一种紧凑型低交叉极化的毫米波宽角扫描天线阵列制造技术

本发明专利技术公开了一种紧凑型低交叉极化的毫米波宽角扫描天线阵列，所述天线阵列包括多于两个的直线排列的紧凑型差分馈电天线单元。所述紧凑型差分馈电天线单元包括两组联合贴片对，其中一组联合贴片对采用Y型差分馈电实现低交叉极化，馈电探针上的垂直电流展宽阵元的波束宽度，通过加载另一组切角贴片对实现宽带特性和阵元小型化。因此，所述阵列可采用所覆盖频段内最高工作频率0.43个波长阵元间距排列，实现整个频带内宽角扫描特性。本发明专利技术阵列结构简单紧凑，覆盖了5G毫米波n257，n258和n261三个频段，并具备宽角扫描和低交叉极化特性，适用于5G毫米波终端设备。适用于5G毫米波终端设备。适用于5G毫米波终端设备。

【技术实现步骤摘要】
Polarized End
‑
Fire Millimeter
‑
Wave Antenna Utilizing Slot, Dielectric, and Cavity Resonators," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 69, no. 9, pp. 5234
‑
5243, Sept. 2021.）总的来说，目前关于毫米波波束扫描阵列的研究取得了一定的进展。其中有些阵列实现了宽角扫描特性，但是其工作带宽相对较窄；有些阵列实现了宽带特性，但是其扫描角度相对较较小。同时实现宽带和宽角扫描特性的阵列目前鲜有报道。此外，目前的毫米波相控阵均是非差分结构，交叉极化相对较大，且难以与后端的差分有源电路进行高度集成。为了解决上述难题，本专利技术设计了一种紧凑型差分馈电的毫米波相控阵，实现了低交叉极化和宽角扫描特性，且带宽覆盖了5G毫米波的n257，n258和n261三个频段，能有效提升5G毫米波终端的数据传输速率和信号覆盖范围，具有广泛的应用前景和应用价值。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种紧凑型低交叉极化的毫米波宽角扫描天线阵列。天线单元主要是通过Y型差分馈电实现低交叉极化性能，且馈电结构的垂直部分能提高天线阵元的波束宽度。通过一对带切角的菱形贴片和无切角的菱形贴片实现宽带特性；通过带切角的菱形贴片实现扫描方向上的小型化。天线单元的带宽覆盖了5G毫米波的n257，n258和n261三个频段，且所有频点都具有宽波束和低交叉极化特性。天线阵列采用四个天线直线排列，天线单元间距低至4 mm，仅为阵列最高工作频率32.1 GHz的0.43个自由空间波长，最终阵列实现了低交叉极化和宽角扫描特性。
[0005]本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。
[0006]一种紧凑型低交叉极化的毫米波宽角扫描天线阵列，包括四个紧凑型差分馈电天线单元。
[0007]所述紧凑型差分馈电天线单元包括三层介质基板，从上到下依次为：顶层介质基板（a）、中间层介质基板（b）和底层介质基板（c）；其中，所述顶层介质基板的上表面设置有带切角金属菱形贴片对（1a和1b），无切角的金属菱形贴片对（2a和2b），两个金属Y型馈电（3a和3b），两个金属通孔（4a和4b）；所述底层介质基板的下表面设置有金属地板（5）。
[0008]进一步地，所述顶层介质基板（a）和所述底层介质基板（b）的材料均为Rogers RO4003C，厚度分别为0.813 mm和0.305 mm，所述中间层介质基板为Rogers CuClad6250，厚度为0.038mm。
[0009]进一步地，所述带切角的菱形贴片对（1a和1b）位于所述顶层介质基板(a)的上表面，且过所述顶层介质基板(a)的上表面中心关于x轴对称。
[0010]进一步地，所述无切角的菱形贴片对（2a和2b）位于所述顶层介质基板（a）的上表面，且过所述顶层介质基板(a)的上表面中心关于y轴对称。
[0011]进一步地，所述两个Y型金属馈电（3a和3b）位于所述顶层介质基板（a）的上表面，分别排布在所述无切角菱形贴片对（2a和2b）的上下两侧，且过所述顶层介质基板(a)的上表面中心关于y轴对称。
[0012]进一步地，所述金属地板（5）位于所述底层介质基板（c）的下表面。
[0013]进一步地，所述顶层介质基板（a）和所述底层介质基板（c）通过所述中间层介质基
板（c）进行粘合。
[0014]进一步地，所述两个金属通孔（4a和4b）贯穿所述顶层介质基板（a）、所述中间层介质基板（b）和所述底层介质基板（c），将差分信号传输到所述Y型馈电（3a和3b）。
[0015]进一步地，通过所述一对金属通孔（4a和4b）的进行差分馈电，在天线的H面（YOZ面）形成理想电壁，利用理想电壁的切向电场（E
y
）为零的边界特点，同时天线主极化电场为E
x
，实现了天线单元的低交叉极化特性。
[0016]进一步地，在所述无切角金属菱形贴片对（2a和2b）的基础上，通过引入带切角的金属菱形贴片对（1a和1b），一方面引入了额外电容，与两个金属通孔（4a和4b）的电感相互抵消，使得在宽带范围内天线输入阻抗的虚部更接近于零，实部变化更加平缓，从而使得天线实现宽带特性；另一方面，又在基本不增加阵元尺寸的情况下，使得天线工作模式和工作频带频带下移，实现了天线单元的小型化。
[0017]进一步地，带切角的金属菱形贴片对（1a和1b）和无切角的金属菱形贴片对（2a和2b）形成四个同向水平电流元，水平电流元在扫描面（YOZ面）为“O”方向图；金属通孔（4a和4b）引入垂直电流源，垂直电流元在扫描面（XOZ面）为“8”方向图，水平电流元和垂直电流元的波束相互叠加，拓宽了阵元在扫描面的波束宽度。
[0018]进一步地，将所述四个差分馈电天线单元排列成线阵，阵元间距设置为4mm，为阵列最高工作频率32.1 GHz的0.43个自由空间波长，得益于阵元的宽3dB波束宽度和较小的阵元间距，阵列实现了宽角度扫描；同时，得益于差分馈电，阵列在宽角扫描时，交叉极化始终保持较低的水平。
[0019]本专利技术与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：1、与已有毫米波波束扫描阵列天线相比，本专利技术的天线单元通过差分馈电实现了低交叉极化，在工作频段内，交叉极化低于
‑
32 dB。
[0020]2、与已有毫米波波束扫描阵列天线相比，本专利技术的天线单元通过带切角的菱形贴片对和无切角菱形贴片对组合实现了宽带性能，覆盖了5G毫米波频段的n257，n258，和n261频段。
[0021]3、与已有毫米波波束扫描阵列天线相比，本专利技术的天线单元通过差分馈电引入垂直电流，并与贴片对上的水平电流相互组合，实现了天线单元的宽波束特性，在工作频段内天线单元的3dB波束宽度大于103
°
，最宽达139
°
。
[0022]4、与已有毫米波波束扫描阵列天线相比，本专利技术的阵列天线通过宽波束单元和更小的阵元间距实现了更宽的扫描角，在工作频段内，阵列的3dB波束扫描角大于
±
63
°
，最宽达
±
71
°
，同时阵列的交叉极化始终低于
‑
30 dB。
附图说明
[0023]图1为本专利技术天线单元的俯视图。
[0024]图2为本专利技术天线单元的侧视图。
[0025]图3为本专利技术天线单元的输入阻抗虚部图。
[0026]图4为本专利技术天线单元的输入阻抗实部图。
[0027]图5（a）为本专利技术天线单元的联合贴片对上的等效电流分布图。
[0028]图5（b）为本专利技术天线单元的金属通孔上的等效电流分布图。
[0029]图6为本专利技术天线阵列的俯视图。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种紧凑型低交叉极化的毫米波宽角扫描天线阵列，其特征在于，包括至少两个紧凑型差分馈电天线单元，所述紧凑型差分馈电天线单元沿H面直线排布，阵元间距为所覆盖频段内最高工作频率的0.43个波长。2.根据权利要求1所述的一种紧凑型低交叉极化的毫米波宽角扫描天线阵列，其特征在于，包含至少两个紧凑型差分馈电天线单元；所述紧凑型差分馈电天线单元包括从上到下依次设置的顶层介质基板、中间层介质基板和底层介质基板；其中，所述顶层介质基板的上表面设置有带切角的金属菱形贴片对、无切角的金属菱形贴片对、两个金属Y型馈电和两个金属通孔；所述底层介质基板的下表面设置有金属地板。3.根据权利要求2所述的一种紧凑型低交叉极化...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂治红，王正彪，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：