CN115207636A - 一种缝隙耦合多点馈电的毫米波圆极化天线单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种缝隙耦合多点馈电的毫米波圆极化天线单元,属于天线设备技术领域。其由寄生贴片、辐射贴片、耦合缝隙、功分馈电网络、方形等效屏蔽腔等部件共同构成;耦合缝隙为几字型形状,在保证耦合缝隙谐振所需长度的前提下,极大的压缩了四组缝隙所占用的横向空间,减少了与下方的馈电线的信号串扰现象;一分四功分馈电网络为带状线形式,四个输出端口依次输出幅度相等、相位差90°的激励信号,通过在“几”字型耦合缝隙外侧走线,在同一层中实现了两级一分二威尔金森功分器布线。本发明通过采用多点馈电方式,显著提高了圆极化天线在24.25‑27.5GHz频带内的轴比指标特性,并具备较高的辐射效率。
Description
技术领域
本发明涉及天线设备技术领域,特指一种适用于毫米波频段的,采用多个缝隙进行耦合馈电的圆极化天线单元。
背景技术
毫米波天线具有丰富的频谱资源,在5G地面基站通信及宽带低轨卫星通信领域得到广泛应用,相应的工作于毫米波频段的相控阵天线成为了研究热点。为降低天线单元与射频芯片通道间的互联损耗,毫米波天线系统多采用AIP/AOB架构,在垂直维度实现天线单元与射频芯片的互联连接,同时提升了系统集成度。
工作在毫米波频段的主流天线单元形式为多层板压合型微带贴片天线。采用缝隙耦合馈电激励的贴片天线,只更改基板覆铜层图形形状设计,无需添加盲孔/埋孔等特殊结构,有利于简化多层板叠层设计及压合工艺,降低加工难度,从设计维度减少加工误差对天线性能的影响。
采用多个馈电点激励的圆极化天线,可以改善贴片天线表面电流对称性,相应提升圆极化天线轴比指标特性。在宽带宽角扫描相控阵天线设计中,单个天线单元横向及纵向尺寸均要求不超过0.5λ,λ对应中心频点波长。而现有的缝隙耦合贴片天线设计方案中,多采用“H”或“U”型耦合缝隙,在满足谐振条件下,缝隙尺寸偏大。在0.5λ的尺寸约束下,现有缝隙耦合圆极化天线只能实现由两个馈电点同时激励的天线单元。而两个馈电点激励的圆极化天线单元,轴比值较差且轴比带宽受限,同时因馈电点的非对称性,引入了主瓣方向图的偏转问题。由多个天线单元旋转馈电组合形成的天线子阵方案(如2╳2规模组合成的天线子阵),可以适当改善由两点馈电圆极化天线单元组阵的阵列天线的轴比指标问题,但当相控阵天线需要同时产生多个波束时,旋转馈电天线子阵方案的应用会受到一定的限制,布阵灵活性欠缺。因此,通过实现耦合缝隙的小型化,来开发出尺寸小于0.5λ、采用四点馈电缝隙耦合激励的圆极化毫米波天线单元,将会极大的提升圆极化毫米波相控阵天线的辐射特性。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种缝隙耦合多点馈电的毫米波圆极化天线单元。该天线单元采用四组缝隙耦合馈电方式进行激励,拓展了天线单元工作带宽,并简化了多层压合PCB板型天线的叠层设计和加工工艺难度。
为了实现上述目的,本发明所采取的技术方案为:
一种缝隙耦合多点馈电的毫米波圆极化天线单元,包括等效屏蔽腔,还包括位于等效屏蔽腔内并从上至下依次层叠的寄生贴片层、辐射贴片层、耦合缝隙层和馈电网络层;
所述寄生贴片层的主体为第一介质基板,所述第一介质基板的上表面设有圆形的寄生贴片;所述辐射贴片层的主体为第二介质基板,所述第二介质基板的上表面设有圆形的辐射贴片;所述寄生贴片层位于等效屏蔽腔内顶部,其寄生贴片的圆心位于等效屏蔽腔的中轴线上;所述辐射贴片层位于等效屏蔽腔内,辐射贴片位于寄生贴片的正下方;
所述耦合缝隙层的主体为金属底板,金属底板上刻蚀有耦合缝隙;所述耦合缝隙由四组几字型缝隙组成;四组几字形缝隙关于中心对称,且相邻的两个间隔90°;几字型缝隙的弯折用于压缩其横向尺寸,在工作频带内产生谐振点并拓展天线带宽;
所述馈电网络层位于等效屏蔽腔内的底部,其主体为第四介质基板,第四介质基板的上表面具有一分四的馈电网络;馈电网络的每个枝节末端均为T字型结构,等效于开路线加载;T字型结构与几字型缝隙一一对应;T字型结构分别位于对应的几字型缝隙的正下方;
所述馈电网络的合成端口的正下方通过类同轴结构与射频芯片通道级联。
进一步的,所述等效屏蔽腔包括以方形阵列形式排布的多根金属柱;所述金属柱均贯穿寄生贴片层寄生贴片层、辐射贴片层、耦合缝隙层和馈电网络层。
进一步的,每一几字型缝隙的中间部分均与等效屏蔽腔的边缘线呈45°夹角。
进一步的,所述馈电网络为带状线形式。
进一步的,所述类同轴结构包括等效于同轴线内导体的馈电柱和等效于同轴线外导体的盲孔结构。
进一步的,在馈电网络上,距离耦合缝隙四分之一波长处有开路加载枝节,用于对四个馈电端口的阻抗进行调谐。
进一步的,所述T字型结构的横向枝节在金属底板的投影位于对应几字型缝隙的内侧。
本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于:
本发明馈电网络产生的激励信号切割几字型缝隙后,在缝隙产生感应电流并耦合至主辐射贴片,主辐射贴片位于天线底板的正上方,产生第一谐振点,同时将能量耦合至寄生辐射片,并产生第二谐振点,两相邻谐振点拓宽了天线工作带宽。
附图说明
图1是本发明实施例的寄生贴片层结构示意图。
图2是本发明实施例的辐射贴片层结构示意图。
图3是本发明实施例的耦合缝隙层结构示意图。
图4是本发明实施例的耦合缝隙层的上表面结构示意图。
图5是本发明实施例的馈电网络的结构示意图。
图6是本发明实施例的馈电网络原理图。
图7是本发明实施例的耦合缝隙在馈电网络层上的投影结构示意图。
图8是本发明实施例的仿真驻波曲线图。
图9是本发明实施例的仿真轴比方向图。
图10是本发明实施例的仿真方向性系数方向图。
图11是本发明实施例的仿真实得增益方向图。
图中:1-1、第一介质基板,2、寄生贴片,3、等效屏蔽腔,3-1,金属柱,2-1、第二介质基板,2-2、辐射贴片,4-1、几字型缝隙,4-2、第三介质基板,4、耦合缝隙,5、馈电网络
具体实施方式
下面,结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
一种缝隙耦合多点馈电的毫米波圆极化天线单元,包括等效屏蔽腔,还包括位于等效屏蔽腔内并从上至下依次层叠的寄生贴片层、辐射贴片层、耦合缝隙层和馈电网络层;
所述寄生贴片层的主体为第一介质基板,所述第一介质基板的上表面设有圆形的寄生贴片;所述辐射贴片层的主体为第二介质基板,所述第二介质基板的上表面设有圆形的辐射贴片;所述寄生贴片层位于等效屏蔽腔内顶部,其寄生贴片的圆心位于等效屏蔽腔的中轴线上;所述辐射贴片层位于等效屏蔽腔内,辐射贴片位于寄生贴片的正下方;
所述耦合缝隙层的主体为金属底板,金属底板上刻蚀有耦合缝隙;所述耦合缝隙由四组几字型缝隙组成;四组几字形缝隙关于中心对称,且相邻的两个间隔90°;几字型缝隙的弯折用于压缩其横向尺寸,在工作频带内产生谐振点并拓展天线带宽;
所述馈电网络层位于等效屏蔽腔内的底部,其主体为第四介质基板,第四介质基板的上表面具有一分四的馈电网络;馈电网络的每个枝节末端均为T字型结构,等效于开路线加载;T字型结构与几字型缝隙一一对应;T字型结构分别位于对应的几字型缝隙的正下方;
所述馈电网络的合成端口的正下方通过类同轴结构与射频芯片通道级联。
进一步的,所述等效屏蔽腔包括以方形阵列形式排布的多根金属柱;所述金属柱均贯穿寄生贴片层寄生贴片层、辐射贴片层、耦合缝隙层和馈电网络层。
进一步的,每一几字型缝隙的中间部分均与等效屏蔽腔的边缘线呈45°夹角。
进一步的,所述馈电网络为带状线形式。
进一步的,所述类同轴结构包括等效于同轴线内导体的馈电柱和等效于同轴线外导体的盲孔结构。
进一步的,在馈电网络上,距离耦合缝隙四分之一波长处有开路加载枝节,用于对四个馈电端口的阻抗进行调谐。
进一步的,所述T字型结构的横向枝节在金属底板的投影位于对应几字型缝隙的内侧。
下面为一更具体的实施例:
参照图1至图7,本实施例是一种缝隙耦合多点馈电的适用于毫米波频段的圆极化天线单元,其中:该新型圆极化天线单元由寄生贴片、辐射贴片、金属底板、几字型缝隙、功分馈电网络、方形等效屏蔽腔等部件构成;天线单元包含四组几字型缝隙,并沿天线单元中心点对称均匀分布,耦合缝隙蚀刻在天线金属底板所在层,馈电网络放置于金属底板层的下方;
所述适用于毫米波频段圆极化天线的加工基于多层PCB板工艺,多层板在一定的叠层规则约束下由介质基板、铜层及半固化片构成,天线的各功能部件分别设计在特定的叠层内,并形成立体结构;方形等效屏蔽腔、信号穿层孔及信号穿层屏蔽结构由多层板的通孔/盲孔结构形成。
圆极化天线单元,由寄生贴片、辐射贴片2、几字型缝隙、馈电网络组成;其中,馈电网络为一分四功分馈电网络,用于产生功率幅度相等、相位依次为0°/90°/180°/270°(或者0°/-90°/-180°/-270°)分布的激励信号,激励信号切割几字型缝隙后,在缝隙产生感应电流并耦合至辐射贴片,主辐射贴片位于金属底板的正上方,产生第一谐振点,同时将能量耦合至寄生贴片,并产生第二谐振点,两相邻谐振点拓宽了天线工作带宽。
所述圆极化天线单元的寄生贴片和辐射贴片,均为圆形金属片,系基板覆铜层蚀刻后产生的金属图形;寄生贴片位于辐射贴片正上方,其谐振频点为工作频带内的高频点。
所述圆极化天线的耦合缝隙,由四组呈90度方向旋转排布的几字型缝隙组成;几字型缝隙,与方形等效屏蔽腔的水平/垂直边缘呈45°方向排布;几字型缝隙形状的设计,包括与馈电网络馈线垂直切割的横向缝隙41,与馈电线平行的垂直缝隙42,以及与等效屏蔽腔边缘平行/垂直排布的末端缝隙43和44,末端缝隙的弯折形状设计可为下方带状线馈线走线预留充足空间,避免出现耦合缝隙与下方的馈电网络产生的串扰现象,为在同一层中实现一分四功分的馈电网络提供了可行性。
所述圆极化天线的馈电网络,为带状线结构,金属底板作为带状线上金属接地板,带状线结构的中间传输带线,为由介质基板表面覆铜层蚀刻后产生的金属图形,下金属接地板为基板覆铜层。
所述圆极化天线的馈电网络,由两级一分二威尔金森功分器51、52、53组成,其四个端口输出功率幅度相等、相位依次为0°/90°/180°/270°(或者0°/-90°/-180°/-270°)分布的激励信号,用于激励四组缝隙,实现左旋/右旋圆极化天线;功分器输出端口间集成印刷电阻,馈电网络在耦合缝隙处为T型末端加载54,距离耦合缝隙四分之一波长处有开路加载枝节55,用于对天线单元四个馈电端口的阻抗进行调谐。
所述圆极化天线的馈电柱7穿过金属底板的圆形孔时,在金属底座所在层端接焊盘,焊盘与金属底板上圆形孔9之间形成反焊盘结构,产生等效并联电容,调节反焊盘尺寸可改变电容阻值,能有效改善天线阻抗带宽。
所述圆极化天线单元馈电网络5总输入端口,与射频芯片通道的层间级联采用类同轴结构实现,其中,馈电柱7等效同轴线内导体,四根盲孔结构8组成的屏蔽结构等效同轴线外导体,射频信号经类同轴结构在多层板不同层间传输,并最终输出到表贴在多层板背部的射频芯片通道中。
所述圆极化天线实施例的仿真驻波曲线与方向图如图8-图11中所示,该天线单元可覆盖24.25-27.5GHz的频带宽度;在整个工作带宽内驻波特性及轴比指标优异,轴比指标轴向<1dB;通过对比方向性系数与实得增益方向图,整个工作频带内平均辐射效率≥80%。
Claims (7)
1.一种缝隙耦合多点馈电的毫米波圆极化天线单元,包括等效屏蔽腔,其特征在于,还包括位于等效屏蔽腔内并从上至下依次层叠的寄生贴片层、辐射贴片层、耦合缝隙层和馈电网络层;
所述寄生贴片层的主体为第一介质基板,所述第一介质基板的上表面设有圆形金属的寄生贴片;所述辐射贴片层的主体为第二介质基板,所述第二介质基板的上表面设有圆形金属的辐射贴片;所述寄生贴片层位于等效屏蔽腔内顶部,其寄生贴片的圆心位于等效屏蔽腔的中轴线上;所述辐射贴片层位于等效屏蔽腔内,辐射贴片位于寄生贴片的正下方;
所述耦合缝隙层的主体为金属底板,金属底板上刻蚀有耦合缝隙;所述耦合缝隙由四组几字型缝隙组成;四组几字形缝隙关于中心对称,且相邻的两个间隔90°;几字型缝隙的弯折用于压缩其横向尺寸,在工作频带内产生谐振点并拓展天线带宽;
所述馈电网络层位于等效屏蔽腔内的底部,其主体为第四介质基板,第四介质基板的上表面具有一分四的馈电网络;馈电网络的每个枝节末端均为T字型结构,等效于开路线加载;T字型结构与几字型缝隙一一对应;T字型结构分别位于对应的几字型缝隙的正下方;
所述馈电网络的合成端口的正下方通过类同轴结构与射频芯片通道级联。
2.根据权利要求1所述的一种缝隙耦合多点馈电的毫米波圆极化天线单元,其特征在于,所述等效屏蔽腔包括以方形阵列形式排布的多根金属柱;所述金属柱均贯穿寄生贴片层寄生贴片层、辐射贴片层、耦合缝隙层和馈电网络层。
3.根据权利要求2所述的一种缝隙耦合多点馈电的毫米波圆极化天线单元,其特征在于,每一几字型缝隙的中间部分均与等效屏蔽腔的边缘线呈45°夹角。
4.根据权利要求3所述的一种缝隙耦合多点馈电的毫米波圆极化天线单元,其特征在于,所述馈电网络为带状线形式。
5.根据权利要求4所述的一种缝隙耦合多点馈电的毫米波圆极化天线单元,其特征在于,所述类同轴结构包括等效于同轴线内导体的馈电柱和等效于同轴线外导体的盲孔结构。
6.根据权利要求1所述的一种缝隙耦合多点馈电的毫米波圆极化天线单元,其特征在于,在馈电网络上,距离耦合缝隙四分之一波长处有开路加载枝节,用于对四个馈电端口的阻抗进行调谐。
7.根据权利要求1所述的一种缝隙耦合多点馈电的毫米波圆极化天线单元,其特征在于,所述T字型结构的横向枝节在金属底板的投影位于对应几字型缝隙的内侧。
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