[发明专利]一种垂直折叠的开槽圆形贴片天线及阵列

说明书

本发明公开了一种垂直折叠的开槽圆形贴片天线及阵列，包括垂直折叠的开槽圆形贴片天线和以此天线作为阵元组建的阵列天线、圆极化阵列天线。该开槽圆形贴片天线的顶部金属层上设有一个开槽圆形贴片，中间第一金属层上为一个金属条带，开槽圆形贴片和金属条带通过一对金属化盲孔连接在一起；中间第二金属层为地，其上蚀刻有激励开槽圆形贴片的矩形细槽；底部金属层上为馈电结构。本发明可以获得超过23％的阻抗带宽，同时带内的增益波动也低于3dB，且容易扩展成较大规模的阵列；此外，其馈电结构设计于低剖面馈电网络之上，可以较容易地实现与射频前端电路的直接集成。

技术领域

本发明属于微波毫米波通信设备，具体涉及一种垂直折叠的开槽圆形贴片天线及阵列。

背景技术

由于各种实际的和潜在的应用的推动，毫米波技术在最近一些年受到了巨大的关注，例如5G毫米波通信，汽车雷达，高分辨率成像和探测以及一些其他应用。为了实现通信系统中的高速率传输和汽车雷达和成像应用中的高分辨率，宽带的电子设备是必须的。特别地，作为毫米波无线系统中关键器件的宽带毫米波器件天线急需要被开发和设计。

在毫米波阵列天线中，除了传统的矩形或方形贴片被用作辐射单元，圆形贴片也常常是一个选择。多个圆形贴片单元通过SIW或微带馈电网络的激励可以产生定向的线极化、圆极化等类型的辐射波。相关文献中报道的毫米波圆形贴片阵列天线中的辐射单元大部分采用传统圆形贴片结构，它们工作于圆形贴片的基本模式——TM₁₁模，通过微带端接或者缝隙耦合进行馈电。因为毫米波频段的电磁波在大气中传播相同距离时的路径损耗要比微波频段的电磁波要高，很多毫米波频段的无线应用采用阵列天线来获得高定向性的辐射波束以实现较远距离的电磁波传播。在这种情况下，采用增益较高的辐射单元来组阵对阵列天线的设计工作更加有益。一般而言，增大辐射单元的物理口径是提高单元增益的一个有效方式，对于圆形贴片单元而言，增大物理面积可能会使其在相同频率点上的工作模式发生变化，如工作模式从TM₁₁变为TM₂₁。不同于TM₁₁模圆形贴片，传统的TM₂₁模圆形贴片辐射锥状波束，使得原最大辐射方向此时变为方向图的零点，难以应用于高增益阵列天线的设计。为了使得工作于TM₂₁模式下的圆形贴片能够与工作于TM₁₁模式下的圆形贴片一样产生轴向辐射，需要对传统的TM₂₁模圆形贴片进行改进。由于TM₂₁模圆形贴片相对于TM₁₁模圆形贴片具有更大的物理尺寸，将其作为毫米波阵列的辐射单元时，阵元数目相同的情况下阵列的辐射口径更大，可以为层叠于辐射单元下方的阵列馈电网络的设计提供更大的空间。

发明内容

发明目的：针对现有的技术对于开槽圆形贴片阵列天线的阻抗宽带交底等问题，本发明所提供的一种垂直折叠的开槽圆形贴片天线及阵列，第一目的是提供一种工作于准TM₂₁模的垂直折叠的开槽圆形贴片天线，第二目的是提供一种由该天线组成的线极化阵列天线和一种由该天线组成的圆极化阵列天线，具有更简单的馈电网络，且获得更宽的有效带宽。

技术方案：本发明所述的一种垂直折叠的开槽圆形贴片天线，包括由上往下依次设置的顶部金属层、第一介质层、中间第一金属层、第二介质层、中间第二金属层、第三介质层和底部金属层；所述顶部金属层上设有一个开槽圆形贴片，开槽圆形贴片上有三个槽，其中一个槽位于圆形贴片中间并且将其分为两半，另外两个槽与槽垂直，并平行位于槽对称轴的两侧；所述中间第一金属层上为一个金属条带，开槽圆形贴片和金属条带通过一对金属化盲孔连接在一起；所述中间第二金属层为地，其上蚀刻有激励开槽圆形贴片的矩形细槽，且矩形细槽的中心与开槽圆形贴片的中心在空间上重合；所述底部金属层上为馈电结构，包括一个U形馈线和一个50欧姆微带线，其中50欧姆微带线连接至U形馈线的中间位置。

进一步地，所述开槽圆形贴片天线工作于准TM₂₁模式，其半径接近于工作于TM₂₁模式的传统圆形贴片的半径值；