CN111525252A - 一种基于耦合馈电的宽带双极化天线单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于耦合馈电的宽带双极化天线单元，其包括逐层连接的辐射层、馈电层、金属基板和连接结构；辐射层与馈电层耦合；辐射层包括第一基片集成波导腔结构，以及设置于第一基片集成波导腔结构端面的主辐射贴片和寄生辐射贴片，主辐射贴片和寄生辐射贴片相匹配；馈电层中包括相互正交的第一缝隙馈电和第二缝隙馈电，连接结构贯穿金属基板并分别连接到第一缝隙馈电和第二缝隙馈电。本设计的天线单元具备较宽的驻波带宽，相互正交的第一缝隙馈电和第二缝隙馈电具备较好的交叉极化隔离效果，本设计的天线单元结构紧凑，所设计的层级结构的可加工性好。

Description

一种基于耦合馈电的宽带双极化天线单元

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其是一种基于耦合馈电的宽带双极化天线单元。

背景技术

双极化天线能发射或接收两个正交极化的电磁波，因此在同一带宽内，天线可以发射或接收两种信号，这有利于频率复用或者收发同时工作。目前常用的双极化天线有波导缝隙天线、喇叭天线、印刷振子天线和微带天线。其中波导缝隙天线的设计及加工难度大，喇叭天线尺寸大、重量重、剖面高，印刷振子天线也存在剖面较高的问题，在某些应用场景中不再适用。微带天线因具有体积小、重量轻、剖面低、易于共形、可加工性好等特点，已得到广泛的应用。但微带双极化天线的交叉极化隔离一般不佳，且微带天线带宽较窄的问题也亟待解决。

为解决微带天线交叉极化隔离不佳以及带宽窄等问题，国内外天线领域工作者做了大量研究。

文献^[1]揭示了一种双极化微带天线，该天线采用单层辐射贴片设计，“工”字型耦合缝隙正交且分离设计于同一层，两个极化的耦合缝隙之间有金属化过孔形成的金属隔离墙，两个极化的馈线位于同一层。该天线可以实现良好的端口隔离，达到32dB，同时提高了天线的增益。但该天线的带宽较窄，仅7.5%，且文中未提及天线的交叉极化隔离度。

文献^[2]中提出了一种混合馈电的双极化微带天线设计，其垂直极化采用共面的微带线馈电，而水平极化则采用缝隙耦合馈电形式，把实现双极化的两套网络置于接地板两侧，从而提高端口隔离度，同时采用反相馈电技术抑制天线的交叉极化。经过测试，该天线两种极化端口的阻抗带宽均大于14.6%（电压驻波比小于1.6），端口之间的隔离度优于34dB，水平极化端口的交叉极化电平抑制优于26dB，垂直极化端口的交叉极化电平抑制优于24dB。由于在第一层和第三层之间填充Rohacell 31HF泡沫来提高天线的带宽、在第四层和第六层之间填充Rohacell 31HF泡沫以及在第六层表面的金属膜来减小背向辐射，天线的剖面较高，同时采用共面的微带线馈电会带来寄生辐射，影响天线的性能。

文献^[3]中提出了一种采用环形耦合结构和弯折型探针结合馈电的微带天线，由6个H型缝隙构成环形耦合结构，其中一个馈电端口通过威尔金森功分器和180°移相器形成倒相馈电，提高了端口隔离度，达到40dB，另一个端口通过T型微带馈电。该天线阻抗带宽为14%、交叉极化隔离度为23dB，但其结构繁琐，设计复杂，且馈电网络占据太多的空间，不利于组阵。

除此之外，还有一些专利文献公开了提高天线带宽的方案，例如CN110137672A、CN101982899A等，此类文献能够在一定程度上拓宽天线带宽，但是，总体而言，其要么交叉极化隔离效果欠佳，增益不理想，要么可加工性不强。

参考文献：

[1]孙静.一种双极化天线辐射单元：中国，CN 207165756 U [P]. 2018-03-30.

[2]汪伟，梁仙灵，钟顺时.一种双极化微带天线阵的设计[J].雷达科学与技术，2004，241-246.

[3] Sim C Y D, Chang C C, Row J S. Dual-Feed Dual-Polarized Patch AntennaWith Low Cross Polarization and High Isolation[J]. IEEE Transactions onAntennas & Propagation, 2009, 57(10):3321-3324。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于耦合馈电的宽带双极化天线单元，以获得带宽宽、交叉极化隔离好、结构紧凑、可加工性好的双极化天线单元。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于耦合馈电的宽带双极化天线单元，其包括逐层连接的辐射层、馈电层、金属基板和连接结构；

辐射层与馈电层耦合；

辐射层包括第一基片集成波导腔结构，以及设置于第一基片集成波导腔结构端面的主辐射贴片和寄生辐射贴片，主辐射贴片和寄生辐射贴片相匹配；

馈电层中包括相互正交的第一缝隙馈电和第二缝隙馈电，连接结构贯穿金属基板并分别连接到第一缝隙馈电和第二缝隙馈电。

上述天线单元的工作原理为：信号从连接结构馈入，经过第一缝隙馈电耦合至主辐射贴片，寄生辐射贴片产生二次耦合并向空间辐射第一极化电磁波，已获得较宽带宽；对于第二缝隙馈电，信号从连接结构馈入，经过第二缝隙馈电耦合至主辐射贴片，寄生辐射贴片产生二次耦合并向空间辐射第二极化电磁波。

逐层设计的天线单元结构紧凑、便于加工。辐射层设计基片集成波导腔结构可以起到束缚电磁波和抑制表面波的作用，以层级结构设计相互正交的第一缝隙馈电和第二缝隙馈电，可以起到很好的交叉极化隔离效果。整体的天线单元结构能够在较宽的带宽范围内获得理想的增益。

进一步的，所述辐射层包括逐层设置的辐射层地、辐射层下层介质基片、辐射层半固化片、辐射层上层介质基片以及上表面金属层，辐射层还包括辐射层金属化通孔、主辐射贴片和寄生辐射贴片。

辐射层金属化通孔贯穿辐射层下层介质基片、辐射层半固化片和辐射层上层介质基片，将辐射层地和上表面金属层导通，形成第一基片集成波导腔结构。

主辐射贴片设置于辐射层上层介质基片的下表面，寄生辐射贴片设置于辐射层上层介质基片的上表面。现有技术均是采用一层基片贴一片辐射贴片的方案，主辐射贴片与耦合馈电之间就存在多层介质，从而影响耦合效率。本设计在基片下表面（现有方式是设置在上表面）设计主辐射贴片，可以大幅提高耦合效果。

辐射层地开设辐射层地通孔（即开窗），与耦合馈电和辐射贴片对应，使得耦合馈电的射频信号能够通过开开窗进入到辐射贴片中实现耦合。

进一步的，所述辐射层金属化通孔的孔心距小于λ/10，λ为电磁波波长。该设计可以确保形成的基片集成波导腔可以起到较好的束缚电磁波和抑制表面波的作用。

进一步的，所述辐射层下层介质基片和辐射层半固化片上，均开设有辐射层非金属化通孔，共同形成了辐射层非金属化盲孔。该设计可以进一步拓宽基于耦合馈电的宽带双极化天线工作带宽。

进一步的，馈电层还包括第二基片集成波导腔结构，第一缝隙馈电包括第一耦合缝隙和第一极化馈线，第二缝隙馈电包括第二耦合缝隙和第二极化馈线，第一耦合缝隙和第二耦合缝隙相互正交地设置于第二基片集成波导腔结构端面，第一极化馈线和第二极化馈线相互正交地设置于第二基片集成波导腔结构中。

基片集成波导腔结构可以起到束缚电磁波和抑制表面波的作用。同时，将第一极化馈线和第二极化馈线设置于基片集成波导腔结构中，增加了两个极化端口之间的隔离度，也可以防止信号扩散，从而提高极化馈线从耦合缝隙输出的效率，将耦合缝隙设置于集成波导腔结构端面，同时再结合辐射层结构，可以确保辐射贴片对极化馈电的感应具备较高的功率。

进一步的，所述馈电层包括逐层设置的馈电层地、馈电层下层介质基片、馈电层下层半固化片、馈电层中层介质基片、馈电层上层半固化片、馈电层上层介质基片和耦合层；

馈电层金属化通孔贯穿馈电层上层介质基片、馈电层上层半固化片、馈电层中层介质基片、馈电层下层半固化片和馈电层下层介质基片，将馈电层地和耦合层导通，形成第二基片集成波导腔结构；

馈电层下层介质基片上表面设置有第一极化馈线；

馈电层中层介质基片上表面设置第二极化馈线；

耦合层上设置有正交的第一耦合缝隙和第二耦合缝隙，其中，第一耦合缝隙与第一极化馈线对应，第二耦合缝隙与第二极化馈线对应；

馈电层包括两组非金属化通孔，其中一组为贯穿馈电层下层介质基片的第一非金属化通孔，另一组为贯穿馈电层中层介质基片、馈电层下层半固化片和馈电层下层介质基片的第二非金属化通孔；

馈电层地对应于第一极化馈线和第二极化馈线的位置，开有两开窗，以对连接结构的波针进行避让。

通常两极化馈线是设计在一个基片上，本发明将第一极化馈线与第二极化馈线分离设计，一方面可节省天线的横向空间，方便双极化天线组阵（通常相控阵天线单元的间距在0.5λ以内），另一方面，分离设计的两极化馈线通过半固化片相互连接和隔离，在确保到达辐射层功率相同的情况下，也可以有效抑制两极化馈线间的相互影响。

进一步的，馈电层还包括两组馈电层非金属化通孔，其中一组贯穿耦合层、馈电层上层介质基片、馈电层上层半固化片、馈电层中层介质基片、馈电层下层半固化片，到达第一极化馈线；另一组贯穿耦合层、馈电层上层介质基片、馈电层上层半固化片，到达第二极化馈线。

由于馈电层采用了多层板压合而成，而连接结构又与馈电层是相互独立的，仅在组装时连接在一起，因此，设计非金属化通孔可以在馈电层制成之后，预留连接结构焊接的空间，提高天线单元的可加工性。

进一步的，所述第一耦合缝隙和第二耦合缝隙为两组正交的“工”形耦合缝隙。“工”形耦合缝隙的主缝和侧缝的尺寸能够影响天线的谐振频率，采用“工”形设计，便于加工和参数调节。

进一步的，所述馈电层金属化通孔的孔心距小于λ/10，λ为电磁波波长。该设计可以确保形成的基片集成波导腔可以起到较好的束缚电磁波和抑制表面波的作用。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本设计的基于耦合馈电的宽带双极化天线单元采用带状线耦合馈电的微带天线，通过挖空辐射层部分介质和采用双层辐射贴片提高天线的驻波带宽，通过在耦合层开“工”字形耦合缝隙来提高交叉极化隔离；V极化和H极化的馈线在不同介质层成正交排布，V极化和H极化的“工”字形耦合缝隙在同一层成正交排布，结构紧凑，大大节省了横向空间，为宽带双极化天线的组阵提供了便利；天线采用多层印制板加工工艺加工成型，加工精度可控，一致性好，适合大批量生产。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明宽带双极化天线单元结构的三视图；

图2是本发明宽带双极化天线单元层级结构图；

图3是本发明辐射层层级结构示意图；

图4是本发明馈电层层级结构示意图；

图5是本发明耦合层示意图；

图6是本发明馈电层下层介质基片示意图；

图7是本发明馈电层中层介质基片示意图；

图8是本发明V极化电磁波电场方向示意图；

图9是本发明H极化电磁波电场方向示意图；

图10是本发明实施例的S11仿真曲线；

图11是本发明实施例H面的增益方向图；

图12是本发明实施例E面的增益方向图；

图13是本发明实施例增益随频率变化曲线。

图中标记：1 辐射层；2 馈电层；3 连接结构；4 金属基板；11 寄生辐射贴片；12上表面金属层；13 主辐射贴片；14 辐射层上层介质基片；15 辐射层半固化片；16 辐射层下层介质基片；17 辐射层地；171 辐射层地通孔；18 辐射层非金属化通孔；19 辐射层金属化通孔；21 耦合层；22 馈电层上层介质基片；23 馈电层上层半固化片；24 馈电层中层介质基片；25 馈电层下层半固化片；26 馈电层下层介质基片；27 馈电层地；28 馈电层金属化通孔；29馈电层非金属化通孔；211 V极化耦合缝隙；212 H极化耦合缝隙；241 H极化馈线；242 第二非金属化通孔；2111 V极化耦合缝隙主缝；2112 V极化耦合缝隙侧缝；2121 H极化耦合缝隙主缝；2122 H极化耦合缝隙侧缝；2411 H极化馈线焊盘；2412 H极化馈线匹配枝节；2413 H极化馈线开路枝节；261 V极化馈线；262 第一非金属化通孔；2611 V极化馈线焊盘；2612 V极化馈线匹配枝节；2613 V极化馈线开路枝节；31 波针。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例一

如图1、2所示，本实施例公开了一种基于耦合馈电的宽带双极化天线单元，包括逐层连接的辐射层1、馈电层2、金属基板4和连接结构3，辐射层1与馈电层2耦合。

辐射层1包括基片集成波导腔结构，以及设置于基片集成波导腔端面的主辐射贴片13和寄生辐射贴片11。基片集成波导腔结构可以束缚电磁波和抑制表面波。寄生辐射贴片11至少为一片（数量不限于1片），其起到拓宽基于耦合馈电的宽带双极化天线单元工作带宽的作用。

馈电层2中包括相互正交的第一缝隙馈电和第二缝隙馈电，连接结构3贯穿金属基板4并分别连接到第一缝隙馈电和第二缝隙馈电。相互正交的缝隙馈电单元可以提高交叉极化隔离的效果。

信号从连接结构3馈入，经过第一缝隙馈电耦合至主辐射贴片13，寄生辐射贴片11产生二次耦合并向空间辐射第一极化电磁波；对于第二缝隙馈电，信号从连接结构3馈入，经过第二缝隙馈电耦合至主辐射贴片13，寄生辐射贴片11产生二次耦合并向空间辐射第二极化电磁波。经试验证明，上述的天线单元结构，可以在较宽的带宽范围内获得较佳的增益。

如图3所示，辐射层1包括逐层设置的辐射层地17、辐射层下层介质基片16、辐射层半固化片15、辐射层上层介质基片14以及上表面金属层12，辐射层1还包括辐射层金属化通孔19、主辐射贴片13和寄生辐射贴片11。辐射层金属化通孔19从辐射层下层介质基片16一直贯穿到辐射层上层介质基片14（含），即贯穿辐射层下层介质基片16、辐射层半固化片15和辐射层上层介质基片14，将辐射层地17和上表面金属层12导通，形成基片集成波导腔，起到束缚电磁波和抑制表面波的作用。辐射层半固化片15在加工时起到粘接辐射层下层介质基片16和辐射层上层介质基片14的作用。主辐射贴片13设置于辐射层上层介质基片14的下表面，寄生辐射贴片11设置于辐射层上层介质基片14的上表面。辐射层地17开有辐射层地通孔171，就该特征而言，其可以使得各缝隙馈电能够非常好地耦合到辐射贴片，相较于封闭的（即板状的）辐射地层设计而言，可以使天线单元具备更大的发射功率，封闭的辐射层地无法使馈电层2的信号进入到辐射层1。寄生辐射贴片11起到拓宽基于耦合馈电的宽带双极化天线单元工作带宽的作用，其数量并不被限定为1片。需要说明的是，辐射层金属化通孔19的孔心距小于λ/10时（λ为电磁波波长），形成的基片集成波导腔便可以起到较好的束缚电磁波和抑制表面波的作用，因此孔心距的取值不唯一。

进一步的，辐射层下层介质基片16上开设有辐射层非金属化通孔18，该辐射层非金属化通孔18向上表面金属层12方向一直延伸到辐射层上层介质基片14（不含），即在辐射层下层介质基片16和辐射层半固化片15上，均开设有辐射层非金属化通孔18，形成空气介质，以进一步拓宽基于耦合馈电的宽带双极化天线单元工作带宽。为了便于加工，对辐射层非金属化通孔18四个角做了倒圆角的设计。

如图4所示，馈电层2包括逐层设置的馈电层地27、馈电层下层介质基片26、馈电层下层半固化片25、馈电层中层介质基片24、馈电层上层半固化片23、馈电层上层介质基片22和耦合层21。馈电层金属化通孔28贯穿馈电层上层介质基片22、馈电层上层半固化片23、馈电层中层介质基片24、馈电层下层半固化片25和馈电层下层介质基片26，将馈电层地27和耦合层21导通，形成基片集成波导腔（即第二基片集成波导腔结构），起到束缚电磁波的作用。需要说明的是，馈电层金属化通孔28的孔心距小于λ/10时（λ为电磁波波长），形成的基片集成波导腔便可以起到较好的束缚电磁波的作用，因此孔心距的取值不唯一。

馈电层地27，位于馈电层下层介质基片26的下表面，其上有两处圆形开窗，给连接结构3的波针31做避让，开窗的大小按照阻抗匹配的原则进行优化设计。

如图6所示，馈电层下层介质基片26上表面设置有第一极化馈线。第一极化馈线上有第一极化馈线焊盘、第一极化馈线匹配枝节和第一极化馈线开路枝节。第一极化馈线焊盘的大小对波针31与第一极化馈线的阻抗匹配有较大的影响，因此需要在应用时进行匹配设计。第一极化馈线匹配枝节用于调节阻抗特性，其形状一般为矩形或渐变形，在本实施例中采用矩形。第一极化馈线开路枝节为50欧姆开路带状线，调节其长度可改善输入端的阻抗特性，实现第一极化馈线和主辐射贴片13的宽频带匹配。

馈电层下层半固化片25，位于馈电层下层介质基片26和馈电层中层介质基片24之间，在馈电层2加工时起到粘接馈电层下层介质基片26和馈电层中层介质基片24的作用。

如图7所示，馈电层中层介质基片24上表面设置第二极化馈线。第二极化馈线上有第二极化馈线焊盘、第二极化馈线匹配枝节和第二极化馈线开路枝节。第二极化馈线焊盘的大小对波针31与第二极化馈线的阻抗匹配有较大的影响，因此需要在应用时进行匹配设计。第二极化馈线匹配枝节用于调节阻抗特性，其形状一般为矩形或渐变形，在本实施例中采用矩形。第二极化馈线开路枝节为50欧姆开路带状线，调节其长度可改善输入端的阻抗特性，实现第二极化馈线和主辐射贴片13的宽频带匹配。

馈电层上层半固化片23，位于馈电层中层介质基片24和馈电层上层介质基片22之间，在馈电层2加工时起到粘接馈电层中层介质基片24和馈电层上层介质基片22的作用。

如图5所示，耦合层21上设置有正交的第一耦合缝隙和第二耦合缝隙，其中，第一耦合缝隙与第一极化馈线对应，第二耦合缝隙与第二极化馈线对应。

馈电层2包括非金属化通孔，共两组，其中一组为贯穿馈电层下层介质基片26的第一非金属化通孔262，另一组为贯穿馈电层中层介质基片24、馈电层下层半固化片25和馈电层下层介质基片26的第二非金属化通孔242。第一非金属化通孔262以便连接结构3的一个波针31可以穿过，并和第一极化馈线焊盘加工连接在一起，第二非金属化通孔242以便连接结构3的另一波针31可以穿过，并和第二极化馈线焊盘加工连接在一起。馈电层2还包括馈电层非金属化通孔29，共有两组，其中一组贯穿耦合层21、馈电层上层介质基片22、馈电层上层半固化片23、馈电层中层介质基片24、馈电层下层半固化片25，到达第一极化馈线焊盘；另一组贯穿耦合层21、馈电层上层介质基片22、馈电层上层半固化片23，到达第二极化馈线焊盘。馈电层非金属化通孔29是为了方便在装配时分别将第一极化馈线焊盘、第二极化馈线焊盘和连接结构3加工连接在一起。

信号从连接结构3馈入，经过第一极化馈线，再通过第一耦合缝隙耦合至主辐射贴片13，寄生辐射贴片11产生二次耦合并向空间辐射第一极化电磁波，如图8所示，为以V极化为例的电磁波电场方向示意图。另一组耦合缝隙为第二极化对应的耦合缝隙，也就是说，信号从连接结构3馈入，经过第二极化馈线，再通过耦合缝隙耦合至主辐射贴片13，寄生辐射贴片11产生二次耦合并向空间辐射第二极化电磁波，如图9所示为以H极化为例的电磁波电场方向示意图。

实施例二

本实施例公开了一种基于耦合馈电的宽带双极化天线单元，如图1、2所示，包括逐层连接的辐射层1、馈电层2、金属基板4和连接结构3。在一个实施例中，连接结构3焊接在金属基板4上，馈电层2焊接在金属基板4上，辐射层1连接于馈电层2远离金属基板4一侧。

如图3所示，辐射层包括辐射层地17、辐射层地通孔171、辐射层金属化通孔19、辐射层非金属化通孔18、辐射层下层介质基片16、辐射层半固化片15、辐射层上层介质基片14、主辐射贴片13、寄生辐射贴片11以及上表面金属层12。

辐射层地17位于辐射层下层介质基片16下表面，其上开有辐射层地通孔171。

辐射层金属化通孔19贯穿辐射层下层介质基片16、辐射层半固化片15和辐射层上层介质基片14，将辐射层地17和上表面金属层12导通，形成基片集成波导腔，起到束缚电磁波和抑制表面波的作用。

辐射层非金属化通孔18贯穿辐射层下层介质基片16和辐射层半固化片15，形成空气介质，起到进一步拓宽基于耦合馈电的宽带双极化天线工作带宽的作用，此盲孔在辐射层半固化片15和辐射层下层介质基片16部分是非必须的，若无，则表示填满介质。

辐射层下层介质基片16，其下表面有辐射层地17，辐射层下层介质基片16上开有辐射层非金属化通孔18。

辐射层半固化片15，位于辐射层上层介质基片14和辐射层下层介质基片16之间，其上开有辐射层非金属化通孔18，在辐射层加工时起到粘接辐射层上层介质基片14和辐射层下层介质基片16的作用。

辐射层上层介质基片14，其下表面有主辐射贴片13，上表面有寄生辐射贴片11和上表面金属层12。

主辐射贴片13位于辐射层上层介质基片14的下表面，其形状可以为方形、圆形、三角形等，在本实施例中采用方形。

寄生辐射贴片11位于辐射层上层介质基片14的上表面，其形状可以为方形、圆形、三角形等，在本实施例中采用方形。

上表面金属层12位于辐射层上层介质基片14的上表面，其通过辐射层金属化通孔19与辐射层地17导通。

如图4所示，馈电层包括馈电层地27、馈电层金属化通孔28、馈电层下层介质基片26、馈电层下层半固化片25、馈电层中层介质基片24、馈电层上层半固化片23、馈电层上层介质基片22、耦合层21、馈电层非金属化通孔29。

馈电层金属化通孔28贯穿馈电层上层介质基片22、馈电层上层半固化片23、馈电层中层介质基片24、馈电层下层半固化片25和馈电层下层介质基片26，将馈电层地27和耦合层21导通，形成基片集成波导腔，起到束缚电磁波的作用。

馈电层非金属化通孔29，共有两组，其中一组贯穿耦合层21、馈电层上层介质基片22、馈电层上层半固化片23、馈电层中层介质基片24、馈电层下层半固化片25，到达V极化馈线焊盘2611；另一组贯穿耦合层21、馈电层上层介质基片22、馈电层上层半固化片23，到达H极化馈线焊盘2411。馈电层非金属化通孔29是为了方便在装配时分别将V极化馈线焊盘2611、H极化馈线焊盘2411和波针31焊接在一起。

馈电层地27，位于馈电层下层介质基片26的下表面，其上有两处圆形开窗，给连接结构3的波针31做避让，开窗的大小按照阻抗匹配的原则进行优化设计。

如图6所示，馈电层下层介质基片26下表面有馈电层地27，上表面有V极化馈线261，其上挖有第一非金属化通孔262、第二非金属化通孔242和馈电层金属化通孔28，第一非金属化通孔262以便连接结构3的波针31可以穿过，并和V极化馈线焊盘2611焊接在一起，第二非金属化通孔242以便连接结构3的波针31可以穿过，并和H极化馈线焊盘2411焊接在一起。

V极化馈线261，其上有V极化馈线焊盘2611、V极化馈线匹配枝节2612和V极化馈线开路枝节2613。V极化馈线焊盘2611的大小对波针31与V极化馈线261的阻抗匹配有较大的影响，需要在应用时中进行匹配设计。V极化馈线匹配枝节2612用于调节阻抗特性，其形状一般为矩形或渐变形，在本实施例中采用矩形。V极化馈线开路枝节2613为50欧姆开路带状线，调节其长度可改善输入端的阻抗特性，实现V极化馈线261和主辐射贴片13的宽频带匹配。

馈电层下层半固化片25，位于馈电层下层介质基片26和馈电层中层介质基片24之间，其上挖有馈电层非金属化通孔29、第二非金属化通孔242和馈电层金属化通孔28，在馈电层2加工时起到粘接馈电层下层介质基片26和馈电层中层介质基片24的作用。

如图7所示，馈电层中层介质基片24上表面有H极化馈线241，其上挖有馈电层非金属化通孔29、第二非金属化通孔242和馈电层金属化通孔28，第二非金属化通孔242以便连接结构3的波针31可以穿过，并和H极化馈线焊盘2411焊接在一起。

H极化馈线241，其上有H极化馈线焊盘2411、H极化馈线匹配枝节2412和H极化馈线开路枝节2413。H极化馈线焊盘2411的大小对波针31与H极化馈线241的阻抗匹配有较大的影响，需要在应用中进行匹配设计。H极化馈线匹配枝节2412用于调节阻抗特性，其形状一般为矩形或渐变形，在本实施例中采用矩形。H极化馈线开路枝节2413为50欧姆开路带状线，调节其长度可改善输入端的阻抗特性，实现H极化馈线241和主辐射贴片13的宽频带匹配。

馈电层上层半固化片23，位于馈电层中层介质基片24和馈电层上层介质基片22之间，其上挖有馈电层非金属化通孔29和馈电层金属化通孔28，在馈电层2加工时起到粘接馈电层中层介质基片24和馈电层上层介质基片22的作用。

馈电层上层介质基片22，其上表面有耦合层21，其上挖有馈电层非金属化通孔29和馈电层金属化通孔28。

如图5所示，耦合层21上有两组正交的“工”形耦合缝隙（金属被腐蚀掉），其中一组为V极化对应的V极化耦合缝隙211，也就是说，信号从连接结构3馈入，经过V极化馈线261，再通过V极化耦合缝隙211耦合至主辐射贴片13，寄生辐射贴片11产生二次耦合并向空间辐射V极化电磁波，V极化电磁波电场方向如图8所示。另一组耦合缝隙为H极化对应的H极化耦合缝隙212，也就是说，信号从连接结构3馈入，经过H极化馈线241，再通过H极化耦合缝隙212耦合至主辐射贴片13，寄生辐射贴片11产生二次耦合并向空间辐射H极化电磁波，H极化电磁波电场方向如图9所示。V极化和H极化相互正交。

“工”形耦合缝隙，由中间的主缝2111、2121和两侧的侧缝2112、2122组成，主缝和侧缝的长度影响天线的谐振频率和馈线与辐射贴片之间能量耦合的强度，主缝和侧缝的长度越长，天线的谐振频率越低，馈线与辐射贴片之间能量耦合的强度越强；主缝和侧缝的宽度对天线的谐振频率和馈线与辐射贴片之间能量耦合的强度也有影响，但影响程度小于主缝和侧缝的长度。此外，为了减小背向辐射，主缝和侧缝的宽度通常选取较小的值。

以Ku波段的宽带双极化天线单元为例进行性能测试，结果如图10~13所示，V极化阻抗带宽达18.4%，H极化阻抗带宽达18.8%；交叉极化优于29dB；天线增益在14.5GHz至18GHz频带内均大于5dBi。

实施例三

本实施例公开了一种基于耦合馈电的宽带双极化天线单元，如图2所示，其包括辐射层1、馈电层2、连接结构3和金属基板4四部分。

辐射层1的结构如图3所示，包括辐射层地17、辐射层地通孔171、辐射层金属化通孔19、辐射层非金属化通孔18、辐射层下层介质基片16、辐射层半固化片15、辐射层上层介质基片14、主辐射贴片13、寄生辐射贴片11以及上表面金属层12。

主辐射贴片13位于辐射层上层介质基片14的下表面，寄生辐射贴片11位于辐射层上层介质基片14的上表面。寄生辐射贴片11起到拓宽基于耦合馈电的宽带双极化天线工作带宽的作用，但其数量并不被限定为1。

辐射层金属化通孔19贯穿辐射层上层介质基片14、辐射层半固化片15以及辐射层下层介质基片16，将上表面金属层12和辐射层地17导通，形成基片集成波导腔，起到束缚电磁波和抑制表面波的作用。需要说明的是，辐射层金属化通孔19的孔心距小于λ/10时（λ为电磁波波长），形成的基片集成波导腔便可以起到较好的束缚电磁波和抑制表面波的作用，因此孔心距的取值不唯一。

辐射层非金属化通孔18贯穿辐射层半固化片15和辐射层下层介质基片16，形成空气介质，两通孔与上层介质层一起形成盲孔，起到进一步拓宽基于耦合馈电的宽带双极化天线工作带宽的作用，但此盲孔在辐射层半固化片15和辐射层下层介质基片16部分是非必须的，若无，则表示填满介质。此外，为了便于加工，对辐射层非金属化通孔18四个角做了倒圆角的设计。

辐射层半固化片15在辐射层1加工时起到粘接辐射层上层介质基片14和辐射层下层介质基片16的作用。

馈电层2的结构如图4所示，包括馈电层地27、馈电层金属化通孔28、馈电层下层介质基片26、馈电层下层半固化片25、馈电层中层介质基片24、馈电层上层半固化片23、馈电层上层介质基片22、耦合层21、馈电层非金属化通孔29。

馈电层非金属化通孔29是为了方便在装配时分别将V极化馈线261、H极化馈线241和波针31焊接在一起。

馈电层金属化通孔28贯穿馈电层上层介质基片22、馈电层上层半固化片23、馈电层中层介质基片24、馈电层下层半固化片25和馈电层下层介质基片26，将馈电层地27和耦合层21导通，形成基片集成波导腔，起到束缚电磁波的作用。需要说明的是，馈电层金属化通孔28的孔心距小于λ/10时（λ为电磁波波长），形成的基片集成波导腔便可以起到较好的束缚电磁波的作用，因此孔心距的取值不唯一。

耦合层21上有两组正交的“工”形耦合缝隙（金属被腐蚀掉），V极化耦合缝隙211为V极化对应的耦合缝隙，也就是说，信号从连接结构3馈入，经过V极化馈线261，再通过V极化耦合缝隙211耦合至主辐射贴片13，寄生辐射贴片11产生二次耦合并向空间辐射V极化电磁波；另一组耦合缝隙为H极化对应的H极化耦合缝隙212，也就是说，信号从连接结构3馈入，经过H极化馈线241，再通过H极化耦合缝隙212耦合至主辐射贴片13，寄生辐射贴片11产生二次耦合并向空间辐射H极化电磁波。V极化和H极化相互正交。

馈电层下层介质基片26上有第一非金属化通孔262，其作用是让连接结构3的波针31能够穿过馈电层下层介质基片26，以便跟V极化馈线261焊接在一起。V极化馈线261将连接结构3传输的信号通过V极化耦合缝隙211耦合至主辐射贴片13。波针31焊接在V极化馈线焊盘2611上，V极化馈线焊盘2611的大小对波针31和V极化馈线261的匹配有较大的影响（若匹配不好，由连接结构3馈入的信号将有大部分被反射回去，大大降低天线的效率），需要在设计中进行优化。V极化馈线匹配枝节2612用于调节阻抗特性，其形状一般为矩形或渐变形，在本实施例中采用矩形。

馈电层中层介质基片24上有第二非金属化通孔242，其作用是让连接结构3的波针31能够穿过馈电层中层介质基片24，以便跟H极化馈线241焊接在一起。H极化馈线241将连接结构3传输的信号通过H极化耦合缝隙212耦合至主辐射贴片13。波针31焊接在H极化馈线焊盘2411上，H极化馈线焊盘2411的大小对波针31和H极化馈线241的匹配有较大的影响（若匹配不好，由连接结构3馈入的信号将有大部分被反射回去，大大降低天线的效率），需要在设计中进行优化。H极化馈线匹配枝节2412用于调节阻抗特性，其形状一般为矩形或渐变形，在本实施例中采用矩形。

馈电层下层半固化片25在馈电层2加工时用于粘接馈电层中层介质基片24和馈电层下层介质基片26；馈电层上层半固化片23在馈电层2加工时用于粘接馈电层上层介质基片22和馈电层中层介质基片24。

辐射层1和馈电层2通过多层印制板加工工艺加工成型，在装配时，先将连接结构3与金属基板4焊接在一起，然后将馈电层2焊接在金属基板4上，再将连接结构3的波针31分别与V极化馈线261和H极化馈线241焊接在一起，最后将辐射层1焊接在馈电层2上。信号馈入连接结构3，经过V极化馈线261后通过V极化耦合缝隙211耦合至主辐射贴片13，寄生辐射贴片11产生二次耦合并向空间辐射V极化电磁波，如图8所示为V极化电磁波电场方向示意图；信号馈入连接结构3，经过H极化馈线241后通过H极化耦合缝隙212耦合至主辐射贴片13，寄生辐射贴片11产生二次耦合并向空间辐射H极化波，如图9所示为H极化电磁波电场方向示意图。

金属基板4用于固定连接结构3，在装配时，连接结构3焊接在金属基板4上，馈电层2焊接在金属基板4上。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种基于耦合馈电的宽带双极化天线单元，其特征在于，包括逐层连接的辐射层（1）、馈电层（2）、金属基板（4）和连接结构（3）；

辐射层（1）与馈电层（2）耦合；

辐射层（1）包括第一基片集成波导腔结构，以及设置于第一基片集成波导腔结构端面的主辐射贴片（13）和寄生辐射贴片（11），主辐射贴片（13）和寄生辐射贴片（11）相匹配；

馈电层（2）中包括相互正交的第一缝隙馈电和第二缝隙馈电，连接结构（3）贯穿金属基板（4）并分别连接到第一缝隙馈电和第二缝隙馈电。

2.如权利要求1所述的宽带双极化天线单元，其特征在于，所述辐射层（1）包括逐层设置的辐射层地（17）、辐射层下层介质基片（16）、辐射层半固化片（15）、辐射层上层介质基片（14）以及上表面金属层（12），辐射层（1）还包括辐射层金属化通孔（19）、主辐射贴片（13）和寄生辐射贴片（11）；

辐射层金属化通孔（19）贯穿辐射层下层介质基片（16）、辐射层半固化片（15）和辐射层上层介质基片（14），将辐射层地（17）和上表面金属层（12）导通，形成第一基片集成波导腔结构；

主辐射贴片（13）设置于辐射层上层介质基片（14）的下表面，寄生辐射贴片（11）设置于辐射层上层介质基片（14）的上表面；

辐射层地（17）开有辐射层地通孔（171）。

3.如权利要求2所述的宽带双极化天线单元，其特征在于，所述辐射层金属化通孔（19）的孔心距小于λ/10，λ为电磁波波长。

4.如权利要求2所述的宽带双极化天线单元，其特征在于，所述辐射层下层介质基片（16）和辐射层半固化片（15）上，均开设有辐射层非金属化通孔（18）。

5.如权利要求1所述的宽带双极化天线单元，其特征在于，馈电层（2）还包括第二基片集成波导腔结构，第一缝隙馈电包括第一耦合缝隙和第一极化馈线，第二缝隙馈电包括第二耦合缝隙和第二极化馈线，第一耦合缝隙和第二耦合缝隙相互正交地设置于第二基片集成波导腔结构端面，第一极化馈线和第二极化馈线相互正交地设置于第二基片集成波导腔结构中。

6.如权利要求1所述的宽带双极化天线单元，其特征在于，所述馈电层（2）包括逐层设置的馈电层地（27）、馈电层下层介质基片（26）、馈电层下层半固化片（25）、馈电层中层介质基片（24）、馈电层上层半固化片（23）、馈电层上层介质基片（22）和耦合层（21）；

馈电层金属化通孔（28）贯穿馈电层上层介质基片（22）、馈电层上层半固化片（23）、馈电层中层介质基片（24）、馈电层下层半固化片（25）和馈电层下层介质基片（26），将馈电层地（27）和耦合层（21）导通，形成第二基片集成波导腔结构；

馈电层下层介质基片（26）上表面设置有第一极化馈线；

馈电层中层介质基片（24）上表面设置第二极化馈线；

耦合层（21）上设置有正交的第一耦合缝隙和第二耦合缝隙，其中，第一耦合缝隙与第一极化馈线对应，第二耦合缝隙与第二极化馈线对应；

馈电层（2）包括两组非金属化通孔，其中一组为贯穿馈电层下层介质基片（26）的第一非金属化通孔（262），另一组为贯穿馈电层中层介质基片（24）、馈电层下层半固化片（25）和馈电层下层介质基片（26）的第二非金属化通孔（242）；

馈电层地（27）对应于第一极化馈线和第二极化馈线的位置，开有两开窗，以对连接结构（3）的波针（31）进行避让。

7.如权利要求6所述的宽带双极化天线单元，其特征在于，馈电层（2）还包括两组馈电层非金属化通孔（29），其中一组贯穿耦合层（21）、馈电层上层介质基片（22）、馈电层上层半固化片（23）、馈电层中层介质基片（24）、馈电层下层半固化片（25），到达第一极化馈线；另一组贯穿耦合层（21）、馈电层上层介质基片（22）、馈电层上层半固化片（23），到达第二极化馈线。

8.如权利要求6或7所述的宽带双极化天线单元，其特征在于，所述第一耦合缝隙和第二耦合缝隙为两组正交的“工”形耦合缝隙。

9.如权利要求6或7所述的宽带双极化天线单元，其特征在于，所述馈电层金属化通孔（28）的孔心距小于λ/10，λ为电磁波波长。

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