CN109066063A - 一种低剖面ltcc毫米波双极化阵列天线 - Google Patents

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CN109066063A CN201810790330.3A CN201810790330A CN109066063A CN 109066063 A CN109066063 A CN 109066063A CN 201810790330 A CN201810790330 A CN 201810790330A CN 109066063 A CN109066063 A CN 109066063A
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秦德超
吕文中
范桂芬
雷文
梁飞
汪小红
付明
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Abstract

本发明公开一种低剖面LTCC毫米波双极化阵列天线，包括：由端口1输入的电磁波在中间层功分结构传输，通过缝隙3耦合进入上层功分结构，通过缝隙1耦合进入天线单元，并产生方向1的极化；由端口2输入的电磁波在下层功分结构传输，通过缝隙5耦合进入中间层功分结构，通过缝隙4耦合进入上层功分结构，通过缝隙2耦合进入天线单元，并产生方向2的极化；当接收方向1极化电磁波时，电磁能量通过缝隙1进入上层功分结构，并通过缝隙3进入中间层功分结构；当接收方向2极化电磁波时，电磁能量通过缝隙2进入上层功分结构，并通过缝隙4耦合进入中间层功分结构，再通过缝隙5耦合进入下层功分结构。本发明实现天线高增益、宽频带和双端口的高隔离度。

Description

一种低剖面LTCC毫米波双极化阵列天线
技术领域
本发明涉及毫米波天线技术领域，更具体地，涉及一种低剖面低温共烧陶瓷(LTCC，Low Temperature Co-fired Ceramic)毫米波双极化阵列天线。
背景技术
随着无线通讯的不断发展，微波及以下的频谱资源日益紧张，为解决这一问题，人们逐渐将目光转移向了毫米波频段。相较于微波频段，毫米波具有频带宽，波束窄，传输速率快，探测能力强，抗干扰能力强，穿透性好等优点。这使得毫米波系统在高速数据传输，空间通信，精确制导和高分辨率成像雷达等领域有着广泛的应用。毫米波天线作为毫米波系统中的关键部件，其性能的好坏在一定程度上决定了整个毫米波系统的性能。由于毫米波在大气中传播时会有较大的衰减，同时为了满足毫米波系统小型化的需求，一般要求毫米波天线具有高增益、小体积、质量轻等特点。
双极化天线，顾名思义，可以同时接收或发射两个极化方式相互垂直的信号，而且互不干扰。双极化天线可以根据系统实际应用的需求动态地改变其工作的极化方式，从而提供极化分集以对抗多径衰落和增加信道容量。由于其具有极化多样性这一巨大优势，在通信和雷达领域应用较为广泛。
现有的双极化天线形式主要是微带天线，但是当到达毫米波频段，微带线的巨大损耗会大大降低天线的效率，难以获得广泛应用，另一种常见的双极化实现方式是通过金属波导实现，金属波导一般具有较高的剖面。
LTCC技术由于其特有的叠层工艺，使得天线结构设计更加多样化，天线的布局从二维平面空间向三维立体空间拓展，为小型化毫米波天线的设计提供了必要的条件；此外，LTCC技术可实现天线与馈电网络的一体化立体集成，为高增益毫米波阵列天线提供了便利的条件。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有LTCC天线技术在毫米波频段驻波特性恶化，天线带宽变窄、交叉极化特性变差，天线增益不高的技术难题。
为实现上述目的，本发明提供一种低剖面LTCC毫米波双极化阵列天线，包括：天线阵列和双极化馈电结构，所述天线阵列位于双极化馈电结构上表面；
所述天线阵列包括N个天线单元，N为大于或等于2的偶数；所述双极化馈电结构自上而下由上层功分结构、中间层功分结构和下层功分结构组成：所述上层功分结构包括N/2个一分二功分器，每个一分二功分器两端的上表面设有十字交叉的第一缝隙和第二缝隙，第一缝隙沿第一方向，第二缝隙沿第二方向，所述第一方向与第二方向垂直；每个功分器两端的位置分别与一个天线单元的中心位置对应；
所述中间层功分结构包括1个一分N/2功分器和N个基片集成腔，一分N/2功分器N/2个短路端上表面分别设置有N/2个第三缝隙，所述基片集成腔作为下层功分结构和上层功分结构的转接结构，每个基片集成腔上表面设有第四缝隙，第三缝隙沿第一方向，第四缝隙沿第二方向；设所述一分N/2功分器的输入端为第一端口；
所述下层功分结构包括1个一分N功分器，一分N功分器N个短路端上表面分别设置有N个第五缝隙，第五缝隙沿第二方向；设所述一分N功分器的输入端为第二端口；所述N/2个一分二功分器一端的第三缝隙与第一缝隙垂直位置相对应，所述第二缝隙、第四缝隙以及第五缝隙的垂直位置相对应；
由第一端口输入的电磁波在中间层功分结构传输，通过第三缝隙耦合进入上层功分结构，通过第一缝隙耦合进入天线单元，并产生第一方向的极化辐射；由第二端口输入的电磁波在下层功分结构传输，通过第五缝隙耦合进入中间层功分结构，通过第四缝隙耦合进入上层功分结构，通过第二缝隙耦合进入天线单元，并产生第二方向的极化辐射；
当天线阵列接收第一方向极化的电磁波时，天线单元内产生第一方向的电场，电磁能量通过第一缝隙耦合进入上层功分结构，并通过第三缝隙耦合进入中间层功分结构；当天线阵列接收第二方向极化的电磁波时，天线单元内产生第二方向的电场，电磁能量通过第二缝隙耦合进入上层功分结构，并且通过第四缝隙耦合进入中间层功分结构，再通过第五缝隙耦合进入下层功分结构。
其中，毫米波天线指工作在毫米波段的天线，具体波长为1～10毫米的电磁波称毫米波。毫米波频率范围为26.5GHz～300GHz。
具体地，本发明利用中间层功分结构中的基片集成腔可实现上层馈电结构的的等臂同相馈电，同时提升两端口的隔离度。
可选地，所述天线单元的辐射体包括基片集成腔，由双极化馈电结构输入的电磁波在基片集成腔体内产生谐振，并通过基片集成腔表面向外辐射；或通过基片集成腔表面接收电磁波，使电磁波在基片集成腔体内产生谐振，并通过双极化馈电结构输出；
所述天线单元还包括：位于基片集成腔上表面的金属贴片，所述基片集成腔与金属贴片的共同作用，产生第一方向或第二方向的极化辐射。
可选地，所述金属贴片与基片集成腔和十字交叉的第一缝隙和第二缝隙呈中心对齐。
可选地，所述第一缝隙和第二缝隙中心对齐，距离一分二功分器短路端的距离为1/2个波导波长。
可选地，所述第二缝隙与一分二功分器的中心线对齐。
可选地，所述第五缝隙在一分N功分器中心线的一侧，其距离一分N功分器短路端的距离为1/4波导波长。
可选地，所述第三缝隙在一分N/2功分器中心线的一侧，其距离一分N/2功分器短路端的距离为1/4波导波长。
可选地，在一分N/2功分器中心线的另一侧设置有第一金属过孔；通过调节第一缝隙、第三缝隙及第一金属过孔的位置可以调节第一方向极化的阻抗匹配。
可选地，在一分N功分器中心线的另一侧设置有第二金属过孔；通过调节第二缝隙、第四缝隙、第五缝隙及第二金属过孔的位置可以调节第二方向极化的阻抗匹配。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明中天线单元通过增大辐射口径，在腔体中引入高次模，再通过金属贴片改变腔体内电磁场分布，实现辐射，通过高次模辐射提高天线增益。
2、本发明通过金属贴片产生额外的谐振峰，通过调整贴片和基片集成腔体的尺寸，分离贴片产生的谐振峰和基片集成腔体产生的谐振峰，实现天线带宽的展宽。
3、本发明馈电网络通过双层馈电结构实现等幅同相馈电，避免通过不等臂补偿端口相位导致的阵元间距增大和带宽窄的缺点，避免了由于阵元间距过大产生的栅瓣。
4、本发明通过三层馈电网络，分别将两个端口放置在不同波导层，降低两端口之间的耦合，大大增加了两端口的隔离度。
附图说明
图1是本发明提供的LTCC毫米波双极化阵列天线的结构示意图；
图2(a)是本发明提供的LTCC毫米波双极化阵列天线的天线阵列结构示意图；
图2(b)是本发明提供的LTCC毫米波双极化阵列天线的上层功分结构示意图；
图2(c)是本发明提供的LTCC毫米波双极化阵列天线的中间层功分结构示意图；
图2(d)是本发明提供的LTCC毫米波双极化阵列天线的下层功分结构示意图；
图3是本发明提供的LTCC毫米波双极化阵列天线的S参数仿真结果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的目的在于提供一种低剖面LTCC毫米波双极化阵列天线，旨在较低的剖面高度下，实现天线的高增益、宽频带和双端口的高隔离度。本发明基于LTCC特有的多层平面工艺，通过采用基片集成腔辐射结构，利用腔体的高次模进行辐射，同时腔体结构可以抑制基板表面波，提高天线的辐射效率，实现天线的高增益；通过分离贴片谐振模式和腔体谐振模式，实现天线工作频带展宽；采用基片集成波导馈电结构及独特的输入输出耦合结构，增加两个极化端口的隔离度；利用基片集成波导结构，构建功分馈电网络，最终实现双极化阵列天线。
图1为本发明提供的一种LTCC毫米波双极化阵列天线，包括：图1是本发明提供的LTCC毫米波双极化阵列天线的实施例的结构示意图。包括天线阵列和馈电网络两部分。
馈电网络包括上层功分结构、中间层功分结构和下层功分结构。每层功分结构包括3层LTCC流延片层和与之相邻的金属层。其中，馈电网络包括两个端口，通过三层功分结构可以实现两个极化方向电磁波的传输，并对两个极化方向的电磁波实现隔离，因此该馈电结构也可称为双极化馈电结构。
天线阵列，包括由多个呈阵列排列的天线单元，每个天线单元可接收由馈电网络输入的电磁波，并向外辐射电磁波，也可以接收空间中的电磁波，并输送给馈电网络。
馈电网络，包含两个输入端，与外部转接模块的输出端相连，通过功分器将电磁波分为多路电磁波，并通过双极化馈电结构对天线阵列进行馈电，分别用于激励两个相互垂直的极化方向。
进一步地，阵列天线单元由基片集成腔和金属贴片组合而成。
进一步地，基片集成腔，作为天线单元的主要辐射体，使由双极化馈电结构输入的电磁波在腔体内产生谐振，并通过口径面向外辐射；或通过口径面接收电磁波，使电磁波在腔体内产生谐振，并通过双极化馈电结构输出。
进一步地，金属贴片，位于基片集成腔表面，即天线口径面，当天线工作于接收或发射状态下，电磁波在基片集成腔内发生谐振时，金属贴片上感应出谐振场，进而引入另一个谐振模式，使天线工作带宽得以扩展。
进一步地，上层功分结构、中间层功分结构和下层功分结构的主要辐射体均为基片集成波导。即双极化馈电结构，由三层基片集成波导组成，由端口1输入的电磁波通过上层基片集成波导传输，通过平行于波导短路面的缝隙耦合进入基片集成腔，并通过基片集成腔与金属贴片的共同作用，产生X方向极化辐射；由端口2输入的电磁波通过下层基片集成波导传输，通过平行于波导短路面的缝隙耦合进入中间层的过渡结构，再通过过渡结构上层缝隙耦合进入上层基片集成波导，然后通过垂直于上层波导短路面的缝隙耦合进入基片集成腔，并通过基片集成腔与金属贴片的共同作用，产生Y方向极化。
进一步地，基片集成腔中的谐振模式为高次谐振模式。
进一步地，金属贴片，用以调整天线口径面中场分布的作用，使基片集成腔产生有效辐射。
进一步地，基片集成腔体下表面刻有用于电磁波传输的十字交叉缝隙。
进一步地，金属贴片与基片集成腔体和馈电缝隙呈中心对齐。
进一步地，上层基片集成波导包含三层LTCC基片，由两排平行的金属过孔和一排与之正交排列的金属过孔构成。
进一步地，中间层基片集成波导包含三层LTCC基片，由金属过孔围成。
进一步地，下层基片集成波导包含三层LTCC基片，由两排平行的金属过孔和一排与之正交排列的的金属过孔构成。
进一步地，所有结构通过缝隙耦合。
具体地，天线阵列包括N个天线单元，N为大于或等于2的偶数。上层功分结构包括N/2个一分二功分器，每个一分二功分器两端的上表面设有十字交叉的第一缝隙和第二缝隙，第一缝隙沿第一方向，第二缝隙沿第二方向，第一方向与第二方向垂直；每个功分器两端的位置分别与一个天线单元的中心位置对应；中间层功分结构包括1个一分N/2功分器和N个基片集成腔，一分N/2功分器N/2个短路端上表面分别设置有N/2个第三缝隙，每个基片集成腔上表面设有第四缝隙，第三缝隙沿第一方向，第四缝隙沿第二方向；设所述一分N/2功分器的输入端为第一端口；下层功分结构包括1个一分N功分器，一分N功分器N个短路端上表面分别设置有N个第五缝隙，第五缝隙沿第二方向；设一分N功分器的输入端为第二端口；所述N/2个一分二功分器一端的第三缝隙与第一缝隙垂直位置相对应，所述第二缝隙、第四缝隙以及第五缝隙的垂直位置相对应。
以下以N为16为例进行具体说明示意：
图2(a)是本发明提供的LTCC毫米波双极化阵列天线的天线阵列结构示意图；图2(a)中包括16个阵列排布的天线单元。1表示天线单元的主要辐射体基片集成腔，101表示位于基片集成腔表面的金属贴片。天线阵列由4层(第1-4层)LTCC流延片层以及对应的金属层压制而成。通过金属过孔在4层LTCC流延片上围成十六个基片集成腔体1，该十六个基片集成腔体1按照4×4的阵列排列，相邻两个基片集成腔体1的间距位3.2mm，每个基片集成腔体上表面设置有金属贴片101。电磁波从基片集成腔体下方的缝隙耦合进入基片集成腔体1，在基片集成腔体内产生高次模谐振，由于高次模谐振时，天线的辐射方向不是沿着基片集成腔体的法线(Z轴)方向，因此在腔体表面设置金属贴片，用作改变基片集成腔体内的电磁场分布，使天线的辐射方向沿着Z轴方向，使天线正常工作。具体地，参见附图2(a)所示的X轴坐标方向和Y轴坐标方向，另外垂直与XY轴平面的方向即为Z轴方向，以下附图中不再做特别说明。
图2(b)是本发明提供的LTCC毫米波双极化阵列天线的上层功分结构示意图；图2(b)是上层功分结构示意图，上层功分结构由3层(第5-7层)LTCC流延片层以及对应的金属层压制而成。通过金属过孔在3层LTCC流延片上围成8个一分二功分器2，功分器2平行于X轴，在每个功分器的终端，宽度略宽余传输用的基片集成波导，形成一个矩形基片集成腔201。在上层功分结构层上表面金属层设置有耦合缝隙202和缝隙203，缝隙202平行于X轴，缝隙203平行于Y轴，进一步地，缝隙202和缝隙203中心对齐，距离矩形基片集成波导短路端约1/2个波导波长。在矩形基片集成波导中传输的电磁波通过平行于Y轴的缝隙203传输给基片集成腔体1。由于平行于X轴的缝隙202与一分二功分器2的中线204对齐，所以不传输电磁波。
图2(c)是本发明提供的LTCC毫米波双极化阵列天线的中间层功分结构示意图；图2(c)是馈电网络的中间层功分结构，中间层功分结构由3层(8-10层)LTCC流延片层以及对应的金属层压制而成。通过金属过孔在3层LTCC流延片上围成1个一分八功分器3和16个基片集成腔4。在中间层功分结构上表面的金属层上距离一分八功分器短路端1/4波导波长处设置有平行于Y轴的缝隙301，缝隙301与基片集成波导中心线303不重合，并在中心线303的另一侧设置有贯穿8-10层LTCC流延片层的金属过孔302，用作调节天线匹配。进一步地，缝隙301和上层的一分二功分器2中心对齐。中间层功分结构中的16个基片集成腔4呈4×4阵列，作为下层功分结构到上层功分结构的转接结构，基片集成腔4的上表面金属层设置有平行于X轴的耦合缝隙401。
图2(d)是本发明提供的LTCC毫米波双极化阵列天线的下层功分结构示意图；图2(d)是馈电网络的下层功分结构，下层功分结构由3层(11-13层)LTCC流延片以及对应的金属层压制而成，通过金属过孔在3层LTC流延片上围成1个由多级T型基片集成波导级联而成的一分十六功分器5。在功分器上表面金属层上距离功分器短路端1/4波导波长处设置有平行于基片集成波导(X轴)的缝隙501，缝隙501与基片集成波导中心线503不重合，并且在中心线503的另一侧设置有贯穿11-13层LTCC流延片层的金属过孔502。
进一步地，基片集成腔体1与金属贴片101和缝隙202、203、401、501中心对齐。
对于第一极化(Y极化方向)而言，电磁波通过中间层功分结构中的基片集成波导引导，进入一分八功分器3，将一路电磁波等功率分为八路电磁波传输，通过一分八功分器3上表面金属层上的缝隙301耦合，进入上层功分结构中的一分二功分器2中，每个一分二功分器2将一路电磁波分为八路电磁波，由于缝隙202和401位于一分二功分器2的中心线204上，不能传输电磁波，因此每一路电磁波只能通过一分二功分器2上表面的金属层上的缝隙203进入基片集成腔阵列，对天线阵列进行激励，产生Y方向的极化。进一步地，通过调节缝隙203和缝隙301以及金属过孔302的位置可以调节第一极化的阻抗匹配。
对于第二极化(X极化方向)而言，电磁波通过下层功分结构的基片集成波导引导，进入一分十六功分器5，将电磁波等功率分为十六路电磁波传输，每一路电磁波通过一分十六功分器上表面金属层上的缝隙501耦合进入基片集成腔4中，再通过中间功分结构中的基片集成腔4上表面金属层上的缝隙401传输进入上层功分结构，然后通过缝隙202对天线阵列进行激励，产生X方向的极化。进一步地，可以通过调节缝隙501、401和202以及金属过孔502的位置调节第二极化的阻抗匹配。
通过上述馈电网络可以有效增加两个端口的隔离度，同时减小同一极化中的天线之间的互耦，提高天线增益。
图3是本发明所提供的LTCC毫米波双极化阵列天线的S参数仿真结果示意图。其中，端口1的回拨损耗曲线为S11，端口2的回波损耗曲线为S22，两个端口的隔离度为S21。从图中可知，第一极化的阻抗带宽为74.5GHz-84.3GHz，第二极化的阻抗带宽为75.4GHz-84.2GHz，在两个极化的阻抗带宽内，端口隔离度都低于-52dB，端口隔离度良好。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低剖面LTCC毫米波双极化阵列天线，其特征在于，包括：天线阵列和双极化馈电结构，所述天线阵列位于双极化馈电结构上表面；
所述天线阵列包括N个天线单元，N为大于或等于2的偶数；
所述双极化馈电结构自上而下由上层功分结构、中间层功分结构和下层功分结构组成：
所述上层功分结构包括N/2个一分二功分器，每个一分二功分器两端的上表面设有十字交叉的第一缝隙和第二缝隙，第一缝隙沿第一方向，第二缝隙沿第二方向，所述第一方向与第二方向垂直；每个功分器两端的位置分别与一个天线单元的中心位置对应；
所述中间层功分结构包括1个一分N/2功分器和N个基片集成腔，一分N/2功分器N/2个短路端上表面分别设置有N/2个第三缝隙，所述基片集成腔作为下层功分结构和上层功分结构的转接结构，每个基片集成腔上表面设有第四缝隙，第三缝隙沿第一方向，第四缝隙沿第二方向；设所述一分N/2功分器的输入端为第一端口；
所述下层功分结构包括1个一分N功分器，一分N功分器N个短路端上表面分别设置有N个第五缝隙，第五缝隙沿第二方向；设所述一分N功分器的输入端为第二端口；所述N/2个一分二功分器一端的第三缝隙与第一缝隙垂直位置相对应，所述第二缝隙、第四缝隙以及第五缝隙的垂直位置相对应；
由第一端口输入的电磁波在中间层功分结构传输，通过第三缝隙耦合进入上层功分结构，通过第一缝隙耦合进入天线单元，并产生第一方向的极化辐射；由第二端口输入的电磁波在下层功分结构传输，通过第五缝隙耦合进入中间层功分结构，通过第四缝隙耦合进入上层功分结构，通过第二缝隙耦合进入天线单元，并产生第二方向的极化辐射；
当天线阵列接收第一方向极化的电磁波时，天线单元内产生第一方向的电场，电磁能量通过第一缝隙耦合进入上层功分结构，并通过第三缝隙耦合进入中间层功分结构；当天线阵列接收第二方向极化的电磁波时，天线单元内产生第二方向的电场，电磁能量通过第二缝隙耦合进入上层功分结构，并且通过第四缝隙耦合进入中间层功分结构，再通过第五缝隙耦合进入下层功分结构。
2.根据权利要求1所述的低剖面LTCC毫米波双极化阵列天线，其特征在于，所述天线单元的辐射体包括基片集成腔，由双极化馈电结构输入的电磁波在基片集成腔体内产生谐振，并通过基片集成腔表面向外辐射；或通过基片集成腔表面接收电磁波，使电磁波在基片集成腔体内产生谐振，并通过双极化馈电结构输出；
所述天线单元还包括：位于基片集成腔上表面的金属贴片，所述基片集成腔与金属贴片的共同作用，产生第一方向或第二方向的极化辐射。
3.根据权利要求2所述的低剖面LTCC毫米波双极化阵列天线，其特征在于，所述金属贴片与基片集成腔和十字交叉的第一缝隙和第二缝隙呈中心对齐。
4.根据权利要求1所述的低剖面LTCC毫米波双极化阵列天线，其特征在于，所述第一缝隙和第二缝隙中心对齐，距离一分二功分器短路端的距离为1/2个波导波长。
5.根据权利要求1所述的低剖面LTCC毫米波双极化阵列天线，其特征在于，所述第二缝隙与一分二功分器的中心线对齐。
6.根据权利要求1所述的低剖面LTCC毫米波双极化阵列天线，其特征在于，所述第五缝隙在一分N功分器中心线的一侧，其距离一分N功分器短路端的距离为1/4波导波长。
7.根据权利要求1所述的低剖面LTCC毫米波双极化阵列天线，其特征在于，所述第三缝隙在一分N/2功分器中心线的一侧，其距离一分N/2功分器短路端的距离为1/4波导波长。
8.根据权利要求6或7所述的低剖面LTCC毫米波双极化阵列天线，其特征在于，在一分N/2功分器中心线的另一侧设置有第一金属过孔；
通过调节第一缝隙、第三缝隙及第一金属过孔的位置可以调节第一方向极化的阻抗匹配。
9.根据权利要求6或7所述的低剖面LTCC毫米波双极化阵列天线，其特征在于，在一分N功分器中心线的另一侧设置有第二金属过孔；
通过调节第二缝隙、第四缝隙、第五缝隙及第二金属过孔的位置可以调节第二方向极化的阻抗匹配。
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