CN118040344B - 一种超宽带平面模块化45°斜极化相控阵天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种超宽带平面模块化45°斜极化相控阵天线，属于天线工程技术领域。天线单元结构基于多层PCB技术实现，包括上下叠层的天线辐射体结构和馈电结构；天线辐射体结构为宽度渐变型偶极子，并沿矩形单元斜对角线布置；一对垂直金属化通孔连接偶极子臂构成非平衡馈电结构对辐射体进行激励，避免了复杂外部巴伦的使用；为解决非平衡馈线上电流分布不对称带来的共模谐振问题，使用额外垂直通孔将一侧偶极子臂短路到地，从而缩短谐振回路，将共模谐振频率移除工作频带；单元按三角形栅格排列成相控阵，有效避免了扫描盲点出现。本发明提供的天线阵列具有低成本、模块化特点，可用于X、Ku部分频段无线通信。
Description
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，具体为一种超宽带平面模块化45°斜极化相控阵天线。
背景技术
随着现代无线通讯技术的发展，宽频带、高传输速率、小型化和多功能集成的通信设备成为发展趋势。斜极化天线是线极化天线的一种，其辐射的电磁波极化方向与地面呈±45°角，因此尽管存在一定损耗，斜极化天线可同时接收水平极化或垂直极化的信号(或发射信号能同时被水平/垂直极化天线接收)，适用于收发天线其中之一极化方式不详的通信场景。平面模块化阵列可使用若干子阵拼接成大口径的平面相控阵，装配简单、结构稳定性好；同时，平面模块化阵列主要结构由平面蚀刻电路和垂直金属化过孔构成，不需要外部馈电巴伦，可使用多层PCB技术制造，具备低剖面、易集成的优点。此外，在通信系统中为降低射频前端的成本，需要使用大间距的相控阵天线来降低有源通道数量从而降低成本。例如，分别使用单元尺寸为0.4×0.4λ和0.6×0.6λ(λ为波长)的单元布满同样大小的口径面，所需尺寸为0.6×0.6λ单元的数量仅为尺寸为0.4×0.4λ单元数量的44.4％，天线有源通道数量减少50％以上，天线成本大幅降低。因此，宽带、大间距、斜极化、低成本的相控阵天线正受到越来越多的关注和研究。
如文献“Yeqiang Li,Jing Tao,Xiangxiang Li，《Design of Slant-PolarizedPlanar Tightly Coupled Dipole Array Using T-Type Power Divider》，2022Cros sStrait Radio Science&Wireless Technology Conference(CSRSWTC)”中，使用T型功分器将水平和垂直两个极化的偶极子连接起来进行同相激励，实现了45°斜极化。该设计实现了8-16GHz(70.7％)的阻抗带宽。然而，该设计的单元尺寸较小，仅为0.43×0.43λhigh(λhigh为最高工作频率对应的波长)。此外，该设计中使用两个金属通孔作为非平衡馈电结构对偶极子进行激励，为了改善非平衡馈线的阻抗匹配能力以降低带内驻波，还使用了介质加载层来辅助阻抗匹配，使得阵列重量和成本进一步提高。
又如文献“Binyun Yan,Weixing Sheng,Liangyu Sun,and Zhi Ning Chen，《Wideband Wide-Scanning Planar Triangular-Lattice Phased Array With Substrate-Integrated Cavity-Backed U-Slot Patches》，IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.69,no.9,pp.6082-6086,Sept.2021.”中提出了一种紧凑型宽带宽角扫描三角形栅格相控阵，三角形栅格相控阵指阵列中行与行之间错开半个单元宽度排列。该设计使用被基片集成腔体包围的U型缝隙天线作为阵元；由于基片集成腔体结构阻碍了表面波传播，同时在三角形栅格布局下，表面波频率升高，最终扫描盲点被移除工作频带。文中设计的4×8阵列样机实现了8.16～12.52GHz(43.1％)的带宽，单元尺寸为0.6×0.52λhigh。虽然该设计中的单元尺寸较大，但带宽较窄。
总的来说，现有技术面临的挑战主要有：
第一，现有技术中的平面形式相控阵多采用非平衡式馈电结构，为改善天线阻抗匹配需要在天线上方添加额外的介质板或超表面作为阻抗匹配层，导致所需要的PCB层数与厚度增加，制作复杂，成本较高，不利于大规模量产。
第二，在平面模块化相控阵中，表面波是限制带宽的主要因素，由于出现表面波的频率随单元尺寸增大而降低，现有的平面模块化相控阵难以同时实现宽带和大单元间距布阵。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种超宽带平面模块化45°斜极化相控阵天线，能够实现地面复杂环境中的低成本无线通信。本发明通过将偶极子沿阵列矩形栅格对角线排布，实现了宽带的45°斜极化天线单元；为了在增大单元间距的同时维持天线带宽不缩减，一方面通过在非平衡馈线中添加电容耦合金属贴片对来改善带内阻抗匹配。另一方面，通过将单元排列成三角形栅格，增大了单元与单元之间的等效间距，从而避免表面波出现在工作频带以内。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种超宽带平面模块化45°斜极化相控阵天线，其特征在于，该相控阵天线由若干个天线单元以三角形栅格布阵方式排列构成，各天线单元之间无电连接，具有模块化特性。
所述天线单元包括从上至下依次设置的第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、金属地板、同轴馈电探针。
所述第一介质基板的上表面设置有第一偶极子臂、第二偶极子臂，第一偶极子臂和第二偶极子臂关于天线单元对角线镜像对称设置。
所述第一介质基板与所述第二介质基板之间设置有第一金属贴片对，所述第一金属贴片对包括金属贴片A1、金属贴片B1。
所述第二介质基板与所述第三介质基板之间设置有第二金属贴片对，所述第二金属贴片对包括金属贴片A2、金属贴片B2。
所述第一偶极子臂、第二偶极子臂的邻近一端分别设置有第一馈电点、第二馈电点；其中第一馈电点通过第一金属过孔依次连接金属贴片A1、金属贴片A2、金属地板；第二馈电点通过第二金属过孔依次连接金属贴片B1、金属贴片B2、并穿过设置于金属地板的隔离通孔连接同轴馈电探针；所述第一偶极子臂还设置有短路点，所述短路点通过短路金属过孔将偶极子臂与金属地板相连。
所述天线单元还设置有两个介质打孔，所述介质打孔为贯穿第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板的空气通孔，两个介质打孔对称设置于所述第一偶极子臂、第二偶极子臂的两侧。
进一步地，所述第一偶极子臂和所述第二偶极子臂，由等腰直角三角形金属贴片以其两锐角顶点切角形成；切角形状为扇形或三角形。
进一步地，所述第一馈电点、第二馈电点、短路点的圆心均位于天线单元对角线上。
进一步地，所述第一金属贴片对和所述第二金属贴片对的结构相同。
进一步地，所述金属贴片A1与金属贴片B1之间的间距为0.1mm～0.3mm。
进一步地，所述介质打孔的半径为2mm～2.6mm。
进一步地，所述金属贴片A1与金属贴片B1为尺寸相同的矩形金属贴片、圆形金属贴片、椭圆金属贴片。
本发明通过将偶极子辐射体沿阵列对角线排列形成45°斜极化，并使用非平衡馈线结构进行馈电。为了避免在天线辐射体上方添加额外阻抗匹配层的情况下改善阻抗匹配，在馈线上添加了两对金属贴片。金属贴片对之间的缝隙形成耦合电容，而作为馈线的金属过孔具有较大电感分量，两者构成并联LC结构，用于补偿偶极子辐射体的电抗，从而提高了作为阻抗匹配网络的馈线的等效阶数。通过调整贴片对的间距以及第二介质基板、第三介质基板的厚度能够实现对非平衡馈线电抗分量的调节，从而改善带内阻抗匹配，降低驻波。
此外，为解决非平衡馈线引起的共模谐振，本发明使用金属过孔作为短路枝节将一侧偶极子臂与金属地板连接，从而将共模谐振频率移除工作频带。传统平衡辐射器的馈电一般是平衡的，由于电流相互抵消，在馈电线路处产生寄生辐射为零或很小，因此，平衡辐射器的这种馈电方法已成为单元件天线和天线阵列的常规手段；当平衡的辐射器由不平衡的馈线供电时，馈线上的净电流不会抵消，并且会耦合到阵列内相邻天线单元之间形成的回路中，导致严重的共模谐振，从而破坏天线正常辐射模式，降低可用带宽。谐振回路长度越短，共模谐振频率越高，本发明中通过短路枝节缩短谐振回路，将谐振频率移动到最高工作频率以上，实现了81.6％的相对带宽。
最后，为实现超过半波长布阵，本发明将天线单元以三角形栅格方式排列成相控阵，即面阵中相邻行之间的线阵错开半个单元长度交错布置。单元间距较大，尤其是超过半波长的阵列能够激励起沿着最上层介质基板表面横向传输的表面波。这种波形的场强随距介质表面的距离呈指数衰减，从而几乎不向外辐射能量，辐射阻抗趋近于0；表面传播常数与介质基板总厚度、介电常数以及天线单元周期尺寸正相关。本发明天线单元通过介质基板上设置介质打孔降低了基板等效介电常数，同时，通过三角形栅格组阵，进一步增大了表面波传播常数，从而将表面波频率限制在工作频带以上，最终在0.6×0.6λhigh的单元尺寸下实现了宽带的斜极化阵列。
综上，本发明的有益效果在于：
1.本发明使用非平衡馈电结构对45°斜极化偶极子进行馈电，通过在金属通孔上添加金属贴片对的方式增强了馈线阻抗调节能力，改善了相控阵天线的带内匹配；同时使用短路金属通孔将第一偶极子臂短路连接金属地板，缩短了共模谐振回路，提高了天线带宽。
2.本发明按三角形栅格组阵，在保持带宽以及扫描范围不变的条件下增大了阵列单元尺寸，相较于使用尺寸为0.4×0.4λ的单元布阵的相同口径大小的阵列，本发明可将单元数目和有源通道数目减少54.6％，从而大幅降低成本。
附图说明
图1为本发明实施例超宽带平面模块化45°斜极化相控阵天线单元的3D结构示意图；
图2为本发明实施例超宽带平面模块化45°斜极化相控阵天线单元辐射体结构俯视图；
图3为本发明实施例超宽带平面模块化45°斜极化相控阵天线单元非平衡馈线电抗补偿结构俯视图；
图4为本发明超宽带平面模块化45°斜极化相控阵天线的4×8阵列示意图；
图5为本发明实施例中的一个天线单元有源驻波仿真曲线；
图6为本发明的实施例中的一个天线单元可实现增益仿真曲线。
附图标记说明：1.第一介质基板、2.第二介质基板、3.第三介质基板、4.金属地板、51.第一偶极子臂、52.第二偶极子臂、61.第一馈电点、62.第二馈电点、63.短路点、71.第一金属通孔、72.第二金属通孔、73.短路金属通孔、81.金属贴片A1、82.金属贴片B1、91.金属贴片A2、92.金属贴片B9、10.介质打孔、11.隔离通孔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，本具体实施方式只是示例性的，而并非限制本发明的范围。
本实施例提供的一种超宽带平面模块化45°斜极化相控阵天线，由若干个天线单元以三角形栅格布阵方式排列构成，如图4所示，各天线单元之间无电连接，具有模块化特性。
所述天线单元如图1所示，包括从上至下依次设置的第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、金属地板、同轴馈电探针；其中，第一至第三介质层相对介电常数为均为2.2，厚度分别为2.032mm、0.762mm、0.762mm，金属层厚度为0.018mm，介质层之间通过半固化片粘合，介电常数2.81，厚度0.100mm。如图2所示，所述第一介质基板的上表面设置有第一偶极子臂、第二偶极子臂，第一偶极子臂和第二偶极子臂关于天线单元对角线镜像对称设置，两者间距c1＝1.94mm；所述第一偶极子臂和所述第二偶极子臂，由高L1＝7.00mm的等腰直角三角形金属贴片以其两锐角顶点为圆心，切除半径为5.63mm、圆心角为45°的扇形形成。
如图3所示，所述第一介质基板与所述第二介质基板之间设置有第一金属贴片对，所述第一金属贴片对包括矩形金属贴片A1、矩形金属贴片B1。
所述第二介质基板与所述第三介质基板之间设置有第二金属贴片对，所述第二金属贴片对包括矩形金属贴片A2、矩形金属贴片B2。
所述第一金属贴片对和所述第二金属贴片对的结构相同，矩形金属贴片的尺寸为2.20×1.05mm，贴片对之间的间隙dr＝0.10mm，
所述第一偶极子臂、第二偶极子臂的邻近一端分别设置有第一馈电点、第二馈电点，两馈电点的中心距c3＝1.62mm；其中第一馈电点通过第一金属过孔依次连接金属贴片A1、金属贴片A2、金属地板；第二馈电点通过第二金属过孔依次连接金属贴片B1、金属贴片B2、并穿过设置于金属地板的隔离通孔连接同轴馈电探针；所述第一偶极子臂还设置有短路点，所述短路点通过短路金属过孔将偶极子臂与金属地板相连，短路金属过孔与第一金属过孔的中心距Hs＝1.20mm；所述第一馈电点、第二馈电点、短路点的圆心均位于天线单元对角线上，第一金属过孔、第二金属过孔、短路金属过孔的半径均为Rs＝0.20mm。
所述天线单元还设置有两个半径R1＝2.60mm的介质打孔，所述介质打孔为贯穿第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板的空气通孔，两个介质打孔对称设置于所述第一偶极子臂、第二偶极子臂的两侧，与天线单元边界距离为hx＝0.80mm。
基于上述实施例的大三角形栅格平面阵列的单元有源驻波仿真结果如图5所示，由图可见，本实施例具有7.0～15.5GHz的工作带宽(75.6％相对带宽)，阵列方位面35°扫描有源驻波低于2.3，俯仰面20°扫描有源驻波低于1.8。
基于上述实施例的大平面阵列的单元增益仿真结果如图6所示，由图可见，本实施例在7.0～15.5GHz频段内，最大增益为6.80dBi。
以上所述，仅为本发明的一例具体实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种超宽带平面模块化45°斜极化相控阵天线，其特征在于，该相控阵天线由若干个天线单元以三角形栅格布阵方式排列构成，各天线单元之间无电连接，具有模块化特性；
所述天线单元包括从上至下依次设置的第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、金属地板、同轴馈电探针；
所述第一介质基板的上表面设置有第一偶极子臂、第二偶极子臂，第一偶极子臂和第二偶极子臂关于天线单元对角线镜像对称设置；
所述第一介质基板与所述第二介质基板之间设置有第一金属贴片对，所述第一金属贴片对包括金属贴片A1、金属贴片B1；
所述第二介质基板与所述第三介质基板之间设置有第二金属贴片对，所述第二金属贴片对包括金属贴片A2、金属贴片B2；
所述第一偶极子臂、第二偶极子臂的邻近一端分别设置有第一馈电点、第二馈电点；其中第一馈电点通过第一金属过孔依次连接金属贴片A1、金属贴片A2、金属地板；第二馈电点通过第二金属过孔依次连接金属贴片B1、金属贴片B2、并穿过设置于金属地板的隔离通孔连接同轴馈电探针；所述第一偶极子臂还设置有短路点，所述短路点通过短路金属过孔将偶极子臂与金属地板相连；
所述天线单元还设置有两个介质打孔，所述介质打孔为贯穿第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板的空气通孔，两个介质打孔对称设置于所述第一偶极子臂、第二偶极子臂的两侧。
2.如权利要求1所述的一种超宽带平面模块化45°斜极化相控阵天线，其特征在于，所述第一偶极子臂和所述第二偶极子臂，由等腰直角三角形金属贴片以其两锐角顶点切角形成；切角形状为扇形或三角形。
3.如权利要求2所述的一种超宽带平面模块化45°斜极化相控阵天线，其特征在于，所述第一馈电点、第二馈电点、短路点的圆心均位于天线单元对角线上。
4.如权利要求3所述的一种超宽带平面模块化45°斜极化相控阵天线，其特征在于，所述第一金属贴片对和所述第二金属贴片对的结构相同。
5.如权利要求4所述的一种超宽带平面模块化45°斜极化相控阵天线，其特征在于，所述金属贴片A1与金属贴片B1之间的间距为0.1mm～0.3mm。
6.如权利要求4所述的一种超宽带平面模块化45°斜极化相控阵天线，其特征在于，所述介质打孔的半径为2mm～2.6mm。
7.如权利要求6所述的一种超宽带平面模块化45°斜极化相控阵天线，其特征在于，所述金属贴片A1与金属贴片B1为尺寸相同的矩形金属贴片、圆形金属贴片、椭圆金属贴片。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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