角开槽51和用于GCPW到CPW信号线间的阻抗匹配，多级斜角开槽的渐变结构可以补偿传输转换过程中的信号不连续性，使信号逐步从GCPW模式转换到CPW模式，降低了转换中信号的不连续性，提高馈电网络传输效果。

如图7所示，显示了根据本发明提供的半椭圆缝隙天线单元与传统矩形和圆形缝隙天线单元的S参数和增益比较图，在宽频带范围内，本发明的天线单元具有良好的增益和更小的增益变化范围。

如图8所示，提供了根据本发明设计的毫米波天线级封装中宽带CPW半椭圆形缝隙天线阵列S参数结果图，本天线阵列工作频带为26-40GHz,谐振带宽内回波损耗S11均小于-10dB，相对带宽为42％，阵列实现宽带特性。

如图9所示，其提供了根据本发明的天线增益结果图。由图可知，该双向天线阵工作带宽内的平均增益为11dBi，峰值增益为12dBi，实现了具有稳定增益的辐射效果。

如图10和图11所示，其提供了根据本发明的天线增益结果图。该双向天线阵工作带宽内的平均增益为11dBi，峰值增益为12dBi，实现了具有稳定增益的辐射效果。本发明天线阵的在30GHz、35GHz和40GHz辐射E面和H面方向图。天线副瓣与主板增益相差超过-15dB,在整个谐振带宽内天线阵辐射方向图双向对称，阵列H面方向性强，阵列E面具有宽角辐射效果，双向辐射效果良好。

基于本发明的毫米波天线级封装中宽带共面波导半椭圆形缝隙天线阵列，能够设计出用于超长街道、长桥、隧道、高速公路、铁路、地铁和走廊等窄长直场景的高速通信和高分辨率探测天线级封装系统中的天线阵列，本发明天线采用半椭圆缝隙和扇形枝节实现了天线谐振带宽达到了28-45GHz,在本发明天线谐振带宽内，均具有高增益、低剖面、高方向性、高性能、一体化的优点。天线的谐振带宽覆盖26-40GHz(相对带宽42％)。在整个谐振带宽内双向天线阵的峰值增益为12dBi。与传统共面波导缝隙天线阵列相比，具有相对带宽大、增益高，易于集成化的优点，适合于小型化、高性能毫米波天线级封装系统。

通过半椭圆缝隙与扇形枝节的组合，枝节到周围接地板的距离逐渐变化，不同谐振模式之间阻抗变化很小，实现宽带范围的天线谐振效果；与传统圆形和椭圆缝隙结构相比，本发明缩短了缝隙宽度，提高了阵列辐射效果；与传统矩形缝隙结构相比，减弱了单元耦合，具有更大的阵列带宽和增益；本发明的宽带共面波导缝隙天线阵列包括微波介质基板上层四缝隙天线单元、微波介质基板下层GCPW功分馈电网络、下层GCPW到上层CPW的过渡结构；缝隙单元内部加载有开路扇形枝节，馈电网络信号线两侧介质板上下层金属接地板间添加有金属过孔，信号线和金属接地板拐角处进行了削角处理，介质板下层GCPW过渡枝节通过金属过孔与介质板上层CPW馈线相连，介质板上层金属接地板上刻蚀的斜角开槽，CPW信号线两侧金属接地板在介质板下层覆盖有同样金属接地板，上下层接地板间加载有金属过孔。

毫米波天线级封装中宽带半椭圆缝隙天线阵列的设计方法，包括以下步骤：

1)根据中心频率计算出开路扇形枝节(21)的扇形弧对应的弦的长度计算公式如下：

4l₁≈λ_g (1)

其中，l₁为开路扇形枝节(21)的扇形的弧对应的弦的长度，λg为介质中导波波长。

2)根据中心频率计算半椭圆形的短半轴长度、半椭圆形的长半轴长度的公式如下：

0.75*(l₂+l₃)≈λ_g (2)

l₃≈2*l₂ (3)

其中，l₂为半椭圆形的短半轴长度、l₃为半椭圆形的长半轴长度、λg为介质中导波波长。

3)所述的多级斜角开槽(51)的尺寸计算公式如下：

其中，λg为介质中导波波长；L₁和W₁为第一级斜角开槽的长度和底边宽度，L₂和W₂为第二级斜角开槽的长度和底边宽度，L₃和W₃为第三级斜角开槽的长度和底边宽度。

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 (8)

1.毫米波天线级封装中宽带半椭圆缝隙天线阵列，其特征在于，包括天线阵列辐射组件、天线阵馈电组件、多个GCPW到CPW过渡结构；所述的天线阵馈电组件位于微波介质基板(171)的下表面；所述的天线阵列辐射组件位于微波介质基板(171)的上表面，包括多个天线单元、多个矩形CPW馈线(31)和第一金属接地板(161)，所述的多个天线单元与多个矩形CPW馈线(31)对应连接，所述的多个矩形CPW馈线(31)与多个GCPW到CPW过渡结构对应连接，所述的多个GCPW到CPW过渡结构与分别与天线阵馈电组件的输出端对应连接；天线阵馈电组件通过多个GCPW到CPW过渡结构、多个矩形CPW馈线(31)激励对应的天线单元；所述的天线单元包括在微波介质基板(171)上表面第一金属接地板(161)的刻蚀半椭圆形缝隙(11)和开路扇形枝节(21)，所述的半椭圆形缝隙(11)为扇形枝节的扇形外边缘与第一金属接地板(161)刻蚀的缝隙，开路扇形枝节(21)的扇形弧对应的弦的中点到周围第一金属接地板(161)的距离按照半椭圆形逐渐变化；

所述的GCPW到CPW过渡结构包括多个过渡枝节，多个多级斜角开槽(51)、多个第一金属过孔(41)；所述的第一金属过孔(41)是在每个矩形CPW馈线(31)上远离开路扇形枝节(21)的一端钻的通孔，用于连接矩形CPW馈线(31)和过渡枝节；所述的过渡枝节是在微波介质基板(171)的下表面覆铜层上一体刻蚀的带状微带线，带状微带线两侧均预留一定宽度的与带状微带线边缘相匹配的缝隙；所述的多级斜角开槽(51)是在矩形CPW馈线(31)的远离开路扇形枝节(21)的一端的下方一定距离刻蚀形成的“V”字槽，包括对称两个第一级斜角开槽(511)、两个第二级斜角开槽(512)、两个第三级斜角开槽(513)；所述的第一级斜角开槽(511)、第二级斜角开槽(512)、第三级斜角开槽(513)的外边缘为均直线段，相互首尾连接；

所述的天线阵馈电组件包括多路输出的多阶GCPW功分馈电网络；所述的多路输出的多阶GCPW功分馈电网络包括多个输出枝节与多个阻抗变换枝节，所述的多个输出枝节与多个阻抗变换枝节均是在微波介质基板(171)的下表面覆铜层上一体刻蚀的带状微带线，带状微带线两侧均预留一定宽度的与带状微带线边缘相匹配的缝隙。

2.根据权利要求1所述的毫米波天线级封装中宽带半椭圆缝隙天线阵列，其特征在于，所述的半椭圆形的短半轴与等腰梯形的上底重合、其长度大于等腰梯形的上底的长度，半椭圆形的长半轴与矩形CPW馈线(31)的纵中心线重合、其长度大于开路扇形枝节(21)的扇形弧的顶点到弧对应的弦的距离。

3.根据权利要求1所述的毫米波天线级封装中宽带半椭圆缝隙天线阵列，其特征在于，所述的开路扇形枝节(21)包括渐变梯形CPW传输带和扇形传输带，所述的渐变梯形CPW传输带的形状是等腰梯形，扇形传输带的扇形的弧对应的弦的长度与等腰梯形的上底相等，矩形CPW馈线(31)的宽度与等腰梯形的下底相等，所述的矩形CPW馈线(31)、渐变梯形CPW传输带、扇形传输带依次连接，用于传输激励信号。

4.根据权利要求1所述的毫米波天线级封装中宽带半椭圆缝隙天线阵列，其特征在于，所述的微波介质基板(171)的下表面覆铜层被多路输出的多阶GCPW功分馈电网络的带状微带线划分多个下层金属接地板，所述的带状微带线两侧的多个下层金属接地板的外边缘钻有多个均匀连续分布的第二金属过孔(151)，所述的带状微带线和多个下层金属接地板的拐角处均进行削角处理。

5.根据权利要求1所述的毫米波天线级封装中宽带半椭圆缝隙天线阵列，其特征在于，所述的矩形CPW馈线(31)远离开路扇形枝节(21)的一端的两侧均匀对称的钻有多个第三金属过孔(152)，第一金属接地板(161)通过多个第三金属过孔(152)与下层金属接地板连接。

6.根据权利要求1所述的毫米波天线级封装中宽带半椭圆缝隙天线阵列，其特征在于，所述的半椭圆形缝隙(11)对应的微波介质基板(171)的下表面的区域为裸露的微波介质基板。

7.根据权利要求1所述的毫米波天线级封装中宽带半椭圆缝隙天线阵列，其特征在于，所述的天线单元与功分馈电网络均具有宽带阻抗带宽。

8.一种应用于权利要求1-7任意一项所述的毫米波天线级封装中宽带半椭圆缝隙天线阵列的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据中心频率计算出开路扇形枝节(21)的扇形弧对应的弦的长度计算公式如下：

4l₁≈λ_g (1)

其中，l₁为开路扇形枝节(21)的扇形的弧对应的弦的长度，λg为介质中导波波长；

2)根据中心频率计算半椭圆形的短半轴长度、半椭圆形的长半轴长度的公式如下：

0.75*(l₂+l₃)≈λ_g (2)

l₃≈2*l₂ (3)

其中，l₂为半椭圆形的短半轴长度、l₃为半椭圆形的长半轴长度、λg为介质中导波波长；

3)所述的多级斜角开槽(51)的尺寸计算公式如下：

其中，λg为介质中导波波长；L₁和W₁为第一级斜角开槽的长度和底边宽度，L₂和W₂为第二级斜角开槽的长度和底边宽度，L₃和W₃为第三级斜角开槽的长度和底边宽度。

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