CN109037930B - 基于层叠的微带和基片集成波导馈电的宽带阵列天线 - Google Patents

基于层叠的微带和基片集成波导馈电的宽带阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于层叠的微带和基片集成波导馈电的宽带阵列天线，包括由上往下依次设置的顶部金属层、第一介质层、第一中间金属层、第二介质层、第二中间金属层、第三介质层和底部金属层，其中，顶部金属层上设有微带辐射单元，第一中间金属层上设有微带馈电网络，微带辐射单元与微带馈电网络之间通过贯穿第一介质层的金属化通孔连接；所述天线还包括基片集成波导馈电网络，基片集成波导馈电网络包括第二中间金属层、第三介质层、底部金属层和贯穿第三介质层的金属化通孔。本发明能够实现大于15％的阻抗带宽，相对于现有技术有效提高了阻抗带宽。此外，本发明还有效提高了辐射效率和正交极化区分度。

Description

基于层叠的微带和基片集成波导馈电的宽带阵列天线
技术领域
本发明涉及微波毫米波领域，特别是涉及宽带阵列天线。
背景技术
由于各种实际的和潜在的应用的推动，毫米波技术在最近一些年受到了巨大的关注，例如5G毫米波通信，汽车雷达，高分辨率成像和探测以及一些其他应用。为了实现通信系统中的高速率传输和汽车雷达和成像应用中的高分辨率，宽带的电子设备是必须的。特别地，作为毫米波无线系统中关键器件的宽带毫米波器件天线急需要被开发和设计。在各种毫米波天线中，平面毫米波阵列天线因为高增益以及可以直接与射频前端集成的优点非常的有前景。
对于平面毫米波阵列天线，相关领域的专家、学者、工程技术人员已经开展了广泛的研究，并形成了一系列的技术成果，其中，层叠式的结构由于有利于实现系统的小型化而广受欢迎。然而，就已公开的层叠式平面毫米波阵列天线结构而言，带宽仍然有提高的空间。目前大部分的层叠式平面毫米波阵列天线的阻抗带宽(|S11|<-10dB)小于10％，对于一些宽带的应用，仍然有提高的必要。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够提高阻带带宽、减小馈电网络所用介质基片的厚度的基于层叠的微带和基片集成波导馈电的宽带阵列天线。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的基于层叠的微带和基片集成波导馈电的宽带阵列天线，包括由上往下依次设置的顶部金属层、第一介质层、第一中间金属层、第二介质层、第二中间金属层、第三介质层和底部金属层，其中，顶部金属层上设有微带辐射单元，第一中间金属层上设有微带馈电网络，微带辐射单元与微带馈电网络之间通过贯穿第一介质层的金属化通孔连接；所述天线还包括基片集成波导馈电网络，基片集成波导馈电网络包括第二中间金属层、第三介质层、底部金属层和贯穿第三介质层的金属化通孔。
进一步，所述微带辐射单元包括矩形微带贴片和围绕着矩形微带贴片的U形寄生贴片，金属化通孔连接矩形微带贴片和微带馈电网络。这样的微带辐射单元结构使得在不会导致阻抗失配的前提下，第三介质层可以相对于现有技术减小厚度，从而有利于天线与毫米波前端芯片直接集成，进而有利于降低由于天线与毫米波前端芯片通过转接或者接头相连而带来的额外损耗。
进一步，所述微带馈电网络包括“工”字形微带功分器，微带功分器的两条平行边的外侧各设有一个U形谐振器，U形谐振器的底部与微带功分器的平行边平行。
进一步，所述微带功分器的两条平行边的端部均通过金属化通孔连接微带辐射单元。
进一步，所述基片集成波导馈电网络包括在第二中间金属层上刻蚀的矩形槽。这样能够实现对辐射单元的耦合馈电。
进一步，所述微带馈电网络包括“工”字形微带功分器，微带功分器的两条平行边的外侧各设有一个U形谐振器，U形谐振器的底部与微带功分器的平行边平行；矩形槽的中心与微带功分器的中心重合。这样能够对“工”字形微带功分器连接的微带辐射单元进行等幅同相馈电。
进一步，所述基片集成波导馈电网络还包括贯穿第三介质层的其他金属化通孔，所述其他金属化通孔用于改善基片集成波导馈电网络的阻抗匹配。
有益效果：本发明公开了基于层叠的微带和基片集成波导馈电的宽带阵列天线，在不增加金属层和介质层的总层数的情况下，通过将微带辐射单元和微带馈电网络设在不同层、中间用金属化通孔连接，能够实现大于15％的阻抗带宽，相对于现有技术有效提高了阻抗带宽。此外，本发明还有效提高了辐射效率和正交极化区分度。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中天线的侧视图；
图2为本发明具体实施方式中天线的分层结构示意图；
图3为本发明具体实施方式中天线的顶部金属层的结构示意图；
图4为本发明具体实施方式中天线的第一中间金属层的结构示意图；
图5为本发明具体实施方式中天线的第二中间金属层的结构示意图；
图6为本发明具体实施方式中天线的底部金属层的结构示意图；
图7为本发明具体实施方式中阵列规模扩展示意图；
图8为本发明具体实施方式中扩展成8×8阵列后的示意图；
图9为本发明具体实施方式中天线的|S11|仿真和测试结果图；
图10为本发明具体实施方式中天线的增益曲线仿真和测试结果图以及辐射效率仿真结果；
图11为本发明具体实施方式中天线的XOZ面方向图的仿真和测试结果(30GHz)；
图12为本发明具体实施方式中天线的YOZ面方向图的仿真和测试结果(30GHz)。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种基于层叠的微带和基片集成波导馈电的宽带阵列天线，如图1和图2所示，包括由上往下依次设置的顶部金属层1、第一介质层2、第一中间金属层3、第二介质层4、第二中间金属层5、第三介质层6和底部金属层7，第二介质层4为粘贴片。其中，顶部金属层1上设有微带辐射单元25，第一中间金属层3上设有微带馈电网络，微带辐射单元25与微带馈电网络之间通过贯穿第一介质层2的金属化通孔12连接；天线还包括基片集成波导馈电网络，基片集成波导馈电网络包括第二中间金属层5、第三介质层6、底部金属层7和贯穿第三介质层6的金属化通孔16。第一介质层2可以采用厚度为0.381mm的介质基片，第二介质层4可以采用厚度为0.2mm的粘贴片，第三介质层6可以采用厚度为0.254mm的介质基片。
如图3所示，微带辐射单元25有4×4个，每4个相邻的微带辐射单元25构成一个子阵，一共有2×2个子阵。微带辐射单元25包括矩形微带贴片10和围绕着矩形微带贴片10的U形寄生贴片11，金属化通孔12连接矩形微带贴片10和微带馈电网络。矩形微带贴片10远离U形寄生贴片11的端部连接金属化通孔12。
如图4所示，微带馈电网络包括“工”字形微带功分器13，微带功分器13的两条平行边的外侧各设有一个U形谐振器14，U形谐振器14的底部与微带功分器13的平行边平行，形成耦合结构。微带功分器13的两条平行边的端部均通过金属化通孔12连接U形寄生贴片11。
如图5所示，基片集成波导馈电网络是一个一分四路的“工”字形结构，四个输出端口均采用一排金属化通孔来短路，分别为位于第一输出端口处的第一排金属化通孔171、位于第二输出端口处的第二排金属化通孔172、位于第三输出端口处的第三排金属化通孔173以及位于第四输出端口处的第四排金属化通孔174。基片集成波导馈电网络还包括在第二中间金属层5上刻蚀的矩形槽15。矩形槽15的中心与微带功分器13的中心重合。每个子阵中的四个微带辐射单元25对称分布在矩形槽15的两侧。为了改善基片集成波导馈电网络的阻抗匹配，基片集成波导馈电网络还包括贯穿第三介质层6的其他金属化通孔，如图6所示，分别为金属化通孔181、金属化通孔182、金属化通孔183、金属化通孔191、金属化通孔192、金属化通孔193和金属化通孔194。
参照图7和图8，本天线是方形阵列形式，其阵列规模可以按以下方法进行扩展：
步骤1：将4×4的方阵作为一个子阵，将四个这样的子阵按照每行和每列各两个的形式组合，如图7所示，四个子阵分别为子阵20、子阵21、子阵22和子阵23。其中，每行中的两个子阵的基片集成波导馈电网络的输入端口相对放置，也即端口24和端口25相对放置，端口26和端口27相对放置。
步骤2：用一个与子阵20的基片集成波导馈电网络位于同一层次的一分四路的“工”形基片集成波导分配器将步骤1中排列组合好的四个子阵连接起来，一分四路的“工”形基片集成波导分配器的一个输出端口连接一个子阵的输入端口，由此可形成8×8的子阵。
步骤3：对于形成一个2N×2N(N大于2)的阵列，只需将步骤1中的4×4的方形阵列换成2N-1×2N-1(N大于3)方形阵列，然后重复步骤1和步骤2；对于形成一个2N-1×2N-1(N大于3)方形阵列，只需将步骤1中的4×4的方形阵列换成2N-2×2N-2(N大于4)方形阵列，然后重复步骤1和步骤2；如此下去，直到子阵的规模为步骤1所述的4×4。
为了验证本发明提供的实现宽带阵列天线结构的真实性和可靠性，特按照本发明提供的方案和双圆极化结构制作了一个工作在Ka波段(28GHz附近)的4×4毫米波阵列天线实施例进行验证，天线的第一介质层2可以采用厚度为0.381mm的介质基片Taconic TLY-5，第二介质层4可以采用厚度为0.2mm的粘贴片Rogers 4450B，第三介质层6可以采用厚度为0.254mm的介质基片Taconic TLY-5。附图9-附图12给出了天线的相关性能仿真和测试结果，仿真和测试实验结果可以看出，该天线具有紧凑的结构，较宽的阻抗带宽(约17.7％)，较高增益(16dBi左右)，较高正交极化区分度(优于35dB)，宽轴比带宽，等特点。并且馈电网络采用0.254mm厚度的介质基片，可以实现与Ka波段射频前端芯片直接集成。

Claims (3)

1.基于层叠的微带和基片集成波导馈电的宽带阵列天线，其特征在于：包括由上往下依次设置的顶部金属层(1)、第一介质层(2)、第一中间金属层(3)、第二介质层(4)、第二中间金属层(5)、第三介质层(6)和底部金属层(7)，其中，顶部金属层(1)上设有微带辐射单元(25)，第一中间金属层(3)上设有微带馈电网络，微带辐射单元(25)与微带馈电网络之间通过贯穿第一介质层(2)的金属化通孔(12)连接；所述微带辐射单元(25)包括矩形微带贴片(10)和围绕着矩形微带贴片(10)的U形寄生贴片(11)，金属化通孔(12)连接矩形微带贴片(10)和微带馈电网络；所述天线还包括基片集成波导馈电网络，基片集成波导馈电网络包括第二中间金属层(5)、第三介质层(6)、底部金属层(7)、在第二中间金属层(5)上刻蚀的矩形槽(15)和贯穿第三介质层(6)的金属化通孔(16), 所述微带馈电网络包括“工”字形微带功分器(13)，微带功分器(13)的两条平行边的外侧各设有一个U形谐振器(14)，U形谐振器(14)的底部与微带功分器(13)的平行边平行, 矩形槽(15)的中心与微带功分器(13)的中心重合。
2.根据权利要求1所述的基于层叠的微带和基片集成波导馈电的宽带阵列天线，其特征在于：所述微带功分器(13)的两条平行边的端部均通过金属化通孔(12)连接微带辐射单元(25)。
3.根据权利要求1所述的基于层叠的微带和基片集成波导馈电的宽带阵列天线，其特征在于：所述基片集成波导馈电网络还包括贯穿第三介质层(6)的其他金属化通孔，所述其他金属化通孔用于改善基片集成波导馈电网络的阻抗匹配。
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