CN115911869B - 基于三功能电壁的毫米波宽带宽角扫描天线及天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于三功能电壁的毫米波宽带宽角扫描天线及天线阵列，包括：第一电壁、第二电壁和辐射贴片；第一电壁、第二电壁相对辐射贴片对称分布，均包括金属条带和金属通孔组；金属条带位于第一层介质基板的上表面，金属通孔组垂直穿透第一层介质基板、第二层介质基板、第三层介质基板；辐射贴片设置在第三层介质基板的上表面；第三层介质基板的下表面、第四层介质基板的上表面、第四层介质基板的下表面分别对应的设置有第一金属地板、第二金属地板和馈电微带线；金属通孔组连接金属条带和第一金属地板；第一金属地板和第二金属地板上刻有耦合槽线；具有能够提升毫米波信号覆盖范围的有益效果，适用于通信技术领域。

Description

基于三功能电壁的毫米波宽带宽角扫描天线及天线阵列

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及基于三功能电壁的毫米波宽带宽角扫描天线及天线阵列。

背景技术

毫米波相控阵具有高增益和灵活的波束扫描能力，能有效抵抗毫米波的路径损耗，提升毫米波信号的传播距离和覆盖范围，成为毫米波通信的关键技术之一。

随着日益增长的数据传输需求和广域覆盖的需求，也对毫米波相控阵的带宽和扫描角提出了越来越严格的要求。因此，设计同时兼备宽带和宽扫描角特性的毫米波相控阵具有重要的研究意义和巨大的应用前景。

据调查与了解，已经公开的现有技术如下：

现有技术一，2018年，Yu Bin等人提出了一款应用于5G移动终端的毫米波波束扫描阵列天线；天线单元采用了金属背腔槽线天线，通过在移动终端的金属边框上切槽来实现；为了实现天线单元的小型化，在金属背腔槽里填充了介质；此外，为了展宽天线单元带宽，采用了阶跃式探针馈电代替均匀探针馈电。天线单元实现了8.7%的带宽（27.5-30GHz）。利用改阵元构建了一款1×8的阵列天线，阵列的3dB扫描角可以达到±60°，但是带宽也仅有8.7%（27.5-30GHz），不能同时覆盖5G毫米波的n257（26.5-29.5GHz），n258（24.25-27.5GHz），和n261（27.5-28.35GHz）三个频段。并且其扫描角还有待进一步提升。

现有技术二，2020年，Deng Changjiang等人提出了一款应用于5G移动终端的毫米波串馈相控阵天线。该阵列包含十个天线单元，以直线形式排布。阵列采用了三明治式的层叠结构，包括位于顶层的十个贴片，位于中间层的地（地板上刻有耦合槽线），以及位于底层的馈电微带传输线。通过在底层的馈电微带线添加开关来构建周期分布的移相器，以实现阵列的波束扫描的特性，阵列最终实现了从-53°到68°的共121°的3dB波束覆盖范围；然而其阻抗带宽仅有7.1%（27-29GHz），无法覆盖5G毫米波n257， n258和n261三个频段共19.5%（24.25-29.5GHz）的带宽。

现有技术三，2018年，Khalily Mohsen等人提出一款应用5G的宽带毫米波微带阵列天线。天线单元通过采用嵌入式馈电和堆叠寄生贴片，实现了15.18%（25.55-29.75GHz）的阻抗带宽。利用改阵元构建了一款1×16的线阵，阵列的-15dB阻抗带宽达到了24.4%（24.35-31.13GHz），并采用了非均匀馈电实现了19.88dBi的高增益；然而其阵列的3dB扫描角仅有±54°，无法满足毫米波通信对广域覆盖的要求。

现有技术四，2021年，Dai Xin等人提出了一款应用于5G毫米波的宽带磁电偶极子阵列天线。天线单元采用了孔径耦合磁电偶极子天线。通过在辐射贴片上开槽，一方面延长电流路径以实现阵元的小型化，另一方面改善高次模的辐射特性。天线单元实现了48.8%（24.3-40GHz）的阻抗带宽。利用改阵元构建了一款1×8的阵列，阵列的阻抗带宽覆盖了24-39.5GHz，具有宽带特性。然而其阵列的3dB波束扫描角只有±45°，难以满足毫米波通信对宽覆盖范围的需求。

综上所述，目前毫米波相控阵天线的研究取得了一定的进展，其中有些阵列实现了宽角扫描特性，但是其阻抗带宽相对较窄（<10%），无法满足日益增长的数据传输的需求；有些阵列实现了较宽的阻抗带宽，但是其扫描角相对较窄（<±60°），无法满足毫米波通信对宽覆盖范围的需求。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于三功能电壁的毫米波宽带宽角扫描天线及天线阵列，具有宽带特性和宽角扫描特性，能够有效提升毫米波信号的覆盖范围。

本发明提供了基于三功能电壁的毫米波宽带宽角扫描天线，包括：设置在介质基板上的第一电壁、第二电壁和辐射贴片；所述第一电壁、第二电壁相对辐射贴片对称分布；所述第一电壁和第二电壁结构相同，均包括：金属条带和金属通孔组；

所述介质基板为四层结构，由上至下分别为第一层介质基板、第二层介质基板、第三层介质基板和第四层介质基板；

所述金属条带位于第一层介质基板的上表面，所述金属通孔组垂直穿透第一层介质基板、第二层介质基板、第三层介质基板；

所述辐射贴片设置在第三层介质基板的上表面、且位于两个金属通孔组之间；所述第三层介质基板的下表面、第四层介质基板的上表面、第四层介质基板的下表面分别对应的设置有第一金属地板、第二金属地板和馈电微带线；所述金属通孔组连接金属条带和第一金属地板；所述第一金属地板和第二金属地板上刻有耦合槽线；所述馈电微带线通过耦合槽线与辐射贴片耦合。

可选地，所述金属通孔组包括：三个平行且等距分布的金属化过孔。

可选地，所述第一层介质基板和第三层介质基板的材料均为Rogers RO5880，第二层介质基板的材料为Rogers CuClad6250，第四层介质基板的材料为Rogers RO4003C。

可选地，所述第一层介质基板、第二层介质基板、第三层介质基板、第四层介质基板的厚度分别为：0.381mm、0.787mm、0.038mm、厚度为0.203mm。

本发明还提供了基于三功能电壁的毫米波宽带宽角扫描天线阵列，包括：多个呈阵列排布的阵列单元，所述阵列单元为如上所述的扫描天线。

可选地，所述阵列单元的数量为两个，两个阵列单元呈一维阵列排布；

两个第一电壁位于扫描天线阵列的同一侧，形成第一耦合路径，两个第二电壁位于扫描天线阵列的另一侧，形成第二耦合路径；扫描天线阵列耦合馈电后，所述第一耦合路径与第二耦合路径等效为一阶的巴特沃斯带阻滤波器，形成解耦组件。

可选地，所述解耦组件的解耦频率表达式为：

其中，表示解耦频率，表示金属通孔组的电感，表示金属条带的电容。

可选地，所述阵列单元的数量为八个，八个阵列单元呈一维阵列排布；

八个第一电壁位于扫描天线阵列的同一侧，八个第二电壁位于扫描天线阵列的另一侧；八个馈电微带线的馈电端口沿八个第一电壁或第二电壁的排列方向交替分布。

可选地，两个阵列单元之间的间距为0.41；其中，表示中心频率的自由空间波长。

可选地，所述中心频率为27GHz。

本申请提供的技术方案的优点在于：

本发明针对现有毫米波相控阵无法同时实现宽带和宽扫描角的缺点，提出了基于三功能电壁的毫米波宽带宽角扫描天线及天线阵列，不同于传统的电壁使用方法（传统电壁仅用来仅提升天线单元的半功率波束宽度（HPBW）），通过第一电壁、第二电壁引入单极子模式，并与所述辐射贴片的TM01模式结合，实现宽带特性，通过第一电壁、第二电壁的金属通孔组引入垂直电流，并与所述辐射贴片的水平电流相结合，实现宽波束特性，此外，本发明还通过第一电壁、第二电壁之间的带阻滤波特性，实现阵列单元之间互耦的降低，使得阵列可以小阵元间距排布，同时保持良好的隔离度，实用性极强。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或相关技术的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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。

图1是本发明实施例提供的基于三功能电壁的毫米波宽带宽角扫描天线的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基于三功能电壁的毫米波宽带宽角扫描天线的俯视图；

图3是本发明实施例提供的基于三功能电壁的毫米波宽带宽角扫描天线的侧视图；

图4是本发明中扫描天线加载电壁前后的|S11|参数仿真示意图；

图5是本发明中扫描天线在新增加谐振点（25.6GHz）的电流分布图；

图6为本发明中扫描天线的输入阻抗实部（Re(Z11)）的仿真示意图；

图7是本发明中扫描天线加载电壁前后的半功率波束宽度仿真示意图；

图8为本发明扫描天线H面方向图的展宽示意图；

图9为本发明扫描天线的|S11|参数、增益和半功率波束宽度的仿真示意图；

图10为本发明扫描天线加载电壁前后在28GHz处H面方向图的对比示意图；

图11为本发明中基于三功能电壁的毫米波宽带宽角扫描天线阵列的结构示意图一；

图12为图11中的扫描天线阵列的解耦等效电路图；

图13为图11中所示的扫描天线阵列加载电壁前后的|S21|参数仿真示意图；

图14为本发明中基于三功能电壁的毫米波宽带宽角扫描天线阵列的结构示意图二；

图15为图14的顶视图；

图16为图14的底视图；

图17为本发明图14中的天线阵列的S参数的仿真示意图；

图18为本发明图14中的天线阵列的端口隔离度的仿真示意图；

图19为本发明图14中的天线阵列在25GHz、YOZ面波束扫描的仿真结果图；

图20为本发明图14中的天线阵列在27GHz、YOZ面波束扫描的仿真结果图；

图21为本发明图14中的天线阵列在29GHz、YOZ面波束扫描的仿真结果图；

图中：10为第一电壁，20为第二电壁，40为辐射贴片，50为耦合槽线，60为第一金属地板，70为第二金属地板，80为馈电微带线，90为焊盘；

1201为金属条带，1202为金属通孔组；

301为第一层介质基板，302为第二层介质基板，303为第三层介质基板，304为第四层介质基板；

11为二元阵中第一个阵列单元的第一电壁，21为二元阵中第一个阵列单元的第二电壁；

12为二元阵中第二个阵列单元的第一电壁，22为二元阵中第二个阵列单元的第二电壁；

41为二元阵中第一个阵列单元的辐射贴片，42为二元阵中第二个阵列单元的辐射贴片；

1为第一阵列单元，2为第二阵列单元，3为第三阵列单元，4为第四阵列单元，5为第五阵列单元，6为第六阵列单元，7为第七阵列单元，8为第八阵列单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1至图3，基于三功能电壁的毫米波宽带宽角扫描天线，包括：设置在介质基板上的第一电壁10、第二电壁20和辐射贴片40；

所述第一电壁10、第二电壁20相对辐射贴片40对称分布；所述第一电壁10、第二电壁20结构相同，均包括：金属条带1201和金属通孔组1202；

所述介质基板为四层结构，由上至下分别为第一层介质基板301、第二层介质基板302、第三层介质基板303和第四层介质基板304；

所述金属条带1201位于第一层介质基板301的上表面，所述金属通孔组1202垂直穿透第一层介质基板301、第二层介质基板302、第三层介质基板303；

所述辐射贴片40设置在第三层介质基板303的上表面、且位于两个金属通孔组1202之间；

所述第三层介质基板303的下表面、第四层介质基板304的上表面、第四层介质基板304的下表面分别对应的设置有第一金属地板60、第二金属地板70和馈电微带线80；

所述金属通孔组1202连接金属条带1201和第一金属地板60；

所述第一金属地板60和第二金属地板70上刻有耦合槽线50；

所述馈电微带线80通过耦合槽线50与辐射贴片40耦合。

需要说明的是，所述金属通孔组1202包括：三个平行且等距分布的金属化过孔。

本实施例中，所述第一电壁10的金属条带的中心和所述第二电壁20的金属条带的中心连接线方向为x轴，过连接线的中点且与连接线垂直的方向为y轴，所述第一电壁10和第二电壁20关于y轴对称。

本发明针对现有毫米波相控阵无法同时实现宽带和宽扫描角的缺点，提出了基于三功能电壁的毫米波宽带宽角扫描天线及天线阵列，不同于传统的电壁使用方法（传统电壁仅用来仅提升天线单元的半功率波束宽度（HPBW）），本发明通过第一电壁、第二电壁引入单极子模式，并与所述辐射贴片的TM01模式结合，实现宽带特性，通过第一电壁、第二电壁的金属通孔组引入垂直电流，并与所述辐射贴片的水平电流相结合，实现宽波束特性，此外，本发明还通过第一电壁、第二电壁之间的带阻滤波特性，实现阵列单元之间互耦的降低，使得阵列可以小阵元间距排布，同时保持良好的隔离度，实用性极强。

需要说明的是，所述第一层介质基板301和第三层介质基板303的材料均为RogersRO5880，其相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，第二层介质基板302的材料为RogersCuClad6250，其相对介电常数为2.32，损耗角正切为0.0013；第四层介质基板304的材料为Rogers RO4003C，其相对介电常数为3.38，损耗角正切为0.0027。

需要说明的是，所述第一层介质基板301、第二层介质基板302、第三层介质基板303、第四层介质基板304的厚度分别为：0.381mm、0.787mm、0.038mm、厚度为0.203mm。

图4给出了发明中的扫描天线与未加载电壁的扫描天线的S参数的变化曲线图，参阅图4，未加载电壁时，扫描天线只有一个谐振点，因此带宽仅有9.6%（26.22-28.85GHz）；加载电壁后，扫描天线在低频产生了一个新的谐振点（既谐振点1，频率为25.6GHz）；因此，加载电壁后，本发明中的基于三功能电壁的毫米波宽带宽角扫描天线，共有两个谐振点，带宽从9.6% 拓宽到21.8%（24.1-30GHz）；

由上可知，本发明中的第一重功能为：展宽带宽，以下对本发明中的第一重功能展宽带宽的原理进行说明。

图5给出扫描天线在谐振点1（25.6GHz）的电路分布图，参阅图5，扫描天线经过耦合槽线耦合馈电后；首先，在辐射贴片40上产生了水平电流J1。然后，在水平电流J1的感应下，在两个电壁（第一电壁10、第二电壁20）的金属条带和金属通孔组上分别感应生成了水平电流J2Hi（i=1,2,3,4）和垂直电流J2vi（i=1,2,3,4）；由图5可以看出，水平电流J2Hi主要分布在金属条带的左右两端，垂直电流J2vi则主要分布在左右两侧的金属通孔上；同时，金属条带中心和位于中间位置上金属通孔的电流极其微弱，可以忽略不计；

由此可以看出，两个电壁上的电流分布和接地的四分之一波长单极子类似，故可以将两个电壁等效成两对折叠的单极子（图6中所示的折叠单极子对-I和折叠单极子对-II）；因此，在引入电壁后，会在天线低频处产生一个单极子的谐振点，从而展宽天线的带宽。

为了进一步验证，图6给出了加载电壁前后扫描天线的输入阻抗实部（Re（Z11））的曲线，参阅图6，加载电壁前，扫描天线仅有一个模式，既贴片的TM01模式；加载电壁后，在低频处产生了一个新的模式，此时天线单元共有两个模式，其中：低频处的模式为单极子模式，是由电壁产生；高频处的模式是贴片模式，是由辐射贴片产生；低频的单极子模式在天线的S参数上产生了一个新的谐振点，既图4中的谐振点1，从而将扫描天线的阻抗带宽从9.6%（26.22-28.85GHz）提升到了21.8%（24.1-30GHz）。

图7分别给出了发明中的扫描天线与未加载电壁的扫描天线的S参数和半功率波束宽度（HPBW）的变化曲线图。

参阅图7，未加载电壁时，扫描天线的HPBW在5G毫米波的n257、n258和n261的三个频段内（24-29.5GHz）小于80°；加载电壁后，扫描天线的HPBW得到了明显的提升，平均提升了55°，最大提升了108°；因此，加载电壁后，本发明中扫描天线，其HPBW在24-29.5GHz范围内大于90°，最大可达183°（27.4GHz）。

由上可知，本发明中的第二重功能为：展宽扫描天线的HPBW，以下对本发明中的第二重功能展宽波束宽度的原理进行说明。

参阅图5，本发明中的扫描天线沿着H面排布，一方面，电壁上分布有水平电流J2Hi和垂直电流J2vi，其中：水平电流J2H1和水平电流J2H3等幅反相，因此，二者产生的远场方向图相互抵消，水平电流J2H2和水平电流J2H4同理；另一方面，垂直电流J2v1和垂直电流J2v3等幅同向，垂直电流J2v2和垂直电流J2v4也等幅同向，所以电壁上的垂直电流可以用来展宽扫描天线的波束宽度。

图8给出了扫描天线的H面波束展宽原理图，参阅图8，辐射贴片上的水平电流J1在H面（yoz面）的方向图呈现“0”字形，如图中的F1H(θ)所示；电壁上的垂直电流J2vi在H面上呈现“8”字形，如图中的F2H(θ)所示；F1H(θ)和F2H(θ)相互叠加，则形成了本发明扫描天线的宽波束特性，如FH(θ)所示。

图9给出本发明扫描天线的最终性能，包括S11参数，增益(Gain)和半功率波束宽度（HPBW），参阅图9，本发明实现了21.8%（24.1-30GHz）的阻抗带宽，在24.25-29.5GHz的频段范围内，半功率波束宽度大于90°，最大可达183°；虽然增益随着波束宽度的展宽略有下降，但是在24.1-30GHz的工作频段内仍大于3dB。

图10给出了扫描天线加载电壁前后在28GHz的H面方向图，参阅图10，相比加载电壁之前，加载电壁后扫描天线的波束宽度有较为明显的提升，且交叉极化仍保持较低的水平（<-20dB），值得指出的是宽带和宽波束特性有利于实现阵列的宽带和宽角扫描特性。

本发明中的第三重功能为：当本发明中的基于三功能电壁的毫米波宽带宽角扫描天线应用于二元阵列的扫描天线阵列时，能够对阵列进行解耦，提升阵元之间的隔离度。

本发明提供了基于三功能电壁的毫米波宽带宽角扫描天线阵列，包括：多个呈阵列排布的阵列单元，所述阵列单元为如上所述的扫描天线。

参阅图11，本发明中，所述阵列单元的数量可为两个，两个阵列单元呈一维阵列排布；两个第一电壁10位于扫描天线阵列的同一侧，形成第一耦合路径，两个第二电壁20位于扫描天线阵列的另一侧，形成第二耦合路径；扫描天线阵列耦合馈电后，所述第一耦合路径与第二耦合路径等效为一阶的巴特沃斯带阻滤波器，形成解耦组件。

本发明中，两个阵列单元呈一维阵列排布构成二元阵的扫描天线阵列。

需要说明的是，所述解耦组件的解耦频率表达式为：

其中，表示解耦频率，表示金属通孔组的电感，表示金属条带的电容。

以下对解耦组件的具体原理进行说明。

参阅图12，二元阵的扫描天线阵列中，两个辐射贴片（二元阵中第一个阵列单元的辐射贴片41和二元阵中第二个阵列单元的辐射贴片42）等效为两个单端口网络，其输入导纳为（Yin），激励分别为I1和I2（I1=I2）；二元阵中第一个阵列单元的辐射贴片41上下两侧的电壁，在等效电路中表示为电壁-I和电壁-I；二元阵中第二个阵列单元的辐射贴片42上下两侧的电壁，在等效电路中表示为电壁-III和电壁-IV；

由于四个电壁（二元阵中第一个阵列单元的第一电壁11、二元阵中第一个阵列单元的第二电壁21，以及二元阵中第二个阵列单元的第一电壁12、二元阵中第二个阵列单元的第二电壁22）均是由一个金属条带和金属通孔组组成，且它们所处的电磁边界条件相同；因此，四个电壁可以表示成四个具有相同电抗XL的LC并联谐振电路（和)，如图12中的（a）图所示；其中，表示金属通孔组的电感，表示金属条带的电容。

本实施例中，由于电壁-I和电壁-III位于辐射贴片的同一侧，即位于同一条耦合路径上，因此，电壁-I与电壁-III串联；同理，电壁-II和电壁-IV也为串联；又由于电壁-I/III和电壁-II/IV分别位于二元阵中第一个阵列单元的辐射贴片41和二元阵中第二个阵列单元的辐射贴片42的两侧，因此，所示电壁-I/III和电壁-II/IV所在的两条耦合路径相互并联；根据原理，有如下等式：

通过上式可以看出，图12中（a）图所示的等效电路可以简化为（b）图所示的等效电路；即:四个电壁等效为一个LC并联谐振电路，即一个一阶的巴特沃斯带阻滤波器，可利用带阻滤波器的阻带特性实现对阵列的解耦，阻带中心频率也就是阵列的解耦频率，可以表示为下式：

参阅图13，加载电壁之前，阵列单元之间的隔离度最高达12dB；而加载电壁之后，阵列单元之间的隔离度得到了明显的提升，最高可达47dB，并且在所需要的5G频段内（24.25-29.5GHz）大于15dB。

需要说明的是，参阅14至图16，本发明中，所述阵列单元的数量可为八个；八个阵列单元呈H面阵列排布；八个第一电壁10位于扫描天线阵列的同一侧，八个第二电壁20位于扫描天线阵列的另一侧；八个馈电微带线80的馈电端口沿八个第一电壁10或第二电壁20的排列方向交替分布。

本发明中，八个阵列单元呈一维阵列排布构成八元阵的扫描天线阵列。

具体地，在馈电微带线80的周围可预留SMPM接头的焊盘90，方便焊接测试。

参阅图15，八元阵的扫描天线阵列中，从左至右依次为第一阵列单元1，第二阵列单元2，第三阵列单元3，...，第七阵列单元7，第八阵列单元8。

参阅图16，八个馈电微带线80的馈电端口上下交错排列，如：第一阵列单元1的馈电端口，第三阵列单元3的馈电端口，第五阵列单元5的馈电端口，第七阵列单元7的馈电端口位于介质基板的下侧；第二阵列单元2的馈电端口，第四阵列单元4的馈电端口，第六阵列单元6的馈电端口，第八阵列单元8的馈电端口位于介质基板的上侧。

需要说明的是，本实施例中，八元阵的扫描天线阵列的整体尺寸可为：40mm×10mm×1.38mm (3.6×1.0×0.12)，阵元间距为4.6mm（0.41），其中表示中心频率27GHz的自由空间波长。

图17给出了本发明八元阵的扫描天线阵列的仿真S参数，由于阵列的对称性，第一阵列单元1至第四阵列单元4端口的S参数和第五阵列单元5至第八阵列单元8端口的S参数相同；图17中，展示了第一阵列单元1至第四阵列单元4端口的S参数，其它不再赘述.

由图18可知，阵列的-10dB阻抗带宽为19.9%（24.17-29.52GHz），可以有效地覆盖5G毫米波频段的n257（26.5-29.5GHz），n258（24.25-27.5GHz）和n261（27.5-28.35GHz）三个频段；此外，在阵列的工作频段内，各端口之间的隔离度大于15dB，最大可达43dB（26.3GHz），说明阵列中各阵元之间的耦合较低，有利于消除扫描盲点，提升阵列的扫描角度和增益。

图19至图21给出了阵列在25GHz、27GHz、29GHz的波束扫描图，由于阵列扫描对称性，阵列在负角度区间和正角度区间的扫描特性相同，为了展示的简洁性，此处仅给出了阵列在负角度区间的扫描特性。

由图19至图21可知，阵列在25GHz，27GHz，29GHz的3dB波束扫描角分别为±74°，±80°和±76°，实现了宽频带范围内的宽角扫描特性。

由上可知，区别于传统的电壁（仅可以展宽扫描天线的半功率波束宽度），本发明所提出的电壁不仅可以展宽扫描天线的半功率波束宽度，还可以展宽扫描天线的带宽，还可以实现阵列的解耦，因此，与传统电壁有本质上的不同；更为重要的是，本申请中的电壁可以从不同方面提升阵列的性能，其中：展宽带宽功能可以有效提升阵列的阻抗带宽，解耦功能可以使阵列按照小阵元间距进行布阵，同时保持良好的隔离度，同时，本申请中的展宽波束功能可以和小阵元间距共同作用，提升阵列天线的扫描角度。

上表中：EBG为电磁带隙结构；“-”表示现有技术中未提供具体数据；

[1]为：Yi Z等人提出的用于K波段雷达传感器的E面宽角波束扫描天线；

[2]为：背景技术中提及的一款应用于5G移动终端的毫米波串馈相控阵天线；

[3]为：S. Zhang 28GHz等人提出的移动终端平面可切换三维覆盖相控阵天线；

[4]为：背景技术中提及的一款应用于5G移动终端的毫米波波束扫描阵列天线；

[5]为：L. Zhao等人提出的基于电磁带隙地面的毫米波天线阵列。

如上表所示，本发明与现有技术中的毫米波宽角扫描阵列的对比可知，本申请有两个明显的优势：

1）本发明阵列具有更宽的阻抗带宽；

2）本发明阵列具有更宽的3dB扫描角。

此外，与现有技术[1]和[3]相比，本发明具有更高的端口隔离度；与现有技术[2]、[3]相比，本发明阵列具有更小的尺寸。

本发明不仅实现了宽带特性，还实现了宽角扫描特性，阵列的-10dB工作频段为24.2-29.52GHz（19.8%），可以有效覆盖5G毫米波的n257，n258和n261三个频段，助力提升毫米波通信系统的数据传输速率；阵列的3dB波束扫描角达到了±80°，能有效提升毫米波信号的覆盖范围。

综上，本发明阵列具有宽带、宽扫描角和小型化等优点，能有效提升5G毫米波终端的系统容量、数据传输速率以及波束覆盖范围，具有巨大的应用前景和应用价值。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所述，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.基于三功能电壁的毫米波宽带宽角扫描天线阵列，其特征在于，包括多个呈阵列排布的阵列单元，所述阵列单元为扫描天线；

所述扫描天线包括：设置在介质基板上的第一电壁（10）、第二电壁（20）和辐射贴片（40）；

所述第一电壁（10）、第二电壁（20）相对辐射贴片（40）对称分布；所述第一电壁（10）和第二电壁（20）结构相同，均包括：金属条带（1201）和金属通孔组（1202）；

所述介质基板为四层结构，由上至下分别为第一层介质基板（301）、第二层介质基板（302）、第三层介质基板（303）和第四层介质基板（304）；

所述金属条带（1201）位于第一层介质基板（301）的上表面，所述金属通孔组（1202）垂直穿透第一层介质基板（301）、第二层介质基板（302）、第三层介质基板（303）；

所述辐射贴片（40）设置在第三层介质基板（303）的上表面、且位于两个金属通孔组（1202）之间；所述第三层介质基板（303）的下表面、第四层介质基板（304）的上表面、第四层介质基板（304）的下表面分别对应的设置有第一金属地板（60）、第二金属地板（70）和馈电微带线（80）；

所述金属通孔组（1202）连接金属条带（1201）和第一金属地板（60）；

所述第一金属地板（60）和第二金属地板（70）上刻有耦合槽线（50）；

所述馈电微带线（80）通过耦合槽线（50）与辐射贴片（40）耦合；

所述阵列单元的数量为两个，两个阵列单元呈一维阵列排布；

两个第一电壁（10）位于扫描天线阵列的同一侧，形成第一耦合路径，两个第二电壁（20）位于扫描天线阵列的另一侧，形成第二耦合路径；扫描天线阵列耦合馈电后，所述第一耦合路径与第二耦合路径等效为一阶的巴特沃斯带阻滤波器，形成解耦组件。

2.根据权利要求1所述的基于三功能电壁的毫米波宽带宽角扫描天线阵列，其特征在于，所述金属通孔组（1202）包括：三个平行且等距分布的金属化过孔。

3.根据权利要求1所述的基于三功能电壁的毫米波宽带宽角扫描天线阵列，其特征在于，所述第一层介质基板（301）和第三层介质基板（303）的材料均为Rogers RO5880，第二层介质基板（302）的材料为Rogers CuClad6250，第四层介质基板（304）的材料为RogersRO4003C。

4.根据权利要求1所述的基于三功能电壁的毫米波宽带宽角扫描天线阵列，其特征在于，所述第一层介质基板（301）、第二层介质基板（302）、第三层介质基板（303）、第四层介质基板（304）的厚度分别为：0.381mm、0.787mm、0.038mm、厚度为0.203mm。

5.根据权利要求1所述的基于三功能电壁的毫米波宽带宽角扫描天线阵列，其特征在于，所述解耦组件的解耦频率表达式为：

其中，表示解耦频率，表示金属通孔组的电感，表示金属条带的电容。

6.根据权利要求1所述的基于三功能电壁的毫米波宽带宽角扫描天线阵列，其特征在于，两个阵列单元之间的间距为0.41；

其中,表示中心频率的自由空间波长。

7.根据权利要求6所述的基于三功能电壁的毫米波宽带宽角扫描天线阵列，其特征在于，所述中心频率为27GHz。

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