CN111276812A - 一种多层微带天线阵元及天线阵面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层微带天线阵元及天线阵面，通过设置包括寄生辐射贴片和第一介质基片的寄生贴片层、在寄生贴片层一侧设置包括泡沫介质片的泡沫介质层、在泡沫介质层一侧设置包括辐射贴片和第二介质基片的辐射贴片层、在辐射贴片层一侧设置有馈电缝隙的天线地板，再在天线地板一侧设置包括第三介质基片及馈电网络的馈电网络层。由于泡沫介质片具有极低的相对介电常数和损耗角正切，以及对高频应用极其有利的传输性能等优点，因此可以降低天线的损耗，提高天线增益，同时也不会增大天线的生产成本，且生产加工简易。具有提高微带天线带宽和增益，降低天线损耗和生产成本，保证成品天线一致性的技术效果。

Description

一种多层微带天线阵元及天线阵面

技术领域

本发明涉及相控阵天线结构领域，特别是涉及一种多层微带天线阵元及天线阵面。

背景技术

目前，微带贴片天线通常因其具有体积小、重量轻、剖面低、且易于加工等优点，在无线通信领域中具有广泛的应用需求。然而，传统的微带天线带宽很窄，一般只有1％～7％。为了使微带天线实现更宽的带宽，现有技术中通常采用以下两种方式：第一种是在传统微带天线的辐射贴片上再增设一层寄生贴片，寄生贴片通常需要选用损耗角正切非常小的板材，然而该方式还是会造成整个微带天线的厚度增加，使微带天线的生产成本增高，容易造成微带天线损耗大、增益低的后果。第二种方式是将微带天线的介质层替换为空气层(微带天线的基板通常为采用多层微波介质板压合加工而成，介质层可以视为每一层微波介质板)，然而，传统的PCB多层板压合方式无法在多层板内部加工形成空气腔，因此，该种方式的实现通常需要使用螺钉固定来实现PCB板之间的空气腔，由此加工形成的空气腔尺寸偏差较大，如果天线工作在微波频段，则天线的批量一致性和无线信号收发传递性能均会受到很大的影响。

可见，现有技术中存在着传统的微带天线在采用增设寄生贴片实现带宽增大时容易造成生产成本增高、天线损耗大、增益低的后果，而采用将介质层替换为空气层以实现带宽增大时又容易造成空气腔尺寸偏差较大，严重影响微带天线的无线信号收发传递性能的技术问题。

发明内容

本申请提供一种多层微带天线阵元及天线阵面，用以解决现有技术中存在着的微带天线在采用增设寄生贴片实现带宽增大时容易造成生产成本增高、天线损耗大、增益低的后果，而采用将介质层替换为空气层以实现带宽增大时又容易造成空气腔尺寸偏差较大，严重影响微带天线的无线信号收发传递性能的技术问题。

本申请第一方面提供了一种多层微带天线阵元，应用于相控阵天线，其特征在于，包括：

寄生贴片层，包括寄生辐射贴片和第一介质基片，所述寄生贴片贴附设置在所述第一介质基片的一侧外表面上；

泡沫介质层，包括泡沫介质片，所述泡沫介质片贴附设置在所述第一介质基片的另一侧外表面上；

辐射贴片层，包括辐射贴片和第二介质基片，所述辐射贴片贴附设置在所述第二介质基片的一侧外表面上且贴附于所述泡沫介质片，其中，所述寄生辐射贴片垂直投影在所述辐射贴片所在面上的投影完全覆盖所述辐射贴片；

天线地板，包括设置在所述天线地板上的馈电缝隙，其中，所述天线地板贴附设置在所述第二介质基片的另一侧外表面上，所述天线地板用以接地，所述馈电缝隙用以向所述辐射贴片馈入信号；

馈电网络层，包括第三介质基片及馈电网络，其中，所述第三介质基片的一侧外表面贴附设置于所述天线地板，所述馈电网络设置在所述第三介质基片的另一侧外表面上，所述馈电网络的所在位置与所述馈电缝隙相匹配，以使信号可经所述馈电网络馈入所述馈电缝隙。

可选地，所述泡沫介质层的厚度与所述相控阵天线的工作频率相对应。

可选地，所述泡沫介质片的损耗角正切小于等于10^-4量级。

可选地，所述泡沫介质层还包括：

介质基片架，包括由介质基片架壁围成的基片通孔、以及介质基片架顶面和介质基片架底面，所述泡沫介质片填充设置在所述基片通孔内，所述介质基片架顶面上覆盖设置有第一金属层，所述介质基片架底面上覆盖设置有第二金属层；

第一金属孔，设置在所述介质基片架内且连接所述第一金属层和所述第二金属层；和/或，第三金属层，覆盖设置在所述介质基片架壁上。

可选地，所述馈电网络层还包括：

第二金属孔，设置在所述第三介质基片内且围绕所述馈电网络。

可选地，所述天线阵元为正方形片状结构。

本申请第二方面提供了一种相控阵天线阵面，包括：

至少四个如第一方面所述的天线阵元；

其中，至少四个所述天线阵元拼接成板面结构，且每个天线阵元的寄生贴片层或馈电网络层处于同一平面内。

可选地，所述天线阵面中的每个天线阵元的介质基片架为一体成型，和/或每个第一介质基片为一体成型，和/或每个天线地板为一体成型，和/或，每个第三介质基片为一体成型。

可选地，在所述天线阵面中的天线阵元包括介质基片架时，每个介质基片架为一体成型。

可选地，所述天线阵面中的每个天线阵元为正方形片状结构，且所述天线阵面为由所述天线阵元拼接成的矩形板状结构。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例中的技术方案通过设置包括寄生辐射贴片和第一介质基片的寄生贴片层、在寄生贴片层一侧设置包括泡沫介质片的泡沫介质层、在泡沫介质层一侧设置包括辐射贴片和第二介质基片的辐射贴片层、在辐射贴片层一侧设置有馈电缝隙的天线地板，再在天线地板一侧设置包括第三介质基片及馈电网络的馈电网络层。由于泡沫介质片具有极低的介电常数和对高频应用极其有利的传输性能等优点，因此可以降低天线的损耗，提高天线增益，同时也不会增大天线的生产成本，且生产加工简易。具有提高微带天线带宽和增益，降低天线损耗和生产成本，保证成品天线一致性的技术效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种多层微带天线阵元的结构图；

图2为本发明实施例提供的一种天线阵面的结构图；

图3为本发明实施例提供的设置有第一金属孔的介质基片架的结构图；

图4为本发明实施例提供的设置有第三金属层的介质基片架的结构图。

具体实施方式

本申请提供一种多层微带天线阵元及天线阵面，用以解决现有技术中存在着的微带天线在采用增设寄生贴片实现带宽增大时容易造成生产成本增高、天线损耗大、增益低的后果，而采用将介质层替换为空气层以实现带宽增大时又容易造成空气腔尺寸偏差较大，严重影响微带天线的无线信号收发传递性能的技术问题。

本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

本申请实施例中的技术方案通过设置包括寄生辐射贴片和第一介质基片的寄生贴片层、在寄生贴片层一侧设置包括泡沫介质片的泡沫介质层、在泡沫介质层一侧设置包括辐射贴片和第二介质基片的辐射贴片层、在辐射贴片层一侧设置有馈电缝隙的天线地板，再在天线地板一侧设置包括第三介质基片及馈电网络的馈电网络层。由于泡沫介质片具有极低的相对介电常数和损耗角正切，以及对高频应用极其有利的传输性能等优点，因此可以降低天线的损耗，提高天线增益，同时也不会增大天线的生产成本，且生产加工简易。具有提高微带天线带宽和增益，降低天线损耗和生产成本，保证成品天线一致性的技术效果。

下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

实施例一

请参考图1，图2，本申请实施例一提供一种多层微带天线阵元，应用于相控阵天线，包括：

寄生贴片层101，包括寄生辐射贴片1011和第一介质基片1012，所述寄生贴片贴附设置在所述第一介质基片的一侧外表面上；

泡沫介质层102，包括泡沫介质片1021，所述泡沫介质片贴附设置在所述第一介质基片的另一侧外表面上；

辐射贴片层103，包括辐射贴片1031和第二介质基片1032，所述辐射贴片贴附设置在所述第二介质基片的一侧外表面上且贴附于所述泡沫介质片，其中，所述寄生辐射贴片垂直投影在所述辐射贴片所在面上的投影完全覆盖所述辐射贴片，由此可以实现增大天线带宽的性能；

天线地板104，包括设置在所述天线地板上的馈电缝隙1041，其中，所述天线地板贴附设置在所述第二介质基片的另一侧外表面上，所述天线地板用以接地，所述馈电缝隙用以向所述辐射贴片馈入信号；实际操作时，所述馈电缝隙的位置可以为与所述辐射贴片相对应匹配的位置，例如，所述辐射贴片垂直投影在所述馈电缝隙所在平面上的投影完全覆盖所述馈电缝隙；当然也可以是其它的相对位置，例如，所述馈电缝隙的信号馈送范围覆盖与辐射贴片相连的其它信号传输元件，等等。只要所述馈电缝隙可以实现向所述辐射贴片馈送信号即可；

馈电网络层105，包括第三介质基片1051及馈电网络1052，其中，所述第三介质基片的一侧外表面贴附设置于所述天线地板，所述馈电网络设置在所述第三介质基片的另一侧外表面上，所述馈电网络的所在位置与所述馈电缝隙相匹配，以使信号可经所述馈电网络馈入所述馈电缝隙。当然，在信号接收阶段信号也可经所述馈电缝隙馈入所述馈电网络。

在实际操作过程中，当天线处于信号发射状态时，信号可以经由所述馈电网络输入，然后馈入所述馈电缝隙，再由所述馈电缝隙将信号馈入到辐射贴片，辐射贴片再经由所述泡沫介质层将信号传输到寄生辐射贴片，最后辐射到空间。而当天线处于信号接收状态时，信号可以首先经寄生辐射贴片接收，并经泡沫介质层传输到辐射贴片，再有辐射贴片将信号经馈电缝隙馈入所述馈电网络，进而传输到后端处理设备。

由于泡沫介质片在实际应用中拥有以下几项非常优秀的技术指标：1、具有极低的相对介电常数和损耗角正切，以及对高频应用极其有利的传输性能；2、泡沫介质片具有特别细小的孔隙结构，由于泡沫介质片材料不存在腐蚀反应作用，因此可确保最大程度地减少信号被树脂吸收，可实现与天线阵元内部的金属面层完全兼容；3、泡沫材料在各种温度下都具有优秀的力学性能，即使在220℃的高温作用下，也不会发生电性指标变异；4、泡沫材料可通过铣削、钻削、车削、打磨加工成各种几何形状，加工难度低，操作简便高效。因此，本申请实施例中采用泡沫介质片填充微带天线，一方面可以实现降低天线的损耗，提高天线的辐射效率，从而使得微带天线的增益得到提高；另一方面，通过选取具有适宜厚度的泡沫介质片，再辅以寄生辐射贴片的设置，不仅可以使得微带天线的带宽得到有效拓展，并且还可使得天线阵元适用于相对应的频段范围。大量实验数据可证，本申请实施例中的微带天线带宽可以达到30％以上。

需要指出的是，本申请实施例中的所述“天线地板用以接地”可以包括两个含义，第一个是所述天线地板直接接地，例如，直接将接地线连接所述天线地板；第二个是通过所述天线地板可以实现接地功能，例如，所述天线地板可以连接其它后端装置，而该后端装置可以实现接地等功能。

为了实现所述天线阵元在高频段的适应性应用，本申请实施例中的所述泡沫介质层的厚度与所述相控阵天线的工作频率相对应，从而可以使得所述天线阵元可应用于用户所需要的工作频段范围。

进一步地，为了保证天线阵元具有良好的信号收发传递性能，所述泡沫介质片的损耗角正切小于等于10^-4量级，由此可以保证在实际应用中信号损耗达到非常低的状态，实现优秀的天线技术指标。

当然，为了进一步提高信号在天线阵元内部的传输隔离度，所述泡沫介质层还包括：

介质基片架1022，包括由介质基片架壁围成的基片通孔、以及介质基片架顶面和介质基片架底面，所述泡沫介质片填充设置在所述基片通孔内，所述介质基片架顶面上覆盖设置有第一金属层，所述介质基片架底面上覆盖设置有第二金属层；

第一金属孔1023，设置在所述介质基片架内且连接所述第一金属层和所述第二金属层；和/或第三金属层1024，覆盖设置在所述介质基片架壁上。

也就是说，在实际操作时，可以通过在泡沫介质片的周围设置所述第一金属孔和/或所述第三金属层，从而实现将泡沫介质层的信号传输限制在泡沫介质片内。同理，本申请实施例中的所述馈电网络层还包括：

第二金属孔1053，设置在所述第三介质基片1051内且围绕所述馈电网络1052。由此可以实现将馈电网络层的信号传输限制在第三介质基片1051内。由此可以在将多片天线阵元拼接应用时，实现提高不同天线阵元内部信号的隔离度。

进一步地，本申请实施例中的所述天线阵元为正方形片状结构。由此不仅可以使得天线阵元可以根据各种不同的需要而拼接成相应形状面积的天线阵面，保证天线的圆极化性能。

由此可见，本申请实施例中的技术方案通过设置包括寄生辐射贴片和第一介质基片的寄生贴片层、在寄生贴片层一侧设置包括泡沫介质片的泡沫介质层、在泡沫介质层一侧设置包括辐射贴片和第二介质基片的辐射贴片层、在辐射贴片层一侧设置有馈电缝隙的天线地板，再在天线地板一侧设置包括第三介质基片及馈电网络的馈电网络层。由于泡沫介质片具有极低的相对介电常数和损耗角正切，以及对高频应用极其有利的传输性能等优点，因此可以降低天线的损耗，提高天线增益，同时也不会增大天线的生产成本，且生产加工简易。具有提高微带天线带宽和增益，降低天线损耗和生产成本，保证成品天线一致性的技术效果。

实施例二

请参考图2、图3、图4，本申请实施例二提供了一种相控阵天线阵面，包括：

至少四个如实施例一所述的天线阵元；

其中，至少四个所述天线阵元拼接成板面结构，且每个天线阵元的寄生贴片层或馈电网络层处于同一平面内。

可选地，所述天线阵面中的每个天线阵元的介质基片架为一体成型，和/或每个第一介质基片为一体成型，和/或每个天线地板为一体成型，和/或，每个第三介质基片为一体成型。

同时，在所述天线阵面中的天线阵元包括介质基片架时，每个介质基片架为一体成型。

如图2所示，也就是说，在具体生产加工过程中，所述天线阵面中的多个天线阵元可以采用同一块第一介质基片、同一块天线地板、同一块第三介质基片。请参考图3、4，同时，在所述天线阵面中的天线阵元包括介质基片架时，多个天线阵元的介质基片架也可以采用一个整体成型的介质基片架。加工时，只需要在这些基片、地板、基片架的相应位置贴附设置相应的贴片、馈电网络及泡沫介质片即可

可选地，所述天线阵面中的每个天线阵元为正方形片状结构，且所述天线阵面为由所述天线阵元拼接成的矩形板状结构。

前述图1实施例中的多层微带天线阵元，其各种变化方式和具体实例同样适用于本实施例的天线阵面，通过前述对多层微带天线阵元的详细描述，本领域技术人员可以清楚的知道本实施例中天线阵面的实施方法，所以为了说明书的简洁，在此不再详述。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。进一步地，本申请技术方案中的各个方法步骤可以颠倒，变换先后顺序而依然落入本申请所涵盖的发明范围中。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种多层微带天线阵元，应用于相控阵天线，其特征在于，包括：

寄生贴片层，包括寄生辐射贴片和第一介质基片，所述寄生贴片贴附设置在所述第一介质基片的一侧外表面上；

泡沫介质层，包括泡沫介质片，所述泡沫介质片贴附设置在所述第一介质基片的另一侧外表面上；

辐射贴片层，包括辐射贴片和第二介质基片，所述辐射贴片贴附设置在所述第二介质基片的一侧外表面上且贴附于所述泡沫介质片，其中，所述寄生辐射贴片垂直投影在所述辐射贴片所在面上的投影完全覆盖所述辐射贴片；

天线地板，包括设置在所述天线地板上的馈电缝隙，其中，所述天线地板贴附设置在所述第二介质基片的另一侧外表面上，所述天线地板用以接地，所述馈电缝隙用以向所述辐射贴片馈入信号；

馈电网络层，包括第三介质基片及馈电网络，其中，所述第三介质基片的一侧外表面贴附设置于所述天线地板，所述馈电网络设置在所述第三介质基片的另一侧外表面上，所述馈电网络的所在位置与所述馈电缝隙相匹配，以使信号可经所述馈电网络馈入所述馈电缝隙。

2.如权利要求1所述的天线阵元，其特征在于，所述泡沫介质层的厚度与所述相控阵天线的工作频率相对应。

3.如权利要求1所述的天线阵元，其特征在于，所述泡沫介质片的损耗角正切小于等于10^-4量级。

4.如权利要求1所述的天线阵元，其特征在于，所述泡沫介质层还包括：

介质基片架，包括由介质基片架壁围成的基片通孔、以及介质基片架顶面和介质基片架底面，所述泡沫介质片填充设置在所述基片通孔内，所述介质基片架顶面上覆盖设置有第一金属层，所述介质基片架底面上覆盖设置有第二金属层；

第一金属孔，设置在所述介质基片架内且连接所述第一金属层和所述第二金属层；和/或，第三金属层，覆盖设置在所述介质基片架壁上。

5.如权利要求1所述的天线阵元，其特征在于，所述馈电网络层还包括：

第二金属孔，设置在所述第三介质基片内且围绕所述馈电网络。

6.如权利要求1-5任一权利要求所述的天线阵元，其特征在于，所述天线阵元为正方形片状结构。

7.一种相控阵天线阵面，其特征在于，包括：

至少四个如权利要求1-6任一权利要求所述的天线阵元；

其中，至少四个所述天线阵元拼接成板面结构，且每个天线阵元的寄生贴片层或馈电网络层处于同一平面内。

8.如权利要求7所述的天线阵面，其特征在于，所述天线阵面中的每个天线阵元的介质基片架为一体成型，和/或每个第一介质基片为一体成型，和/或每个天线地板为一体成型，和/或，每个第三介质基片为一体成型。

9.如权利要求8所述的天线阵面，其特征在于，在所述天线阵面中的天线阵元包括介质基片架时，每个介质基片架为一体成型。

10.如权利要求7所述的天线阵面，其特征在于，所述天线阵面中的每个天线阵元为正方形片状结构，且所述天线阵面为由所述天线阵元拼接成的矩形板状结构。

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