CN113078460B - 一种基于槽耦合结构的高隔离度双极化紧耦合相控阵天线单元 - Google Patents

一种基于槽耦合结构的高隔离度双极化紧耦合相控阵天线单元 Download PDF

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Abstract

本发明属于雷达技术、无线通信技术领域，公开了一种基于槽耦合结构的高隔离度双极化紧耦合相控阵天线单元。考虑到一般的双极化紧耦合天线的极化隔离度较差，因此提出了一种槽耦合过渡结构，在保证相控阵天线驻波与辐射性能的前提下优化了天线的极化隔离度。发明中给出的实施例，详细的描述了一种基于槽耦合过渡结构的双极化紧耦合，其中耦合贴片是由4条矩形折叠长槽组成，耦合贴片可以将其上方辐射臂的电流耦合至下方十字型贴片上，在保证天线工作带宽与波束扫描角度的情况下，最大程度提升天线的极化隔离度。仿真结果表明，实施例中的双极化天线单元的E面与H面均可以在两倍频的范围内实现±60°的波束扫描，在0‑60°的扫描范围内带内极化隔离度基本保持在‑15dB以下。

Description

一种基于槽耦合结构的高隔离度双极化紧耦合相控阵天线 单元
技术领域
本发明属于雷达技术、无线通信技术领域，具体涉及一种基于槽耦合过渡结构的双极化紧耦合相控阵天线，特别涉及超宽带、宽角扫描，适用于微波频段的雷达与通信系统中。
背景技术
随着电子信息技术的快速发展，现在雷达与通信系统对相控阵天线的要求也逐步提高，不仅仅局限于整体的重量、剖面高度等物理量上，还要求天线具有双极化、工作频带宽、扫描角度广、辐射效率高等电性能优势。对于雷达系统来说，一方面，一部拥有双极化、宽带与宽角扫描能力的天线可以有效的减少平台中天线的数量，进而减少雷达系统重量与散热难度，这在空间有限的平台中显得尤为关键。另一方面拥有宽带宽与大扫描角度的雷达系统拥有较强的抗干扰能力，并且也使雷达有很高的距离分辨率。对于通信系统来说，双极化的天线大大提升了通信效率，并且宽带天线可以采用提高信道带宽的措施来提高信道容量，在高速通信上有着无可比拟的优势。但传统的相控阵天线形式由于阻抗失配等原因很难同时满足宽带与宽角扫描的要求，因此设计一种新的相控阵天线形式是工程上的迫切需求。
近十年以来，国际上天线领域的学者尝试使用天线单元之间的互耦来提升阵列的带宽，这一思路的理论基础是Wheeler在1965年提出的连续电流片理论。它的基本原理是将相邻偶极子单元辐射臂通过末端的电容相连，末端电容可以有效的抵消地板带来的电感效应。并且由于天线单元之间排布紧凑，偶极子单元上的电流分布几乎不变，这样就可以有效的扩展带宽。但使用紧耦合的思路设计双极化天线时，由于需要引入电容的耦合，因此天线辐射臂的结构较为固定，例如：两个正交摆放的偶极子共用末端金属片引入电容耦合，或两个正交偶极子分为两层上下摆放，但由于这些结构中电流串扰的影响，往往会造成极化隔离度的恶化。
综上所述，如何提升双极化紧耦合天线的极化隔离度是亟待解决的问题。本发明正式针对这以关键问题而提出。
发明内容
本发明在背景技术的基础上，提出了一种工作在6-12GHz并且可以实现二维±60°扫描的双极化相控阵天线，天线采用多层PCB加工工艺，使用了一种新型的槽耦合结构，有效提升了双极化天线的极化隔离度。
本发明采用的技术方案为：一种基于槽耦合结构的高隔离度双极化紧耦合相控阵天线单元，该天线从上至下依次包括：介质匹配层、辐射贴片层、金属地板；
所述介质匹配层为第一PCB板，所述第一PCB板的上下表面均无金属层；
所述辐射贴片层包括：第二PCB板、第三PCB板、第四PCB板；所述第二PCB板的上表面设置双极化辐射贴片，下表面设置耦合贴片；所述耦合贴片为倒圆角的正方形贴片，设置在第二PCB板下表面的一角，但耦合贴片的边缘不与第二PCB板的边缘重合，耦合贴片的其中一条对角线与第二PCB板的一条对角线重合；在靠近耦合贴片4条边的边缘处开设有4条末端向内弯折的长方形槽，这4条末端向内弯折的长方形槽为中心对称分布；所述双极化辐射贴片包括：第一、第二、…、第六贴片，所述第三、第四贴片包括头部和尾部，尾部为矩形贴片，头部形状为矩形和梯形拼接而成的形状，头部的矩形区域与尾部连接；所述第一、第二贴片与第三、第四贴片的尾部相同，所述第五、第六贴片与第三、第四贴片的头部相同；4条末端向内弯折的长方形槽中与第二PCB板边缘最接近的两条末端向内弯折的长方形槽上对应设置第一、第二贴片，第一、第二贴片一端覆于对应的末端向内弯折的长方形槽上，另一端与第二PCB板边缘齐平；第三、第四贴片的尾部覆于剩下的两条末端向内弯折的长方形槽上，第三、第四贴片的头部与第五、第六贴片梯形区域相对但不接触，第五、第六贴片的矩形区域末端与第二PCB板边缘齐平；
所述第三PCB板的上下表面均无金属层；
所述第四PCB板上表面设置十字型带线，下表面挖有十字型空隙；十字型带线的位置与耦合贴片位置对应，十字型带线投影位于耦合贴片正中间，十字型带线投影的四个枝节末端覆盖耦合贴片内4条末端向内弯折的长方形槽；十字型空隙的中心与十字型带线的中心重合，十字形的走向一致；
所述辐射贴片层内还设置有2个馈电金属化过孔、3个接地金属化过孔；2个馈电金属化过孔的上端分别对应连接第五、第六贴片的梯形区域，下端延伸到第四PCB板的下表面；3 个接地金属化过孔的2个接地金属化过孔的上端分别对应连接第三、第四贴片的梯形区域，另下端延伸到第四PCB板的下表面；最后1个接地金属化过孔的上端连接十字型带线的中心，下端伸到第四PCB板的十字型空隙；
所述金属地板上表面设置有十字形金属块，并开设有两个通孔，供两个极化的SMA接头内芯通过；所述十字形金属块的形状大小与第四PCB板下表面的十字型空隙相同，两者刚好嵌合；所述辐射贴片层内的2个馈电金属化过孔的下端对应位于金属地板两个通孔的中心，使 2个馈电金属化过孔与金属地板保持电隔离；所述辐射贴片层内的3个接地金属化过孔的下端与金属地板保持电接触。
进一步的，所述天线单元尺寸为11.4mm×11.4mm，工作频率6～12GHz，所述第一PCB 板的介电常数为3.5；第二PCB板、第三PCB板、第四PCB板的厚度依次为：0.5mm、0.5mm、3mm，电常数均为2.2；金属地板厚度为3mm，所述十字形金属块厚度为1mm。
本发明通过一种设置在辐射臂末端的槽耦合结构，优化了双极化天线在6-12GHz的频带范围内0-60°二维扫描时的极化隔离度性能，天线在上述工作条件下与对比天线相比可以实现最少2dB的隔离度缩减。
附图说明
图1为本发明天线的3D结构示意图。
图2为本发明天线结构的分解示图。
图3为本发明天线结构中四层PCB板和金属地板俯视图。
图4为本发明实施例1中天线单元的有源驻波，其中(a)为E面0°至60°的有源扫描驻波， (b)为H面0°至60°的有源扫描驻波。
图5为本发明实施例1中天线单元0至60°扫描时的极化隔离度。
具体实施方式
本实施例中天线单元结构见图1，单元尺寸11.4×11.4mm2(分别为x、y方向)，工作频率 6～12GHz，天线从上到下分三层，依次为：介质匹配层、辐射贴片层、金属地板；介质匹配层是一块介电常数为3.5的PCB板，辐射贴片层总共有三层PCB板，其介电常数均为2.2，第二～第四PCB板厚度依次为：0.5mm、0.5mm、3mm；金属地板厚度为3mm。
介质匹配层包括：第一PCB板10。第一PCB板10上下表面均无金属结构，设置于距离辐射贴片层上表面3mm处。通过介质匹配层可以扩展天线的扫描范围。
辐射贴片层包括：第二PCB板20、耦合贴片21、双极化辐射贴片22、末端折叠型长方形槽23、第三PCB板30、第四PCB板40、十字型带线41、十字型带线接地金属化过孔42、十字型空隙43，馈电金属化过孔44与45；双极化辐射贴片22由两个总长4mm，宽1.3mm的正交的领结型偶极子组成，被设置于第二PCB板的上表面；耦合贴片21是一块设置在第二 PCB板下表面，四个端点均做圆角处理4mm×4mm的正方形贴片，该正方形贴片上挖有末端折叠型长方形槽23，末端折叠型长方形槽共有4条，每一条长槽的两端均向同一方向有0.5mm 的折叠，且这4个长槽关于正方形贴片中心对称；第三PCB板的上下表面均无金属结构，其上表面紧贴在第二PCB板的下表面；十字型带线41设置在第四PCB板的上表面，其中心在竖直投影方向对准耦合贴片21的中心，4条臂均宽0.5mm，长1.45mm，它们在竖直投影方向分别位于双极化辐射贴片22的窄边中心；十字型空隙43是从第四PCB板下表面挖出的深1mm 的十字型凹槽；十字型带线接地金属化过孔42贯穿第四PCB板，将十字型带线41与地板电连接；馈电金属化过孔44与45是两组尺寸均为0.6mm的接地过孔，二者贯穿辐射贴片层的三层PCB板。
金属地板包括金属块50、十字型金属块51、通孔52与53；金属块50厚3mm，充当天线的地板；十字形金属块51与十字型空隙43大小完全相同，在装配时，十字形金属块51嵌入十字型空隙43中；通孔52与53的直径均为1.48mm，它们设置在金属块50内，SMA接头内芯穿过通孔52与53与馈电金属化过孔44与45通孔给天线馈电。
图1给出了本发明的天线的结构示意图，本发明的天线在双极化辐射单元的末端使用了一种长槽耦合结构，通过仿真可以发现相比于传统紧耦合天线使用的耦合片结构，不仅没有影响天线的阻抗匹配，还提升了双极化天线的隔离度性能。
图4是该天线在周期环境下计算得到的有源驻波性能，图中给出了天线在E面与H面0-60°范围内波束扫描的结果，由于天线的结构是对称的，因此可以认为该天线具有在6.2-12GHz 范围内实现E面与H面二维±60°扫描的能力。
图5是该天线两个端口之间的极化隔离度，本设计属于紧耦合天线的范畴，由于这种天线上存在连续电流，因此双极化的紧耦合天线极化隔离度普遍较差，本发明中巧妙的使用槽结构，将连续的电流转变为磁流，优化了天线的计划隔离度，可以从图5中看出该天线的极化隔离度基本小于-20dB，某些频点略高但也小于-15dB，最主要的是，天线的极化隔离度不会随着扫描角度的增加而恶化。
综上所述，本发明提出了一种基于槽耦合结构的高极化隔离度双极化紧耦合天线，并详细介绍了一个相控阵天线单元的实施例，基于该方法设计出的天线单元，并不会显著恶化天线驻波，也不会引入额外的辐射损耗，可以在维持良好辐射特性的前提下提升天线的隔离度。

Claims (2)

1.一种基于槽耦合结构的高隔离度双极化紧耦合相控阵天线单元，该天线从上至下依次包括：介质匹配层、辐射贴片层、金属地板；
所述介质匹配层为第一PCB板，所述第一PCB板的上下表面均无金属层；
所述辐射贴片层包括：第二PCB板、第三PCB板、第四PCB板；所述第二PCB板的上表面设置双极化辐射贴片，下表面设置耦合贴片；所述耦合贴片为倒圆角的正方形贴片，设置在第二PCB板下表面的一角，但耦合贴片的边缘不与第二PCB板的边缘重合，耦合贴片的其中一条对角线与第二PCB板的一条对角线重合；在靠近耦合贴片4条边的边缘处开设有4条末端向内弯折的长方形槽，这4条末端向内弯折的长方形槽为中心对称分布；所述双极化辐射贴片包括：第一、第二、…、第六贴片，所述第三、第四贴片包括头部和尾部，尾部为矩形贴片，头部形状为矩形和梯形拼接而成的形状，头部的矩形区域与尾部连接；所述第一、第二贴片与第三、第四贴片的尾部相同，所述第五、第六贴片与第三、第四贴片的头部相同；4条末端向内弯折的长方形槽中与第二PCB板边缘最接近的两条末端向内弯折的长方形槽上对应设置第一、第二贴片，第一、第二贴片一端覆于对应的末端向内弯折的长方形槽上，另一端与第二PCB板边缘齐平；第三、第四贴片的尾部覆于剩下的两条末端向内弯折的长方形槽上，第三、第四贴片的头部与第五、第六贴片梯形区域相对但不接触，第五、第六贴片的矩形区域末端与第二PCB板边缘齐平；
所述第三PCB板的上下表面均无金属层；
所述第四PCB板上表面设置十字型带线，下表面挖有十字型空隙；十字型带线的位置与耦合贴片位置对应，十字型带线投影位于耦合贴片正中间，十字型带线投影的四个枝节末端覆盖耦合贴片内4条末端向内弯折的长方形槽；十字型空隙的中心与十字型带线的中心重合，十字形的走向一致；
所述辐射贴片层内还设置有2个馈电金属化过孔、3个接地金属化过孔；2个馈电金属化过孔的上端分别对应连接第五、第六贴片的梯形区域，下端延伸到第四PCB板的下表面；3个接地金属化过孔的2个接地金属化过孔的上端分别对应连接第三、第四贴片的梯形区域，另下端延伸到第四PCB板的下表面；最后1个接地金属化过孔的上端连接十字型带线的中心，下端伸到第四PCB板的十字型空隙；
所述金属地板上表面设置有十字形金属块，并开设有两个通孔，供两个极化的SMA接头内芯通过；所述十字形金属块的形状大小与第四PCB板下表面的十字型空隙相同，两者刚好嵌合；所述辐射贴片层内的2个馈电金属化过孔的下端对应位于金属地板两个通孔的中心，使2个馈电金属化过孔与金属地板保持电隔离；所述辐射贴片层内的3个接地金属化过孔的下端与金属地板保持电接触。
2.如权利要求1所述的一种基于槽耦合结构的高隔离度双极化紧耦合相控阵天线单元，其特征在于所述天线单元尺寸为11.4mm×11.4mm，工作频率6～12GHz，所述第一PCB板的介电常数为3.5；第二PCB板、第三PCB板、第四PCB板的厚度依次为：0.5mm、0.5mm、3mm，电常数均为2.2；金属地板厚度为3mm，所述十字形金属块厚度为1mm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104852150A (zh) * 2015-04-18 2015-08-19 江苏亨鑫科技有限公司 一种平行双线馈电的双频双极化基站天线
CN107317105B (zh) * 2017-07-02 2020-07-03 中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所 一种宽带紧耦合天线模块及宽带紧耦合天线阵列
CN107394378A (zh) * 2017-07-13 2017-11-24 清华大学 采用网格状辐射贴片的宽带低剖面双极化微带天线
CN207938805U (zh) * 2018-02-02 2018-10-02 电子科技大学 一种平面紧耦合双极性超宽带相控阵天线
CN108767454A (zh) * 2018-04-27 2018-11-06 西南电子技术研究所（中国电子科技集团公司第十研究所） 超宽带共辐射孔径天线单元
CN109494464B (zh) * 2018-11-12 2019-07-26 电子科技大学 一种低交叉极化超宽带强耦合对跖偶极子相控阵天线
CN111370860B (zh) * 2020-03-10 2021-01-26 电子科技大学 基于交指形阻性表面加载的强耦合超宽带相控阵天线
CN111755825B (zh) * 2020-06-23 2021-10-26 电子科技大学 一种基于堆叠贴片式匹配层的宽带宽角扫描相控阵天线

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