一种双频双馈电的单极化集成相控阵天线的制作方法

1.本实用新型涉及天线领域，特别涉及一种双频双馈电的单极化集成相控阵天线。


背景技术：

2.相控阵天线由多个相同的辐射天线组成，通过控制馈电相位，可以实现增益方向图波束扫描。现有相控阵天线大多只能单频段工作。现有双频阵列天线，采用两种异频天线错位分布的形式，实现双频工作，但是该双频阵列天线难以实现相控阵天线的功能，因为辐射天线之间的距离很小，耦合作用较强，当方向图波束与天线垂直面形成较大的夹角时，这种耦合更强，对双频阵列天线的影响很大。
3.相控阵天线主要分为天线阵列和馈电网络两部分，现有相控阵天线，一般采用连接电缆线将馈电网络与天线阵列连接，导致馈电过程损耗大，线路多，体积大，不利于集成一体化。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种双频双馈电的单极化集成相控阵天线，采用双频双馈电的辐射天线，并将天线阵列与馈电网络集成一体化，所形成的集成双频阵列天线，能够在4.9ghz和26ghz双频段实现相控阵天线，能够使增益方向图在一个平面内从-60至60度波束扫描，双端口的隔离度＞32db。
5.本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案实现：
6.一种双频双馈电的单极化集成相控阵天线，包括馈电网络和多个天线单元组成的天线阵列，其中每个天线单元包括第一介质片、第二介质片、辐射天线、第一单元馈电微带线、第二单元馈电微带线、第一金属化孔和第二金属化孔；馈电网络包括第一馈电子网络、第二馈电子网络；
7.第一介质片的第一面上覆铜，辐射天线设置在第一介质片的第一面上；第一介质片的第二面上覆铜，作为铜片地板；
8.第二介质片的第一面上覆铜，第一单元馈电微带线和第二单元馈电微带线均设置在第二介质片的第一面上；第二介质片的第二面上覆铜，作为铜片地板；
9.第一介质片的第二面和第二介质片的第二面压合；
10.第一金属化孔穿过第一介质片、第一介质片的铜片地板、第二介质片、第二介质片的铜片地板，使辐射天线通过第一金属化孔与第一单元馈电微带线相连接；第二金属化孔穿过第一介质片、第一介质片的铜片地板、第二介质片、第二介质片的铜片地板，使辐射天线通过第二金属化孔与第二单元馈电微带线相连接；
11.第一馈电子网络、第二馈电子网络均设置在第二介质片的第一面上，第一馈电子网络将输入馈电网络的第一频段能量均分至多个第一单元馈电微带线的馈电端口，第二馈电子网络将输入馈电网络的第二频段能量均分至多个第二单元馈电微带线的馈电端口。
12.进一步的，第一金属化孔、第二金属化孔均为竖直的开孔；其中，第二金属化孔贯
穿天线单元中心，第一金属化孔在水平方向上与天线单元中心的距离为预设距离。
13.进一步的，每个天线单元还包括半固化片，第一介质片的第二面和第二介质片的第二面通过半固化片压合。
14.进一步的，第一馈电子网络包括第一馈电端口、一个主威尔金森微带线结构、多个低频移相器芯片和多个子威尔金森微带线结构；主威尔金森微带线结构的输入端与第一馈电端口相连接；主威尔金森微带线结构的多个输出端与多个低频移相器芯片的输入端一一对应连接；多个低频移相器芯片的输出端分别与子威尔金森微带线结构的输入端一一对应连接；
15.子威尔金森微带线结构的输出端口之间的间距与天线单元之间的间距一致，每个子威尔金森微带线结构的输出端口与每个天线单元的第一单元馈电微带线相连接。
16.进一步的，第二馈电子网络包括第二馈电端口、一个主t型微带线结构、多个毫米波移相器芯片和多个子t型微带线结构；主t型微带线结构的输入端与第二馈电端口相连接；主t型微带线结构的多个输出端与多个毫米波移相器芯片的输入端一一对应连接；多个毫米波移相器芯片的输出端分别与子t型微带线结构的输入端一一对应连接；
17.子t型微带线结构的输出端口之间的间距与天线单元之间的间距一致，每个子t型微带线结构的输出端口与每个天线单元的第二单元馈电微带线相连接。
18.进一步的，天线单元以预设间隔d作为单元间距，以二维矩阵形式排列，构成天线阵列。
19.进一步的，预设间隔d为31mm。
20.进一步的，第一介质片为相对介电常数为2.2、损耗正切角为0.001、厚度为1.5mm的f4bm板材；第二介质片为相对介电常数为2.2、损耗正切角为0.0015、厚度为0.25mm的f4b板材；半固化片为厚度为0.1mm的fr-4板材。
21.进一步的，第一介质片的铜片地板分别以第一金属化孔和第二金属化孔为中心设有隔离环，第二介质片的铜片地板分别以第一金属化孔和第二金属化孔为中心设有隔离环。
22.进一步的，所设的隔离环直径为0.88mm。
23.本实用新型相对于现有技术具有如下的有益效果：
24.(1)本实用新型的天线单元采用多层板结构，包括双面覆铜的第一介质片、半固化片和双面覆铜的第二介质片，辐射天线以预设阵列排布设置在第一介质片的第一面上，并通过金属化孔采用双端口馈电形式进行馈电，减小了馈电过程损耗。
25.(2)本实用新型的天线通过两个不同的馈电网络分别实现低频和毫米波频段的馈电，同时在微带线结构中加入体积小和集成化的移相器芯片，移相器芯片的输出相位值可调节，完成了相控阵天线的波束扫描控制部件；馈电网络均设置在第二介质片的顶层，实现了馈电网络的集成一体化和小型化。
26.(3)本实用新型的双频双馈电的相控阵天线具备集成化的优势下，实现双频相控阵天线的性能。本实用新型的双频相控阵天线可以工作于4.9ghz和26ghz。在4.9ghz，s11小于-30db，增益方向图的主波束能在水平二维平面实现-60至60度波束扫描，最大增益达到21db，主极化与交叉极化隔离度大于20db；在26ghz，s22小于-20db，增益方向图在水平面和垂直面各有5个波束，5个波束与中心轴z轴的俯仰角分别为-48、-22、0、22和48度，增益方向
图的5个波束能在水平二维平面实现-60至60度波束扫描，最大增益为21db。在双频段内，第一馈电端口与第二馈电端口之间的隔离度s21和s12均大于32db。
附图说明
27.图1为本实用新型实施例中双频天线单元的剖面图。
28.图2为本实用新型实施例中双频天线单元的顶层结构示意图。
29.图3为本实用新型实施例中双频天线单元的底层结构示意图。
30.图4为本实用新型实施例的双频天线单元在低频段s参数随频率变化曲线图。
31.图5为本实用新型实施例的双频天线单元低频段增益方向图的主极化与交叉极化图。
32.图6为本实用新型实施例的双频天线单元在毫米波频段s参数随频率变化曲线图。
33.图7为本实用新型实施例的双频天线单元毫米波频段增益方向图。
34.图8为本实用新型实施例中的双频天线阵列示意图。
35.图9为本实用新型实施例中双频相控阵天线的馈电网络示意图。
36.图10为本实用新型实施例中双频双馈电的集成化相控阵天线的透视图。
37.图11为本实用新型实施例的双频相控阵天线低频段的s参数随频率变化曲线图。
38.图12为本实用新型实施例的双频相控阵天线毫米波频段的s参数随频率变化曲线图。
39.图13为本实用新型实施例的双频相控阵天线低频段的主极化与交叉极化增益方向图。
40.图14为本实用新型实施例的双频相控阵天线低频段在波束扫描时的增益方向图。
41.图15为本实用新型实施例的双频相控阵天线毫米波频段的增益方向图。
42.图16为本实用新型实施例的双频相控阵天线毫米波频段在波束扫描时的增益方向图。
具体实施方式
43.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
44.实施例：
45.如图1所示，一种双频双馈电的单极化集成相控阵天线，包括馈电网络和多个天线单元组成的天线阵列，其中每个天线单元包括第一介质片1、第二介质片5、辐射天线2、半固化片8、第一单元馈电微带线6、第二单元馈电微带线7、第一金属化孔3、第二金属化孔4；
46.第一介质片1的第一面上覆铜，辐射天线2设置在第一介质片1的第一面上；第一介质片1的第二面上覆铜，作为铜片地板；
47.第二介质片5的第一面上覆铜，第一单元馈电微带线6和第二单元馈电微带线7均设置在第二介质片5的第一面上；第二介质片5的第二面上覆铜，作为铜片地板；
48.第一介质片1的第二面和第二介质片5的第二面通过半固化片8面对面压合；
49.第一金属化孔3穿过第一介质片1、第一介质片1的铜片地板、半固化片8、第二介质片5、第二介质片5的铜片地板，使辐射天线2通过第一金属化孔3与第一单元馈电微带线6相连接；第二金属化孔4穿过第一介质片1、第一介质片1的铜片地板、半固化片8、第二介质片5、第二介质片5的铜片地板，使辐射天线2通过第二金属化孔4与第二单元馈电微带线7相连接。进一步优选地，第一单元馈电微带线6、第二单元馈电微带线7均位于辐射天线2的正下方，从而使第一金属化孔3、第二金属化孔4均为竖直的开孔。
50.第一介质片1的铜片地板分别以第一金属化孔3和第二金属化孔4为中心设有隔离环9；同样地，第二介质片5的铜片地板分别以第一金属化孔3和第二金属化孔4为中心设有隔离环9。由于铜片地板上设有以金属化孔为中心的圆孔作为隔离环，金属化孔虽然穿过铜片地板但是不与铜片地板接触。
51.本实施例中，天线单元为双频天线单元，双频天线单元的顶层结构如图2所示，底层结构如图3所示。图2中，影响天线单元性能的主要尺寸参数具体为：a＝16.35mm，b＝12mm，c＝3.6mm，e＝1.08mm，f＝3.48mm。
52.本实施例中，第二金属化孔贯穿天线单元中心，第一金属化孔在水平方向上与天线单元中心的距离i＝2.74mm；所设的隔离环直径为0.88mm；第一介质片为相对介电常数为2.2、损耗正切角为0.001、厚度为1.5mm的f4bm板材，尺寸为l
×
l，l为31mm；第二介质片为相对介电常数为2.2、损耗正切角为0.0015、厚度为0.25mm的f4b板材；半固化片为厚度为0.1mm的fr-4板材，尺寸与第一介质片相同。
53.本实施例中，天线单元能工作于4.9ghz和26ghz频段。在4.9ghz频段，天线单元的s11和s21曲线如图4所示，可见s11小于-15db，s21大于25db。如图5所示为天线单元在4.9ghz频段增益方向图的主极化与交叉极化图，最大增益为6.8db，在水平面和垂直面-60至60度范围内主极化与交叉极化隔离度均大于20db；在26ghz频段，天线单元的s11和s21曲线如图6所示，可见s11小于-15db，s21大于15db。如图7所示为天线单元在26ghz频段水平面和垂直面的增益方向图，最大增益为8db。
54.如图8所示，本实施例中，双频天线阵列由64个双频双馈电天线单元组成，天线单元以预设间隔d作为单元间距，以二维8
×
8矩阵形式排列，构成天线阵列。天线阵列采用45度线极化的极化方式。
55.为实现双频相控阵天线功能，根据方向图乘积原理，阵列天线最终的方向图e(θ)由阵元方向图s(θ)与阵因子f(θ)共同决定，如式子(1)所示。阵元方向图即天线单元的方向图；阵因子由天线单元位置分布、馈电相位等共同决定。
56.e(θ)＝s(θ)
·
f(θ)
ꢀꢀꢀ
(1)
57.若阵列为n个阵元的均匀直线阵，馈电幅值相等，仅存在均匀变化的馈电相位差，归一化阵因子可用式子(2)表示。阵中，天线单元可以比拟为点源，点源之间直线分布，点源直线间距为d，点源的馈电相位差为方向图波束指向与两点源所在直线的夹角为θ，k为电磁波传播常数。阵列方向图波束扫描公式如式子(3)所示，当ψ＝0时，代表两点源方向图同相叠加，有最大增益。
58.[0059][0060]
相控阵天线需要合理设计天线单元的分布位置，以避免增益方向图出现旁瓣。在相控阵天线设计中，为避免旁瓣方向图出现，要求天线单元之间的预设间隔d满足如式子(4)所示的关系：
[0061][0062]
其中λ为电磁波工作波长，θ
max
代表增益方向图波束扫描角度最大值。
[0063]
本实施例中，预设间隔d为31mm。
[0064]
本实施例中的双频双馈电的相控阵天线，由于采用双频的天线单元，天线单元之间的间距(即预设间隔)是固定值d。那么对于4.9ghz和26ghz来说，两者电磁波的波长差距很大，因此当4.9ghz取一个合理的d值后，对26ghz而言，增益方向图肯定会出现副瓣，这就是为什么在26ghz的水平面有5个波束。因此该天线单元间距d，以4.9ghz为标准进行取值。相控阵天线在4.9ghz的增益方向图波束扫描范围为-60至60度，为避免4.9ghz方向图出现明显旁瓣，同时也为了避免天线单元间距过小而导致较强的耦合，采用d＝31mm作为相控阵天线的单元间距，并采用8
×
8矩形平面阵列分布形式。如图8所示为双频天线阵列图，阵列整体尺寸为a
×
b＝315
×
270mm。在上述单元间距下，天线单元在双频段有大于20db隔离度，避免了天线单元之间的强耦合而恶化相控阵天线性能，同时也能实现-60至60度宽角域方向图波束扫描。
[0065]
本实施例中，由于已经确定了天线单元之间的间距为d＝31mm，因此在26ghz，天线单元之间的间距也是31mm。根据上述阵列天线方向图理论式子(1)至式子(4)，增益方向图在x0z水平面和y0z垂直面分别有5个波束，5个波束与中心轴z轴的俯仰角分别为-48、-22、0、22和48度，在水平面的增益放线图，同样能实现-60至60度波束扫描。
[0066]
如图9所示，馈电网络设置在第二介质片5的第一面上，包括第一馈电子网络和第二馈电子网络。
[0067]
其中，第一馈电子网络用以实现集成相控阵天线在4.9ghz频段工作，包括第一馈电端口、一个主威尔金森微带线结构11、8个低频移相器芯片13和8个子威尔金森微带线结构；每个威尔金森微带线结构均为1分8威尔金森微带线功分器；主威尔金森微带线结构11的输入端与第一馈电端口相连接；主威尔金森微带线结构11的8个输出端与8个低频移相器芯片13的输入端一一对应连接；8个低频移相器芯片13的输出端分别与子威尔金森微带线结构的输入端一一对应连接；
[0068]
基于本实施例中第一馈电子网络的结构，4.9ghz能量由第一馈电端口输入馈电网络，通过1分8威尔金森微带线结构将输入的能量均等分配到8个端口，这8个端口分别接入电压控制型低频移相器芯片的输入端，每个低频移相器芯片的输出端再接入相同结构的1分8威尔金森微带线功分器，将输入馈电网络的4.9ghz能量均分至64个第一单元馈电微带线的馈电端口。
[0069]
第二馈电子网络用以实现集成相控阵天线在26ghz频段工作，由于毫米波频段的插入损耗很大，因此采用1分8的t型微带线进行26ghz的能量输入，以减少26ghz的能量损耗。第二馈电子网络包括第二馈电端口、一个主t型微带线结构10、8个毫米波移相器芯片12和8个子t型微带线结构；每个t型微带线结构均为1分8的t型微带线功分器；主t型微带线结
构10的输入端与第二馈电端口相连接；主t型微带线结构10的8个输出端与8个毫米波移相器芯片的输入端一一对应连接；8个毫米波移相器芯片的输出端分别与子t型微带线结构的输入端一一对应连接；
[0070]
基于本实施例中第二馈电子网络的结构，26ghz能量由第二馈电端口输入馈电网络，通过1分8的t型微带线结构将输入的能量均等分配到8个端口，这8个端口分别接入电压控制型毫米波移相器芯片的输入端，每个毫米波移相器芯片的输出端再接入相同结构的1分8的t型微带线功分器，将输入馈电网络的26ghz能量均分至64个第二单元馈电微带线的馈电端口。
[0071]
本实施例中，馈电网络整体尺寸为a
×
b＝315mm
×
270mm；所选低频移相器芯片的工作频段范围为3-6ghz，芯片的尺寸为5mm
×
5mm；所选低频移相器芯片的工作频段范围为24.5-31ghz，芯片的尺寸为3mm
×
3mm。
[0072]
本实施例中，移相器芯片与微带线功分器集成以后，仅需调节芯片的供电电压，就可以实现移相器芯片所在支路的相位，移相器芯片的相位移动范围在0至360度之间，满足波束宽角域连续扫描要求。在集成移相器芯片与多路微带线功分器后，整体表现为第一馈电端口的4.9ghz能量均等分配到64个第一单元馈电微带线的馈电端口，每个低频移相器芯片控制同一列的8个天线单元的4.9ghz相位；第二馈电端口的26ghz能量均等分配到64个第二单元馈电微带线的馈电端口，每个毫米波移相器芯片控制同一列的8个天线单元的26ghz相位；所选移相器芯片采用一种现成的芯片，焊接在第二介质片上面，在电压改变的情况下，移相器相位随之变化，实现双频段增益方向图波束扫描。
[0073]
如图10所示，本实施例中，子威尔金森微带线结构的输出端口之间的间距与天线单元之间的间距一致，每个子威尔金森微带线结构的输出端口与每个天线单元的第一单元馈电微带线相连接。子t型微带线结构的输出端口之间的间距与天线单元之间的间距一致，每个子t型微带线结构的输出端口与每个天线单元的第二单元馈电微带线相连接。
[0074]
本实施例中，64天线单元的双频双馈电相控阵与阵列天线仅仅通过两个馈电端口就可以工作，第一馈电端口的s11和s21随频率变化曲线如图11所示，在4.9ghz中，s11小于-30db，s21隔离度达到35db；第二馈电端口的s22和s12随频率变化曲线如图12所示，s22小于-20db，s12隔离度达到35db；如图13所示为4.9ghz的主极化与交叉极化增益方向图，主极化与交叉极化隔离度大于30db，最大增益达到21.5db；增益波束随扫描角度变化的方向图如图14所示，增益方向图的主波束能够实现水平二维平面-60至60度宽角域扫描；由于3db波束宽度大，因此还可以覆盖更大的角度范围。如图15所示为26ghz增益方向图，在26ghz频段，阵列天线的增益方向在水平面和垂直面有5个波束，5个波束与中心轴z轴的俯仰角分别为-48、-22、0、22和48度，最大增益为21db；如图16所示是波束扫描的增益方向图，能实现5个波束在水平面从-60至60度扫描。可见，本实用新型的双频双馈电的相控阵天线具备集成化的优势下，实现双频相控阵天线的性能。
[0075]
综上所述，本实用新型的实施例的天线单元采用四层板结构，即两片介质片，各自双面覆铜，然后使用半固化片将双面覆铜的两片介质片粘结、压合在一起；辐射天线以预设阵列排布设置在第一介质片的第一面上，并通过金属化孔采用双端口馈电形式进行馈电，减小了馈电过程损耗。本实用新型的天线通过两个不同的馈电网络分别实现低频和毫米波频段的馈电，同时在微带线结构中加入体积小和集成化的移相器芯片，移相器芯片的输出
相位值可调节，完成了相控阵天线的波束扫描控制部件；馈电网络均设置在第二介质片的顶层，实现了馈电网络的集成一体化和小型化。同时，本实用新型的天线还具有良好的工作性能。
[0076]
显然，上述所述的实施例只是本实用新型的其中一个实施例，而不是全部实施例，本实用新型不限于上述实施例的细节，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆视为不脱离本实用新型的专利范畴。