CN101291017A - 基于罗特曼透镜原理的基片集成波导多波束天线 - Google Patents

基于罗特曼透镜原理的基片集成波导多波束天线 Download PDF

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基于罗特曼透镜原理的基片集成波导多波束天线通过介质基片(3)的上层金属敷铜面(1)、下层金属敷铜面(2)和金属化通孔(4)实现类似于波导结构的基片集成波导，并构成多波束天线，其结构分为三部分：第一部分为基片集成波导罗特曼透镜(53)，第二部分是基片集成波导移相网络(8)，第三部分是辐射天线阵(91)，其中第一部分与第二部分直接级联，第二部分与第三部分直接级联。本发明的天线可以适用于微波毫米波的波束成形网络和多波束天馈系统，由其构成的基片集成波导多波束天线可以应用于微波毫米波多波束系统和智能天线，可以带来诸如改善通信信道质量，降低发射功率和误码率，减少多径干扰的优点。

Description

基于罗特曼透镜原理的基片集成波导多波束天线
技术领域
本发明的基片集成波导罗特曼(Rotman)透镜可以适用于微波毫米波的波束成形网络和多波束天馈系统，由其构成的基片集成波导多波束天线可以应用于微波毫米波多波束系统和智能天线，可以带来诸如改善通信信道质量，降低发射功率和误码率，减少多径干扰的优点。
背景技术
移动通信的迅速发展，使得传统的多址方式，如CDMA，FDMA，TDMA等，已不能满足日益增长的扩容需要。多波束天线通过波束成形网络产生多个固定并行指向的波束，用来覆盖整个用户区，从而达到扩容的目的。罗特曼透镜即是一种多波束成形网络，其具有结构紧凑、工作带宽较宽等优点，因而获得广泛应用。随着工作频率的增高，尤其进入Ka频段甚至毫米波频段，巨大的损耗使得由传统平面电路如微带线等构成的罗特曼透镜无法正常工作，且由于体积过小而无法实现。如果采用金属波导来实现罗特曼透镜，虽然其性能优异，但会产生加工困难、成本较高、重量大等难以克服的问题。新型基片集成波导技术既拥有平面电路的易集成、制作方便等优点，又具有与金属波导近似的高Q值、低损耗的优良特性，适于微波毫米波多波束天线的设计。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提出一种基于罗特曼透镜原理的基片集成波导多波束天线，实现Ka频段甚至毫米波频段的波束扫描，且具有损耗较低，体积较小，成本低，容易大批量生产，易与有源电路集成等优点。
技术方案：本发明的基于罗特曼透镜原理的基片集成波导多波束天线通过介质基片的上层金属敷铜面、下层金属敷铜面和金属化通孔实现类似于波导结构的基片集成波导，并构成多波束天线，其结构分为三部分：第一部分为基片集成波导罗特曼透镜，第二部分是基片集成波导移相网络，第三部分是辐射天线阵，其中第一部分与第二部分直接级联，第二部分与第三部分直接级联。
基片集成波导罗特曼透镜由金属化通孔排列成具有透镜输入端弧和透镜输出端弧形状来构成，其透镜输入端弧的边壁上分布着输入口和匹配口，透镜输出端弧的边壁上分布着内部输出口与基片集成波导移相网络相连。
基片集成波导移相网络通过金属化通孔的位置调节，形成具有不同宽度的基片集成波导，越宽的基片集成波导其内部电磁波的传播速度越慢，从而实现所需的相移量。
辐射天线阵由并排排列的9根相同4缝缝隙阵天线组阵而成，其中每一缝隙阵天线由金属化通孔形成的基片集成波导构成，其一端短路，在基片集成波导内的上层金属敷铜面上且位于中心线的两侧分别设有一排金属表面上的左缝隙、右缝隙。
由于在基片集成波导中不支持TEM模的传播，故本设计中采用了不同于传统激励模式的TE10模，这样会使得罗特曼透镜的工作带宽略微减少。但是由于采用了基片集成波导技术，克服了以往基于金属波导或平面电路形式的罗特曼透镜工作于Ka频段和毫米波频段时的缺陷，具有很好的性能。
有益效果：
1：)使罗特曼透镜在以平面电路的形式工作于Ka频段和毫米波频段时，具有较高增益、Q值和较低损耗。同时与金属波导的立体结构相比，体积小、重量轻、加工容易。
2：)基片集成波导罗特曼透镜与基片集成波导天线阵相连形成多波束天线，结构简单、紧凑、一体化。
3：)该多波束天线制作于介质基片上，与有源电路集成方便。
4：)该多波束天线可与弧度不大的弯曲表面(如飞机机翼表面等)直接共形，不需另外设计，具有较高实用性。
5：)整个多波束天线的各部分集成为一体，全部利用普通PCB工艺制作，成本低、精度高、重复性好，适合大批量生产。
附图说明
图1是基于罗特曼透镜原理的基片集成波导多波束天线阵结构图。
以上的图中有：上层金属敷铜面1、下层金属敷铜面2、介质基片3、金属化通孔4、罗特曼透镜输入端弧51、罗特曼透镜输出端弧52、基片集成波导罗特曼透镜53、内部输出口54、输入口6(包括输入端口61～67)、匹配口7、基片集成波导移相网络8、辐射天线阵91、基片集成波导缝隙阵天线92、金属表面上的左缝隙93、金属表面上的右缝隙94。
具体实施方式
罗特曼透镜、移相网络和天线阵相连，可以形成多波束天线。本发明中的罗特曼透镜，由介质层两面的金属敷铜面和金属化通孔组成的类似于波导结构的基片集成波导来实现，其作为波束成形网络，与基片集成波导移相网络级联，通过从不同输入口馈电实现多组相位差分布，再与由基片集成波导缝隙阵天线组成的天线阵级联，形成多波束天线。本发明中的移相网络是利用不同宽度的基片集成波导实现所需的相移量。本发明中的天线阵由并排排列的9根相同的4缝缝隙阵天线组成，每一缝隙阵天线由金属化通孔形成基片集成波导构成；其一端短路，在基片集成波导内的金属层上表面上且位于中心线的两侧分别设有一排金属表面上的左缝隙、右缝隙。
通过介质基片3的上层金属敷铜面1、下层金属敷铜面2和金属化通孔4实现类似于波导结构的基片集成波导，并构成多波束天线，其结构分为三部分：第一部分为基片集成波导罗特曼透镜53，第二部分是基片集成波导移相网络8，第三部分是辐射天线阵91，其中第一部分与第二部分直接级联，第二部分与第三部分直接级联。基片集成波导罗特曼透镜53由金属化通孔4排列成具有透镜输入端弧51和透镜输出端弧52形状来构成，其透镜输入端弧51的边壁上分布着输入口6和匹配口7，透镜输出端弧52的边壁上分布着内部输出口54与基片集成波导移相网络8相连。基片集成波导移相网络8通过金属化通孔4的位置调节，形成具有不同宽度的基片集成波导，越宽的基片集成波导其内部电磁波的传播速度越慢，从而实现所需的相移量。辐射天线阵91由并排排列的9根相同4缝缝隙阵天线92组阵而成，其中每一缝隙阵天线92由金属化通孔4形成的基片集成波导构成，其一端短路，在基片集成波导内的上层金属敷铜面1上且位于中心线的两侧分别设有一排金属表面上的左缝隙93、右缝隙94。
该多波束天线为一平面电路结构，其完全由介质基片上下表面金属层及金属化通孔构成。其主要结构可分为三部分：基片集成波导罗特曼透镜，基片集成波导移相网络和基片集成波导天线阵。其中，罗特曼透镜作为波束成形网络，虽然采用基片集成波导的形式来实现，但其外形设计仍可参照普通罗特曼透镜的设计公式进行；基片集成波导缝隙阵天线组阵作为辐射天线阵；基片集成波导移相网络连接上述二者，并满足波束扫描的相位需求。通过对不同的输入口进行激励，该多波束天线可以产生不同的波束指向。为了降低副瓣电平，在非输入和输出的边壁上实现匹配口，并接上50欧姆的匹配电阻。
本发明在在中心频率约28.5GHz处实现基于罗特曼透镜原理的基片集成波导多波束天线，并在Ka频段测试其整体性能。基片选用Rogers Duroid 5880，其介质常数为2.2，厚度0.508mm。基片集成波导金属化通孔的直径为0.4mm，通孔之间的间距为0.8mm。该多波束天线共有七个输入口6(包括输入端口61～67)，级联9根4缝基片集成波导缝隙阵天线。四个匹配口均接上50欧姆匹配电阻。
分别从输入端口61～67激励，在暗室中测得28.5GHz时天线可产生的七个波束，分别拥有22°，15°，15°，14°，15°，15°和22°的3dB波瓣宽度，并且其指向分别为-41°，-28°，-14°，0°，14°，28°和41°。七个波束的增益分别为14.3dBi，17.5dBi，18.3dBi，19dBi，18.3dBi，17.5dBi，和14.3dBi。
将该多波束天线直接固定于弧度不大的曲面上，可形成共形天线。在28.5GHz时，天线可产生的七个波束分别拥有22°，18°，18°，16°，18°，18°和22°的3dB波瓣宽度，并且其指向分别为-45°，-30°，-15°，0°，15°，30°和45°。七个波束的增益分别为15.5dBi，17dBi，17.5dBi，18dBi，17.5dBi，17dBi，和15.5dBi。共形后的多波束天线与平面结构相比，增益略有下降、波瓣略微展宽、副瓣电平略微上升，波束覆盖面有所增加，不会影响其使用。

Claims (4)

1.一种基于罗特曼透镜原理的基片集成波导多波束天线，其特征在于：通过介质基片(3)的上层金属敷铜面(1)、下层金属敷铜面(2)和金属化通孔(4)实现类似于波导结构的基片集成波导，并构成多波束天线，其结构分为三部分：第一部分为基片集成波导罗特曼透镜(53)，第二部分是基片集成波导移相网络(8)，第三部分是辐射天线阵(91)，其中第一部分与第二部分直接级联，第二部分与第三部分直接级联。
2.根据权利要求1所述的基于罗特曼透镜原理的基片集成波导多波束天线，其特征为：基片集成波导罗特曼透镜(53)由金属化通孔(4)排列成具有透镜输入端弧(51)和透镜输出端弧(52)形状来构成，其透镜输入端弧(51)的边壁上分布着输入口(6)和匹配口(7)，透镜输出端弧(52)的边壁上分布着内部输出口(54)与基片集成波导移相网络(8)相连。
3.根据权利要求1所述的基于罗特曼透镜原理的基片集成波导多波束天线，其特征为：基片集成波导移相网络(8)通过金属化通孔(4)的位置调节，形成具有不同宽度的基片集成波导，越宽的基片集成波导其内部电磁波的传播速度越慢，从而实现所需的相移量。
4.根据权利要求1所述的基于罗特曼透镜原理的基片集成波导多波束天线，其特征为：辐射天线阵(91)由并排排列的9根相同4缝缝隙阵天线(92)组阵而成，其中每一缝隙阵天线(92)由金属化通孔(4)形成的基片集成波导构成，其一端短路，在基片集成波导内的上层金属敷铜面(1)上且位于中心线的两侧分别设有一排金属表面上的左缝隙(93)、右缝隙(94)。
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