CN117039433B - 一种基于引向贴片的薄膜相控阵天线及相控阵天线阵列 - Google Patents
一种基于引向贴片的薄膜相控阵天线及相控阵天线阵列 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于毫米波圆极化相控阵天线技术领域，具体地说，是涉及一种基于引向贴片的薄膜相控阵天线及相控阵天线阵列，包括：由上至下依次层叠设置的第一薄膜层、第一支撑层、第二薄膜层、第二支撑层、第一介质层、半固化层和第二介质层，第一金属地层上开设有工字耦合缝隙；本发明通过新的引向贴片结构，有效改善了馈电结构与辐射结构间的阻抗匹配，克服了T型功分器端口隔离度差的缺点，提升了圆极化天线单元的轴比带宽，并使用造价低廉的PET、PVC材料和热粘合工艺，替代了造价高昂的高频介质基板和多层PCB混压工艺，使圆极化相控阵天线在具备宽带宽角扫描能力的同时，大幅降低其成本，解决了现有宽带宽角圆极化相控阵天线面临的制造成本高的问题。
Description
技术领域
本发明属于毫米波圆极化相控阵天线技术领域，具体地说，是涉及一种基于引向贴片的薄膜相控阵天线及相控阵天线阵列。
背景技术
随着卫星通信时代的到来，卫星通信的应用领域和使用方式被不断挖掘，越来越多的通信设备需要依赖卫星进行信息交换与传输。为实现更大的可用带宽以提升传输容量，我国将K/Ka频段作为高通量卫星的主要使用频段，在带来更大带宽的同时也带来如雨水、法拉第旋转引发的信号衰减、极化畸变等问题， 因此Ka频段卫星通信采用圆极化相控阵天线解决了这些问题。
圆极化相控阵天线是卫星通信终端系统的核心结构之一，其通常由多层高频介质基板配合多层PCB混压工艺制成，受其原材料及工艺的限制，价格十分昂贵。随着近年来卫星通信的应用领域越来越多，迫切需要一种性能良好且造价更为低廉的圆极化相控阵天线以应对不同的使用场景。低成本圆极化相控阵天线通常使用无埋阻工艺的T型功分器以降低造价，但受其工作带宽和端口隔离度的限制难以实现宽带宽角扫描，同时，现有宽带宽角圆极化相控阵天线普遍采用造价高昂的高频介质基板和多层PCB混压工艺，如专利CN116014455A “一种宽带宽角圆极化相控阵天线”中公开了一种圆极化相控阵天线，虽然具备一定的宽带宽角扫描能力，但其使用了多层高频介质基板且加工方式较为复杂，制造成本较高。因此如何使圆极化相控阵天线在具备宽带宽角扫描能力的同时降低其制造成本成为圆极化相控阵天线技术中亟需解决的问题之一，具有很大的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于引向贴片的薄膜相控阵天线及相控阵天线阵列，主要解决现有宽带宽角圆极化相控阵天线制造成本高的问题。
基于上述技术问题，本申请一方面提供了一种基于引向贴片的薄膜相控阵天线，包括由上至下依次层叠设置的第一薄膜层、第一支撑层、第二薄膜层、第二支撑层、第一介质层、半固化层和第二介质层，所述第一薄膜层的上表面设有圆形金属辐射贴片和第一矩形金属条带，所述第二薄膜层的上表面设有金属引向贴片和第二矩形金属条带，所述第一介质层的上表面设有第一金属地层，且所述第一金属地层上开设有工字耦合缝隙，所述工字耦合缝隙包括沿y方向设置的第一工字缝隙和沿x方向设置的第二工字缝隙，第一工字缝隙与第二工字缝隙相互垂直以实现双正交线极化电磁波合成圆极化电磁波，所述半固化层与所述第二介质层之间设有馈电带状线，所述馈电带状线有两个输出分支，通过所述工字耦合缝隙对所述金属引向贴片耦合馈电，所述第二介质层的下表面设有第二金属地层，所述第二金属地层设置有同轴馈电结构，所述同轴馈电结构通过金属化过孔与馈电带状线连接，所述金属化过孔贯通所述第一介质层、半固化层和第二介质层，且围绕于所述馈电带状线和所述工字耦合缝隙的周边。
可选地，所述第一支撑层和所述第二支撑层上均开设有用于减轻整体质量孔洞。
可选地，所述金属引向贴片由外环部和内环部组成，所述外环部由两个对称的半圆环形组成，其开口方向与x方向夹角为45°，所述内环部由一个圆形和通过矩形旋臂连接的两个对称半圆环形组成，其开口方向与x方向夹角为-45°，所述矩形旋臂延伸方向与x方向夹角为45°。
可选地，所述第一介质层与所述第二介质层之间通过所述半固化层黏贴，所述第一薄膜层、所述第一支撑层、所述第二薄膜层与所述第二支撑层之间均通过热粘合技术黏贴。
第二方面，本申请提供了一种相控阵天线阵列，包括多个基于引向贴片的薄膜相控阵天线，所述多个基于引向贴片的薄膜相控阵天线呈方形矩阵排布，且阵列的行数或列数为大于或等于2的整数倍。
可选地，每个所述基于引向贴片的薄膜相控阵天线的底部均设有一个移相器，且任意两个相邻的所述基于引向贴片的薄膜相控阵天线的旋转角度差和与其连接的所述移相器的额外相位差均为90°。
本发明的有益效果是：
本发明通过一种新的引向贴片结构，有效改善了馈电结构与辐射结构间的阻抗匹配，克服了T型功分器端口隔离度差的缺点，提升了圆极化天线单元的轴比带宽，并使用造价低廉的PET、PVC材料和热粘合工艺，替代了造价高昂的高频介质基板和多层PCB混压工艺，使圆极化相控阵天线在具备宽带宽角扫描能力的同时，大幅降低其成本，解决了现有宽带宽角圆极化相控阵天线面临的制造成本高的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用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。
图1为本发明基于引向贴片的无埋阻宽带宽角圆极化薄膜相控阵天线单元层叠结构示意图；
图2为第二薄膜层上表面水平示意图；
图3为第一金属地层上表面水平示意图；
图4为第二介质层上表面水平示意图；
图5为本发明天线子阵整体结构图；
图6为本发明阵列整体结构图；
图7为本发明实施例提供的天线单元及阵列阵元反射系数图；
图8为本发明实施例提供的天线单元最大辐射方向轴比图；
图9为本发明实施例提供的天线阵列27.5GHz-E面不同扫描角度时方向图；
图10为本发明实施例提供的天线阵列29GHz-E面不同扫描角度时方向图；
图11为本发明实施例提供的天线阵列31GHz-E面不同扫描角度时方向图。
附图标号：
1-第一薄膜层，11-金属引向贴片，111-外环部，112-内环部，12-第一金属地层，121-工字耦合缝隙，1211-第一工字缝隙，1212-第二工字缝隙，13-金属化过孔，14-馈电带状线，15-第二金属地层，16-同轴馈电结构，17-移相器，2-第一支撑层，3-第二薄膜层，4-第二支撑层，5-第一介质层，6-半固化层，7-第二介质层，8-圆形金属辐射贴片，9-第一矩形金属条带，10- 第二矩形金属条带。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、 “外”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。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供了一种基于引向贴片的薄膜相控阵天线，包括由上至下依次层叠设置的第一薄膜层1、第一支撑层2、第二薄膜层3、第二支撑层4、第一介质层5、半固化层6和第二介质层7，所述第一薄膜层1的上表面设有圆形金属辐射贴片8和第一矩形金属条带9，所述第二薄膜层3的上表面设有金属引向贴片11和第二矩形金属条带10，所述第一介质层5的上表面设有第一金属地层12，且所述第一金属地层12上开设有工字耦合缝隙121，所述工字耦合缝隙121包括沿y方向设置的第一工字缝隙1211和沿x方向设置的第二工字缝隙1212，第一工字缝隙1211与第二工字缝隙1212相互垂直以实现双正交线极化电磁波合成圆极化电磁波，所述半固化层6与所述第二介质层7之间设有馈电带状线14，所述馈电带状线14有两个输出分支，通过所述工字耦合缝隙121对所述金属引向贴片11耦合馈电，所述第二介质层7的下表面设有第二金属地层15，所述第二金属地层15设置有同轴馈电结构16，所述同轴馈电结构16通过金属化过孔13与馈电带状线14连接，所述金属化过孔13贯通所述第一介质层5、半固化层6和第二介质层7，且围绕于所述馈电带状线14和所述工字耦合缝隙121的周边。
其次在本实施例中，所述的第一支撑层2和所述第二支撑层4上均开设有用于减轻整体质量孔洞，所述金属引向贴片11由外环部和内环部组成，所述外环部111由两个对称的半圆环形组成，其开口方向与x方向夹角为45°，所述内环部112由一个圆形和通过矩形旋臂连接的两个对称半圆环形组成，其开口方向与x方向夹角为-45°，所述矩形旋臂延伸方向与x方向夹角为45°；
其次在本实施例中，所述第一介质层5与所述第二介质层7之间通过所述半固化层6黏贴，所述第一薄膜层1、所述第一支撑层2、所述第二薄膜层3与所述第二支撑层4之间均通过热粘合技术黏贴。
其中，在本实施例中所述的第一薄膜层1和第二薄膜层3采用厚度为0.127mm的PET薄膜材料，介电常数3.2，第一支撑层2和第二支撑层4采用厚度为0.5mm的PVC材料，介电常数3.1，第一介质层5和第二介质层7采用厚度为0.2mm的Panasonic M6材料，介电常数3.7，第一介质层5与第二介质层7之间通过厚度为0.1mm的半固化层6黏贴，第一薄膜层1、第一支撑层2、第二薄膜层3与第二支撑层4之间均通过热粘合技术黏贴。
如图2、图3和图4所示，在本实施例中，为了实现阻抗匹配和圆极化波束，提供了各结构的具体参数如下：
圆形金属辐射贴片8的半径r 1=1.5mm，第一矩形金属条带9的宽度w 5=0.2mm，第二矩形金属条带10的宽度w 6=0.2mm，引向贴片外环部111的外半径r 2=1.4mm、内半径r 3=1.1mm、开口宽度w 7=0.3mm，引向贴片内环部112的外半径r 4=0.8mm、内半径r 5=0.7mm、开口宽度w 8=0.15mm，中心圆半径r 6=1.1mm，矩形旋臂宽度w 9=0.15mm，沿y方向的第一工字缝隙1211的宽度w 3=0.15mm、w 4=0.2mm、长度l 3=1.2mm、l 4=0.7mm，沿x方向的第二工字缝隙1212的宽度w 1=0.3mm、w 2=0.1mm、长度l 1=0.9mm、l 2=1.1mm，馈电带状线的宽度w 10=0.15mm、w 11=0.15mm、长度l 5=0.9mm、l 6=2.7mm、l 7=1.1mm、l 8=4.2mm，金属化过孔的直径d 0=0.2mm。
第一支撑层2上孔洞的半径r 4=1.7mm，第二支撑层4上孔洞的半径r 5=1.7mm。
实施例2：
本实施例基于实施例1用于提供一种相控阵天线阵列，其特征在于，包括多个基于引向贴片的薄膜相控阵天线，所述多个基于引向贴片的薄膜相控阵天线呈方形矩阵排布，且阵列的行数或列数为大于或等于2的整数倍；
其次，每个所述基于引向贴片的薄膜相控阵天线的底部均设有一个移相器17，且任意两个相邻的所述基于引向贴片的薄膜相控阵天线的旋转角度差和与其连接的所述移相器17的额外相位差均为90°。
本发明公开的基于引向贴片的薄膜相控阵天线阵列，由N×N个天线子阵呈矩形阵列形式排布组成，其中N为大于等于2的偶整数；
所述天线子阵包括四个所述基于引向贴片的薄膜相控阵天线单元和四个移相器；
在同一个天线子阵中，每个所述移相器与一个所述天线单元连接，任意两个相邻的所述天线单元的旋转角度差和与其连接的所述移相器的相位差均为90°。
如图5和图6所示，在本发明的一个实施例中，N取4，以4×4个天线子阵组成64元天线阵列，天线单元间距为5mm。在天线子阵中，以天线单元100a为基准点，与天线单元100a连接的移相器17的额外相位为0°；天线单元100b相对于天线单元100a旋转90°，与天线单元100b连接的移相器17的额外相位为90°；天线单元100c相对于天线单元100a顺时旋转180°，与天线单元100c连接的移相器17的额外相位为180°；天线单元100d相对于天线单元100a顺时旋转270°，与天线单元100d连接的移相器17的额外相位为270°。
如图7所示，为本发明实施例提供的天线单元及阵列阵元反射系数图，可以看出，反射系数低于-10dB的阻抗带宽为27.1~32.3GHz。
如图8所示，为本发明实施例提供的天线单元最大辐射方向轴比图，可以看出，天线单元轴比低于3dB的轴比带宽为27.4~31.7GHz。
如图9所示，为本发明实施例提供的天线阵列27.5GHz-E面不同扫描角度的方向图，可以看出，基于引向贴片的薄膜相控阵天线阵列在27.5GHz时，E面扫描角度为0~60°，副瓣电平小于-10dB。
如图10所示，为本发明实施例提供的天线阵列29GHz-E面不同扫描角度的方向图，可以看出，基于引向贴片的薄膜相控阵天线阵列在29GHz时，E面扫描角度为0~60°，副瓣电平小于-10dB。
如图11所示，为本发明实施例提供的天线阵列31GHz-E面不同扫描角度时方向图，可以看出，基于引向贴片的薄膜相控阵天线阵列在31GHz时，E面扫描角度为0~60°，副瓣电平小于-10dB。
表1为本发明实施例提供的天线阵列在工作频带（27.5GHz~31GHz）内E面不同扫描角度的轴比仿真结果，可以看出，基于引向贴片的薄膜相控阵天线阵列在工作频带（27.5GHz~31GHz）内E面扫描角度0~60°时，轴比均在3dB以下，圆极化性能良好。
表1 频带内天线阵列E面不同扫描角度的轴比
通过上述设计，本发明解决了现有宽带宽角圆极化相控阵面临的制造成本高的问题，通过一种新的引向贴片结构，有效改善了馈电结构与辐射结构间的阻抗匹配，克服了T型功分器端口隔离度差的缺点，提升了圆极化天线单元的轴比带宽，并使用造价低廉的PET、PVC材料和热粘合工艺替代造价高昂的高频介质基板和多层PCB混压工艺，使圆极化相控阵天线在具备宽带宽角扫描能力的同时，大幅降低其成本。因此，与现有技术相比，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于引向贴片的薄膜相控阵天线，其特征在于，包括由上至下依次层叠设置的第一薄膜层（1）、第一支撑层（2）、第二薄膜层（3）、第二支撑层（4）、第一介质层（5）、半固化层（6）和第二介质层（7），所述第一薄膜层（1）的上表面设有圆形金属辐射贴片（8）和第一矩形金属条带（9），所述第二薄膜层（3）的上表面设有金属引向贴片（11）和第二矩形金属条带（10），所述第一介质层（5）的上表面设有第一金属地层（12），且所述第一金属地层（12）上开设有工字耦合缝隙（121），所述工字耦合缝隙（121）包括沿y方向设置的第一工字缝隙（1211）和沿x方向设置的第二工字缝隙（1212），第一工字缝隙（1211）与第二工字缝隙（1212）相互垂直以实现双正交线极化电磁波合成圆极化电磁波，所述半固化层（6）与所述第二介质层（7）之间设有馈电带状线（14），所述馈电带状线（14）有两个输出分支，通过所述工字耦合缝隙（121）对所述金属引向贴片（11）耦合馈电，所述第二介质层（7）的下表面设有第二金属地层（15），所述第二金属地层（15）设置有同轴馈电结构（16），所述同轴馈电结构（16）通过金属化过孔（13）与馈电带状线（14）连接，所述金属化过孔（13）贯通所述第一介质层（5）、半固化层（6）和第二介质层（7），且围绕于所述馈电带状线（14）和所述工字耦合缝隙（121）的周边；
其中，所述金属引向贴片（11）由外环部和内环部组成，所述外环部（111）由两个对称的半圆环形组成，其开口方向与x方向夹角为45°，所述内环部（112）由一个圆形和通过矩形旋臂连接的两个对称半圆环形组成，其开口方向与x方向夹角为-45°，所述矩形旋臂延伸方向与x方向夹角为45°。
2.根据权利要求1所述的基于引向贴片的薄膜相控阵天线，其特征在于，所述第一支撑层（2）和所述第二支撑层（4）上均开设有用于减轻整体质量的孔洞。
3.根据权利要求1所述的基于引向贴片的薄膜相控阵天线，其特征在于，所述第一介质层（5）与所述第二介质层（7）之间通过所述半固化层（6）黏贴，所述第一薄膜层（1）、所述第一支撑层（2）、所述第二薄膜层（3）与所述第二支撑层（4）之间均通过热粘合技术黏贴。
4.一种相控阵天线阵列，其特征在于，包括多个如权利要求1-3中任意一条权利要求所述的基于引向贴片的薄膜相控阵天线，所述多个基于引向贴片的薄膜相控阵天线呈方形矩阵排布，且阵列的行数或列数为大于或等于2的整数倍。
5.根据权利要求4所述的相控阵天线阵列，其特征在于，每个所述基于引向贴片的薄膜相控阵天线的底部均设有一个移相器（17），且任意两个相邻的所述基于引向贴片的薄膜相控阵天线的旋转角度差和与其连接的所述移相器（17）的额外相位差均为90°。
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