CN119050654A

CN119050654A - 一种相控阵天线单元

Info

Publication number: CN119050654A
Application number: CN202411157687.XA
Authority: CN
Inventors: 郭敏; 韩如冰; 潘超群; 杜康明; 李政伟
Original assignee: Shanghai Radio Equipment Research Institute
Current assignee: Shanghai Radio Equipment Research Institute
Priority date: 2024-08-22
Filing date: 2024-08-22
Publication date: 2024-11-29

Abstract

本发明涉及一种相控阵天线单元，包括：层叠结构，其包括顶部和底部，其由多层金属层和多层介质层交替堆叠形成，且顶部和底部均为金属层，其中顶部金属层作为辐射贴片；两个准同轴结构，每个准同轴结构包括设置在所述层叠结构内的信号盲孔和围绕所述信号盲孔设置的若干个接地通孔；两个所述信号盲孔分别从所述层叠结构的中间金属层延伸至顶部金属层和底部金属层，且延伸到顶部金属层的信号盲孔与所述辐射贴片连接，延伸到底部金属层的信号盲孔与射频芯片连接；两个的信号盲孔之间通过传输线电路连接；所述金属层在被所述信号盲孔贯穿的位置，环绕该信号盲孔对该层金属层进行开孔。本发明结构紧凑、尺寸小、重量轻，带宽较宽、成本低等特点。

Description

一种相控阵天线单元

技术领域

本发明涉及天线领域，具体涉及一种相控阵天线单元。

背景技术

随着现代通信技术的不断发展，圆极化微带天线由于具有体积小、重量轻、剖面低和灵活度高等优点，被广泛应用于雷达、导航、卫星等通信领域。圆极化天线是通过使用馈电结构激发具有90°相位差的两个正交线极化模式产生圆极化。随着通信技术、超大规模集成电路技术、封装互连技术的快速发展，现代电子装备正在向小型化、轻量化、高可靠、多功能和低成本方向发展，目前传统相控阵天线大都基于单一功能的砷化镓芯片和微波器件微组装实现，存在功能单一、高复杂度、体积大、集成度低和造价昂贵的问题，往往是制约整个通信系统体积和成本的关键，已经较难满足未来的通信需求。因此，相控阵天线势必朝着小型化、低功耗、低成本、高集成度的方向发展，近年来，随着硅基芯片的发展，使得集成相控阵天线逐渐成为当今发展的主流，其高集成度特性不仅可以使系统尺寸大大缩小，而且还具有低成本、低功耗的优势。因此，能否实现具有宽带、高集成度的低成本相控阵天线单元，将决定集成相控阵天线能否在通信系统中广泛应用。

发明内容

基于前述技术问题，本发明的目的是针对传统相控阵天线面临集成度低、成本高、带宽窄以及圆极化性能差等难题，提供一种宽带集成相控阵天线单元，该单元基于多层混压PCB加工工艺，制成高集成度相控阵天线单元、解决了带宽、体积及复杂度的局限性，实现工作带宽、天线集成度的全面提升。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

本发明提出了一种相控阵天线单元，包括：

层叠结构，其包括顶部和底部，其由多层金属层和多层介质层交替堆叠形成，且顶部和底部均为金属层，其中顶部金属层作为辐射贴片，用于向外辐射电磁波；

两个准同轴结构，每个准同轴结构包括设置在所述层叠结构内的信号盲孔和围绕所述信号盲孔设置的若干个接地通孔；

两个所述信号盲孔分别从所述层叠结构的中间金属层延伸至顶部金属层和底部金属层，且延伸到顶部金属层的信号盲孔与所述辐射贴片连接，延伸到底部金属层的信号盲孔与射频芯片连接；

两个的信号盲孔之间通过传输线电路连接；

至少一部分所述金属层在被所述信号盲孔贯穿的位置，环绕该信号盲孔对至少一部分所述层金属层进行开孔。

优选地，所述辐射贴片的形状为方形环状，连接所述辐射贴片的所述信号盲孔位于该方形环的其中一个对角线上。

优选地，所述金属层覆在介质基板表面，介质基板之间通过半固化片连接。

优选地，围绕所述信号盲孔设置的各个接地通孔距该信号盲孔的距离相等。

优选地，通过调节所述接地通孔与所述信号盲孔之间的距离以及调节所述信号盲孔的直径来调节所述准同轴结构阻抗。

优选地，所述信号盲孔和接地通孔均为金属化通孔。

优选地，两个所述信号盲孔至少贯穿了同一层金属层。

优选地，所述接地通孔在长度方向与所述信号盲孔的一部分在长度方向重叠。

优选地，所述传输线通过焊盘与其中一个信号盲孔连接，所述焊盘设置在所述信号盲孔穿过的中间金属层上。

本发明采用小型化及宽带技术，与传统天线相比，该天线具有结构紧凑、尺寸小、重量轻，带宽较宽、成本低等特点。

附图说明

图1为本发明的相控阵天线单元侧视图；

图2为本发明的相控阵天线单元正视图；

图3为本发明的准同轴结构示意图；

图4-图6为本发明的覆铜金属层上的开孔的结构示意图；

图7为本发明的天线仿真方向图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种相控阵天线单元作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

本发明提供了一种相控阵天线单元，所述相控阵天线单元包括：

层叠结构，其包括顶部和底部，其由多层金属层和多层介质层交替堆叠形成，且顶部和底部均为金属层，其中顶部金属层作为辐射贴片，用于向外辐射电磁波。所述金属层覆在介质基板表面，介质基板之间通过半固化片连接，所述介质基板和半固化片均为绝缘体。

如图1所示，本例所述的叠层结构采用了七层介质基板和六层半固化粘合层压合而成，所述半固化片12、14、16、18、20和22用于粘结相邻的介质基板11、13、15、17、19、21和23。所述介质基板11、13、15、17、21和23的上下表面均为覆铜金属层，分别为覆铜金属层111、112、113、114、115、116、117、118、120、121、122和123，所述介质基板19的上表面为覆铜金属层119。所述金属层123为方形环状的辐射贴片。

两个准同轴结构，每个准同轴结构包括设置在所述层叠结构内的信号盲孔和围绕所述信号盲孔设置的若干个接地通孔，所述信号盲孔和接地通孔均为金属化通孔，两个信号盲孔之间通过传输线电路连接；

两个所述信号盲孔分别从所述层叠结构的中间金属层延伸至顶部金属层和底部金属层，且延伸到顶部金属层的信号盲孔与所述辐射贴片连接，延伸到底部金属层的信号盲孔与射频芯片连接。此叠层结构中，发射信号由金属层111通过准同轴结构传输到金属层123的辐射贴片，实现了辐射贴片与射频芯片互连。

其中，如图3所示，准同轴结构4由信号盲孔41和周围的五个接地通孔42、43、44、45和46组成，所述信号盲孔41为信号盲孔用来实现信号的传输，其一端与辐射贴片123连接，另一端与覆铜金属层119连接，并分布于环形贴片的对角线上，以激励出具有幅度相等，相位差为90°两个正交线极化模式从而实现圆极化。准同轴结构4的五个金属化接地通孔42、43、44、45和46分布于信号盲孔41周围，一端与覆铜金属层119连接，另一端与覆铜金属层121连接。通过调节信号盲孔41的直径以及五个周围接地孔42、43、44、45和46围成的准圆柱内径的比例，可调节准同轴结构4的阻抗，可选的阻抗为50偶欧姆。具体地，所述准圆柱指的是五个接地通孔42、43、44、45和46距该信号盲孔41的距离相等，它们围绕的区域接近于一个圆柱体。

请继续参阅图3，准同轴结构5由金属化信号盲孔51和周围八个接地通孔52、53、54、55、56、57、58和59组成，信号盲孔51为用来实现信号的传输，一端与覆铜金属层121连接，另一端与位于覆铜金属层111上的焊盘连接。所述焊盘通过BGA(Ball Grid Array，球栅阵列)焊球与射频芯片连接。所述射频芯片是四通道幅相多功能芯片NC35352ME-812，其输出端通过表贴(SMT)方式直接焊接到所述焊盘。准同轴结构5的金属化接地通孔52、53、54、55、56、57和58分布于信号盲孔51的周围，一端与覆铜金属层119连接，另一端与覆铜金属层121连接。金属化接地通孔59一端连接覆铜金属层121，另一端则与覆铜金属层120连接。调节金属化通孔51的直径以及周围八个接地孔52、53、54、55、56、57、58和59围成的准圆柱内径的比例，可调节准同轴结构5的阻抗至50欧姆。

可选的，如图2所示，所述方形环状辐射贴片的谐振频率为：

式中，c为光速，L₁为外环的边长，L₂为内环的边长，h为介质基板23的厚度，ε_r为介质基板的介电常数。

准同轴结构特性阻抗可由下式得出：

式中，ε_r为准同轴结构内介质基板的介电常数，a为信号盲孔41的直径，b为准圆柱的内径。

另外，所述接地通孔在长度方向与所述信号盲孔的一部分在长度方向重叠，实现对信号盲孔信号的屏蔽。

并且，至少一部分所述金属层在被所述信号盲孔贯穿的位置，环绕该信号盲孔对至少一部分所述层金属层进行开孔，所述开孔用于将所述信号盲孔与对应金属层之间的电路连接断开。

请参阅图4至6，具体地，图4中的开孔411开设在信号盲孔41贯穿的覆铜金属层上，即在覆铜金属层121和122上，且环绕信号盲孔41设置，所述开孔411为圆孔。所述开孔411与信号盲孔41以及周围的五个金属化接地通孔42、43、44、45和46组成封闭的准同轴结构，用于实现信号盲孔41的信号传输。图5中的开孔412开设在覆铜金属层120上，环绕信号盲孔41和信号盲孔51设置，为长条形孔。其中信号盲孔41在覆铜金属层119的周围没有开孔，以使信号盲孔41与覆铜金属层119连接。

如图6所示，开孔511开设在信号盲孔51贯穿的覆铜金属层上，即在覆铜金属层119、118、117、116、115、114、113、112和111上，环绕信号盲孔51设置，所述开孔511与信号盲孔51以及周围的八个金属化接地通孔52、53、54、55、56、57、58和59组成封闭的准同轴结构，用于实现信号盲孔51的信号传输。

具体地，两个所述信号盲孔至少贯穿了同一层金属层，本例中信号盲孔41和信号盲孔51都贯穿了金属层119、120和121。两个信号盲孔之间通过传输线连接，传输线6包括带状线61，所述带状线61的第一端位于覆铜金属层120上，第一端通过圆形焊盘62与金属化通孔51连接，带状线61的第二端则与金属化通孔41连接。

图7给出本发明提供的一种相控阵天线单元的辐射方向图，表明该天线单元在工作频带内具有良好的定向辐射性能。

综上所述，本发明的一种相控阵天线单元，采用准同轴结构馈电，实现了与射频芯片输出端的连接，具有良好的交叉极化和端口隔离度，实现了相控阵天线单元的高度集成化。

本发明的一种相控阵天线单元成本低、重量轻，并针对微带天线受限于谐振工作模式而阻抗带宽较窄的缺陷，提出了基于微带天线单元的阻抗匹配提升方法，构造具有多个谐振模式的方形环结构。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种相控阵天线单元，其特征在于，包括：

两个的信号盲孔之间通过传输线电路连接；

至少一部分所述金属层在被所述信号盲孔贯穿的位置，环绕该信号盲孔对至少一部分所述金属层进行开孔。

2.如权利要求1所述的相控阵天线单元，其特征在于，所述辐射贴片的形状为方形环状，连接所述辐射贴片的所述信号盲孔位于该方形环的其中一个对角线上。

3.如权利要求1所述的相控阵天线单元，其特征在于，所述金属层覆在介质基板表面，介质基板之间通过半固化片连接。

4.如权利要求1所述的相控阵天线单元，其特征在于，围绕所述信号盲孔设置的各个接地通孔距该信号盲孔的距离相等。

5.如权利要求4所述的相控阵天线单元，其特征在于，通过调节所述接地通孔与所述信号盲孔之间的距离以及调节所述信号盲孔的直径来调节所述准同轴结构阻抗。

6.如权利要求1所述的相控阵天线单元，其特征在于，所述信号盲孔和接地通孔均为金属化通孔。

7.如权利要求1所述的相控阵天线单元，其特征在于，两个所述信号盲孔至少贯穿了同一层金属层。

8.如权利要求1所述的相控阵天线单元，其特征在于，所述接地通孔在长度方向与所述信号盲孔的一部分在长度方向重叠。

9.如权利要求1所述的相控阵天线单元，其特征在于，所述传输线通过焊盘与其中一个信号盲孔连接，所述焊盘设置在所述信号盲孔穿过的中间金属层上。