CN116053777A - 一种应用于毫米波段相控阵的双极化微带贴片天线 - Google Patents

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游长江
张乃柏
王子凡
黄建明
杨军
郭秋泉
杨光耀
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Beijing University of Posts and Telecommunications
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Beijing University of Posts and Telecommunications
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Abstract

本发明为一种应用于毫米波段相控阵的双极化微带贴片天线，属于射频前端领域。该天线主要包括两个基板及两个贴片结构，其中顶层贴片由两个同轴探针进行馈电，馈电端口有两个馈电缝隙，底层贴片为十字型，其增加了双极化天线辐射的交叉极化比。本发明天线在H面±45°实现了双极化特性，10dB相对带宽为38.9%，辐射方向图半功率波束宽度都大于100°。本发明天线具有结构简单、制造简单的特点，其采用平面微带结构，可以实现快速印刷制造。

Description

一种应用于毫米波段相控阵的双极化微带贴片天线
技术领域
本发明涉及一种双极化微带贴片天线，主要应用在Ka频段的相控阵天线中，属于射频前端器件领域。
背景技术
双极化天线因其具有频率复用、极化分集、抗干扰能力强、抗多路径衰落等多重优点，在毫米波段相控阵天线中具有重要的应用价值。双极化天线可以采用多种天线类型，实现双极化的设计方法主要可以分为两类，第一类是利用辐射单元在空间位置或结构上的正交来实现双极化，第二类是激励起天线本身两个不同的模式实现电场的正交以实现双极化。目前在较低频率双极化天线的方向图和增益都较为理想，但在应用到毫米波段后，两种方法设计的天线都存在着带宽较窄、方向图不理想等问题，难以在相控阵中发挥很好的作用。
由于相控阵天线需要大角度扫描。因此需要一款带宽较宽、方向图覆盖角度较宽的天线。但是，现有技术中尚没有这样的方案。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种应用于毫米波段相控阵的双极化微带贴片天线，该天线基于背景技术中的第二类实现天线双极化特性的方法，所设计天线具有较高的带宽，可以完整覆盖工作频段，具有较宽的方向图，可以更好地满足相控阵扫描角度要求。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种应用于毫米波段相控阵的双极化微带贴片天线，包括第一贴片1、第二贴片4、第一介质基板8、第二介质基板9、粘合层10、金属地7以及馈电结构；所述第一介质基板8位于顶层，所述第二介质基板9位于底层，所述粘合层10用于连接第一介质基板8和第二介质基板9；所述第一贴片1位于第一介质基板8上方，所述第二贴片4位于第二介质基板9上方，所述金属地7位于第二介质基板9下方；所述馈电结构包括两个同轴探针3，同轴探针3贯穿第一介质基板8和第二介质基板9，同轴探针3在径向方向上与第一贴片1和金属地7均具有缝隙2。
进一步地，所述第一贴片1的主体由大正方形贴片切除四角处的矩形结构所形成的十字型结构再旋转45°得到，第一贴片1十字型结构的左上、右上两个分支上各有一个圆形镂空区域，两个圆形镂空区域中央各具有一个圆形金属片，圆形金属片与同轴探针3半径相等，圆形金属片与第一贴片1十字型结构之间的空隙即为缝隙2。
进一步地，所述同轴探针3的半径大于或等于150微米，两个同轴探针3分别位于两个圆形金属片的正下方，每个同轴探针3均与各自上方的圆形金属片直接连接以实现馈电，缝隙2的轴线与同轴探针3的轴线重合。
进一步地，同轴探针3到第一贴片1中心的距离在300微米到600微米之间，第一贴片1与同轴探针3之间的缝隙的宽度大于或等于100微米。
进一步地，所述第二贴片4为正方形结构切除四角处的矩形结构所形成的十字型结构，四个被切除的矩形结构相同且关于第二贴片4的中心呈对称分布；第二贴片4与同轴探针3的最小距离大于或等于500微米；第二贴片4的水平边长度大于垂直边长度。
本发明相比背景技术具有如下优点：
a）带宽较宽，10dB带宽范围在26.3GHz-40GHz，接近15GHz，在同轴线馈电天线中具有较好的宽带特性。
b）天线在H面±45°实现双极化，对应辐射方向图半功率波束宽度都大于100°，其中H面指垂直于贴片1的平面，-45°方向指以贴片1中心顺时针绕制45°的方向。
c）结构简单、制造方便，不需要复杂的馈电网络，平面贴片结构可以实现快速印刷制造。
附图说明
图1是本发明实施例中第一贴片的俯视图。
图2是本发明实施例中第二贴片的俯视图。
图3是本发明实施例中天线整体结构的侧视图。
图4是本发明实施例中天线整体结构的爆炸图。
图5是本发明实施例中天线的反射系数曲线图。
图6是本发明实施例中天线在29GHz下H面（45°）的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
如图1-4所示，一种应用于毫米波段相控阵的双极化微带贴片天线，其为一种基于两根同轴探针馈电的贴片天线，包括第一贴片1、第二贴片4、第一介质基板8、第二介质基板9、Prepreg粘合层10、金属地7以及馈电结构；所述第一介质基板8位于顶层，所述第二介质基板9位于底层，所述粘合层10用于连接第一介质基板8和第二介质基板9；所述第一贴片1位于第一介质基板8上方，所述第二贴片4位于第二介质基板9上方，所述金属地7位于第二介质基板9下方；所述馈电结构包括两个同轴探针3，同轴探针3贯穿第一介质基板8和第二介质基板9，同轴探针3在径向方向上与第一贴片1和金属地7均具有缝隙2；第一贴片1的主体由大正方形贴片切除四角处的矩形结构所形成的十字型结构再旋转45°得到，第一贴片1十字型结构的左上、右上两个分支上各有一个圆形镂空区域，两个圆形镂空区域中央各具有一个圆形金属片，圆形金属片与同轴探针3半径相等，圆形金属片与第一贴片1十字型结构之间的空隙即为缝隙2；同轴探针3的半径大于或等于150微米，两个同轴探针3分别位于两个圆形金属片的正下方，每个同轴探针3均与各自上方的圆形金属片直接连接以实现馈电，缝隙2的轴线与同轴探针3的轴线重合；第二贴片4为正方形结构切除四角处的矩形结构所形成的十字型结构，四个被切除的矩形结构相同且关于第二贴片4的中心呈对称分布；第二贴片4与同轴探针3的最小距离大于或等于500微米；第二贴片4的水平边长度大于垂直边长度。
该天线的单元输入信号端口结构相同，位置对称，均直接连接到第一贴片1上。
具体来说，图1中，第一贴片1是旋转的十字型结构，切除矩形部分的目的是调整天线工作频段，并能减小上层贴片的尺寸；两根同轴探针的位置关于基板中心线左右对称，位于第一贴片1中心点交叉±45°方向，距离中心300微米到600微米之间，用以调节阻抗匹配；切除的缝隙2可以做电容补偿，以进行阻抗匹配。
图2中，第二贴片4是由矩形金属片切除四角的矩形结构形成，其主要作用是增加馈电端口的隔离度，调整其结构可以增大天线±45°辐射方向图的交叉极化。
为了减小损耗，金属材料采用电阻率小的金属，如铝、铜、金等，介质基板8和9采用损耗较小的材料Taconic RF-30。
同轴探针3的馈电位置、第二贴片4的形状都会对天线单元带宽、增益以及端口隔离度产生重要影响，具体表现为：
a）由于同轴探针中心位置影响天线的阻抗匹配，同轴探针中心距离贴片1中心距离过远或过近、缝隙环的过宽或过窄都会使得天线带宽过小甚至阻抗失配；
b）在一定范围内，第二贴片4切除的小矩形结构尺寸越大，整体天线的带宽会越高，端口隔离度越好，交叉极化也越大。
因此，选择合理的同轴探针中心位置、第二贴片4的尺寸结构对提升该双极化贴片天线整体性能具有重要意义。
下面，以具体实施例的形式对该双极化贴片天线结构进行说明（下面数据单位为微米）：
图1结构的尺寸为：
直径D1=300，直径D2=500，结构L1=720，结构L2=840；
图2结构的尺寸为：
结构L3=1400，结构L4=900，结构L5=500；
图3结构的尺寸为：
基板宽度L6=3000，介质基板8厚度L7=254，介质基板9厚度L8=762，粘合层10厚度L9=100，贴片与金属地的金属层厚度为18，同轴探针外壁直径L10=690。
此时，双极化贴片天线单元的反射系数仿真结果图为：
图4中显示的是该双极化贴片天线的反射系数曲线，显示该天线单元在26.35-40GHz的频率范围内S11显著小于-10dB。
图5中显示的是该双极化贴片天线在方向角为45°时H面的辐射方向图，其半功率波束宽度大于100°。
总之，本发明天线主要由两个贴片结构组成，其中顶层贴片由两个同轴探针进行馈电，馈电端口有两个馈电缝隙，底层贴片为十字型，其增加了双极化天线辐射的交叉极化比。本发明天线在H面±45°实现了双极化特性，10dB相对带宽为38.9%，辐射方向图半功率波束宽度都大于100°。该天线具有结构简单、制造简单的特点，其采用平面微带结构，可以实现快速印刷制造。

Claims (5)

1.一种应用于毫米波段相控阵的双极化微带贴片天线，其特征在于，包括第一贴片（1）、第二贴片（4）、第一介质基板（8）、第二介质基板（9）、粘合层（10）、金属地（7）以及馈电结构；所述第一介质基板（8）位于顶层，所述第二介质基板（9）位于底层，所述粘合层（10）用于连接第一介质基板（8）和第二介质基板（9）；所述第一贴片（1）位于第一介质基板（8）上方，所述第二贴片（4）位于第二介质基板（9）上方，所述金属地（7）位于第二介质基板（9）下方；所述馈电结构包括两个同轴探针（3），同轴探针（3）贯穿第一介质基板（8）和第二介质基板（9），同轴探针（3）在径向方向上与第一贴片（1）和金属地（7）均具有缝隙（2）。
2.根据权利要求1所述的一种应用于毫米波段相控阵的双极化微带贴片天线，其特征在于，所述第一贴片（1）的主体由大正方形贴片切除四角处的矩形结构所形成的十字型结构再旋转45°得到，第一贴片（1）十字型结构的左上、右上两个分支上各有一个圆形镂空区域，两个圆形镂空区域中央各具有一个圆形金属片，圆形金属片与同轴探针（3）半径相等，圆形金属片与第一贴片（1）十字型结构之间的空隙即为缝隙（2）。
3.根据权利要求2所述的一种应用于毫米波段相控阵的双极化微带贴片天线，其特征在于，所述同轴探针（3）的半径大于或等于150微米，两个同轴探针（3）分别位于两个圆形金属片的正下方，每个同轴探针（3）均与各自上方的圆形金属片直接连接以实现馈电，缝隙（2）的轴线与同轴探针（3）的轴线重合。
4.根据权利要求3所述的一种应用于毫米波段相控阵的双极化微带贴片天线，其特征在于，同轴探针（3）到第一贴片（1）中心的距离在300微米到600微米之间，第一贴片（1）与同轴探针（3）之间的缝隙的宽度大于或等于100微米。
5.根据权利要求4所述的一种应用于毫米波段相控阵的双极化微带贴片天线，其特征在于，所述第二贴片（4）为正方形结构切除四角处的矩形结构所形成的十字型结构，四个被切除的矩形结构相同且关于第二贴片（4）的中心呈对称分布；第二贴片（4）与同轴探针（3）的最小距离大于或等于500微米；第二贴片（4）的水平边长度大于垂直边长度。
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