CN116722363B - 复合型结构宽频相控阵天线单元及天线 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种相控阵天线技术领域，尤其涉及一种复合型结构宽频相控阵天线单元及天线，天线单元包括：天线接地层、底层介质基板、谐振网络、辐射层介质基板、辐射贴片、谐振层介质基板、谐振器单元和顶层介质基板。顶层介质基板、谐振层介质基板、辐射层介质基板、底层介质基板和天线接地层从上到下依次设置；谐振网络设置在底层介质基板与辐射层介质基板之间；辐射贴片设置在辐射层介质基板与谐振层介质基板之间；谐振器单元设置在谐振层介质基板与顶层介质基板之间。本申请调整辐射贴片与天线接地层之间的馈电形式，在天线接地层与馈电端之间增加调谐网络，谐振网络的微带线和第一LC的组合可以产生多个谐振点，从而提高相控阵天线的工作带宽。

Description

复合型结构宽频相控阵天线单元及天线

技术领域

本申请涉及相控阵天线技术领域，尤其涉及一种复合型结构宽频相控阵天线单元及天线。

背景技术

相控阵天线指的是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线。控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的。随着相控阵天线的技术进步和成本持续优化，相控阵天线的使用场景会越来越多，高集成，宽带化和低成本是相控阵天线发展的主流。

现有贴片形式的相控阵天线单元方案都是采用单层贴片或者多层微带贴片PCB（Printed Circuit Board，印制电路板）堆叠的形式作为辐射体，贴片形状基本上为矩形或者圆形，地与辐射片之间采用探针（金属过孔）直接馈电，或者通过下层贴片开缝隙耦合馈电，缝隙包括“一字”、“十字”和“工字”等形式。

但是现有的这种结构的相控阵天线单元通常工作带宽比较窄，带宽一般会低于20%。

发明内容

为至少在一定程度上克服相关技术中相控阵天线单元工作带宽较窄，一般会低于20%的问题，本申请提供一种复合型结构宽频相控阵天线单元及天线。

本申请的方案如下：

根据本申请实施例的第一方面，提供一种复合型结构宽频相控阵天线单元，包括：

天线接地层、底层介质基板、谐振网络、辐射层介质基板、辐射贴片、谐振层介质基板、谐振器单元和顶层介质基板；

所述顶层介质基板、谐振层介质基板、辐射层介质基板、底层介质基板和天线接地层从上到下依次设置；

所述谐振网络设置在所述底层介质基板与所述辐射层介质基板之间；

所述辐射贴片设置在所述辐射层介质基板与所述谐振层介质基板之间；

所述谐振器单元设置在所述谐振层介质基板与所述顶层介质基板之间；

所述谐振网络包括：微带线、下馈电柱子、第一LC组合和上馈电柱子；所述第一LC组合包括至少一个电感，和/或，至少一个电容，所述LC组合在所述微带线上并联；所述下馈电柱子的第一端在所述微带线上与所述第一LC组合连接，第二端穿过所述底层介质基板并延伸至所述天线接地层；所述上馈电柱子的第一端在所述微带线上与所述第一LC组合连接，第二端穿过所述辐射层介质基板并延伸至所述辐射贴片。

优选地，所述下馈电柱子的第一端和所述上馈电柱子的第一端在所述微带线上相对设置。

优选地，所述谐振层介质基板和所述谐振器单元为至少一组；

所述谐振器单元设置在当前层谐振层介质基板与所述顶层介质基板之间，或当前层谐振层介质基板与上一层谐振层介质基板之间。

优选地，所述谐振器单元包括：多边谐振电路，以及设置在所述多边谐振电路上的加载电容组合或第二LC组合；

其中，所述加载电容组合包括至少一个加载电容；所述第二LC组合包括至少一个电感，和/或，至少一个电容。

优选地，所述多边谐振电路为角花底纹花型对称结构。

优选地，所述谐振器单元还包括：扼流环；

所述扼流环环绕所述多边谐振电路设置。

优选地，所述扼流环为正方形环状结构。

优选地，所述谐振层介质基板包括谐振层介质基板上层和谐振层介质基板下层；

所述谐振器单元设置在所述谐振层介质基板上层与所述顶层介质基板之间；

所述谐振层介质基板下层设置有空气腔。

优选地，所述加载电容组中的各加载电容设置在所述多边谐振电路的各边；

所述第二LC组合中的电感，和/或，电容设置在所述多边谐振电路的各边。

根据本申请实施例的第二方面，提供一种复合型结构宽频相控阵天线，包括：

天线本体，以及如以上任一项所述的复合型结构宽频相控阵天线单元。

本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果：本申请中的复合型结构宽频相控阵天线单元，包括：天线接地层、底层介质基板、谐振网络、辐射层介质基板、辐射贴片、谐振层介质基板、谐振器单元和顶层介质基板。顶层介质基板、谐振层介质基板、辐射层介质基板、底层介质基板和天线接地层从上到下依次设置；谐振网络设置在底层介质基板与辐射层介质基板之间；辐射贴片设置在辐射层介质基板与谐振层介质基板之间；谐振器单元设置在谐振层介质基板与顶层介质基板之间。本申请中的谐振网络包括：微带线、下馈电柱子、第一LC组合和上馈电柱子；第一LC组合包括至少一个电感，和/或，至少一个电容，LC组合在微带线上并联；下馈电柱子的第一端在微带线上与第一LC组合连接，第二端穿过底层介质基板并延伸至天线接地层；上馈电柱子的第一端在微带线上与第一LC组合连接，第二端穿过辐射层介质基板并延伸至辐射贴片。本申请中的技术方案调整辐射贴片与天线接地层之间的馈电形式，在天线接地层与馈电端之间增加调谐网络，谐振网络包括微带线和第一LC组合，微带线和第一LC组合可以产生多个谐振点，从而提高相控阵天线的工作带宽。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是本申请一个实施例提供的一种复合型结构宽频相控阵天线单元的爆炸图；

图2是本申请一个实施例提供的一种复合型结构宽频相控阵天线单元中的谐振网络结构示意图；

图3是本申请一个实施例提供的一种复合型结构宽频相控阵天线单元中的谐振层介质基板和谐振器单元结构示意图。

附图标记：天线接地层-1；底层介质基板-2；谐振网络-3；微带线-301；下馈电柱子-302；第一LC组合-303；上馈电柱子-304；辐射层介质基板-4；辐射贴片-5；谐振层介质基板-6；空气腔-601；谐振器单元-7；多边谐振电路-701；加载电容组-702；扼流环-703；顶层介质基板-8。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

实施例一

图1是本申请一个实施例提供的一种复合型结构宽频相控阵天线单元的爆炸图，图2是本申请一个实施例提供的一种复合型结构宽频相控阵天线单元中的谐振网络3结构示意图，参照图1-图2，一种复合型结构宽频相控阵天线单元，包括：

天线接地层1、底层介质基板2、谐振网络3、辐射层介质基板4、辐射贴片5、谐振层介质基板6、谐振器单元7和顶层介质基板8；

顶层介质基板8、谐振层介质基板6、辐射层介质基板4、底层介质基板2和天线接地层1从上到下依次设置；

谐振网络3设置在底层介质基板2与辐射层介质基板4之间；

辐射贴片5设置在辐射层介质基板4与谐振层介质基板6之间；

谐振器单元7设置在谐振层介质基板6与顶层介质基板8之间；

谐振网络3包括：微带线301、下馈电柱子302、第一LC组合303和上馈电柱子304；第一LC组合303包括至少一个电感，和/或，至少一个电容，LC组合在微带线301上并联；下馈电柱子302的第一端在微带线301上与第一LC组合303连接，第二端穿过底层介质基板2并延伸至天线接地层1；上馈电柱子304的第一端在微带线301上与第一LC组合303连接，第二端穿过辐射层介质基板4并延伸至辐射贴片5。

需要说明的是，天线接地层1一般采用金属片作为天线的接地层。

需要说明的是，底层介质基板2、辐射层介质基板4、谐振层介质基板6和顶层介质基板8的均为PBE介质基板，多层介质基板构成天线的主体结构，各介质基板基于设置位置的不同区分为底层介质基板2、辐射层介质基板4、谐振层介质基板6和顶层介质基板8，各介质基板的设置位置如图1所示。

需要说明的是，参照图2，谐振网络3包括：微带线301、下馈电柱子302、第一LC组合303和上馈电柱子304。

在具体实践中，微带线301如图2所示的“日”字型结构，“日”字型微带线301并列的三条边上设置第一LC组合303，“日”字型微带线301并列的另外两条边上设置下馈电柱子302和上馈电柱子304。

需要说明的是，本实施例中的第一LC组合303是指电感（L）电容（C）组合，本实施例中的第一LC组合303可以为3个电感的组合，或者3个电容的组合，或者2个电感1个电容的组合，或者1个电感2个电容的组合。第一LC组合303中的各元器件在设置时不对设置位置进行限定，即若第一LC组合303为2个电感1个电容的组合，在进行设置时，可以2个电感对1个电容进行包夹，也可以将1个电容设置在一侧，2个电感设置在另一侧。

需要说明的是，下馈电柱子302的第一端和上馈电柱子304的第一端在微带线301上相对设置。本实施例中的下馈电柱子302和上馈电柱子304均为现有技术中的常规馈电接线柱。下馈电柱子302的第一端在微带线301上与第一LC组合303连接，第二端穿过底层介质基板2并延伸至天线接地层1；上馈电柱子304的第一端在微带线301上与第一LC组合303连接，第二端穿过辐射层介质基板4并延伸至辐射贴片5，以对辐射贴片5进行馈电。

本实施例中的技术方案调整辐射贴片5与天线接地层1之间的馈电形式，在天线接地层1与馈电端之间增加调谐网络，谐振网络3包括微带线301和第一LC组合303，微带线301和第一LC组合303可以产生多个谐振点，从而提高相控阵天线的工作带宽。

现有技术中的相控阵天线单元在波束扫描角到60°时，单元间耦合过强，导致增益恶化加剧，增益下降6dBi甚至更多，且极限扫描角度为65°左右。

基于此，本实施例中通过改进辐射贴片5来减缓天线增益随扫描角增大而陡降的趋势。

需要说明的是，本实施例中的辐射贴片5作为天线“下层”的辐射贴片5，并以谐振器单元7作为天线“上层”的辐射贴片5。

在具体实践中，谐振层介质基板6和谐振器单元7为至少一组；

谐振器单元7设置在当前层谐振层介质基板6与顶层介质基板8之间，或当前层谐振层介质基板6与上一层谐振层介质基板6之间。

需要说明的是，随着谐振层介质基板6和谐振器单元7组数的增加，天线增益随扫描角增大而陡降的趋势减缓效果更好，但是成本更高。

需要说明的是，参照图3，谐振器单元7包括：多边谐振电路701，以及设置在多边谐振电路701上的加载电容组合702或第二LC组合；

其中，加载电容组702合包括至少一个加载电容；第二LC组合包括至少一个电感，和/或，至少一个电容。

需要说明的是，本实施例中的第二LC组合是指电感（L）电容（C）组合。

如图3所示，多边谐振电路701为角花底纹花型对称结构，内部结构搭配加载电容或者第二LC组合，由于本实施例中的谐振器单元7作为天线“上层”的辐射贴片5，通过如上设计可以将天线“上层”的辐射贴片5，并增加单元间隔离，减小单元间的互耦，减缓增益随扫描角增大而陡降的趋势。

图3中以多边谐振电路中设置的元器件为加载电容为例进行展示，如图3所示，加载电容组702中的各加载电容设置在多边谐振电路的各边。

若多边谐振电路中设置的元器件为第二LC组合，则第二LC组合中的电感，和/或，电容设置在多边谐振电路701的各边。

需要说明的是，本实施例中的第二LC组合可以为4个电感的组合，或者4个电容的组合，或者3个电感1个电容的组合，或者1个电感3个电容的组合，或者是2个电感2个电容的组合。第二LC组合中的各元器件在设置时不对设置位置进行限定。

需要说明的是，参照图3，谐振器单元7还包括：扼流环703；

扼流环703环绕多边谐振电路701设置。

在具体实践中，扼流环703为正方形环状结构。

需要说明的是，扼流环703也叫扼流圈，扼流环703是一种电感元件，主要作用是控制电流流过的方向和大小。当直流电流或交流电流流经扼流环703时，由于其电感作用，会产生反向电势，阻碍电流的变化，从而达到限流和抑制高频干扰的效果。

需要说明的是，参照图3，谐振层介质基板6包括谐振层介质基板6上层和谐振层介质基板6下层；

谐振器单元7设置在谐振层介质基板6上层与顶层介质基板8之间；

谐振层介质基板6下层设置有空气腔601。

需要说明的是，本实施例中通过在谐振层介质基板6下层设置空气腔601，可以更好的增加单元间的隔离，减小天线单元间互耦，减缓增益随扫描角增大而陡降的趋势。

综上，本实施例中的复合型结构宽频相控阵天线单元拓宽了相控阵天线的工作带宽，在具体实践中，其工作带宽可达约60%。

在具体实践中，本实施例中的复合型结构宽频相控阵天线单元在扫描角到75°时，增益下降6dBi左右，没有出现急剧陡降，且波束指向准确。

实施例二

一种复合型结构宽频相控阵天线，包括：

天线本体，以及如以上实施例中的复合型结构宽频相控阵天线单元。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种复合型结构宽频相控阵天线单元，其特征在于，包括：

天线接地层、底层介质基板、谐振网络、辐射层介质基板、辐射贴片、谐振层介质基板、谐振器单元和顶层介质基板；

所述顶层介质基板、谐振层介质基板、辐射层介质基板、底层介质基板和天线接地层从上到下依次设置；

所述谐振网络设置在所述底层介质基板与所述辐射层介质基板之间；

所述辐射贴片设置在所述辐射层介质基板与所述谐振层介质基板之间；

所述谐振器单元设置在所述谐振层介质基板与所述顶层介质基板之间；

所述谐振网络包括：微带线、下馈电柱子、第一LC组合和上馈电柱子；所述第一LC组合包括至少一个电感，和/或，至少一个电容，所述LC组合在所述微带线上并联；所述下馈电柱子的第一端在所述微带线上与所述第一LC组合连接，第二端穿过所述底层介质基板并延伸至所述天线接地层；所述上馈电柱子的第一端在所述微带线上与所述第一LC组合连接，第二端穿过所述辐射层介质基板并延伸至所述辐射贴片。

2.根据权利要求1所述的复合型结构宽频相控阵天线单元，其特征在于，所述下馈电柱子的第一端和所述上馈电柱子的第一端在所述微带线上相对设置。

3.根据权利要求1所述的复合型结构宽频相控阵天线单元，其特征在于，所述谐振层介质基板和所述谐振器单元为至少一组；

所述谐振器单元设置在当前层谐振层介质基板与所述顶层介质基板之间，或当前层谐振层介质基板与上一层谐振层介质基板之间。

4.根据权利要求1所述的复合型结构宽频相控阵天线单元，其特征在于，所述谐振器单元包括：多边谐振电路，以及设置在所述多边谐振电路上的加载电容组合或第二LC组合；

其中，所述加载电容组合包括至少一个加载电容；所述第二LC组合包括至少一个电感，和/或，至少一个电容。

5.根据权利要求4所述的复合型结构宽频相控阵天线单元，其特征在于，所述多边谐振电路为角花底纹花型对称结构。

6.根据权利要求4所述的复合型结构宽频相控阵天线单元，其特征在于，所述谐振器单元还包括：扼流环；

所述扼流环环绕所述多边谐振电路设置。

7.根据权利要求6所述的复合型结构宽频相控阵天线单元，其特征在于，所述扼流环为正方形环状结构。

8.根据权利要求1所述的复合型结构宽频相控阵天线单元，其特征在于，所述谐振层介质基板包括谐振层介质基板上层和谐振层介质基板下层；

所述谐振器单元设置在所述谐振层介质基板上层与所述顶层介质基板之间；

所述谐振层介质基板下层设置有空气腔。

9.根据权利要求4所述的复合型结构宽频相控阵天线单元，其特征在于，所述加载电容组中的各加载电容设置在所述多边谐振电路的各边；

所述第二LC组合中的电感，和/或，电容设置在所述多边谐振电路的各边。

10.一种复合型结构宽频相控阵天线，其特征在于，包括：

天线本体，以及如权利要求1-9任一项所述的复合型结构宽频相控阵天线单元。