CN107565225B - 一种阵列天线结构及多层过孔结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种阵列天线结构，包括辐射单元和馈电网络，辐射单元采用平面贴片形式，馈电网络采用基片集成波导的形式；整体结构采用多层印制电路板工艺实现，馈电网络采用在弯折的基片集成波导宽边上开横缝，通过缝隙耦合对顶部金属贴片进行馈电。本发明还公开一种多层过孔结构，将某一层介质基片上的基片集成波导的一个端口封闭，并通过一个金属化过孔作为射频信号传输之用。此种阵列天线结构采用弯折基片集成波导横缝结构，并通过对馈电网络进行匹配设计的方式来实现薄介质基片的情况下增加阵列天线带宽，以及实现毫米波天线与射频前端在多层印制电路板上实现不同层，以满足对尺寸要求及带宽要求比较高的毫米波系统的设计。

Description

一种阵列天线结构及多层过孔结构

技术领域

本发明属于电子领域，特别涉及一种阵列天线结构及多层过孔转接结构。

背景技术

随着社会的进步和技术的发展，对于实现电子系统高性能、小型化的需求日益迫切。阵列天线在通信、导航、雷达、探测等诸多领域的电子系统里面有着广泛的应用，能够实现高性能，小型化的阵列天线结构必然能带来良好的经济效益和社会效益。

微带贴片天线是近几十年来发展迅速的平面阵列天线结构，其以结构紧凑、重量轻、成本低、易于集成等优点被广泛应用在各种使用到无线电的应用场景，然而当使用微带贴片天线形成阵列时，尤其是当阵列形成一定规模时，馈电网络设计会比较复杂，而且天线的带宽等方面的性能会受到影响而恶化，尤其是当在频率较高的毫米波频段，直接使用微带形式的功率分配器作为馈电网络会存在损耗过大以及因馈电网络本身的辐射而影响整个阵列天线的辐射性能的情况，同时一般的微带贴片天线还面临着带宽过窄的问题。

基片集成波导(substrate integrated waveguide，SIW)是一种可以集成于介质基片中的新型导波结构，这种结构在介质基片中按一定间隔排列多个金属化通孔成为波导光滑侧壁的替代结构，从而与上下表面金属围成一个准封闭的导波结构，保持了金属波导的低插损、高功率容量等特点。基片集成波导已经被成功地用于设计多种微波结构，如基片集成波导天线、滤波器、双工器、功分器等。

因此实现毫米波频段的高性能、小型化天线可以综合考虑微带天线的紧凑结构的优势以及基片集成波导低插入损耗、低辐射的优势。

之前已经有相关文献报道或者专利公开了将基片集成波导技术与微带贴片结合设计毫米波阵列的方案。有方案利用基片集成波导作为馈电网络，微带贴片作为辐射单元的天线结构及设计方法，并且在频率较高的毫米波频段实现了较好性能，然而馈电网络与辐射单元处于同一个层面，增加了整个阵列天线的尺寸。有方案采用多层印制电路板制作的大规模毫米波阵列天线，并且获得了良好的性能，然而用于馈电网的介质基片过厚，且辐射层的介质基片与馈电层的介质基片不一致，不利于多层印制电路板的层压加工。

射频前端芯片与天线之间一般通过微带线相连，目前广泛的做法是天线与射频前端芯片设计在同一块介质基片上，以实现两者间的直接连接；然而，一些毫米波频段的系统需要利用多层印制电路板工艺来实现，此时如何实现天线与射频前端的高效连接是需要解决的问题。

因此，当前相关结构的阵列天线还存在着结构不紧凑、剖面过高、带宽窄等，以及采用多层印制电路板的毫米波射频系统中射频前端与天线相连等问题。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种阵列天线结构及多层过孔结构，采用弯折基片集成波导横缝结构，并通过对馈电网络进行匹配设计的方式来实现薄介质基片的情况下增加阵列天线带宽，以及实现毫米波天线与射频前端在多层印制电路板上实现不同层，以满足对尺寸要求及带宽要求比较高的毫米波系统的设计。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种阵列天线结构，包括辐射单元和馈电网络，其中，辐射单元采用平面贴片形式，馈电网络采用基片集成波导的形式；整体结构采用多层印制电路板工艺实现，层次结构上从上至下分别为顶部金属层、第一层介质基片、粘贴介质层、中间金属层、第二层介质基片、底部金属层；所述辐射单元处于顶部金属层，采用正方形金属贴片的形式，每个正方形金属贴片绕自身中心轴旋转45度后，在横向和纵向上分别等距排列形成平面阵列，平面阵列由共四行四列16个正方形金属贴片构成；所述馈电网络采用在弯折的基片集成波导宽边上开横缝，通过缝隙耦合对顶部金属贴片进行馈电，且一个横缝对位于顶部金属层的四个正方形金属贴片进行激励，所述馈电网络的整个结构由中间金属层、第二层介质基片、底部金属层以及穿过这三层结构的金属化通孔构成。

上述辐射单元中，横向和纵向各两个相邻的正方形金属贴片组成一个方形的辐射子阵，每个辐射子阵中，使用一个位于子阵中心的微带功分器将四个正方形金属贴片连接起来，微带功分器由两个背靠背放置的细窄的U型弯折地微带线通过一个短的细窄的直微带线将两者从中间连接构成；两个细窄的U形弯折地微带线端口朝相反方向放置，其中，上面的一个细窄的U形弯折地微带线的两端分别与第一行方形金属贴片的下方的角相连，下面的一个细窄的U形弯折地微带线的两端分别与第二行方形金属贴片的上方的角相连，两个相对的细窄的U形弯折地微带线的中间通过一段短的细窄的直微带线相连。

上述馈电网络中横缝的中心与其馈电的四个正方形金属贴片形成的辐射子阵的中心在垂直方向上重合。

上述馈电网络中采用的弯折基片集成宽边开的横缝，具体表现为在基片集成波导宽边通过一排金属化通孔形成短路面，在顶部金属层开一个与短路面平行的细缝，通过此细缝将电磁信号耦合到顶部金属贴片上，然后辐射到空间。

上述馈电网络共采用四个弯折基片集成波导横缝结构，每个弯折基片集成波导横缝结构对顶部金属层的四个正方形金属贴片进行馈电，四个弯折基片集成波导横缝结构在横向上相对排列，即激励端口相对，在纵向上四个弯折基片集成波导横缝结构同向排列，通过一个“工”字形的基片集成波导功率分配结构将四个弯折基片集成波导横缝结构连接起来，所述“工”字形基片集成波导功率分配结构的四个输出端分别连接到四个弯折基片集成波导横缝结构的激励端口上去，“工”字形基片集成波导功率分配结构的输入位于与“工”字形竖直枝节的中心。

上述第一层介质基片和第二层介质基片采用相同厚度的介质基片，均为0.254mm。

一种多层过孔结构，将位于多层印制电路板中间某一层介质基片上的基片集成波导的一个端口通过一排金属化通孔封闭，形成一个短路端口，在此基片集成波导中轴线上距离短路端口一定距离的位置，通过一个金属化过孔作为射频信号传输之用，穿过多层介质基片及粘贴介质层与位于底部金属层的微带线相连。

上述作为射频信号传输之用的金属化过孔的顶部与基片集成波导的上层金属相连，此金属化过孔的底部与底部金属层的微带线相连，此金属化过孔经过的中间各层金属层不与此过孔直接相连，均挖掉一个与此金属化过孔同圆心的圆槽进行避让。

上述作为射频信号传输之用的金属化过孔的底部与微带线相连部分为一个金属圆盘，微带线横穿金属圆盘，一端向金属圆盘外延伸一小段距离，一端作为馈电微带线端口，用于直接与射频端口相连。

上述金属圆盘的外围，且位于微带线两侧各打几个金属化孔将作为射频信号传输之用的金属化过孔包围，这些外围的金属化孔的顶部位于多层印制电路板中基片集成波导下层金属的下面一层金属，底部位于微带线所在的金属层。

采用上述方案后，本发明提供一种阵列天线结构及多层过孔结构，其中阵列天线结构包含辐射单元和馈电网络两个部分，辐射单元采用平面贴片形式，馈电网络采用基片集成波导的形式；总体结构采用多层印制电路板工艺实现，辐射单元和馈电网络不在同一层介质基片上实现，馈电网络采用基片集成波导宽边横缝激励上层贴片，并且对其做了电路匹配的设计，有效改善了反射参数，可以在薄基片上增加天线的带宽；其中的多层过孔结构实现了从基片集成波导到微带线的过渡转接，可以有效地解决采用多层印制电路板工艺的毫米波系统中天线与射频前端高效互联的问题。

附图说明

图1是本发明阵列天线的结构图；

图2是本发明多层过孔结构立体图；

图3是本发明多层过孔结构层次图；

图4是带有多层过孔转接的天线立体结构图；

图5是阵列天线实例|S11|实验结果示意图；

图6是阵列天线实例|S11|增益随频率变化曲线；

图7是42GHz方向图实验结果示意图；

图8是带过孔结构的阵列天线实例|S11|实验结果示意图；

图9是带过孔结构的阵列天线实例|S11|增益随频率变化曲线；

图10是带过孔结构的阵列天线在42GHz方向图实验结果示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种阵列天线结构，包括辐射单元1和馈电网络2、3两个部分，其中，辐射单元采用平面贴片形式，馈电网络采用基片集成波导的形式；总体结构采用多层印制电路板工艺实现，且辐射单元和馈电网络不在同一层介质基片上实现，在多层印制电路板层次结构中，总共具有两层介质基片、三层金属层和一个粘贴介质层，从上至下分别为顶部金属层1、第一层介质基片4、粘贴介质层6、中间金属层2、第二层介质基片5、底部金属层3；辐射单元处于顶部金属层1上，采用正方形金属贴片7的形式，每个正方形金属贴片7绕自身中心轴旋转45度后，在横向和纵向上分别等距排列形成平面阵列，平面阵列由四行四列共16个正方形金属贴片构成。取横向和纵向各两个相邻的正方形金属贴片组成一个含有四个辐射单元的方形的辐射子阵8，整个平面阵列可以分成四个辐射子阵；每个辐射子阵中，使用一个位于子阵中心的微带功分器25将四个正方形金属贴片连接起来，微带功分器25由两个背靠背放置的细窄的U型弯折地微带线9通过一个短的细窄的直微带线10将两者从中间连接构成；两个细窄的U形弯折地微带线9端口朝相反方向放置，其中，上面的一个细窄的U形弯折地微带线9的两端分别与第一行方形金属贴片的下方的角相连，下面的一个细窄的U形弯折地微带线9的两端分别与第二行方形金属贴片的上方的角相连，两个相对的细窄的U形弯折地微带线9的中间通过一段短的细窄的直微带线10相连。

馈电网络采用在弯折基片集成波导13宽边上开横缝12，通过缝隙耦合对顶部的微带功分器进行激励，从而对金属贴片进行馈电，且一个弯折基片集成波导横缝结构13通过对位于顶部金属层的微带功分器25进行激励，实现对四个由微带功分器25相连的正方形金属贴片的同相激励，整个弯折基片集成波导13由中间金属层2、第二层介质基片5、底部金属层3以及穿过这三层结构的金属化通孔11构成，这一排金属化通孔形成短路面；馈电网络中采用的弯折基片集成波导结构13通过激励端口26实现对横缝12的激励，再通过开在顶部并与这个侧边垂直的细缝12将电磁信号耦合到顶部金属贴片上，然后辐射到空间；整个馈电网络采用了四个弯折基片集成波导横缝结构，四个弯折基片集成波导横缝结构在横向上相对排列，即激励端口相对，在纵向上四个弯折基片集成波导横缝结构同向排列，通过一个类似“工”字形的基片集成波导功率分配结构14将四个弯折基片集成波导横缝结构连接起来，“工”字形基片集成波导功率分配结构14的四个输出端分别连接到四个弯折基片集成波导横缝结构激励端口上去，“工”字形基片集成波导功率分配结构14的输入位于与其主干中心位置，并与主干形成T形功分结构，同样采用基片集成波导结构。馈电网络中的细缝12的中心与其馈电的四个方形金属贴片形成的辐射子阵的中心在垂直方向上重合；整个阵列天线结构中第一层介质基片和第二层介质基片采用相同厚度的介质基片，均为0.254mmTaconic TLY-5,介电常数2.2。

请参照图2和图3所示，本发明还提供一种基片集成波导到微带线(或微带线到基片集成波导)的多层印制电路板过孔结构，基片集成波导位于多层印制电路板中间某一层介质基片上，由如22所示的过孔结构构成，其中23、24分别作为其上、下表面，将基片集成波导的一个端口通过一排金属化通孔15给封闭上，形成一个短路端口，在此基片集成波导中轴线上距离短路端口大约半个基片集成波导宽度的位置，通过一个金属化过孔16作为射频信号传输之用，穿过多层介质基片及粘贴介质层与位于底部金属层的微带线17相连；作为射频信号传输之用的金属化过孔16的顶部与基片集成波导的上层金属相连，此金属化过孔的底部与底部金属层的微带线17相连，此金属化过孔16经过的中间各层金属层不与此过孔16直接相连，均挖掉了一个与此金属化过孔同圆心的圆槽18进行避让；作为射频信号传输之用的金属化过孔16底部与微带线相连部分为一个金属圆盘19，微带线17横穿金属圆盘19，一端向金属圆盘外延伸一小段距离20，一端作为馈电微带线17端口，可以直接与射频端口相连；在底部金属层的金属圆盘19外围，微带线两侧各打上几个金属化孔21将作为射频信号传输之用的金属化过孔包围，这些外围的金属化孔21的顶部位于多层印制电路板中基片集成波导下层金属的下面一层金属，底部位于微带线17所在的金属层。

如图4所示，结合前面所述的天线结构及基片集成波导到微带线的多层过孔结构，可以得到一种集成阵列天线及射频前端的单板结构，整块电路板为多层印制电路板，与作为射频信号传输之用的金属化过孔底部相连的微带线27直接连接到射频前端，其他射频信号走线、供电走线等借助于多层印制电路板结构完成，可以在整块电路板的底层灵活地将微带线引入到射频前端的相关端口。

为了验证本发明提供的阵列天线结构和多层过孔结构的真实性和可靠性，特在Q波段制作了两个事例进行验证。一个事例是直接将本发明所提供的阵列天线的基片集成波导激励端口直接接上一段微带渐变线，后接50欧姆微带线，从而能够完成测试，相关实验结果如图5至图7所示。一个事例如图4所示，增加了多层多孔结构，来验证本发明所提供的阵列天线结构在利用本发明所提供的的多层过孔结构进行连接时的有效性和可靠性，整个结构采用了5层厚度为0.254mm的Taconic TLY-5介质基片，总共含有九层金属，相关实验结果见图8至图10。从图5至图10的相关事例的实验结果可以看出，仿真与测试结果吻合得很好，可以验证本发明提出的相关结构的正确性与有效性。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种阵列天线结构，其特征在于：包括辐射单元和馈电网络，其中，辐射单元采用平面贴片形式，馈电网络采用基片集成波导的形式；整体结构采用多层印制电路板工艺实现，层次结构上从上至下分别为顶部金属层、第一层介质基片、粘贴介质层、中间金属层、第二层介质基片、底部金属层；所述辐射单元处于顶部金属层，采用正方形金属贴片的形式，每个正方形金属贴片绕自身中心轴旋转45度后，在横向和纵向上分别等距排列形成平面阵列，平面阵列由共四行四列16个正方形金属贴片构成；所述馈电网络采用在弯折的基片集成波导宽边上开横缝，通过缝隙耦合对顶部金属贴片进行馈电，且一个横缝对位于顶部金属层的四个正方形金属贴片进行激励，所述馈电网络的整个结构由中间金属层、第二层介质基片、底部金属层以及穿过这三层结构的金属化通孔构成；

所述辐射单元中，横向和纵向各两个相邻的正方形金属贴片组成一个方形的辐射子阵，每个辐射子阵中，使用一个位于子阵中心的微带功分器将四个正方形金属贴片连接起来，微带功分器由两个背靠背放置的细窄的U型弯折微带线通过一个短的细窄的直微带线将两者从中间连接构成；两个细窄的U型弯折微带线端口朝相反方向放置，其中，上面的一个细窄的U型弯折微带线的两端分别与第一行方形金属贴片的下方的角相连，下面的一个细窄的U型弯折微带线的两端分别与第二行方形金属贴片的上方的角相连，两个相对的细窄的U型弯折微带线的中间通过一段短的细窄的直微带线相连。

2.如权利要求1所述的一种阵列天线结构，其特征在于：所述馈电网络中横缝的中心与其馈电的四个正方形金属贴片形成的辐射子阵的中心在垂直方向上重合。

3.如权利要求1所述的一种阵列天线结构，其特征在于：所述馈电网络中采用的弯折基片集成宽边开的横缝，具体表现为在基片集成波导宽边通过一排金属化通孔形成短路面，在顶部金属层开一个与短路面平行的细缝，通过此细缝将电磁信号耦合到顶部金属贴片上，然后辐射到空间。

4.如权利要求1所述的一种阵列天线结构，其特征在于：所述馈电网络共采用四个弯折基片集成波导横缝结构，每个弯折基片集成波导横缝结构对顶部金属层的四个正方形金属贴片进行馈电，四个弯折基片集成波导横缝结构在横向上相对排列，即激励端口相对，在纵向上四个弯折基片集成波导横缝结构同向排列，通过一个“工”字形的基片集成波导功率分配结构将四个弯折基片集成波导横缝结构连接起来，所述“工”字形基片集成波导功率分配结构的四个输出端分别连接到四个弯折基片集成波导横缝结构的激励端口上去，“工”字形基片集成波导功率分配结构的输入位于“工”字形竖直枝节的中心。

5.如权利要求1所述的一种阵列天线结构，其特征在于：所述第一层介质基片和第二层介质基片采用相同厚度的介质基片，均为0.254mm。

6.一种多层过孔结构，其特征在于：将位于多层印制电路板中间某一层介质基片上的基片集成波导的一个端口通过一排金属化通孔封闭，形成一个短路端口，在此基片集成波导中轴线上距离短路端口半个基片集成波导宽度的位置，通过一个金属化过孔作为射频信号传输之用，穿过多层介质基片及粘贴介质层与位于底部金属层的微带线相连；

所述作为射频信号传输之用的金属化过孔的顶部与基片集成波导的上层金属相连，此金属化过孔的底部与底部金属层的微带线相连，此金属化过孔经过的中间各层金属层不与此过孔直接相连，均挖掉一个与此金属化过孔同圆心的圆槽进行避让；

所述作为射频信号传输之用的金属化过孔的底部与微带线相连部分为一个金属圆盘，微带线横穿金属圆盘，一端向金属圆盘外延伸一小段距离，一端作为馈电微带线端口，用于直接与射频端口相连；

所述金属圆盘的外围，且位于微带线两侧各打几个金属化孔将作为射频信号传输之用的金属化过孔包围，这些外围的金属化孔的顶部位于多层印制电路板中基片集成波导下层金属的下面一层金属，底部位于微带线所在的金属层。

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