一种基于超表面结构的宽带双极化天线单元及相控阵制造技术

本发明专利技术公开了一种基于超表面结构的宽带双极化天线单元及相控阵，包括超表面结构及两条带状馈电线，所述两条带状馈电线独立分布在不同层，相互正交，分别激励+45°和‑45°两个极化方向，本发明专利技术可以通过改变输入信号的相位，从而改变波束指向，在5G通信设备中具有广阔的前景，同时具有尺寸小，集成度高的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超表面结构的宽带双极化天线单元及相控阵
本专利技术涉及通信领域，具体涉及一种基于超表面结构的宽带双极化天线单元及相控阵。
技术介绍
相控阵天线在军事和通信领域有着广泛的应用，早期雷达系统中，阵列天线的波束方向固定，需要通过机械扫描控制波束方向，和传统的固定波束阵列相比，相控阵天线能迅速准确地控制波束进行无惯性扫描，在指定的空间内实现同时搜索和跟踪多目标的功能。相控阵天线最初应用于军事雷达中，目的是观测以及跟踪大范围空间内的机体目标。随着无线通信技术的发展，相控阵技术也开始用于民用产品，如汽车防撞雷达、蜂窝通信等。在通信领域，5G通信已经开始逐步走进人们的生活。为了解决频谱资源短缺问题，5G通信将使用毫米波频段(24.25～29.5GHz)作为工作频段。然而在毫米波频段，电磁波在空间中的传输损耗将大幅增加，采用单个或少数天线单元，增益较低，无法保证信号的正常传输，天线阵列增益高，可以实现远距离信号传输，但波束宽度窄，无法进行宽角度的信号覆盖。因此，设计具有波束扫描功能的相控阵天线对于5G通信十分重要。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本专利技术的首要目的是提供一种基于超表面结构的宽带双极化天线单元，本专利技术能在较低的剖面实现较大的带宽，并实现相控波束扫描。本专利技术的次要目的是提供一种相控阵。本专利技术的首要目的是采用如下技术方案：一种基于超表面结构的宽带双极化天线单元，该天线采用LTCC工艺，由上至下包括超表面结构、第一带状馈电线及第二带状馈电线，上述部分均由多层LTCC陶瓷片叠加构成，第一带状馈电线及第二带状馈电线分布在不同层，分别激励+45°和-45°两个极化方向的电磁波，且耦合到位于天线单元上表面的超表面结构，实现电磁波的辐射。所述第一带状馈电线及第二带状馈电线包括中间的信号线、设置在信号线两侧的金属条带及通孔。进一步，第一带状馈电线的上方设置十字型缝隙，所述十字型缝隙设置在第一带状馈电线最上层陶瓷片的上表面。进一步，第二带状馈电线的上方设置工字型缝隙，所述工字型缝隙设置在第二带状馈电线最上层陶瓷片的上表面。进一步，第一带状馈电线信号线的中间部分为低阻抗线。进一步，在第二带状馈电线信号线的末端设置低阻抗线。进一步，所述超表面结构作为双极化天线单元的辐射体，由NⅹN个周期排列的正方形贴片旋转45°构成，呈中心对称。本专利技术的次要目的是采用如下技术方案：一种基于超表面结构的宽带双极化天线单元的相控阵，包括周期排列的所述宽带双极化天线单元。进一步，每个宽带双极化天线单元的周围设置金属条带及若干个接地金属柱。进一步，每列M个双极化天线单元，分别由一分M型功分网络馈电，然后通过同轴结构过渡为GCPW馈电。本专利技术的有益效果：本专利技术采用超表面结构作为辐射单元时，拓宽了天线带宽，工作频带覆盖整个5G毫米波频段(24.25～29.5GHz)；本专利技术相控阵单元采用双层带状线馈电，并采用双层缝隙耦合的方式，在天线内实现了较高的极化隔离，工作频带内天线单元的极化隔离度大于45dB；本专利技术相控阵外接移向器，控制各输入端的相位差，从而实现±50°波束扫描；本专利技术天线单元采用LTCC工艺，提供了天线的紧凑度和集成度。附图说明图1是本专利技术的一种超表面结构的宽带双极化天线单元的三维图；图2(a)是图1的侧视图，图2(b)是图1的俯视图，图2(c)是第一带状馈电线的结构图，图2(d)是第二带状馈电线的结构图。图3是本专利技术相控阵的侧视图；图4(a)是宽带双极化相控阵天线的俯视图，图4(b)是相控阵天线底部结构图，图4(c)是+45°极化馈电网络结构图，图4(d)是-45°极化馈电网络结构图；图5(a)宽带双极化天线单元的回波损耗和极化隔离度，图5(b)是天线单元的增益和效率，图5(c)是天线单元+45°极化的方向图，图5(d)是天线单元-45°极化的方向图；图6(a)是不扫描时相控阵天线+45°极化方向各端口的有源回损，图6(b)是不扫描时相控阵天线-45°极化方向各端口的有源回损，图6(c)是不扫描时相控阵天线的增益和效率，图6(d)是不扫描时相控阵天线相邻子阵间的隔离度；图7(a)是相控阵天线+45°极化中心频率的方向图，图7(b)是相控阵天线-45°极化中心频率的方向图；图8(a)是相控阵天线+45°极化方向波束扫描时的方向图，图8(b)是相控阵天线-45°极化方向波束扫描时的方向图；图9(a)是相控阵天线波束扫描时+45°极化各端口的有源回损，图9(b)是相控阵天线波束扫描时+45°极化各端口的有源回损。具体实施方式下面结合实施例及附图，对本专利技术作进一步地详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1如图1及图2(a)所示，一种基于超表面结构的宽带双极化天线单元，作为相控阵的单元，该天线单元采用LTCC工艺，整个天线是由多层LTCC陶瓷片1叠加构成，层数不固定，可以根据需要选择层数，具体包括超表面结构及两条带状馈电线，所述两条带状馈电线独立分布在不同层，相互正交，分别激励+45°和-45°两个极化方向。如图2(b)所示，本实施例中由15(L1-L15)层结构尺寸相同的陶瓷片叠加构成，在最上层陶瓷片设置超表面结构，超表面结构的下方设置第一金属地板7，其中L1-L9层构成超表面结构的介质基板，在L1陶瓷片的上表面设置超表面结构14，所述超表面结构作为双极化天线单元的辐射体，由NⅹN个周期排列的正方形贴片旋转45°构成，呈中心对称。如图2(c)及图2(d)所示，两条带状馈电线均包括信号线、金属条带5及通孔4。第一带状馈电线2位于L10-L12层，第一带状馈电线包括设置在陶瓷片中间的第一信号线、设置在第一信号线两侧的第一通孔及第一金属条带构成，所述第一信号线位于第11层陶瓷片的上表面，第一金属条带位于第11层和第12层的上表面，第一通孔贯穿三层陶瓷片，且位于第一金属条带上，作用是连接上下两层金属条带和金属地板，沿着金属条带放置。所述第一信号线由三段依次连接构成，其中，中间那段为低阻抗线10，用于阻抗匹配。在第一带状馈电线的上方设置沿45°十字型缝隙，所述十字形缝隙具体由两条窄缝8、9相互正交构成。所述十字形缝隙设置在第一金属地板7上，所述第一金属地板设置在第10层陶瓷片的上表面。所述第一金属条带的一部分沿着信号线和十字形缝隙边缘设置，并和信号线和十字形缝隙保持一定距离，作用是将电磁波限制在一定范围内，另一部分是在水平和垂直方向延伸出去，用于抑制介质中产生的谐振。第一信号线的末端垂直于十字缝隙的一条分支，且位于该分支中心的下方。第一信号线激励该分支产生+45度极化的电磁波。所述第二带状馈电线3位于第一带状馈电线的下方，位于L13-L15层陶瓷片，包括中间的第二信号线、第二金属条带及第二通孔，所述第二通孔及第二金属条带的设置与第一带状馈电线相同，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超表面结构的宽带双极化天线单元，该天线采用LTCC工艺，其特征在于，由上至下包括超表面结构、第一带状馈电线及第二带状馈电线，上述部分均由多层LTCC陶瓷片叠加构成，第一带状馈电线及第二带状馈电线分布在不同层，分别激励+45°和-45°两个极化方向的电磁波，且耦合到位于天线单元上表面的超表面结构，实现电磁波的辐射。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于超表面结构的宽带双极化天线单元，该天线采用LTCC工艺，其特征在于，由上至下包括超表面结构、第一带状馈电线及第二带状馈电线，上述部分均由多层LTCC陶瓷片叠加构成，第一带状馈电线及第二带状馈电线分布在不同层，分别激励+45°和-45°两个极化方向的电磁波，且耦合到位于天线单元上表面的超表面结构，实现电磁波的辐射。


2.根据权利要求1所述的宽带双极化天线单元，其特征在于，所述第一带状馈电线及第二带状馈电线包括中间的信号线、设置在信号线两侧的金属条带及通孔。


3.根据权利要求1所述的宽带双极化天线单元，其特征在于，第一带状馈电线的上方设置十字型缝隙，所述十字型缝隙设置在第一带状馈电线最上层陶瓷片的上表面。


4.根据权利要求1所述的宽带双极化天线单元，其特征在于，第二带状馈电线的上方设置工字型缝隙，所述工字型缝隙设置在第二带状馈电线最上层陶瓷片的上表面。

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【专利技术属性】
技术研发人员：杨琬琛，周晨昱，肖峰，车文荃，薛泉，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44