CN101325273A - 多模基片集成波导波束成形网络 - Google Patents

多模基片集成波导波束成形网络 Download PDF

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Abstract

多模基片集成波导波束成形网络适用于微波毫米波多波束天馈系统和智能天线系统。该网络为一平面电路结构，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)的两侧，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)相连接形成多模基片集成波导(5)、基片集成波导移相网络(6)，多模基片集成波导(5)、基片集成波导移相网络(6)二者直接相连接，输入端口(51)位于多模基片集成波导(5)的一侧，内输出端口(52)位于多模基片集成波导(5)的另一侧并与基片集成波导移相网络(6)的内侧相接，基片集成波导移相网络(6)的外侧接外输出口(7)。

Description

多模基片集成波导波束成形网络
技术领域
多模基片集成波导波束成形网络适用于微波毫米波多波束天馈系统和智能天线系统。
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。波束成形网络一般可以分为两大类：电路类(又叫网络类)和准光透镜类。其中，电路类是通过传输线连接功分器和耦合器所构成。产生波束扫描所需的相移可以通过不等长的传输线或专门的移相器来获得，而口径面幅度的分布是由功分器的功分率来控制的。到目前为止，有两种常见的电路类波束成形网络，分别是Butler矩阵和Blass矩阵。Butler矩阵是目前使用最为广泛的电路类波束成形网络。总体而言，与准光透镜类相比，电路类波束成形网络具有更好的性能，但是也存在一些缺点。主要表现为体积较庞大、结构较复杂，当输入支路数量较多时更是如此。在毫米波和亚毫米波波段，如果按照波长缩比做成矩阵式波束成形网络，将在单模系统中的结构工艺上遇到很大的困难。同时，加工误差也会限制结构的复杂度。为了解决这些问题，我们提出一种新型的多模波束成形网络，可以很好的解决传统电路类结构存在的问题。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种多模基片集成波导波束成形网络，用基片集成波导实现Ka频段和毫米波频段多模波束成形网络的设计，并使之具有与传统矩阵式波束成形网络(如Butler矩阵)相似的性能，且体积紧凑(仅为原来的一半)，制作成本低，容易大批量生产，易与有源电路集成。
技术方案：本发明的多模基片集成波导波束成形网络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、多模基片集成波导、输入端口、内输出端口、基片集成波导移相网络、外输出口；该波束成形网络为一平面电路结构，上层金属敷铜面、下层金属敷铜面分别位于介质基片的两侧，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形成多模基片集成波导、基片集成波导移相网络，多模基片集成波导、基片集成波导移相网络二者直接相连接，输入端口位于多模基片集成波导的一侧，内输出端口位于多模基片集成波导的另一侧并与基片集成波导移相网络的内侧相接，基片集成波导移相网络的外侧接外输出口。
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。该波束成形网络共有4个输入端口和4个输出端口，分别可在输出口激励出若干组具有固定相位差和相等幅度的输出。
该波束成形网络共有4个输入端口和4个输出端口。根据波导理论，在同一段导波结构中可以传输不同模式的电磁波(如TE10，TE20...)，而每一个模式的传输过程相对独立，互不影响。利用这一原理，从不同的输入端口激励，通过网络的散射矩阵分析对不同传输模式的传输系数进行调节，最终在输出口产生不同的相位差和等幅的输出。同时，采用基片集成波导来实现具体电路的设计，在Ka波段和毫米波波段获得较好性能。最终得到的波束成形网络与传统Butler矩阵相比，性能接近，面积仅为原来的一半。
有益效果：本发明具有以下优点：
1：)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：)该波束成形网络结构紧凑，仅为传统Butler矩阵电路面积的一半，但与之性能类似。
3：)该波束成形网络辐射效率更高，为传统Butler矩阵的1.28倍。
4：)该多波束天线可与弧度不大的弯曲表面直接共形，不需另外设计，具有较高实用性。
5：)通过普通PCB工艺制作于介质基片上，与有源电路集成方便，成本低、精度高、重复性好，适合大批量生产。
附图说明
图1是本发明多模基片集成波导波束成形网络的结构示意图，
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、多模基片集成波导5、输入端口51、内输出端口52、基片集成波导移相网络6、外输出口7。
具体实施方式
本发明的多模基片集成波导波束成形网络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、多模基片集成波导5、输入端口51、内输出端口52、基片集成波导移相网络6、外输出口7；该波束成形网络为一平面电路结构，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的上下表面，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相连接形成多模基片集成波导5、基片集成波导移相网络6，多模基片集成波导5与基片集成波导移相网络6直接相连接，输入端口51位于多模基片集成波导5的一侧，内输出端口52位于多模基片集成波导5的另一侧并与基片集成波导移相网络6的内侧相接，基片集成波导移相网络6的外侧接外输出口7。
该波束成形网络共有4个输入端口和4个输出端口，从不同的输入端口馈电，分别可在输出口激励出若干组具有固定相位差和相等幅度的输出。
在中心频率29GHz处实现多模基片集成波导波束成形网络，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。该波束成形网络共有4个输入端口和4个输出端口。
测试的范围为27GHz到31GHz。分别从4个输入口激励时，在中心频率29GHz，所有的回波损耗和互耦系数均低于-12.5dB。传输系数幅度起伏不大，在28GH到30.5GH的范围内，其误差小于3dB。该波束成形网络可以提供的相邻输出端口之间相位差分别为135°，45°，-45°和-135°，在28.8GHz到29.8GHz的范围内，其误差小于5°。当从第二个输入口激励时，仿真的辐射效率可达86％。而同样情况下，Butler矩阵的辐射效率仅为67.1％。

Claims (3)

1.一种多模基片集成波导波束成形网络，其特征在于该网络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)、多模基片集成波导(5)、输入端口(51)、内输出端口(52)、基片集成波导移相网络(6)、外输出口(7)；该波束成形网络为一平面电路结构，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)的两侧，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)相连接形成多模基片集成波导(5)、基片集成波导移相网络(6)，多模基片集成波导(5)、基片集成波导移相网络(6)二者直接相连接，输入端口(51)位于多模基片集成波导(5)的一侧，内输出端口(52)位于多模基片集成波导(5)的另一侧并与基片集成波导移相网络(6)的内侧相接，基片集成波导移相网络(6)的外侧接外输出口(7)。
2.根据权利要求1所述的多模基片集成波导波束成形网络，其特征为：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。
3.根据权利要求1所述的多模基片集成波导波束成形网络，其特征在于该波束成形网络共有4个输入端口和4个输出端口，分别可在输出口激励出若干组具有固定相位差和相等幅度的输出。
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