CN114156643B

CN114156643B - 一种超宽带毫米波平面螺旋圆极化天线阵列

Info

Publication number: CN114156643B
Application number: CN202111435678.9A
Authority: CN
Inventors: 范奎奎; 李英明; 谭青权; 罗国清
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2021-11-29
Filing date: 2021-11-29
Publication date: 2022-08-16
Anticipated expiration: 2041-11-29
Also published as: CN114156643A

Abstract

本发明公开一种超宽带毫米波平面螺旋圆极化天线阵列。所述天线阵列采用多层PCB垂直排布结构，包括第一金属层、第一介质层、第一粘合层、第二介质层、第二粘合层、第二金属层、第三介质层和第三金属层。位于第一金属层的多个平面螺旋圆极化天线单元均包括一领结偶极子、以及两条螺旋金属臂；所述螺旋金属臂的宽度由窄逐渐变宽；第二金属层上刻蚀有耦合缝隙。第三金属层是基于微带线结构的功率分配馈电网络，通过耦合缝隙给平面螺旋圆极化天线耦合馈电。本发明通过引入一种新型的平面螺旋结构和耦合馈电方式，提高天线的阻抗带宽和轴比带宽。

Description

一种超宽带毫米波平面螺旋圆极化天线阵列

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种超宽带毫米波平面螺旋圆极化天线阵列，可应用于移动通信和卫星通信等领域。

背景技术

近几年来，在各种实际和潜在应用的推动下，毫米波通信技术备受关注，例如5G毫米波通信、汽车雷达、毫米波卫星通信等应用。天线作为通信系统中重要组成部分，亦是关注的焦点。与之同时国际学者也对毫米波通信系统提出了新的挑战，即更快的传输速率，更低的网络时延，更高的网络稳定性，更低的功耗和更大的网络容量。为了实现毫米波通信系统中的高速率传输，设计宽带的毫米波天线是必须的。而在各种毫米波天线中，平面毫米波阵列天线因为高增益以及可以直接与射频前端集成的优点，所以非常有应用前景。

而且随着通信技术的不断发展，传统的线极化天线已经慢慢难以满足人们在通信方面的需求，圆极化波及圆极化天线所具有的特性则渐渐受到重视。相比于线极化天线，圆极化天线具有众多优点：圆极化天线能够接收任意线极化波，并且圆极化波可以用任意线极化天线接收；圆极化天线不会因为天线的偏转出现极化失配；圆极化波具有旋向正交特性，左右圆极化互相不干扰；圆极化波在反射时会旋向逆转，具有更高的抗多径干扰特性。因此，圆极化天线被广泛应用于雷达、遥感遥测、卫星通信、电子对抗等方面。综上所述，具有宽频带的毫米波平面圆极化天线阵列在雷达，5G通信、卫星通信等方面有很大的应用前景。而现有的通过PCB工艺加工的毫米波平面圆极化天线阵列的带宽通常不超过40％，仍然有提高的空间。并且近年来毫米波通信技术快速发展，目前覆盖整个Ka波段的超宽带平面圆极化天线阵列还有待解决，而本发明针对5G毫米波通信和Ka波段卫星通信应用提出了覆盖整个Ka波段的超宽带平面圆极化天线阵列。

发明内容

本发明的目的是针对毫米波技术中存在的问题与不足，提供了一种超宽带毫米波平面螺旋圆极化天线阵列。采用一种偶极子装载螺旋臂天线结构作为天线单元，在周期边界条件下进行参数优化，利用微带结构作为馈电，最终实现了可以满足毫米波通信系统需要的、易于加工的、低剖面易于平面集成的8×8超宽带圆极化天线阵列。

本发明一种超宽带毫米波平面螺旋圆极化天线阵列，采用多层PCB垂直排布结构，从上到下依次包括第一金属层、天线层介质基板、第二金属层、第三介质层和第三金属层；其中天线层介质基板包括第一介质层、第一粘合层、第二介质层、第二粘合层；第一介质层和第二介质层通过第一粘合层粘结在一起；

所述第一金属层包括平面螺旋圆极化天线阵列，其印刷在第一介质层的上表面；所述平面螺旋圆极化天线阵列由多个周期性分布的平面螺旋圆极化天线单元构成，其中每个平面螺旋圆极化天线单元，为中心对称结构，包括一领结偶极子、以及两条螺旋金属臂；所述螺旋金属臂的宽度由窄逐渐变宽；

所述领结偶极子的两臂外侧与螺旋金属臂的较窄端连接；

所述领结偶极子的两臂中心对称，且留有一定距离；

所述领结偶极子的每臂采用类等腰梯形结构，其较小底面靠近领结偶极子的中心；

作为优选，领结偶极子的每臂靠近中心侧面采用外凸圆弧。

作为优选，相邻平面螺旋圆极化天线单元间留有一定距离的空隙；且相邻平面螺旋圆极化天线单元的中心距离满足λ_g1，其中λ_g1为37GH在天线层介质基板中所对应的波长；

所述领结偶极子的两臂靠中心端均设有金属化通孔，该金属化通孔从第一金属层穿过第一介质层、第一粘合层、第二介质层和第二粘合层到达第二金属层。

所述的螺旋金属臂由窄至宽的两侧面边沿采用两条螺旋常数不等的阿基米德螺旋线。

作为优选，两条螺旋数不等的阿基米德螺旋线中，其中一条阿基米德螺旋线的螺旋常数为asq，起止角度为-bata3和bata2，初始半径为R1；另一条阿基米德螺旋线的螺旋常数为asp，起止角度为bata1和bata2，初始半径为R2。

作为优选，螺旋金属臂中初始半径为R1阿基米德螺旋线的较窄端与领结偶极子一端连接，初始半径为R2阿基米德螺旋线的较窄端与领结偶极子另一端连接。

所述的第二金属层作为公共的金属地板，该金属地板上刻蚀有用于电磁耦合的多条耦合缝隙，该耦合缝隙为矩形结构；每个平面螺旋圆极化天线单元的正下方相对设有一条耦合缝隙；

作为优选，所述平面螺旋圆极化天线单元的中心相对位于耦合缝隙上；所述耦合缝隙不与平面螺旋圆极化天线单元中领结偶极子以及螺旋金属臂重叠；

作为优选，耦合缝隙的长度Ls为0.5λ_g2，其中λ_g2为36GHz的介质波长，宽度为Ws。

所述的第三金属层包括基于微带线结构的功率分配馈电网络，通过耦合缝隙给平面螺旋圆极化天线耦合馈电。

所述的基于微带线结构的功率分配馈电网络由3个性能优异的1分4路T型功率分配器构成的1分64路微带馈电网络。

作为优选，所述的耦合缝隙正下方用于馈电的部分为U型微带线结构其与50欧姆微带线相连接，该U型微带结构作为各个单元的馈电结构实现了良好的匹配。两金属化通孔位于U型微带结构内。

作为优选，天线阵列的尺寸为44*44*1.57mm³。

作为优选，天线层介质基板的厚度为hsub1+hsub2+hpreg*3满足范围0.22λ_g～0.25λ_g，其中λ_g为天线的中心工作频率所对应的波长。

所述的天线阵列单元的优化过程是：基于周期边界条件在考虑阵元间的耦合效应的情况下，模拟天线阵列的阻抗特性和轴比特性，在此条件下，对阵列天线单元进行参数优化，从而使整个圆极化天线阵列设计过程更高效。

具体工作过程：当天线工作时，在工作频带内耦合缝隙两侧的电流相位相差180°，两侧电流经由耦合缝隙两侧的金属化通孔馈给领结偶极子，偶极子部分主要激励了一个沿着偶极子方向的电场分量，而偶极子的两端装载的阿基米德螺旋臂激励一个与之相交的电场分量，通过两者的相结合，从而合成一个随时间旋转的电场，进而辐射圆极化波。

本发明与现有的技术相比具有如下优点：

(1)本发明阵列天线采用的偶极子装载阿基米德螺旋臂结构的新型圆极化辐射单元，在很宽的带宽下具有定向圆极化辐射性能，因此带来了阵列的宽带圆极化特性。

(2)本发明的阵列天线采用低剖面的微带馈电结构，可以直接与射频前端集成。

(3)本发明的阵列天线采用多层PCB结构设计加工，通过粘合层对多层基板进行粘合，实现了平面结构，设计结构简单、易于加工、成本低廉。

附图说明

图1是本发明的天线阵列三维分层结构示意图；

图2是本发明的天线阵列单元三维结构示意图；

图3是本发明的天线阵列单元顶层轮廓图；

图4是本发明的天线阵列单元三视图和详细尺寸，(a)含俯视图和侧视图,(b)顶层,(c)中间层；

图5(a)-(b)是本发明阵元间的排布间距以及局部微带馈电网络。；

图6是本发明的天线阵列的顶视图；

图7是本发明的天线阵列的中间金属层，刻蚀有矩缝隙；

图8是本发明的天线阵列馈电网络层的结构示意图；

图9是本发明的天线阵列单元的回波损耗，轴比和增益；

图10是本发明的天线阵列的回波损耗与轴比；

图11是本发明的天线阵列的增益和实际增益；

图12是本发明的天线阵列的辐射效率；

图13是本发明的天线阵列在25GHz处XZ和YZ平面的轴比方向图；

图14是本发明的天线阵列在28GHz处XZ和YZ平面的轴比方向图；

图15是本发明的天线阵列在33GHz处XZ和YZ平面的轴比方向图；

图16是本发明的天线阵列在35GHz处XZ和YZ平面的轴比方向图；

图17是本发明的天线阵列在39GHz处XZ和YZ平面的轴比方向图；

图18是本发明的天线阵列在41GHz处XZ和YZ平面的轴比方向图。

图中标记：平面螺旋圆极化天线单元1，金属地板2，功率分配馈电网络3，第一介质层4，第一粘合层5，第二介质层6，第二粘合层7，第三介质层8，天线阵列单元9，金属化通孔10，耦合缝隙11，U型馈电微带线12，第一阿基米德螺旋线13，第二阿基米德螺旋线14，线段BD15，线段AE16，线段CF17，圆弧EF18，线段AC19。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

图1为天线阵列三维分层结构示意图，本发明的一种超宽带毫米波平面螺旋圆极化阵列天线采用多层PCB垂直排布结构，包括三金属层，三介质基板，和两粘合层。从上到下依次是第一金属层、第一介质层4、第一粘合层5、第二介质层6、第二粘合层7、第二金属层、第三介质层8和第三金属层。位于第一金属层的平面螺旋圆极化天线阵列印刷在第一介质层的上表面，每一个平面螺旋圆极化天线单元1包括一对螺旋偶极子金属臂，每一对螺旋偶极子金属臂上都有一对金属化通孔，从第一金属层穿过第一介质层、第一粘合层、第二介质层和第二粘合层到达第二金属层。同时，第二金属层作为金属地板2，其上刻蚀有耦合缝隙。第三金属层是基于微带线结构的功率分配馈电网络3，印刷在第三介质层的下层，并通过耦合缝隙给平面螺旋圆极化天线耦合馈电。

图2为天线阵列单元三维结构示意图，超宽带毫米波平面螺旋圆极化阵列天线包括多个周期性分布的天线阵列单元9，天线阵列单元9由领结偶极子装载一对宽度逐渐变宽的螺旋金属臂构成，中间金属地板刻蚀有耦合缝隙11，以及底部金属面的U型馈电微带线12构成；耦合缝隙两侧有一对贯穿第一介质层、第一粘合层、第二介质层、第二粘合层的金属化通孔10与顶层领结偶极子实现电接触。螺旋金属臂螺旋部分采用的是经典的阿基米德螺旋，阿基米德螺旋的定义式的参数方程为：

其中a_sp是螺旋常数决定着螺旋在特定角度的半径，θ_st是螺旋线的初始位置，b是螺旋线的初始半径，x,y是直角坐标系的横坐标和纵坐标，θ是极坐标系下的角度变量。该宽度逐渐变宽的螺旋臂主要由两条螺旋常数不同的阿基米德螺旋线所围成。

图3为天线阵列单元顶层轮廓图，图3展示了阵列单元顶层形状的构造。如图3所示，天线阵列单元由领结偶极子和宽度逐渐变宽的螺旋金属臂两部分组成，领结偶极子部分的每臂结构为圆弧EF18和线段AC19、线段AE16、线段CF17所围成的类等腰梯形结构，其中圆弧EF的半径为R3，起止角度为-bata4和bata5；宽度逐渐变宽螺旋臂由第一阿基米德螺旋线13，第二阿基米德螺旋线14，以及线段AC、线段BD所围成。其中阿基米德螺旋线13的螺旋常数为asq，起止角度为-bata3和bata2，初始半径为R1；阿基米德螺旋线14的螺旋常数为asp，起止角度为bata1和bata2，初始半径为R2。由于螺旋常数asq和asp不相等，从而构成宽度逐渐变宽的螺旋臂。

图4为天线阵列单元的三视图和详细尺寸。图4(a)包含天线单元的俯视透视图；图4(b)是天线阵列单元顶层的具体尺寸；图4(c)是金属地板耦合缝隙的俯视图。

图5为天线阵列的局部示意图。图5(a)-(b)展示了阵元间的排布间距以及局部微带馈电网络。

如图6所示，所述的阵列天线的顶视图由8×8个平面螺旋圆极化天线单元组成；如图7所示，是阵列天线的金属地板层，上面刻蚀有耦合馈电的耦合缝隙；如图8所示，阵列天线的馈电网络，是由3个1分4路T型功分器组成的1分64路馈电网络。

具体结构几何参数如下：

表1阵列天线阵元的具体尺寸

Wf1

Lf1

Lf2

Wf2

Lf3

Ls

Ws

asp

0.43mm

1mm

1.75mm

0.14mm

1mm

2.5mm

0.2mm

-0.2

asq

Rv

Rs

R1

R2

Beta1

Beta2

Beta3

0.2

0.25mm

0.4mm

1.75mm

32deg

96deg

8deg

Beta4

Beta5

Hsub1

Hsub2

hpreg

h1

Ds

dv

28deg

0.787mm

0.254mm

0.1mm

0.203mm

0.86mm

0.2mm

R3

Lfd

Wfd

0.4mm

1.65mm

0.14mm

表2阵列天线馈电网络的具体尺寸

Lt1

Wt1

Lt2

Wt2

Xcut1

Ycut1

Xcut2

Ycut2

1.4mm

0.22mm

1.32mm

0.2mm

0.22mm

0.31mm

0.22mm

Lt3

Wt3

Lt4

Wt4

Xcut3

Ycut3

Xcut4

Ycut4

1.42mm

0.2mm

1.31mm

0.24mm

0.25mm

0.27mm

Lt5

Wt5

Lt6

Wt6

Xcut5

Ycut5

Xcut6

Ycut6

1.25mm

0.14mm

1.32mm

0.26mm

0.2mm

0.25mm

0.15mm

0.2mm

Xcut7

Ycut7

L1

L2

Dex

Dey

εr1

εr2

0.55mm

1.64mm

1.7mm

5.5mm

2.2

3.55

εr3

3.54

其中Dex，Dey为阵列天线单元在x、y轴方向的间距，hsub1是第一介质层的厚度，hsub2是第二介质层的厚度，h1是第三介质层的厚度，hpreg*2是第一粘合层的厚度，hpreg是第二粘合层的厚度。ε_r1为第一介质层和第二介质层的介电常数，ε_r2为第三介质层的介电常数，ε_r3为第一粘合层和第二粘合层的介电常数。如表一所示，Ls、Ws是矩形缝隙的长和宽。Ds和dv是每对馈电金属柱的间距和直径。R1、R2、beta1、beta2、beta3、asp、asq等参数是定义偶极子所装载的阿基米德螺旋主要参数，其中R1、R2是螺旋线的初始半径，beta1、beta3分别是两条阿基米德螺旋线的初始位置，beta2是两条阿基米德螺旋线终止位置。asp、asq决定着两条螺旋线的半径变化率，在本发明中asp、asq取值不同，从而形成宽度逐渐变宽的阿基米德螺旋臂。表二是阵列天线馈电网络的具体尺寸，由三给性能优异的1分4路的功分器构成。其中xcut、ycut表示的是各个转角的切角尺寸，Lt、Wt是各个阻抗变换段尺寸。

图9是本发明的天线阵列单元回波损耗，轴比和增益，可以看到该天线阵列单元展现处优异的圆极化辐射性能，从图中可以看到，该天线阵列单元的3dB轴比带宽为57.1％(23.23-41.81GHz)，考虑阻抗带宽后的两者公共部分带宽为50.4％(24.97％-41.81％),圆极化峰值增益为7.9dBic。

图10是本发明的天线阵列的反射系数和阵列天线轴比性能，可以看到该阵列天线具有良好的反射系数，从图中可看出阵列天线的|S11|<-10dB阻抗带宽为25-42.26GHz，带宽为51.3％，在毫米波阵列天线中算是一个超宽带的阵列天线，而且该阵列天线的圆极化性能也非常优异，3dB轴比带宽覆盖22.65-41.2GHz，3dB轴比带宽为58％。所以由图9可知，该阵列天线能正常有效辐射圆极化电磁波的频段为两者的公共部分即25-41.2GHz，带宽为48.9％，由此可以说该阵列天线能很好的应用在5G毫米波通信系统。

图11为本发明所提出的天线阵列的增益和现实可实现的增益。由图可以看出该阵列天线在工作频段的圆极化增益在20-23.4dBic之间，峰值圆极化增益在39GHz达到23.4dBic。这表明该阵列天线具有很好的方向性。

图12为本发明所提出的天线阵列的辐射效率，在工作频段内效率在65％-72％之间，对于一个由微带线馈电的阵列天线，该辐射效率是一个比较正常的水平。

图13、图14、图15、图16、图17、图18分别是本发明的采用螺旋臂装载偶极子天线单元的超宽带圆极化天线阵列分别在频率25GHz、28GHz、33GHz、35GHz、39GHz和41GHz的辐射方向图。由图可看出，本发明所涉及的阵列天线具有较高的方向性，第一副瓣在-10dB到-15dB范围内。

Claims

1.一种超宽带毫米波平面螺旋圆极化天线阵列，采用多层PCB垂直排布结构，从上到下依次包括第一金属层、天线层介质基板、第二金属层、第三介质层和第三金属层；其中天线层介质基板包括第一介质层、第一粘合层、第二介质层、第二粘合层；第一介质层和第二介质层通过第一粘合层粘结在一起；

所述第一金属层包括多个周期性分布的平面螺旋圆极化天线单元，其印刷在第一介质层的上表面；每个平面螺旋圆极化天线单元，为中心对称结构，包括一领结偶极子、以及两条螺旋金属臂；所述螺旋金属臂的宽度由窄逐渐变宽；所述领结偶极子的每臂结构为圆弧EF和线段AC、线段AE、线段CF所围成的类等腰梯形结构；所述螺旋金属臂由第一阿基米德螺旋线、第二阿基米德螺旋线，以及线段AC、线段BD所围成；第一阿基米德螺旋线的螺旋常数和第二阿基米德螺旋线的螺旋常数不相等，从而构成宽度逐渐变宽的螺旋金属臂；

所述领结偶极子的两臂远离中心端与螺旋金属臂的较窄端连接；

所述领结偶极子的两臂关于领结偶极子中心呈中心对称分布，且两臂间留有一定距离；

所述领结偶极子的圆弧EF为较小底边，靠近领结偶极子的中心；

所述领结偶极子的两臂靠中心端均设有金属化通孔，该金属化通孔从第一金属层穿过第一介质层、第一粘合层、第二介质层和第二粘合层到达第二金属层；

所述的螺旋金属臂的两侧边采用两条螺旋常数不等的阿基米德螺旋线；

所述平面螺旋圆极化天线单元的中心在天线层介质基板的投影落在耦合缝隙在天线层介质基板的投影内；所述耦合缝隙在天线层介质基板的投影与平面螺旋圆极化天线单元中领结偶极子以及螺旋金属臂在天线层介质基板的投影不重叠；

所述的第三金属层包括基于微带线结构的功率分配馈电网络，通过耦合缝隙给平面螺旋圆极化天线耦合馈电；

所述的基于微带线结构的功率分配馈电网络采用由3级1分4路T型功率分配器构成的1分64路微带馈电网络；

当天线工作时，在工作频带内耦合缝隙两侧的电流相位相差180°，两侧电流经由耦合缝隙两侧的金属化通孔馈给领结偶极子，领结偶极子部分主要激励了一个沿着偶极子方向的电场分量，而领结偶极子的两端装载的阿基米德螺旋臂激励一个与沿着偶极子方向电场分量相交的电场分量，通过两者的相结合，从而合成一个随时间旋转的电场，进而辐射圆极化波。

2.如权利要求1所述的一种超宽带毫米波平面螺旋圆极化天线阵列，其特征在于领结偶极子的圆弧EF采用外凸圆弧。

3.如权利要求1所述的一种超宽带毫米波平面螺旋圆极化天线阵列，其特征在于相邻平面螺旋圆极化天线单元间留有一定距离的空隙；且相邻平面螺旋圆极化天线单元的中心距离满足λ _g1 ，其中λ _g1为37GHz在天线层介质基板中所对应的波长。

4.如权利要求1所述的一种超宽带毫米波平面螺旋圆极化天线阵列，其特征在于所述的耦合缝隙正下方用于馈电的部分为U型微带线结构，U型微带线结构与50欧姆微带线相连接；且两金属化通孔位于U型微带线结构内。

5.如权利要求1所述的一种超宽带毫米波平面螺旋圆极化天线阵列，其特征在于天线阵列的尺寸为44*44*1.57mm³。

6.如权利要求1所述的一种超宽带毫米波平面螺旋圆极化天线阵列，其特征在于天线层介质基板的厚度满足0.22λ _g~0.25λ _g，其中λ _g为天线的中心工作频率所对应的波长。