CN110380200B - 一种混合功分馈电的平面角锥天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合功分馈电的平面角锥天线阵列，所述阵列基于空气波导和基片集成波导，该阵列天线从上到下包括辐射结构、连接结构和转接结构，电磁能量的传输顺序是由转接结构到连接结构再到辐射结构，辐射结构包括辐射单元和基片集成波导馈电网络，连接结构包括双层空气波导馈电网络和基片集成波导到空气波导转接结构的空气波导腔部分，转接结构包括输入微带线、多层板过孔结构和基片集成波导到空气波导转接结构的基片集成波导腔部分。本发明能够实现大于25％的阻抗带宽和高于20dB的正交极化区分度，具有拓展成低损耗大规模阵列的可行性，以及具有射频电路可以直接在天线背面布板的可行性。

Description

一种混合功分馈电的平面角锥天线阵列

技术领域

本发明属于微波毫米波天线，涉及具有低损耗馈电网络的宽带阵列天线，具体涉及一种混合功分馈电的平面角锥天线及阵列。

背景技术

5G毫米波通信对于天线阵列提出了宽带、高增益、高集成度以及波束扫描等要求。其中天线阵列的高增益要求是为了补偿在毫米波频段的空气中电磁波衰减很快的现象。对于大规模天线阵列的馈电网络设计，低损耗馈电技术是非常有前景的。5G毫米波通信同时对通信系统提出了小型化的要求，为了适应小型化设计，系统中无源的天线阵列部分和有源射频电路部分的易集成也是目前5G通信应用的天线阵的设计热点之一。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种混合功分馈电的平面角锥天线阵列，减小馈电网络损耗的同时易于集成和实现有源小角度波束扫描相控阵。

技术方案：一种混合功分馈电的平面角锥天线阵列，包括基片集成波导馈电网络和空气波导馈电网络，所述天线阵列包括辐射结构、连接结构和转接结构，辐射结构和转接结构通过连接结构实现连接和支撑起所述天线阵列架构；所述的辐射结构通过介质层和金属层交叠设置；所述连接结构为上下各铣出空气腔的金属件；所述转接结构包括馈电微带线、多层板过孔结构和基片集成波导转接空气波导结构的基片集成波导部分，且包括金属层和介质层的交叠设置；所述辐射结构中的辐射单元和金属条带通过贯穿辐射结构第一介质层的金属化过孔连接。

进一步的，所述的辐射结构从上往下依次设置的辐射结构顶部金属层、辐射结构第一介质层、辐射结构第一中间金属层、辐射结构第二介质层、辐射结构第二中间金属层、辐射结构第三介质层和辐射结构底部金属层，所述的辐射结构顶部金属层设有平面角锥天线单元，在每一角锥天线单元正下方的辐射结构第一中间金属层中，通过腐蚀金属层，保留一对金属枝节，辐射结构第一介质层中每一对金属化通孔连接平面角锥天线单元和一对金属枝节。

辐射结构中的辐射结构第三介质层设有基片集成波导馈电网络，所述基片集成波导馈电网络包括在辐射部分第三介质层中的所有金属化过孔，同时包括辐射结构第二中间金属层上刻蚀的矩形空气槽和辐射部分底部金属层上刻蚀的矩形空气槽，其中辐射结构第二中间金属层上刻蚀的矩形空气槽对辐射单元进行馈电。

进一步的，所述连接结构包括组建空气波导馈电网络，所述空气波导馈电网络包括设置连接结构顶部空气腔、连接顶部空气腔和底部空气腔的矩形空气槽和连接结构底部空气腔。

所述的连接结构设有顶部空气腔和底部空气腔，所述顶部空气腔包含两个相同的矩形空气腔，所述底部空气腔包括底部第一不规则空气腔和底部第三不规则空气腔，所述底部第一不规则空气腔包括底部第二不规则空气腔和底部矩形空气腔，所述矩形空气腔是基片集成波导转接空气波导结构的空气腔部分，所述连接结构中顶部两个矩形空气腔分别通过铣出的空气槽和底部第二不规则空气腔连接。

进一步的，所述的转接结构从上往下依次设置转接结构顶部金属层、转接结构第一介质层、转接结构第一中间金属层、转接结构第二介质层、转接结构第二中间金属层、转接结构第三介质层、转接结构第三中间金属层、转接结构第四介质层、转接结构第四中间金属层、转接结构第五介质层、转接结构第五中间金属层、转接结构第六介质层、转接结构第六中间金属层、转接结构第七介质层和转接结构底部金属层。

进一步的，所述基片集成波导馈电网络包括辐射结构的第二中间层上刻蚀的辐射结构第一矩形空气槽、贯穿辐射结构第三介质层的辐射结构第二金属化过孔和辐射结构底部金属层上刻蚀的辐射结构第二矩形空气槽。

所述转接结构顶部金属层上刻蚀的矩形环状空气槽处于连接结构底部矩形空气腔的正下方，转接结构还包括基片集成波导转接空气波导结构的基板部分，所述基片集成波导转接空气波导结构的基板部分由矩形环状空气槽、转接结构顶部金属层和转接结构第一介质层中组成基片集成波导腔的过孔所组成，所述转接结构还包括过孔结构及其输入输出微带线。

所述阵列可以在水平方向两个维度分别拓展，最终可以构成4*4个所述阵列组成的具有256个天线单元的大规模阵列，该大规模阵列和所述阵列一样，可以分为辐射结构、连接结构和射频布板结构(对应于所述阵列的转接结构所在多层基板)，相应的阵列具有16个通道，阵列校准后可以提供正负5度的小角度扫描，所述的大规模阵列具有和所述阵列一样的高集成、平面、低损耗馈电网络等优势，所述大规模阵列可以组装在诸如飞行器装置(如无人机)的机械伺服系统上，实现混合机械扫描和电扫描，从而拓展扫描范围。

有益结果：与现有技术相比，本发明所述的混合功分馈电的平面角锥天线子阵基于空气波导和基片集成波导，同时具有拓展成大规模阵列的可行性，空气波导的引入可以降低馈电网络的损耗，特别是在拓展成大规模阵列后的损耗改善效果更显著，同时天线单元通过引入一对开路带状线，可以明显改善天线单元的阻抗带宽，通过转接部分还可以充当射频电路的布板空间，从而实现系统的有效集成，此外，天线阵列在通带内的E面和H面测试交叉极化水平在-20dB以下。

附图说明

图1为本发明所述天线的侧视图；

图2为本发明所述天线的分层结构示意图；

图3为本发明所述天线的辐射结构的辐射部分顶部金属层、辐射结构第一介质层及辐射结构第一中间金属层的结构示意图；

图4为本发明所述天线辐射结构的辐射结构第二中间金属层、辐射结构第三介质层及辐射结构底部金属层的结构示意图；

图5为本发明所述天线中辐射结构底部金属层及连接结构的立体图；

图6为本发明所述天线连接结构及转接结构顶部金属层的立体图；

图7为本发明所述天线转接结构的转接结构顶部金属层及转接结构第一介质层的结构示意图；

图8为本发明所述天线转接结构的转接结构第七介质层和转接结构底部金属层的结构示意图；

图9为本发明所述天线的|S₁₁|及增益仿真和测试结果图；

图10为本发明所述天线的XOZ面方向图的仿真和测试结果(30GHz)；

图11为本发明所述天线的YOZ面方向图的仿真和测试结果(30GHz)。

具体实施方式

为了详细的说明本发明公开的技术方案，下面结合说明书附图及具体实施例做进一步的阐述。

本具体实施方式公开了一种基于空气波导和基片集成波导混合功分馈电的平面角锥天线阵列，如图1、图2所示，包括由上往下依次设置的辐射结构顶部金属层1、辐射结构第一介质层2(厚度0.508mm)、辐射结构第一中间金属层3、辐射结构第二介质层4(厚度0.2mm)、辐射结构第二中间金属层5、辐射结构第三介质层6(厚度0.508mm)、辐射结构底部金属层7、连接结构顶部空气腔8、连接结构连接上下空气腔的空气缝9、连接结底部第一不规则空气腔10和连接结构底部第三不规则空气腔34、转接结构顶部金属层11、转接结构第一介质层12(厚度0.508mm)、转接结构第一中间金属层13、转接结构第二介质层14(厚度0.2mm)、转接结构第二中间金属层15、转接结构第三介质层16(厚度0.127mm)、转接结构第三中间金属层17、转接结构第四介质层18(厚度0.2mm)、转接结构第四中间金属层19、转接结构第五介质层20(厚度0.127mm)、转接结构第五中间金属层21、转接结构第六介质层22(厚度0.2mm)、转接结构第六中间金属层23、转接结构第七介质层24(厚度0.254mm)和转接结构底部金属层25。其中辐射结构第二介质层4、转接结构第二介质层14、转接结构第四介质层18和转接结构第六介质层22为粘贴片。

如图2所示，顶部金属层1上设有辐射单元26，辐射结构第一中间金属层3上设有和辐射单元26同样数量的金属条带28，辐射单元26和金属条带28通过贯穿辐射结构第一介质层2的辐射结构第一金属化过孔27连接，基片集成波导馈电网络包括辐射结构第二中间金属层5中的辐射结构第一矩形空气槽29、辐射结构第三介质层6中的辐射结构第二金属化过孔30和辐射结构底部金属层7中的辐射结构第二矩形空气槽31。空气波导馈电网络包括一对连接结构顶部矩形空气腔8、连接结构底部第一不规则空气腔10和连接结构顶部矩形空气腔8及连接结底部第一不规则空气腔10的矩形空气槽9，其中连接结构底部第一不规则空气腔10包含连接结构底部矩形空气腔33和连接结构底部第二不规则空气腔32，连接结构底部第二不规则空气腔32和连接结构底部矩形空气腔33通过长度可调的空气波导相连接，连接结构顶部空气腔8通过螺丝和辐射结构底部金属层7紧密固定，连接结构底部第一不规则空气腔10通过螺丝和转接结构顶部金属层11紧密固定。转接结构底部金属层25是第一渐变微带线，可以通过端接测试接头馈电，第一渐变微带线和转接结构顶部金属层11的第二渐变微带线36通过贯穿整个转接结构的转接结构第一金属化过孔38连接，转接结构第一介质层12中有基片集成波导46及基片集成波导腔37，第二渐变微带线36和基片集成波导46相连接，转接结构顶部金属层11中有矩形环状空气槽35，除此之外，为了给第二渐变微带线36创造空间，在连接结构底部设有连接结构底部第三不规则空气腔34。

电磁能量的传输过程是：电磁能量通过转接结构第一金属化过孔38由第一渐变微带线传输到第二渐变微带线36和转接结构基片集成波导46，再通过转接结构基片集成波导腔37和矩形环状空气槽35耦合到连接结构的底部矩形空气腔33和底部第二不规则空气腔32，第二不规则空气腔32再通过一对连接结构的矩形空气槽9分别耦合一对连接结构顶部空气腔8，连接结构顶部空气腔8通过辐射结构底部金属层7的两对矩形空气槽将电磁能量耦合到四个由金属化过孔围成的辐射结构基片集成波导腔，辐射结构的第二金属化过孔30再分别通过辐射结构第二中间金属层5上的16个矩形空气槽将电磁能量传输到16个辐射单元26。

如图3所示，辐射单元26总共有4*4对，每对辐射单元的形状以及激励方式由传统角锥天线启发，这里称之为平面角锥天线单元。每对辐射单元的激励机制类似于平面偶极子天线的激励机制，均通过缝隙耦合的方式实现馈电，但由于介质层的厚度较厚，缝隙距离辐射体本身相对波长较远，单纯的缝隙耦合角锥状金属辐射面的结构的激励不够强，加上4*4对第一金属化过孔27后，可以有效约束缝隙到辐射面的电磁场，但是周期边界条件下的单元阻抗带宽较窄(一个谐振点的原因)，在金属化通孔的基础上，通过在原先完全被腐蚀的第一中间金属层3上保留4*4对金属条带28，相当于在天线馈电端加载一对开路带状线，并通过调节开路带状线的长度，周期边界条件下天线单元的阻抗带宽明显改善(引入另一个相邻谐振点的原因)。

如图4所示，基片集成波导馈电网络中每两个由第二金属化过孔30围成的基片集成波导腔沿着空气槽排列方向紧密相连，4*4个辐射结构第一矩形空气槽29的相邻中心间距在两个方向上都是5mm(二分之一个空气波长(中心频率30GHz))，辐射结构第一矩形空气槽29附近采用一排辐射结构第二金属化过孔30中的辐射结构金属化过孔39来作为短路壁，每个基片集成波导腔内的辐射结构第二金属化过孔30中的两对集成导波金属化过孔40用于调节电磁场在腔内由辐射结构第二矩形空气槽31到辐射结构第一矩形空气槽29的传输。

如图5所示，两个相同的连接结构顶部矩形空气腔8并排放置，靠近连接结构顶部矩形空气腔8的两边金属壁的辐射结构底部金属层7上有一对辐射结构第二矩形空气槽31，总共是2*2个矩形空气槽。通过螺丝将辐射结构底部金属层7和连接结构顶部矩形空气腔8紧密固定，电磁能量可以由下而上有效传输。

如图6所示，通过螺丝将转接结构顶部金属层11和连接结构底部矩形空气腔33及连接结底部第一不规则空气腔10紧密固定，矩形环状空气槽35在连接结构底部矩形空气腔33的正下方，连接结构底部第三不规则空气腔34为第二渐变微带线36的模式传输提供了足够的空间，第一金属脊41用于调节连接结构底部矩形空气腔33到连接结构底部空气腔10的能量耦合，第一金属脊41之间的长度是空气波导长度，可以根据连接结构底部矩形空气腔33到连接结构底部第二不规则空气腔32的相对位置需要而灵活确定，第二金属脊42用于改善空气波导馈电网络的阻抗带宽。顶部和底部空气腔的深度均为1.5mm，连接结构矩形空气槽9的深度为0.5mm。

如图7所示，转接结构顶部金属层11、转接结构第一中间金属层13、转接结构第一介质层12、转接结构第二金属化过孔43、转接结构第三金属化过孔44及转接结构第四金属化过孔45共同组成基片集成波导腔37，其中转接结构第四金属化过孔45用于调节基片集成波导46和基片集成波导腔37之间的阻抗匹配。第二渐变微带线36中的微带线渐变段47用于调节50欧阻抗微带线48到基片集成波导46的阻抗匹配，两段不等宽微带线49及第一金属焊盘50用于调节转接结构第一金属化过孔38到50欧阻抗微带线48的阻抗匹配，同时转接结构第五金属化过孔51起到减少电磁能量泄露和构成类同轴线传输模式边界的作用。

如图8所示，第二金属焊盘52和第一渐变微带线25中的微带线渐变段53用于调节第一渐变微带线25中的输入端微带线54和转接结构第一金属化过孔38之间的阻抗匹配。

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制作了一个工作在Ka辐射波段(30GHz附近)的4*4单元阵列天线实施例进行验证，辐射结构第一介质层和第三介质层可以采用厚度为0.508mm的介质基片TLY-5，辐射结构第二介质层可以采用厚度为0.2mm的粘贴片Rogers 4450F，连接结构可以采用铝块作为材料利用机床一次性铣出，转接结构的第一介质层可以采用厚度为0.508mm的介质基片TLY-5，转接结构的第二介质层、第四介质层和第六介质层可以采用厚度为0.2mm的粘贴片Rogers 4450F,转接结构的第三介质层和第五介质层可以采用厚度为0.127mm的介质基片FR-4，转接结构的第七介质层可以采用厚度为0.254mm的介质基片TLY-5。附图9-附图11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，该天线具有较宽的阻抗带宽(约26.7％)，较高正交极化区分度(优于20dB)等特点，同时馈电网络设计具有拓展成大规模阵列的可行性，天线阵列的馈电网络具有较低损耗的优势，并且转接结构所在的多层介质基板可以直接用于射频电路的布板，从而使得整个系统前端具有高集成的优势。

作为毫米波系统的子阵列设计，提供一种混合馈电的可以减小馈电网络损耗的宽带天线，同时将该阵列扩展成大规模阵列后，具备实现小角度波束扫描相控阵的潜力，同时具备射频电路可以直接在无源结构背面设计的易集成优点。

Claims (7)

1.一种混合功分馈电的平面角锥天线阵列，其特征在于：包括基片集成波导馈电网络和空气波导馈电网络，所述天线阵列包括辐射结构、连接结构和转接结构，辐射结构和转接结构通过连接结构实现连接和支撑起所述天线阵列架构；所述的辐射结构通过介质层和金属层交叠设置；所述连接结构为上下各铣出空气腔的金属件；所述转接结构包括馈电微带线、多层板过孔结构和基片集成波导转接空气波导结构的基片集成波导部分，且包括金属层和介质层的交叠设置；所述辐射结构中的辐射单元和金属条带通过贯穿辐射结构第一介质层的金属化过孔连接；

所述连接结构包括组建空气波导馈电网络，所述空气波导馈电网络包括设置连接结构顶部空气腔(8)、连接顶部空气腔和底部空气腔的矩形空气槽(9)和连接结构底部空气腔(10)；

所述的连接结构设有顶部空气腔和底部空气腔，所述顶部空气腔包含两个相同的矩形空气腔，所述底部空气腔包括连接结底部第一不规则空气腔(10)和连接结底部第三不规则空气腔(34)，所述底部第一不规则空气腔(10)包括连接结底部第二不规则空气腔(32)和连接结底部矩形空气腔(33)，所述连接结构底部矩形空气腔(33)是基片集成波导转接空气波导结构的空气腔部分，所述连接结构中顶部两个矩形空气腔分别通过铣出的空气槽和连接结构底部第二不规则空气腔(32)连接。

2.根据权利要求1所述的混合功分馈电的平面角锥天线阵列，其特征在于：所述的辐射结构从上往下依次设置的辐射结构顶部金属层(1)、辐射结构第一介质层(2)、辐射结构第一中间金属层(3)、辐射结构第二介质层(4)、辐射结构第二中间金属层(5)、辐射结构第三介质层(6)和辐射结构底部金属层(7)，所述的辐射结构顶部金属层(1)设有平面角锥天线单元，在每一角锥天线单元正下方的辐射结构第一中间金属层(3)中，通过腐蚀金属层，保留一对金属枝节，辐射结构第一介质层中每一对金属化通孔连接平面角锥天线单元和一对金属枝节。

3.根据权利要求2所述的混合功分馈电的平面角锥天线阵列，其特征在于：辐射结构中的辐射结构第三介质层(6)设有基片集成波导馈电网络，所述基片集成波导馈电网络包括在辐射部分第三介质层(6)中的所有金属化过孔，同时包括辐射结构第二中间金属层(5)上刻蚀的矩形空气槽和辐射部分底部金属层(7)上刻蚀的矩形空气槽，其中辐射结构第二中间金属层(5)上刻蚀的矩形空气槽对辐射单元进行馈电。

4.根据权利要求1所述的混合功分馈电的平面角锥天线阵列，其特征在于：所述的转接结构从上往下依次设置转接结构顶部金属层(11)、转接结构第一介质层(12)、转接结构第一中间金属层(13)、转接结构第二介质层(14)、转接结构第二中间金属层(15)、转接结构第三介质层(16)、转接结构第三中间金属层(17)、转接结构第四介质层(18)、转接结构第四中间金属层(19)、转接结构第五介质层(20)、转接结构第五中间金属层(21)、转接结构第六介质层(22)、转接结构第六中间金属层(23)、转接结构第七介质层(24)和转接结构底部金属层(25)。

5.根据权利要求1所述的混合功分馈电的平面角锥天线阵列，其特征在于：所述基片集成波导馈电网络包括辐射结构第二中间金属层(5)上刻蚀的辐射结构第一矩形空气槽(29)、贯穿辐射结构第三介质层(6)的辐射结构第二金属化过孔(30)和辐射结构底部金属层(7)上刻蚀的辐射结构第二矩形空气槽(31)。

6.根据权利要求1所述的混合功分馈电的平面角锥天线阵列，其特征在于：所述转接结构顶部金属层(11)上刻蚀的矩形环状空气槽(35)处于连接结构底部矩形空气腔(33)的正下方，转接结构还包括基片集成波导转接空气波导结构的基板部分，所述基片集成波导转接空气波导结构的基板部分由矩形环状空气槽(35)、转接结构顶部金属层(11)和转接结构第一介质层(12)中组成基片集成波导腔(37)的过孔所组成，所述转接结构还包括过孔结构及其输入输出微带线。

7.根据权利要求1所述的混合功分馈电的平面角锥天线阵列，其特征在于：所述阵列包括在水平方向两个维度分别拓展，构成4*4个所述阵列组成的具有256个天线单元的大规模阵列，包括辐射结构、连接结构和射频布板结构，相应的阵列具有16个通道，阵列校准后提供正负5度的小角度扫描。

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