CN101320842A

CN101320842A - 基于改进型双圆透镜的基片集成波导多波束天线

Info

Publication number: CN101320842A
Application number: CNA2008100226498A
Authority: CN
Inventors: 洪伟; 程钰间; 吴柯; 蒯振起
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2008-07-18
Filing date: 2008-07-18
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2028-07-18
Also published as: CN101320842B

Abstract

基于改进型双圆透镜原理的基片集成波导多波束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，由其形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天线和智能天线技术。该天线包括上层金属敷铜面(1)、下层金属敷铜面(2)、介质基片(3)、金属化通孔(4)、金属化通孔围成的圆(5)、输入端口(51)、输出端口(52)、匹配口(53)、基片集成波导移相网络(6)、辐射天线阵(7)、基片集成波导缝隙阵天线(71)、金属表面上的缝隙(72)。

Description

基于改进型双圆透镜的基片集成波导多波束天线

技术领域

改进型基片集成波导双圆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，由其形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天线和智能天线技术。

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。双圆透镜即是一种波束成形网络，与类似的波束成形电路相比，它能够利用一个天线阵产生数十甚至上百个波束，因而获得了广泛应用。随着工作频率的增高，尤其进入毫米波频段，巨大的损耗使得由传统平面电路如微带线等构成的双圆透镜无法正常工作，且由于体积过小而无法实现。如果采用金属波导来实现该透镜结构，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具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。考虑在设计中采用基片集成波导结构，在原双圆透镜的基础上作了改进，使之结构更紧凑、设计更简化。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种基于改进型双圆透镜的基片集成波导多波束天线，实现毫米波频段的固定波束切换，使其能直接应用于集成电路设计，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：本发明的基于改进型双圆透镜的基片集成波导多波束天线，包括上层金属敷铜面、下层金属敷铜面、介质基片、金属化通孔、金属化通孔围成的圆、输入端口、输出端口、匹配口、基片集成波导移相网络、辐射天线阵、基片集成波导缝隙阵天线、金属表面上的缝隙；上层金属敷铜面、下层金属敷铜面分别位于介质基片的正反两面，金属化通孔穿过介质基片与上层金属敷铜面、下层金属敷铜面相连接组成金属化通孔围成的圆、基片集成波导移相网络、辐射天线阵，在金属化通孔围成的圆的侧壁上分布有输入端口、输出端口和匹配口，输出端口与基片集成波导移相网络连接，基片集成波导移相网络的另一端连接辐射天线阵，辐射天线阵由多个基片集成波导缝隙阵天线并排构成，在每一个基片集成波导缝隙阵天线上都设有金属表面上的缝隙。

改进型双圆透镜采用基片集成波导技术，利用光学原理，通过从不同的输入端口激励来产生不同的相位差，与基片集成波导缝隙天线阵相结合形成相应的多个波束指向，从而构成多波束天线。由于基片集成波导不支持TEM模式，故在本设计中采用了不同于传统激励模式的TE₁₀模，这样仅使其工作带宽略微减少。由于采用了基片集成波导技术进行设计，克服了以往双圆透镜工作于毫米波频段时的缺陷，同时该多波束天线为平面电路的结构，其易于与弯曲结构共形，具有较高实用性。

有益效果：本发明具有以下优点：

1：)使改进型双圆透镜在以平面电路的形式工作于毫米波频段时，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：)改进型基片集成波导双圆透镜与基片集成波导缝隙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是本发明的结构示意图。

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、由金属化通孔围成的圆5、输入端口51、输出端口52、匹配口53、基片集成波导移相网络6、辐射天线阵7、基片集成波导缝隙阵天线71、金属表面上的缝隙72。

具体实施方式

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。其包括上层金属敷铜面1、下层金属敷铜面2、介质基片3、金属化通孔4、金属化通孔围成的圆5、输入端口51、输出端口52、匹配口53、基片集成波导移相网络6、辐射天线阵7、基片集成波导缝隙阵天线71、金属表面上的缝隙72；上层金属敷铜面1、下层金属敷铜面2分别位于介质基片3的正反两面，金属化通孔4穿过介质基片3与上层金属敷铜面1、下层金属敷铜面2相连接组成金属化通孔围成的圆5、基片集成波导移相网络6、辐射天线阵7，在金属化通孔围成的圆5侧壁分布有输入端口51、输出端口52、匹配口53，输出端口52与基片集成波导移相网络6连接，基片集成波导移相网络6的另一端连接辐射天线阵7，辐射天线阵7由多个基片集成波导缝隙阵天线71并排构成，在每一个基片集成波导缝隙阵天线71上都设有金属表面上的缝隙72。

该多波束天线由两部分一体化组成：改进型基片集成波导双圆透镜、基片集成波导缝隙天线阵7。其中，改进型基片集成波导双圆透镜由金属化通孔围成的圆5、基片集成波导移相网络6组成，作为波束成形网络；基片集成波导缝隙天线阵7作为辐射单元；二者直接相连。从不同的输入端口馈电，可分别激励出相应指向的波束。匹配口接上50欧姆的电阻，用以降低副瓣。

在中心频率30GHz处实现基于改进型双圆透镜原理的基片集成波导多波束天线，并测试其整体性能。基片选用Rogers Duroid 5880，其介质常数为2.2，厚度0.508mm。该多波束天线共有15个输入端口，级联11根基片集成波导缝隙天线，每根天线含有4根缝。

从S参数的测试结果可以发现，该多波束天线在中心频率30GHz时，所有端口的反射系数均小于-13dB；从最外的输入端口激励时，在30GHz时所有的耦合系数小于-18dB。分别从其它端口激励时，有相似的结果。分别从不同输入端口激励，在暗室中测得30GHz时天线的E面辐射方向图分别库尤以下指标：

3dB波瓣宽度：9.4°，11°，10.1°，10.6°，9.1°，10.8°，9.7°，9.7°，9.7°，10.8°，9.1°，10.6°，10.1°，11°，9.4°。

波束指向：-54°，-45°，-35°，-29°，-20°，-13°，-7°，0°，7°，13°，20°，29°，35°，45°，54°。

增益：17.44dBi，17.69dBi，18.11dBi，18.86dBi，19.89dBi，19.79dBi，20.2dBi，20.2dBi，20.2dBi，19.79dBi，19.89dBi，18.86dBi，18.11dBi，17.69dBi，17.44dBi。

辐射效率：21.6％，22.9％，25.2％，30.0％，38.0％，37.2％，40.8％，40.8％，40.8％，37.2％，38.0％，30.0％，25.2％，22.9％，21.6％。

Claims

1.一种基于改进型双圆透镜原理的基片集成波导多波束天线，其特征在于该天线包括上层金属敷铜面(1)、下层金属敷铜面(2)、介质基片(3)、金属化通孔(4)、金属化通孔围成的圆(5)、输入端口(51)、输出端口(52)、匹配口(53)、基片集成波导移相网络(6)、辐射天线阵(7)、基片集成波导缝隙阵天线(71)、金属表面上的缝隙(72)；上层金属敷铜面(1)、下层金属敷铜面(2)分别位于介质基片(3)的正反两面，金属化通孔(4)穿过介质基片(3)与上层金属敷铜面(1)、下层金属敷铜面(2)相连接组成金属化通孔围成的圆(5)、基片集成波导移相网络(6)、辐射天线阵(7)，在金属化通孔围成的圆(5)的侧壁上分布着输入端口(51)，输出端口(52)，匹配口(53)，输出端口(52)与基片集成波导移相网络(6)连接，基片集成波导移相网络(6)的另一端连接辐射天线阵(7)，辐射天线阵(7)由多个基片集成波导缝隙阵天线(71)并排构成，在每一个基片集成波导缝隙阵天线(71)的上表面都设有金属表面上的缝隙(72)。

2.根据权利要求1所述的基于改进型双圆透镜原理的基片集成波导多波束天线，其特征在于：基片集成波导移相网络(6)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。