CN110931957A - 一种宽带毫米波带状线平板阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种宽带毫米波带状线平板阵列天线，包括：依次层压在一起的第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板，以及贯穿各介质基板的金属化通孔；在第一介质基板的下表面设有第一覆铜层地板，在第二介质基板的下表面设有带状线功分覆铜层，在第二介质基板的上表面设有第二覆铜层地板；在第三介质基板的上表面设有第三覆铜层地板，在第二覆铜层地板和第三覆铜层地板上分别设有与带状线功分覆铜层各功分末端一一对应的第二缝隙和第三缝隙；各功分末端与相应的第二缝隙、第三缝隙，以及围绕三者外周设置的金属化通孔共同组成天线单元。本发明具有宽带化、平面化、高增益、低加工成本、易于量产等优点。

Description

一种宽带毫米波带状线平板阵列天线

技术领域

本发明涉及天线设计领域，具体涉及一种宽带毫米波带状线平板阵列天线。

背景技术

随着现代通信对通信速率要求的不断提升，频率更高的微波毫米波频段逐渐广泛应用于高容量的通信场景。其中，高增益天线是无线微波通信的前端，其性能好坏直接影响整体通信质量。传统的高增益微波天线有抛物面天线及卡塞格伦天线等抛物面天线的变形，然而传统的该类型天线必须具有纵向方向的厚度以实现抛物面加工。对于一些需要低剖面、平面化等特性的场景，需要平面化的高增益天线以实现美化、减轻重量、节省空间等目的，此时传统的抛物面天线则不能满足需求。

实现平面化高增益天线的常用方法为：使用平面天线单元组成二维阵列，主要的加工方法有金属波导阵列天线、印制电路阵列天线等。使用金属波导的天线具有损耗低，带宽较宽的优点，然而其需要机械加工保证精度，工艺复杂，生产效率较低，成本较高。印制电路天线阵可以使用平面印制电路(PCB)工艺，其加工精度高且成本较低，适宜应用于毫米波高增益天线的设计和生产。其中，带状线结构由于上下均有金属地板的覆盖，与微带线结构相比，其辐射泄露的能量较弱，其损耗和对方向图的影响都较小，适合于对带宽、方向图等性能要求严格的阵列设计。

带状线阵列天线的难点在于使用的层压介质板数量较多，并且可能使用盲孔加工，这些工序增高了天线整体的成本。如果可以减少介质板数量，并且使用通孔加工，则可以大幅降低成本，有利于该类型天线的广泛应用。

基于上述背景，在实际应用中需要一种宽带毫米波带状线平板阵列天线，以满足现代毫米波通信一些场景中对天线宽带化、平面化、高增益、低加工成本等方面的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽带化、高增益、平面化、低加工成本、易于量产的毫米波带状线平板阵列天线。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种宽带毫米波带状线平板阵列天线，包括：依次层压在一起的第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板，以及贯穿各所述介质基板的金属化通孔；其特征在于，在所述第一介质基板的下表面设有第一覆铜层地板，在所述第二介质基板的下表面设有带状线功分覆铜层，在所述第二介质基板的上表面设有第二覆铜层地板，所述带状线功分覆铜层与所述第一覆铜层地板和所述第二覆铜层地板共同组成组成带状传输线；在所述第三介质基板的上表面设有第三覆铜层地板，在所述第二覆铜层地板和所述第三覆铜层地板上分别设有与所述带状线功分覆铜层各功分末端一一对应的第二缝隙和第三缝隙；各所述功分末端与相应的所述第二缝隙、所述第三缝隙，以及围绕三者外周设置的所述金属化通孔共同组成天线单元。

更为优选的是，各所述天线单元组成2×2以上的周期性排布的阵列形式。

更为优选的是，在所述第一介质基板的底部安装有馈电波导，在所述第一覆铜层地板的中心位置设有不覆铜的第一缝隙，在所述第一缝隙的中心处设有调谐贴片；所述第一缝隙与所述带状线功分覆铜层、所述金属化通孔在所述第一介质基板中心的部分一同构成谐振腔，用来实现电磁能量从所述馈电波导到所述谐振腔再到所述带状线功分覆铜层的高效率转换。

更为优选的是，所述第一缝隙位于所述馈电波导与所述第一介质基板的接触面的中心。

更为优选的是，所述带状线功分覆铜层为多组同相位T型带状功分结构组成的功分网络，用来实现中间的所述馈电波导到各所述天线单元的等相位功率分配；通过调节各组T型带状功分结构的尺寸，能够实现中心天线单元到边缘天线单元不等的功率分配。

更为优选的是，所述带状线功分覆铜层实现从中心天线到边缘天线单元沿横向和纵向的1dB功率均匀下降。

更为优选的是，所述第二缝隙和所述第三缝隙均为矩形缝隙，所述第二缝隙的开口尺寸小于所述第三缝隙的开口尺寸、且所述第二缝隙在所述第三覆铜层地板上的正投影落在所述第三缝隙内。

更为优选的是，所述金属化通孔在所述第一介质基板和所述第二介质基板内围绕所述第二缝隙的部分与所述第一覆铜层地板和所述第二覆铜层地板构成谐振腔，用来实现电磁能量的转换，将所述功分末端馈电的电磁能量耦合至所述第三介质基板。

更为优选的是，所述金属化通孔在所述第三介质基板内围绕所述第三缝隙的部分与所述第二覆铜层地板构成开口喇叭，用来将所述第二缝隙耦合来的电磁能量辐射到自由空间中，从而实现辐射波的转换。

更为优选的是，所述宽带毫米波带状线平板阵列天线为工作在20GHz～30GHz的毫米波天线。

本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：

通过三层介质基板将带缝隙的覆铜层地板、带状线功分覆铜层和金属化通孔有机结合；实际应用时，只需设计调整各覆铜层地板的缝隙尺寸、带状线功分覆铜层的布局以及金属化通孔的位置，即可实现毫米波天线的宽带化、高增益和平面化，可以应用于宽带毫米波高增益天线场景。同时，天线加工可以使用低成本的PCB加工工艺，易于量产。另外，天线只使用3层介质基板和金属化通孔，相比于更多层介质基板和金属化盲孔加工的方案，降低了加工成本和难度。

附图说明

图1为本发明提供的宽带毫米波带状线平板阵列天线的整体示意图。

图2为本发明提供的宽带毫米波带状线平板阵列天线的侧视图。

图3为波导至带状线转换区域的结构示意图。

图4为带状线功分覆铜层的示意图。

图5为局部带状线功分覆铜层的示意图。

图6为第二覆铜层地板上表面的局部示意图。

图7为第三覆铜层地板上表面的局部示意图。

图8为本发明一个实施例提供的天线的回波损耗频率曲线图。

图9为本发明一个实施例提供的天线的增益随频率变化的曲线图。

图10为本发明一个实施例提供的天线的中心频率的磁场面辐射方向图。

图11为本发明一个实施例提供的天线的中心频率的电场面辐射方向图。

附图标记说明：

1：馈电波导，2：第一覆铜层地板，3：带状线功分覆铜层，4：第二覆铜层地板，5：第三覆铜层地板，61：第一介质基板，62：第二介质基板，63：第三介质基板，7：金属化通孔。

201：第一缝隙，202：调谐贴片，301：功分末端，401：第二缝隙，501：第三缝隙。

311、321、331、341：功分。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“至少”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。

在发明中，除非另有规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅是表示第一特征水平高度高于第二特征的高度。第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

下面结合说明书的附图，对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

如图1所示，一种宽带毫米波带状线平板阵列天线，包括：依次层压在一起的第一介质基板61、第二介质基板62和第三介质基板63，以及贯穿各所述介质基板的金属化通孔7；在所述第一介质基板61的下表面设有第一覆铜层地板2，在所述第二介质基板62的下表面设有带状线功分覆铜层3，在所述第二介质基板62的上表面设有第二覆铜层地板4，所述带状线功分覆铜层3与所述第一覆铜层地板2和所述第二覆铜层地板4共同组成组成带状传输线；在所述第三介质基板63的上表面设有第三覆铜层地板5，在所述第二覆铜层地板4和所述第三覆铜层地板5上分别设有与所述带状线功分覆铜层3各功分末端301一一对应的第二缝隙401和第三缝隙501，各所述功分末端301、相应的所述第二缝隙401、所述第三缝隙501和围绕三者外周设置的金属化通孔7共同组成天线单元。

其中，所述第一覆铜层地板2、所述第二覆铜层地板4和所述第三覆铜层地板5的具体结构为：除相应的缝隙外、覆铜层铺满整个介质基板的相应表面。

所述第一介质基板61、第二介质基板62和第三介质基板63作为各覆铜层的载体，各介质基板的上下表面均可加工覆铜层。依照实际加工需求，可在相邻介质基板间加入较薄的半固化片以方便层压加工。

所述金属化通孔7打穿所有的介质基板，依照设计排布，可实现第一覆铜层地板2、第二覆铜层地板4、第三覆铜层地板5相互间的电气连接。金属化通孔7与带状线功分覆铜层3有一定间距，无电气连接。金属化通孔7可限制其范围内的电磁波横向扩散，实现高效的谐振腔耦合和电磁波辐射，协助高效实现波导至带状线功分覆铜层的能量转换、带状线功分覆铜层至开口喇叭的能量耦合、开口喇叭至空间辐射波等三种类型的能量转换。

结合图2、图3所示，在所述第一介质基板61的底部安装有馈电波导1，在所述第一覆铜层地板2的中心位置设有不覆铜的第一缝隙201，在所述第一缝隙201的中心处设有调谐贴片202，所述馈电波导1与所述第一缝隙201和所述调谐贴片202匹配连接。本实施例中，不覆铜的第一缝隙201蚀刻于第一覆铜金属层2的中心、并位于馈电波导1与第一介质基板的接触面中心。所述第一缝隙201与带状线功分覆铜层3、金属化通孔7在第一介质基板61中心的部分一同构成谐振腔，经过调节优化，可实现电磁能量从馈电波导1到谐振腔再到带状线功分覆铜层3的高效率转换。

结合图4所示，所述带状线功分覆铜层3为多组同相位T型带状功分结构组成的功分网络，实现中间的馈电波导1到各天线单元的等相位功率分配，各天线单元接受功分网络的功率分配并辐射电磁波。依照功率分配的要求，调节各组T型带状功分的尺寸，可以实现中心天线单元到边缘天线单元不等的功率分配。图5进一步给出了局部4×4功分网络的示意图。从该图可以看到，该4×4功分网络由4级T型功分311、321、331、341组成。各级功分可以依照设计要求独立调节尺寸，以实现所需的功率分配。其中，功分321有一处弯折，这是为了实现各天线单元等相位功分且避让附近的金属化通孔7的设计。

结合图6所示，其给出了局部4×4的第二缝隙401分布示意图，第二覆铜层地板4上的整体第二缝隙401分布可类推。对于单元局部，金属化通孔7在第一介质基板61和第二介质基板62内围绕第二缝隙401的部分与第一覆铜层地板2和第二覆铜层地板4构成谐振腔，可实现电磁能量的转换。第二覆铜层地板4为单元耦合层，经过优化调节尺寸，第二缝隙401可将功分末端301馈电的电磁能量耦合至第三介质基板63。

结合图7所示，其给出了局部4×4的第三缝隙501分布示意图，第三覆铜层地板5上的第三缝隙501整体阵列分布可类推。对于单元局部，金属化通孔7在第三介质基板63内围绕第三缝隙501的部分与第二覆铜层地板4可等效为开口喇叭，可将第二缝隙401耦合来的电磁能量辐射到自由空间中，从而实现辐射波的转换。通过调节各部分的尺寸，可以实现所需的定向辐射的高增益毫米波阵列天线。

根据本申请的一个实施例，设计于工作在30GHz的宽带毫米波带状线平板阵列天线，第一介质基板61至第三介质基板63均选用相对介电常数为3.0的介质基板，损耗角正切0.003，第一介质基板61和第二介质基板62的厚度为0.529mm，第三介质基板63的厚度为1.542mm，各介质基板的面积均为150mm×150mm。在相邻两介质基板之间有一块0.1mm厚度的半固化片以进行层压加工。天线辐射场的电场方向即缝隙短边方向，磁场方向即缝隙长边方向。对于阵列的单元，其两个方向的周期距离均为8.5mm，第一矩形缝隙401的尺寸为3.1mm×0.6mm，第二矩形缝隙501的尺寸为5.0mm×3.25mm。金属化通孔7的直径为0.5mm，在单元部分，相邻两金属化通孔7的距离为1mm，对角金属化通孔7的距离为6.0mm×4mm。天线使用标准波导BJ260馈电。波导到带状线转换结构的参数为：环形缝隙201外轮廓尺寸为7.6mm×3.7mm，中心调谐贴片尺寸为4mm×1.8mm。为了降低旁瓣，带状线功分覆铜层3可实现从中心到边缘单元沿横向和纵向的1dB功率均匀下降，各部分的T型功分尺寸相互独立调节，在此不再赘述。

基于上述同样的设计原理，通过对各部分的尺寸进行调节，在其他实施方式中还可以设计出工作在20GHz、22GHZ、24GHz、28GHz等各种宽带毫米波带状线平板阵列天线，不局限于上述实施例。

为更好地体现本发明的技术效果，下面对上述实施例提供的工作在30GHz的宽带毫米波带状线平板阵列天线进行仿真。

参见图8所示，其为上述实施例仿真所得的回波损耗S11的频率曲线图。从该图可以看到，上述天线在28.7～31.3GHz之间都实现了-10dB以下的回波损耗性能，-10dB带宽2.6GHz，具有良好的宽带匹配特性。

参见图9所示，其为上述实施例仿真所得的增益随频率变化的曲线图。从该图可以看到，上述天线在29～31GHz之间都实现了30dB以上的天线增益，在边缘电平的增益也超过了28dB，在宽频带内实现了较高的增益。

参见图10所示，其为上述实施例仿真所得的各频点的磁场面主极化辐射方向图。从该图可以看到，对于中心频点和边缘频点，上述天线的磁场面方向图在主瓣范围内都非常稳定。

参见图11所示，其为上述实施例仿真所得各频点的电场面主极化辐射方向图。从改图可以看到，上述实施例制得天线的电场面方向图的副瓣相对于磁场面方向图有所上升。但依然保持了稳定的主瓣增益和指向角度。综合图10和图11的结果，上述实施例制得的天线计具有宽带的稳定的辐射方向图。

通过上述的结构和原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，本发明的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。具体实施方式中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。

Claims (10)

1.一种宽带毫米波带状线平板阵列天线，包括：依次层压在一起的第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板，以及贯穿各所述介质基板的金属化通孔；其特征在于，在所述第一介质基板的下表面设有第一覆铜层地板，在所述第二介质基板的下表面设有带状线功分覆铜层，在所述第二介质基板的上表面设有第二覆铜层地板，所述带状线功分覆铜层与所述第一覆铜层地板和所述第二覆铜层地板共同组成组成带状传输线；在所述第三介质基板的上表面设有第三覆铜层地板，在所述第二覆铜层地板和所述第三覆铜层地板上分别设有与所述带状线功分覆铜层各功分末端一一对应的第二缝隙和第三缝隙；各所述功分末端与相应的所述第二缝隙、所述第三缝隙，以及围绕三者外周设置的所述金属化通孔共同组成天线单元。

2.根据权利要求1所述的一种宽带毫米波带状线平板阵列天线，其特征在于，各所述天线单元组成2×2以上的周期性排布的阵列形式。

3.根据权利要求1所述的一种宽带毫米波带状线平板阵列天线，其特征在于，在所述第一介质基板的底部安装有馈电波导，在所述第一覆铜层地板的中心位置设有不覆铜的第一缝隙，在所述第一缝隙的中心处设有调谐贴片；所述第一缝隙与所述带状线功分覆铜层、所述金属化通孔在所述第一介质基板中心的部分一同构成谐振腔，用来实现电磁能量从所述馈电波导到所述谐振腔再到所述带状线功分覆铜层的高效率转换。

4.根据权利要求3所述的一种宽带毫米波带状线平板阵列天线，其特征在于，所述第一缝隙位于所述馈电波导与所述第一介质基板的接触面的中心。

5.根据权利要求3所述的一种宽带毫米波带状线平板阵列天线，其特征在于，所述带状线功分覆铜层为多组同相位T型带状功分结构组成的功分网络，用来实现中间的所述馈电波导到各所述天线单元的等相位功率分配；通过调节各组T型带状功分结构的尺寸，能够实现中心天线单元到边缘天线单元不等的功率分配。

6.根据权利要求5所述的一种宽带毫米波带状线平板阵列天线，其特征在于，所述带状线功分覆铜层实现从中心天线到边缘天线单元沿横向和纵向的1dB功率均匀下降。

7.根据权利要求1所述的一种宽带毫米波带状线平板阵列天线，其特征在于，所述第二缝隙和所述第三缝隙均为矩形缝隙，所述第二缝隙的开口尺寸小于所述第三缝隙的开口尺寸、且所述第二缝隙在所述第三覆铜层地板上的正投影落在所述第三缝隙内。

8.根据权利要求1所述的一种宽带毫米波带状线平板阵列天线，其特征在于，所述金属化通孔在所述第一介质基板和所述第二介质基板内围绕所述第二缝隙的部分与所述第一覆铜层地板和所述第二覆铜层地板构成谐振腔，用来实现电磁能量的转换，将所述功分末端馈电的电磁能量耦合至所述第三介质基板。

9.根据权利要求8所述的一种宽带毫米波带状线平板阵列天线，其特征在于，所述金属化通孔在所述第三介质基板内围绕所述第三缝隙的部分与所述第二覆铜层地板构成开口喇叭，用来将所述第二缝隙耦合来的电磁能量辐射到自由空间中，从而实现辐射波的转换。

10.根据权利要求1所述的一种宽带毫米波带状线平板阵列天线，其特征在于，它为工作在20GHz～30GHz的毫米波天线。

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