CN114583457A - 一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元及天线阵列 - Google Patents

一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元及天线阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元及天线阵列，涉及天线技术领域；本发明宽带微带天线单元包括逐层连接的辐射层和馈电层，所述辐射层设于馈电层之上；所述宽带微带天线单元采用带状线耦合馈电，天线工作时，射频信号从馈电层的馈线馈入，通过耦合缝隙耦合至辐射层的辐射贴片，由辐射贴片转化成空间电磁波辐射出去。天线阵列包括至少两个宽带微带天线单元。本发明采用带状线耦合馈电，提高了微带天线的交叉极化隔离度；通过设置对称的四贴片作为辐射贴片大幅提高了微带天线的工作带宽；天线采用多层印制板加工工艺加工成型，且叠层结构简单，加工精度可控，加工可靠度高，一致性好，适合大批量生产。

Description

一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元及天线阵列
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元及天线阵列。
背景技术
有源相控阵雷达已成为现代先进战机的标准配置，其目标追踪和搜索能力、高分辨率、强电子干扰和高数据通信能力等优势远远超过了传统机械扫描体制的雷达。常用的有源相控阵雷达天线有多模喇叭天线、波导缝隙天线、Vivaldi天线、印刷偶极子天线、喇叭天线以及微带天线。多模喇叭天线尺寸大，用于相控阵时无法实现广域覆盖，应用受限；波导缝隙阵难以实现二维波束扫描；Vivaldi天线、印刷偶极子天线和喇叭天线剖面高，占据空间尺寸大；微带天线尺寸小，剖面低，易于加工和集成，适合于宽角扫描相控阵天线，但难以实现宽带。提高微带天线工作带宽，如增加微带天线介质基板厚度、采用多层辐射贴片等常规方法作用有限，且会额外增加天线结构的复杂度，在使用时带来诸多不便。
文献[1]揭示了一种基于耦合馈电的宽带双极化微带天线，通过挖空辐射层部分介质和采用双层辐射贴片，天线的驻波带宽超过了18％；将两种极化的馈线分别设置在不同介质层，且成正交排布，结构紧凑，大大节省了横向空间。但是此设计的宽带微带天线叠层结构复杂，且辐射层挖空部分的空气在受热膨胀时会给天线的结构稳定性带来威胁，存在一定的风险。
文献[2]揭示了一种宽带宽波束低剖面圆极化天线，通过设置主辐射贴片和4片顺次旋转放置的耦合辐射贴片形成两个频率相近的谐振点，以达到展宽驻波带宽的目的；通过设置等幅、等90°相位差的四路功分器对主辐射贴片馈电以实现较宽的圆极化带宽。放置主辐射贴片和耦合辐射贴片的基板和放置四路功分器的基板通过铜柱支撑固定。该方案馈电所采用的四路功分器结构复杂，占据空间大，且在同一层设置主辐射贴片和4片耦合贴片的方式也会占据较大的空间，在相控阵雷达天线中并不适用。
文献[3]揭示了一种具有宽频带宽波束相位中心稳定的多馈源高精度天线，采用蝶形振子结构、四点强制馈电的方式来实现宽频带，蝶形贴片振子包括四个呈中心对称设置的镂空六边形辐射贴片振子，每个镂空六边形辐射贴片振子为蝶形贴片振子的一翅膀，馈电点位于镂空六边形辐射贴片振子上。该天线结构更为复杂，无法应用在频带较高的情况下使用。
文献：[1]蒋立平，薛伟，肖润均，丁卓富，邓金峰.一种基于耦合馈电的宽带双极化天线单元：中国，CN 111525252 B.2020-09-29.
[2]景小荣，张凯方.一种宽波束低剖面圆极化天线：中国，CN 112968272 A.2021-06-15.
[2]杨晓杰，袁帅，赖泽恒，陈侃，郑佳敏.一种具有宽频带宽波束相位中心稳定的多馈源高精度天线：中国，CN 208078175 U.2018-11-09.
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述现有技术存在的问题，提供一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元及天线阵列，以获得宽带、交叉极化隔离好、结构简单、可加工性好的特性。
本发明通过下述技术方案实现：
第一方面，本发明提供了一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元，所述宽带微带天线单元包括逐层连接的辐射层和馈电层，所述辐射层设于馈电层之上；
所述宽带微带天线单元采用带状线耦合馈电，天线工作时，射频信号从馈电层的馈线馈入，通过耦合缝隙耦合至辐射层的辐射贴片，由辐射贴片转化成空间电磁波辐射出去。
进一步地，所述辐射层包括从下往上依次逐层设置的辐射层半固化片、辐射层地、辐射层介质基片、上表面金属层；所述上表面金属层设于射层介质基片的上表面，所述上表面金属层上中部设有多个辐射贴片；
所述辐射层还包括辐射层金属化通孔，所述辐射层金属化通孔沿辐射层介质基片边缘设置，且辐射层金属化通孔从下往上依次贯穿辐射层半固化片、辐射层地和辐射层介质基片，将馈电层、辐射层地和上表面金属层导通，形成第一基片集成波导腔结构；
所述辐射层地开设通孔(即开窗)，与耦合馈电和辐射贴片对应，使得耦合馈电的射频信号能够通过开窗进入到辐射贴片中实现耦合。
其中，辐射层半固化片的作用是与上层之间起到粘贴作用，辐射层地、上表面金属层均为金属层，辐射层介质基片是作为辐射层的骨架，其厚度在较高的频率一般在0.2-0.5mm，在低频厚度会更厚，达到2mm以上；上述辐射层半固化片、辐射层地、辐射层介质基片、上表面金属层各层的尺寸大小与射频信号的频率有关，且各层的尺寸越大，射频信号的频率越小。
进一步地，多个所述辐射贴片在所述上表面金属层上的中部阵列排布。
进一步地，所述辐射贴片的数量为四个，且所述辐射贴片方形金属贴片；
四个所述辐射贴片在以所述上表面金属层中心点为坐标原点、沿矩形所述上表面金属层的长、宽方向上建立的x，y轴对称设置；
对称设置的四块方形金属贴片可同时激励起TM10和TM20模式。
进一步地，所述辐射层金属化通孔的孔心距小于λ/10，λ为电磁波波长。
进一步地，所述馈电层包括从下往上依次逐层设置的馈电层地、馈电层下层介质基片、馈线层地、馈电层半固化片、馈电层上层介质基片和耦合层；所述耦合层中心设置有耦合缝隙；所述馈线层地上设有馈线，且所述馈线上设有匹配结，所述匹配结用于调节馈线、耦合缝隙和辐射贴片的匹配，使射频信号从馈线到辐射贴面更高效率地传输；
所述馈电层还包括馈电层金属化通孔，所述馈电层金属化通孔围绕馈线设置，且馈电层金属化通孔从下往上依次贯穿馈电层下层介质基片、馈线层地、馈电层半固化片、馈电层上层介质基片，将馈电层地和耦合层导通，形成第二基片集成波导腔结构。
进一步地，所述耦合缝隙为“十字型”耦合缝隙，且耦合缝隙在x，y两个方向均对称；所述耦合缝隙的尺寸和射频信号的频率有关，频率越高，尺寸越小。
进一步地，所述馈电层金属化通孔的孔心距小于λ/10，λ为电磁波波长。
进一步地，所述辐射层、馈电层均采用多层印制板加工工艺加工成型。
第二方面，本发明又提供了一种四贴片宽带微带天线阵列，包括至少两个所述的一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元及天线阵列，采用带状线耦合馈电，提高了微带天线的交叉极化隔离度；通过设置对称的四贴片作为辐射贴片大幅提高了微带天线的工作带宽；天线采用多层印制板加工工艺加工成型，且叠层结构简单，加工精度可控，加工可靠度高，一致性好，适合大批量生产。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元的主视图。
图2为本发明一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元的左视图。
图3是本发明一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元的俯视图。
图4是本发明一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元层级结构图。
图5是本发明一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元的辐射层层级结构示意图。
图6是本发明一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元的馈电层层级结构示意图。
图7是本发明一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元的耦合层示意图。
图8是本发明实施例1的S11仿真曲线图。
图9是本发明实施例1的E面的增益方向图。
图10是本发明实施例1的H面的增益方向图。
图11是本发明实施例2的E面的增益方向图。
图12是本发明实施例2的斜45度剖面的增益方向图。
图13是本发明实施例2的H面的增益方向图。
附图标记及对应的零部件名称：
1-辐射层；11-辐射贴片；12-上表面金属层；13-辐射层金属化通孔；14-辐射层介质基片；15-辐射层地；16-辐射层半固化片；2-馈电层；21-耦合层；211耦合缝隙；22-馈电层上层介质基片；23-馈电层半固化片；24-馈线层地；25-馈线；251-第一匹配节；252-第二匹配节；26-馈电层下层介质基片；27-馈电层地；28-馈电层金属化通孔。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1至图10所示，本发明一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元，如图4所示，所述宽带微带天线单元包括逐层连接的辐射层1和馈电层2，所述辐射层1设于馈电层2之上；
具体地：如图5所示，所述辐射层1包括从下往上依次逐层设置的辐射层半固化片16、辐射层地15、辐射层介质基片14、上表面金属层12；所述上表面金属层12设于射层介质基片14的上表面，所述上表面金属层12上中部设有多个辐射贴片11；具体地，多个所述辐射贴片11在所述上表面金属层12上的中部阵列排布。
本实施例中，所述辐射贴片11的数量为四个，且所述辐射贴片11方形金属贴片；四个所述辐射贴片11在以所述上表面金属层12中心点为坐标原点、沿矩形所述上表面金属层12的长、宽方向上建立的x，y轴对称设置；对称设置的四块方形金属贴片可同时激励起TM10和TM20模式。这使得微带天线的带宽超过20％，大大提高了微带天线的工作带宽，同时，辐射贴片11在x，y两个方向均对称，使得微带天线的辐射方向图在E面(即平行电磁波电场方向)、H面(即垂直电磁波电场方向)具有很好的对称性，此特性可以提升相控阵天线的扫描性能。
所述辐射层1还包括辐射层金属化通孔13，所述辐射层金属化通孔13沿辐射层介质基片14边缘设置，且辐射层金属化通孔12从下往上依次贯穿辐射层半固化片16、辐射层地15和辐射层介质基片14，将馈电层2的耦合层21、辐射层地15和上表面金属层13导通，形成第一基片集成波导腔结构；
所述辐射层地15开设通孔(即开窗)，与耦合馈电和辐射贴片11对应，使得耦合馈电的射频信号能够通过开窗进入到辐射贴片11中实现耦合。
其中，辐射层半固化片16的作用是与上层之间起到粘贴作用，辐射层地15、上表面金属层12均为金属层，辐射层介质基片14是作为辐射层1的骨架，其厚度在较高的频率一般在0.2-0.5mm，在低频厚度会更厚，达到2mm以上；上述辐射层半固化片16、辐射层地15、辐射层介质基片14、上表面金属层12各层的尺寸大小与射频信号的频率有关，且各层的尺寸越大，射频信号的频率越小。实施时，各层均为矩形。
本实施例中，所述辐射层金属化通孔13的孔心距小于λ/10，λ为电磁波波长。该设计可以确保形成的第一基片集成波导腔可以起到较好的束缚电磁波和抑制表面波的作用。
具体地：如图6所示，所述馈电层2包括从下往上依次逐层设置的馈电层地27、馈电层下层介质基片26、馈线层地24、馈电层半固化片23、馈电层上层介质基片22和耦合层21；所述耦合层21中心设置有耦合缝隙211；所述馈线层地24上设有馈线25，且所述馈线25上设有匹配结，本实施例中包括第一匹配节251、第二匹配节252；所述匹配结用于调节馈线25、耦合缝隙211和辐射贴片11的匹配，使射频信号从馈线到辐射贴面更高效率地传输；如图7所示。
所述馈电层还包括馈电层金属化通孔28，所述馈电层金属化通孔28围绕馈线25设置，且馈电层金属化通孔28从下往上依次贯穿馈电层下层介质基片26、馈线层地24、馈电层半固化片23、馈电层上层介质基片22，将馈电层地27和耦合层21导通，形成第二基片集成波导腔结构。
本实施例中，所述耦合缝隙211为“十字型”耦合缝隙，且耦合缝隙211在x，y两个方向均对称；所述耦合缝隙的尺寸和射频信号的频率有关，频率越高，尺寸越小。
本实施例中，所述馈电层金属化通孔28的孔心距小于λ/10，λ为电磁波波长；该设计可以确保形成的第二基片集成波导腔可以起到较好的束缚电磁波和抑制表面波的作用。
具体地，所述辐射层1、馈电层2均采用多层印制板加工工艺加工成型。
本发明天线工作时，射频信号从馈电层2的馈线25馈入，通过耦合缝隙211耦合至辐射层1的辐射贴片11，由辐射贴片11转化成空间电磁波辐射出去。
本发明设计的宽带微带天线单元采用带状线耦合馈电，提高了微带天线的交叉极化隔离度；通过设置对称的四贴片作为辐射贴片大幅提高了微带天线的工作带宽；天线采用多层印制板加工工艺加工成型，且叠层结构简单，加工精度可控，加工可靠度高，一致性好，适合大批量生产。
对本实施例的宽带微带天线单元进行电磁仿真，得到如图8至图10的仿真结果。图8中的横坐标表示频率，纵坐标表示驻波；由S11仿真曲线可以看到小于-10dB的驻波带宽大于20％。如图9所示，本发明实施例E面的增益方向图，可以看到增益为6.6dBi，交叉极化大于40dB。如图10所示，本发明实施例H面的增益方向图，可以看到增益为6.6dBi，交叉极化大于40dB。图9、图10中的横坐标表示角度，纵坐标表示增益。
实施例2
如图11至图13所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例提供了一种四贴片宽带微带天线阵列，包括至少两个实施例1所述的一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元。
本发明针对16个所述的一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元组成的天线阵列，单元天线按照4×4等间距排列，进行仿真试验，得到如图11至图13的仿真曲线，图11至图13中的横坐标表示角度，纵坐标表示增益。可以看出，由本发明的宽带微带天线单元组成的阵列具有非常好的扫描特性，主波束扫描至±45°时增益仅下降约2dB，且具有高度对称的特性。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元，其特征在于，所述宽带微带天线单元包括逐层连接的辐射层(1)和馈电层(2)，所述辐射层(1)设于馈电层(2)之上；
所述宽带微带天线单元采用带状线耦合馈电，天线工作时，射频信号从馈电层(2)的馈线馈入，通过耦合缝隙耦合至辐射层(1)的辐射贴片，由辐射贴片转化成空间电磁波辐射出去。
2.根据权利要求1所述的一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元，其特征在于，所述辐射层(1)包括从下往上依次逐层设置的辐射层半固化片(16)、辐射层地(15)、辐射层介质基片(14)、上表面金属层(12)；所述上表面金属层(12)设于射层介质基片(14)的上表面，所述上表面金属层(12)上中部设有多个辐射贴片(11)；
所述辐射层(1)还包括辐射层金属化通孔(13)，所述辐射层金属化通孔(13)沿辐射层介质基片(14)边缘设置，且辐射层金属化通孔(12)从下往上依次贯穿辐射层半固化片(16)、辐射层地(15)和辐射层介质基片(14)，将馈电层(2)、辐射层地(15)和上表面金属层(13)导通，形成第一基片集成波导腔结构；
所述辐射层地(15)开设通孔即开窗，与耦合馈电和辐射贴片(11)对应，使得耦合馈电的射频信号能够通过开窗进入到辐射贴片(11)中实现耦合。
3.根据权利要求2所述的一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元，其特征在于，多个所述辐射贴片(11)在所述上表面金属层(12)上的中部阵列排布。
4.根据权利要求3所述的一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元，其特征在于，所述辐射贴片(11)的数量为四个，且所述辐射贴片(11)方形金属贴片；
四个所述辐射贴片(11)在以所述上表面金属层(12)中心点为坐标原点、沿矩形所述上表面金属层(12)的长、宽方向上建立的x，y轴对称设置；
对称设置的四块方形金属贴片同时激励起TM10和TM20模式。
5.根据权利要求2所述的一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元，其特征在于，所述辐射层金属化通孔(13)的孔心距小于λ/10，λ为电磁波波长。
6.根据权利要求1所述的一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元，其特征在于，所述馈电层(2)包括从下往上依次逐层设置的馈电层地(27)、馈电层下层介质基片(26)、馈线层地(24)、馈电层半固化片(23)、馈电层上层介质基片(22)和耦合层(21)；所述耦合层(21)中心设置有耦合缝隙(211)；所述馈线层地(24)上设有馈线(25)，且所述馈线(25)上设有匹配结，所述匹配结用于调节馈线(25)、耦合缝隙(211)和辐射贴片(11)的匹配；
所述馈电层还包括馈电层金属化通孔(28)，所述馈电层金属化通孔(28)围绕馈线(25)设置，且馈电层金属化通孔(28)从下往上依次贯穿馈电层下层介质基片(26)、馈线层地(24)、馈电层半固化片(23)、馈电层上层介质基片(22)，将馈电层地(27)和耦合层(21)导通，形成第二基片集成波导腔结构。
7.根据权利要求6所述的一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元，其特征在于，所述耦合缝隙(211)为“十字型”耦合缝隙。
8.根据权利要求6所述的一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元，其特征在于，所述馈电层金属化通孔(28)的孔心距小于λ/10，λ为电磁波波长。
9.根据权利要求1所述的一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元，其特征在于，所述辐射层(1)、馈电层(2)均采用多层印制板加工工艺加工成型。
10.一种四贴片宽带微带天线阵列，其特征在于，包括至少两个如权利要求1-9中任一所述的一种基于耦合馈电的四贴片宽带微带天线单元。
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