电子科技大学最新专利突破毫米波紧耦合相控阵瓶颈，让天线性能飙升！

该专利直击行业痛点：传统方案的 “两难困境”

为实现宽带扫描，紧耦合相控阵天线需添加阻抗匹配层，但匹配层作为周期结构会引导表面波，引发一系列性能问题。而传统表面波抑制方法，始终存在难以调和的矛盾：

• 成本与性能失衡

  某方案为规避表面波，将单元间距缩小至仅 0.425×0.425λₕ²（λₕ为天线最高频率对应自由空间波长），虽能抑制表面波，却大幅增加系统成本；  

• 工艺与频段受限

  某方案通过大面积切割天线介质板抑制表面波，但在毫米波频段，受 PCB 工艺限制难以实现；  

• 抑制效果有限

  某方案在匹配层插入十字金属结构，仅能针对性抑制部分模式表面波，无法全面解决问题。  

该专利核心创新：一款金属圆柱结构，破解多重难题

该专利的核心突破，在于设计了一款沿轴向直径变化的金属圆柱表面波抑制结构，通过破坏表面波传播条件，从根源解决性能隐患，其创新点集中体现在三方面：

1. 结构设计：分段变径，简单却高效

表面波抑制结构并非传统均匀圆柱，而是由 N 段（N≥3）顺次连接而成，每段又包含直径不同的两部分，且下部分直径小于上部分直径的一半。以某实施例为例：

• 整体由三组 “细 - 粗” 金属圆柱组合而成，从地面向上依次为直径 0.2mm、高度 0.7mm 的细圆柱，直径 1mm、高度 0.3mm 的粗圆柱，重复两组后总高度达 3mm；
• 加工便捷，可由一根粗细均匀的金属圆柱直接车削而成，无需复杂工艺，完美适配毫米波频段需求。

2. 安装位置：精准嵌入，不扰天线正常工作

结构安装位置经过精心设计：

• 一端固定在天线金属地板上，另一端高于天线上表面，恰好位于相邻天线部分的空隙处，且设置在每个单元天线的镂空位置；
• 既不会干扰天线原有辐射模式，又能最大程度覆盖表面波易传播区域，实现 “无死角” 抑制。

3. 天线集成：分层优化，性能与成本兼顾

搭配该抑制结构的紧耦合相控阵天线，在分层设计和单元布局上同样暗藏巧思：

• 分层结构（由下至上）

  ：金属地板、第一介质基板、接地耦合片、三层半固化片与四层介质基板交替叠加，还集成偶极子、超材料金属贴片等部件，形成 “十” 字形整体结构；  

• 成本优化

  ：在满足无栅瓣条件（单元间距小于 0.66 倍高频波长）的前提下，将相邻单元间距设计为 6mm（0.62 倍高频波长），相同口径下可减少单元数量，显著降低成本，同时为后端芯片和电路设计预留更大空间。  

三、实测数据说话：性能全面跃升，普适性拉满

实验室测试结果显示，添加该表面波抑制结构后，天线性能实现跨越式提升，关键指标表现亮眼：

1. 驻波比与隔离度：尖峰消失，稳定性倍增

• 驻波比：E 面扫描至 30° 时，30GHz 处原本明显的驻波尖峰完全消失，在 0°、E 面 30°、H 面 30° 扫描角度下，17-31GHz 频段内驻波比均小于 2.2；
• 隔离度：同样在 E 面 30° 扫描场景，30GHz 处隔离度恶化尖峰消失，17-31GHz 频段内正交端口隔离度低于 - 22dB，信号干扰大幅减少。

2. 方向图与增益：畸变消除，能效飙升

• 方向图：8×8 阵列在 30GHz E 面扫描至 30° 时，未加结构前方向图严重畸变、出现零深，添加后主瓣精准指向 30°，交叉极化提升 36.4dB，无栅瓣出现；
• 增益：上述场景中，30° 方向增益提高 16.14dB，扫描至最大角度（±30°）时，E 面增益降低小于 0.89dB，H 面增益降低小于 0.99dB，稳定性远超传统设计。

3. 普适性验证：跨天线类型，抑制效果依旧出色

为验证结构普适性，研发团队将其应用于另一款最高工作频率 69GHz 的空心偶极子紧耦合相控阵天线（单元间距 2.1mm，抑制结构采用五段式、总高 2mm）：

• 12×13 阵列在 69GHz E 面扫描至 60° 时，未加结构前方向图畸变严重，添加后主瓣正确指向 60°，增益提高 12dB，交叉极化提升 8.5dB，证明该结构可灵活适配不同类型紧耦合相控阵天线。

四、行业价值：为毫米波应用注入新动能

这款表面波抑制结构的问世，不仅解决了紧耦合相控阵天线的性能瓶颈，更在多个维度为行业发展提供支撑：

• 技术层面

  ：填补毫米波频段表面波高效抑制的技术空白，突破传统方案的工艺与性能限制；  

• 成本层面

  ：通过增大单元间距减少单元数量，降低天线系统整体成本，推动技术规模化应用；  

• 应用层面

  ：为机载雷达、卫星通讯、毫米波车载通讯等场景提供高性能天线解决方案，助力相关领域技术升级。  

未来，随着 5G-A、6G、智能雷达等技术的发展，这款兼具高性能、低成本、易加工的表面波抑制结构，有望成为紧耦合相控阵天线的 “标配”，为新一代无线通信与探测技术保驾护航。

专利详细信息：

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