CN121216119A - 一种宽带宽角扫描相控阵天线单元及天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带宽角扫描相控阵天线单元及天线阵列，属于天线技术领域，其包括：依次设置的第一基板层、第二基板层、第一金属地层、第三基板层以及第四基板层；第一基板层、第二基板层、第一金属地层和第四基板层分别敷设有寄生贴片、天线辐射体、耦合缝隙以及带状馈线；带状馈线通过第四基板层背面的馈电点进行馈电并通过耦合缝隙馈电至天线辐射体，最后通过天线辐射体耦合馈电至寄生贴片上，实现对外辐射电磁信号。本发明的缝隙耦合馈电结构显著改善了馈电与辐射结构间的阻抗匹配，大幅提升了天线性能。

Description

一种宽带宽角扫描相控阵天线单元及天线阵列

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种宽带宽角扫描相控阵天线单元及天线阵列。

背景技术

在现代卫星通信系统中，为实现高效稳定的信号传输，对天线性能提出了严苛要求，需要其同时具备高增益、低剖面、宽频带及快速波束扫描能力。相控阵天线凭借电子控制波束指向的优势，有效规避了机械转动导致的延迟与损耗，因而成为卫星通信系统的关键核心组件。

然而，目前传统相控阵天线单元存在诸多技术瓶颈，严重制约了其性能提升与应用拓展。从带宽层面来看，采用直接馈电方式的微带天线单元，相对带宽通常不足10%，难以满足卫星通信多频段的工作需求；在扫描性能方面，阵列扫描过程中，由于表面波激励和互耦效应的影响，极易出现波束畸变现象，导致天线增益骤降，形成扫描盲区；在极化特性上，馈线辐射以及结构不对称问题，使得交叉极化性能恶化，显著降低了卫星链路的信噪比。

现有的馈电技术同样存在明显缺陷。微带线边馈方式中，馈线与辐射贴片共面布局，会引入较强的寄生辐射，破坏天线方向图的对称性；探针馈电时，接触点电流集中，不仅会产生较大的欧姆损耗，限制功率容量，而且带宽较窄；电磁耦合馈电（如贴片耦合）虽然能够在一定程度上提升带宽，但耦合区域设计极为复杂，难以在阻抗匹配与辐射效率之间达到良好平衡。

缝隙耦合技术作为一种重要的馈电方式，通过在接地层开设缝隙实现馈线层与辐射层的电磁耦合，其多层隔离结构可有效抑制馈线干扰，对提升天线带宽和极化纯度具有一定作用。但在相控阵应用场景下，现有缝隙耦合方案仍存在显著不足：传统单缝隙耦合方式的带宽扩展能力有限，无法满足卫星通信的宽频需求；在阵列环境中，单元间的互耦效应未能得到有效抑制，导致天线扫描角度受限。

发明内容

本发明提出一种宽带宽角扫描相控阵天线单元及天线阵列，以解决上述技术问题中的至少之一。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种宽带宽角扫描相控阵天线单元，包括：依次设置的第一基板层、第二基板层、第一金属地层、第三基板层以及第四基板层；第一基板层、第二基板层、第一金属地层和第四基板层分别敷设有寄生贴片、天线辐射体、耦合缝隙以及带状馈线；

带状馈线通过第四基板层背面的馈电点进行馈电并通过耦合缝隙馈电至天线辐射体，最后通过天线辐射体耦合馈电至寄生贴片上，实现对外辐射电磁信号。

进一步地，上述带状馈线包括电桥带状线和两个渐变馈线；电桥带状线的两个输出端口分别连接渐变馈线，两个渐变馈线相对于天线单元中心垂直正交设置并与耦合缝隙在竖直方向上一一对应。

进一步地，上述渐变馈线为梯形渐变馈线。

进一步地，上述电桥带状线的两个输入端口分别连接类同轴内导体，类同轴内导体贯穿电桥带状线对应的输入端和第四基板层。

进一步地，上述寄生贴片包括多边形金属辐射贴片和金属条带，金属条带与多边形金属辐射贴片的边一一对应并且金属条带与对应的多边形金属辐射贴片的边之间具有间隙。

进一步地，上述天线辐射体包括多边形贴片和边缘金属条带，多边形贴片与多边形金属辐射贴片的中心线重合，边缘金属条带围绕多边形贴片设置并位于第二基板层的边缘。

进一步地，上述第一基板层和第二基板层之间设有支撑层，支撑层呈中空，第一基板层、第二基板层与支撑层之间热粘合，多边形贴片位于支撑层的空腔内，边缘金属条带位于支撑层和第二基板层之间。

进一步地，上述类同轴内导体的外侧设有若干类同轴外导体，所有类同轴外导体围绕类同轴内导体设置，类同轴外导体依次穿过第一金属地层、第三基板层和第四基板层；类同轴内导体穿过的孔为第一金属过孔，类同轴外导体穿过的孔为第二金属过孔。

进一步地，上述天线单元竖直设有贯穿第一金属地层、第三基板层和第四基板层的第三金属过孔、第四金属过孔和第五金属过孔；

第三金属过孔的数量为2，从竖直方向观察，2个第三金属过孔关于电桥带状线中间较宽的带状线对称分布；

第四金属过孔的数量为若干个，所有第四金属过孔呈直线排列并均匀间隔设置，从竖直方向观察，2个渐变馈线关于所有第四金属过孔排成的直线对称；

第五金属过孔的数量为若干个，所有第五金属过孔呈直线排列并与所有第四金属过孔排成的直线垂直，所有第五金属过孔分为两组，每一组第五金属过孔均匀间隔设置并且每一组第五金属过孔对应一个第一金属过孔，第一金属过孔与对应的一组第五金属过孔分别位于对应的第二金属过孔的内、外两侧。

一种天线阵列，包括若干上述宽带宽角扫描相控阵天线单元，所有天线单元呈矩阵排列。

本发明具有以下有益效果：

（1）在拓展天线带宽方面：

①缝隙耦合馈电设计：馈线采用水平面梯形渐变结构，通过电磁耦合而非物理连接传递能量。该设计利用耦合区域的谐振特性，有效拓宽天线工作带宽；同时，馈电网络与辐射贴片通过缝隙隔离，减少馈线对辐射场的干扰，显著提升辐射场的极化纯度，降低交叉极化电平，高度适配对极化要求严苛的卫星通信场景。此外，馈线布置于第二金属地层下方，经缝隙与辐射贴片耦合，避免直接暴露在辐射区域，减少寄生辐射，提升辐射效率，确保天线方向图的完整性。

②叠加寄生贴片结构：通过在天线单元叠加寄生贴片，利用电磁耦合引入额外谐振点。该谐振点与主辐射体的谐振频率形成多峰响应，实现带宽的合并扩展；且天线辐射体与寄生贴片均采用中心对称设计，进一步降低交叉极化电平。

采用上述技术手段，本发明的缝隙耦合馈电结构显著改善了馈电与辐射结构间的阻抗匹配，突破传统贴片天线带宽较窄（10%）的技术瓶颈，实现了反射系数 S11＜-10dB 时44% 的相对带宽，以及端口隔离度轴比 3dB 下 40.5% 的相对带宽，大幅提升了天线性能。

（2）在成本控制方面：

①材料与工艺创新：相控阵天线采用价格低廉的 FR4 材料，结合热粘合技术替代传统低损耗板材作为支撑结构，同时减少 PCB 压合层数，在保证天线性能的前提下，有效降低加工成本。

②结构优化设计：将电桥带状线弯折后与馈线集成于同一金属层，这一设计不仅减少了加工复杂度，还有效降低了天线剖面高度，进一步实现成本与空间的双重优化。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种宽带宽角相控阵天线单元的叠层结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的一种宽带宽角相控阵天线单元的寄生贴片的贴片示意图；

图3为本发明实施例一提供的一种宽带宽角相控阵天线单元的辐射体的贴片示意图；

图4为本发明实施例一提供的一种宽带宽角相控阵天线单元的第一层金属地俯视图；

图5为本发明实施例一提供的一种宽带宽角相控阵天线单元的电桥带状线的贴片示意图；

图6为本发明实施例一提供的一种宽带宽角相控阵天线单元的反射系数曲线图；

图7为本发明实施例一提供的一种宽带宽角相控阵天线单元的轴比曲线图；

图8为本发明实施例一提供的一种宽带宽角相控阵天线单元的增益曲线图；

图9为本发明实施例二提供的一种宽带宽角相控阵天线单元的8X8天线阵列图；

图10为本发明实施例二提供的一种宽带宽角相控阵天线8X8天线阵列的10.7GHz波束扫描曲线图；

图11为本发明实施例二提供的一种宽带宽角相控阵天线8X8天线阵列的12.7GHz波束扫描曲线图；

图12为本发明实施例二提供的一种宽带宽角相控阵天线8X8天线阵列的14.5GHz波束扫描曲线图。

图中：1-第一基板层；2-支撑层；3-第二基板层；4-第一半固化层；5-第三基板层；6-第二半固化层；7-第四基板层；8-多边形金属辐射贴片；9-金属条带；10-多边形贴片；11-边缘金属条带；12-第一金属地层；13-电桥带状线；14-渐变馈线；15-第二金属地层；16-类同轴内导体；17-类同轴外导体；121-耦合缝隙；131-第三金属过孔；132-第四金属过孔；133-第五金属过孔；161-第一金属过孔；171-第二金属过孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供一种宽带宽角扫描相控阵天线单元，包括：依次设置的第一基板层1、第二基板层3、第一金属地层12、第三基板层5以及第四基板层7。第一基板层1、第二基板层3、第一金属地层12和第四基板层7分别敷设有寄生贴片、天线辐射体、耦合缝隙121以及带状馈线。带状馈线通过第四基板层7背面的馈电点进行馈电并通过耦合缝隙121馈电至天线辐射体，最后通过天线辐射体耦合馈电至寄生贴片上，实现对外辐射电磁信号。

在本实施例中，第二基板层3与第一金属地层12之间通过第一半固化层4连接，第三基板层5与第四基板层7之间通过第二半固化层6连接，第四基板层7远离第三基板层5的一侧设有第二金属地层15，其余相邻层之间直接粘接即可。

在本实施例中，第一基板层1和第二基板层3之间设有支撑层2，支撑层2分别与第一基板层1和第二基板层3热粘合。

优选地，支撑层2呈中空，支撑层2的中空部分采用空气介质形式，相比于传统的固体介质，减少电磁信号的介质损耗，提高天线的辐射效率，展宽了天线单元的谐振带宽。

如图2所示，寄生贴片包括多边形金属辐射贴片8和金属条带9，多边形金属辐射贴片8的中心线与天线单元的中心线重合，金属条带9的数量与多边形金属辐射贴片8的边的数量一一对应，并且金属条带9分别位于多边形金属辐射贴片8的边的外侧。金属条带9与对应的多边形金属辐射贴片8的边之间平行且具有间隙。

优选地，所有金属条带9与对应的多边形金属辐射贴片8的边之间的间隙相同，即所有金属条带9以多边形金属辐射贴片8的中心呈环形阵列。

优选地，多边形金属辐射贴片8为正多边形，优选正八边形，此时金属条带9的数量为8。

优选地，金属条带9的长度小于对应的多边形金属辐射贴片8的边的边长。

如图3所示，天线辐射体包括多边形贴片10和边缘金属条带11。多边形贴片10的中心线与多边形金属辐射贴片8的中心线方向重合。边缘金属条带11围绕多边形贴片10设置并位于第二基板层3的边缘。在本实施例中，多边形贴片10位于支撑层2的空腔内，边缘金属条带11位于支撑层2和第二基板层3之间。

优选地，多边形贴片10呈正多边形，优选为正八边形，多边形贴片10的边长小于多边形金属辐射贴片8的边长。

如图4所示，两个耦合缝隙121相对于天线单元中心垂直正交设置。

优选地，耦合缝隙121呈U形，并且耦合缝隙121的开口背向天线单元中心。

如图5所示，带状馈线包括电桥带状线13和两个渐变馈线14。电桥带状线13的两个输出端口通过走线控制两输出端口90°相位差，电桥带状线13本体横向宽度为1/4介质波长。两个渐变馈线14分别连接在电桥带状线13的两个输出端口上，并且两个渐变馈线14在竖直方向上与两个耦合缝隙121一一对应，即两个渐变馈线14也相对于天线单元中心垂直正交设置。

优选地，渐变馈线14为梯形渐变馈线。

电桥带状线13的两个输入端口分别连接竖直设置的类同轴内导体16，类同轴内导体16依次贯穿第二半固化层6、电桥带状线13对应的输入端和第四基板层7，类同轴内导体16穿过的孔为第一金属过孔161。

类同轴内导体16的外侧设有若干竖直设置的类同轴外导体17，所有类同轴外导体17围绕所述类同轴内导体16均匀间隔设置，类同轴外导体17依次穿过第一半固化层4、第一金属地层12、第三基板层5、第二半固化层6、第四基板层7，类同轴外导体17穿过的孔为第二金属过孔171。在本实施例中，类同轴外导体17的数量可以是3、4、5、6等。

为了便于走线，在本实施例中，第二金属地层15开设有与第一金属过孔161和第二金属过孔171相对应的通孔。

本实施例中，天线单元竖直设有均贯穿第一半固化层4、第三基板层5、第二半固化层6和第四基板层7的第三金属过孔131、第四金属过孔132和第五金属过孔133。

第三金属过孔131的数量为2，从竖直方向观察，2个第三金属过孔131关于电桥带状线13中间较宽的带状线对称分布；

第四金属过孔132的数量为若干个，所有第四金属过孔132呈直线排列并均匀间隔设置，从竖直方向观察，2个渐变馈线14关于所有第四金属过孔132排成的直线对称；优选地，第四金属过孔132的数量为6；

第五金属过孔133的数量若干个，所有第五金属过孔133呈直线排列并与所有第四金属过孔132排成的直线垂直，所有第五金属过孔133分为两组，每一组第五金属过孔133均匀间隔设置并且每一组第五金属过孔133对应一个第一金属过孔161，第一金属过孔161与对应的一组第五金属过孔133分别位于对应的第二金属过孔171的内、外两侧。优选的，第五金属过孔133的数量为6，每一组第五金属过孔133的数量均为3。

本实施例的宽带宽角扫描相控阵天线的信号传输过程：

S1：天线端信号由共轴的类同轴外导体17、类同轴内导体16构成的类似同轴线结构，通过垂直结构传输信号，到达电桥带状线13，实现横向至纵向信号流的转换；

S2：信号经过电桥走线实现两组信号精确的90°相位差；

S3：通过渐变馈线14向耦合缝隙121耦合馈电，并耦合馈电至天线辐射体，再由天线辐射体耦合馈电至寄生贴片上，实现向外辐射电磁信号。

通过本实施例任一实施例所述的宽带宽角相控阵天线单元，馈电信号经过天线单元内的传输链路实现了信号的低损耗、高精度相位控制。

图6为本发明本实施例提供的一种宽带宽角相控阵天线单元的反射系数曲线图。图中，横坐标轴代表频率，单位为(GHz)；纵坐标代表S参数的值，单位dB。由图中的S曲线可知，在10.7GHz到14.5GHz带宽范围内，反射系数S(1,1)＜-15dB、端口隔离度S(1,2)＜-12dB，反映了天线单元的阻抗匹配性能良好。

图7为本发明本实施例提供的一种宽带宽角相控阵天线单元的轴比曲线图。图中，横坐标轴代表频率，单位为(GHz)；纵坐标代表轴比值，单位dB。由图中的轴比曲线可知，3dB的轴比相对带宽达到40.5%(中心频率12.6GHz)。

图8为本发明本实施例提供的一种宽带宽角相控阵天线单元的增益曲线图。图中，横坐标轴代表频率，单位为(GHz)；纵坐标代表增益值，单位dB。由图中的增益曲线可知，在10.7GHz到14.5GHz带宽范围内，均实现了增益大于6dB，并且增益曲线平缓。

实施例二：

如图9所示，本实施例提供一种天线阵列，包括若干实施例一的宽带宽角扫描相控阵天线单元，所有天线单元呈矩阵排列，在本实施例中，天线阵列为8X8阵列，显然，在本发明的其他实施例中，阵列方式还可以是4X4、6X6、12X12等。

图10至图12分别是宽带宽角相控阵天线8X8天线阵列在10.7GHz、12.7GHz、14.5GHz频率的波束扫描曲线图。图中，横坐标轴代表扫描角度，即扫描方向与天线坐标系中Z轴正方向的夹角；纵坐标轴代表天线增益幅度值，单位为dB。图中分别给出了扫描角θ=65°、60°、45°、30°、15°、0°、-15°、-30°、-45°、-60°、-65°的波束扫描曲线图。由图中扫描曲线的增益值可知，天线阵列实现了±65°的扫描范围，阵元间的相互耦合性较低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽带宽角扫描相控阵天线单元，其特征在于，包括：依次设置的第一基板层（1）、第二基板层（3）、第一金属地层（12）、第三基板层（5）以及第四基板层（7）；所述第一基板层（1）、第二基板层（3）、第一金属地层（12）和第四基板层（7）分别敷设有寄生贴片、天线辐射体、耦合缝隙（121）以及带状馈线；

所述带状馈线通过所述第四基板层（7）背面的馈电点进行馈电并通过所述耦合缝隙（121）馈电至所述天线辐射体，最后通过所述天线辐射体耦合馈电至所述寄生贴片上，实现对外辐射电磁信号。

2.根据权利要求1所述的宽带宽角扫描相控阵天线单元，其特征在于，所述带状馈线包括电桥带状线（13）和两个渐变馈线（14）；所述电桥带状线（13）的两个输出端口分别连接所述渐变馈线（14），两个所述渐变馈线（14）相对于天线单元中心垂直正交设置并与所述耦合缝隙（121）在竖直方向上一一对应。

3.根据权利要求2所述的宽带宽角扫描相控阵天线单元，其特征在于，所述渐变馈线（14）为梯形渐变馈线。

4.根据权利要求2所述的宽带宽角扫描相控阵天线单元，其特征在于，所述电桥带状线（13）的两个输入端口分别连接类同轴内导体（16），所述类同轴内导体（16）贯穿所述电桥带状线（13）对应的输入端和所述第四基板层（7）。

5.根据权利要求1所述的宽带宽角扫描相控阵天线单元，其特征在于，所述寄生贴片包括多边形金属辐射贴片（8）和金属条带（9），所述金属条带（9）与所述多边形金属辐射贴片（8）的边一一对应并且所述金属条带（9）与对应的所述多边形金属辐射贴片（8）的边之间具有间隙。

6.根据权利要求5所述的宽带宽角扫描相控阵天线单元，其特征在于，所述天线辐射体包括多边形贴片（10）和边缘金属条带（11），所述多边形贴片（10）与所述多边形金属辐射贴片（8）的中心线重合，所述边缘金属条带（11）围绕所述多边形贴片（10）设置并位于所述第二基板层（3）的边缘。

7.根据权利要求6所述的宽带宽角扫描相控阵天线单元，其特征在于，所述第一基板层（1）和所述第二基板层（3）之间设有支撑层（2），所述支撑层（2）呈中空，所述第一基板层（1）、第二基板层（3）与支撑层（2）之间热粘合，所述多边形贴片（10）位于所述支撑层（2）的空腔内，所述边缘金属条带（11）位于所述支撑层（2）和所述第二基板层（3）之间。

8.根据权利要求4所述的宽带宽角扫描相控阵天线单元，其特征在于，所述类同轴内导体（16）的外侧设有若干类同轴外导体（17），所有所述类同轴外导体（17）围绕所述类同轴内导体（16）设置，所述类同轴外导体（17）依次穿过第一金属地层（12）、第三基板层（5）和第四基板层（7）；所述类同轴内导体（16）穿过的孔为第一金属过孔（161），所述类同轴外导体（17）穿过的孔为第二金属过孔（171）。

9.根据权利要求8所述的宽带宽角扫描相控阵天线单元，其特征在于，天线单元竖直设有贯穿所述第一金属地层（12）、第三基板层（5）和第四基板层（7）的第三金属过孔（131）、第四金属过孔（132）和第五金属过孔（133）；

所述第三金属过孔（131）的数量为2，从竖直方向观察，2个所述第三金属过孔（131）关于所述电桥带状线（13）中间较宽的带状线对称分布；

所述第四金属过孔（132）的数量为若干个，所有所述第四金属过孔（132）呈直线排列并均匀间隔设置，从竖直方向观察，2个所述渐变馈线（14）关于所有所述第四金属过孔（132）排成的直线对称；

所述第五金属过孔（133）的数量为若干个，所有所述第五金属过孔（133）呈直线排列并与所有所述第四金属过孔（132）排成的直线垂直，所有第五金属过孔（133）分为两组，每一组第五金属过孔（133）均匀间隔设置并且每一组第五金属过孔（133）对应一个所述第一金属过孔（161），所述第一金属过孔（161）与对应的一组第五金属过孔（133）分别位于对应的所述第二金属过孔（171）的内、外两侧。

10.一种天线阵列，其特征在于，包括若干如权利要求1至9任一项所述的宽带宽角扫描相控阵天线单元，所有天线单元呈矩阵排列。