毫米波圆极化紧耦合阵列天线制造技术

本发明专利技术公开了一种5G毫米波圆极化巴伦馈电紧耦合阵列天线。主要解决现有阵列天线在5G毫米波辐射圆极化波工作带宽太窄的问题，其包括第一匹配层(1)、第二匹配层(2)、第三匹配层(3)、天线阵列板(4)、金属电墙阵列(5)、馈电巴伦阵列(6)、上金属反射板(7)和下金属反射板(8)。天线阵列板覆盖在第一匹配层的上表面，金属电墙阵列位于第二匹配层中，上金属反射板位于第二匹配层和第三匹配层之间，下金属反射板位于第三匹配层内，馈电巴伦阵列位于上金属反射板和下金属反射板之间，并贯穿第二匹配层馈电给天线阵列板。本发明专利技术天线尺寸小，圆极化轴比好，能实现在5G毫米波频带内辐射圆极化波，可用于移动通信和卫星系统。可用于移动通信和卫星系统。可用于移动通信和卫星系统。

【技术实现步骤摘要】
毫米波圆极化紧耦合阵列天线


[0001]本专利技术属于天线
，具体涉及一种毫米波圆极化紧耦合阵列天线，可用于通信和卫星系统。

技术介绍

[0002]随着5G技术的普及应用，5G天线技术也随之高速发展。5G通信需要更高网速、低延时高可靠、低功率海量连接的技术条件，这对5G天线的带宽，增益，定向性等各个方面的性能提出了进一步的要求。因而采用单个独立的天线无法满足高增益等方面的需求，而天线阵列因为具有高增益、相位扫描、方向图赋形等优势，因此在无线通信中得到广泛的应用。
[0003]5G频段包括450MHz～6000MHz的FR1的低频段和24250MHz～52600MHz的FR2毫米波频带。其中FR1频段又称Sub6G频段，是5G的主用频段，其中3GHz以下的频率称之为Sub3G，其余频段称为C
‑
band。FR1的优点是频率低，绕射能力强，覆盖效果好，是当前5G的主用频谱。国内运营商目前支持的频段在FR1频段，但目前FR1频段已基本被划分完毕，所以发展5G毫米波高频波段就十分必要。FR2波段是高频频段，也称毫米波段，是5G的扩展频段，其频谱资源丰富，且超大带宽，频谱干净，干扰较小。同时毫米波波段因其丰富的频谱资源，已成为下一代移动通信6G的主要演进方向。
[0004]因为电磁波在传播过程中遇到反射折射会引起极化方向偏转，从而导致一般的线极化天线在接收端电磁波的极化方向与天线的极化方向不同，即极化失配，而圆极化波可以使用任意线极化天线接收，圆极化天线也可接收任意极化方向的来波。同时圆极化天线辐射的圆极化波不受地球两极磁场产生的法拉第效应影响，穿透电离层能力强，所以在卫星通信、相控阵雷达等方面具有大量的应用。
[0005]目前圆极化卫星通信地面天线多为抛物面天线、介质透镜天线和微带贴片天线。其中：抛物面设计简单天线，较为常用，但是其剖面高，体积大，重量大，安装困难，作用在通信系统或雷达系统上时工作带宽都相对较窄。介质透镜天线采用馈源机械扫描的方式，具有良好的电气性能，且可以实现多波束、多频段共用等性能，但是其插损大，阵列控制实现较难。微带贴片天线相对于抛物面天线，剖面低，小型化，结构简单，更易于集成于移动设备，但是微带贴片天线相对工作带宽太窄，不适用于宽带天线阵列。
[0006]例如2021年，雷文兵、胡斌等人在申请号为CN 202111206792.4的专利文献中提出了一种双圆极化相控阵天线阵列，该天线包括十字交叉的渐变椭圆形偶极子阵列板、双圆极化馈电网络、容性加载单元和AMC反射地板，该阵列天线工作频段为6～18GHz，且结构简单，易于加工可快速方便地应用到机载、弹载卫星通信、电子对抗、数据链通信等电子系统中。但是由于其天线尺寸过大，工作频率不在5G通信频段内而不适用于小型5G通讯设备。
[0007]为解决天线阵列间的耦合对阵列天线本身辐射性能的影响，研究人员提出了紧耦合理论，根据该理论近年来又提出了紧耦合阵列天线。其是利用单元间的电容耦合，使紧密排列的阵元间形成等效电容，以拓展天线的带宽，由于这种紧凑的单元形式便于组阵，有利于实现宽角扫描，因而便于低剖面、宽频带和小型化设计，且通过合理的馈电结构设计，能
达到稳定的90
°
相位差，辐射圆极化波，实现阵列的宽带宽角圆极化扫描。
[0008]2021年，王世伟、李银等人在申请号为CN202120635599.1的专利文献中提出了一种紧凑型超宽带圆极化阵列天线。其包括第一基板、支撑结构、第二基板、馈电网络、同轴馈电单元和多个交叉偶极子单元组成，并利用单元间的紧耦合，在1.96GHz～6.24GHz频段可满足反射系数小于等于10dB，阻抗带宽为104.4％，AR带宽为111.8％的辐射特性。但是该阵列天线主要工作在C波段，不适用于在5G毫米波段通信。
[0009]国内运营商的5G毫米波段是在FR2频带内的24.75GHz～27.5GHz和37GHz～43.5GHz。目前在FR2频段内工作的圆极化天线有波导天线、基片集成波导SIW天线、磁电偶极子阵列天线和微带贴片天线。但是对于5G毫米波移动通信设备来说，波导天线和基片集成波导天线馈电设计困难，同时小型化难度高，集成难度高；磁电偶极子阵列中的单元排布需要较大间距，而较大的间距会导致在波束扫描时出现栅瓣，从而导致天线增益的损失，影响天线辐射性能；微带贴片天线剖面低，但是其相对带宽较窄，不能实现在小型化的基础上尽可能宽的覆盖主要的5G毫米波移动通信频段。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的在于克服上述现有技术上的不足，提出一种超宽带紧耦合圆极化阵列天线，以拓宽天线辐射的带宽，实现对5G毫米波移动通信频段覆盖，抑制栅瓣产生，提高天线辐射性能，并减小天线体积，提升集成度。
[0011]为实现上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0012]一种5G毫米波圆极化巴伦馈电紧耦合阵列天线，包括匹配层、天线阵列板4、馈电巴伦阵列6和金属反射板，天线阵列板4中设有多个偶极子辐射周期单元，每个周期单元包括y极化的偶极子臂41和x极化的偶极子臂42，其特征在于：
[0013]所述匹配层，设为上下堆叠的三层，即第一匹配层1、第二匹配层2和第三匹配层3；
[0014]所述金属反射板，设为上下两层，即上金属反射板7和下金属反射板8；
[0015]所述第二匹配层2，其内固定有金属电墙阵列5，以增强天线单元内和单元之间的耦合，扩展天线阵列的带宽；
[0016]所述天线阵列板4覆盖于第一匹配层1的上表面，且其中的y极化的偶极子臂41和x极化的偶极子臂42均采用中心为十字形镂空、底边为阶梯状交趾的金属五边形结构，以延长辐射电流在天线贴片的电流路径，加长辐射单元的电长度，提升天线的辐射特性；
[0017]所述金属电墙阵列5位于第二匹配层2中；
[0018]所述上金属反射板7位于第二匹配层2和第三匹配层3之间；
[0019]所述下金属反射板8位于第三匹配层3内；
[0020]所述馈电巴伦阵列6，包括八个馈电巴伦结构单元，每个馈电巴伦结构单元包括不平衡带状线耦合器61、两个带状线巴伦结构62、63和一组四个组合金属导电柱结构64，其位于上金属反射板7和下金属反射板8之间，且通过其金属馈电导电柱贯穿第二匹配层2，馈电给天线阵列板4。
[0021]进一步，所述金属电墙阵列5包括多个金属电墙单元，每个金属电墙单元包括矩形金属贴片51和距离0.8mm的两个金属半圆柱52；该矩形金属贴片51分为x极化方向贴片和y极化方向贴片，其中x极化方向贴片长宽比在1.5～2.5范围内，y极化方向贴片长宽比在1.5
～2.5范围内；该金属半圆柱52的高度与第二匹配层2厚度相同。
[0022]进一步，所述天线阵列板4包括八个关于天线介质板中心对称分布的偶极子辐射周期单元，每个偶极子辐射周期单元由y极化的偶极子臂41、x极化的偶极子臂42和与其分别对应的两个交趾耦合金属贴片43、44组成，该y极化的偶极子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种5G毫米波圆极化紧耦合阵列天线，包括匹配层、天线阵列板(4)、馈电巴伦阵列(6)和金属反射板，天线阵列板(4)中设有多个偶极子辐射周期单元，每个周期单元包括y极化的偶极子臂(41)和x极化的偶极子臂(42)，其特征在于：所述匹配层，设为上下堆叠的三层，即第一匹配层(1)、第二匹配层(2)和第三匹配层(3)；所述金属反射板，设为上下两层，即上金属反射板(7)和下金属反射板(8)；所述第二匹配层(2)，其内固定有金属电墙阵列(5)，以增强天线单元内和单元之间的耦合，扩展天线阵列的带宽；所述天线阵列板(4)覆盖于第一匹配层(1)的上表面，且其中的y极化的偶极子臂(41)和x极化的偶极子臂(42)均采用中心为十字形镂空、底边为阶梯状交趾的金属五边形结构，以延长辐射电流在天线贴片的电流路径，加长辐射单元的电长度，提升天线的辐射特性；所述金属电墙阵列(5)位于第二匹配层(2)中；所述上金属反射板(7)位于第二匹配层(2)和第三匹配层(3)之间；所述下金属反射板(8)位于第三匹配层(3)内；所述馈电巴伦阵列(6)，包括多个馈电巴伦结构单元，每个馈电巴伦结构单元包括不平衡带状线耦合器(61)、两个带状线巴伦结构(62、63)和一组四个组合金属导电柱结构(64)，其位于上金属反射板(7)和下金属反射板(8)之间，且通过其金属馈电导电柱贯穿第二匹配层(2)，馈电给天线阵列板(4)。2.根据权利要求1所述阵列天线，其特征在于：所述金属电墙阵列(5)包括多个金属电墙单元，每个金属电墙单元包括矩形金属贴片(51)和距离0.8mm的两个金属半圆柱(52)；该矩形金属贴片(51)分为x极化方向贴片和y极化方向贴片，其中x极化方向贴片长宽比在1.5～2.5范围内，y极化方向贴片长宽比在1.5～2.5范围内；该金属半圆柱(52)的高度与第二匹配层(2)厚度相同。3.根据权利要求1所述阵列天线，其特征在于，所述天线阵列板(4)包括八个关于天线介质板中心对称分布的偶极子辐射周期单元，每个偶极子辐射周期单元由y极化的偶极子臂(41)、x极化的偶极子臂(42)和与其分别对应的两个交趾耦合金属贴片(43、44)组成，该y极化的偶极子臂(41)与其对应的第一交趾耦合金属贴片(43)耦合，该x极化的偶极子臂(41)与其对应的第二交趾耦合金属贴片(44)耦合。4.根据权利要求1所述阵列天线，其特征在于：所述不平衡带状线耦合器(61)是由两条上下堆叠放置的带状线组成一个四端口耦合器，其设有两个输入端口(611、612)、一个输出端口(613)和一个耦合端口(614)；所述两个带状线巴伦结构(62、63)上下堆叠，其分别与不平衡带状线耦合器的输出端口(613)和耦合输出口(614)相连；所述四个组合金属导电柱...

【专利技术属性】
技术研发人员：张帅，韦豪，白婵，岑一航，高营，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：