一种宽波束天线单元及相控阵制造技术

本发明专利技术公开了一种宽波束天线单元及相控阵，包括贴合设置的上层介质基板及下层介质基板，所述下层介质基板的上表面设置金属辐射贴片，其下表面设置金属地板，所述上层介质基板的上表面设置寄生金属辐射贴片，在上层介质基板及下层介质基板的同侧分别设置第一列接地柱及第二列接地柱，所述第一列接地柱分别与寄生金属辐射贴片及金属辐射贴片连接，所述第二列接地柱分别与金属辐射贴片及金属地板连接。通过在等效磁流小型化宽波束天线阵列之间引入新的去耦路径，可以有效提高天线单元之间的隔离，进一步改善相控阵的扫描环境，且此去耦结构可进行大规模的阵列扩展。结构可进行大规模的阵列扩展。结构可进行大规模的阵列扩展。

【技术实现步骤摘要】
一种宽波束天线单元及相控阵


[0001]本专利技术涉及无线通信领域，具体涉及一种宽波束天线单元及相控阵。

技术介绍

[0002]随着现代无线通信技术的发展，第五代移动通信(5G)已成为全球的热点。为满足5G三大应用场景所需的大带宽、低时延、高速率等要求。研究人员的研究重心逐渐向具有更充裕频谱资源的毫米波频段迁移，毫米波天线需要解决的问题就是毫米波频段由于频率高，导致其波长短，传输距离以及覆盖范围受限。
[0003]为了解决这个问题，相控阵将成为5G束捷变、波束合成和分解等能力但相控阵在扫描过程中存在增益下降过快即扫描过程中容易失配。而这问题的原因在于阵列单元波束宽度以及阵列端口间的隔离有关，若阵列单元波束宽度较窄，由方向图乘积定理可知，阵列方向图等于单元方向图乘以阵因子，而阵列规模确定时，相控阵扫描过程中的增益波动就取决于单元波束宽度。但上述条件成立的前提，必须保证阵列的隔离优于一个定值下，扫描过程中才不会出现失配情况，所以需要通过加载去耦结构来优化阵列端口间的隔离，但有时受限天线单元本身尺寸限制，导致去耦困难。因而具有小型化宽波束阵列天线单元的探索就显得尤为重要，是解决上述问题的关键。基于小型化宽波束阵列单元的设计基础，在阵列单元之间通过引入新的去耦路径来抵消原来天线阵列间的固有耦合来改善阵列隔离，进一步改善阵列的扫描性能，两者共同作用，实现宽角扫描相控阵。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术存在的缺点与不足，本专利技术提供一种宽波束天线单元及相控阵，所述相控阵为宽角扫描相控阵，是基于宽波束天线单元及去耦结构共同作用实现的。
[0005]本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种宽波束天线单元，包括贴合设置的上层介质基板及下层介质基板，所述下层介质基板的上表面设置金属辐射贴片，其下表面设置金属地板，所述上层介质基板的上表面设置寄生金属辐射贴片，在上层介质基板及下层介质基板的同侧分别设置第一列接地柱及第二列接地柱，所述第一列接地柱分别与寄生金属辐射贴片及金属辐射贴片连接，所述第二列接地柱分别与金属辐射贴片及金属地板连接。
[0007]进一步，所述第一列接地柱及第二列接地柱均是纵向设置，且接地柱的孔径及相邻接地柱的间距均相同。
[0008]进一步，寄生金属辐射贴片和金属辐射贴片的长边尺寸相同，宽边尺寸不同。
[0009]进一步，还包括馈电结构，所述馈电结构包括一个金属探针，所述金属探针通过金属地板的圆孔进行底部馈电，然后垂直穿过金属地板与金属辐射贴片连接。
[0010]进一步，一种基于去耦结构的相控阵，包括N
×
M个阵列排布的如权利要求1所述的宽波束天线单元，水平方向相邻宽波束天线单元加载去耦结构，所述去耦结构包括L形枝节及一字形枝节，所述L形枝节的一个分支末端与一字形枝节连接，L形枝节的另一个分支与
寄生金属辐射贴片的宽边垂直。
[0011]进一步，所述去耦结构设置在上层介质基板，其与寄生金属辐射贴片不同层。
[0012]进一步，所述L形枝节的两个分支长为0.167λg0、0.145λg0；两个分支宽为0.0446λg0，λg0为中心频率点对应的介质基板的有效波长。
[0013]进一步，相邻宽波束天线单元的间距为0.337λ，λ为中心频率对应的自由空间波长。
[0014]进一步，一字形枝节的长为0.337λg0，宽度为0.022λg0，λg0为中心频率点对应的介质基板的有效波长。
[0015]进一步，相控阵中E面方向相邻天线单元间距为0.337λ，H面方向相邻天线单元间距为0.6λ。
[0016]本专利技术的有益效果：
[0017](1)本专利技术宽波束天线单元包括叠层金属辐射贴片、接地柱，由于叠层金属辐射贴片属于四分之一波长谐振，可以有效减小贴片的尺寸，同时形成单磁流辐射，展宽单元波束宽度，使天线具有小型化、宽波束和平面结构。
[0018](2)本专利技术在实现宽波束性能的同时，通过加载寄生金属辐射贴片结构实现了双频谐振，进一步扩宽天线的阻抗带宽；
[0019](3)本专利技术通过在金属辐射贴片辐射边金属柱接地短路，使得宽波束天线单元由原来的等效双磁流辐射改进为单磁流辐射，即相当于贴片由原来双磁流乘积方向图除去了阵因子部分，仅剩单元方向图，从而展宽天线宽波束。
[0020](4)本专利技术宽波束天线单元采用两层介质基板和一层金属地板，及两列短路接地金属柱，成本和重量都相对较小，因而可以大规模生产。
[0021](5)本专利技术基于宽波束的天线单元在阵列之间引入新的去耦结构，可以提高天线单元之间的隔离，进一步改善相控阵的扫描环境，且此去耦结构可进行大规模的阵列扩展。
[0022](6)基于本专利技术中的等效磁流小型化宽波束天线单元及专利技术中的去耦结构两者结合而设计的宽角扫描相控阵，可以实现在较宽扫描角情况下，其增益在扫描过程仅在一个较小的范围内波动。
附图说明
[0023]图1是本专利技术一种宽波束天线单元的立体结构示意图；
[0024]图2(a)是图1的俯视图；
[0025]图2(b)是图1的侧视图；
[0026]图3是本专利技术一种宽波束天线单元的反射特性示意图；
[0027]图4(a)是本专利技术一种宽波束天线单元在24GHz处的辐射方向图示意图；
[0028]图4(b)是本专利技术一种宽波束天线单元在25.5GHz处的辐射方向图示意图；
[0029]图4(c)是本专利技术一种宽波束天线单元在27GHz处的辐射方向图示意图；
[0030]图5(a)是本专利技术实施例2中去耦结构的相对位置示意图；
[0031]图5(b)是本专利技术实施例2中相控阵的结构俯视图；
[0032]图5(c)是本专利技术实施例2中相控阵的结构侧试图；
[0033]图6是本专利技术实施例2中阵列端口之间S参数示意图；
[0034]图7(a)是本专利技术实施例3相控阵俯视图；
[0035]图7(b)是本专利技术实施例3相控阵侧视图；
[0036]图8(a)是本专利技术实施例3阵列边缘端口之间S参数示意图；
[0037]图8(b)是本专利技术实施例3阵列中心端口之间S参数示意图；
[0038]图9(a)是本专利技术实施例3在25.5Ghz处的扫描性能；
[0039]图9(b)是本专利技术实施例3在26.5Ghz处的扫描性能。
具体实施方式
[0040]下面结合实施例及附图，对本专利技术作进一步地详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。
[0041]实施例1
[0042]本实施例1中，介质基板的X轴方向为竖直方向，Y轴方向为水平方向，原点为介质基板的中心点。
[0043]如图1及图2(a)及图2(b)所示一种基于等效磁流小型化宽波束天线单元，包括同轴馈电结构、上层介质基板2及下层介质基板1，两层介质基板贴合设置，所述下层介质基板1的下表面设置金属地板3，下层介质基板1的上表面设置金属辐射贴片4，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽波束天线单元，其特征在于，包括贴合设置的上层介质基板及下层介质基板，所述下层介质基板的上表面设置金属辐射贴片，其下表面设置金属地板，所述上层介质基板的上表面设置寄生金属辐射贴片，在上层介质基板及下层介质基板的同侧分别设置第一列接地柱及第二列接地柱，所述第一列接地柱分别与寄生金属辐射贴片及金属辐射贴片连接，所述第二列接地柱分别与金属辐射贴片及金属地板连接。2.根据权利要求1所述的宽波束天线单元，其特征在于，所述第一列接地柱及第二列接地柱均是纵向设置，且接地柱的孔径及相邻接地柱的间距均相同。3.根据权利要求1所述的宽波束天线单元，其特征在于，寄生金属辐射贴片和金属辐射贴片的长边尺寸相同，宽边尺寸不同。4.根据权利要求1
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3任一项所述的宽波束天线单元，其特征在于，还包括馈电结构，所述馈电结构包括一个金属探针，所述金属探针通过金属地板的圆孔进行底部馈电，然后垂直穿过金属地板与金属辐射贴片连接。5.一种基于去耦结构的相控阵，其特征在于，包括N
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M个阵列排布的如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨琬琛，车文荃，薛泉，潘松林，李靖豪，
申请(专利权)人：人工智能与数字经济广东省实验室广州，
类型：发明
国别省市：