CN104953256B

CN104953256B - 宽带圆极化平板阵列天线

Info

Publication number: CN104953256B
Application number: CN201510268062.5A
Authority: CN
Inventors: 程钰间; 吴杰; 刘小亮; 薛飞
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2015-05-25
Filing date: 2015-05-25
Publication date: 2018-01-12
Anticipated expiration: 2035-05-25
Also published as: CN104953256A

Abstract

本发明属于毫米波圆极化天线设计和制造的技术领域，用以解决现有的毫米波圆极化天线难以兼顾宽频带、高效率与组阵的问题，提供一种宽带圆极化平板阵列天线。本发明采用一种新颖的90°相位延迟线对十字槽进行馈电结构，在十字槽的上方增加的四个寄生贴片用于提高天线单元的增益并改善3dB轴比带宽，设计的90°相位延迟线具有三个独立的枝节，分别用于相位延迟，幅度补偿和匹配调节；并在带状线旁设计一组短路金属孔有效地抑制了TEM模在馈电网络区域外的传播，大大降低了单元互耦，保证了阵列组阵性能；且本发明天线采用多层PCB板加工，具有低成本的优势，适合毫米波大规模圆极化阵列组阵，解决了毫米波频段上圆极化天线效率与轴比带宽难以兼顾的难题。

Description

宽带圆极化平板阵列天线

技术领域

本发明属于毫米波圆极化天线设计和制造的技术领域，特别涉及一种宽带圆极化毫米波平板阵列天线。

背景技术

在无线通信系统中，圆极化工作模式具有抗多径效应，并且相比于线极化，不需要极化调整装置。随着无线通信频率的提高，毫米波圆极化天线的应用需求日趋强烈。

圆极化天线的实现方式主要有单馈，多馈和外加圆极化器三种方式。单馈天线馈电网络简单，容易实现紧凑、高效率的阵列，缺点是单馈圆极化天线的3dB轴比带宽通常较窄；多馈天线利用宽带电桥或巴伦通过矢量合成的方式实现圆极化，相比于传统的单馈天线，极大地改善了3dB轴比带宽，缺点是馈电网络复杂，阵列布局困难，尤其在毫米波频段应用时；外加圆极化器比较容易实现从线极化到圆极化的转换，并且可以通过多层结构来展宽工作带宽，缺点是外加的部件增加了天线的插入损耗和纵向尺寸，不利于平面集成。

由于单馈圆极化天线结构紧凑，容易实现大规模阵列排布，因此非常适合用于对尺寸要求严格的毫米波阵列。为了解决单馈圆极化天线窄带的问题，近年来一些研究人员利用结构和工艺上的改进实现了一些宽带单馈圆极化阵列天线

例如，文献“Printed Planar 8×8Array Antenna with Circular Polarizationfor Millimete r-Wave Application”(A.D.Nesic,and D.A.Nesic,IEEE Antennas andWireless Propaga tion Letters,vol.11,pp.744-747,2012)提出了一种工作在60GHz的圆极化天线，由印制电路板(PCB)制作而成，其包含一个介质层和两个金属覆铜层。辐射单元为一对开口金属圆环，分别位于上，下金属覆铜层，背靠背排列。一对差分平衡馈电微带线分别刻蚀在上、下金属覆铜层上，与开口圆环相连。介质层为上、下金属覆铜层的辐射单元和馈电网络提供支撑。该结构馈电网络紧凑，实测的8×8元阵列的3dB轴比带宽可达25％，缺点是天线效率低，实测结果仅为20％。

又如，文献“Axial ratio bandwidth enhancement of 60-GHz substrateintegrated wavegu ide-fed circularly polarized LTCC antenna array”(Yue Li,ZhiNing Chen,Xianming Qing, Zhijun Zhang,Junfeng Xu,and Zhenghe Feng,IEEETransactions on Antennas and Propa gation,vol.60,no.10,pp.4619-4626,Oct.2012.)也提出了一种适用于毫米波频段的圆极化阵列天线。该结构使用低温共烧陶瓷(LTCC)工艺制作，包含八层金属覆铜层和二十层介质层。辐射单元为加载SIW谐振腔的金属贴片，由第一层金属覆铜层、第二金属覆铜层和位于1-5介质层内的金属化孔制作而成；第二金属覆铜层、第三金属覆铜层和位于6-10介质层内的金属化孔构成SIW反相功分网络，其中馈电槽刻蚀在第二金属覆铜层上，耦合槽刻蚀在第三金属覆铜层上，一个耦合槽对两个背靠背的馈电槽馈电；第三覆铜层、第七覆铜层和位于11-18介质层内的金属化孔构成SIW功分网络；第四、第五、第六、第八覆铜层和位于11 -20介质层内的金属化孔用于制作SIW到标准矩形波导的过渡。天线采用并馈网络并且加载 SIW谐振腔用于提高工作带宽。制作的4×4元阵列的3dB轴比带宽为10.7％，然而实测增益平均值为15dBi，天线带内增益波动大，效率低。

从现有报道可以发现，虽然在毫米波频段可以通过改进结构设计或工艺手段来实现宽带圆极化，但并没有很好地解决高效率和宽频带之间的矛盾，要同时实现毫米波圆极化阵列天线的平面化、高效率和宽频带特性，困难较大。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的毫米波圆极化天线难以兼顾宽频带、高效率与组阵的问题，提供一种宽带圆极化平板阵列天线。为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种宽带圆极化平板阵列天线，其特征在于，从上往下依次层叠第一金属覆铜层1、第一介质层5、第二金属覆铜层2、第二介质层6、第三金属覆铜层3、第三介质层7、第四介质层8、第四金属覆铜层4；第一金属覆铜层1上刻蚀微带辐射单元11和SIW短路块12；第一介质层5内分布贯穿其中且两端分别与第一金属覆铜层1和第二金属覆铜层2相连的第一类金属化孔51，该金属化孔位于SIW短路块12的正下方、呈矩形排布；第二金属覆铜层2 上刻蚀十字槽21和矩形窗口22；第三金属覆铜层3上刻蚀带状线馈电网络31；第四金属覆铜层4为地板，其上刻蚀矩形波导口41；贯穿第二金属覆铜层2、第二介质层6、第三金属覆铜层3、第三介质层7、第四介质层8和第四金属覆铜层4设有第二类金属化孔91和第三类金属化孔92，所述第三类金属化孔92垂直对应于第一类金属化孔51排布、并相互导通，共同与SIW短路块12、矩形窗口22、矩形波导口41构成SIW矩形腔；所述第二类金属化孔91与微带辐射单元垂直对应排布。

所述带状线馈电网络31由90°相位延迟线311，一组并馈级联T型功分器312和耦合探针313组成，阵列的规模决定T型功分器312的数量。

所述90°相位延迟线311由切角弯传输线3111、匹配枝节3112、幅度补偿枝节3113和第一、第二相位延迟枝节3114、3115组成；其中，匹配枝节3112的长度用于优化调节天线的回波损耗，幅度补偿枝节3113的长度用于优化调节EX和EY的相对幅度值，相位延迟枝节3114和3115用于优化调节EY和EY的相对相位差；相位延迟枝节3114和3115可以等长、也可以不等长，相比于普通的相位延迟线，不等长度平行延迟线具有更大的相位调节自由度。

所述微带辐射单元11由四个寄生贴片111构成，寄生贴片的作用是提高单元增益和3dB 轴比带宽；寄生贴片的形状为矩形贴片，三角贴片，方环、方形开口环或四分之一圆，且寄生贴片朝向十字槽的两边平行于十字槽，其尺寸使得谐振频率落在工作频带内，配合延迟线口径耦合馈电结构实现圆极化；所述第二类金属化孔91与每个寄生贴片111中心垂直一一对应排布。

所述十字槽的长度为λ_g/2、λ_g为波导波长，宽度为1/6～1/10槽长度。

所述微带辐射单元11的边长初值选为λ₀/2、λ₀为自由空间波长，寄生贴片111的间隙约为两倍于十字槽21的宽度。

所述第二介质层6、第四介质层8用于支持相邻的金属覆铜层；所述第三介质层7为半固化片，用于层间高精度粘接。

另外，本发明宽带圆极化平板阵列天线接口为波导接口，带状线转波导的过渡由SIW矩形谐振腔10和耦合探针313组成；SIW的矩形谐振腔上开有一个小的矩形窗，耦合探针313 通过矩形窗将能量从带状线馈入波导，矩形窗尺寸的选择原则是抑制波导模式。天线可以使用多层PCB工艺或LTCC工艺制作。

本发明的有益效果：

本发明的方案采用一种新颖的90°相位延迟线对十字槽进行馈电结构，在十字槽的上方增加的四个寄生贴片用于提高天线单元的增益并改善3dB轴比带宽。

设计的90°相位延迟线具有三个独立的枝节，分别用于相位延迟，幅度补偿和匹配调节。利用这种结构可分别设计两个正交极化场的最佳幅度平衡频率和理想90°相差频率，从而使得圆极化天线的设计变得简单、可控。相位延迟枝节采用不等长度平行双线结构，克服了普通相位延迟线的作用长度不能超过耦合十字槽长度的限制，增加了设计的自由度，这种改进可以让3dB轴比频带和天线最佳增益频带几乎重合。

第二类金属化孔贯穿第三金属覆铜层，垂直对应于天线寄生贴片中心，即实现了带状线馈电网络中带状线旁设计一组短路金属孔(第二类金属化孔)，有效地抑制了TEM模在馈电网络区域外的传播，大大降低了单元互耦，保证了阵列组阵性能。

本发明验证的4×4元阵列实现了14％的3dB轴比带宽，带内增益为17.4dBi～18.2dBi，效率大于65％，天线组阵间距0.75λ₀，天线高度0.19λ₀，馈电网络与测试波导口的过渡被集成在天线内部，没有增加额外的高度，整个设计在取得高性能的同时实现了低剖面、小型化。

所设计的单馈型口径耦合天线使用多层PCB板加工，具有低成本的优势，适合毫米波大规模圆极化阵列组阵，解决了毫米波频段上圆极化天线效率与轴比带宽难以兼顾的难题。

附图说明

图1是本发明的宽带圆极化平板阵列天线的三维结构示意图，其中，1、2、3、4分别表示第一、第二、第三、第四金属覆铜层，5、6、7、8分别表示第一、第二、第三、第四介质层。

图2是本发明的宽带圆极化平板阵列天线的四个金属覆铜层结构图，其中，12表示SIW 短路块、11表示微带辐射单元、111表示寄生贴片、22表示矩形波导窗口、51表示第一类金属化孔、21表示十字槽、31表示带状线馈电网络、312表示并馈级联T型功分器、313表示耦合探针、91表示第二类金属化孔、92表示第三类金属化孔、41表示矩形波导口。

图3是本发明的宽带圆极化平板阵列天线的基本单元结构图，其中，3111表示切角弯传输线、3112表示匹配枝节、3113表示幅度补偿枝节、3114、3115分别表示第一、第二相位延迟枝节。

图4是本发明的宽带圆极化平板阵列天线馈电网络与测试波导的过渡示意图，其中，10 表示SIW矩形谐振腔。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细的说明。

实施例：如图1～4所示，一种宽带圆极化平板阵列天线，其特征在于，从上往下依次层叠第一金属覆铜层1、第一介质层5、第二金属覆铜层2、第二介质层6、第三金属覆铜层3、第三介质层7、第四介质层8、第四金属覆铜层4。第一金属覆铜层1上刻蚀微带辐射单元11和SIW短路块12；第一介质层5内分布贯穿其中，并且两端分别与第一金属覆铜层1和第二金属覆铜层2相连的第一类金属化孔51，它们位于SIW短路块12的正下方，被完全覆盖；第二金属覆铜层2上刻蚀十字槽21和矩形窗口22；金属覆铜层3上刻蚀带状线馈电网络31；第四金属覆铜层4为地板，其上刻蚀矩形波导口41；第二介质层6、第四介质层8用于支持相邻的金属覆铜层；第三介质层7为半固化片，用于层间高精度粘接；贯穿第二金属覆铜层 2、第二介质层6、第三金属覆铜层3、第三介质层7、第四介质层8和第四金属覆铜层4的金属化孔9可分为两类，一类是用于抑制TEM模传播的第二类金属化孔91，另一类是用于构建SIW矩形腔的第三类金属化孔92；SIW矩形腔10由SIW短路块12、波导口22、41以及金属化孔51和92组成。

上述天线阵列的基本单元是90°相位延迟线311通过十字槽21给微带辐射单元11馈电。微带辐射单元11由四个寄生贴片111构成。90°相位延迟线由切角弯传输线3111、匹配枝节 3112、幅度补偿枝节3113和相位延迟枝节3114、3115组成。相位延迟枝节3114、3115的长度初值选为λ_g/4；十字槽的长度初值选为λ_g/2，宽度初值在加工允许的范围内选择1/6～1/10 槽长度；微带辐射单元11的边长初值选为λ₀/2；寄生贴片111的间隙选为两倍于十字槽21 的宽度。匹配枝节3112的长度可以改善天线的匹配。带状线馈电网络31由90°相位延迟线 311，一组并馈级联T型功分器312和耦合探针313组成。阵列的规模决定T型功分器312的数量。在带状线的旁边分布一组金属化孔91，用于抑制TEM模在带状线区域外的平行板之间传播。91的两端分别连接金属覆铜层2和金属覆铜层4。天线接口为波导接口，带状线转波导的过渡由SIW矩形谐振腔10和耦合探针313组成。SIW的矩形谐振腔上开有一个小的矩形窗，耦合探针313通过矩形窗将能量从带状线馈入波导。矩形窗的尺寸选择原则是抑制波导模式。

针对该方案完成了一种宽带圆极化天线的具体设计，其中心频率为28GHz，利用HFSS 中进行电磁全波仿真和优化。选用的第一介质层5为Taconic TLY-5，介电常数为2.2，厚度 1.016mm，损耗角正切为0.0009。选用的第二介质层6和第四介质层8均为TaconicTLY-5，厚度0.508mm，选用的第三介质层7为FR-28-0040-50，介电常数为2.81，厚度0.1mm，损耗角正切为0.0017。第一金属覆铜层1、第二金属覆铜层2、第三金属覆铜层3和第四金属覆铜层4的厚度均为0.035mm。选定辐射单元11外形尺寸为5.6mm×5.6mm，寄生贴片的尺寸为2.3mm×2.3mm。辐射单元间距为8mm。十字槽的长度4.2mm，宽度0.57mm。切角弯传输线3111的宽度为0.75mm，匹配枝节3112的长度和宽度分别是0.915mm和0.75mm，幅度补偿枝节3113的长度和宽度分别是0.65mm和0.75mm，相位延迟枝节3114的长度和宽度分别是2.2mm和0.275mm，相位延迟枝节3115的长度和宽度分别是2.6mm和0.275mm，3114和3115之间缝隙宽度是0.2mm。金属化孔91的直径选为0.4mm，每一个圆柱孔轴线与寄生贴片111的中心重合，金属化孔92的直径选为0.6mm，金属化孔51的直径选为0.4mm、0.6mm 两种，矩形窗的尺寸为2.2mm×1.116mm。耦合探针313的宽度为0.45mm，带状线馈电网络主传输线宽度选用0.25mm，中间用宽度渐变的过渡连接。波导口22、41的尺寸与WR-28矩形波导口相同。测试结果显示，4×4元阵列在26.4GHz～30.3GHz的范围内，天线回波损耗大于10dB，天线增益为17.4dBi～18.2dBi，效率大于65％，圆极化轴比小于3dB。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims

1.一种宽带圆极化平板阵列天线，其特征在于，从上往下依次层叠第一金属覆铜层(1)、第一介质层(5)、第二金属覆铜层(2)、第二介质层(6)、第三金属覆铜层(3)、第三介质层(7)、第四介质层(8)、第四金属覆铜层(4)；第一金属覆铜层(1)上刻蚀微带辐射单元(11)和SIW短路块(12)；第一介质层(5)内分布有贯穿其中且两端分别与第一金属覆铜层(1)和第二金属覆铜层(2)相连的第一类金属化孔(51)，该第一类金属化孔位于SIW短路块(12)的正下方、呈矩形排布；第二金属覆铜层(2)上刻蚀十字槽(21)和矩形窗口(22)；第三金属覆铜层(3)上刻蚀有带状线馈电网络(31)；第四金属覆铜层(4)为地板，其上刻蚀矩形波导口(41)；贯穿第二金属覆铜层(2)、第二介质层(6)、第三金属覆铜层(3)、第三介质层(7)、第四介质层(8)和第四金属覆铜层(4)设有第二类金属化孔(91)和第三类金属化孔(92)，所述第三类金属化孔(92)垂直对应于第一类金属化孔(51)排布、并共同与SIW短路块(12)、矩形窗口(22)、矩形波导口(41)构成SIW矩形腔；所述第二类金属化孔(91)与微带辐射单元垂直对应排布；所述带状线馈电网络(31)由90°相位延迟线(311)，一组并馈级联T型功分器(312)和耦合探针(313)组成，T型功分器(312)的数量由阵列的规模决定；所述90°相位延迟线(311)由切角弯传输线(3111)、匹配枝节(3112)、幅度补偿枝节(3113)和第一、第二相位延迟枝节(3114、3115)组成；其中，匹配枝节(3112)的长度用于调节天线的回波损耗；幅度补偿枝节(3113)的长度用于调节EX和EY的相对幅度值，第一、第二相位延迟枝节(3114、3115)用于调节EY和EY的相对相位差。

2.按权利要求1所述宽带圆极化平板阵列天线，其特征在于，所述微带辐射单元(11)由四个寄生贴片(111)构成，寄生贴片的形状为矩形贴片，三角贴片，方环、方形开口环或四分之一圆，且寄生贴片朝向十字槽的两边平行于十字槽；所述第二类金属化孔(91)与寄生贴片(111)中心垂直对应排布。

3.按权利要求2所述宽带圆极化平板阵列天线，其特征在于，所述微带辐射单元(11)的边长初值选为λ₀/2、λ₀为自由空间波导波长，寄生贴片(111)的间隙为两倍于十字槽(21)的宽度。

4.按权利要求1-3任一所述宽带圆极化平板阵列天线，其特征在于，所述十字槽的长度为λ_g/2、λ_g为波导波长，宽度为1/6～1/10槽长度。

5.按权利要求1-3任一所述宽带圆极化平板阵列天线，其特征在于，所述第二介质层(6)、第四介质层(8)用于支持相邻的金属覆铜层；所述第三介质层(7)为半固化片，用于层间高精度粘接。