CN113594676B - 毫米波双频段双圆极化天线单元及其阵列、设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种毫米波双频段双圆极化天线单元及其阵列、设计方法，包括第一基板、第二基板、第三基板及馈电结构；所述第一基板、所述第二基板及所述第三基板依次堆叠；所述第一基板上设置有第二SIW腔体和寄生贴片，所述第二基板上设置有第二SIW腔体及辐射贴片；所述馈电结构设置在所述第三基板上。本发明可使用多层印刷电路板工艺制作，采用缝隙耦合馈电，在两个频段分别实现右旋和左旋圆极化，由于采用全并行微带馈电网络，因此该结构便于扩展至更大规模的天线阵列。

Description

毫米波双频段双圆极化天线单元及其阵列、设计方法

技术领域

本发明涉及阵列化天线技术，具体地，涉及一种毫米波双频段双圆极化天线单元及其阵列、设计方法。

背景技术

天线是无线通信系统的重要组成部分。天线的多频段工作可以减少大量天线的使用，从而减小了无线通信系统的体积。圆极化天线能够接收任意极化的电磁波，可以有效地提高接收和辐射效率，目前已被广泛应用于卫星通讯、电子侦察等领域。国内外在毫米波多频段圆极化天线方向也有大量的工作，但现有的天线受限于单天线，且辐射模式不稳定。

公开为CN103050788A为专利文献公开了一种天线阵列单元、阵列天线、多频天线单元和多频阵列天线，该天线阵列单元包括：两个天线单元对，呈十字交叉设置，其中，每个天线单元对包括两个天线单元，两个天线单元通过馈电网络相互电连接，并且两个天线单元对分别独立馈电。但是该专利文献仍然存在辐射模式不稳定的缺陷。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种毫米波双频段双圆极化天线单元及其阵列、设计方法。

根据本发明提供的一种毫米波双频段双圆极化天线单元，包括第一基板、第二基板、第三基板及馈电结构；所述第一基板、所述第二基板及所述第三基板依次堆叠；

所述第一基板上设置有第二SIW腔体和寄生贴片，所述第二基板上设置有第二SIW腔体及辐射贴片；所述馈电结构设置在所述第三基板上。

优选的，所述馈电结构包括微带馈线。

优选的，所述第二基板上设置有辐射槽，所述辐射贴片设置在所述辐射槽内。

优选的，所述辐射槽上对称设置有第一微扰和第二微扰。

优选的，所述辐射贴片上设置有金属化通孔。

优选的，所述第一基板的厚度、所述第二基板的厚度、所述第三基板的厚度分别为0.381mm、0.381mm和0.127mm；

优选的，所述第一基板的介电常数ε_r1、所述第二基板的介电常数ε_r2及所述第三基板的介电常数ε_r3均为2.2；

所述第一基板的损耗角tanδ1、所述第二基板的损耗角tanδ2及所述第三基板的损耗角tanδ3均为0.0009。

优选的，所述寄生贴片为方形，所述寄生贴片的边长P为2mm，相邻所述寄生贴片的间距d_p为1.5mm。

优选的，所述辅射贴片为矩形，所述辅射贴片的边长分别为p_x＝1.13mm和p_y＝2.05mm。

本发明还提供一种天线阵列，包括四个上述的毫米波双频段双圆极化天线单元；

四个所述第一基板拼接设置在同一平面内构成第一层板，四个所述第二基板拼接设置在同一平面内构成第二层板，四个所述第三基板拼接设置在同一平面内构成第三层板；

所述第一层板、所述第二层板及所述第三层板依次堆叠。

本发明还提供一种基于上述的毫米波双频段双圆极化天线单元的设计方法，包括如下步骤：

步骤一：确定所需的两个工作频段；

步骤二：在第二SIW腔体的顶层开一个方形辐射槽，引入微扰，使简并模式分离，形成一个轴比谐振点；

步骤三：在第二SIW腔体的开槽中心引入两个矩形辐射贴片构成高频辐射体，利用金属条将两个矩形辐射贴片相连，并在两个矩形辐射贴片上各做一个金属化通孔；

步骤四：堆叠寄生贴片在第二基板上，在高频段引入另一个阻抗带宽的谐振点；

步骤五：微调寄生贴片的位置，将轴比谐振点调整至所需的两个工作频段处。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明采用多层PCB工艺，层与层之间均采用缝隙耦合馈电，无需粘合，没有物理连接，加工简单，便于集成；

2、本发明通过在原有的矩形背腔圆极化天线的基础上引入高频辐射贴片和寄生贴片，实现了双频段双圆极化的辐射特性；

3、本发明采用微带缝隙耦合腔体馈电，免去了复杂的馈电匹配结构，使得本发明可拓展到更大规模的高增益阵列应用场景；

4、本发明可使用多层印刷电路板工艺制作，采用缝隙耦合馈电，在两个频段分别实现右旋和左旋圆极化，由于采用全并行微带馈电网络，因此该结构便于扩展至更大规模的天线阵列。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的毫米波双频段双圆极化天线单元的三维结构示意图；

图2为本发明的毫米波双频段双圆极化天线单元的第一基板的俯视图；

图3为本发明的毫米波双频段双圆极化天线单元的第二基板的俯视图；

图4为本发明提供的2×2毫米波双频段双圆极化天线阵列的三维结构示意图；

图5为本发明提供的2×2毫米波双频段双圆极化天线阵列的馈电网络示意图；

图6为本发明提供的2×2毫米波双频段双圆极化天线阵列的|S₁₁|参数；

图7为本发明提供的2×2毫米波双频段双圆极化天线阵列轴比参数；

图8为本发明提供的2×2毫米波双频段双圆极化天线阵列的实增益参数；

图9为本发明提供的2×2毫米波双频段双圆极化天线阵列在28GHz时的辐射方向图；

图10为本发明提供的2×2毫米波双频段双圆极化天线阵列在38GHz时的辐射方向图。

图中示出：

第一基板1 辐射贴片8

第二基板2 辐射槽9

第三基板3 第一微扰10

馈电结构4 第二微扰11

微带馈线401 金属化通孔12

耦合馈电缝隙402 第一层板13

第一SIW腔体5 第二层板14

寄生贴片6 第三层板15

第二SIW腔体7

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1～4所示，本发明提供的一种毫米波双频段双圆极化天线单元，包括第一基板1、第二基板2、第三基板3及馈电结构4，第一基板1、第二基板2及第三基板3依次堆叠，第一基板1上设置有第二SIW腔体75和寄生贴片6，第二基板2上设置有第二SIW腔体及辐射贴片8，馈电结构4设置在第三基板3上。馈电结构4包括微带馈线401，微带馈线403设置在第三基板3上。在优选例中，第二基板2上设置有耦合馈电缝隙402。

第一基板1的厚度、第二基板2的厚度、第三基板3的厚度分别为0.381mm、0.381mm和0.127mm，第一基板1的介电常数ε_r1、第二基板2的介电常数ε_r2及第三基板3的介电常数ε_r3均为2.2，第一基板1的损耗角tanδ1、第二基板2的损耗角tanδ2及第三基板3的损耗角tanδ3均为0.0009，寄生贴片6为方形，寄生贴片6的边长P为2mm，相邻寄生贴片6的间距d_p为1.5mm，方形寄生贴片6位于第一基板1的顶层，辅射贴片8为矩形，辅射贴片8的边长分别为p_x＝1.13mm和p_y＝2.05mm。

在优选例中，第一基板、第二基板及第三基板均为方形，第一基板、第二基板及第三基板采用螺丝固定，天线单元的边长S_l为11mm。第一SIW腔体的长度为W_p2＝7.3mm，第一SIW腔体的通孔直径为d1＝0.4mm，第一SIW腔体的相邻通孔间间距为s＝0.73mm，第二SIW腔体的边长W_p＝7.1mm，微带馈线宽为0.42mm。

第二基板2上设置有辐射槽9，辐射贴片8设置在辐射槽9内，在优选例中，辐射槽的边长为C_v＝3.55mm。辐射槽9上对称设置有第一微扰10和第二微扰11，在优选例中，第一微扰的边长n_x＝0.7mm，第二微扰的边长n_y＝0.45mm。辐射贴片8上设置有金属化通孔12，在优选例中，金属化通孔直径为d₂＝0.54mm。

本发明还提供一种天线阵列，包括四个上述的毫米波双频段双圆极化天线单元，四个第一基板1拼接设置在同一平面内构成第一层板13，四个第二基板2拼接设置在同一平面内构成第二层板14，四个第三基板3拼接设置在同一平面内构成第三层板15，第一层板13、第二层板14及第三层板15依次堆叠。在优选例中，天线阵列由四个相同的天线单元构成，在此阵列天线的底层，是由微带一分四功分器构成的微带全并行馈电网络。

本发明还提供一种基于上述的毫米波双频段双圆极化天线单元的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：确定所需的两个工作频段；

步骤二：在第二SIW腔体7的顶层开一个方形辐射槽9，引入微扰，使简并模式分离，形成一个轴比谐振点；

步骤三：在第二SIW腔体7的开槽中心引入两个矩形辐射贴片8构成高频辐射体，利用金属条将两个矩形辐射贴片8相连，并在两个矩形辐射贴片8上各做一个金属化通孔12；

步骤四：堆叠寄生贴片6在第二基板2上，在高频段引入另一个阻抗带宽的谐振点；

步骤五：微调寄生贴片6的位置，将轴比谐振点调整至所需的两个工作频段处。

在优选例中，低频对应的SIW腔体的边长根据以下公式：

f_mnp为谐振腔工作频率，μ为介电常数，ε为磁导率，m,n,p表示工作模式，(此处对于TE₁₂₀模式，m＝1,n＝2,p＝0)。W_eff为谐振腔等效宽度，h为谐振腔高度，W_p为SIW谐振腔的实际宽度，d₁为金属化通孔直径，S为相邻金属化通孔间距，

接着在SIW谐振腔的顶层开一个边长为C_av的方形辐射槽，引入微扰，优化围绕尺寸，使简并模式分离，形成一个轴比谐振点。

在SIW腔的开槽中心引入两个矩形贴片构成高频辐射体，利用金属条将两个矩形贴片相连，并在两个矩形贴片上各做一个金属化通孔，优化阻抗与轴比特性。在此基础之上堆叠辐射贴片在第二基板之上，在高频段引入另一个阻抗带宽的谐振点，同时提高了增益，最后微调寄生贴片的位置，将轴比谐振点调整至所需的28GHz和38GHz处。最终实现了毫米波双频段双圆极化天线单元的设计，在所需频段具有良好的轴比和辐射特性。同时该单元结构简单，馈电方便，可以很方便的利用全并行馈电网络，实现大规模阵列天线的设计。

下面通过优选的或变化的实施例对本发明进行更为具体地说明：

实施例1：

如图1～4所示，空间直角坐标系o-xyz包括：原点o、x轴、y轴、z轴，介质基板平行于空间直角坐标系o-xyz的xoy面。针对毫米波双频段全双工无线通信系统，本实施例设计了一种毫米波双频段双圆极化天线单元及其阵列，可用于5G通信系统，该天线覆盖28GHz和38GHz两个频段，也可优化设计，覆盖特定的频段。该天线主要包括SIW背腔辐射体、矩形贴片辐射体、方形寄生贴片、由四个天线单元组成的阵列及其对应的全并行微带馈电网络辐射体，介质基底金属地平面和同轴馈电等结构。

在低频段时，通过谐振腔理论，在SIW腔体内开缝引起辐射。同时在缝隙上加载对称微扰，使得低频段的简并模TE120和TE210模式分离，在28GHz频段形成轴比最小值点，设计微扰的位置，使其形成右旋圆极化辐射。

在高频段时，通过斜馈的矩形贴片在高频段可实现另一个轴比谐振点。此时阻抗带宽较差，为此将两个矩形贴片相连并引入感性金属化通孔。为了使增益提高，引入第一基板，并在第一基板的上层放置四个寄生贴片，扩展了阻抗带宽，同时提高了增益，在高频段38GHz处形成左旋圆极化辐射。

天线工作的过程：通过微带馈电与缝隙耦合，电磁波进入第二基板中的SIW谐振腔内，在低频段，通过微扰矩形槽分裂谐振腔中的简并模式，辐射右旋圆极化波。又通过矩形贴片和基板1中的寄生贴片形成高频段的辐射，选择矩形贴片的方向，使之在高频段形成左旋圆极化的辐射。

实施例2：

本发明设计了一种毫米波双频段双圆极化天线单元及其阵列，可用5G通信系统。该天线体积仅为18.5mm×18.5mm×0.889mm，可覆盖28GHz和38GHz两个频带。并在这两个频带分别实现右旋和左旋圆极化辐射。

如图1所示，为所述毫米波双频段双圆极化天线单元结构示意图。单元的三层第一基板1、第一基板2、第一基板3的厚度分别为0.381mm、0.381mm和0.127mm，介质基板为方形，介质基板的介电常数ε_r＝2.2，介质基板的损耗角tanδ＝0.0009。

图2和图3天线单元给的分层平面视图给出了详细的尺寸，便于更好地理解天线结构。图4和图5分别给出了所述毫米波双频段双圆极化天线阵列结构示意图和对应的馈电网络平面视图，便于更好地理解天线阵列的构成。图6、图7和图8分别给出了所述2×2毫米波双频段双圆极化天线阵列|S₁₁|参数、轴比和实增益随频率变化的示意图。图9和图10分别给出了所述2×2毫米波双频段双圆极化天线阵列在28GHz和38GHz时XOZ和YOZ平面的归一化辐射方向图。

本发明可使用多层印刷电路板工艺制作，采用缝隙耦合馈电，在两个频段分别实现右旋和左旋圆极化，由于采用全并行微带馈电网络，因此该结构便于扩展至更大规模的天线阵列。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种毫米波双频段双圆极化天线单元，其特征在于，包括第一基板（1）、第二基板（2）、第三基板（3）及馈电结构（4）；所述第一基板（1）、所述第二基板（2）及所述第三基板（3）依次堆叠；

所述第一基板（1）上设置有第一SIW腔体（5）和寄生贴片（6），所述第二基板（2）上设置有第二SIW腔体（7）及两个矩形辐射贴片（8），两个所述矩形辐射贴片（8）设置于所述第二SIW腔体（7）的开槽中心，通过斜馈的所述矩形辐射贴片（8）在高频段实现一个轴比谐振点，形成左旋圆极化辐射；所述馈电结构（4）设置在所述第三基板（3）上；

所述第二基板（2）上设置有方形辐射槽（9），所述辐射贴片（8）设置在所述方形辐射槽（9）内；

所述方形辐射槽（9）上对称设置有第一微扰（10）和第二微扰（11）；引入所述第一微扰（10）和所述第二微扰（11），使得低频段的简并模式分离，在低频段实现另一个轴比谐振点，设计所述第一微扰（10）和所述第二微扰（11）的位置，形成右旋圆极化辐射；

所述馈电结构（4）包括微带馈线（401）；

所述第二基板（2）上设置有耦合馈电缝隙（402）。

2.根据权利要求1所述的毫米波双频段双圆极化天线单元，其特征在于，所述矩形辐射贴片（8）上设置有金属化通孔（12）。

3.根据权利要求1所述的毫米波双频段双圆极化天线单元，其特征在于，所述第一基板（1）的厚度、所述第二基板（2）的厚度、所述第三基板（3）的厚度分别为0.381mm、0.381mm和0.127mm。

4.根据权利要求1所述的毫米波双频段双圆极化天线单元，其特征在于，所述第一基板（1）的介电常数ε _r1、所述第二基板（2）的介电常数ε _r2及所述第三基板（3）的介电常数ε _r3均为2.2；

所述第一基板（1）的损耗角tanδ1、所述第二基板（2）的损耗角tanδ2及所述第三基板（3）的损耗角tanδ3均为0.0009。

5.根据权利要求1所述的毫米波双频段双圆极化天线单元，其特征在于，所述寄生贴片（6）为方形，所述寄生贴片（6）的边长P为2mm，相邻所述寄生贴片（6）的间距d _p为1.5mm；

所所述矩形辐射贴片的边长分别为p _x=1.13mm和p _y=2.05mm。

6.一种天线阵列，其特征在于，包括四个权利要求1至5任一项所述的毫米波双频段双圆极化天线单元；

四个所述第一基板（1）拼接设置在同一平面内构成第一层板（13），四个所述第二基板（2）拼接设置在同一平面内构成第二层板（14），四个所述第三基板（3）拼接设置在同一平面内构成第三层板（15）；

所述第一层板（13）、所述第二层板（14）及所述第三层板（15）依次堆叠。

7.一种基于权利要求1所述的毫米波双频段双圆极化天线单元的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：确定所需的两个工作频段；

步骤二：在第二SIW腔体（7）的顶层开一个方形辐射槽（9），引入微扰，使简并模式分离，形成一个轴比谐振点；

步骤三：在第二SIW腔体（7）的开槽中心引入两个矩形辐射贴片（8）构成高频辐射体，利用金属条将两个矩形辐射贴片（8）相连，并在两个矩形辐射贴片（8）上各做一个金属化通孔（12）；

步骤四：堆叠寄生贴片（6）在第二基板（2）上，在高频段引入另一个阻抗带宽的谐振点；

步骤五：微调寄生贴片（6）的位置，将轴比谐振点调整至所需的两个工作频段处。