CN110797640B

CN110797640B - 基于高频层压技术的Ka频段宽带低剖面双线极化微带天线

Info

Publication number: CN110797640B
Application number: CN201911079247.6A
Authority: CN
Inventors: 王元源; 雷国忠; 华根瑞; 赵迎超
Original assignee: Xian Electronic Engineering Research Institute
Current assignee: Xian Electronic Engineering Research Institute
Priority date: 2019-11-07
Filing date: 2019-11-07
Publication date: 2021-09-07
Anticipated expiration: 2039-11-07
Also published as: CN110797640A

Abstract

本发明涉及一种基于高频层压技术的Ka频段宽带低剖面双线极化微带天线，馈电结构由八边形地板耦合腔，带状线双极化馈线，金属化馈电过孔以及金属地板圆形开孔共同构成，带状线双极化馈线终端为渐变耦合端，与八边形地板耦合腔形成多谐振多层耦合结构；金属化馈电过孔穿过多层高频介质板及内金属地板上的圆形开孔，将信号由带状线层垂直传输至天线底部；SSMP连接器的内导体插入金属化馈电过孔中，外导体与底层金属地板焊接，以此作为该天线的对外电气接口。该天线结构紧凑尺寸小，易集成，成本低廉，加工难度低，在宽频带工作的同时，具备双线极化辐射特性，能够满足Ka频段宽带相控阵系统或通信系统的应用需求。

Description

基于高频层压技术的Ka频段宽带低剖面双线极化微带天线

技术领域

本发明涉及一种基于高频层压技术的Ka频段宽带低剖面双线极化微带天线，可作为Ka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5G通讯及毫米波传感器系统的飞速发展与应用，具备波束快速扫描赋形及宽带覆盖特性的毫米波有源相控阵将成为硬件方案的主要选择。有源相控阵系统的整体性能与所选择的天线辐射单元特性密不可分：首先，单元的匹配与耦合特性决定了阵列的工作频带覆盖能力；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；单元的极化特性则决定了阵列可承载的系统功能与应用场景；其次，单元的效率直接影响系统的整体效率与灵敏度；此外，天线单元的剖面高度、易集成度与重量将限制阵列的具体安装使用环境；另外，民用领域对天线单元的成本控制也提出了额外的要求。

目前，毫米波频段的阵列天线单元多以开口波导、缝隙阵列或垂直安装的天线振子为主，其中，开口波导及缝隙阵列采用金属结构，传输损耗低但单元及阵面重量大，加工难度与成本较高，极化特性单一，且不易与有源电路集成一体化设计；而垂直安装的天线振子，其阵面由一条条独立的线阵排列构成，每条线阵的印制板均垂直于阵列平面放置，剖面相对较高，结构整体性与强度较差，抗冲击振动能力不足，特别是其装配精度与一致性难以保证，在毫米波频段会显著影响所构成阵列的电气性能。

平面结构的微带天线具有小尺寸、轻重量、低剖面、低成本的优点，能够在相对较窄的频带内实现空间波束的覆盖，是有源相控阵单元的重要选择之一。但传统的平面微带天线存在带宽普遍较窄、损耗大、高频段应用效率较低、极化特性单一等问题，一定程度上限制了其在毫米波频段的应用。鉴于平面化微带天线的潜在应用前景，设计一种宽频带、低剖面、双极化、易集成、低成本、通用化的毫米波阵列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

针对背景技术中传统平面微带天线带宽较窄、损耗大、高频段效率较低、极化特性单一、不适合毫米波应用等问题，提出一种新颖的基于高频层压技术的Ka频段宽带低剖面双线极化微带天线。

技术方案

一种基于高频层压技术的Ka频段宽带低剖面双线极化微带天线，其特征在于由六层高频介质板通过半固化片层压构成，由上至下包括顶层辐射贴片介质板、中间第一层介质板、中间第二层介质板、中间第三层介质板、中间第四层介质板和底层反射腔介质板，在顶层辐射贴片介质板的上表面中间设有方形寄生辐射贴片，下表面设有第一层内层金属地板，在第一层内层金属地板中间设有第一八边形地板耦合腔，在中间第二层介质板的上表面设有第一带状线双极化馈线，在中间第二层介质板的下表面设有第二层内层金属地板，在第二层内层金属地板中间设有第二八边形地板耦合腔，在中间第四层介质板的上表面上设有第二带状线双极化馈线，在中间第四层介质板的下表面上设有第三层内层金属地板，在第三层内层金属地板中间设有第三八边形地板耦合腔，在底层反射腔介质板的下表面设有外层金属地板，在顶层辐射贴片介质板、中间第一层介质板、中间第二层介质板、中间第三层介质板、中间第四层介质板和底层反射腔介质板的周边设有金属化隔离过孔阵列，在中间第二层介质板、中间第三层介质板中间第四层介质板和底层反射腔介质板上设有第二金属化馈电过孔；所述的第一带状线双极化馈线包括第一圆形焊盘、第一带状线传输线和第一耦合端，所述的第二带状线双极化馈线包括第二圆形焊盘、第二带状线传输线和第二耦合端，第二带状线双极化馈线与第一带状线双极化馈线成90度放置，圆形焊盘与第一金属化馈电过孔连接，第一SSMP连接器的内导体插入第一金属化馈电过孔中，共同形成对应一个单极化信号的传输馈电结构，而第二圆形焊盘与第二金属化馈电过孔连接，第二SSMP连接器的内导体插入第二金属化馈电过孔中，共同形成对应另一个单极化信号的传输馈电结构；第一耦合端和第二耦合端为梯形渐变线形式，伸入第一八边形地板耦合腔的投影范围内，第一八边形地板耦合腔、第二八边形地板耦合腔和第三八边形地板耦合腔的形状大小一致，在第二层内层金属地板上设有避让第一金属化馈电过孔和第二金属化馈电过孔的第一金属地板圆形开孔，在第三层内层金属地板上设有避让第一金属化馈电过孔和第二金属化馈电过孔的第二层金属地板圆形开孔，在外层金属地板上设有避让第一金属化馈电过孔和第二金属化馈电过孔的第三金属地板圆形开孔。

所述的顶层辐射贴片介质板、中间第一层介质板、中间第二层介质板、中间第三层介质板、中间第四层介质板和底层反射腔介质板选择介电常数εr＝3的Taconic TSM-DS3高频介质基材；顶层辐射贴片介质板的厚度为0.508mm，中间第一层介质板、中间第二层介质板、中间第三层介质板、中间第四层介质板的厚度均为0.127mm，底层反射腔介质板的厚度为0.381mm。

有益效果

本发明提出的一种基于高频层压技术的Ka频段宽带低剖面双线极化微带天线，该天线结构紧凑尺寸小，易集成，成本低廉，加工难度低，在宽频带工作的同时，具备双线极化辐射特性，能够满足Ka频段宽带相控阵系统或通信系统的应用需求。

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、引入八边形耦合腔与反射腔，并且采用了带状馈线渐变耦合端、金属化过孔与带状线的复合馈线结构，使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31GHz～38.5GHz的多层耦合微带天线，并且具备进一步提升带宽的空间。

2.正交双线极化：双层带状馈线呈90度放置并共用对称耦合腔的设计，可在不增加天线单元横向尺寸的前提下，利用最小的空间实现正交双线极化的收发功能。

3.低剖面小型化：多层平面耦合的馈电结构，在保证工作带宽的同时，最大程度的压缩天线剖面高度至1.85mm；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5mm×5mm范围内。

4.易集成：天线采用多层耦合式结构，馈线采用带状线形式，对外接口为小型化的SSMP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，更可以采用一体化设计的方式，将收发电路直接集成在天线底部。

附图说明

图1为本发明Ka频段宽带低剖面双线极化微带天线的结构分解图

图2为本发明Ka频段宽带低剖面双线极化微带天线的带状线双极化馈线示意图

图3为本发明Ka频段宽带低剖面双线极化微带天线的结构侧视图

图4为本发明Ka频段宽带低剖面双线极化微带天线的正视图

图5为本发明Ka频段宽带低剖面双线极化微带天线的后视图

图6为本发明Ka频段宽带低剖面双线极化微带天线的端口电压驻波比仿真曲线

图7为本发明Ka频段宽带低剖面双线极化微带天线的双极化增益仿真曲线

图8为本发明Ka频段宽带低剖面双线极化微带天线的双极化方向图仿真曲线

1a-顶层辐射贴片介质板、1b-中间第一层介质板、1c-中间第二层介质板、1d-中间第三层介质板、1e-中间第四层介质板、1f-底层反射腔介质板、2-方形寄生辐射贴片、3a-第一层内层金属地板、3b-第二层内层金属地板、3c-第三层内层金属地板、4a-第一八边形地板耦合腔、4b-第二八边形地板耦合腔、4c-第三八边形地板耦合腔、5a-第一带状线双极化馈线、5a-1-第一圆形焊盘、5a-2-第一带状线传输线、5a-3-第一耦合端、5b-第二带状线双极化馈线、5b-1-第二圆形焊盘、5b-2-第二带状线传输线、5b-3-第二耦合端、6a-第一金属地板圆形开孔、6b-第二层金属地板圆形开孔、6c-第三金属地板圆形开孔、7a-第一金属化馈电过孔、7b-第二金属化馈电过孔、8-金属化隔离过孔阵列、9-外层金属地板、10a-第一SSMP连接器、10b-第一SSMP连接器。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

基于高频层压技术的Ka频段宽带低剖面双线极化微带天线，采用地板开孔耦合馈电的多层微带结构形式，包括方形寄生辐射贴片，内层金属地板，八边形地板耦合腔，带状线双极化馈线，金属地板圆形开孔，金属化馈电过孔，金属化隔离过孔阵列，外层金属地板及SSMP连接器。整个天线共由六层高频介质基板层压构成，多层板材料选择介电常数εr＝3的Taconic TSM-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。

天线顶层为方形寄生辐射贴片，贴片的几何尺寸决定了天线的主谐振频率。贴片基板下方的三个内层接地板上均依次腐蚀出八边形的开孔，形成内部耦合腔体，为天线引入额外的寄生谐振频率，进而起到展宽天线工作带宽的作用。三个内层地板间为上下两层带状线馈线，沿水平方向呈90度放置，分别起到传输两个正交线极化信号的作用。带状馈线的一端为渐变耦合端，伸入八边形开孔的投影范围内，通过调节渐变耦合端头的宽度与长度控制耦合量并与耦合腔体形成匹配的垂直传输结构；带状线的另一端则是以金属化过孔为主体的垂直互联结构，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。SSMP连接器的内导体由天线底部插入金属化过孔内，外导体则与天线底层地板焊接，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。

天线贴片与带状馈线之间、两层带状馈线之间、馈线与后端连接器之间均通过内层或外层接地板隔离，有效降低了背向辐射干扰；天线四周采用沿矩形环绕排列的金属化过孔阵列，与多层地板共同构成三维电磁屏蔽结构，有利于隔离馈线介质层及贴片介质层中的表面波，有效降低天线单元组阵后的相互干扰。

本实施例是一种基于高频层压技术的Ka频段宽带低剖面双线极化微带天线，该天线具有宽频带、低剖面、双极化、易集成的特点。

参照图1～图5，天线由六层高频介质板通过半固化片层压构成，由上至下包括了方形寄生辐射贴片，内层金属地板，八边形地板耦合腔，带状线双极化馈线，金属地板圆形开孔，金属化馈电过孔，金属化隔离过孔阵列，外层金属地板及SSMP连接器。

地板耦合腔形状为八边形，其通过在内层金属地板上开孔实现，利于在工作频带内引入额外的谐振点，展宽天线带宽。

馈电结构由八边形地板耦合腔，带状线双极化馈线，金属化馈电过孔以及金属地板圆形开孔共同构成，带状线双极化馈线终端为渐变耦合端，与八边形地板耦合腔形成多谐振多层耦合结构；金属化馈电过孔穿过多层高频介质板及内金属地板上的圆形开孔，将信号由带状线层垂直传输至天线底部；SSMP连接器的内导体插入金属化馈电过孔中，外导体与底层金属地板焊接，以此作为该天线的对外电气接口。

采用金属化过孔阵列8围绕辐射贴片2及内部馈电结构，形成隔离表面波的屏蔽腔体，提高天线在阵列环境中应用时的通道隔离度，以利于大角度波束扫描的实现。

带状线双极化馈线5a与5b结构相同，以5a为例说明，5a由圆型焊盘5a-1、带状传输线5a-2及耦合端5a-3组成，其中，圆形焊盘5a-1与金属化馈电过孔7a连接，位于天线底部的SSMP连接器10a的内导体插入7a中，共同形成对应一个单极化信号的传输馈电结构，而带状线双极化馈线5b则与金属化馈电过孔7b、SSMP连接器10b构成对应另一个单极化信号的传输馈电结构；带状传输线耦合端5a-3与5b-3为梯形渐变线形式，伸入八边形地板耦合腔4中，渐变耦合端与八边形耦合腔4均会在中心工作频率附近引入多个谐振频率，通过精细调节带状传输线耦合端梯形渐变线的长度、宽度以及正八边形耦合腔的边长，可形成具有宽频带特性的多层双路信号垂直耦合结构，并进一步与位于天线顶层、八边形耦合腔4a正上方的方形寄生辐射贴片2组合，达到在宽频带内辐射或接收正交双线极化的目的。

整个天线由六个双面覆铜的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，内层金属地板3的可靠接地通过贯穿多层板的金属化过孔阵列8实现。六层介质基材中，顶层的辐射贴片介质板1a的厚度为0.508mm，中间四层介质板1b～1e的厚度均为0.127mm，底层的反射腔介质板1f的厚度为0.381mm。

外层接地板9上腐蚀出金属地板圆形开孔6c，以配合SSMP连接器的焊接安装。标准的50欧姆SSMP连接器10a、10b作为整个天线的对外电气接口，其内导体直接插入天线底部的金属化馈电过孔中，由过孔与基板内部的带状馈线7a、7b连通，而SSMP连接器10a及10b的外导体则通过锡焊的方式与天线底层地板9连接。

天线的横向尺寸为5mm×5mm(长×宽)，多层介质结构总厚度为1.85mm(压接后)，连接器高度为2.25mm，整个天线的剖面高度为4.1mm。

图6为天线两个极化端口的仿真电压驻波比曲线，从图中可见在31GHz～38.5GHz频带范围内两端口电压驻波比VSWR＜2.0，覆盖超过21.5％的相对带宽。

图7为天线两个端口的仿真增益曲线，从图中可见在31GHz～38.5GHz频带范围内，两种正交线极化的增益均随频率升高逐渐提高，增益值介于0.7dBi～7.5dBi之间。

图8为中心频率时，天线两个端口对应的两种正交极化信号在各自主截面内的归一化辐射方向图仿真曲线，从图中可见，两种线极化在各自主截面内的方向图形状规则，3dB波束宽度大于77度。

Claims

1.一种基于高频层压技术的Ka频段宽带低剖面双线极化微带天线，其特征在于由六层高频介质板通过半固化片层压构成，由上至下包括顶层辐射贴片介质板（1a）、中间第一层介质板（1b）、中间第二层介质板（1c）、中间第三层介质板（1d）、中间第四层介质板（1e）和底层反射腔介质板（1f），在顶层辐射贴片介质板（1a）的上表面中间设有方形寄生辐射贴片（2），下表面设有第一层内层金属地板（3a），在第一层内层金属地板（3a）中间设有第一八边形地板耦合腔（4a），在中间第二层介质板（1c）的上表面设有第一带状线双极化馈线（5a），在中间第二层介质板（1c）的下表面设有第二层内层金属地板（3b），在第二层内层金属地板（3b）中间设有第二八边形地板耦合腔（4b），在中间第四层介质板（1e）的上表面上设有第二带状线双极化馈线（5b），在中间第四层介质板（1e）的下表面上设有第三层内层金属地板（3c），在第三层内层金属地板（3c）中间设有第三八边形地板耦合腔（4c），在底层反射腔介质板（1f）的下表面设有外层金属地板（9），在顶层辐射贴片介质板（1a）、中间第一层介质板（1b）、中间第二层介质板（1c）、中间第三层介质板（1d）、中间第四层介质板（1e）和底层反射腔介质板（1f）的周边设有金属化隔离过孔阵列（8），在中间第二层介质板（1c）、中间第三层介质板（1d）、中间第四层介质板（1e）和底层反射腔介质板（1f）上设有第二金属化馈电过孔（7a），在中间第四层介质板（1e）和底层反射腔介质板（1f）上设有第一金属化馈电过孔（7b）；所述的第一带状线双极化馈线（5a）包括第一圆形焊盘（5a-1）、第一带状线传输线（5a-2）和第一耦合端（5a-3），所述的第二带状线双极化馈线（5b）包括第二圆形焊盘（5b-1）、第二带状线传输线（5b-2）和第二耦合端（5b-3），第二带状线双极化馈线（5b）与第一带状线双极化馈线（5a）成90度放置，第一圆形焊盘（5a-1）与第一金属化馈电过孔（7a）连接，第一SSMP连接器（10a）的内导体插入第一金属化馈电过孔（7a）中，共同形成对应一个单极化信号的传输馈电结构，而第二圆形焊盘（5b-1）与第二金属化馈电过孔（7b）连接，第二SSMP连接器（10b）的内导体插入第二金属化馈电过孔（7b）中，共同形成对应另一个单极化信号的传输馈电结构；第一耦合端（5a-3）和第二耦合端（5b-3）为梯形渐变线形式，伸入第一八边形地板耦合腔（4a）的投影范围内，第一八边形地板耦合腔（4a）、第二八边形地板耦合腔（4b）和第三八边形地板耦合腔（4c）的形状大小一致，在第二层内层金属地板（3b）上设有避让第一金属化馈电过孔（7a）的第一金属地板圆形开孔（6a），在第三层内层金属地板（3c）上设有避让第一金属化馈电过孔（7a）和第二金属化馈电过孔（7b）的第二层金属地板圆形开孔（6b），在外层金属地板（9）上设有避让第一金属化馈电过孔（7a）和第二金属化馈电过孔（7b）的第三金属地板圆形开孔（6c）。

2.根据权利要求1所述的一种基于高频层压技术的Ka频段宽带低剖面双线极化微带天线，其特征在于所述的顶层辐射贴片介质板（1a）、中间第一层介质板（1b）、中间第二层介质板（1c）、中间第三层介质板（1d）、中间第四层介质板（1e）和底层反射腔介质板（1f）选择介电常数εr = 3的Taconic TSM-DS3高频介质基材；顶层辐射贴片介质板（1a）的厚度为0.508mm，中间第一层介质板（1b）、中间第二层介质板（1c）、中间第三层介质板（1d）、中间第四层介质板（1e）的厚度均为0.127mm，底层反射腔介质板（1f）的厚度为0.381mm。