寬帶圓極化平板陣列天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于毫米波圓極化天線設(shè)計和制造的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種寬帶圓極化毫米波平板陣列天線。
【背景技術(shù)】
[0002]在無線通信系統(tǒng)中，圓極化工作模式具有抗多徑效應，并且相比于線極化，不需要極化調(diào)整裝置。隨著無線通信頻率的提高，毫米波圓極化天線的應用需求日趨強烈。
[0003]圓極化天線的實現(xiàn)方式主要有單饋，多饋和外加圓極化器三種方式。單饋天線饋電網(wǎng)絡(luò)簡單，容易實現(xiàn)緊湊、高效率的陣列，缺點是單饋圓極化天線的3dB軸比帶寬通常較窄；多饋天線利用寬帶電橋或巴倫通過矢量合成的方式實現(xiàn)圓極化，相比于傳統(tǒng)的單饋天線，極大地改善了 3dB軸比帶寬，缺點是饋電網(wǎng)絡(luò)復雜，陣列布局困難，尤其在毫米波頻段應用時；外加圓極化器比較容易實現(xiàn)從線極化到圓極化的轉(zhuǎn)換，并且可以通過多層結(jié)構(gòu)來展寬工作帶寬，缺點是外加的部件增加了天線的插入損耗和縱向尺寸，不利于平面集成。
[0004]由于單饋圓極化天線結(jié)構(gòu)緊湊，容易實現(xiàn)大規(guī)模陣列排布，因此非常適合用于對尺寸要求嚴格的毫米波陣列。為了解決單饋圓極化天線窄帶的問題，近年來一些研宄人員利用結(jié)構(gòu)和工藝上的改進實現(xiàn)了一些寬帶單饋圓極化陣列天線
[0005]例如，文獻“Printed Planar 8 X 8Array Antenna with Circular Polarizat1nfor Millimete r-ffave Applicat1n，，(A.D.Nesic, and D.A.Nesic, IEEE Antennas andWireless Propaga t1n Letters, vol.11, pp.744-747, 2012)提出了一種工作在 60GHz 的圓極化天線，由印制電路板(PCB)制作而成，其包含一個介質(zhì)層和兩個金屬覆銅層。輻射單元為一對開口金屬圓環(huán)，分別位于上，下金屬覆銅層，背靠背排列。一對差分平衡饋電微帶線分別刻蝕在上、下金屬覆銅層上，與開口圓環(huán)相連。介質(zhì)層為上、下金屬覆銅層的輻射單元和饋電網(wǎng)絡(luò)提供支撐。該結(jié)構(gòu)饋電網(wǎng)絡(luò)緊湊，實測的8X8元陣列的3dB軸比帶寬可達25%，缺點是天線效率低，實測結(jié)果僅為20%。
[0006]又如，文獻“Axial rat1 bandwidth enhancement of 6O-GHz substrateintegrated wavegu ide-fed circularly polarized LTCC antenna array，，(YueLi,Zhi Ning Chen, Xianming Qing, Zhijun Zhang, Junfeng Xu, and Zhenghe Feng, IEEETransact1ns on Antennas and Propa gat1n, vol.60, n0.10, pp.4619-4626, Oct.2012.)也提出了一種適用于毫米波頻段的圓極化陣列天線。該結(jié)構(gòu)使用低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝制作，包含八層金屬覆銅層和二十層介質(zhì)層。輻射單元為加載SIW諧振腔的金屬貼片，由第一層金屬覆銅層、第二金屬覆銅層和位于1-5介質(zhì)層內(nèi)的金屬化孔制作而成；第二金屬覆銅層、第三金屬覆銅層和位于6-10介質(zhì)層內(nèi)的金屬化孔構(gòu)成SIW反相功分網(wǎng)絡(luò)，其中饋電槽刻蝕在第二金屬覆銅層上，耦合槽刻蝕在第三金屬覆銅層上，一個耦合槽對兩個背靠背的饋電槽饋電；第三覆銅層、第七覆銅層和位于11-18介質(zhì)層內(nèi)的金屬化孔構(gòu)成SIW功分網(wǎng)絡(luò)；第四、第五、第六、第八覆銅層和位于11-20介質(zhì)層內(nèi)的金屬化孔用于制作SIW到標準矩形波導的過渡。天線采用并饋網(wǎng)絡(luò)并且加載SIW諧振腔用于提高工作帶寬。制作的4X4元陣列的3dB軸比帶寬為10.7%，然而實測增益平均值為15dBi，天線帶內(nèi)增益波動大，效率低。
[0007]從現(xiàn)有報道可以發(fā)現(xiàn)，雖然在毫米波頻段可以通過改進結(jié)構(gòu)設(shè)計或工藝手段來實現(xiàn)寬帶圓極化，但并沒有很好地解決高效率和寬頻帶之間的矛盾，要同時實現(xiàn)毫米波圓極化陣列天線的平面化、高效率和寬頻帶特性，困難較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的毫米波圓極化天線難以兼顧寬頻帶、高效率與組陣的問題，提供一種寬帶圓極化平板陣列天線。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0009]一種寬帶圓極化平板陣列天線，其特征在于，從上往下依次層疊第一金屬覆銅層1、第一介質(zhì)層5、第二金屬覆銅層2、第二介質(zhì)層6、第三金屬覆銅層3、第三介質(zhì)層7、第四介質(zhì)層8、第四金屬覆銅層4 ;第一金屬覆銅層I上刻蝕微帶輻射單元11和SIW短路塊12 ;第一介質(zhì)層5內(nèi)分布貫穿其中且兩端分別與第一金屬覆銅層I和第二金屬覆銅層2相連的第一類金屬化孔51，該金屬化孔位于SIW短路塊12的正下方、呈矩形排布；第二金屬覆銅層2上刻蝕十字槽21和矩形窗口 22 ;第三金屬覆銅層3上刻蝕帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)31 ;第四金屬覆銅層4為地板，其上刻蝕矩形波導口 41 ;貫穿第二金屬覆銅層2、第二介質(zhì)層6、第三金屬覆銅層3、第三介質(zhì)層7、第四介質(zhì)層8和第四金屬覆銅層4設(shè)有第二類金屬化孔91和第三類金屬化孔92，所述第三類金屬化孔92垂直對應于第一類金屬化孔51排布、并相互導通，共同與SIW短路塊12、矩形窗口 22、矩形波導口 41構(gòu)成SIW矩形腔；所述第二類金屬化孔91與微帶輻射單元垂直對應排布。
[0010]所述帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)31由90°相位延遲線311，一組并饋級聯(lián)T型功分器312和耦合探針313組成，陣列的規(guī)模決定T型功分器312的數(shù)量。
[0011]所述90°相位延遲線311由切角彎傳輸線3111、匹配枝節(jié)3112、幅度補償枝節(jié)3113和第一、第二相位延遲枝節(jié)3114、3115組成；其中，匹配枝節(jié)3112的長度用于優(yōu)化調(diào)節(jié)天線的回波損耗，幅度補償枝節(jié)3113的長度用于優(yōu)化調(diào)節(jié)EX和EY的相對幅度值，相位延遲枝節(jié)3114和3115用于優(yōu)化調(diào)節(jié)EY和EY的相對相位差；相位延遲枝節(jié)3114和3115可以等長、也可以不等長，相比于普通的相位延遲線，不等長度平行延遲線具有更大的相位調(diào)節(jié)自由度。
[0012]所述微帶輻射單元11由四個寄生貼片111構(gòu)成，寄生貼片的作用是提高單元增益和3dB軸比帶寬；寄生貼片的形狀為矩形貼片，三角貼片，方環(huán)、方形開口環(huán)或四分之一圓，且寄生貼片朝向十字槽的兩邊平行于十字槽，其尺寸使得諧振頻率落在工作頻帶內(nèi)，配合延遲線口徑耦合饋電結(jié)構(gòu)實現(xiàn)圓極化；所述第二類金屬化孔91與每個寄生貼片111中心垂直——對應排布。
[0013]所述十字槽的長度為λ J1、λ g為波導波長，寬度為1/6?1/10槽長度。
[0014]所述微帶輻射單元11的邊長初值選為\抓Aci為自由空間波長，寄生貼片111的間隙約為兩倍于十字槽21的寬度。
[0015]所述第二介質(zhì)層6、第四介質(zhì)層8用于支持相鄰的金屬覆銅層；所述第三介質(zhì)層7為半固化片，用于層間高精度粘接。
[0016]另外，本發(fā)明寬帶圓極化平板陣列天線接口為波導接口，帶狀線轉(zhuǎn)波導的過渡由SIW矩形諧振腔10和耦合探針313組成；SIW的矩形諧振腔上開有一個小的矩形窗，耦合探針313通過矩形窗將能量從帶狀線饋入波導，矩形窗尺寸的選擇原則是抑制波導模式。天線可以使用多層PCB工藝或LTCC工藝制作。
[0017]本發(fā)明的有益效果:
[0018]本發(fā)明的方案采用一種新穎的90°相位延遲線對十字槽進行饋電結(jié)構(gòu)，在十字槽的上方增加的四個寄生貼片用于提高天線單元的增益并改善3dB軸比帶寬。
[0019]設(shè)計的90°相位延遲線具有三個獨立的枝節(jié)，分別用于相位延遲，幅度補償和匹配調(diào)節(jié)。利用這種結(jié)構(gòu)可分別設(shè)計兩個正交極化場的最佳幅度平衡頻率和理想90°相差頻率，從而使得圓極化天線的設(shè)計變得簡單、可控。相位延遲枝節(jié)采用不等長度平行雙線結(jié)構(gòu)，克服了普通相位延遲線的作用長度不能超過耦合十字槽長度的限制，增加了設(shè)計的自由度，這種改進可以讓3dB軸比頻帶和天線最佳增益頻帶幾乎重合。
[0020]第二類金屬化孔貫穿第三金屬覆銅層，垂直對應于天線寄生貼片中心，即實現(xiàn)了帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)中帶狀線旁設(shè)計一組短路金屬孔(第二類金屬化孔)，有效地抑制了 TEM模在饋電網(wǎng)絡(luò)區(qū)域外的傳播，大大降低了單元互耦，保證了陣列組陣性能。
[0021]本發(fā)明驗證的4X4元陣列實現(xiàn)了 14%的3dB軸比帶寬，帶內(nèi)增益為17.4dBi?18.2dBi，效率大于65%，天線組陣間距0.75 λ ^，天線高度0.19 λ ^，饋電網(wǎng)絡(luò)與測試波導口的過渡被集成在天線內(nèi)部，沒有增加額外的高度，整個設(shè)計在取得高性能的同時實現(xiàn)了低剖面、小型化。
[0022]所設(shè)計的單饋型口徑耦合天線使用多層PCB板加工，具有低成本的優(yōu)勢，適合毫米波大規(guī)模圓極化陣列組陣，解決了毫米波頻段上圓極化天線效率與軸比帶寬難以兼顧的難題。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明的寬帶圓極化平板陣列天線的三維結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1、2、3、4分別表示第一、第二、第三、第四金屬覆銅層，5、6、7、8分別表示第一、第二、第三、第四介質(zhì)層。
[0024]圖2是本發(fā)明的寬帶圓極化平板陣列天線的四個金屬覆銅層結(jié)構(gòu)圖，其中，12表示SIW短路塊、11表示微帶輻射單元、111表示寄生貼片