CN116914446B - 高频比双波束共口径天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高频比双波束共口径天线，包括由上至下依次层叠设置的顶层金属结构、第一介质基片、中间层金属结构、第二介质基片、金属大地、第三介质基片和底层金属结构，还包括第一金属化过孔、第二金属化过孔、第三金属化过孔以及金属探针，第一金属化过孔贯通第一介质基片，第二金属化过孔贯通第二介质基片，第三金属化过孔依次贯通第一介质基片、中间层金属结构、第二介质基片、金属大地以及第三介质基片，金属探针依次贯通第三介质基片、金属大地、第二介质基片、中间层金属结构以及第一介质基片。该方案使得高频比共口径天线获得双波束辐射，同时天线整体尺寸与剖面相对于低频天线无增加，且各高频天线单元具有独立馈电通道。

Description

高频比双波束共口径天线

技术领域

本发明一般涉及通信领域，具体涉及微波通信领域，尤其涉及一种高频比双波束共口径天线。

背景技术

共口径天线是指工作在不同频段的天线共融在同一口径内，以达到减少天线总口径、减少天线数量等效果。高频比共口径天线是一种特殊的共口径天线，是特指共口径的两个天线的工作频带频率比较大，一般在7以上。

现有的高频比共口径天线主要为单波束天线，其设计方法主要有以下四种：第一种是低频端射偶极子或维瓦尔第天线前方放置毫米波偶极子阵，前者作为后者反射地及基于前者构建毫米波偶极子的馈电结构，形成端射型高频比共口径天线，毫米波各单元能够获得独立馈电通道，但是天线整体尺寸相对于低频天线会有一定增加；第二种是增加低频贴片的厚度使其内部形成基片集成波导腔，并通过上表面开槽形成毫米波的基片集成波导槽阵列天线，从而实现边射型高频比共口径天线，但是天线整体剖面相对于低频天线有一定增加，并且无法为各毫米波波单元提供独立馈电通道；第三种是将毫米波贴片阵列放置于低频贴片天线上方，低频贴片同时作为毫米波天线的金属地，获得边射型高频比共口径天线，该类天线整体剖面相对于低频天线有一定增加，在为各毫米波波单元提供独立馈电通道时容易影响底层低频贴片天线工作；第四种是将周期性栅格结构作为毫米波频段的部分反射表面获得高增益毫米波辐射，同时等价为低频贴片天线获得边射型辐射，整体为边射型高频比共口径天线，该类天线好处是整体天线尺寸和剖面都等同于低频天线，没有额外增加，但是无法为各毫米波波单元提供独立馈电通道。

双波束天线相比单波束天线能实现双向辐射，解决波束覆盖区域单一的问题，具有减少天线数量、节约天线体积、提高信道容量和通信链路质量、有效克服多径衰落等效果。但是目前并没有关于双波束高频比共口径天线的相关报道，而高频比双波束共口径天线能够同时获得高频比共口径天线及双波束特性的优点，具有较高的工程及研究价值。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种高频比双波束共口径天线。

本发明实施例提供一种高频比双波束共口径天线，包括由上至下依次层叠设置的顶层金属结构、第一介质基片、中间层金属结构、第二介质基片、金属大地、第三介质基片和底层金属结构，还包括第一金属化过孔、第二金属化过孔、第三金属化过孔以及金属探针；

所述顶层金属结构包括第一矩形金属贴片，所述第一矩形金属贴片具有两个第一矩形槽和位于两个所述第一矩形槽之间的第二矩形槽，每个所述第一矩形槽内设有一凳状金属贴片，所述第二矩形槽内设有第三矩形金属贴片；所述凳状金属贴片具有第三矩形槽以及较所述第三矩形槽靠近所述第二矩形槽的U形开口槽，所述第三矩形槽和所述U形开口槽内分别设有第二矩形金属贴片，四个所述第二矩形金属贴片在第一方向上依次排布，所述第一方向为所述第一矩形金属贴片的长度方向；所述第二矩形金属贴片具有第一圆形槽，所述第一圆形槽内设有圆形金属贴片；所述第一矩形金属贴片、所述凳状金属贴片、所述第二矩形金属贴片、所述圆形金属贴片以及所述第三矩形金属贴片共面设置在所述第一介质基片上；

所述中间层金属结构包括在所述第一方向上间隔设置的四个第四矩形金属贴片，所述底层金属结构包括在所述第一方向上间隔设置的四条金属条带，所述四个第四矩形金属贴片、所述四条金属条带分别与四个所述第二矩形金属贴片一一对应；

相对应的所述第二矩形金属贴片和所述第四矩形金属贴片通过所述第一金属化过孔连接；

所述第四矩形金属贴片通过所述第二金属化过孔与所述金属大地相连；

相对应的所述圆形金属贴片和所述金属条带通过所述第三金属化过孔连接；

所述第一矩形金属贴片、所述第三矩形金属贴片和所述金属大地构成低频天线；

每条所述金属条带对应一个高频天线单元，所述高频天线单元包括所述第二矩形金属贴片、所述圆形金属贴片、所述第四矩形金属贴片、所述第一金属化过孔、所述第二金属化过孔和金属大地，四条所述金属条带所对应的高频天线单元构成高频天线。

在一些示例中，两个所述第一矩形槽在所述第一方向上间隔设置，所述第二矩形金属贴片的长度方向、所述第三矩形金属贴片的长度方向均沿第二方向，所述第二方向与所述第一方向垂直；

所述凳状金属贴片包括第一长边、第一短边、第二长边以及第二短边，所述第一长边、所述第一短边和所述第二长边顺次相连，所述第二短边的两端分别与所述第一长边、所述第二长边相连，所述凳状金属贴片以所述第二短边为分界线形成所述第三矩形槽和所述U形开口槽，所述第一长边和所述第二长边均沿所述第一方向延伸，所述第一短边和所述第二短边均沿所述第二方向延伸；

所述第一金属化过孔贯通所述第一介质基片；

所述第二金属化过孔贯通所述第二介质基片；

所述第三金属化过孔依次贯通所述第一介质基片、所述中间层金属结构、所述第二介质基片、所述金属大地以及所述第三介质基片；

所述金属探针依次贯通所述第三介质基片、所述金属大地、所述第二介质基片、所述中间层金属结构以及所述第一介质基片。

在一些示例中，所述第二矩形金属贴片与对应的所述第四矩形金属贴片之间通过两个所述第一金属化过孔相连，两个所述第一金属化过孔分别挨着所述第二矩形金属贴片的两条长边的内侧设置；

与所述第二矩形金属贴片对应的圆形金属贴片连接单个所述第三金属化过孔；

对应于单个所述第二矩形金属贴片，两个所述第一金属化过孔在所述第一方向上关于所述第三金属化过孔对称设置。

在一些示例中，所述第四矩形金属贴片的长度方向与所述第一方向垂直，所述第四矩形金属贴片具有第二圆形槽，所述第三金属化过孔绝缘穿过所述第二圆形槽；

所述金属大地具有四个第三圆形槽和中心圆形槽，所述四个第三圆形槽与所述四个圆形金属贴片一一对应，所述第三金属化过孔绝缘穿过所述第三圆形槽；

所述金属探针绝缘穿过所述中心圆形槽。

在一些示例中，所述金属条带的延伸方向垂直于所述第一方向，每条所述金属条带的第一端与对应的所述圆形金属贴片的中心对齐，相邻两条所述金属条带自第一端往第二端延伸的方向相反；和/或，

所述四条金属条带在所述第一方向上等间距分布。

在一些示例中，所述第一矩形金属贴片的长为0.38λ₀₁-0.42λ₀₁，宽为0.21λ₀₁-0.25λ₀₁；和/或，

所述第一矩形槽的长为0.14λ₀₁-0.18λ₀₁，宽为0.09λ₀₁-0.13λ₀₁；和/或，

所述第二矩形金属贴片的长为0.57λ₀₂-0.61λ₀₂，宽为0.22λ₀₂-0.26λ₀₂；和/或，

所述第四矩形金属贴片的长为0.09λ₀₁-0.13λ₀₁，宽为0.032λ₀₁-0.036λ₀₁；和/或，

所述第二金属化过孔的直径为0.0015λ₀₁-0.0019λ₀₁，高度为0.016λ₀₁-0.018λ₀₁；和/或，

单个所述第四矩形金属贴片对应多根所述第二金属化过孔，对应于单个所述第四矩形金属贴片相邻两个所述第二金属化过孔的中心距为0.0067λ₀₁-0.0071λ₀₁，最边缘的所述第二金属化过孔到所述第四矩形金属贴片的边缘的距离为0.0026λ₀₁-0.0076λ₀₁；和/或，

所述第一介质基片的厚度为0.0092λ₀₁-0.0096λ₀₁；和/或，

所述第一金属化过孔直径均在0.0015λ₀₁-0.0019λ₀₁之间，高度在0.0096λ₀₁-0.01λ₀₁之间，对应于单个所述第二矩形金属贴片的两个所述第一金属化过孔的中心距为0.028λ₀₁-0.032λ₀₁；和/或，

在所述第一方向上所述凳状金属贴片到所述第一矩形槽远离所述第二矩形槽的边沿的间距为0.0042λ₀₁-0.0046λ₀₁，在所述第一方向上所述凳状金属贴片到所述第一矩形槽靠近所述第二矩形槽的边沿的间距为0.001λ₀₁-0.0014λ₀₁，在所述第二方向上所述凳状金属贴片到所述第一矩形槽的边沿的间距为0.0042λ₀₁-0.0046λ₀₁；和/或，

所述金属条带71的宽度为0.005λ₀₁-0.0054λ₀₁，阻抗为47Ω-53Ω；和/或，

相邻所述高频天线单元的中心间距为0.5λ₀₂；

其中，λ₀₁为低频天线的中心频率对应的自由空间波长，λ₀₂为高频天线的中心频率对应的自由空间波长。

在一些示例中，相对应的所述第二矩形金属贴片、所述第一圆形槽、所述圆形金属贴片、所述第四矩形金属贴片、所述第二圆形槽以及所述第三圆形槽共轴线设置。

在一些示例中，所述第二矩形槽、所述第三矩形金属贴片、所述第一介质基片、所述中心圆形槽与所述金属探针共轴线设置。

在一些示例中，所述第一介质基片、所述第二介质基片以及所述第三介质基片均呈矩形结构、长宽尺寸一致且长度方向一致；所述高频比双波束共口径天线关于所述第一介质基片的中心呈中心对称图形。

在一些示例中，所述低频天线工作模式为TM₂₀模式，所述低频天线通过所述金属探针馈入低频信号；

所述高频天线单元工作模式为TM₀₂模式，所述高频天线单元通过所述金属条带馈入高频信号。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明实施例提供的高频比双波束共口径天线，将多个高频天线单元共面嵌入低频天线，不增加低频天线剖面和尺寸；

第四矩形金属贴片、金属大地以及第二金属化过孔组成台阶地结构，有效减少高频天线表面波，确保高频比共口径天线的高频双波束辐射特性；

各高频天线单元具有对应的金属条带和第三金属化过孔，使得各高频天线单元能够获得独立馈电通道；

优选的，相对应的第二矩形金属贴片与第四矩形金属贴片之间通过两个第一金属化过孔相连，两个第一金属化过孔分别挨着第二矩形金属贴片的两条长边的边沿内侧设置，如此能够减少高频天线单元的交叉极化电流。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例提供的高频比双波束共口径天线的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的高频比双波束共口径天线的顶层金属结构在第一介质基片上的投影示意图；

图3为本发明实施例提供的高频比双波束共口径天线的中间层金属结构、金属探针及各金属化过孔在第二介质基片上的投影示意图；

图4为本发明实施例提供的高频比双波束共口径天线的金属大地、金属探针及各金属化过孔在第三介质基片上的投影示意图；

图5为本发明实施例提供的高频比双波束共口径天线的底层金属结构、金属探针在第三介质基片上的投影示意图；

图6为本发明实施例提供的高频比双波束共口径天线在低频段的匹配响应、隔离响应和增益响应示意图；

图7为本发明实施例提供的高频比双波束共口径天线在高频段的匹配响应、隔离响应和增益响应示意图；

图8为本发明实施例提供的高频比双波束共口径天线在3.48GHz处的E面(xoz面)仿真辐射方向图；

图9为本发明实施例提供的高频比双波束共口径天线在3.495GHz处的E面(xoz面)仿真辐射方向图；

图10为本发明实施例提供的高频比双波束共口径天线在3.51GHz处的E面(xoz面)仿真辐射方向图；

图11为本发明实施例提供的高频比双波束共口径天线在25.8GHz处的E面(yoz面)仿真辐射方向图；

图12为本发明实施例提供的高频比双波束共口径天线在26.1GHz处的E面(yoz面)仿真辐射方向图：

图13为本发明实施例提供的高频比双波束共口径天线在26.4GHz处的E面(yoz面)仿真辐射方向图。

附图标记说明：

1-顶层金属结构，

101-第一矩形槽，102-第一矩形金属贴片，103-凳状金属贴片，1031-第一长边，1032-第一短边，1033-第二长边，1034-第二短边，104-第二矩形金属贴片，105-第一圆形槽，106-圆形金属贴片，107-第二矩形槽，108-第三矩形金属贴片，109-第三矩形槽，110-U形开口槽，

2-第一介质基片，

3-中间层金属结构，301-第四矩形金属贴片，302-第二圆形槽，

4-第二介质基片，

5-金属大地，501-第三圆形槽，502-中心圆形槽，

6-第三介质基片，

7-底层金属结构，71-金属条带，711-第一端，712-第二端，

802-第一金属化过孔，803-第二金属化过孔、801-第三金属化过孔，

9-金属探针；

x-第一方向，y-第二方向，z-第三方向。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1至图5所示，本发明实施例提供一种高频比双波束共口径天线，包括由上至下依次层叠设置的顶层金属结构1、第一介质基片2、中间层金属结构3、第二介质基片4、金属大地5、第三介质基片6和底层金属结构7，还包括第一金属化过孔802、第二金属化过孔803、第三金属化过孔801以及金属探针9；

顶层金属结构1包括第一矩形金属贴片102，第一矩形金属贴片102具有两个第一矩形槽101和位于两个第一矩形槽101之间的第二矩形槽107，每个第一矩形槽101内设有一凳状金属贴片103，第二矩形槽107内设有第三矩形金属贴片108；凳状金属贴片103具有第三矩形槽109以及较第三矩形槽109靠近第二矩形槽107的U形开口槽110，第三矩形槽109和U形开口槽110内分别设有第二矩形金属贴片104，四个第二矩形金属贴片104在第一方向上依次排布，第一方向为第一矩形金属贴片102的长度方向；第二矩形金属贴片104具有第一圆形槽105，第一圆形槽105内设有圆形金属贴片106；第一矩形金属贴片102、凳状金属贴片103、第二矩形金属贴片104、圆形金属贴片106以及第三矩形金属贴片108共面设置在第一介质基片2上；

中间层金属结构3包括在第一方向上间隔设置的四个第四矩形金属贴片301，底层金属结构7包括在第一方向上间隔设置的四条金属条带71，四个第四矩形金属贴片301、四条金属条带71分别与四个第二矩形金属贴片104一一对应；

相对应的第二矩形金属贴片104和第四矩形金属贴片301通过第一金属化过孔802连接；

第四矩形金属贴片301通过第二金属化过孔803与金属大地5相连；

相对应的圆形金属贴片106和金属条带71通过第三金属化过孔801连接；

第一矩形金属贴片102、第三矩形金属贴片108和金属大地5构成低频天线；

每条金属条带71对应一个高频天线单元，高频天线单元包括第二矩形金属贴片104、圆形金属贴片106、第四矩形金属贴片301、第一金属化过孔802、第二金属化过孔803和金属大地5，，四条所述金属条带71所对应的高频天线单元构成高频天线。

该实施例提供的高频比共口径双波束天线中，第一矩形金属贴片102含有两个第一矩形槽101和位于两个第一矩形槽101之间的第二矩形槽107，第二矩形槽107内设有第三矩形金属贴片108，第一矩形金属贴片102、第三矩形金属贴片108和金属大地5组成低频天线；该实施例提供的高频比共口径双波束天线的高频天线包括四个高频天线单元，图1中以虚线框圈出高频天线单元，每个高频天线单元包括第二矩形金属贴片104、设置在第二矩形金属贴片104的第一圆形槽105内的圆形金属贴片106、与第二矩形金属贴片106对应的第四矩形金属贴片301、第一金属化过孔802、第二金属化过孔803以及金属大地5。其中，第一矩形槽101和位于第一矩形槽101内的凳状金属贴片103作为高、低频天线的共融调节结构。

该实施例中，高频天线在毫米波频段具有双波束辐射特性，低频天线在微波频段具有双波束辐射特性，高频天线嵌入低频天线设置，使高频比共口径天线获得双频双波束辐射特性；多个高频天线单元共面嵌入低频天线，不增加低频天线剖面和尺寸；高频天线单元通过圆形金属贴片106连接金属条带71，各高频天线单元具有独立馈电通道。

进一步地，两个第一矩形槽101在第一方向上间隔设置，第二矩形金属贴片104的长度方向、第三矩形金属贴片108的长度方向沿第二方向，第二方向与第一方向垂直；

凳状金属贴片103包括第一长边1031、第一短边1032、第二长边1033以及第二短边1034，第一长边1031、第一短边1032和第二长边1033顺次相连，第二短边的两端分别与第一长边1031、第二长边1033相连，凳状金属贴片103以第二短边1034为分界线形成第三矩形槽109和U形开口槽110，第一长边1031和第二长边1033均沿第一方向延伸，第一短边1032和第二短边1034均沿第二方向延伸；

第一金属化过孔802贯通第一介质基片2；

第二金属化过孔803贯通第二介质基片4；

第三金属化过孔801依次贯通第一介质基片2、中间层金属结构3、第二介质基片4、金属大地5以及第三介质基片6；

金属探针9依次贯通第三介质基片6、金属大地5、第二介质基片4、中间层金属结构3以及第一介质基片2。

该实施例中，两个凳状金属贴片103的U形开口槽110在第一方向上相对设置；第一方向为第一矩形金属贴片102的长度方向，第二矩形金属贴片104的长度方向、第三矩形金属贴片108的长度方向均与第一方向垂直，如此在第一矩形金属贴片102的长度方向上实现高频天线单元的合理布设。

本发明中，引入两两相互垂直的第一方向、第二方向和第三方向以更好地描述天线的结构。参照图1至图5，x表示第一方向(即第一矩形金属贴片102的长度方向)，y表示第二方向，z表示第三方向(即天线的厚度方向，具体为顶层金属结构1、第一介质基片2、中间层金属结构3、第二介质基片4、金属大地5、第三介质基片6和底层金属结构7的层叠方向)。

进一步地，低频天线工作模式为TM₂₀模式，低频天线通过金属探针9馈入低频信号；高频天线单元工作模式为TM₀₂模式，高频天线单元通过金属条带71馈入高频信号。

该实施例中，低频信号从金属探针9馈入，进入第三矩形金属贴片108，并耦合至低频天线；高频信号分别从四条金属条带71馈入，经过第三金属化过孔801进入圆形金属贴片106，耦合至各高频天线单元；在低、高频天线结构及共融调节结构的共同作用下，形成低频xoz平面的双向辐射及高频yoz平面的双向辐射。

其中，低频天线的双向辐射通过激励起低频天线主体的TM₂₀模式实现，高频天线单元的双向辐射均通过激励起各金属贴片的TM₀₂模式实现，为了相对于低频天线不额外增加天线整体剖面高度及尺寸，本发明将高频天线内嵌于低频天线，且辐射主体处于同一水平面内。但是这意味着在高频比的情况下，高频天线剖面的电尺寸远大于低频天线，为0.19-0.23λ₀₂，λ₀₂为高频天线单元的中心频率对应的自由空间波长，这会导致高频天线出现大量表面波，极大影响高频天线的双波束辐射。本发明实施例中第四矩形金属贴片301、金属大地5以及第二金属化过孔803组成台阶地结构，该台阶地结构位于高频天线单元的第二矩形金属贴片104的正下方，能有效降低高频天线的等效剖面高度，减少高频段下高频天线因高剖面出现的表面波，确保高频天线的双波束辐射基础特性，使得整体天线剖面高度相对于低频天线不额外增加。

进一步地，第二矩形金属贴片104与对应的第四矩形金属贴片301之间通过两个第一金属化过孔802相连；

与第二矩形金属贴片104对应的圆形金属贴片106连接单个第三金属化过孔801；

对应于单个第二矩形金属贴片104，两个第一金属化过孔802在第一方向上关于第三金属化过孔801对称设置。

该实施例中，第二矩形金属贴片104与对应的第四矩形金属贴片301之间通过两个第一金属化过孔802相连，即第二矩形金属贴片104与第四矩形金属贴片301之间通过双过孔相连，同时配合前述台阶地结构、第一矩形金属贴片102的第一矩形槽101以及凳状金属贴片103，将多个高频天线单元共面嵌入低频天线，以便减少高频天线表面波及交叉极化电流，扼制低频天线上下侧交叉极化电流，从而实现具有正常双波束辐射特性的高频比共口径天线，且相对于低频天线不增加天线剖面和尺寸，各高频天线单元具有独立馈电通道；

对应于单个第二矩形金属贴片104，两个第一金属化过孔802在第一方向上关于第三金属化过孔801对称设置，通过对称设置在对应于单个第二矩形金属贴片104的区域内，可以使得第一金属化过孔802、第三金属化过孔801合理排布，同时方便第一金属化过孔802、第三金属化过孔801的加工。

可以理解的是，第二矩形金属贴片104的长度方向沿着第二方向y，第二矩形金属贴片104的宽度方向沿着第一方向x。

需要注意的是，本实施例中优选两个第一金属化过孔802分别紧挨第二矩形金属贴片104的长边的内侧且正对各长边的中心处设置。高频天线为了获得较好的匹配，需要调节圆形金属贴片106与第一圆形槽105的尺寸，由于匹配时两者的尺寸相对于第二矩形金属贴片104的宽度占比较大，导致在第二矩形金属贴片104的两条长边的边沿处产生x方向电流，形成xoz面上的辐射，破坏了yoz面双向辐射的纯粹性。对此，本实施例在第二矩形金属贴片104的两个长边的中心处的内侧分别设置了第一金属化过孔802，能够扼制x方向的电流，在第二矩形金属贴片104的表面维持±y方向电流，保持较好的yoz面双向辐射。

进一步地，第四矩形金属贴片301的长度方向与第一方向垂直，第四矩形金属贴片301具有第二圆形槽302，第三金属化过孔801绝缘穿过第二圆形槽302并与第四矩形金属贴片301绝缘；

金属大地5具有四个第三圆形槽501和中心圆形槽502，四个第三圆形槽501与四个圆形金属贴片106一一对应，第三金属化过孔801绝缘穿过第三圆形槽501并与金属大地5绝缘；

金属探针9绝缘穿过中心圆形槽502并与金属大地5绝缘。

该实施例中，第四矩形金属贴片301作为高频天线单元的一部分，其长度方向与第一方向(即第一矩形金属贴片102的长度方向)垂直，如此能够在第一矩形金属贴片102的长度方向上置入多个高频天线单元；

第三金属化过孔801绝缘穿过第四矩形金属贴片301的第二圆形槽302，确保第三金属化过孔801与中间层金属结构3之间无电性连接关系；同时第三金属化过孔801绝缘穿过第三圆形槽501，确保第三金属化过孔801与金属大地5之间无电性连接关系；如此设置可以确保第三金属化过孔801仅连接金属条带71与圆形金属贴片106。

另外，金属探针9绝缘穿过中心圆形槽502，确保金属探针9与金属大地5之间无电性连接关系。

可以理解的是，本发明的实施例中，第一矩形槽101、第二矩形槽107、第一圆形槽105、第三矩形槽109、U形开口槽110、第二圆形槽302、第三圆形槽501以及中心圆形槽502均为通槽。

进一步地，金属条带71的延伸方向垂直于第一方向，每条金属条带71的第一端711与对应的圆形金属贴片106的中心对齐，相邻两条金属条带71自第一端711往第二端712延伸的方向相反；和/或，

四条金属条带71在第一方向上等间距分布。

参照图5，在第一方向上四条金属条带71间隔分布；自图5的上侧至下侧，第一条金属条带71的第一端711往第二端712的延伸方向与第二条金属条带71的第一端711往第二端712延伸方向相反，第三条金属条带71的第一端711往第二端712的延伸方向同第一条金属条带71的第一端711往第二端712的延伸方向，第四条金属条带71的第一端711往第二端712的延伸方向同第二条金属条带71的第一端711往第二端712的延伸方向。如此设置方便各个金属条带71的设置，保持天线整体结构的平衡。

进一步地，相对应的第二矩形金属贴片104、第一圆形槽105、圆形金属贴片106、第四矩形金属贴片301、第二圆形槽302以及第三圆形槽501共轴线设置，如此便于确保第二矩形金属贴片104、圆形金属贴片106以及第四矩形金属贴片301在第三方向z上对准，确保第三金属化过孔801竖直穿过对应的第三圆形槽501和第二圆形槽302以与对应的圆形金属贴片106相连，从而确保高频信号的馈入。

进一步地，第二矩形槽107、第三矩形金属贴片108、第一介质基片2、中心圆形槽502与金属探针9共轴线设置，如此确保金属探针9竖直穿过中心圆形槽502以与第三矩形金属贴片108相连，进而确保通过金属探针9向第三矩形金属贴片108馈入低频信号，耦合至低频天线。

在一些示例性实施例中，第一矩形金属贴片102的长为0.38λ₀₁-0.42λ₀₁，宽为0.21λ₀₁-0.25λ₀₁；和/或，

第一矩形槽101的长为0.14λ₀₁-0.18λ₀₁，宽为0.09λ₀₁-0.13λ₀₁；和/或，

第二矩形金属贴片104的长为0.57λ₀₁-0.61λ₀₁，宽为0.22λ₀₁-0.26λ₀₁；和/或，

第四矩形金属贴片301的长为0.09λ₀₁-0.13λ₀₁，宽为0.032λ₀₁-0.036λ₀₁；和/或，

第二金属化过孔803的直径为0.0015λ₀₁-0.0019λ₀₁，高度为0.016λ₀₁-0.018λ₀₁；和/或，

单个第四矩形金属贴片301对应多根第二金属化过孔803，对应于单个第四矩形金属贴片301相邻两个第二金属化过孔803的中心间距为0.0067λ₀₁-0.0071λ₀₁，最边缘的第二金属化过孔803到第四矩形金属贴片301的边缘的距离为0.0026λ₀₁-0.0076λ₀₁；和/或，

第一介质基片2的厚度为0.0092λ₀₁-0.0096λ₀₁；和/或，

第一金属化过孔802直径为0.0015λ₀₁-0.0019λ₀₁，高度为0.0096λ₀₁-0.01λ₀₁，对应于单个第二矩形金属贴片104的两个第一金属化过孔802的中心距为0.028λ₀₁-0.032λ₀₁；和/或，

在第一方向上凳状金属贴片103到第一矩形槽101远离第二矩形槽107的边沿的间距为0.0042λ₀₁-0.0046λ₀₁，在第一方向上凳状金属贴片103到第一矩形槽101靠近第二矩形槽107的边沿的间距为0.001λ₀₁-0.0014λ₀₁，在第二方向上凳状金属贴片103到第一矩形槽101的边沿的间距为0.0042λ₀₁-0.0046λ₀₁；和/或，

金属条带71的宽度为0.005λ₀₁-0.0054λ₀₁，阻抗为47Ω-53Ω；和/或，

相邻高频天线单元的中心间距为0.5λ₀₂；

其中，λ₀₁为低频天线的中心频率对应的自由空间波长，λ₀₂为高频天线的中心频率对应的自由空间波长。

作为一种优选的实施方式，第四矩形金属贴片301的长为0.09λ₀₁-0.13λ₀₁，宽为0.032λ₀₁-0.036λ₀₁；

第二金属化过孔803的直径为0.0015λ₀₁-0.0019λ₀₁，高度为0.016λ₀₁-0.018λ₀₁；

单个第四矩形金属贴片301对应多根第二金属化过孔803，对应于单个第四矩形金属贴片301相邻两个第二金属化过孔803的中心距为0.0067λ₀₁-0.0071λ₀₁，最边缘的第二金属化过孔803到第四矩形金属贴片301的边缘的距离为0.0026λ₀₁-0.0076λ₀₁；

第一介质基片2的厚度为0.0092λ₀₁-0.0096λ₀₁，第一介质基片2的厚度对应于低频天线的主体(包括第一矩形金属贴片102和第三矩形金属贴片108)与第四矩形金属贴片301之间的物理剖面高度。

这样设置，位于金属大地5与低频天线的主体之间的四片第四矩形金属贴片301各自通过第二金属化过孔803与金属大地5导通形成台阶地结构，能有效降低高频天线的等效剖面高度，减少高频天线融入低频天线剖面后的表面波，恢复高频天线的双波束辐射基础特性，且相对于低频天线不额外增加天线整体剖面高度。

作为一种优选的实施方式，第一金属化过孔802直径为0.0015λ₀₁-0.0019λ₀₁，高度为0.0096λ₀₁-0.01λ₀₁，对应于单个第二矩形金属贴片104的两个第一金属化过孔802的中心间距为0.028λ₀₁-0.032λ₀₁。

高频天线单元中的第一金属化过孔，将高频天线单元上下中心的边沿与台阶地上表面导通，用于扼制x方向的电流，在金属贴片表面维持±y方向电流，保持高频天线较好的yoz面双向辐射。

作为一种优选的实施方式，金属条带71的宽度为0.005λ₀₁-0.0054λ₀₁，阻抗为47Ω-53Ω，相邻高频天线单元的中心间距为0.5λ₀₂。金属大地5、第三介质基片6以及位于第三介质基片6下表面的四条金属条带71，共同组成四条微带线，这样在第一方向x上排列的四个高频天线单元组成具有独立馈电通道的1×4高频天线阵列；微波传输系统中阻抗匹配一般为50Ω，金属条带71的阻抗为47Ω-53Ω，能够满足良好的阻抗匹配。

通过上述尺寸限定，使得天线支持双波束辐射、天线整体尺寸与剖面相对于低频天线无增加，高频天线各单元具有独立馈电通道。

在本发明的实施例中，当高频天线融入到低频天线中时，由于两者频率比较高，高频天线主要分布在低频天线的中间区域，如果没有第一矩形槽101，会导致低频天线在第一方向x的上下两侧区域出现y方向电流，减少极化电流(x方向电流)分布的有效面积，使得低频天线出现增益降低、交叉极化恶化等问题。两个第一矩形槽101对称分布于第一矩形金属贴片102内，将高频天线与低频天线的表面隔开，能够消除低频天线在第一方向x的上下两侧区域的y方向电流，并使第一矩形槽101左右两侧的金属表面恢复x方向电流，保证了低频天线正常工作。

在第一方向x上两个相对的凳状金属贴片103作用于高频天线，高频天线内嵌于凳状金属贴片103，凳状金属贴片103的第一长边1031、第二长边1032主要用于束缚高频天线的场，使其不以表面波的形式有过多的信号向天线左右边缘扩散，防止出现双波束平面内的旁瓣；凳状金属贴片103的第一短边1032、第二短边1034可以约束高频天线的场，使其不以表面波的形式有过多的信号向天线上下边缘扩散，从而维持双向辐射中心方位处较低的辐射水平。

在一些示例性实施例中，第一介质基片2、第二介质基片4以及第三介质基片6均呈矩形结构、长宽尺寸一致且长度方向一致，如此第一介质基片2、第二介质基片4和第三介质基片6可以是同一规格的介质基片，能有效降低天线加工设计的繁琐度，另外由于各介质基片起承载支撑的作用，这样基于任一介质基片的长宽尺寸，也限定了该高频比双波束共口径天线的长宽尺寸；

高频比双波束共口径天线关于第一介质基片2的中心呈中心对称图形，如此有效简化该高频比双波束共口径天线的复杂度。

在一些示例性实施例中，本实施例中优选第一介质基片、第二介质基片、第三介质基片的选择相对介电常数为3.55的材料，例如RogersRO4003C，低损耗，在不同频率下具有稳定的电特性，且成本低，从而确保天线的性能且减小天线的生产成本。

例如，本发明实施例中高频比双波束共口径天线电尺寸为0.4λ₀₁×0.23λ₀₁×0.03λ₀₁。

例如，一个具体的实施例中高频比双波束共口径天线在低频段的仿真的匹配响应和增益响应如图6所示，示例的低频工作频带覆盖3.47～3.52GHz，相对带宽为1.43％，工作频带内的最大增益为4.94dBi；一个具体的实施例中高频比双波束共口径天线在高频段的仿真的匹配响应和增益响应如图7所示，示例的高频阵列工作频带覆盖25.5～26.7GHz，相对带宽为4.98％，工作频带内的最大增益为10.76dBi。

图8、图9和图10分别为高频比双波束共口径天线在3.48GHz、3.495GHz和3.51GHz处的E面(xoz面)仿真辐射方向图，中心频率(3.495GHz)处两个波束指向±44°，3dB波束宽度为54.9°，在整个工作频带内，双波束辐射指向较为稳定。

图11、图12和图13分别为高频比双波束共口径天线在25.8GHz、26.1GHz和26.4GHz处的E面(yoz面)仿真辐射方向图，中心频率(26.1GHz)处两个波束指向±44°，3dB波束宽度为32.4°，在整个工作频带内，双波束辐射的指向波动小于10°，双波束辐射指向较为稳定。

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。

本发明采用第一、第二等来描述各种信息，但这些信息不应局限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种高频比双波束共口径天线，其特征在于，包括由上至下依次层叠设置的顶层金属结构(1)、第一介质基片(2)、中间层金属结构(3)、第二介质基片(4)、金属大地(5)、第三介质基片(6)和底层金属结构(7)，还包括第一金属化过孔(802)、第二金属化过孔(803)、第三金属化过孔(801)以及金属探针(9)；

所述顶层金属结构(1)包括第一矩形金属贴片(102)，所述第一矩形金属贴片(102)具有两个第一矩形槽(101)和位于两个所述第一矩形槽(101)之间的第二矩形槽(107)，每个所述第一矩形槽(101)内设有一凳状金属贴片(103)，所述第二矩形槽(107)内设有第三矩形金属贴片(108)；所述凳状金属贴片(103)具有第三矩形槽(109)以及较所述第三矩形槽(109)靠近所述第二矩形槽(107)的U形开口槽(110)，所述第三矩形槽(109)和所述U形开口槽(110)内分别设有第二矩形金属贴片(104)，四个所述第二矩形金属贴片(104)在第一方向上依次排布，所述第一方向为所述第一矩形金属贴片(102)的长度方向；所述第二矩形金属贴片(104)具有第一圆形槽(105)，所述第一圆形槽(105)内设有圆形金属贴片(106)；所述第一矩形金属贴片(102)、所述凳状金属贴片(103)、所述第二矩形金属贴片(104)、所述圆形金属贴片(106)以及所述第三矩形金属贴片(108)共面设置在所述第一介质基片(2)上；

所述中间层金属结构(3)包括在所述第一方向上间隔设置的四个第四矩形金属贴片(301)，所述底层金属结构(7)包括在所述第一方向上间隔设置的四条金属条带(71)，所述四个第四矩形金属贴片(301)、所述四条金属条带(71)分别与四个所述第二矩形金属贴片(104)一一对应；

相对应的所述第二矩形金属贴片(104)和所述第四矩形金属贴片(301)通过所述第一金属化过孔(802)连接；

所述第四矩形金属贴片(301)通过所述第二金属化过孔(803)与所述金属大地(5)相连；

相对应的所述圆形金属贴片(106)和所述金属条带(71)通过所述第三金属化过孔(801)连接；

所述第一矩形金属贴片(102)、所述第三矩形金属贴片(108)和所述金属大地(5)构成低频天线；

每条所述金属条带(71)对应一个高频天线单元，所述高频天线单元包括所述第二矩形金属贴片(104)、所述圆形金属贴片(106)、所述第四矩形金属贴片(301)、所述第一金属化过孔(802)、所述第二金属化过孔(803)和金属大地(5)，四条所述金属条带(71)所对应的高频天线单元构成高频天线；

两个所述第一矩形槽(101)在所述第一方向上间隔设置，所述第二矩形金属贴片(104)的长度方向、所述第三矩形金属贴片(108)的长度方向均沿第二方向，所述第二方向与所述第一方向垂直；

所述凳状金属贴片(103)包括第一长边(1031)、第一短边(1032)、第二长边(1033)以及第二短边(1034)，所述第一长边(1031)、所述第一短边(1032)和所述第二长边(1033)顺次相连，所述第二短边的两端分别与所述第一长边(1031)、所述第二长边(1033)相连，所述凳状金属贴片(103)以所述第二短边(1034)为分界线形成所述第三矩形槽(109)和所述U形开口槽(110)，所述第一长边(1031)和所述第二长边(1033)均沿所述第一方向延伸，所述第一短边(1032)和所述第二短边(1034)均沿所述第二方向延伸；

低频信号从所述金属探针(9)馈入，进入所述第三矩形金属贴片(108)，并耦合至所述低频天线；高频信号分别从四条所述金属条带(71)馈入，经过所述第三金属化过孔(801)进入所述圆形金属贴片(106)，耦合至各所述高频天线单元。

2.根据权利要求1所述的高频比双波束共口径天线，其特征在于，

所述第一金属化过孔(802)贯通所述第一介质基片(2)；

所述第二金属化过孔(803)贯通所述第二介质基片(4)；

所述第三金属化过孔(801)依次贯通所述第一介质基片(2)、所述中间层金属结构(3)、所述第二介质基片(4)、所述金属大地(5)以及所述第三介质基片(6)；

所述金属探针(9)依次贯通所述第三介质基片(6)、所述金属大地(5)、所述第二介质基片(4)、所述中间层金属结构(3)以及所述第一介质基片(2)。

3.根据权利要求1所述的高频比双波束共口径天线，其特征在于，所述第二矩形金属贴片(104)与对应的所述第四矩形金属贴片(301)之间通过两个所述第一金属化过孔(802)相连，两个所述第一金属化过孔(802)分别紧挨所述第二矩形金属贴片(104)的两条长边的内侧设置；

与所述第二矩形金属贴片(104)对应的圆形金属贴片(106)连接单个所述第三金属化过孔(801)；

对应于单个所述第二矩形金属贴片(104)，两个所述第一金属化过孔(802)在所述第一方向上关于所述第三金属化过孔(801)对称设置。

4.根据权利要求2所述的高频比双波束共口径天线，其特征在于，所述第四矩形金属贴片(301)的长度方向与所述第一方向垂直，所述第四矩形金属贴片(301)具有第二圆形槽(302)，所述第三金属化过孔(801)绝缘穿过所述第二圆形槽(302)；

所述金属大地(5)具有四个第三圆形槽(501)和中心圆形槽(502)，所述四个第三圆形槽(501)与所述四个圆形金属贴片(106)一一对应，

所述第三金属化过孔(801)绝缘穿过所述第三圆形槽(501)；

所述金属探针(9)绝缘穿过所述中心圆形槽(502)。

5.根据权利要求1所述的高频比双波束共口径天线，其特征在于，所述金属条带(71)的延伸方向垂直于所述第一方向，每条所述金属条带(71)的第一端(711)与对应的所述圆形金属贴片(106)的中心对齐，相邻两条所述金属条带(71)自第一端(711)往第二端(712)延伸的方向相反；和/或，

所述四条金属条带(71)在所述第一方向上等间距分布。

6.根据权利要求1所述的高频比双波束共口径天线，其特征在于，

所述第一矩形金属贴片(102)的长为0.38λ₀₁-0.42λ₀₁，宽为0.21λ₀₁-0.25λ₀₁；和/或，

所述第一矩形槽(101)的长为0.14λ₀₁-0.18λ₀₁，宽为0.09λ₀₁-0.13λ₀₁；和/或，

所述第二矩形金属贴片(104)的长为0.57λ₀₂-0.61λ₀₂，宽为0.22λ₀₂-0.26λ₀₂；和/或，

所述第四矩形金属贴片(301)的长为0.09λ₀₁-0.13λ₀₁，宽为0.032λ₀₁-0.036λ₀₁；和/或，

所述第二金属化过孔(803)的直径为0.0015λ₀₁-0.0019λ₀₁，高度为0.016λ₀₁-0.018λ₀₁；和/或，

单个所述第四矩形金属贴片(301)对应多根所述第二金属化过孔(803)，对应于单个所述第四矩形金属贴片(301)相邻两个所述第二金属化过孔(803)的中心距为0.0067λ₀₁-0.0071λ₀₁，最边缘的所述第二金属化过孔(803)到所述第四矩形金属贴片(301)的边缘的距离为0.0026λ₀₁-0.0076λ₀₁；和/或，

所述第一介质基片(2)的厚度为0.0092λ₀₁-0.0096λ₀₁；和/或，

所述第一金属化过孔(802)直径均在0.0015λ₀₁-0.0019λ₀₁之间，高度在0.0096λ₀₁-0.01λ₀₁之间，对应于单个所述第二矩形金属贴片(104)的两个所述第一金属化过孔(802)的中心距为0.028λ₀₁-0.032λ₀₁；和/或，

在所述第一方向上所述凳状金属贴片(103)到所述第一矩形槽(101)远离所述第二矩形槽(107)的边沿的间距为0.0042λ₀₁-0.0046λ₀₁，在所述第一方向上所述凳状金属贴片(103)到所述第一矩形槽(101)靠近所述第二矩形槽(107)的边沿的间距为0.001λ₀₁-0.0014λ₀₁，在所述第二方向上所述凳状金属贴片(103)到所述第一矩形槽(101)的边沿的间距为0.0042λ₀₁-0.0046λ₀₁；和/或，

所述金属条带(71)的宽度为0.005λ₀₁-0.0054λ₀₁，阻抗为47Ω-53Ω；和/或，

相邻所述高频天线单元的中心间距为0.5λ₀₂；

其中，λ₀₁为低频天线的中心频率对应的自由空间波长，λ₀₂为高频天线的中心频率对应的自由空间波长。

7.根据权利要求4所述的高频比双波束共口径天线，其特征在于，相对应的所述第二矩形金属贴片(104)、所述第一圆形槽(105)、所述圆形金属贴片(106)、所述第四矩形金属贴片(301)、所述第二圆形槽(302)以及所述第三圆形槽(501)共轴线设置。

8.根据权利要求4所述的高频比双波束共口径天线，其特征在于，所述第二矩形槽(107)、所述第三矩形金属贴片(108)、所述第一介质基片(2)、所述中心圆形槽(502)与所述金属探针(9)共轴线设置。

9.根据权利要求1-8任一项所述的高频比双波束共口径天线，其特征在于，所述第一介质基片(2)、所述第二介质基片(4)以及所述第三介质基片(6)均呈矩形结构、长宽尺寸一致且长度方向一致；所述高频比双波束共口径天线关于所述第一介质基片(2)的中心呈中心对称图形。

10.根据权利要求1-8任一项所述的高频比双波束共口径天线，其特征在于，所述低频天线工作模式为TM₂₀模式，所述低频天线通过所述金属探针馈入低频信号；

所述高频天线单元工作模式为TM₀₂模式，所述高频天线单元通过所述金属条带馈入高频信号。