CN113937510A - 一种混合馈电的Ka波段磁电偶极子天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合馈电的Ka波段磁电偶极子天线阵列，包括第一层、第二层、第三层和第四层，第一层设有磁电偶极子单元，第二层设有焊盘，第三层设有耦合缝隙，第四层设有间隙脊波导功率分配器，磁电偶极子单元、焊盘、耦合缝隙和间隙脊波导功率分配器的输出端按相同的形式分别分布成矩形阵列。第一层、第二层、第三层和第四层依次叠合，每组磁电偶极子单元分别与相应的焊盘、耦合缝隙和间隙脊波导功率分配器的输出端对齐，每个焊盘分别引出一组同轴探针，一组同轴探针为相应的一个磁电偶极子单元进行馈电。本发明在保证天线具有较宽的带宽、低剖面和优良的辐射性能的同时，生产成本和加工难度保持在较低水平。本发明广泛应用于天线技术领域。

Description

一种混合馈电的Ka波段磁电偶极子天线阵列

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其是一种混合馈电的Ka波段磁电偶极子天线阵列。

背景技术

随着毫米波技术的发展，在一些特定的应用如5G通信与毫米波汽车雷达对Ka波段天线的需求越来越多。为了实现微型化和规模化生产，要求天线具有低剖面的结构，以及能够低成本生产。随着频率的提升，在毫米波段电介质带来的介质损耗也不容忽略，一些现有技术采用空气腔作为电介质，剖面较高，并且需要使用高精度焊接制造，带来高昂的制造成本。一些相关技术所提出的天线阵列结构，为了达到宽带和高增益特性，在外形上具有高轮廓的缺点，如果将这些天线阵列结构的轮廓降低成为低剖面，虽然仍能保持宽带特性，但是辐射效率降低。

发明内容

为了解决现有技术中难以同时实现低剖面、高辐射效率和低成本的问题，本发明提供了一种混合馈电的Ka波段磁电偶极子天线阵列，包括：

第一层；所述第一层设有多组磁电偶极子单元，各所述磁电偶极子单元分布成矩形阵列；

第二层；所述第二层设有多个焊盘，各所述焊盘按照与所述磁电偶极子单元相同的分布形式，分布成矩形阵列；

第三层；所述第三层设有多个耦合缝隙，各所述耦合缝隙按照与所述磁电偶极子单元相同的分布形式，分布成矩形阵列；

第四层；所述第四层设有间隙脊波导功率分配器；所述间隙脊波导功率分配器包括多个输出端，各所述输出端按照与所述磁电偶极子单元相同的分布形式，分布成矩形阵列；

所述第一层、第二层、第三层和第四层依次叠合，每组所述磁电偶极子单元分别与相应的一个所述焊盘、一个所述耦合缝隙和所述间隙脊波导功率分配器的一个所述输出端对齐；每个所述焊盘分别引出一组同轴探针，一组所述同轴探针用于为相应的一个所述磁电偶极子单元进行馈电。

进一步地，所述磁电偶极子单元包括第一磁电偶极子、第二磁电偶极子、第三磁电偶极子和第四磁电偶极子；

所述第一磁电偶极子、第二磁电偶极子、第三磁电偶极子和第四磁电偶极子分布成矩形阵列，所述第一磁电偶极子、第二磁电偶极子、第三磁电偶极子和第四磁电偶极子的结构相同。

进一步地，所述第一磁电偶极子、第二磁电偶极子、第三磁电偶极子和第四磁电偶极子中，任意相邻两者之间镜像对称。

进一步地，所述第一磁电偶极子、第二磁电偶极子、第三磁电偶极子和第四磁电偶极子分别包括：

第一短贴片；

第二短贴片；所述第二短贴片的一侧设有环形的内凹；

T字形探针；所述T字形探针位于所述第一短贴片与所述第二短贴片之间；所述T字形探针的一臂与所述第一短贴片的一侧平行，所述T字形探针的另一臂末端设有环形金属盘，所述环形金属盘伸入所述第二短贴片的内凹内。

进一步地，所述第一短贴片上设有三个金属化过孔，所述第二短贴片上设有两个金属化过孔，所述环形金属盘内设有一个金属化过孔；所述第一短贴片和所述第二短贴片作为电偶极子，各所述金属化过孔作为磁偶极子。

进一步地，一组所述同轴探针中同轴探针的数量，与相应一个所述磁电偶极子单元中的所述金属化过孔的数量相同；各所述同轴探针与各所述金属化过孔之间，以一个同轴探针连接一个金属化过孔的方式连接。

进一步地，所述间隙脊波导功率分配器包括：

1个一级T型结功率分配器；

2个二级T型结功率分配器；所述二级T型结功率分配器的输入端与所述一级T型结功率分配器的其中一个输出端连接；

4个三级T型结功率分配器；所述三级T型结功率分配器的输入端与所述二级T型结功率分配器的其中一个输出端连接；

8个四级T型结功率分配器；所述四级T型结功率分配器的输入端与所述三级T型结功率分配器的其中一个输出端连接；

各所述四级T型结功率分配器的输出端作为所述间隙脊波导功率分配器的输出端。

进一步地，所述一级T型结功率分配器、二级T型结功率分配器、三级T型结功率分配器和四级T型结功率分配器分别设有阻抗变换段。

进一步地，所述第四层还设有间隙脊波导-矩形波导过渡结构，所述间隙脊波导-矩形波导过渡结构与所述一级T型结功率分配器的输入端连接。

进一步地，所述第一层和所述第二层均为特氟龙材质，所述第三层和所述第四层均为铜材质；所述第一层与所述第二层之间通过导电粘合剂粘合，所述第一层、第二层、第三层和第四层之间以螺栓固定组装并通过销钉进行层间定位。

本发明的有益效果是：实施例中的混合馈电的Ka波段磁电偶极子天线阵列，通过将磁电偶极子天线单元与脊间隙波导馈电网络结合起来组成阵列，每个磁电偶极子单元作为一个子阵，子阵内部采用了金属化同轴探针和缝隙耦合介质腔混合馈电方式，在保证天线具有较宽的带宽、低剖面和优良的辐射性能的同时，生产成本和加工难度保持在较低水平。

附图说明

图1为实施例中混合馈电的Ka波段磁电偶极子天线阵列的结构示意图；

图2为实施例中第一层的结构示意图；

图3为实施例中磁电偶极子的结构示意图；

图4为实施例中第二层的结构示意图；

图5为实施例中第三层的结构示意图；

图6为实施例中第四层的结构示意图；

图7为实施例中间隙脊波导功率分配器中的T型结功率分配器的结构示意图；

图8为实施例中混合馈电的Ka波段磁电偶极子天线阵列的组装效果示意图；

图9为实施例中单个磁电偶极子单元与焊盘等器件的对应关系示意图。

具体实施方式

参照图1，本实施例中，混合馈电的Ka波段磁电偶极子天线阵列为四层结构，包括第一层、第二层、第三层和第四层。本实施例中，图1中各层朝上的那一面称为上表面，另一面称为下表面。

本实施例中，第一层的基板是使用特氟龙材质制造的。参照图2，第一层的上表面设有多组磁电偶极子单元，各磁电偶极子单元分布成矩形阵列。具体地，每个磁电偶极子单元都是2×2的磁电偶极子结构，也就是每个磁电偶极子单元都包括四个磁电偶极子。每个磁电偶极子单元作为矩形阵列中的一个单元，占据矩形阵列中的一个位置。图2中，16个磁电偶极子单元形成4×4的正方形阵列，也就是每对相邻的磁电偶极子单元之间的中心点距离都是相同的。

以其中一个磁电偶极子单元为例，其包括第一磁电偶极子、第二磁电偶极子、第三磁电偶极子和第四磁电偶极子，共4个磁电偶极子。而且4个磁电偶极子排布成2×2的矩形阵列，并且任意相邻两者之间镜像对称，也就是水平方向、竖直方向上相邻的两个磁电偶极子是对称关系。图2中，16个磁电偶极子单元形成4×4的矩形阵列，由于每个磁电偶极子单元分别包括4个磁电偶极子，因此图2中也可以看成是64个磁电偶极子单元形成8×8的矩形阵列。

本实施例中，每个磁电偶极子的内部结构相同。以其中一个磁电偶极子的结构进行说明。参照图3，一个磁电偶极子包括第一短贴片、第二短贴片和T字形探针；其中，T字形探针位于第一短贴片与第二短贴片之间，T字形探针的一臂与第一短贴片的一侧平行，T字形探针的另一臂末端设有环形金属盘，第二短贴片的一侧设有环形的内凹，T字形探针的环形金属盘伸入第二短贴片的内凹内。第一短贴片上设有三个金属化过孔，第二短贴片上设有两个金属化过孔，环形金属盘内设有一个金属化过孔，因此共形成三对金属化过孔。第一短贴片和第二短贴片作为电偶极子，三对金属化过孔作为磁偶极子。

本实施例中，第二层的基板是使用特氟龙材质制造的。参照图4，第二层设有多个焊盘，各焊盘按照与磁电偶极子单元相同的分布形式，分布成矩形阵列，也就是说，如果在磁电偶极子单元所形成的矩形阵列中，将每个磁电偶极子单元分别替换成一个焊盘，那么就得到图4所示的第二层的结构。

本实施例中，第三层的基板是使用铜材质制造的。参照图5，第三层设有多个耦合缝隙，可以通过CNC铣削工艺在第三层的基板上加工出耦合缝隙。各耦合缝隙按照与磁电偶极子单元相同的分布形式，分布成矩形阵列。也就是说，如果在磁电偶极子单元所形成的矩形阵列中，将每个磁电偶极子单元分别替换成一个耦合缝隙，那么就得到图5所示的第三层的结构。

本实施例中，第四层的基板是使用铜材质制造的。参照图6，第四层设有间隙脊波导功率分配器，可以通过CNC铣削工艺在第三层的基板上加工出间隙脊波导功率分配器。具体地，间隙脊波导功率分配器包括1个一级T型结功率分配器、2个二级T型结功率分配器、4个三级T型结功率分配器和8个四级T型结功率分配器。

一级T型结功率分配器、二级T型结功率分配器、三级T型结功率分配器和四级T型结功率分配器的结构相似，可以通过图7所示的结构来表示。每个T型结功率分配器都包括一个输入端和两个输出端，其中一级T型结功率分配器作为第一级的T型结功率分配器，二级T型结功率分配器作为第二级的T型结功率分配器，三级T型结功率分配器作为第三级的T型结功率分配器，四级T型结功率分配器作为第四级的T型结功率分配器，各级T型结功率分配器进行级联。

参照图6，2个二级T型结功率分配器中，每个二级T型结功率分配器的输入端分别与一级T型结功率分配器的其中一个输出端连接，共形成4个二级T型结功率分配器的输出端；4个三级T型结功率分配器中，每个三级T型结功率分配器的输入端分别与二级T型结功率分配器的其中一个输出端连接，共形成8个三级T型结功率分配器的输出端；8个四级T型结功率分配器中，每个四级T型结功率分配器的输入端分别与三级T型结功率分配器的其中一个输出端连接，共形成16个四级T型结功率分配器的输出端。这16个四级T型结功率分配器的输出端作为间隙脊波导功率分配器的输出端。16个四级T型结功率分配器的输出端按照与磁电偶极子单元相同的分布形式，分布成矩形阵列，也就是说，如果在磁电偶极子单元所形成的矩形阵列中，将每个磁电偶极子单元分别替换成四级T型结功率分配器的一个输出端，那么就得到图6所示的第四层的结构。图6所示的第四层的结构形成由四级H面T型结功率分配器组成的间隙脊波导功率分配器，成为一个1分16的间隙脊波导(RGWG)全并馈网络。

参照图7，一级T型结功率分配器、二级T型结功率分配器、三级T型结功率分配器和四级T型结功率分配器分别设有阻抗变换段，通过阻抗变换段能够实现间隙脊波导功率分配器的输入端口阻抗匹配。

参照图8，将第一层、第二层、第三层和第四层依次叠合，第一层与第二层之间通过导电粘合剂粘合，第一层、第二层、第三层和第四层之间以螺栓固定组装并通过销钉进行层间定位，从而使得第一层、第二层、第三层和第四层形成一个整体。参照图8和图9，每组磁电偶极子单元分别与相应的一个焊盘、一个耦合缝隙和间隙脊波导功率分配器的一个输出端对齐；每个焊盘分别引出一组同轴探针，一组同轴探针用于为相应的一个磁电偶极子单元进行馈电。具体地，一组同轴探针中同轴探针的数量，与相应一个磁电偶极子单元中的金属化过孔的数量相同；各同轴探针与各金属化过孔之间，以一个同轴探针连接一个金属化过孔的方式连接，也就是说，同轴探针与金属化过孔之间是一一对应的关系。

图8所示的结构中，第一层、第二层以及第一层和第二层之上的磁电偶极子单元和焊盘等器件组成辐射部分，第三层、第四层以及第三层和第四层之上的耦合缝隙和间隙脊波导功率分配器等器件组成馈电部分。参照图6和图8，第四层还设有间隙脊波导-矩形波导过渡结构，间隙脊波导-矩形波导过渡结构与一级T型结功率分配器的输入端连接，从而使得混合馈电的Ka波段磁电偶极子天线阵列能够与矩形波导连接。

本实施例中，混合馈电的Ka波段磁电偶极子天线阵列的工作原理包括：

(1)辐射部分由两层特氟龙(Teflon)介质板组成，磁电偶极子单元可以进行同轴馈电；

(2)磁电偶极子单元内的每个磁电偶极子中，一对短贴片作为电偶极子，三对金属化过孔作为磁偶极子，磁电偶极子由T形探针馈电，T形探针通过第一层的下表面，与第二层的上表面上的金属焊盘(Metalized Pad)连接；T形探针的另一臂末端作为馈电点，通过在馈电点设置环形的金属盘，可以实现天线的宽带阻抗匹配，简化去除了天线单元内的微小结构，降低了磁电偶极子的加工难度；

(3)第二层与第一层之间形成一个由同轴探针围起来的介质腔体，金属化的同轴探针与T形探针同心，通过两层间的金属焊盘连接并实现阻抗匹配；

(4)馈电部分使用金属黄铜机械加工完成，也分为第三层和第四层共两层；第三层所设有的耦合缝隙(coupling slot)实现对介质板辐射部分介质腔的能量耦合，第四层所设有的间隙脊波导(Ridge Gap Wave-Guide)作为传输线组成馈电网络，实现电磁波能量的功率分配和传输；

(5)来自第四层RGWG馈电网络的电磁波通过耦合缝隙馈入介质腔，以TE₂₃₀模式在介质腔中被激发，介质腔中的四个同轴探针将TE₂₃₀模式电磁波转换为TEM波，并将TEM波均匀地输入到磁电偶极子单元内的四个磁电偶极子；由于介质腔中的场左右两边相位相反，四个磁电偶极子为左右镜像关系，因此可以使辐射出去的电磁波相位相同。

在生产制作本实施例中的混合馈电的Ka波段磁电偶极子天线阵列时，可以使用低成本的PCB工艺制作第一层和第二层即辐射部分。在制作馈电部分时，所使用的CNC铣削加工工艺的最小尺寸可以是0.5mm。辐射部分与馈电部分由8颗m2螺栓固定组装，通过两根直径1.6mm的销钉对四层进行层间定位，保证层间对位误差控制在±0.02mm以内。在选择第一层和第二层的材质时，可以选择介电常数为2.1的特氟龙材质，并且第一层和第二层的厚度可以不同。

综上所述，本实施例中的混合馈电的Ka波段磁电偶极子天线阵列，其磁电偶极子结构简单，加工难度和成本较低，并且能够与间隙脊波导功率分配器实现良好的阻抗匹配，保持较佳的辐射效率；通过将磁电偶极子天线单元与脊间隙波导馈电网络结合起来组成阵列，每个磁电偶极子单元作为一个子阵，子阵内部采用了金属化同轴探针和缝隙耦合介质腔混合馈电方式，在保证天线具有较宽的带宽、低剖面和优良的辐射性能的同时，生产成本和加工难度保持在较低水平。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向目标终端的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的目标终端，包括显示器上产生的物理和有形目标终端的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (10)

1.一种混合馈电的Ka波段磁电偶极子天线阵列，其特征在于，包括：

第一层；所述第一层设有多组磁电偶极子单元，各所述磁电偶极子单元分布成矩形阵列；

第二层；所述第二层设有多个焊盘，各所述焊盘按照与所述磁电偶极子单元相同的分布形式，分布成矩形阵列；

第三层；所述第三层设有多个耦合缝隙，各所述耦合缝隙按照与所述磁电偶极子单元相同的分布形式，分布成矩形阵列；

第四层；所述第四层设有间隙脊波导功率分配器；所述间隙脊波导功率分配器包括多个输出端，各所述输出端按照与所述磁电偶极子单元相同的分布形式，分布成矩形阵列；

所述第一层、第二层、第三层和第四层依次叠合，每组所述磁电偶极子单元分别与相应的一个所述焊盘、一个所述耦合缝隙和所述间隙脊波导功率分配器的一个所述输出端对齐；每个所述焊盘分别引出一组同轴探针，一组所述同轴探针用于为相应的一个所述磁电偶极子单元进行馈电。

2.根据权利要求1所述的混合馈电的Ka波段磁电偶极子天线阵列，其特征在于，所述磁电偶极子单元包括第一磁电偶极子、第二磁电偶极子、第三磁电偶极子和第四磁电偶极子；

所述第一磁电偶极子、第二磁电偶极子、第三磁电偶极子和第四磁电偶极子分布成矩形阵列，所述第一磁电偶极子、第二磁电偶极子、第三磁电偶极子和第四磁电偶极子的结构相同。

3.根据权利要求2所述的混合馈电的Ka波段磁电偶极子天线阵列，其特征在于，所述第一磁电偶极子、第二磁电偶极子、第三磁电偶极子和第四磁电偶极子中，任意相邻两者之间镜像对称。

4.根据权利要求2或3所述的混合馈电的Ka波段磁电偶极子天线阵列，其特征在于，所述第一磁电偶极子、第二磁电偶极子、第三磁电偶极子和第四磁电偶极子分别包括：

第一短贴片；

第二短贴片；所述第二短贴片的一侧设有环形的内凹；

T字形探针；所述T字形探针位于所述第一短贴片与所述第二短贴片之间；所述T字形探针的一臂与所述第一短贴片的一侧平行，所述T字形探针的另一臂末端设有环形金属盘，所述环形金属盘伸入所述第二短贴片的内凹内。

5.根据权利要求4所述的混合馈电的Ka波段磁电偶极子天线阵列，其特征在于，所述第一短贴片上设有三个金属化过孔，所述第二短贴片上设有两个金属化过孔，所述环形金属盘内设有一个金属化过孔；所述第一短贴片和所述第二短贴片作为电偶极子，各所述金属化过孔作为磁偶极子。

6.根据权利要求5所述的混合馈电的Ka波段磁电偶极子天线阵列，其特征在于，一组所述同轴探针中同轴探针的数量，与相应一个所述磁电偶极子单元中的所述金属化过孔的数量相同；各所述同轴探针与各所述金属化过孔之间，以一个同轴探针连接一个金属化过孔的方式连接。

7.根据权利要求1所述的混合馈电的Ka波段磁电偶极子天线阵列，其特征在于，所述间隙脊波导功率分配器包括：

1个一级T型结功率分配器；

2个二级T型结功率分配器；所述二级T型结功率分配器的输入端与所述一级T型结功率分配器的其中一个输出端连接；

4个三级T型结功率分配器；所述三级T型结功率分配器的输入端与所述二级T型结功率分配器的其中一个输出端连接；

8个四级T型结功率分配器；所述四级T型结功率分配器的输入端与所述三级T型结功率分配器的其中一个输出端连接；

各所述四级T型结功率分配器的输出端作为所述间隙脊波导功率分配器的输出端。

8.根据权利要求7所述的混合馈电的Ka波段磁电偶极子天线阵列，其特征在于，所述一级T型结功率分配器、二级T型结功率分配器、三级T型结功率分配器和四级T型结功率分配器分别设有阻抗变换段。

9.根据权利要求7或8所述的混合馈电的Ka波段磁电偶极子天线阵列，其特征在于，所述第四层还设有间隙脊波导-矩形波导过渡结构，所述间隙脊波导-矩形波导过渡结构与所述一级T型结功率分配器的输入端连接。

10.根据权利要求1所述的混合馈电的Ka波段磁电偶极子天线阵列，其特征在于，所述第一层和所述第二层均为特氟龙材质，所述第三层和所述第四层均为铜材质；所述第一层与所述第二层之间通过导电粘合剂粘合，所述第一层、第二层、第三层和第四层之间以螺栓固定组装并通过销钉进行层间定位。

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