一种多层结构阵列天线的制作方法

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种多层结构阵列天线。

背景技术：

近年来，无线通信技术的迅猛发展，对天线提出了越来越高的要求。例如要求天线具有增益高，体积小，剖面低，带宽宽，方向性高等特点，单个天线通常很难满足需求，就需要采用阵列天线。阵列天线在雷达，通信，导航，测控等领域都有广泛的应用。

微带贴片天线具有结构紧凑，重量轻，成本低，易于集成等优点，微带天线越来越多应用于阵列天线的设计中。但随着贴片天线剖面尺寸的降低，天线性能（如相对带宽）就会受到影响。

因此需要对天线的剖面高度与天线的性能之间进行优化，保证天线性能的同时尽可能降低天线的剖面高度。

技术实现要素：

针对现有技术的不足之处，本发明提出一种多层结构阵列天线，该天线结构简单，性能良好，便于加工。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种多层结构阵列天线，包括从上到下设置的表层基板、中层基板、底层基板以及馈电网络基板；整个阵列天线被划分为多个天线单元，每个天线单元中，在中层基板上设置有镂空槽，表层基板和底层基板的上表面上在对应于镂空槽的位置处分别设置有上层辐射贴片和下层辐射贴片，底层基板的下表面具有金属地层，馈电网络基板上设置有功分网络，底层基板和馈电网络基板中贯穿有用于馈电的第一金属化通孔。

进一步的，所述天线单元之间通过贯穿表层基板和中层基板的第二金属化通孔隔开。

进一步的，所述功分网络为多级威尔金森功分器。

进一步的，所述第一金属化通孔位于下层辐射贴片的侧面，第一金属化通孔的顶部通过金属条带与下层辐射贴片连接。

进一步的，所述上层辐射贴片和下层辐射贴片为边长在2.0mm～5.0mm之间的正方形，所述镂空槽为边长小于10mm的正方形。

本发明通过采用上述技术方案而取得的有益效果为：

1、本发明阵列天线结构简单，便于加工。

2、本发明阵列天线在中间基板上设有镂空槽，从而使上层辐射贴片和下层辐射贴片之间形成空气层，从而拓展天线的工作带宽。

3、进一步的，本发明通过金属化通孔将天线单元隔开，可以有效改善阵元间的互耦，改善阵列天线各端口的有源驻波。

4、进一步的，本发明将第一金属化通孔设置在下层辐射贴片的侧面，可以腾出天线单元底部的空间，便于在天线单元的底部布设电气元件。

附图说明

图1是本发明实施例中阵列天线的结构示意图.

图2是图1中单个天线单元的剖面结构示意图。

图3是本发明实施例中馈电网络的结构示意图。

图4是本发明实施例中阵列天线的叠层加工过程示意图。

图5是本发明实施例中天线单元的端口驻波仿真曲线图。

图6是本发明实施例中阵列天线的增益仿真曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的说明。

一种多层结构阵列天线，其整体结构采用多层印制板工艺加工实现，该阵列天线包括多个天线单元，各天线单元按指定单元间距排布，每一个天线单元包括表层介质基板、中间层介质基板、底层介质基板以及馈电层介质基板。其中，表层介质基板上表面设置有金属贴片，下表面裸露基板，无覆铜；中间层介质基板上表面与下表面裸露基板，无覆铜，且中间介质板中部镂空；底层介质基板上表面设置有金属贴片，下表面设置有金属地板；馈电层介质基板上设有馈电网络；底层介质基板和馈电层介质基板上还设有用于馈电的金属化通孔。

进一步的，表层介质基板材质为tsm-ds3m，厚度为1.0mm～1.5mm，上表面正方形金属贴片尺寸为2.0mm～5.0mm。

中间层介质基板材质为tsm-ds3m，厚度为1.0mm～1.5mm，正方形镂空尺寸小于10mm，介质基板两侧不做覆铜设计。中间的空洞设计可以有效改善天线的带宽。

底层介质基板材质为tsm-ds3m，厚度为0.1mm～0.5mm，上表面正方形贴片尺寸为2.0mm～5.0mm，下表面全覆铜设计，但覆铜与金属化孔之间通过非金属化圆环隔开，从而构成同轴馈电结构。

进一步的，天线单元四周设置有金属化通孔，可以有效改善阵元间互耦，改善阵列天线各端口有源驻波。该金属化通孔贯穿表层介质基板和中间层介质基板，如果不影响底部的馈电层电路，则也可贯穿底层介质基板。

进一步的，所述馈电通孔位于下层辐射贴片的侧面，馈电通孔的顶部通过金属条带与下层辐射贴片连接。

所述馈电网络可采用微带形式，也可采用带状线形式。若采用微带形式，则馈电网络为一层介质基板，若采用带状线形式，则馈电网络为两层介质基板及埋阻工艺。介质基板材质为tsm-ds3m，厚度为0.1mm～0.3mm。为提高阵元天线之间的隔离，馈电网络可采用威尔金森功分器实现。

图1所示为一个4×4规模阵列天线，该天线阵列包括多个结构相同的阵元天线，每个天线采用三层结构，由上之下依次为表层介质基板，中层介质基板，底层介质基板。为拓展天线工作带宽采用双层辐射金属贴片设计，金属贴片之间采用中层介质基板形成了空气。通过此方式，可以便于多层印制板工艺的实施。

双层辐射贴片的大小可根据天线的工作频段设计，具体来说，表层介质基板可选用tsm－ds3m厚度为1.016mm，上层辐射贴片大小为4.66mm，中间层介质基板选用tsm－ds3m厚度为1.016mm，底层介质基板选用tsm－ds3m厚度为0.508mm，下层辐射贴片大小为4.44mm。天线馈电口采用同轴馈电形式，同轴馈电结构中金属化通孔的直径为0.3mm，底层介质基板下表面具有包围馈电金属化通孔的非金属化环，其外径为1.3mm。

如图3所示，本例中的馈电网络采用一分二威尔金森功分器形式，和路输出端口采用表贴smp接口。

如图4所示，上述阵列天线可采用两次压合制作，第一次压合完成天线表层基板与中间层基板的压合与金属化钻孔，同时完成天线底层基板与馈电网络层基板的压合与金属化钻孔。然后，将第一次压合得到的两块压合板材进行第二次压合，得到最终的印制板。

图5所示为上述天线单元的端口驻波仿真曲线，在较宽的频带范围内具有良好的驻波特性。图6所示为上述4×4阵列的增益仿真曲线，该天线阵列具有良好的增益性能。

本发明阵列天线由天线单元按特定间距排布，每个天线阵元由三层介质基板构成，中间层介质基板中部镂空形成空腔，馈电网络可采用微带传输线形式。本发明的整体结构采用多层印制板加工工艺实现，通过两次压合，减小印制板钻孔工艺复杂程度。此外，阵元之间设置有金属化通孔，起到改善阵元间隔离的作用。总之，本发明具有电气性能优良、集成化程度高、剖面低、加工流程简便、设计简单、使用方便等优点，是对现有技术的一种重要改进。

技术特征：

1.一种多层结构阵列天线，其特征在于，包括从上到下设置的表层基板、中层基板、底层基板以及馈电网络基板；整个阵列天线被划分为多个天线单元，每个天线单元中，在中层基板上设置有镂空槽，表层基板和底层基板的上表面上在对应于镂空槽的位置处分别设置有上层辐射贴片和下层辐射贴片，底层基板的下表面具有金属地层，馈电网络基板上设置有功分网络，底层基板和馈电网络基板中贯穿有用于馈电的第一金属化通孔。

2.根据权利要求1所述的多层结构阵列天线，其特征在于，所述天线单元之间通过贯穿表层基板和中层基板的第二金属化通孔隔开。

3.根据专利要求1所述的多层结构阵列天线，其特征在于，所述功分网络为多级威尔金森功分器。

4.根据专利要求1所述的多层结构阵列天线，其特征在于，所述第一金属化通孔位于下层辐射贴片的侧面，第一金属化通孔的顶部通过金属条带与下层辐射贴片连接。

5.根据专利要求1所述的多层结构阵列天线，其特征在于，所述上层辐射贴片和下层辐射贴片为边长在2.0mm～5.0mm之间的正方形，所述镂空槽为边长小于10mm的正方形。

技术总结
本发明公开了一种多层结构阵列天线，属于天线技术领域。其包括从上到下设置的表层基板、中层基板、底层基板以及馈电网络基板；整个阵列天线被划分为多个天线单元，每个天线单元中，在中层基板上设置有镂空槽，表层基板和底层基板的上表面上在对应于镂空槽的位置处分别设置有上层辐射贴片和下层辐射贴片，底层基板的下表面具有金属地层，馈电网络基板上设置有功分网络，底层基板和馈电网络基板中贯穿有用于馈电的第一金属化通孔。本发明具有电气性能优良、集成化程度高、剖面低、加工流程简便，设计简单、使用方便等优点。

技术研发人员：许志涛
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十四研究所
技术研发日：2020.04.08
技术公布日：2020.06.26