CN106887690A - 基于哑铃形缝隙耦合激励的宽带低剖面微带天线 - Google Patents

基于哑铃形缝隙耦合激励的宽带低剖面微带天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于哑铃形缝隙耦合激励的宽带低剖面微带天线，包括矩形辐射贴片，金属化隔离过孔阵列，内层金属地板，哑铃形耦合缝隙，带状线馈线，准同轴垂直互联结构，微带馈线，环形开口焊盘以及馈电用SMP连接器。该天线采用层压PCB技术构造，通过微带—准同轴金属化过孔—带状线结构共同构成立体传输结构，结合特殊的哑铃形耦合缝隙对矩形贴片进行激励。该天线具有结构紧凑，横向尺寸小，剖面低，成本低，易加工，易集成等特点，能够满足12GHz～18GHz整个Ku频段的使用要求，非常适合于Ku波段宽带相控阵系统的应用。

Description

基于哑铃形缝隙耦合激励的宽带低剖面微带天线
技术领域
本发明涉及一种基于哑铃形缝隙耦合激励的宽带低剖面微带天线，可作为Ku波段宽带相控阵系统的辐射单元，属于无线通信系统天线技术领域。
背景技术
随着传感器系统及卫星通讯系统的飞速发展，具备波束快速扫描赋形及自适应波束形成的宽带有源相控阵将成为其主流的硬件方案。宽带天线单元作为有源相控阵的重要组成部分，其特性对阵列的最终性能起到了至关重要的影响：首先，单元的横向尺寸决定了阵列在工作频带内的扫描覆盖范围；其次，单元的效率直接影响系统的作用距离与威力；而单元的匹配及耦合特性则决定了阵列的宽角度空域扫描能力；此外，其剖面高度将限制阵列的具体安装及应用环境；另外，民用领域的应用则对天线单元的成本控制提出了额外的要求。
平面式微带天线具备了小尺寸、轻重量、低剖面、低成本等优点，是未来有源相控阵单元的一种重要选择。但传统的微带天线单元带宽普遍较窄，一定程度上限制了其进一步的应用。针对这一问题，国内外学者进行了大量研究，提出了对贴片形式、天线结构、基板材料、馈电方式等方面的多种改进思路，其中以基于耦合馈电的多层微带形式最为有效，这一类微带天线以耦合馈电缝隙作为主要技术特征，缝隙的形状经历了不断的变化，从最初的“一”字形演变为“H”形，再到目前的“hour glass”形，同时配合馈电微带线的改进，使微带天线的相对带宽从最初的3％展宽至30％左右，并且通过对耦合缝隙及馈电线结构的升级改进，仍然具备进一步提升性能的空间与潜力。
鉴于缝隙耦合式微带天线的带宽优势及潜在应用前景，设计一种宽频带、小型化、低剖面、易集成、低成本、通用化的基于缝隙耦合激励的天线单元具有重要的现实意义。
发明内容
要解决的技术问题
本发明的目的在于针对现有技术中已有的几种缝隙耦合馈电结构在天线带宽及辐射性能上提升空间不足、可拓展性较差等问题，提出一种新颖的基于哑铃形缝隙耦合激励的宽带低剖面微带天线。该天线结构紧凑尺寸小，易集成，成本低廉，加工难度低，具有宽带高效率特性，能够满足Ku波段宽带相控阵系统或卫星通信系统的应用需求。
技术方案
一种基于哑铃形缝隙耦合激励的宽带低剖面微带天线，其特征在于从上至下依次包括第一高频介质板、第二高频介质板、第三高频介质板、第四高频介质板和SMP连接器；第一高频介质板、第二高频介质板、第三高频介质板和第四高频介质板通过半固化片胶膜压接；在第一高频介质板的上表面设有矩形辐射贴片，在矩形辐射贴片周围设有外圈金属化过孔阵列，外圈金属化过孔阵列贯穿第一高频介质板、第二高频介质板、第三高频介质板和第四高频介质板；在第二高频介质板的上表面对应于矩形辐射贴片的下方腐蚀出哑铃形耦合缝隙，上表面除哑铃形耦合缝隙外金属覆铜形成耦合缝隙内层地板；在第三高频介质板的上表面对应于哑铃形耦合缝隙的下方设有带状线馈线，所述的带状线馈线采用90度弯折的L形状，带状线馈线与哑铃形耦合缝隙构成多谐振耦合结构；在第三高频介质板和第四高频介质板内设有准同轴垂直互联结构，所述的准同轴垂直互联结构为金属化过孔，金属化过孔的一端与带状线馈线的输入连接，另一端与微带馈线的输出连接，带状线馈线、准同轴垂直互联结构以及微带馈线共同构成馈电结构，第四高频介质板的上表面除金属开孔区域外金属覆铜形成微带馈线内层地板；在第四高频介质板的下表面设有微带馈线和环形开口焊盘，SMP连接器焊接在环形开口焊盘上。
所述的第一高频介质板、第二高频介质板、第三高频介质板和第四高频介质板为介电常数εr＝3的Taconic TSM-DS3高频介质基材。
第一高频介质板的厚度为1.52mm，第二高频介质板、第三高频介质板和第四高频介质板的厚度均为0.25mm。
有益效果
本发明提出的一种基于哑铃形缝隙耦合激励的宽带低剖面微带天线，与现有技术相比，具有如下技术效果：
1.宽频带：通过选择合适的贴片尺寸、引入新型的哑铃形耦合缝隙，并且采用了L形带状馈线、准同轴与微带线的复合馈线结构，使得各部分的谐振频率带宽相互交叠，以此实现了工作频率覆盖12GHz～18GHz频带的缝隙耦合天线。本发明提出的哑铃形缝隙耦合微带天线的宽带性能优于传统的缝隙耦合式微带天线，并且带宽提升空间更大。
2.低剖面小型化：多层平面耦合的馈电结构以及新颖的耦合缝隙，在保证工作带宽的同时，最大程度的压缩了天线的剖面高度；而通过合理选择基板厚度，同时结合金属化过孔隔离阵列，能够将天线横向尺寸控制在高频端(18GHz)波长的0.57倍以内。
3.易集成：天线采用多层微带耦合式结构，馈线采用带线/微带线形式，对外接口为微带转同轴的SMP连接器，既可以采用与后端电路盲插的组合方式，也可以直接通过倒装焊将馈线与后端电路集成，甚至可以采用一体化设计的方式，将电路直接集成在天线底部。
附图说明
图1为本发明宽带低剖面微带天线的结构分解图
图2为本发明宽带低剖面微带天线的结构侧视图
图3为本发明宽带低剖面微带天线的正视图
图4为本发明宽带低剖面微带天线的后视图
图5为本发明宽带低剖面微带天线的实测端口电压驻波比曲线
图6为本发明宽带低剖面微带天线的实测增益曲线
1-高频介质板，2-辐射贴片，3-耦合缝隙内层地板，4-带状线馈线，5-微带馈线内层地板，6-准同轴垂直互联结构，7-微带馈线，8-环形开口焊盘，9-SMP连接器，10-耦合缝隙，11-外圈金属化过孔阵列，12-内圈金属化过孔阵列。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
基于哑铃形缝隙耦合激励的宽带低剖面微带天线，采用缝隙耦合馈电的多层微带结构形式，包括矩形辐射贴片、哑铃形耦合缝隙、复合式馈线、金属地板、屏蔽结构以及SMP连接器。整个天线共由四层介质板层压构成，多层板材料选择介电常数εr＝3的TaconicTSM-DS3高频介质基材，板间通过半固化片胶膜压接，所选半固化片材料为介电常数εr＝2.7的Taconic FR-27。
天线顶层为矩形辐射贴片，贴片的尺寸决定天线的主谐振频率。贴片基板下方的内层接地板上腐蚀出哑铃形缝隙，该缝隙在H形缝隙基础上，分别引入四处倾斜渐变结构，形成天线的多个寄生谐振频率，进而起到展宽天线工作带宽的作用。缝隙下方的L形带状馈线，通过调节其终端尺寸及与缝隙的相对位置，与哑铃形缝隙共同构成宽带高效率的耦合结构。金属化馈电过孔将带状馈线与天线底层的微带输出线连通，通过调节过孔直径及地板开孔尺寸，最终形成高效率的宽带复合馈线。最底层的微带输出线旁采用矩形开口的圆环形接地焊盘，用于焊接SMP连接器。SMP连接器将微带信号转换为同轴信号，并形成垂直于天线平面向后传输的盲插接口，便于天线的安装与集成。
馈电结构由带状馈线4，准同轴垂直互联结构6以及微带馈线7共同构成，带状馈线采用90度弯折的L形与哑铃形缝隙10构成多谐振耦合结构；准同轴垂直互联结构6穿过两层介质板，将信号由带状线层垂直传输至天线底部的微带馈线7；微带线与具有微带同轴转换结构的SMP连接器9通过环形开口焊盘8焊接，以此作为该天线的对外电气接口。
天线的贴片与带状馈线、带状馈线与微带馈线间均通过内层接地板隔离，有效降低了背向的辐射干扰；天线四周采用沿矩形环绕排列的金属化过孔阵列，有利于隔离馈线介质层及贴片介质层中的表面波，降低天线组阵后的相互干扰。
本实施例是一种基于哑铃形缝隙耦合激励的宽带低剖面微带天线，该天线具有宽频带、低剖面、易集成的特点。
参照图1～图4，微带馈线7与带状馈线4间采用准同轴8垂直互联，通过调节准同轴结构中的地板开孔尺寸以及准同轴外过孔与馈电中心的间距，可获得宽带的垂直传输特性；带状馈线4采用L形弯折，将能量耦合至内层地板的哑铃形缝隙10，该缝隙由沿电场H面方向的一条主耦合缝隙和沿E面方向的两条次耦合缝隙构成，同时主次缝隙间采用倾斜过渡的方式，在中心频率的周围引入多个谐振频率的同时，能够更精细的调节谐振点的位置与匹配特性，这样整个馈线和哑铃形缝隙就构成了一个集成式的宽带多谐振耦合结构，并进一步与位于耦合缝隙上方的辐射贴片2组合，达到拓展带宽的目的。
整个天线由四个双面覆铜的Taconic TSM-DS3高频介质板1层压构成，板间物理连接选择压接厚度为3mil的Taconic FR-27半固化片实现，天线的接地面和导带在介质基片的两侧交替放置，内层地面的可靠接地通过贯穿多层板的外圈金属化过孔阵列11及内圈金属化过孔阵列12实现。采用外圈金属化过孔阵列11围绕辐射贴片2，同时采用内圈金属化过孔阵列12围绕馈线结构，形成隔离表面波的屏蔽腔体，以利于天线在大角度扫描的阵列环境中的应用。四层介质基材中，辐射贴片介质板1a的厚度为1.52mm，其余三层介质板1b～1d的厚度均为0.25mm。
天线的横向尺寸为9.5mm×9.5mm(长×宽)，多层介质结构总厚度为2.55mm(压接后)，连接器高度为3.5mm，整个天线的剖面高度为6.05mm。为了配合SMP表贴连接器9的外导体接地，底层微带的接地区域采用了环形开口的焊盘形式，缺口由半径0.95mm的圆形和宽度1.4mm的矩形组合构成。
标准的50欧姆SMP连接器9作为整个天线的对外电气接口，其弯折的内导体直接与天线底部的50欧姆微带线7电气连接，而SMP连接器9的外导体则通过导电胶膜或者锡焊方式与天线底部的环形开口焊盘8连接。
图5为天线的实测端口电压驻波比曲线，从图中可见在12GHz～17.6GHz频带范围内电压驻波比VSWR＜2，17.6GHz～18GHz频带范围内电压驻波比VSWR＜2.3，达到了约40％的相对带宽。
图6为天线的实测增益曲线，从图中可见除高频端增益约为1dB以外，在12GHz～17.6GHz频带范围内增益介于2.3dBi～6.6dBi之间，具有良好的辐射效率。

Claims (3)

1.一种基于哑铃形缝隙耦合激励的宽带低剖面微带天线，其特征在于从上至下依次包括第一高频介质板(1a)、第二高频介质板(1b)、第三高频介质板(1c)、第四高频介质板(1d)和SMP连接器(9)；第一高频介质板(1a)、第二高频介质板(1b)、第三高频介质板(1c)和第四高频介质板(1d)通过半固化片胶膜压接；在第一高频介质板(1a)的上表面设有矩形辐射贴片(2)，在矩形辐射贴片(2)周围设有外圈金属化过孔阵列(11)，外圈金属化过孔阵列(11)贯穿第一高频介质板(1a)、第二高频介质板(1b)、第三高频介质板(1c)和第四高频介质板(1d)；在第二高频介质板(1b)的上表面对应于矩形辐射贴片(2)的下方腐蚀出哑铃形耦合缝隙(10)，上表面除哑铃形耦合缝隙(10)外金属覆铜形成耦合缝隙内层地板(3)；在第三高频介质板(1c)的上表面对应于哑铃形耦合缝隙(10)的下方设有带状线馈线(4)，所述的带状线馈线(4)采用90度弯折的L形状，带状线馈线(4)与哑铃形耦合缝隙(10)构成多谐振耦合结构；在第三高频介质板(1c)和第四高频介质板(1d)内设有准同轴垂直互联结构(6)，所述的准同轴垂直互联结构(6)为金属化过孔，金属化过孔的一端与带状线馈线(4)的输入连接，另一端与微带馈线(7)的输出连接，带状线馈线(4)、准同轴垂直互联结构(6)以及微带馈线(7)共同构成馈电结构，第四高频介质板(1d)的上表面除金属开孔区域外金属覆铜形成微带馈线内层地板(5)；在第四高频介质板(1d)的下表面设有微带馈线(7)和环形开口焊盘(8)，SMP连接器(9)焊接在环形开口焊盘(8)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于哑铃形缝隙耦合激励的宽带低剖面微带天线，其特征在于所述的第一高频介质板(1a)、第二高频介质板(1b)、第三高频介质板(1c)和第四高频介质板(1d)为介电常数εr＝3的Taconic TSM-DS3高频介质基材。
3.根据权利要求1所述的一种基于哑铃形缝隙耦合激励的宽带低剖面微带天线，其特征在于第一高频介质板(1a)的厚度为1.52mm，第二高频介质板(1b)、第三高频介质板(1c)和第四高频介质板(1d)的厚度均为0.25mm。
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