Ka波段基于基片集成径向谐振功分网络的微集成阵列天线制造技术

该发明专利技术公开了一种Ka波段基于基片集成径向谐振功分网络的微集成阵列天线，涉及微波/毫米波技术领域。本发明专利技术中的基片集成波导径向功分是在常用的矩形基片集成波导的基础上进行了改造，该结构最外的一圈沿圆周分布的金属通孔起到了传统的矩形基片集成波导两侧金属通孔相同的作用，有效地阻止了电磁波的泄漏；位于整个功分馈电网络最中间的是同轴电流输入探针，其外导体与第一层接地板相接触，内导体完全伸入第一介质基板，从整个馈电功分网络的背面进行馈电。其周围沿同一个圆周对称分布的八个金属通孔形成的输出探针将同轴电流探针输入的电流耦合向上传输，依次经过第一介质基板、第二接地板、半固化片、第二介质基板输送至最上层的均匀圆形阵列天线单元，实现等幅同相馈电。

【技术实现步骤摘要】
Ka波段基于基片集成径向谐振功分网络的微集成阵列天线
本专利技术涉及微波/毫米波
，具体为一种Ka波段均匀圆形阵列天线的微集成结构。
技术介绍
本专利技术提出的均匀圆形阵列天线微集成结构，是将阵列天线与功分网络相结合，通过贯穿整个结构的输出探针实现功分网络向阵列天线的馈电。目前国内外研究学者所提出的集成均匀圆形阵列天线大多通过改变微带线的长度和走线角度进行阻抗变换，使得相邻矩形贴片的馈电信号产生相位差或者是在均匀圆形阵列天线的输入端加入一系列RF组件，包括数字移项器等实现相移(M.Donelli,M.Manekiya,etal.Ultra-widebandantennaarraybasedonorbitalangularmomentum[C].2019IEEEInternationalSymposiumonAntennasandPropagationandUSNC-URSIRadioScienceMeeting,Atlanta,2019)。前者要求精度十分高的加工工艺且加工费用较昂贵，如果出现一些微小偏差就会使得相位差发生变化导致产生的轨道角动量纯度不够。特别是当频段提升至毫米波段后，尺寸随之减小，上述结构的加工难度会进一步提升；后者系统组成复杂，集成度低，需要购置一系列设备，实施难度大。所述Ka波段微集成OAM阵列天线采用切角天线单元，通过基片集成径向谐振功分网络等辐同相馈电即可产生OAM模式，通过在输出端设计环形槽使输出探针与接地层产生电隔离方便进行金属过孔的加工和阻抗匹配，减小了计算工作量、结构尺寸以及加工误差对阵列天线的影响，有效降低了成本。
技术实现思路
针对上述结构存在的问题，为解决现有均匀圆形阵列天线结构中集成度低、加工工艺复杂以及成本高的问题，本专利技术提出了一种用于Ka波段的均匀圆形阵列天线，该结构中心频率为30GHz，将阵列天线与基片集成波导功分网络进行微集成，相较于其他结构，大幅缩小了整体体积，减少了阻抗匹配计算量，节约了大量成本。为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：Ka波段基于基片集成径向谐振功分网络的微集成阵列天线，该结构为层叠结构，从下至上包括三层：径向馈电功分网络、半固化片层和均匀圆形阵列天线；所述径向馈电功分网络包括由下至上依次层叠的第一接地层、第一介质基板、第二接地层。径向馈电功分网络的中心设置有输入探针，该输入探针依次穿过第一接地层、第一介质基板、第二接地层，并与第一接地层保持电隔离，与第二接地层连通；以输入探针为圆心设置有一圈均匀排布的圆形金属通孔，这些金属通孔使第一接地层与第二接地层连通；在金属通孔围成的圆圈内，以输入探针为圆心设置有8个输出探针，该输出探针与第一接地层连通，与第二接地层保持电隔离；所述均匀圆形阵列天线包括第二介质基板和设置在第二介质基板上表面的8个切角贴片，这8个切角贴片分别对应与输出探针连接，且绕输入探针轴线成中心对称；所述切角贴片为切除了一组对角的矩形贴片，8个切角贴片的切角位置相同。进一步的，所述半固化片厚度为0.1mm；第一接地层、第二接地层和切角贴片铜厚度为0.018mm；所述输入探针和输出探针为金属化过孔，输入探针过孔内径为0.3mm，输出探针过孔内径为0.7mm，输入探针与输出探针距离为5.16mm；通过在第一接地层的输入探针周围设置环形槽方便进行阻抗匹配，并使输入探针与第一接地层保持电隔离，通过在第二接地层的输出探针周围设置环形槽使输出探针与第二接地层保持电隔离；所述第一接地层上环形槽直径为0.62mm，外直径为1mm，所述第二接地层上环形槽内直径为0.98mm，外直径为1.5mm；最外围的金属通孔内径为0.8mm，与输入探针输入距离为8.76mm；所述切角贴片由尺寸为2.7mm*2.14mm的矩形贴片天线切去右对角线上两个直角边形成，切去的三角形直角边分别为0.46mm和0.36mm。本专利技术的Ka波段均匀圆形阵列天线的微集成结构的工作原理如下：所述均匀圆形阵列天线位于第二层介质基板上，由八个切角贴片天线组成，可以由光刻或者腐蚀等技术进行加工，通过输出探针耦合电流进行馈电。矩形微带贴片天线在切去同一条对角线上的两个角之后，两种由馈电电场形成的空间正交简并模的谐振频率将会被分开，通过调整馈电点位置和切角与整个贴片的面积之比产生等幅且带有90°相位差的馈电信号，由此产生了稳定的圆极化。本专利技术中将矩形贴片右对角线上的两个角切去后产生了右旋圆极化，因此所组成的均匀圆形阵列也就产生了右旋圆极化。这种设计只需等幅同相馈电就能产生轨道角动量模式l＝1，为功分馈电网络的设计提供了方便。所述功分馈电网络为一种径向基片集成谐振径向功分网络。本专利技术中的基片集成波导径向功分是在常用的矩形基片集成波导的基础上进行了改造，由常用的类矩形波导结构改为了圆形谐振腔结构。该结构最外的一圈沿圆周分布的金属通孔起到了传统的矩形基片集成波导两侧金属通孔相同的作用，有效地阻止了电磁波的泄漏。位于整个功分馈电网络最中间的是同轴电流输入探针，其外导体与第一层接地板相接触，内导体完全伸入第一介质基板，从整个馈电功分网络的背面进行馈电。其周围沿同一个圆周对称分布的八个金属通孔形成的输出探针将同轴电流探针输入的电流耦合向上传输，依次经过第一介质基板、第二层接地板、半固化片、第二层介质基板输送至最上层的均匀圆形阵列天线单元，实现等幅同相馈电。值得一提的是，整体结构除了微带贴片天线需要进行刻蚀，其余都采用了金属通孔的设计，方便加工的同时还节约了成本。采用基片集成波导设计馈电功分网络是因为其能够将所有的组件集成到同一个基板上，本专利技术中就将均匀圆形阵列天线与基片集成波导径向功分高度集成到了一起，从而有效缩减了整个系统的尺寸。同时，基片集成波导场模式和色散分布等传输特性都与传统的金属矩形波导十分相似，且保留了传统金属波导的大部分特点，包括高品质因数，自洽的电屏蔽高功率处理能力等等，能够有效地代替传统金属波导的功能。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的具有了以下优点：1、本专利技术将基片集成径向谐振馈电功分网络与阵列天线进行微集成，有效减小了整体结构尺寸，方便进行阻抗匹配，减小了加工误差对整体结构的影响。2、在金属通孔经过的接地层采用了环形槽而非圆形槽设计，使金属通孔能够实现实际加工并且方便进行阻抗匹配。3、选用的介质基板与半固化片的介电常数、损耗正切角、物理特性等相近，减小了层叠结构在传输过程中的损耗。4、引入的切角天线可以在等幅同相馈电的情况下产生轨道角动量模式，不需要额外购置数字移相器等设备，方便进行馈电功分网络的设计。附图说明通过参考附图可以更清楚的理解本专利技术的特征和优点，附图是示意性的，而不应该理解为对本专利技术有任何限制，在附图中：图1为本专利技术实施例整体结构示意图；图2为本专利技术实施例馈电功分网络分解示意图；图3为本专利技术实施例均匀圆形阵列天线分解示意图；图4为本专利技术实施例打孔横截面示意图；图5为本专利技术实施例输入端口的反射随频率变化的曲线，用S11本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.Ka波段基于基片集成径向谐振功分网络的微集成阵列天线，该结构为层叠结构，从下至上包括三层：径向馈电功分网络、半固化片层和均匀圆形阵列天线；/n所述径向馈电功分网络包括由下至上依次层叠的第一接地层、第一介质基板、第二接地层，径向馈电功分网络的中心设置有输入探针，该输入探针穿过第一接地层、第一介质基板、第二接地层，并与第一接地层保持电隔离，与第二接地层连通；以输入探针为圆心设置有一圈均匀圆形金属通孔，这些金属通孔使第一接地层与第二接地层连通；在金属通孔围成的圆圈内，以输入探针为圆心设置有8个输出探针，该输出探针与第一接地层连通，与第二接地层保持电隔离；/n所述均匀圆形阵列天线包括第二介质基板和设置在第二介质基板上表面的8个切角贴片，这8个切角贴片分别对应与输出探针连接，且绕输入探针轴线成中心对称；所述切角贴片为切除了一组对角的矩形贴片，8个切角贴片的切角位置相同。/n

【技术特征摘要】
1.Ka波段基于基片集成径向谐振功分网络的微集成阵列天线，该结构为层叠结构，从下至上包括三层：径向馈电功分网络、半固化片层和均匀圆形阵列天线；
所述径向馈电功分网络包括由下至上依次层叠的第一接地层、第一介质基板、第二接地层，径向馈电功分网络的中心设置有输入探针，该输入探针穿过第一接地层、第一介质基板、第二接地层，并与第一接地层保持电隔离，与第二接地层连通；以输入探针为圆心设置有一圈均匀圆形金属通孔，这些金属通孔使第一接地层与第二接地层连通；在金属通孔围成的圆圈内，以输入探针为圆心设置有8个输出探针，该输出探针与第一接地层连通，与第二接地层保持电隔离；
所述均匀圆形阵列天线包括第二介质基板和设置在第二介质基板上表面的8个切角贴片，这8个切角贴片分别对应与输出探针连接，且绕输入探针轴线成中心对称；所述切角贴片为切除了一组对角的矩形贴片，8个切角贴片的切角位置相同。

【专利技术属性】
技术研发人员：蒲友雷，陈曦阳，姜子涵，罗勇，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51