CN113224538A - 一种基于超表面结构的宽带双极化天线单元及相控阵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超表面结构的宽带双极化天线单元及相控阵，包括超表面结构及两条带状馈电线，所述两条带状馈电线独立分布在不同层，相互正交，分别激励+45°和‑45°两个极化方向，本发明可以通过改变输入信号的相位，从而改变波束指向，在5G通信设备中具有广阔的前景，同时具有尺寸小，集成度高的优点。

Description

一种基于超表面结构的宽带双极化天线单元及相控阵

技术领域

本发明涉及通信领域，具体涉及一种基于超表面结构的宽带双极化天线单 元及相控阵。

背景技术

相控阵天线在军事和通信领域有着广泛的应用，早期雷达系统中，阵列天线 的波束方向固定，需要通过机械扫描控制波束方向，和传统的固定波束阵列相比， 相控阵天线能迅速准确地控制波束进行无惯性扫描，在指定的空间内实现同时 搜索和跟踪多目标的功能。相控阵天线最初应用于军事雷达中，目的是观测以及 跟踪大范围空间内的机体目标。随着无线通信技术的发展，相控阵技术也开始用 于民用产品，如汽车防撞雷达、蜂窝通信等。

在通信领域，5G通信已经开始逐步走进人们的生活。为了解决频谱资源短 缺问题，5G通信将使用毫米波频段(24.25～29.5GHz)作为工作频段。然而在毫 米波频段，电磁波在空间中的传输损耗将大幅增加，采用单个或少数天线单元， 增益较低，无法保证信号的正常传输，天线阵列增益高，可以实现远距离信号传 输，但波束宽度窄，无法进行宽角度的信号覆盖。因此，设计具有波束扫描功能 的相控阵天线对于5G通信十分重要。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明的首要目的是提供一种基于 超表面结构的宽带双极化天线单元，本发明能在较低的剖面实现较大的带宽， 并实现相控波束扫描。

本发明的次要目的是提供一种相控阵。

本发明的首要目的是采用如下技术方案：

一种基于超表面结构的宽带双极化天线单元，该天线采用LTCC工艺，由上 至下包括超表面结构、第一带状馈电线及第二带状馈电线，上述部分均由多层 LTCC陶瓷片叠加构成，第一带状馈电线及第二带状馈电线分布在不同层，分别 激励+45°和-45°两个极化方向的电磁波，且耦合到位于天线单元上表面的超 表面结构，实现电磁波的辐射。

所述第一带状馈电线及第二带状馈电线包括中间的信号线、设置在信号线 两侧的金属条带及通孔。

进一步，第一带状馈电线的上方设置十字型缝隙，所述十字型缝隙设置在第 一带状馈电线最上层陶瓷片的上表面。

进一步，第二带状馈电线的上方设置工字型缝隙，所述工字型缝隙设置在第 二带状馈电线最上层陶瓷片的上表面。

进一步，第一带状馈电线信号线的中间部分为低阻抗线。

进一步，在第二带状馈电线信号线的末端设置低阻抗线。

进一步，所述超表面结构作为双极化天线单元的辐射体，由NⅹN个周期排 列的正方形贴片旋转45°构成，呈中心对称。

本发明的次要目的是采用如下技术方案：

一种基于超表面结构的宽带双极化天线单元的相控阵，包括周期排列的所 述宽带双极化天线单元。

进一步，每个宽带双极化天线单元的周围设置金属条带及若干个接地金属 柱。

进一步，每列M个双极化天线单元，分别由一分M型功分网络馈电，然 后通过同轴结构过渡为GCPW馈电。

本发明的有益效果：

本发明采用超表面结构作为辐射单元时，拓宽了天线带宽，工作频带覆盖整 个5G毫米波频段(24.25～29.5GHz)；

本发明相控阵单元采用双层带状线馈电，并采用双层缝隙耦合的方式，在 天线内实现了较高的极化隔离，工作频带内天线单元的极化隔离度大于45dB；

本发明相控阵外接移向器，控制各输入端的相位差，从而实现±50°波束 扫描；

本发明天线单元采用LTCC工艺，提供了天线的紧凑度和集成度。

附图说明

图1是本发明的一种超表面结构的宽带双极化天线单元的三维图；

图2(a)是图1的侧视图，图2(b)是图1的俯视图，图2(c)是第一 带状馈电线的结构图，图2(d)是第二带状馈电线的结构图。

图3是本发明相控阵的侧视图；

图4(a)是宽带双极化相控阵天线的俯视图，图4(b)是相控阵天线底部结 构图，图4(c)是+45°极化馈电网络结构图，图4(d)是-45°极化馈电网络结构 图；

图5(a)宽带双极化天线单元的回波损耗和极化隔离度，图5(b)是天线单 元的增益和效率，图5(c)是天线单元+45°极化的方向图，图5(d)是天线单元- 45°极化的方向图；

图6(a)是不扫描时相控阵天线+45°极化方向各端口的有源回损，图6(b) 是不扫描时相控阵天线-45°极化方向各端口的有源回损，图6(c)是不扫描时 相控阵天线的增益和效率，图6(d)是不扫描时相控阵天线相邻子阵间的隔离 度；

图7(a)是相控阵天线+45°极化中心频率的方向图，图7(b)是相控阵天 线-45°极化中心频率的方向图；

图8(a)是相控阵天线+45°极化方向波束扫描时的方向图，图8(b)是相 控阵天线-45°极化方向波束扫描时的方向图；

图9(a)是相控阵天线波束扫描时+45°极化各端口的有源回损，图9(b) 是相控阵天线波束扫描时+45°极化各端口的有源回损。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方 式不限于此。

实施例1

如图1及图2(a)所示，一种基于超表面结构的宽带双极化天线单元，作 为相控阵的单元，该天线单元采用LTCC工艺，整个天线是由多层LTCC陶瓷片1 叠加构成，层数不固定，可以根据需要选择层数，具体包括超表面结构及两条带 状馈电线，所述两条带状馈电线独立分布在不同层，相互正交，分别激励+45° 和-45°两个极化方向。

如图2(b)所示，本实施例中由15(L1-L15)层结构尺寸相同的陶瓷片叠 加构成，在最上层陶瓷片设置超表面结构，超表面结构的下方设置第一金属地板 7，其中L1-L9层构成超表面结构的介质基板，在L1陶瓷片的上表面设置超表 面结构14，所述超表面结构作为双极化天线单元的辐射体，由NⅹN个周期排列 的正方形贴片旋转45°构成，呈中心对称。

如图2(c)及图2(d)所示，两条带状馈电线均包括信号线、金属条带5及通 孔4。

第一带状馈电线2位于L10-L12层，第一带状馈电线包括设置在陶瓷片中 间的第一信号线、设置在第一信号线两侧的第一通孔及第一金属条带构成，所述 第一信号线位于第11层陶瓷片的上表面，第一金属条带位于第11层和第12层 的上表面，第一通孔贯穿三层陶瓷片，且位于第一金属条带上，作用是连接上下 两层金属条带和金属地板，沿着金属条带放置。所述第一信号线由三段依次连接 构成，其中，中间那段为低阻抗线10，用于阻抗匹配。

在第一带状馈电线的上方设置沿45°十字型缝隙，所述十字形缝隙具体由 两条窄缝8、9相互正交构成。所述十字形缝隙设置在第一金属地板7上，所述 第一金属地板设置在第10层陶瓷片的上表面。所述第一金属条带的一部分沿着 信号线和十字形缝隙边缘设置，并和信号线和十字形缝隙保持一定距离，作用是 将电磁波限制在一定范围内，另一部分是在水平和垂直方向延伸出去，用于抑制 介质中产生的谐振。第一信号线的末端垂直于十字缝隙的一条分支，且位于该分 支中心的下方。第一信号线激励该分支产生+45度极化的电磁波。

所述第二带状馈电线3位于第一带状馈电线的下方，位于L13-L15层陶瓷 片，包括中间的第二信号线、第二金属条带及第二通孔，所述第二通孔及第二金 属条带的设置与第一带状馈电线相同，第二信号线位于第14层陶瓷片的上表面， 第二金属条带位于第14层和第15层陶瓷片上表面。所述第二信号线包括三段 依次连接构成，最后一段为第二低阻抗线13，用于阻抗匹配。

所述第13层陶瓷片上表面设有第二金属地板12，所述第二金属地板刻工字 型缝隙11，所述工字型缝隙沿着+45°，所述工字型缝隙垂直于十字形缝隙的一 条窄缝，与另一条窄缝平行。

所述第二信号线的末端垂直于工字型缝隙，并从其中心的下方穿过。

所述第一信号线及第二信号线是互相垂直的。

第二带状馈电线激励工字型缝隙，工字型缝隙中的电磁场可以耦合到十字 型缝隙中的窄缝9，产生-45°极化方向的电磁波，十字型缝隙将电磁波耦合到 天线上表面的超表面结构14，超表面结构作为天线的辐射体，可以实现电磁波 的辐射。

该工字型缝隙位于十字型缝隙6正下方，相隔三层LTCC陶瓷片1，并平行 于窄缝9。

所述基于超表面结构的宽带双极化天线，两条带状馈电线由于分布在不同 层，所以不会产生耦合。而窄缝8和窄缝9的电场互相正交，也不会产生串扰， 所以这种激励方式下极化隔离很高。

实施例2

一种宽带双极化天线单元构成的相控阵，相控阵侧面示意图如图3、图4(a) -图4(d)所示，由多层陶瓷片叠放设置，本实施例2中由17层陶瓷片构成， L1～L9是天线部分，L10～L12是+45°极化方向的馈电网络，L13～L15是-45°极 化方向的馈电网络，L16～L17是为了测试引出的GCPW馈线。

本实施例相控阵天线由4×4个宽带双极化天线单元构成的阵列，每个超表 面结构周围设置隔离带15，所述隔离带由金属条带和接地通孔构成，该隔离带 的作用是降低天线单元间的互耦。

也就是说，如果相控阵是由MⅹN个宽带双极化天线单元构成，每列由M个 双极化天线单元，则分别由一分M型功分网络馈电。

每列4个天线单元组成1×4的子阵16，分别由一分四T型功分网络17馈 电，两个极化方向的功分网络如图4(c)、图4(d)所示，功分网络均为带状线， 通过同轴结构18过渡为GCPW馈线19,所述同轴结构18是将带状线的中心信号 线和GCPW的信号线通过同轴探针20相连，同轴探针周围再加上一圈金属通孔 21，模拟同轴的外壁，从而减少能量泄露，尽可能地减小转接处的损耗。所述 GCPW馈线可以直接连接接头，用于测试。

根据波束扫描原理，给每个子阵施加等幅但不同相的激励信号，相邻子阵之 间的相位差Ψ相等，通过波束控制电路改变相位差，便可以实现水平方向上的波 束扫描。

所述LTCC陶瓷片的介电常数ε_r均为[2.2，10.2]，厚度均为[0.02λ，0.2λ]，其 中λ为自由空间波长。

本实施例的宽带双极化超表面天线单元，具体尺寸如下：

超表面单元的方形贴片尺寸a为[0.05λ,0.1λ]，方形贴片之间的间距g为 [0.005λ,0.05λ]，第一带状馈电线上的低阻抗线长度l1为[0.01λ,0.1λ]，宽度w1为 [0.01λ,0.05λ]，缝隙1的长度sl1为[0.1λ,0.3λ]，缝隙的长度sl2为[0.1λ,0.2λ]，缝 隙的长度sl3为[0.1λ,0.3λ]，第二带状馈电线上的低阻抗线长度l2为[0.05λ,0.2λ]， 宽度w2为[0.01λ,0.05λ]，其中λ为自由空间波长。

结合图5(a)～图5(d)，1端口工作频带为23.8～30.3GHz，阻抗带宽约24％， 2端口工作频带为23.3～30GHz,阻抗带宽约25.1％，带宽较宽，可以覆盖5G毫 米波通信的24.25-29.5GHz频段。工作频带内极化隔离度大于45dB，具有高隔 离特性。整个工作频带的增益可达6dB以上，天线效率可达90％以上。两个极 化方向的方向图均对称，交叉极化低于-28dB。

结合图6(a)～图6(d)，当阵列扫描角为0°时，每个端口的馈电等幅同相， 波束最大方向指向边射方向，在24.25～29.5GHz频带内，阵元间的隔离度高于 21dB，耦合较弱，两个极化方向的有源回损均低于-10dB，增益为13.2～15.5dB， 天线效率高于60％。

结合图7(a)-图7(b)，两个极化方向的主极化方向图均对称，交叉极化低于-30dB，前后比可达28dB以上。

保持激励信号幅度不变，改变各馈电端口的相位，便可以实现相控扫描。结 合图8(a)-图8(b)，两个极化方向中心频点(27GHz)的扫描角均可达到50°， 且扫描50°范围内，增益损耗小于3dB。

结合图9(a)-图9(b)，在扫描50°范围内，中心阵元两个极化方向的有源回 损在24.25～29.5GHz工作频带内均低于-10dB。

本发明可以通过改变输入信号的相位，从而改变波束指向，在5G通信设备 中具有广阔的前景，同时具有尺寸小，集成度高的优点。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于超表面结构的宽带双极化天线单元，该天线采用LTCC工艺，其特征在于，由上至下包括超表面结构、第一带状馈电线及第二带状馈电线，上述部分均由多层LTCC陶瓷片叠加构成，第一带状馈电线及第二带状馈电线分布在不同层，分别激励+45°和-45°两个极化方向的电磁波，且耦合到位于天线单元上表面的超表面结构，实现电磁波的辐射。

2.根据权利要求1所述的宽带双极化天线单元，其特征在于，所述第一带状馈电线及第二带状馈电线包括中间的信号线、设置在信号线两侧的金属条带及通孔。

3.根据权利要求1所述的宽带双极化天线单元，其特征在于，第一带状馈电线的上方设置十字型缝隙，所述十字型缝隙设置在第一带状馈电线最上层陶瓷片的上表面。

4.根据权利要求1所述的宽带双极化天线单元，其特征在于，第二带状馈电线的上方设置工字型缝隙，所述工字型缝隙设置在第二带状馈电线最上层陶瓷片的上表面。

5.根据权利要求2所述的宽带双极化天线单元，其特征在于，第一带状馈电线信号线的中间部分为低阻抗线。

6.根据权利要求2所述的宽带双极化天线单元，其特征在于，在第二带状馈电线信号线的末端设置低阻抗线。

7.根据权利要求1-6任一项所述的宽带双极化天线单元，其特征在于，所述超表面结构作为双极化天线单元的辐射体，由NⅹN个周期排列的正方形贴片旋转45°构成，呈中心对称。

8.一种基于超表面结构的宽带双极化天线单元的相控阵，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的宽带双极化天线单元周期排列构成。

9.根据权利要求8所述的相控阵，其特征在于，每个宽带双极化天线单元的周围设置金属条带及若干个接地金属柱。

10.根据权利要求8所述的相控阵，其特征在于，每列M个双极化天线单元，分别由一分M型功分网络馈电，然后通过同轴结构过渡为GCPW馈电。

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