CN114914687A - 一种天线单元、子阵及毫米波高隔离大角度相控阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天线单元、子阵及毫米波高隔离大角度相控阵列天线，包括由上至下紧密贴合设置第一介质基板、第一金属板、第二介质基板及第二金属板，所述第一介质基板上表面设置辐射金属贴片，所述第一金属板通过金属柱与第二金属板连接，形成介质腔体结构，同轴线通过设置在第二金属板的馈电点激励辐射金属贴片，所述相控阵列天线在扫描面增加一些不激励的金属贴片，提高相控阵阵的扫描能力。本发明加工容易、成本低、剖面低，适合平面天线阵列设计，应用于大规模生产。

Description

一种天线单元、子阵及毫米波高隔离大角度相控阵列天线

技术领域

本发明涉及通信领域，具体涉及一种天线单元、子阵及毫米波高隔离大角度相控阵列天线。

背景技术

近年来，5G移动通信技术的大规模商用，对下一代移动通信技术6G通信的研究也开始了。6G如同一个巨大的分布式神经网络，及通信、感知、计算等能力与一身，深度融合物理世界、生物世界和数字世界，真正开启“万物智联”的新时代。在5G的基础上，6G将跨越人联、物联、迈向万物智联，把只能带给每一个人、每一个家庭、每个企业，引领新一波创新浪潮。

未来，6G通信将使用毫米波频段(66-76GHz)。然而，无线电波在毫米波段的路径损耗较大，散射受到限制。相控阵是解决这一问题的关键技术。但是，毫米波相控阵天线面临波束扫描范围窄、宽角扫描时辐射性能恶化严重等问题；传统的阵列天线，不仅尺寸大、端口间的耦合度高，且在±50°范围内扫描波束时，会出现高达4-5dBi的增益下降。因此，设计具有宽的波束扫描功能、高效率的相控阵天线对于6G通信十分重要。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种天线单元、子阵及毫米波高隔离大角度相控阵列天线。

本发明不仅具有尺寸小、结构简单的特点，并能确保毫米波阵列实现高隔离、低有源回损、大角度扫描等性能。

本发明采用如下技术方案：

一种天线单元，包括，由上至下紧密贴合设置第一介质基板、第一金属板、第二介质基板及第二金属板，所述第一介质基板上表面设置辐射金属贴片，所述第一金属板通过金属柱与第二金属板连接，形成介质腔体结构，同轴线通过设置在第二金属板的馈电点激励辐射金属贴片。

进一步，同轴线穿过馈电点通过L形探针或缝隙激励辐射金属贴片。

进一步，所述L形探针或缝隙设置在第一金属板，且同层。

一种子阵，包括1×D个天线单元，采用一分D集成波导馈电网络激励辐射金属贴片。

进一步，所述一分D集成波导馈电网络包括至少两个一分二功分器，每个一分二功分器设置在介质基板，且位于两层金属板之间。

进一步，所述金属板开有信号过孔，所述信号过孔包括金属柱和圆形金属贴片构成。

进一步，所述一分D集成波导馈电网络被一圈金属柱包围。

一种毫米波高隔离大角度相控阵列天线，由N个子阵构成N×D个天线单元阵列，设置天线垂直面的天线单元距离为0.38λ，在天线垂直面两个天线单元之间设置去耦结构，与辐射金属贴片同层，且间距为0.38λ；在天线垂直面的上端和下端设置金属贴片，与辐射金属贴片同层，且间距为0.38λ，其中λ为天线中心频率的自由空间波长。

进一步，所述去耦结构包括U形接地枝条。

进一步，所述金属贴片为超表面单元、正方形贴片、长方形贴片、平行四边形贴片或梯形贴片。

本发明的有益效果：

(1)本发明通过加载介质腔体结构，有效的扩展天线的波束宽度和提高端口间的隔离度。

(2)本发明通过采用耦合路径抵消的方法，加载接地结构实现了宽带的高隔离效果，改善了工作频带内的有源回损和阵列的扫描能力。

(3)本发明通过在扫描面增加一些不激励的金属贴片，有效的提高相控阵的扫描性能。

(4)本发明天线单元尺寸仅有0.15λ，扫描面的组阵间距只有0.38λ，有效的提高了天线的扫描能力，并且天线占用面积小。

(5)本发明通过在馈电网络外增加一圈金属柱，减小能量的泄露，并且馈电网络的各端口相位和幅度能保持一致。

(6)本发明结构简单，加工容易，成本相对较小。因而可以实现大规模生产。

附图说明

图1(a)是本发明相控阵列天线的单元结构三维示意图；

图1(b)是本发明相控阵列天线的单元结构的俯视图；

图1(c)是本发明相控阵列天线的单元结构的左视图；

图2是本发明相控阵列天线的1×4子阵三维示意图；

图3(a)是本发明相控阵列天线的表层示意图；

图3(b)是本发明相控阵列天线的第一级一分二功分器层示意图；

图3(c)是本发明相控阵列天线的第二级一分二功分器层示意图；

图3(d)是本发明相控阵列天线的底层馈电示意图；

图3(e)是本发明相控阵列天线的左视图；

图4(a)是本发明实施例3中相控阵列天线的在去耦后的S参数结果图；

图4(b)是本发明实施例3中相控阵列天线的在去耦前的S参数结果图；

图5是本发明实施例3中相控阵列天线在66GHz扫描至63°的结果图；

图6是本发明实施例3中相控阵列天线在71GHz扫描至62°的结果图；

图7是本发明实施例3中相控阵列天线在76GHz扫描至64°的结果图；

图8是本发明实施例3中相控阵列天线在最大角扫描时候的有源回波损耗图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1(a)-图1(c)所示，一种构成高隔离大扫描角相控阵的天线单元，采用低温共烧陶瓷工艺加工,介质基板为Ferro A6ME。从上到下紧密贴合设置第一介质基板6、第一金属板15、第二介质基板7以及第二金属板16。

具体地，所述第一介质基板6的上表面设置辐射金属贴片，所述辐射金属贴片形状为方形贴片1，具体为正方形，也可以选择圆形、平行四边形或矩形切角等其他结构。

所述第一金属板15刻蚀一个方形口，金属柱3穿过方形口连接第一金属板15和第二金属板16，形成介质腔体结构4。所述天线单元的馈电点设置在第二金属板16上，通过接入同轴线5，再通过L形探针2或缝隙激励方形贴片1。所述L形探针2与第一金属板15设置在第一金属板，且同一层。

辐射金属贴片为正方形贴片，其尺寸P_x为0.64mm，L形探针为长方形金属，其尺寸F_x为0.52mm，尺寸F_y为0.15mm，介质腔体是正方形，其尺寸C_x1为1.6mm，L形探针到介质腔体的距离F_l为0.44mm，圆柱金属柱直径为0.1mm，中心间距Pitch为0.3mm。采用介质基板为Ferro A6ME，第一介质基板高度H1为0.188mm，第二介质基板的高H2为0.188mm，金属的导带厚度均为0.008mm。

所述天线单元尺寸仅有0.15λ，可以紧凑间距排布，扫描面(E面)间距不超过0.38λ，缩小为常规间距的76％，有利于实现大角度扫描，其中λ为天线中心频率的自由空间波长。

实施例2

如图2所示，一种构成毫米波高隔离大扫描角相控阵天线的子阵，包括1×4个天线单元，采用集成波导馈电网络进行馈电。

本实施例2中的子阵包括紧密贴合设置的第三介质基板8、第三金属板17、第四介质基板9、第四金属板18、第五介质基板10及第五金属板19，所述波导口22为激励点，设置在第五金属板19和第四金属板18之间。所述第三介质基板上表面设置1×4个天线单元，采用一分四集成波导馈电网络通过第二金属板16上的信号过孔连接L型探针，使L型探针激励表面的辐射金属贴片，产生极化辐射特性。

具体地，一分四集成波导馈电网络包括两级一分二功分器，通过第四金属地板18上的信号过孔连接第二级一分二功分器12，所述第二级一分二功分器12设置在第四介质基板9、第四金属地板18和第三金属地板17之间，通过第三金属地板17上的信号过孔连接第一级一分二功分器11，所述第一级一分二功分器11设置在第三介质基板8、第三金属地板17和第二金属地板之间16，通过第二金属地板16上的信号过孔连接到L探针，使L形探针激励起表面的方形金属贴片，产生极化辐射特性。

所述一分四集成波导馈电网络可以用微带线馈电网络或共面波导馈电网络替换。

所述信号过孔由金属柱和圆形金属贴片13构成，其作用是传输能量，信号过孔可以在金属地板刻蚀长方形缝隙代替。

另外，当子阵包括1×D个天线单元，需要采用一分D集成波导馈电网络激励辐射金属贴片。

所述一分D集成波导馈电网络包括至少两个一分二功分器，每个一分二功分器设置在介质基板，其位于两层金属板之间，所述天线单元设置在最上层介质基板的上表面，每一级一分二功分器通过金属板开有信号过孔传输能量。

另外为了更好的实现本实施例，所述一分四集成波导馈电网络外增加一圈金属柱，能够有效的减小能量的泄露，提高天线的辐射效率。

实施例3

如图3(a)-图3(e)所示，一种毫米波高隔离大角度相控阵列天线，包括N个子阵构成N×D个天线单元阵列。本实施例3中由四个1×4子阵天线构成4×4天线阵，设置天线垂直面(E面)的天线单元距离为0.38λ，有助于提高天线的扫描性能和减小天线阵整体尺寸。

所述相控阵在E面增加去耦结构，设置的高度与辐射金属贴片1的高度一致，不增加额外层数，所述去耦结构包括U形接地枝条20及两根金属柱，U形接地枝条与天线单元同层，金属柱连接第二金属地板16和U形接地枝条，在不增加天线高度和层数，结构简单，可提高大角扫描性能。

所述天线阵在垂直面增加不激励的方形金属贴片14，设置的高度与辐射金属贴片的高度一致，与辐射金属贴片的间距是0.38λ，主要设置在相控阵天线垂直面的最上端及最下端。在构成天线阵后，由于单元间距较小，单元的介质腔体合并成一个大的介质腔体，所述天线的集成波导馈电网络外围，增加了一圈金属柱21，能够有效的减小能量的泄露，提高天线的辐射效率。

所述不激励方形金属贴片可以包括普通贴片或者超表面单元，且金属贴片的形状可以是正方形、长方形、平行四边形，梯形等。

具体地，将金属贴片设置在扫描面的辐射金属贴片外，能够有效的提高天线的扫描性能，降低天线大角扫描时候的增益波动，在带内扫描能力均大于±62°，且增益下降小于2dB。

本实施例中，金属贴片一共八片，具体为方形，在相控阵天线扫描面的垂直方向上端设置四片，下端设置四片，且对称设置。

所述U形接地枝条20，能够提高端口间的隔离度，改善天线扫描时候的有源回拨损耗，且接地结构的形状可以是U形、C形、Π形，n形等。

相控阵水平单元间距y_array为2.32mm，垂直单元间距x_array为1.6mm，U形接地枝条的Co_y为0.3mm，Co_x为0.5mm，相控阵的介质腔体结构Ca_y为1.7mm，Ca_x为6.5mm，第一级一分二功分器的S_y1为3.42mm，S_x1为1.3mm，第二级一分二功分器的S_y2为5.74mm；第二金属地板、第三金属地板和第四金属地板的信号过孔直径均为0.4mm，波导馈电部分、第一级一分二功分器和第二级一分二功分器的高度h3均为0.376mm。

天线单元尺寸仅有0.15λ，可以紧凑间距排布，扫描面(E面)间距不超过0.38λ，缩小为常规间距的76％，有利于实现大角度扫描，其中λ为天线中心频率的自由空间波长。

如图4(a)所示，毫米波高隔离大扫描角相控阵天线，工作带宽为66-76GHz，带内端口反射系数都低于-10dB，其带内隔离度大于20dB，相比传统的阵列天线具有更紧凑的阵列排布和更高的端口隔离度。如图4(b)所示，在没有加载U形接地枝条的时候的隔离度在15dB以上，对比发现，加载U形接地枝条后端口隔离度提高了5dB。

如图5、图6和图7，毫米波高隔离大扫描角相控阵天线在大角扫描时候的扫描性能，当端口相位差为150°时，在低频66GHz,相控阵天线最大可扫描到63°，栅瓣较低，增益下降约1.17dB；在中频71GHz,相控阵天线最大可扫描到62°，未见有明显栅瓣，增益下降约1.07dB；在高频76GHz,相控阵天线最大可扫描到64°，未见有明显栅瓣，增益下降约1.75dB。

如图8所示，毫米波高隔离大扫描角相控阵天线在大角扫描时候的有源回波损耗，所有端口在扫描到最大角时的有源S参数在带内都低于-10dB。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种天线单元，其特征在于，包括，由上至下紧密贴合设置第一介质基板、第一金属板、第二介质基板及第二金属板，所述第一介质基板上表面设置辐射金属贴片，所述第一金属板通过金属柱与第二金属板连接，形成介质腔体结构，同轴线通过设置在第二金属板的馈电点激励辐射金属贴片。

2.根据权利要求1所述的天线单元，其特征在于，同轴线穿过馈电点通过L形探针或缝隙激励辐射金属贴片。

3.根据权利要求2所述的天线单元，其特征在于，所述L形探针或缝隙设置在第一金属板，且同层。

4.一种由权利要求1-3任一项所述的天线单元构成的子阵，其特征在于，包括1×D个天线单元，采用一分D集成波导馈电网络激励辐射金属贴片。

5.根据权利要求4所述的子阵，其特征在于，所述一分D集成波导馈电网络包括至少两个一分二功分器，每个一分二功分器设置在介质基板，且位于两层金属板之间。

6.根据权利要求4所述的子阵，其特征在于，所述金属板开有信号过孔，所述信号过孔包括金属柱和圆形金属贴片构成。

7.根据权利要求4所述的子阵，其特征在于，所述一分D集成波导馈电网络被一圈金属柱包围。

8.一种由权利要求4-7任一项所述的子阵构成毫米波高隔离大角度相控阵列天线，其特征在于，由N个子阵构成N×D个天线单元阵列，设置天线垂直面的天线单元距离为0.38λ，在天线垂直面两个天线单元之间设置去耦结构，与辐射金属贴片同层，且间距为0.38λ；在天线垂直面的上端和下端设置金属贴片，与辐射金属贴片同层，且间距为0.38λ，其中λ为天线中心频率的自由空间波长。

9.根据权利要求8所述的毫米波高隔离大角度相控阵列天线，其特征在于，所述去耦结构包括U形接地枝条。

10.根据权利要求8所述的毫米波高隔离大角度相控阵列天线，其特征在于，所述金属贴片为超表面单元、正方形贴片、长方形贴片、平行四边形贴片或梯形贴片。

Images