一种相控阵天线单元与相控阵天线阵列的制作方法

本技术涉及微波天线，具体而言，涉及一种相控阵天线单元与相控阵天线阵列。

背景技术：

1、传统抛物面天线长期以来作为卫星地面站的主流选择，但其存在明显短板：跟踪速度慢、单点故障风险大、体积大风阻高、多波束能力缺失。这些固有缺陷使其难以适应日益复杂的卫星通信场景对天线快速响应和多目标追踪的需求。

2、随着微波集成电路技术、低成本cmos（互补金属氧化物半导体，complementarymetal oxide semiconductor）工艺和先进封装技术的快速发展，相控阵天线正从昂贵的军事设备逐步走向民用市场。相较于传统抛物面天线，相控阵天线具备波束快速电扫描、低剖面、高可靠性和多波束支持等显著优势，能够有效弥补上述短板。

3、近年来，低轨卫星互联网星座进入快速发展期。低轨卫星凭借低时延、低路径损耗和全球覆盖能力，成为实现宽带互联网接入的核心载体。然而，低轨卫星通信对终端天线提出了极为严苛的要求：宽带宽、宽角扫描、低成本以及低剖面等。相控阵天线在响应速度、波束灵活性和集成化程度上的固有优势，使其成为适配低轨卫星通信场景的理想选择。

4、目前，低轨卫星通信领域相控阵天线的低成本方案多采用双端口圆极化贴片天线的形式。该类天线虽轴比带宽较宽，能够提供稳定的圆极化辐射，但无法避免增加90°电桥的成本损耗和复杂馈电网络带来的路径损耗，导致系统成本居高不下，难以在商业卫星通信场景中大规模部署。

5、可见，现有的相控阵天线存在宽带宽与低成本无法兼容的问题。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种相控阵天线单元与相控阵天线阵列，以解决现有技术中存在的宽带宽与低成本无法兼容的问题。

2、为了实现上述目的，本技术实施例采用的技术方案如下：

3、一方面，本技术实施例提供一种相控阵天线单元，所述相控阵天线单元包括：

4、由上至下依次层叠设置的辐射层、第一层间介质层、调制层、第二层间介质层以及馈电层；

5、所述馈电层用于接入外部信号并在低频段引入谐振点；

6、所述调制层用于在中频段产生圆极化辐射；

7、所述辐射层用于在高频段补偿正交模式的相位偏差；

8、所述辐射层、所述调制层及所述馈电层上的几何微扰的类型及尺度均不相同，且三者的谐振频率均不相同，三者形成级联耦合的多谐振叠加效应，以在单一物理馈电端口下拓宽所述相控阵天线单元的轴比带宽，实现双圆极化。

9、通过在馈电层、调制层、辐射层分别引入不同类型、不同尺度的几何微扰，且三者形成级联耦合，可实现轴比带宽的拓宽，进而在单一物理馈电端口场景下实现了超宽带轴比带宽。同时，单端口圆极化天线无需增设90°电桥等器件，整个复杂度较低，且成本更低。因此，本技术提供的相控阵天线单元实现了宽带宽与低成本的兼容。

10、可选地，所述辐射层包括：

11、第一基板层及位于所述第一基板层上表面的寄生贴片，所述寄生贴片上开设有至少两条相互垂直的开槽；

12、相互垂直的开槽的宽度不同，且相互垂直的开槽的宽度比值小于或等于3。

13、通过在寄生贴片上开设有相互垂直且不同宽度的开槽，可在高频段独立补偿正交模式的相位偏差，并产生额外的圆极化模式。

14、可选地，所述至少两条相互垂直的开槽设置为十字开槽结构或分形槽结构。

15、通过十字开槽结构或分形槽结构，且开槽宽度不等的形式，可引入非对称结构。

16、可选地，所述寄生贴片为正方形贴片，当所述至少两条相互垂直的开槽设置为十字开槽结构时，所述十字开槽结构的中心与所述寄生贴片的中心重合，且所述十字开槽结构的两条垂直槽线分别与所述寄生贴片的对角线重合。

17、通过该设置方式，可基于严格的几何对准，实现两个正交模式受到完全等效、方向正交的微扰，进而可确保由顶层寄生贴片引入的高频微扰能精确、稳定地工作，以实现对正交极化模式的相位补偿，从而有效拓宽圆极化带宽。

18、可选地，所述调制层包括：

19、第二基板层及位于所述第二基板层上表面的天线辐射体；所述天线辐射体包括多个贴片，所述多个贴片呈阵列排布；且每个所述贴片均设有微扰结构；其中，所述微扰结构用于破坏所述贴片的几何对称性，以产生圆极化辐射。

20、通过该设置方式，等效于在调制层边界处构建了一个人工磁导体（amc）或电磁带隙（ebg）的结构，可在中频段产生强圆极化辐射，并通过临近耦合激励顶层贴片。同时，通过该结构与辐射层中开槽的异构组合，在上下两层分别引入不同机理的微扰，产生两个相近的圆极化谐振点，通过双谐振耦合实现了轴比带宽的大幅拓展。

21、可选地，所述调制层还包括位于所述第二基板层上表面的第一边缘金属条带，所述第一边缘金属条带围绕所述天线辐射体，并与所述天线辐射体间隔设置，且所述第一边缘金属条带位于所述第二基板层的边缘。

22、该第一金属条带接通接地过孔，第一金属条带与辐射贴片之间的间隙会形成等效的lc谐振电路，对特定频段的表面波呈现出高阻抗特性（即阻带效应），从而有效抑制表面波在单元之间的传播。

23、可选地，当所述贴片为多边形贴片时，所述微扰结构为切角结构、突出结构、缺口结构、槽缝结构、延伸结构中的至少一种；

24、当所述贴片为圆形贴片时，所述微扰结构为切向槽结构；

25、当所述贴片为环形贴片时，所述微扰结构为缺口结构。

26、通过多种微扰结构的设置，使得实际应用中可更加灵活，可根据实际情况选取合适的微扰结构。

27、可选地，所述馈电层包括：

28、第三基板层、位于所述第三基板层上表面的馈电贴片以及位于所述第三基板层下表面的金属地层；

29、所述馈电贴片上开设有两条弯曲缝隙，两条所述弯曲缝隙相对于所述馈电贴片的中心垂直正交设置，且每条所述弯曲缝隙的开口端均背向所述馈电贴片的中心；

30、所述馈电层还包括两个第一金属过孔，两个所述第一金属过孔分别贯穿所述第三基板层并连接所述馈电贴片与外部信号源，用于将外部信号耦合至所述馈电贴片，并形成双圆极化；两个所述第一金属过孔与所述金属地层电气隔离，且两个所述第一金属过孔分别位于两条所述弯曲缝隙的开口端所朝向的一侧。通过开设两条弯曲缝隙，使得缝隙会呈现出特定的电抗特性（主要是电容性），进而可以有效地补偿由探针馈电引入的电感效应，会在低频段产生一个新的谐振点，与调制层、辐射层的高频谐振点叠加，共同实现超宽阻抗带宽。

31、可选地，所述馈电层还包括位于所述第三基板层上表面的第二边缘金属条带，所述第二边缘金属条带围绕所述馈电贴片，并与所述馈电贴片间隔设置，且所述第二边缘金属条带位于所述第三基板层的边缘。

32、通过设置第二边缘金属条带，等效于在馈电层边界处构建了一个高阻抗边界条件，该条带与馈电贴片之间的间隙形成等效lc谐振，对特定频段的表面波呈现阻带特性，从而抑制馈电层的表面波传播。同时，其与调制层的第一边缘金属条带形成双层屏蔽，上层抑制调制层的表面波，下层抑制馈电层的表面波，共同保障阵列宽角扫描性能。

33、可选地，所述弯曲缝隙的类型至少包括u型缝隙、c型缝隙或h型缝隙。

34、通过设置不同的弯曲缝隙结构，可提供更为灵活的缝隙选择。

35、可选地，所述弯曲缝隙的两个末端分别叠加有阻抗匹配斜线，两条阻抗匹配斜线的夹角大于所述弯曲缝隙的两个末端延长线之间的夹角。

36、通过阻抗匹配斜线的设置，可以引入额外的电容效应以精确补偿探针电感，并在更宽的频带内优化阻抗匹配，从而显著拓展天线的阻抗带宽。

37、可选地，每条所述阻抗匹配斜线与所述弯曲缝隙的末端呈45°设置。

38、通过该设置方式，可在缝隙末端引入一个最优化、最稳定的电容性加载，以实现对探针电感的最佳宽带补偿，从而最大化阻抗匹配的频宽与平坦度。

39、可选地，所述馈电层还包括多个第二金属过孔，所述金属地层还通过所述多个第二金属过孔连接至所述馈电贴片；其中，所述多个第二金属过孔沿所述馈电贴片的中心对称设置。

40、通过该馈电层结构的设置，可产生两个幅度相等、极化方向正交的电场分量，并直接省去了昂贵的电桥，大幅简化了馈电网络和收发组件。同时，通过设置第二金属过孔，可引入额外的谐振点，进一步拓展轴比带宽。同时，通过沿馈电贴片的中心对称设置的布局，保证了圆极化纯度的稳定性，避免轴比恶化。此外，多个第二金属过孔还可与第一金属过孔协同，形成混合调谐网络，使天线的阻抗和轴比曲线在全频带内更加平坦，对实现超宽带双圆极化提供了保障。

41、可选地，所述第一金属过孔与所述第二金属过孔为等径且等高的同类型过孔。

42、通过该设置方式，可同时制备第一金属过孔与第二金属过孔，简化工艺流程。同时，确保了垂直方向上电流分布的一致性，改善了宽带阻抗匹配与极化稳定性。

43、可选地，所述馈电层还包括金属屏蔽柱，所述金属屏蔽柱环绕设置于所述第三基板层的外围。

44、通过该设置方式，可在相控阵天线单元边界处构建电磁屏蔽墙，抑制馈电层电磁泄漏与相控阵天线单元间杂散耦合，从而保障相控阵天线单元在大规模集成时的性能一致性与稳定性。

45、另一方面，本技术实施例还提供了一种相控阵天线阵列，所述相控阵天线阵列包括多个上述的相控阵天线单元，多个所述相控阵天线单元呈矩形阵列排布。

46、通过将多个单元按矩形阵列排布，利用各个相控阵天线单元馈电相位的独立控制，可以实现波束在空间中的快速扫描。

47、为使本技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。