CN114784522A - 一种柔性一维可拉伸相控阵天线单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性一维可拉伸相控阵天线单元，包括辐射结构、柔性印刷电路板、金属地板，所述辐射结构刻蚀在柔性印刷电路板上层，所述金属地板刻蚀在柔性印刷电路板的下层。本发明的天线实现了整体柔性化，可以与平台外形结构保持一致，极大提高了天线集成度和空间利用率。天线均衡考虑了柔性化拉伸和电性能稳定两个方面，具有宽频带、易共形、可拉伸、性能稳定等优势，可广泛推广应用。

Description

一种柔性一维可拉伸相控阵天线单元

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及到一种柔性一维可拉伸相控阵天线单元。

背景技术

近年来随着电子设备的快速发展，电子设备的功能越来越强大，其承载的天线种类也越来越多，但电子设备的体积却越来越小，这种发展趋势逐渐要求天线及天线阵具备柔性特性以及一定的拉伸性能，从而可以适应不同形状的载体平台。

现有的传统贴片天线虽然体积较小，但存在天线装置难以共形、发生形变后无法保持性能稳定等问题，因此很大程度上限制了了传统天线的应用场景和应用价值。柔性可拉伸天线技术近年来得到了较多的研究和关注，众多柔性天线应运而生，柔性天线的敷设方式方便快捷、易于与负载设备结构共形以及具备一定的拉伸能力，相对于传统天线具有更强的灵活性，是今后的必然发展趋势。

如中国专利申请文献“一种基于微波输能的柔性天线阵列(申请号：202110302484.5)”公开了一种基于微波输能的柔性天线阵列，包括：介质基板、贴片阵列和等效接地板层；介质基板的一面与贴片阵列固定连接，其另一面与等效接地板层固定连接；该发明通过应用液态金属的打印技术以及柔性材料打印一款工作在2.45GHZ用于微波输能的液态金属天线。该液态金属贴片天线将充分发挥液态镓铟金属以及柔性介质基板可修复、柔性、可重构、抗疲劳、耐腐蚀等优势，应用在集成化小型电子设备中，实现电磁波的接收与发射，并应用于较远距离的能量无线传输，克服传统天线单位能量收集转换效率较低的缺点。

中国专利文献“可调柔性天线(申请号：201810924215.0)”公开了一种可调柔性天线，其包括螺旋形天线和可伸缩绝缘棒；所述的螺旋形天线为柔性材料，螺旋形天线的外圈比内圈宽度大，且随着螺旋向外扩展的方向，宽度逐渐增大；所述的可伸缩绝缘棒垂直与所述的螺旋形天线；可伸缩绝缘棒与螺旋形天线中心的下部连接；绝缘棒伸缩时，绝缘棒的底端和螺旋形天线的最外圈始终由支撑平面支撑。本发明的可调柔性天线可以做到天线性能可调节的功能，可以有效的提高天线辐射性能，还具有测量elevation(仰角)的功能。

中国专利文献“柔性天线结构及电子设备(申请号：202111140115.7)”公开了一种柔性天线结构及具有所述柔性天线结构的电子设备。所述柔性天线结构包括柔性电路板、设置在所述柔性电路板上且与所述柔性电路板共形的毫米波天线以及设置在所述柔性电路板上且与所述柔性电路板共形的非毫米波天线。相较于现有技术，通过在所述柔性电路板上设置所述毫米波天线和所述非毫米波天线的柔性天线结构，不仅实现将所述毫米波天线和所述非毫米波天线集成，解决了所述电子设备内天线数量众多的挑战，实现与所述壳体的弯曲部分共形，从而在有限的空间内提高空间利用率，且不会造成整机尺寸与成本的增加，从而提高产品的竞争力。

中国专利申请文献“基于石墨烯的波束可扫描印刷偶极子柔性天线(申请号：202011277920.X)”公开了基于石墨烯的波束可扫描印刷偶极子柔性天线，包括在印刷偶极子阵列天线上表面的不等功率分配的一分二微带功分器和馈电巴伦，且在功率分配较大端引入基于石墨烯薄片的等效电容，印刷偶极子阵列天线底面有截断的金属地，以及金属地上的槽线和矩形槽，在金属地一侧有两个印刷半波偶极子构成天线阵列。该发明利用外加偏置电压调控石墨烯的电导率特性，从而调节等效电容枝节的电容，以实现对印刷偶极子天线单元馈电相位的改变，进而对两单元印刷偶极子天线单元之间相位差进行调节，在柔性化、平面集成化和波束可扫描天线中具有良好的应用前景。

中国专利申请文献“一种毫米波柔性圆形天线阵(申请号：202011187742.1)”公开了一种毫米波柔性圆形天线阵，包括柔性介质基板，柔性介质基板上设置有天线阵列，天线阵列包括若干个天线单元，天线单元之间通过微带线连接，天线阵列沿柔性介质基板轴线对称设置，天线阵列中心设置有金属圆孔。该毫米波柔性圆形天线阵结构重量轻、体积小，在保证天线阵性能的前提下，提高了天线的可弯折性，天线与设备间共形性好。

中国专利申请文献“毫米波柔性天线阵(申请号：202010035246.8)”开了一种毫米波柔性天线阵，包括柔性介质基板、若干贴片天线阵单元构成的天线阵列、馈电传输线和开设于柔性介质基板上的金属通孔；柔性介质基板包括顶层、底层和中间层，天线阵列设于柔性介质基板的顶层，由柔性介质基板底层的馈电传输线将信号通过金属通孔传输到介质基板的顶层，再通过微带线功分网络传输到天线阵列中的每一个天线阵单元，中间层为共同接地层。该发明以柔性介质基板为基础进行设计，将所设计的天线阵印制于柔性介质基板的一面，将柔性材料与天线阵相结合，在保持了天线阵本身性能的前提下，提高了天线的可弯折性，解决了天线与设备间共形的问题。该发明中的毫米波柔性天线阵可应用于可穿戴设备中。

中国专利申请文献“一种基于柔性天线的传感器阵列(申请号：202110794232.9)”公开了一种基于柔性天线的传感器阵列，包括柔性衬底、柔性天线单元阵列、以及与柔性天线单元连接的传输线；柔性天线单元位于柔性衬底表面，与柔性衬底之间通过导电银胶连接。材料基底为柔性材料，可以承受弯折等形变，不易损坏。该发明可用于监测脉搏信号，辅助织物编织，辅助鞋底生产制造，监测身体健康状况，具有智能化和舒适化的优点，易于推广。

发明内容

本发明提供一种柔性一维可拉伸相控阵天线单元，以解决背景技术的问题。

为了达到本发明的目的，本发明采用如下技术方案：

一种柔性一维可拉伸相控阵天线单元，包括辐射结构、柔性印刷电路板、金属地板，所述辐射结构刻蚀在柔性印刷电路板上层，所述金属地板刻蚀在柔性印刷电路板的下层。

进一步地，所述辐射结构包括辐射贴片和馈线结构。

进一步地，所述辐射贴片为半径16mm的圆形辐射贴片，所述馈线结构的宽为0.5mm、高为21mm。

进一步地，所述柔性印刷电路采用的基板材料是聚酰亚胺材料。

进一步地，所述柔性印刷电路的厚度为50μm

进一步地，所述金属地板包括完整金属地板和蛇形线金属地板。

进一步地，所述完整金属地板的宽为25mm、高为20mm。

进一步地，所述蛇形线金属地板由N个“U”型弯曲金属条组成。

进一步地，所述蛇形线金属地板由3个“U”型弯曲金属条组成，“U”型弯曲金属条的弯曲半径为2.83mm，弧度为180度。

进一步地，单元还包括馈电端口，所述单元宽度为42mm，高度为55mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的柔性可拉伸相控阵天线基于传统单极子天线单元设计方法，解决了单极子天线在复杂条件下的模态共形问题。

(2)本发明的天线实现了整体柔性化，可以与平台外形结构保持一致，极大提高了天线集成度和空间利用率。

(3)本发明的天线均衡考虑了柔性化拉伸和电性能稳定两个方面，具有宽频带、易共形、可拉伸、性能稳定等优势，可广泛推广应用。

附图说明

图1是本发明的柔性一维可拉伸相控阵天线单元整体结构示意图；

图2是本发明的柔性一维可拉伸相控阵天线单元细节图；

图3是本发明的柔性一维可拉伸相控阵天线单元组阵示意图；

图4是本发明仿真的柔性一维可拉伸相控阵天线单元反射系数图。

具体实施方式

如图1、2所示，一种柔性一维可拉伸相控阵天线单元，包括辐射结构1、柔性印刷电路板2、金属地板3，所述辐射结构1刻蚀在柔性印刷电路板2上层，所述金属地板刻蚀在柔性印刷电路板2的下层。

所述辐射结构包括辐射贴片11和馈线结构12。

辐射贴片：将电磁波辐射到自由空间中。

馈线结构：将电磁波传输到辐射贴片上。

所述柔性印刷电路2板是一种可靠性高、可挠性佳的印刷电路板，英文名是Flexible Printed Circuit，简称为FPC。柔性印刷电路板采用的基板材料是PI(Polyimide的缩写，聚酰亚胺)。

所述金属地板3为天线必不可少的一部分，包括完整金属地板31和蛇形线金属地板32。

所述蛇形线金属地板：每根蛇形线结构都由N个“U”型弯曲金属条组成，其形状外形和柔性印刷电路板2上的蛇形线结构相同；蛇形线结构具有一定的拉伸性，使得天线单元在图示横向方向上具有拉伸性。

所述馈电端口4设置在馈线结构12的一端，为标准SMA接头焊接的位置。

本发明的柔性一维可拉伸相控阵天线单元宽度为42mm，高度为55mm，其中，柔性印刷电路板采用厚度为50μm的PI；辐射结构包括半径为16mm的圆形辐射贴片和宽为0.5mm、高为21mm的馈线结构；金属地板包括宽为25mm、高为20mm的完整金属地板和左右各八根的蛇形线金属结构，每根蛇形线金属结构的线宽为0.3mm，由3个“U”型弯曲金属条组成，“U”型弯曲金属条的弯曲半径为2.83mm，弧度为180度。

本发明的柔性一维可拉伸相控阵天线单元结构连接关系：

1.辐射结构通过pcb工艺刻蚀在柔性印刷电路板上层。

2.金属地板通过pcb工艺刻蚀在柔性印刷电路板下层。

制作工艺：

如结构连接关系中所述，采用PCB工艺即可制作。(柔性印刷电路板采用目前常用的基板和制作工艺。

本发明的柔性一维可拉伸相控阵天线单元组阵示意图如图3所示，组阵由3个单元构成。

在电磁仿真软件HFSS中对天线单元结构进行仿真，得到天线的反射系数，如图4所示，仿真得出的天线单元的工作频率(反射系数小于-10dB)为2.35-4.6GHz。

本发明的柔性可拉伸相控阵天线基于传统单极子天线单元设计方法，解决了单极子天线在复杂条件下的模态共形问题。本发明的天线实现了整体柔性化，可以与平台外形结构保持一致，极大提高了天线集成度和空间利用率。天线均衡考虑了柔性化拉伸和电性能稳定两个方面，具有宽频带、易共形、可拉伸、性能稳定等优势，可广泛推广应用。

虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范。

Claims (10)

1.一种柔性一维可拉伸相控阵天线单元，其特征在于，包括辐射结构、柔性印刷电路板、金属地板，所述辐射结构刻蚀在柔性印刷电路板上层，所述金属地板刻蚀在柔性印刷电路板的下层。

2.根据权利要求1所述的柔性一维可拉伸相控阵天线单元，其特征在于，所述辐射结构包括辐射贴片和馈线结构。

3.根据权利要求2所述的柔性一维可拉伸相控阵天线单元，其特征在于，所述辐射贴片为半径16mm的圆形辐射贴片，所述馈线结构的宽为0.5mm、高为21mm。

4.根据权利要求1所述的柔性一维可拉伸相控阵天线单元，其特征在于，所述柔性印刷电路采用的基板材料是聚酰亚胺材料。

5.根据权利要求4所述的柔性一维可拉伸相控阵天线单元，其特征在于，所述柔性印刷电路的厚度为50μm。

6.根据权利要求1所述的柔性一维可拉伸相控阵天线单元，其特征在于，所述金属地板包括完整金属地板和蛇形线金属地板。

7.根据权利要求6所述的柔性一维可拉伸相控阵天线单元，其特征在于，所述完整金属地板的宽为25mm、高为20mm。

8.根据权利要求1所述的柔性一维可拉伸相控阵天线单元，其特征在于，所述蛇形线金属地板由N个“U”型弯曲金属条组成。

9.根据权利要求8所述的柔性一维可拉伸相控阵天线单元，其特征在于，所述蛇形线金属地板由3个“U”型弯曲金属条组成，“U”型弯曲金属条的弯曲半径为2.83mm，弧度为180度。

10.根据权利要求1所述的柔性一维可拉伸相控阵天线单元，其特征在于，单元还包括馈电端口，所述单元宽度为42mm，高度为55mm。

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