一种K频段高增益宽带微带天线及天线单元

技术领域

本发明属于天线工程技术领域，特别涉及高增益宽带微带天线，具体来说是一种加载金属喇叭口的，加工工艺简单的宽带微带天线，适用于相控阵阵列，可应用于卫星通信等领域。

背景技术

随着通信对抗对设备小型化、轻量化需求逐步提高，板级集成阵列成为研究热点，其将阵列天线、收发组件、馈电网络和电源控制等全部集成在一块母版上，这就要求阵列天线需要采用平面化天线。微带天线由于其剖面低、可以通过多层过孔、传输线转换结构等实现与有源器件及电路集成，广泛应用于板级集成有源阵面中。

然而普通微带天线带宽窄，通常只有5％-7％，为了满足使用需求，一般需要拓展微带天线带宽，其主要通过采用增加寄生贴片引入新的谐振点，选用比较厚且介电常数低的介质，采用耦合馈电等方式来展宽天线的阻抗带宽，该设计通常印制板层数较多，工艺装配复杂。

对于常规的有源相控阵天线来说，其成本与通道数量密切相关。减少通道数量，即保持阵列总增益不变，提高单元天线增益。而普通微带贴片增益约6dBi，组阵时即使增加阵元间距，单元天线增益也不会随之增加，甚至由于表面波影响导致某些频率增益降低。为了提高天线增益，可以将几个微带天线合路后作为一个单元，但是频率较高时该方法合路损耗很大，天线单元复杂度增加，并且采用该方法常常难以满足相控阵对阵元间距限制；或者采用超表面，但是基于FSS提高增益的原理导致该方法通常只能针对某个辐射方向提高增益，天线组阵扫描时增益大幅下降。

另外，双线极化天线应用于相控阵系统时，通过组件对两个极化设置不同的相位值可以实现斜极化、左右旋圆极化等不同极化。为了使阵列天线在不同馈电相位时有源驻波保持稳定且合成圆极化时具有良好的轴比，需要天线单元具有良好的端口隔离度。为了实现较好的耦合效果，天线馈线及耦合缝隙需要基本位于贴片正下方，由于K频段天线频率高，尺寸小，两个极化的馈线和H型缝隙空间受限导致天线两个端口隔离度较差。

发明内容

针对上述背景技术中存在的问题，本发明提出了一种K频段高增益宽带微带天线天线单元，用于大间距组阵时具有较高的辐射效率，工艺装配简单，积小、工艺简单、易于与有源器件进行板级集成，适合作为大型有源相控阵的天线单元。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种K频段高增益宽带微带天线单元，包括同轴接插件，还包括从上至下依次设置的金属喇叭口、寄生层、辐射层、馈电层和金属底板；

所述寄生层的主体为第一介质板，第一介质板的上表面设有寄生贴片；所述寄生贴片为缺角方形结构；

所述辐射层的主体为第二介质板，第二介质板的上表面设有辐射贴片；

所述馈电层的主体为第三介质板，第三介质板的上表面设有两条L型微带线，每一L型微带线的耦合端均设有与其垂直连接的阻抗匹配枝节；L型微带线的馈电端通过金属化过孔连接同轴接插件的内芯；两条L型微带线相互垂直；第三介质板的下表面设有金属板，金属板上设有两个H型缝隙，H型缝隙和L型微带线一一对应；每一H型缝隙位于对应L型微带线耦合端的正下方，且H型缝隙的横向枝节垂直于L型微带线的第二枝节；

所述馈电层和金属底板之间还设有第四介质板，同轴接插件的外皮与金属底板连接。

进一步的，所述缺角方形结构具体为：在方形结构的四个角部均具有有矩形的缺角，形成的12边形结构。

进一步的，每一微带线均包括相互垂直并相邻端连接的第一枝节和第二枝节；阻抗匹配枝节连接在第一枝节的末端。

进一步的，两微带线的第一枝节相互垂直。

进一步的，所述馈电端的周围设有多个隔离柱，隔离柱和金属化过孔均穿过第三介质板、金属板和第四介质板延伸连接至金属底板。

进一步的，两个H型缝隙之间设有多个隔离柱，用于端口隔离；隔离柱的顶端位于第三介质板上表面，底端与金属底板连接。

进一步的，所述金属喇叭口的内壁为台阶结构，从上至下渐缩。

进一步的，还包括多个平行设置的金属柱，金属柱排布在金属喇叭口的末端；金属柱的顶端与金属喇叭口连接，金属柱的底端延伸至第三介质板上表面。

一种K频段高增益宽带微带天线，由上述一种K频段高增益宽带微带天线单元以矩形阵列的方式排布组成。

本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：

该天线体积小、工艺简单、易于与有源器件进行板级集成，适合作为大型有源相控阵的子阵，在相控阵雷达和卫星通信系统中具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明天线的结构剖面图；

图2为本发明第一介质板上表面的示意图；

图3为本发明第三介质板的上、下表面投影图；

图4为本发明天线的阵中有源驻波曲线；

图5为本发明天线阵中方向图；

图6为本发明天线不加隔离柱和增加隔离柱端口隔离度对比图；

图7为本发明4×4阵列天线结构图；

图8为本发明天线4×4阵列方向图。

图中，1、金属喇叭口，2、寄生贴片，3、L型微带线，4、隔离柱，5、金属底板，6、金属板，7、安装孔，8、辐射贴片，9、第一介质板，10、第二介质板，11、第三介质板，12、第四介质板，13、金属柱，14、金属化过孔，15、H型缝隙。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的说明。

宽带高增益天线透视图和剖面结构分别如图1所示，采用寄生贴片、一定厚度且介电常数低的介质和耦合馈电等方式来拓展带宽，其中微带线尺寸和H形槽的尺寸对于天线的工作频段具有决定性作用。设置大于常规微带天线单元尺寸的阵元间距，增大印制板尺寸，加载金属喇叭口提高天线增益。双层贴片外围用金属柱形成金属腔壁，金属喇叭口靠近贴片侧的开口口径相同。两个极化的H形缝隙间用一定形状的隔离柱隔开增加端口隔离度。

本发明工作原理：

该天线通过加载金属喇叭口提高口面效率。保持微带天线结构尺寸不变，在贴片上方加入金属喇叭口作为增益放大器。在微带线周围通过增加一圈金属柱形成金属腔，类似喇叭天线的波导口，将能量集中在金属腔内，避免与相邻单元由于互耦在某些频点形成全反射，导致能量无法辐射出去。该天线采用翻转式缝隙耦合馈电结构，微带线位于H形缝隙地的上层，同轴探针(同轴接插件)穿过带有H形缝隙的金属板与微带线焊接，在对应焊点正上方的两层贴片介质层上打孔(安装孔)，避免焊接点凸起导致介质层不能紧密贴合。该设计类似于微带线邻近耦合结构，H形缝隙起了加强耦合与调节阻抗的作用。打孔部分相当于介质掺杂空气降低等效介电常数，有利于增加带宽。在两个H形缝隙之间加入隔离柱，提高端口隔离度。

实施例，参照图1-图3，由K频段高增益宽带微带天线单元的周期结构构成，采用周期边界条件下模拟本发明在无限大阵列环境下的仿真。本发明的天线单元结构描述如下：

金属喇叭口；寄生贴片；辐射贴片；H形缝隙的金属板；微带馈线；金属腔；隔离柱；金属底板；承载印刷贴片的介质基板。

上述加载金属喇叭口的高增益微带天线加工装配简单，天线单元尺寸为15mm×15mm，组阵阵元间距1.06λ

图4-图6给出了实施例1的有源驻波、阵中方向图和端口隔离度。天线工作带宽17.9％，单元增益大于9dBi，端口隔离度大于20dB。

实施例2

具体地，将每个天线单元沿着阵面二维方向分别延伸，构成图7所示4×4有限阵列，其他结构和实施例1一样。

图8为该阵列方向图。本实施例中，阵列为由图1所示的周期单元组成的4×4面阵，如图7所示。4×4阵列方向图如图8所示，天线辐射性能良好，口面效率达到70％。基于图1所描述的天线单元，可以根据实际应用需求，将无限大阵列环境拓展至任意符合实际的有限大阵列下使用。

以上所述仅是本发明的实施例。应当指出，在不脱离本发明原理和构思的前提下，所做的修改、变化等，均应落入本发明的保护范围。