CN111952722A - 一种反射阵列天线单元、反射阵列天线和制作方法 - Google Patents

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CN111952722A CN202010889904.XA CN202010889904A CN111952722A CN 111952722 A CN111952722 A CN 111952722A CN 202010889904 A CN202010889904 A CN 202010889904A CN 111952722 A CN111952722 A CN 111952722A
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Abstract

本申请公开了一种反射阵列天线单元、反射阵列天线和制作方法，反射阵列天线单元的上层介质基板和下层介质基板压合连接，上层介质基板顶面的角部有辐射贴片，上箔板上开设有位于辐射贴片下方的第一耦合缝隙、第二耦合缝隙和第三耦合缝隙；下层介质基板中包含金属化过孔，与上箔板、下箔板共同构成介质集成波导；金属化过孔包含均匀分布在天线单元的四周及辐射贴片至少一侧的第一金属化过孔；其三缝隙与辐射贴片起到谐振器的作用，相互之间存在耦合和交叉耦合，具有滤波特性，能有效抑制带外干扰；其反射阵列天线采用空馈的方式对各天线单元进行馈电，具有低损耗，低剖面和高增益的特性，信号质量好，同时具有小型化和集成化的特性。

Description

一种反射阵列天线单元、反射阵列天线和制作方法
技术领域
本申请涉及天线技术领域，尤其涉及一种反射阵列天线单元、反射阵列天线和制作方法。
背景技术
微带天线是20世纪七十年代出现的一种天线形式，早在1953年，Deschamps就提出利用微带线的辐射原理制成微带天线的概念。直到微带传输理论模型以及对敷铜的介质基片的光刻技术发展以后，Munson和Howell等学者才研制出了第一批实用的微带天线。七十年代以后，微带天线无论是在理论还是在应用的广度和深度上都进一步发展，并且显示出它在实际应用上的巨大潜力。各种新形式新性能的微带天线不断出现，并广泛应用于卫星通信、导航遥测遥控、武器引信等军事领域以及现代移动通信、个人通信、医疗器件、环境保护、等民用领域。
随着移动通信进入5G时代，通信频谱越来越高，电磁波损耗也随之增加，为确保通信覆盖半径，现有技术中的微带阵列天线往往需要增加天线单元数来提高天线增益，然而单元数目增加后，需要设计复杂的馈电网络。
未来长期一段时间，5G将与4G/3G等长期共存发展，天线占用空间大，可利用空间越发紧张，而且不同频谱之间也存在潜在的电磁干扰与耦合。
可见，现有技术的天线在结构和效果方面有以下问题：(1)天线体积大，复杂的馈电网络将引入额外的损耗，对于高频毫米波频段此问题尤为突出，难以实现高增益；(2)不同频谱之间也存在潜在的电磁干扰与耦合，造成信号质量差。
发明内容
本申请提出一种反射阵列天线单元、反射阵列天线和制作方法，以解决现有技术中所存在的上述问题，使其减小体积，采用空馈的方式对各天线单元进行馈电，实现不需要馈电网络，满足高增益天线的需求；天线具有滤波带外抑制特性，有效解决不同频谱间电磁干扰与耦合问题。
本申请提供一种反射阵列天线单元，包括矩形且由上至下依次连接的上层介质基板、上箔板、下层介质基板和下箔板；上层介质基板和下层介质基板压合连接，上层介质基板顶面的角部有辐射贴片，上箔板上开设有位于辐射贴片下方的第一耦合缝隙、第二耦合缝隙和第三耦合缝隙；下层介质基板中包含金属化过孔，与上箔板、下箔板共同构成介质集成波导；所述金属化过孔包含均匀分布在所述天线单元的四周及辐射贴片至少一侧的第一金属化过孔。
还可以优选的，所述金属化过孔还包括位于所述介质集成波导中转角部的匹配过孔。
还可以优选的，位于所述介质集成波导一端的至少一个第一金属化过孔向内偏移为第二金属化过孔。
还可以优选的，第一耦合缝隙、第二耦合缝隙和第三耦合缝隙中心对齐且平行排列。
还可以优选的，所述第一耦合缝隙、第二耦合缝隙和第三耦合缝隙与介质集成波导传播方向垂直。
还可以优选的，上层介质基板包括第一层介质基板和第二层介质基板，第一层介质基板与下层介质基板通过第二层介质基板压合连接。
本申请的反射阵列天线单元，第一层介质基板和第三层介质基板通过第二层介质基板压合为一个整体，所述反射阵列天线单元形成一个由三层介质基板构成平面微带结构；第一耦合缝隙、第二耦合缝隙、第三耦合缝隙和辐射贴片相对应的结构，实现谐振的功能，相互之间存在耦合和交叉耦合，具有滤波特性；上箔板、第三层介质基板和下箔板构成介质集成波导(SIW)，第一金属化过孔用来实现介质集成波导SIW，第一金属化过孔的直径和孔间距依据工作频率和加工工艺设计，实现波导主模式能量在SIW内低损耗高效传输；在SIW拐角处的匹配过孔，提高阻抗匹配降低波导内能量传输损耗；第二金属化过孔通过控制位置参数，满足设计所需要的所述反射阵列天线单元反射相位。
本申请的反射阵列天线单元的制作方法，可以包括以下步骤，
将上层介质基板顶面的一个角位置处粘接辐射贴片；
将上箔板上开设位于辐射贴片下方的第一耦合缝隙、第二耦合缝隙和第三耦合缝隙；
将下层介质基板的四周边缘处、及辐射贴片至少一侧的下层介质基板中心线上均匀分布地开设实现介质集成波导用的金属化过孔；
将上层介质基板、上箔板、下层介质基板和下箔板由上至下依次连接。
还可以优选的，位于所述介质集成波导一端的至少一个第一金属化过孔向内偏移为第二金属化过孔，所述第二金属化过孔的位置依据所述反射阵列天线主波束方向进行调整。
还可以优选的，调整所述第二金属化过孔的位置时，使其位置根据所需反射相位控制改变，改变量L为该第二金属化过孔向下层介质基板内侧移动的距离。
本申请还提供一种反射阵列天线，包括空馈照射源和反射阵列天线平面，反射阵列天线平面包括至少两个如本发明一个方面所述的反射阵列天线单元，以矩形顶面相邻边为x、y轴，所述反射阵列天线单元沿x、y轴方向均匀排列构成矩阵结构，空馈照射源的主瓣指向反射阵列天线平面中心。
本申请还提供一种反射阵列天线的制作方法，多个所述反射阵列天线单元沿x、y轴方向均匀排列构成矩阵结构，空馈照射源的主瓣指向反射阵列天线平面中心。
本申请的反射阵列天线单元、反射阵列天线和制作方法能够达到以下有益效果：
本申请的反射阵列天线单元，是由多层介质基板构成平面微带结构，三缝隙与辐射贴片起到谐振器的作用，实现谐振的功能，相互之间存在耦合和交叉耦合，具有滤波特性，能够有效抑制带外干扰；本申请的反射阵列天线单元的制作方法，通过对反射阵列天线单元内的第二金属化过孔的位置进行移动调整，实现所述反射阵列天线所需要的单元反射相位；
本申请的反射阵列天线，依据反射相位曲线设计所述反射阵列天线主波束方向，完成所述反射阵列天线设计，所述反射阵列天线具有低副瓣的特性，在带内工作频率范围内保持高增益且增益平坦，在两侧带外频率范围内，所述反射阵列天线增益被削弱，增益比带内频率低，实现滤波性能。本申请的反射阵列天线，结合了抛物面天线和微带阵列天线的特点，所述反射阵列天线采用空馈的方式对各天线单元进行馈电，不需要馈电网络，具有低损耗，低剖面和高增益的特性；所述反射阵列天线具备反射阵列天线单元的滤波特性，具有带外抑制功能，可以有效解决带外干扰问题，解决不同频谱间存在的潜在电磁干扰与耦合问题，信号质量好，所述反射阵列天线实现高增益的同时还具备滤波特性，具有小型化和集成化的特性，应用前景广泛。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请的反射阵列天线单元的结构透视图。
图2为本申请的反射阵列天线单元的辐射贴片示意图。
图3为本申请的反射阵列天线单元的介质集成波导俯视图。
图4为本申请的反射阵列天线示意图。
图5为本申请的反射阵列天线单元在94GHz时反射相位随着第二金属化过孔位置参数Lm变化的曲线图。
图6为本申请的反射阵列天线在94GHz时的主极化方向图。
图7为本申请的反射阵列天线在94GHz时的交叉化方向图。
图8为本申请的反射阵列天线增益曲线图。
图中，1为辐射贴片，2为上层介质板，201为第一层介质基板，202为第二层介质基板，3为第一金属化过孔，4为上箔板，401为第一耦合缝隙，402为第二耦合缝隙，403为第三耦合缝隙，5为下层介质基板，6为下箔板，7为匹配过孔，8为第二金属化过孔，10为空馈照射源，11为反射阵列天线平面。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
实施例1
一种反射阵列天线单元，如图1和图2所示，包括矩形且由上至下依次连接的上层介质基板2、上箔板4、下层介质基板5和下箔板6；上层介质基板2和下层介质基板5压合连接，上层介质基板2顶面的角部有辐射贴片1，上箔板4上开设有位于辐射贴片1下方的第一耦合缝隙401、第二耦合缝隙402和第三耦合缝隙403；下层介质基板5中包含金属化过孔，与上箔板、下箔板共同构成介质集成波导；所述金属化过孔包含均匀分布在所述天线单元的四周及辐射贴片1至少一侧的第一金属化过孔3。
本实施例的反射阵列天线单元的制作方法，可以包括以下步骤，
将上层介质基板2顶面的一个角位置处粘接辐射贴片1；
将上箔板4上开设位于辐射贴片1下方的第一耦合缝隙401、第二耦合缝隙402和第三耦合缝隙403；
将下层介质基板5的四周边缘处、及辐射贴片1至少一侧的下层介质基板中心线上均匀分布地开设实现介质集成波导用的金属化过孔3；
将上层介质基板2、上箔板4、下层介质基板5和下箔板6由上至下依次连接。
实施例2
一种反射阵列天线单元，与实施例1相似，所不同的是，所述金属化过孔还包括位于所述介质集成波导中转角部的匹配过孔7。
上述反射阵列天线单元还可以进一步的，位于所述介质集成波导一端的至少一个第一金属化过孔3向内偏移为第二金属化过孔8。
上述反射阵列天线单元还可以进一步的，第一耦合缝隙401、第二耦合缝隙402和第三耦合缝隙403中心对齐且平行排列。
上述反射阵列天线单元还可以进一步的，所述第一耦合缝隙401、第二耦合缝隙402和第三耦合缝隙403与介质集成波导传播方向垂直。
上述反射阵列天线单元还可以进一步的，上层介质基板2包括第一层介质基板201和第二层介质基板202，第一层介质基板201与下层介质基板5通过第二层介质基板202压合连接。
上述反射阵列天线单元的制作方法，还可以进一步的，位于所述介质集成波导一端的至少一个第一金属化过孔3向内偏移为第二金属化过孔8，第二金属化过孔8的位置依据所述反射阵列天线主波束方向进行调整。
上述反射阵列天线单元的制作方法，还可以进一步的，调整第二金属化过孔8的位置时，使其位置根据所需反射相位控制改变，改变量L为该第二金属化过孔8向下层介质基板5内侧移动的距离。
上述反射阵列天线单元的制作方法，还可以进一步的，将金属化过孔包括位于所述介质集成波导中转角部的匹配过孔7。
上述反射阵列天线单元的制作方法，还可以进一步的，将第一耦合缝隙401、第二耦合缝隙402和第三耦合缝隙403中心对齐且平行排列。
上述反射阵列天线单元的制作方法，还可以进一步的，将第一耦合缝隙401、第二耦合缝隙402和第三耦合缝隙403与介质集成波导传播方向垂直。
上述反射阵列天线单元的制作方法，还可以进一步的，将上层介质基板2包括第一层介质基板201和第二层介质基板202，将第一层介质基板201与下层介质基板5通过第二层介质基板202压合连接。
实施例3
一种反射阵列天线单元，与实施例1或实施例2相似，所不同的是，辐射贴片1为正方形，位于上层介质基板2顶面的右上角部，其边长为上层介质基板2的介质波长的0.3-0.5倍，厚度为0.035mm。如图3所示，第一耦合缝隙401宽度为下层介质基板5的介质波长的0.04-0.05倍，长度为下层介质基板5的介质波长的0.3-0.33倍。第二耦合缝隙402宽度为下层介质基板5的介质波长的0.04-0.05倍，长度为下层介质基板5的介质波长的0.34-0.36倍。第三耦合缝隙403宽度为下层介质基板5的介质波长的0.04-0.05倍，长度为下层介质基板5的介质波长的0.25-0.29倍。上箔板4为铜箔板，厚度为0.035mm。下箔板6为铜箔板，厚度为0.035mm。第一金属化过孔3、第二金属化过孔8、匹配过孔7均为圆孔。第一金属化过孔3和第二金属化过孔8直径相等。匹配过孔7直径为第一金属化过孔3直径的0.9倍。第二金属化过孔8为可移动过孔，通过控制位置参数L移动其位置，以满足反射阵列天线所需要的单元反射相位。反射阵列天线单元为正方形，边长尺寸为中心频率处对应的波长的0.5-0.7倍。上层介质基板2、第二层介质基板202、上箔板4、下层介质基板5和下箔板6的长宽尺寸优选为相等。
上述实施例的反射阵列天线单元，上层介质基板2和下层介质基板5通过第二层介质基板202压合为一个整体，所述反射阵列天线单元形成一个由三层介质基板构成平面微带结构；第一耦合缝隙401、第二耦合缝隙402、第三耦合缝隙403和辐射贴片1相对应的结构，实现谐振的功能，相互之间存在耦合和交叉耦合，具有滤波特性；上箔板4、下层介质基板5和下箔板6构成介质集成波导(SIW)，第一金属化过孔3用来实现介质集成波导(SIW)，第一金属化过孔3的直径和孔间距依据工作频率和加工工艺，实现波导主模式能量在SIW内低损耗高效传输；在SIW拐角处的匹配过孔7，提高阻抗匹配降低波导内能量传输损耗；第二金属化过孔8可以通过控制位置参数L，满足所需要的所述反射阵列天线单元反射相位。
其中，一个工作在W波段的毫米波，第一层介质基板201采用Rogers duroid5880基板，相对介电常数为2.2，厚度0.127mm；下层介质基板5采用Rogers RO3006基板，相对介电常数为6.15，厚度0.25mm；第二层介质基板202采用Rogers RO4450F半固化片，相对介电常数为3.52，厚度0.101mm；反射阵列天线单元工作在W波段，中心频率94GHz，所述反射阵列天线单元边长为Punit，辐射贴片1的边长为Lpatch，第一金属化过孔3的直径为Dvia，第一金属化过孔3之间的孔间距为Svia，经过理论计算和仿真优化后，一组优选的结构参数如下：Punit＝2.12mm，Lpatch＝0.81mm，Dvia＝0.22mm，Svia＝0.53mm，第一耦合缝隙401、第二耦合缝隙402和第三耦合缝隙403的长度可以不同，三者的中心点的连线优选为位于同一条直线上，该直线与所述反射阵列天线单元的一个侧边平行，且该直线与三者均垂直，即优选为三者中心对齐且平行排列；三者的宽度优选为相等；三者的间距值可以为其宽度值的90％。例如可以是，第一耦合缝隙401、第二耦合缝隙402和第三耦合缝隙403的宽度均为0.1mm，第一耦合缝隙401长度为0.68mm，第二耦合缝隙402长度为0.74mm，第三耦合缝隙403长度为0.58mm，三者之间的间距为0.09mm。匹配过孔7的直径均为0.2mm；图5为在工作频率94GHz时，改变第二金属化过孔8位置参数L的反射相位响应曲线，可见反射相位随着L线性变化且可以满足360度相位区间，从而可以支撑高增益反射阵列天线的构建。
实施例4
一种反射阵列天线，包括空馈照射源10和反射阵列天线平面11，反射阵列天线平面11包括至少两个上述任一实施例所述的反射阵列天线单元，以矩形顶面相邻边为x、y轴，所述反射阵列天线单元沿x、y轴方向均匀排列构成矩阵结构，空馈照射源10的主瓣指向反射阵列天线平面11中心。
本实施例的反射阵列天线，依据反射相位曲线设计所述反射阵列天线主波束方向，完成所述反射阵列天线设计，所述反射阵列天线具有低副瓣的特性，在带内工作频率范围内保持高增益且增益平坦，在两侧带外频率范围内，所述反射阵列天线增益被削弱，增益比带内频率低，实现滤波性能。
其中，空馈照射源10可选地为喇叭天线，其位置坐标为
Figure BDA0002656592950000091
且馈源主瓣指向反射阵列天线平面11中心处。反射阵列天线平面11由所发明的滤波反射阵列天线单元沿x和y轴方向周期性的排列，并且各单元内的可移动过孔90的位置参数Lm依据所设计的反射阵列天线主波束方向
Figure BDA0002656592950000092
进行调整。其中m＝1～M，M为组成阵列天线的天线单元的数量，Lm为第m个天线单元的位置参数。
具体的，基于所述反射阵列天线单元，一个工作在毫米波W波段的反射阵列天线，如图4所示，空馈照射源10选择为线极化的标准增益喇叭天线，其位置坐标为(xf，0，zf)＝(-33.6mm，0，145.7mm)，且馈源主瓣指向反射阵列天线平面11中心处；反射阵列天线平面11是所述反射阵列天线单元排列数目为80×80的圆形口径面，所述反射阵列天线的主波束方向
Figure BDA0002656592950000093
如图5所示为反射相位曲线，可以计算得到反射阵列天线平面11内各个所述反射阵列天线单元的第二金属化过孔90的位置参数Lm，从而完成完整的所述反射阵列天线设计。
基于前述各实施例，本申请还提供一种反射阵列天线的制作方法，多个所述反射阵列天线单元沿x、y轴方向均匀排列构成矩阵结构，空馈照射源的主瓣指向反射阵列天线平面中心。
如图6和图7所示，所述反射阵列天线具有优秀的高增益特性，增益高达41dB，且交叉极化性能理想，比主极化低-60dB；此外，所述反射阵列天线还具有低副瓣的特性，其副瓣电平低于-30dB。
如图8所示，在带内工作频率范围内，所述反射阵列天线保持高增益且增益平坦，而在两侧带外频率范围内，所述反射阵列天线增益极大地被削弱，增益比带内频率低19dB，同时过渡带陡峭呈现出良好的频率选择特性，实现了滤波性能。
实施例5
实施例4的反射阵列天线，如图4所示，还可以进一步的，反射阵列天线平面11为圆形口径面。
还可以进一步的，空馈照射源10为喇叭天线。
还可以进一步的，所述反射阵列天线单元内的第二金属化过孔90的位置依据所述反射阵列天线主波束方向进行调整。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种反射阵列天线单元，包括矩形且由上至下依次连接的上层介质基板(2)、上箔板(4)、下层介质基板(5)和下箔板(6)；其特征在于，上层介质基板(2)和下层介质基板(5)压合连接，上层介质基板(2)顶面的角部有辐射贴片(1)，上箔板(4)上开设有位于辐射贴片(1)下方的第一耦合缝隙(401)、第二耦合缝隙(402)和第三耦合缝隙(403)；下层介质基板(5)中包含金属化过孔，与上箔板、下箔板共同构成介质集成波导；所述金属化过孔包含均匀分布在所述天线单元的四周及辐射贴片(1)至少一侧的第一金属化过孔(3)。
2.如权利要求1所述的反射阵列天线单元，其特征在于，所述金属化过孔还包括位于所述介质集成波导中转角部的匹配过孔(7)。
3.如权利要求1所述的反射阵列天线单元，其特征在于，位于所述介质集成波导一端的至少一个第一金属化过孔(3)向内偏移为第二金属化过孔(8)。
4.如权利要求1所述的反射阵列天线单元，其特征在于，第一耦合缝隙(401)、第二耦合缝隙(402)和第三耦合缝隙(403)中心对齐且平行排列。
5.如权利要求1所述的反射阵列天线单元，其特征在于，所述第一耦合缝隙(401)、第二耦合缝隙(402)和第三耦合缝隙(403)与介质集成波导传播方向垂直。
6.如权利要求1所述的反射阵列天线单元，其特征在于，上层介质基板(2)包括第一层介质基板(201)和第二层介质基板(202)，第一层介质基板(201)与下层介质基板(5)通过第二层介质基板(202)压合连接。
7.如权利要求1-6中任一项所述的反射阵列天线单元的制作方法，其特征在于，包括以下步骤，
将上层介质基板(2)顶面的一个角位置处粘接辐射贴片(1)；
将上箔板(4)上开设位于辐射贴片(1)下方的第一耦合缝隙(401)、第二耦合缝隙(402)和第三耦合缝隙(403)；
将下层介质基板(5)的四周边缘处、及辐射贴片(1)至少一侧的下层介质基板中心线上均匀分布地开设实现介质集成波导用的金属化过孔(3)；
将上层介质基板(2)、上箔板(4)、下层介质基板(5)和下箔板(6)由上至下依次连接。
8.如权利要求7所述的反射阵列天线单元的制作方法，其特征在于，位于所述介质集成波导一端的至少一个第一金属化过孔(3)向内偏移为第二金属化过孔(8)，第二金属化过孔(8)的位置依据所述反射阵列天线主波束方向进行调整。
9.如权利要求8所述的反射阵列天线单元的制作方法，其特征在于，调整第二金属化过孔(8)的位置时，使其位置根据所需反射相位控制改变，改变量L为该第二金属化过孔(8)向下层介质基板(5)内侧移动的距离。
10.一种反射阵列天线，其特征在于，包括空馈照射源(10)和反射阵列天线平面(11)，反射阵列天线平面(11)包括至少两个如权利要求1-6中任一项所述的反射阵列天线单元，以矩形顶面相邻边为x、y轴，所述反射阵列天线单元沿x、y轴方向均匀排列构成矩阵结构，空馈照射源(10)的主瓣指向反射阵列天线平面(11)中心。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2023217236A1 (zh) * 2022-05-12 2023-11-16 华南理工大学 一种天线单元、子阵及毫米波高隔离大角度相控阵列天线

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