CN114069219A - 微带相控阵天线单元及其阵列 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微带相控阵天线单元及其阵列，该单元包括：辐射结构、馈电结构和SIW背腔，辐射结构包括第一介质层、第二介质层与辐射贴片，辐射贴片位于第一介质层上表面，第二介质层位于第一介质层的下方，馈电结构包括第三介质层、第四介质层与接地板，接地板位于第二介质层、第三介质层之间，接地板上设置有纺锤型结构的耦合缝隙，耦合缝隙对应设置于辐射贴片的正下方，馈电结构将微带馈线的能量通过耦合缝隙耦合到辐射贴片上；其中，通过金属过孔在第一介质层、第二介质层、第三介质层和第四介质层上沿辐射贴片的外围形成具有背腔结构的SIW背腔，通过上述结构使天线具有宽带宽、低成本、低剖面的特性，也提高了天线的辐射效率，降低了互耦。

Description

微带相控阵天线单元及其阵列

技术领域

本发明涉及微波天线技术领域，特别是涉及一种微带相控阵天线单元及其阵列。

背景技术

天线是无线通信系统的前端，是用来发射或者接收电磁波的器件。近年来，通信技术的发展对天线的性能提出了更高的要求。由天线单元通过特定的排布方式组成的相控阵天线阵列，通过对每个单元加以适当的移相(或延时)即可获得阵波束的偏转，能够实现波束的快速扫描，多波束扫描以及灵活的波束指向。

目前，相控阵天线被广泛的应用在毫米波雷达和无线通信方面，相控阵技术促进相控天线的发展，微带相控阵天线具有地剖面、低成本、质量轻、易于加工以及便于安装等优点，然而，由于微带相控阵天线的窄带宽缺陷，导致其无法使用在宽带宽的射频系统。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微带相控阵天线单元及其阵列，用于解决现有技术中微带相控阵天线因窄带宽限制其应用场景的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种微带相控阵天线单元，包括：

辐射结构、馈电结构和SIW背腔，所述辐射结构包括第一介质层、第二介质层与辐射贴片，所述辐射贴片位于第一介质层上表面，所述第二介质层位于第一介质层的下方，所述馈电结构包括依次压合叠放设置的接地板、第三介质层与第四介质层，所述接地板位于第二介质层、第三介质层之间，所述接地板上设置有纺锤型结构的耦合缝隙，所述耦合缝隙对应设置于所述辐射贴片的正下方，所述馈电结构将微带馈线的能量通过耦合缝隙耦合到所述辐射贴片上；其中，通过金属过孔在所述第一介质层、第二介质层、第三介质层和第四介质层上沿所述辐射贴片的外围形成具有背腔缝隙的SIW背腔。

于本发明的一实施例中，所述金属过孔在所述第一介质层、第二介质层、第三介质层和第四介质层的分布位置相同，且所述金属过孔的直径0.1～0.3mm，两两金属过孔之间的间距为0.1～0.2mm。

于本发明的一实施例中，所述辐射贴片上设有四个沿中心旋转分布的辐射缝隙。

于本发明的一实施例中，所述辐射贴片为多层基片结构，其中，顶层基片为SIW谐振腔及四条辐射缝隙构成的谐振辐射单元，所述底层基片通过耦合缝隙连接所述辐射结构。

于本发明的一实施例中，所述纺锤型结构的耦合缝隙包括第一柱体、两个第二柱体与两个第三柱体，所述第二柱体与第三柱体端部相连，所述第一柱体的两端沿轴中心依次连接第二柱体与第三柱体的端部构成纺锤型；例如，第一柱体的直径大于第二柱体的直径，第二柱体的直径大于第三柱体的直径，三种柱体沿轴中心依次对称设置，形成中间大两头小的纺锤型结构。

于本发明的一实施例中，所述第一柱体的直径0.5～0.9mm，高度为0.8～1.2mm，所述第二柱体的直径0.3～0.5mm，高度为0.4～0.6mm，所述第三柱体的直径0.1～0.3mm，高度为0.4～0.6mm。

于本发明的一实施例中，所述辐射缝隙的宽度为0.1～0.3mm，长度为0.3～0.5mm，且所述辐射缝隙与辐射贴片的距离为0.2～0.25mm。

于本发明的一实施例中，利用所述微带馈线的长度与宽度以及所述耦合缝隙的尺寸与位置调节微带相控阵天线的阻抗。

于本发明的一实施例中，所述第一介质板至第四介质板中的介质板采用介电常数为2.5～3.5且正切损耗角为0.0012～0.0016的高频板。

本发明的另一个目的在于提供一种微带相控阵天线阵列，包括上述的微带相控阵天线单元和多个所述天线单元周期排布组成的阵元。

如上所述，本发明的微带相控阵天线单元及其阵列，具有以下有益效果：

本发明提供了一种宽带扫描Ka频段SIW背腔微带相控阵天线，采用纺锤型耦合缝隙耦合馈电以及多层基片结构的微带贴片，使用SIW背腔和微带贴片上面开四个旋转缝隙实现小型化宽带，利用SIW背腔减小了天线阵元之间的互耦，使天线具有宽带宽角扫描、高隔离度、低成本、低剖面的特性，同时，也提高了天线的辐射效率，降低了互耦。

附图说明

图1显示为本实施例提供的一种微带相控阵天线单元的结构示意图；

图2显示为本实施例提供的一种辐射贴片结构示意图；

图3显示为本实施例提供的一种耦合缝隙结构示意图；

图4显示为本实施例提供的一种微带相控阵天线阵列仿真图；

图5显示为本实施例提供的一种带相控阵天线阵列仿真模型图；

图6显示为本发明提供的一种微带相控阵天线阵列在33GHZ所对应的E面与H面的扫描方向图；

图7显示为本发明提供的一种微带相控阵天线阵列在35GHZ所对应的E面与H面的扫描方向图；

图8显示为本发明提供的一种微带相控阵天线阵列在37GHZ所对应的E面与H面的扫描方向图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，为实施例提供的一种微带相控阵天线单元的结构示意图，详述如下：

辐射结构、馈电结构和SIW(substrate integrated waveguide，基片集成波导)背腔结构，所述辐射结构包括第一介质层1、第二介质层2与辐射贴片5，所述辐射贴片5位于第一介质层1上表面，所述第二介质层2位于第一介质层1的下方，所述馈电结构包括依次压合叠放设置的接地板、第三介质层3与第四介质层4，所述接地板位于第二介质层2、第三介质层3之间，所述接地板上设置有纺锤型结构的耦合缝隙7，所述耦合缝隙7对应设置于所述辐射贴片5的正下方，所述馈电结构将微带馈线的能量通过耦合缝隙7耦合到所述辐射贴片5上；其中，通过金属过孔在所述第一介质层1、第二介质层2、第三介质层3和第四介质层4上沿所述辐射贴片5的外围形成具有背腔缝隙的SIW背腔。

其中，采用上述的SIW背腔，相比金属波导，采用基片集成波导使得天线具有低剖面，低成本，易于加工、损耗适中等优点，另外，SIW背腔有助于抑制表面波的传播，提高天线的辐射效率，降低了互耦。

在另一些实施例中，所述金属过孔在所述第一介质层、第二介质层、第三介质层和第四介质层的分布位置相同，需要说明的是，第一介质层、第二介质层、第三介质层和第四介质层依次压合叠放设置，在各个介质层中使用相同位置布局的金属过孔，有效避免辐射体内部的电磁能量的泄漏，提高了天线的增益和辐射效率，其中，所述金属过孔的直径0.1～0.3mm，两两金属过孔之间的间距为0.1～0.2mm，例如，本实施例中，所述金属过孔的直径为0.2mm，两两金属过孔之间的间距为0.15mm；各个金属过孔沿着介质层的边缘统一设置，各个金属过孔分列排布围成一圈，利用SIW背腔通过金属过孔将天线的四周围绕一个类似于金属腔的SIW背腔。

在另一些实施例中，所述耦合缝隙蚀刻在所述馈电层的接地板上，所述纺锤型结构的耦合缝隙包括第一柱体、两个第二柱体与两个第三柱体，所述第二柱体与第三柱体端部相连，所述第一柱体的两端沿轴中心依次连接第二柱体与第三柱体的端部构成纺锤型；所述第一柱体的直径0.5～0.9mm，高度为0.8～1.2mm，所述第二柱体的直径0.3～0.5mm，高度为0.4～0.6mm，所述第三柱体的直径0.1～0.3mm，高度为0.4～0.6mm。

在本实施例中，所述第一柱体的直径0.7mm，高度为1mm，所述第二柱体的直径0.4mm，高度为0.5mm，所述第三柱体的直径0.2mm，高度为0.5mm，相比传统的“一”字形缝隙与“工”字形缝隙，纺锤型耦合缝隙具有更宽的阻抗匹配。

在另一些实施例中，所述辐射贴片为多层基片结构，其中，顶层基片为SIW谐振腔及四条辐射缝隙构成的谐振辐射单元，所述底层基片通过耦合缝隙连接所述辐射结构。

具体地，所述辐射贴片上设有四个沿中心旋转分布的辐射缝隙，该辐射缝隙可以为规则的矩形槽，例如，所述辐射缝隙的宽度为0.1～0.3mm，长度为0.3～0.5mm，且所述辐射缝隙与辐射贴片的距离为0.2～0.25mm。又例如，该辐射缝隙宽度为0.2mm，长度为0.4mm，且所述辐射缝隙与辐射贴片的距离为0.225mm。

例如，SIW谐振腔内同时存在多种混合模，和辐射缝隙一起形成多谐特性，实现带宽拓展，天线的阻抗带宽为11.5％(33GHz-37GHz)。

在另一些实施例中，利用所述微带馈线的长度与宽度以及所述耦合缝隙的尺寸与位置调节微带相控阵天线的阻抗，通过上述方式，可以满足用户不同阻抗的需求，如果用户需要使用相应阻抗的微带相控阵天线，只需调节微带馈线的长度与宽度以及所述耦合缝隙的尺寸与位置的即可。

在另一些实施例中，所述第一介质板至第四介质板中的介质板采用介电常数为2.5～3.5且正切损耗角为0.0012～0.0016的高频板，该高频板可采用泰康利生产的TSM-DS系列产品。

例如，Taconic TSM-DS3是一种热稳定，业界领先的低损耗(10GHZ时Df＝0.0011)，在微波应用时，确保滤波器和耦合器中的迹线之间的临界间隔具有非常低的温度移动，能够确保天线单元的安全实用。

在另一些实施例中，选取5×5的阵面进行仿真模拟，详见图5，本发明提供的一种带相控阵天线阵列仿真模型图，详述如下：

每个微带相控阵天线单元包括辐射结构、馈电结构和SIW(substrate integratedwaveguide，基片集成波导)背腔结构，所述辐射结构包括第一介质层、第二介质层与辐射贴片，所述辐射贴片位于第一介质层上表面，所述第二介质层位于第一介质层的下方，所述馈电结构包括依次压合叠放设置的接地板、第三介质层与第四介质层，所述接地板位于第二介质层、第三介质层之间，所述接地板纺贯穿设置有耦合缝隙，所述耦合缝隙对应设置于所述辐射贴片的正下方，所述馈电结构将微带馈线的能量通过耦合缝隙耦合到所述辐射贴片上；其中，通过金属过孔在所述第一介质层、第二介质层、第三介质层和第四介质层上沿所述辐射贴片的外围形成具有背腔缝隙的SIW背腔。

具体地，采25个微带相控阵天线单元任意构成的一个矩阵，形成5×5的阵列矩阵，其中，通过对天线边缘进行合理布局，能够有效降低副瓣、并抑制栅瓣，尤其是在大扫描角度的情况下，适用于多种要求低剖面、结构紧凑的二维相控阵天线系统中，实现大扫描角度的二维相扫，其中，该矩形布阵为均匀平面阵，通过以下方式，计算二维矩形平面阵的栅瓣，阵元的最大间距d在可见空间不会出现栅瓣。

上述式中，d为矩阵中各个阵元之间的间距，λ为工作频段的最高频率所对应的波长，θ为最大的扫描角，考虑阵元间距的栅瓣因数和阵元之间的互耦因数，二维平面阵在x方向的阵元间距为4mm，在y方向的阵元之间的间隔也为4mm。

可选的，在上述实施例的基础上，多层基片结构的辐射贴片包括Ka频段辐射贴片，例如、二层、三层、四层等，在本实施例中，Ka频段辐射贴片优选为两层贴片天线，通过两层贴片天线的配合能够有效扩展天线的带宽。

更进一步地，纺锤型耦合缝隙蚀刻在所述馈电层的接地板上，其中，纺锤型耦合缝隙与辐射层的贴片天线和馈电层的微带馈电网络相连，其中，Ka天线由2层大小相同辐射贴片，且在辐射贴片上设有四个沿中心旋转分布的矩形槽，结合纺锤型耦合缝隙耦合馈电，通过缝隙耦合的方式向具有矩形槽的辐射贴片馈入电磁波信号，并利用在带状线耦合辐射贴片，提升了波束扫描性能；Ka实现垂直极化，天线由两层矩形辐射贴片，同样采用纺锤型耦合缝隙耦合馈电以及在带状馈线的设计，以达到扩展带宽的效果。

在另一些实施例中，所述辐射贴片依次通过耦合缝隙与微带馈电网络之间实现耦合馈电。由于天线单元尺寸限制，阵面设计比较紧凑，为了减小各个天线之间的相互干扰，采用SIW背腔的形式，例如，在耦合缝隙、带状馈线以及辐射贴片形成金属化屏蔽腔，实现天线之间有效隔离，减少相互之间的干扰。例如，还可以在各个馈线和辐射贴片采用金属柱代替金属壁进行屏蔽；该金属柱可包括铜金属柱、金金属柱、银金属柱及铝金属柱中的一种或组合。

在上述实施例的基础上，还包括：金属基板，所述辐射贴片依次通过耦合缝隙与微带馈电网络之间实现耦合馈电。

例如，如图1所示，金属基板位于第四介质层的下方，该金属基板包括铜层、铝层、镍层、金层、银层及钛层中的一种或组合，通过金属基板与纺锤型耦合缝隙配合，连接微带馈电网络实现耦合馈电，使得信号传输速度更快，以凭借其高速度、低延迟的特点，可在5G市场中占据有利地位。

例如，为了调整谐振点，进一步扩展带宽，通过在Ka频段辐射贴片连接的所述带状馈线设置圆形枝节，有效匹配阻抗，有利于控制辐射电磁波的能量。

在另一些实施例中，通过3D仿真软件建立5×5的3D模型，分析该阵列的扫描特性，如图6所示，工作频率在33GHz时，阵列扫描的E面和H面归一化方向图，可以看出SIW-背腔天线阵列可以从-60°扫描到60°，而且没有出现栅瓣，如图6a所示，当扫描角度从0°扫描到60°时，E面的扫描下降约为4.2dB；如图6b所示，当扫描角度从0°扫描到60°时候，H面的扫描下降约为2dB，在法向时候，阵列的副瓣电平约为13.5dB，而且不同的扫描角度下副瓣电平基本不变。如图7所示，工作频率在35GHz的E面和H面归一化方向图，阵列扫描从法向到60°时，E面方向图增益的扫描下降约为4.3dB，H面方向图扫描下降约为2.8dB，不同扫描角度下的副瓣电平约为-13dB；如图8所示，工作频率为37GHz的E面和H面方向图，E面方向图增益的扫描下降约为4.3dB，H面扫描下降约为3.8dB，所有频点扫描到60°相对法向的扫描下降均不超过5dB，实现提出的SIW背腔微带相控阵天线具有宽频段和宽扫描特点。

从学术上说，E面就是天线内，源激励的电场所在的平面，即，电场矢量所在平面。而H面是电场变化所形成的磁场所在的面，即，指磁场矢量所在平面。

从上可知，无论在E面还是H面，上述所产生与最高峰值相比的峰值增益符合正常变化区间，能够支撑Ka频段辐射贴片实现，且E面和H面的扫描角度均为±60°；。

在另一些实施例中，本发明还提供一种微带相控阵天线阵列，包括上述的微带相控阵天线单元和多个所述天线单元周期排布组成的阵元，其中，该微带相控阵天线阵列可以集成设置于一个电路板或一个衬底上，所述电板和衬底大体上指代(且不限于)上面可安置其它组件的任何大体上平面或弯曲的表面或组件。举例来说，衬底可包括单层或多层印刷电路板(例如，FR4)、半导电裸片或晶片，或甚至外壳或其它装置组件的表面，且可大体上刚性的或至少略微柔性的。

综上所述，本发明提供了一种宽带扫描Ka频段SIW背腔微带相控阵天线，采用纺锤型耦合缝隙耦合馈电以及多层基片结构的微带贴片，使用SIW背腔和微带贴片上面开四个旋转缝隙实现小型化宽带，利用SIW背腔减小了天线阵元之间的互耦，使天线具有宽带宽角扫描、高隔离度、低成本、低剖面的特性；其中，天线单元能够完成11.5％的工作带宽(33GHz-37GHz)，在此基础上提出一种5×5的矩形均匀布阵的微带天线阵列，通过HFSS对该阵列进行仿真，分析阵列的扫面方向图，扫描角度从0°到60°，在E面上扫描下降约为4.3dB，在H面上扫描下降约为3.8dB，提高了天线的辐射效率，降低了互耦。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种微带相控阵天线单元，其特征在于，包括辐射结构、馈电结构和SIW背腔，所述辐射结构包括第一介质层、第二介质层与辐射贴片，所述辐射贴片位于第一介质层上表面，所述第二介质层位于第一介质层的下方，所述馈电结构包括依次压合叠放设置的接地板、第三介质层与第四介质层，所述接地板位于第二介质层、第三介质层之间，所述接地板上设置有纺锤型结构的耦合缝隙，所述耦合缝隙对应设置于所述辐射贴片的正下方，所述馈电结构将微带馈线的能量通过耦合缝隙耦合到所述辐射贴片上；其中，通过金属过孔在所述第一介质层、第二介质层、第三介质层和第四介质层上沿所述辐射贴片的外围形成具有背腔缝隙的SIW背腔。

2.根据权利要求1所述的微带相控阵天线单元，其特征在于，所述金属过孔在所述第一介质层、第二介质层、第三介质层和第四介质层的分布位置相同，且所述金属过孔的直径0.1～0.3mm，两两金属过孔之间的间距为0.1～0.2mm。

3.根据权利要求1或2所述的微带相控阵天线单元，其特征在于，所述辐射贴片上设有四个沿中心旋转分布的辐射缝隙。

4.根据权利要求1或2所述的微带相控阵天线单元，其特征在于，所述辐射贴片为多层基片结构，其中，顶层基片为SIW谐振腔及四条辐射缝隙构成的谐振辐射单元，所述底层基片通过耦合缝隙连接所述辐射结构。

5.根据权利要求1所述的微带相控阵天线单元，其特征在于，所述纺锤型结构的耦合缝隙包括第一柱体、两个第二柱体与两个第三柱体，所述第二柱体与第三柱体端部相连，所述第一柱体的两端沿轴中心依次连接第二柱体与第三柱体的端部构成纺锤型。

6.根据权利要求5所述的微带相控阵天线单元，其特征在于，所述第一柱体的直径0.5～0.9mm，高度为0.8～1.2mm，所述第二柱体的直径0.3～0.5mm，高度为0.4～0.6mm，所述第三柱体的直径0.1～0.3mm，高度为0.4～0.6mm。

7.根据权利要求4所述的微带相控阵天线单元，其特征在于，所述辐射缝隙的宽度为0.1～0.3mm，长度为0.3～0.5mm，且所述辐射缝隙与辐射贴片的距离为0.2～0.25mm。

8.根据权利要求1所述的微带相控阵天线单元，其特征在于，利用所述微带馈线的长度与宽度以及所述耦合缝隙的尺寸与位置调节微带相控阵天线的阻抗。

9.根据权利要求1所述的微带相控阵天线单元，其特征在于，所述第一介质板至第四介质板中的介质板采用介电常数为2.5～3.5且正切损耗角为0.0012～0.0016的高频板。

10.一种微带相控阵天线阵列，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的微带相控阵天线单元和多个所述天线单元周期排布组成的阵元。

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