一种±45°双极化毫米波阵列天线
阅读说明：本技术 一种±45°双极化毫米波阵列天线 (+/-45-degree dual-polarized millimeter wave array antenna ) 是由 杨清凌 高式昌 文乐虎 苏海滨 于 2020-11-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种±45°双极化毫米波阵列天线,包括从下到上依次层叠设置的第一金属层、第一介质层、第二金属层、粘结层、第三金属层、第二介质层和第四金属层,在第一金属层上蚀刻有基片集成波导腔体下层金属阵列。本发明所公开的±45°双极化毫米波阵列天线,采用微带和基片集成波导混合设计,在有限的空间中设计出带馈电网络的双极化阵列天线。通过角馈的方式对基片集成波导腔体进行馈电,获得了较好的端口隔离度和交叉极化鉴别率。采用了四分之一圆形切角的贴片增加了天线的工作带宽。(The invention discloses a +/-45-degree dual-polarized millimeter wave array antenna which comprises a first metal layer, a first dielectric layer, a second metal layer, a bonding layer, a third metal layer, a second dielectric layer and a fourth metal layer which are sequentially stacked from bottom to top, wherein a lower metal array of a substrate integrated waveguide cavity is etched on the first metal layer. The +/-45-degree dual-polarized millimeter wave array antenna disclosed by the invention adopts a hybrid design of a micro-strip and a substrate integrated waveguide, and a dual-polarized array antenna with a feed network is designed in a limited space. The substrate integrated waveguide cavity is fed in an angle feeding mode, and good port isolation and cross polarization discrimination are obtained. The use of quarter-circle corner cut patches increases the operating bandwidth of the antenna.)
技术领域
本发明属于微波毫米波天线技术领域，特别涉及该领域中的一种±45°双极化毫米波阵列天线。
背景技术
在无线通信系统中，天线是信号接收和发射的关键部件。随着无线移动通信技术的发展，要求微波毫米波天线在保证良好的电气性能的同时，还要能实现双极化、低剖面、低成本、易加工等特性。
±45°双极化天线的实现方式主要有对称振子、波导交叉缝隙、印刷微带天线等等。对称振子天线具有结构简单，带宽宽，交叉极化低，半功率波瓣宽度等优势；缺点是在高频毫米波频段很难实现低剖面，且难以进行馈电。波导交叉缝隙具有交叉极化电平低、辐射效率高等特点；缺点是馈电网络体积庞大，设计天线阵时难以在单层上同时实现双极化馈电网络。印刷微带天线具有加工简单，剖面低等优势，但其缺点是带宽窄，损耗高，辐射效率低。近几年，随着基片集成波导作为一种新的天线设计结构，在毫米波频段上能够替代金属波导的作用，易于加工和与平面电路集成，是一种优良的毫米波天线设计结构。利用微带线在单层PCB上实现双极化馈电网络，同时利用基片集成波导进行天线结构设计是双极化毫米波天线设计的一种较好选择。
例如，有人提出分别设计+45°和‒45°毫米波天线单元，然后分别组成线阵，交错排列来实现±45°双极化平面阵。报道的天线单元有开槽微带贴片或者45°倾斜缝隙单元。这样的设计优势是馈电网络不存在交叉，容易设计。但这些结构的缺点是天线尺寸较大，天线效率较低，且交叉极化鉴别率都小于20 dB。
从现有的报道来看，虽然微带线和基片集成波导在天线设计中各具优势，但并没有很好地解决两者的矛盾，要么设计完全采用微带结构，要么设计完全采用基片集成波导结构。要同时解决损耗、双极化馈电网络设计、双极化天线单元设计、带宽、平面化等要求困难较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种具有高交叉极化鉴别率、高口径效率、低剖面、易加工的±45°双极化毫米波阵列天线。
本发明采用如下技术方案：
一种±45°双极化毫米波阵列天线，其改进之处在于：包括从下到上依次层叠设置的第一金属层、第一介质层、第二金属层、粘结层、第三金属层、第二介质层和第四金属层，在第一金属层上蚀刻有基片集成波导腔体下层金属阵列，N条级联馈电网络和M个功分器，N为大于等于4的偶数，M为大于等于2的自然数，两条级联馈电网络之间通过功分器连接在一起，基片集成波导腔体采用角馈且为方形带两个端口结构，信号分别从其两侧的两条级联馈电网络经过两个端口流入，第一介质层内部有基片集成波导腔体金属化通孔、级联馈电网络接地贴片金属化通孔和功分器接地贴片金属化通孔，第二金属层和第三金属层为地板层，均蚀刻有与基片集成波导腔体阵列位置相对、数量相同的交叉十字缝隙阵列，且各交叉十字缝隙的方向与其相对应基片集成波导腔体对角线的方向一致，由基片集成波导腔体激励交叉十字缝隙，粘结层将第二金属层和第三金属层粘合为一体，第四金属层上蚀刻有与交叉十字缝隙阵列位置相对、数量相同的微带辐射贴片阵列，且微带辐射贴片方向与其相对应的交叉十字缝隙方向一致，微带辐射贴片受交叉十字缝隙的激励产生双极化辐射。
进一步的，级联馈电网络由微带线组成，在微带线的弯曲处设有接地贴片。
进一步的，功分器由微带线组成，功分器的两个微带臂各与一条级联馈电网络连接在一起，在两个微带臂中间设有接地贴片。
进一步的，基片集成波导腔体通过方形金属化通孔实现，基片集成波导腔体内还包括微带线，激励基片集成波导腔体的两个端口可分别在腔体内产生TE120和TE210模式电场。
进一步的，第四金属层上蚀刻的四个微带辐射贴片分别有四分之一圆形切角，且通过十字细微带连接起来。
进一步的，阵列天线含有2×8个包含基片集成波导腔体的天线单元，其中心频率为28 GHz。
进一步的，第一介质层为RO4003C，介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027，厚度为0.305 mm；第二介质层也为RO4003C，厚度为0.508 mm；粘结层为RO4450F，厚度为0.2mm，介电常数为3.52，损耗角正切为0.004；第一、二、三、四金属层均为金属敷铜层，厚度均为0.5盎司；整个阵列天线的剖面高度为0.076个自由空间波长，基片集成波导腔体尺寸为5.4 mm×5.4 mm；交叉十字缝隙长度和宽度分别为 2.84 mm和0.3 mm；微带辐射贴片的宽度为2.19 mm，其四分之一圆形切角半径为1.46 mm，微带辐射贴片与贴片之间的间隙宽度为0.45mm，十字细微带的宽度为0.17 mm。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的±45°双极化毫米波阵列天线，采用微带和基片集成波导混合设计，在有限的空间中设计出带馈电网络的双极化阵列天线。通过角馈的方式对基片集成波导腔体进行馈电，获得了较好的端口隔离度和交叉极化鉴别率。采用了四分之一圆形切角的贴片增加了天线的工作带宽。本发明所公开的±45°双极化毫米波阵列天线，相对阻抗带宽可达13.6%，2dB 增益带宽可达6%，端口隔离度在整个阻抗带宽都大于20 dB，交叉极化鉴别率为25 dB。 相比报道的±45°双极化毫米波平面阵列，本发明的阵列天线具有尺寸小，口径效率高，交叉极化鉴别率高等优势。在结构简单、极低剖面和高集成度的前提下，能同时实现馈电网络和阵列天线一体化设计，拥有较好的天线性能。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开阵列天线的结构示意图；
图2是本发明实施例1所公开阵列天线的层叠图；
图3是本发明实施例1所公开阵列天线中级联馈电网络的示意图；
图4是本发明实施例1所公开阵列天线中功分器的示意图；
图5是本发明实施例1所公开阵列天线中基片集成波导腔体的示意图；
图6是本发明实施例1所公开阵列天线中地板层蚀刻的交叉耦合缝隙示意图；
图7是本发明实施例1所公开阵列天线中微带辐射贴片的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，如图1-2所示，本实施例公开了一种±45°双极化毫米波阵列天线，包括从下到上依次层叠设置的第一金属层11、第一介质层12、第二金属层13、粘结层14、第三金属层15、第二介质层16和第四金属层17，在第一金属层上蚀刻有基片集成波导腔体下层金属23阵列，4条级联馈电网络和2个功分器，两条级联馈电网络之间通过功分器连接在一起，如图5所示，基片集成波导腔体21采用角馈且为方形带两个端口25、26结构，这样有利于增加端口之间的隔离度和降低交叉极化，同时也有利于天线的小型化和方便馈电。信号分别从其两侧的两条级联馈电网络经过两个端口流入，第一介质层内部有基片集成波导腔体金属化通孔22、级联馈电网络接地贴片金属化通孔513和功分器接地贴片金属化通孔66，来调节馈电网络和功分器的阻抗匹配。第二金属层和第三金属层为地板层31，如图6所示，均蚀刻有与基片集成波导腔体阵列位置相对、数量相同的交叉十字缝隙32、33阵列，且各交叉十字缝隙的方向与其相对应基片集成波导腔体对角线的方向一致，由基片集成波导腔体激励交叉十字缝隙，粘结层将第二金属层和第三金属层粘合为一体，第四金属层上蚀刻有与交叉十字缝隙阵列位置相对、数量相同的微带辐射贴片阵列41，且微带辐射贴片方向与其相对应的交叉十字缝隙方向一致，微带辐射贴片受交叉十字缝隙的激励产生双极化辐射。
在双极化阵列天线设计中，因为空间的限制，馈电网络的设计往往比较困难和复杂。本实施例设计的馈电网络为级联式馈电网络，如图3所示，级联馈电网络由微带线512组成，在微带线的弯曲处设有接地贴片511来降低回波损耗和寄生效应。通过调节510三个四分之一波长微带线的宽度，可以实现较好的匹配效果。
如图4所示，功分器用于将能量传递给每个级联馈电网络，功分器由微带线组成，功分器的两个微带臂各与一条级联馈电网络连接在一起，在两个微带臂中间设有接地贴片64来降低回波损耗。
基片集成波导腔体通过方形金属化通孔实现，基片集成波导腔体内还包括用于阻抗匹配的微带线24，激励基片集成波导腔体的两个端口可分别在腔体内产生TE120和TE210模式电场。
如图7所示，第四金属层上蚀刻的四个微带辐射贴片分别有四分之一圆形切角，且通过十字细微带42连接起来。这样的设计可增加天线的感性，便于调节阻抗匹配，拓展阻抗带宽。
阵列天线含有2×8个包含基片集成波导腔体的天线单元，其中心频率为28 GHz，对其在HFSS中进行全波电磁仿真。
第一介质层为RO4003C，介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027，厚度为0.305 mm；第二介质层也为RO4003C，厚度为0.508 mm；粘结层为RO4450F，厚度为0.2mm，介电常数为3.52，损耗角正切为0.004；第一、二、三、四金属层均为金属敷铜层，厚度均为0.5盎司；整个阵列天线的剖面高度为0.076个自由空间波长，基片集成波导腔体尺寸为5.4 mm×5.4 mm；交叉十字缝隙长度和宽度分别为 2.84 mm和0.3 mm；微带辐射贴片的宽度为2.19 mm，其四分之一圆形切角半径为1.46 mm，微带辐射贴片与贴片之间的间隙宽度为0.45mm，十字细微带的宽度为0.17 mm。
本实施例公开了一种既能实现±45°双极化，又具有高交叉极化鉴别率、高口径效率、低剖面、易加工、低成本的微波毫米波平面阵列天线。该±45°双极化阵列天线采用一个交叉耦合缝隙来激励微带天线单元。交叉耦合缝隙蚀刻于一个支持对角TE120和TE210模式的基片集成波导结构腔体上。由于TE120和TE210模式的正交性，此时天线具有很高的端口隔离度和很低的交叉极化。同时，采用对角激励也有利于天线的小型化和馈电网络的设计。通过十字金属带将四个微带贴片连接在一起来改善天线的阻抗带宽。这种阵列天线其单元交叉极化电平高于32 dB。加上馈电网络后，天线阵的阻抗带宽可达13.6%。阵列天线采用了级联馈电方式。为了降低一致高频工作时微带线不连续处强烈的寄生效应，在微带线弯曲处插入了一个接地贴片。本实施例适合用于微波毫米波领域，来解决高频天线设计中±45°双极化实现的技术难点。
天线单元的仿真结果表明，两个端口之间的隔离度在中心频率为28 dB，交叉极化鉴别率为32 dB，工作带宽为27.2 GHz-28.8 GHz，在此范围内增益值为6.2 dBi-7.2dBi。加上馈电网络之后的仿真结果表明，该天线阵的阻抗带宽为13.6%，2 dB增益带宽为6%，中心频率增益为16.7 dBi，交叉极化鉴别率为25 dB。
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