CN113258278A - 宽带圆极化相控阵天线单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种宽带圆极化相控阵天线单元，体积小、结构简单，宽频带、绕制圈数和层数少，布阵灵活。本发明通过下述技术方案实现：一个馈电金属圆盘固定在下层介质基板的下表面，并与初级馈电柱底部固联，和金属地板蚀刻在金属地板上的环形缝隙一起形成同轴馈电端口；圆弧弯折金属片带通过初级馈电柱顶端首尾互联在次级馈电柱的底端，第二圆弧金属片带通过次级馈电柱顶端首尾互联在尾级馈电柱的底端，第一圆弧金属片带固联在尾级馈电柱的顶端，三个圆弧金属片带的旋转弧度依次按相同旋向首尾相接重叠相邻的馈电柱，并从上至下分层贯穿上层介质基板、中间层介质基板及第一层半固化片、第二层半固化片，三个圆弧金属片带均绕天线单元中心旋转。

Description

宽带圆极化相控阵天线单元
技术领域
本发明涉及微波与毫米波天线技术领域，尤其涉及一种采用多层印制板工艺制作的宽带圆极化相控阵天线单元。
技术背景
随着集成电路等技术的发展,一些大型的天线系统,往往都比较笨重,影响了天线应用的灵活性,限制其使用范围,更是阻碍了无线电设备进一部小型化和集成化的发展。低耗介质基板及多层印制板(多层PCB)天线由于可与集成电路兼容、易共形、易于实现低剖面、重量轻、可大规模生产，广泛应用于微波与毫米波领域。
辐射或接受圆极化波的天线称为圆极化天线。圆极化天线由于具有良好的极化匹配特性，可以抗多径衰落的影响，在通信系统中大规模应用，尤其是移动目标的通信。相控阵天线因为具有快速的波束扫描跟踪能力，在动目标通信如卫星移动通信领域等广泛应用。然而随着大数据量高速率移动目标通信，以及系统设备多功能集成化的发展，要求相控阵天线兼具圆极化、宽带、低剖面、宽角扫描的特点。由方向图乘积定理，相控阵天线要完成在宽角域扫描的工作,需对相控阵对天线单元的波束宽度有一定的要求，通常要求单元在±60°角域内具有一定的辐射增益。而为使在宽角域内扫描时不出现栅瓣,必须对单元之间的间距作出一定的要求，通常天线单元辐射结构尺寸需要满足小于半波长的特性。
现有的宽带圆极化天线阵列单元实现技术，主要有十字交叉偶极子技术、波导技术、耦合贴片技术以及螺旋天线技术。其中，十字交叉偶极子技术由于其单臂为半波长谐振结构，使用该技术的天线单元尺寸较大，辐射结构通常大于半波长；采用波导技术的天线辐射口径通常都在一个波长以上，尽管可以采用介质加载减小尺寸，考虑到波导壁等因素，其辐射口径尺寸往往大于半波长，同时其纵向尺寸也较高；耦合贴片技术一般是采用正交L型探针或者正交缝隙的耦合馈电实现圆极化及宽带匹配，由于该技术本质上还是谐振式天线技术，通常还需要引入空气介质降低天线Q值辅助进行带宽的展宽，空气介质的引入在微波与毫米波高频应用中受限于加工装配难度以及环境适应性的问题难以推广使用，同时该技术需要复杂的馈电网络结构，例如宽带3dB电桥等，其带来的额外尺寸和损耗代价限制了其在微波毫米波相控阵中的工程应用。螺旋天线技术包括多臂螺旋、单臂螺旋天线等形式，多臂螺旋通常都需要馈电巴伦或者功分馈电网络，天线结构复杂、体积尺寸较大，难以满足常规的相控阵天线单元结构尺寸要求，同时在毫米波等高频应用中加工制作困难。单臂螺旋天线属于行波天线技术，其具有宽带、圆极化、口径尺寸小、结构简单的特点广泛应用于阵列或者单独使用，其中阵列设计中应用最多的是轴向模单臂螺旋天线。传统的轴向模单臂螺旋天线采用均匀导线绕制，通常需要提高绕制圈数实现宽带阻抗匹配，而波束宽度会随着圈数的增加而变窄，不利于宽带宽角扫描相控阵天线的实现。而采用多层PCB工艺实现单臂螺旋天线需要用到垂直互联孔，当绕制圈数增多(大于两圈)时，垂直互联孔实现困难，同时介质基板厚度变大，会加剧表面波的产生和传播，在组阵时单元间互耦严重，严重影响相控阵扫描性能。
发明内容
本发明是针对以上问题和缺陷，提出一种采用成熟PCB工艺，具有体积小、结构简单，宽频带、绕制圈数和层数少，布阵灵活的宽带圆极化相控阵天线单元，并具有良好的宽角扫描特性。
本发明的技术实现方法，描述如下：
一种宽带圆极化相控阵天线单元，包括：设置在多层介质基板中的至少两层半固化片和设置在多层介质基板底部的金属地板14，蚀刻在上层介质基板9上表面的第一圆弧金属片带1，蚀刻在上层介质基板9下表面的第二圆弧金属片带2，蚀刻在下层介质基板13上表面的圆弧弯折金属片带3，其特征在于：一个馈电金属圆盘7固定在下层介质基板13的下表面，并与初级馈电柱6底部固联，和金属地板14，蚀刻在金属地板上的环形缝隙8一起形成同轴馈电端口；圆弧弯折金属片带3通过初级馈电柱6顶端首尾互联在次级馈电柱5的底端，第二圆弧金属片带2通过次级馈电柱5顶端首尾互联在尾级馈电柱4的底端，第一圆弧金属片带1固联在尾级馈电柱4的顶端，三个圆弧金属片带的旋转弧度依次按相同旋向首尾相接重叠相邻的馈电柱，并从上至下分层贯穿上层介质基板9、中间层介质基板11及第一层半固化片10、第二层半固化片12，三个圆弧金属片带均绕天线单元中心旋转。
相比于现有技术，本发明带来的有益效果是：
具有结构简单，尺寸小，低剖面特性。本发明采用设置在多层介质基板中的至少两层半固化片和设置在多层介质基板底部的金属地板14，蚀刻在上层介质基板9上表面的第一圆弧金属片带1，蚀刻在上层介质基板9下表面的第二圆弧金属片带2，蚀刻在下层介质基板13上表面的圆弧弯折金属片带3。基于成熟的多层PCB工艺技术，将相邻层介质基板之间分别通过半固化片粘接在一起，三个金属片带通过HDI金属化孔形成的多个馈电柱首尾互联，所形成的天线单元体积小、层数少、结构简单，易与载体共形、容易实现高频加工，克服了传统绕线式螺旋天线在高频应用中加工实现困难的问题。
本发明采用厚度不同的介质基板，结合层间粘接用的半固化片，多层介质基板厚度不同，结合层间粘接用的半固化片，使得所述三个馈电柱和三段圆弧金属片带首尾互联后模拟形成变升角螺旋体结构，多级辐射体改善宽频段内的圆极化辐射性能，使得所述三个馈电柱和三段圆弧金属片带首尾互联后模拟形成变升角螺旋体结构，多级辐射体改善宽频段内的圆极化辐射性能。
本发明采用三段直径不完全相同的馈电柱和宽度不完全相同的圆弧金属片带，通过馈电柱和圆弧金属片带的多段阻抗变化，以及介质基板厚度变化带来的等效变升角螺旋，极大的提高了设计自由度，同时极大的降低了等效螺旋体的绕制圈数和天线厚度，三个馈电柱及圆弧金属片带形成的等效螺旋体绕制圈数小于1.5，从而减少表面波传播。
本发明采用的三个圆弧金属片带位于多层介质基板的不同层，依次绕单元中心旋转特定弧度，并分别通过所述馈电柱，将三段圆弧金属片带首尾相连，形成等效单臂螺旋结构；并通过初级馈电柱连接最下层的馈电金属圆盘和金属地板及蚀刻的环形缝隙一起形成同轴馈电端口，同轴馈电端口位置可位于单元底部中心或者其他偏心位置，形成中心馈电或者偏馈结构，并利用圆弧弯折金属片带末端带线向同轴馈电端口中的初级馈电柱弯折互联，馈电位置设计灵活。
本发明利用多层PCB工艺实现多级阻抗变化的变升角单臂螺旋天线单元，结构简单，尺寸小，剖面低，馈电位置灵活，工作频带宽，宽角度圆极化辐射性能优异，可用于实现宽带圆极化相控阵天线。
附图说明
图1是本发明所述宽带圆极化相控阵天线单元的三维透视图；
图2是图1的俯视图；
图3是图1的侧视图；
图4是图1的上层介质板上表面示意图；
图5是图1的上层介质板下表面示意图；
图6是图1的下层介质板上表面示意图；
图7是图1的下层介质板下表面示意图；
图8是本发明实施例的电压驻波比曲线；
图9是本发明实施例不同方位面下俯仰角60°方向的圆极化增益曲线；
图中：1、第一圆弧金属片带，2、第二圆弧金属片带，3、圆弧弯折金属片带，4、尾级馈电柱，5、次级馈电柱，6、初级馈电柱，7、馈电金属圆盘，8、环形缝隙，9、上层介质基板，10、第一层半固化片，11、中间层介质基板，12、第二层半固化片，13、下层介质基板，14、金属地板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术做进一步详细地说明。
参阅图1、图2。在以下描述的优选实施例中，宽带圆极化相控阵天线单元，包括：设置在多层介质基板中的至少两层半固化片和设置在多层介质基板底部的金属地板14，蚀刻在上层介质基板9上表面的第一圆弧金属片带1，蚀刻在上层介质基板9下表面的第二圆弧金属片带2，蚀刻在下层介质基板13上表面的圆弧弯折金属片带3，其特征在于：一个馈电金属圆盘7固定在下层介质基板13的下表面，并与初级馈电柱6底部固联，和金属地板14，蚀刻在金属地板上的环形缝隙8一起形成同轴馈电端口；圆弧弯折金属片带3通过初级馈电柱6顶端首尾互联在次级馈电柱5的底端，第二圆弧金属片带2通过次级馈电柱5顶端首尾互联在尾级馈电柱4的底端，第一圆弧金属片带1固联在尾级馈电柱4的顶端，三个圆弧金属片带的旋转弧度依次按相同旋向首尾相接重叠相邻的馈电柱，并从上至下分层贯穿上层介质基板9、中间层介质基板11及第一层半固化片10、第二层半固化片12，并且三个圆弧金属片带均绕天线单元中心旋转。
优选地，三层介质基板介电常数取3.0，上层介质基板厚度取40mil，中间层介质基板厚度取30mil，下层介质基板取15mil，使得三段圆弧金属片带模拟形成变升角螺旋体结构；
优选地，：天线单元尺寸小于半波长λ主要辐射模式为轴向模，螺旋体结构尺寸直径Rm小于0.4λ高频，利于小间距的相控阵布阵实施，灵活性高。
参阅图3。第一圆弧金属片带1、第二圆弧金属片带2和圆弧弯折金属片带3，三段圆弧金属片带均平行金属地板摆放，并通过三个垂直于金属地板的馈电柱互联馈电，馈电柱带来的感抗可抵消平行于金属地板的三段圆弧金属片带引入的容抗，从而使天线输入阻抗变为实数。
参阅图4-图7。第一圆弧金属片带1、第二圆弧金属片带2和圆弧弯折金属片带3具有不同宽度W1，W2及W3，并绕天线单元中心旋转，单段旋转弧度θ1，θ2及θ3在2π/3～π之间，首位相连合计绕制弧度在2.5π～3π之间，即螺旋绕制圈数小于1.5圈。优选地，所述三个段圆弧金属片带宽度W1为1.66mm，W2为1.73mm及W3为0.35mm，圆弧弯折金属条带3内折段宽度W4为0.35mm，旋转弧度角θ1＝180°，θ2＝150°及θ3＝157°，垂直互联三个圆弧金属片的馈电柱直径不完全相同，三个馈电柱直径D1为0.8mm，D2为0.4mm及D3为0.3mm，通过优化多级阻抗实现宽带阻抗最佳匹配与大角度辐射性能兼顾。
优选地，所述圆弧弯折金属片带3末端条带向单元中心弯折90°，并通过贯穿下层介质基板13的初级馈电柱6连接馈电金属圆盘7，和所述金属地板14之间蚀刻的环形缝隙8，一起形成中心馈电结构或者偏馈结构。
可选地，所述天线单元可通过毛纽扣或者其它弹性连接器进行垂直同轴馈电，馈电结构属于专业内常规用法，这里不再赘述。
优选地，本实施例所示天线结构为右旋圆极化辐射，但可通过改变旋转方向实现左旋圆极化辐射，这属于业内公开认知，不再进行其他实施例的阐述。
本发明实施例的端口电压驻波比情况如图8所示，可以看出在14GHz-28GHz的频段范围内，驻波均小于2，相对带宽67％以上。
本发明实施例在phi＝0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°八个典型方位剖面俯仰60°方向角度的圆极化辐射增益情况如图9所示，可以看出在14GHz-27.8GHz的频段范围内，圆极化增益均大于-3dBi，该频段范围内增益较为稳定，并没有出现明显下降，显示出该发明的相控阵天线单元实施例具有出色的宽频带大角度圆极化辐射性能。
以上所述仅为本发明阐述的一个较佳的具体实施例，但并未限制本发明的专利保护范围，业内技术人员对本发明技术思路进行的相关结构变形和功能替换，均应归入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种宽带圆极化相控阵天线单元，包括：设置在多层介质基板中的至少两层半固化片和设置在多层介质基板底部的金属地板(14)，蚀刻在上层介质基板(9)上表面的第一圆弧金属片带(1)，蚀刻在上层介质基板(9)下表面的第二圆弧金属片带(2)，蚀刻在下层介质基板(13)上表面的圆弧弯折金属片带(3)，其特征在于：一个馈电金属圆盘(7)固定在下层介质基板(13)的下表面，并与初级馈电柱(6)底部固联，和金属地板(14)，蚀刻在金属地板上的环形缝隙(8)一起形成同轴馈电端口；圆弧弯折金属片带3通过初级馈电柱(6)顶端首尾互联在次级馈电柱(5)的底端，第二圆弧金属片带(2)2过次级馈电柱(5)顶端首尾互联在尾级馈电柱(4)的底端，第一圆弧金属片带1固联在尾级馈电柱(4)的顶端，三个圆弧金属片带的旋转弧度依次按相同旋向首尾相接重叠相邻的馈电柱，并从上至下分层贯穿上层介质基板(9)、中间层介质基板(11)及第一层半固化片(10)、第二层半固化片(12)。
2.如权利要求1所述的宽带圆极化相控阵天线单元，其特征在于：多层介质基板介电常数取3.0，上层介质基板厚度取40mil，中间层介质基板厚度取30mil，下层介质基板取15mil，使得三段圆弧金属片带模拟形成变升角螺旋体结构。
3.如权利要求1所述的宽带圆极化相控阵天线单元，其特征在于：天线单元尺寸小于半波长λ主要辐射模式为轴向模，螺旋体结构尺寸直径Rm小于0.4λ高频。
4.如权利要求1所述的宽带圆极化相控阵天线单元，其特征在于：第一圆弧金属片带(1)、第二圆弧金属片带(2)和圆弧弯折金属片带(3)，三段圆弧金属片带均平行金属地板摆放，并通过三个垂直于金属地板的馈电柱互联馈电，馈电柱带来的感抗抵消平行于金属地板的三段圆弧金属片带引入的容抗，使天线输入阻抗变为实数。
5.如权利要求1所述的宽带圆极化相控阵天线单元，其特征在于：第一圆弧金属片带(1)、第二圆弧金属片带(2)和圆弧弯折金属片带(3)具有不同宽度W1，W2及W3，并绕天线单元中心旋转，单段旋转弧度θ1，θ2及θ3在2π/3～π之间，首位相连合计绕制弧度在2.5π～3π之间，即螺旋绕制圈数小于1.5圈。
6.如权利要求5所述的宽带圆极化相控阵天线单元，其特征在于：所述三个段圆弧金属片带宽度W1为1.66mm，W2为1.73mm及W3为0.35mm，圆弧弯折金属条带3内折段宽度W4为0.35mm，旋转弧度角θ1＝180°，θ2＝150°及θ3＝157°。
7.如权利要求1所述的宽带圆极化相控阵天线单元，其特征在于：垂直互联三个圆弧金属片的馈电柱直径不完全相同，馈电柱直径D1为0.8mm，D2为0.4mm及D3为0.3mm，通过优化多级阻抗实现宽带阻抗最佳匹配与大角度辐射性能兼顾。
8.如权利要求1所述的宽带圆极化相控阵天线单元，其特征在于：圆弧弯折金属片带(3)末端条带向馈电端口弯折，并通过贯穿下层介质基板(13)的初级馈电柱(6)连接馈电金属圆盘(7)，与所述金属地板(14)之间蚀刻的环形缝隙(8)，一起形成中心馈电结构或者偏馈结构。
9.如权利要求1所述的宽带圆极化相控阵天线单元，其特征在于：所述天线单元通过毛纽扣或者其它弹性连接器进行垂直同轴馈电。
10.如权利要求1所述的宽带圆极化相控阵天线单元，其特征在于：天线单元结构为右旋圆极化辐射，或通过改变旋转方向实现左旋圆极化辐射。
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