Ka波段圆极化磁电偶极子天线单元、天线阵列及相控阵

本发明属于微波天线，涉及一种宽频圆极化磁电偶极子天线，特别涉及一种ka波段圆极化磁电偶极子天线单元、天线阵列及相控阵，可用于毫米波天线通信与高分辨率雷达成像。

背景技术：

1、毫米波是指频率在30ghz到300ghz范围内的电磁波，对应的波长为1mm～10mm，毫米波天线设备具有宽频带，通信容量大，目标识别分辨率高等优点。毫米波内ka波段的频率范围为26.5～40ghz，频带较宽传输容量大。

2、相控阵t/r(transmitter and receiver)组件也称为相控阵收发组件，t/r组件以纵向集成的方式安装在相控阵下方，其上布置有按规律排布的通道输出口与相控阵馈电口连接，为相控阵天线提供馈电激励。t/r组件的大小决定了相控阵的最小阵面大小，t/r组件的通道数决定了相控阵的最大辐射单元数。

3、圆极化天线具备的独特性能使其在很多领域具有特殊的作用，例如：在雷达系统中采用圆极化天线，可以抑制空气中的小分子和颗粒如云、雨、雾等产生的干扰；在空间测量、卫星通信中，线极化波在通过电离层时会产生法拉第电磁旋转效应，将会导致接收端信号衰减，而采用圆极化波就可以避免这种衰减；同时，由于线极化波可以分解为两个旋向相反、幅度相同的圆极化波，因此圆极化更容易实现极化匹配。因此，圆极化天线在各种电子系统中得到了广泛的应用。近年来，随着通信技术的快速发展，工程应用中对大带宽通信的需求越来越迫切，这也推动着圆极化天线向宽阻抗带宽和宽轴比带宽方向发展。

4、磁电偶极子天线自提出以来就因其大带宽、低后瓣和稳定的定向辐射特性受到了广泛的关注，众多学者也针对这类天线的圆极化特性开展了深入的研究，产生了许多性能较好的圆极化磁电偶极子天线。然而，以往的这些研究主要集中于如何通过设计天线结构来实现圆极化特性上，设计中并未采取任何较小尺寸的措施，因此已有的圆极化磁电偶极子天线仍然存在着尺寸较大、空间体积大的缺点，极大的限制了其在现代无线通信系统的应用。

5、为了改变相控阵天线单元圆极化单元阻抗带宽和轴比带宽特性，目前国内外大多数研究者通过改变天线的结构形式来解决上述问题。如y.yang and r.-j.gong等人于2021年在ieee international workshop on electromagnetics:applications and studentinnovation competition(iwem)发表了一篇名为《2-dscanning circularly polarizedmulti-beam antenna array of me dipole》的文章，提出了一种2×2单元ka波段圆极化磁电偶极子天线相控阵。天线元件包括一个磁电偶极子和底部的siw馈电结构所提出的相控阵实现了阻抗带宽7.1％，单元轴比带宽为3.57％。

6、又如杨雪松，聂念胜等人在其申请的专利文献“一种基于磁电偶极子天线的超宽带大角度扫描相控阵”专利申请号：cn201811136366.6，中公开了一种磁电偶极子天线，加载金属化过孔。该天线最终实现阻抗带宽为404％并没有实现圆极化特性。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种ka波段圆极化磁电偶极子天线单元、天线阵列及相控阵，用以解决现有圆极化相控阵天线单元圆极化轴比带宽窄、阻抗带宽窄等技术问题，降低相控阵与t/r组件之间连接结构的复杂度。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种ka波段圆极化磁电偶极子天线单元，其特征在于，包括自上而下依次设置的第一介质基板、第一半固化层、第二介质基板、第二半固化层和第三介质基板；

4、所述第一介质基板的上表面印制互不连接的第一上层金属贴片、第二上层金属贴片和第三上层金属贴片，下表面印制第一下层金属贴片；所述第二介质基板的下表面印制第二下层金属贴片；所述第三介质基板的上表面印制上层金属传输线，下表面印制第三下层金属贴片；

5、所述第一上层金属贴片与所述第一下层金属贴片通过第一金属化盲孔连接；所述第二上层金属贴片与所述上层金属传输线通过第二金属化盲孔连接；所述第二下层金属贴片与所述第三下层金属贴片通过第三金属化盲孔连接，所述上层金属传输线通过贯通第三介质基板的第四金属化盲孔与馈电端口连接。

6、在一个实施例中，贯通第一介质基板、第一半固化层、第二介质基板、第二半固化层和第三介质基板设置有接地的金属化过孔，所述金属化过孔连接第一上层金属贴片、第二下层金属贴片和第三下层金属贴片；以及第三上层金属贴片、第二下层金属贴片和第三下层金属贴片；所述金属化过孔有多个，中心对称分布。

7、在一个实施例中，所述第一上层金属贴片、所述第三上层金属贴片以及所述第一下层金属贴片均有k个，所述第二上层金属贴片为1个，布置于第一介质基板的上表面中心，第一上层金属贴片与第三上层金属贴片间隔分布，且环绕所述第二上层金属贴片中心对称；每个第一上层金属贴片与一个第一下层金属贴片通过第一金属化盲孔连接。

8、在一个实施例中，所述第一上层金属贴片为凹形结构，所述第二上层金属贴片由矩形a和连接于矩形a短边的一个圆形组成，所述第三上层金属贴片为矩形b；所述第一下层金属贴片为圆形，所述第二下层金属贴片和所述第三下层金属贴片的截面均与各介质基板的截面相同，且第二下层金属贴片开有供第二金属化盲孔穿过的非金属孔，第三下层金属贴片设置有馈电端口。

9、在一个实施例中，k＝2，所述矩形a的长边与所述矩形b的长边垂直，所述凹形结构是指在一个矩形c的一侧有矩形槽，其中，矩形c开槽侧的长度l1＝1.75，非开槽侧的长度l2＝1.3，矩形槽的槽深l3＝0.8，槽底长度l4＝1.1，其中一个槽臂开有用于连接金属化过孔的圆孔，该圆孔与矩形c开槽侧的间距l5＝0.25，与该槽臂对应非开槽侧的间距l6＝0.25，矩形b与矩形a的间距l7＝0.25，矩形b的长边长度l8＝1.45，短边长度l9＝0.5，矩形a远离其所连接圆形的短边与该圆形的圆心的间距l10＝2.1。

10、在一个实施例中，所述ka波段圆极化磁电偶极子天线单元还包括依次位于第三介质基板上方的第三半固化层和第四介质基板；所述第四介质基板采用无金属化介质基板，用于展宽天线波束。

11、本发明的第二目的，提供了一种ka波段圆极化磁电偶极子天线阵列，由m×n个天线子阵呈矩形阵列形式分布组成，所述天线子阵由四个所述的ka波段圆极化磁电偶极子天线单元呈矩形阵列形式分布组成，其中m、n大于等于1。

12、本发明的第三目的，提供了一种相控阵，包括馈电传输结构、t/r组件以及所述的ka波段圆极化磁电偶极子天线阵列；

13、所述馈电传输结构布置在所述天线阵列下方，为布置有若干t/r组件输出口的金属层，所述t/r组件的输出端通过所述t/r组件输出口、所述第四金属化盲孔、所述上层金属传输线、所述第二金属化盲孔与所述第二上层金属贴片连接进行馈电。

14、在一个实施例中，所述馈电传输结构和t/r组件的数量均与天线子阵的数量相同，在每个天线子阵下方布置一个馈电传输结构，在每个馈电传输结构下方布置一个t/r组件，每个馈电传输结构带有四个t/r组件输出口，每个t/r组件包括四个移相器；

15、在同一个天线子阵中，每个所述移相器对应连接一个所述ka波段圆极化磁电偶极子天线单元，每个所述ka波段圆极化磁电偶极子天线单元的旋转角度和与其连接的所述移相器的相位相同且为90°的n倍，其中，n分别为0、1、2或3；

16、在同一个天线子阵中，任意相邻的两个所述ka波段圆极化磁电偶极子天线单元的旋转角度差均为90°，和/或，任意相邻的两个所述移相器的相位差均为90°。

17、在一个实施例中，所述n取值为1，构成4元阵列ka波段圆极化磁电偶极子相控阵，所述ka波段圆极化磁电偶极子天线单元的方位面和俯仰面的波束宽度均为94°，波束宽度范围内的轴比小于3db，所述4元子阵ka波段圆极化磁电偶极子子阵在等幅同相时的阵列增益为10.27db，水平波束宽度为50°。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

19、1.天线由底层金属贴片通过金属探针和t/r组件输出端口连接，通过第一上层金属贴片产生与第二上层金属贴片不同的相移，多层金属贴片的立体结构实现展宽天线带宽和轴比带宽的同时缩小天线的尺寸。底部采用同轴线转带状传输线转接技术来实现天线馈电端口的自由移动，可以匹配多种tr组件，天线单元实现31.36％的阻抗带宽和31.16％的轴比带宽。

20、2.提供的ka波段圆极化磁电偶极子天线单元及子阵，通过在基板上的矩形阵列设置四组由天线单元和与该天线单元通过顺序旋转90°组成的天线子阵，并设置每组天线单元中天线振子的旋转角度和t/r组件的相位相同且为90°的整数倍，以及设置任意相邻的两个天线单元中天线振子的旋转角度差和/或对应移相器的相位差为90°。鉴于此，各天线单元产生的交叉极化分量能够与相邻天线单元耦合的交叉极化分量相互抵消，可以使主极化分量更好。而且ka波段圆极化磁电偶极子天线单元具有体积小、质量轻、易加工的优点，天线采用bga和t/r组件焊接，烧结于反射底板底部使阵面口径小集成度更高。