CN103178341A - 具有宽波束的q波段毫米波室内高速通信天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有宽波束的Q波段毫米波室内高速通信天线，其辐射单元采用印刷的夹角对称振子结构，通过基片集成波导实现差分馈电，并利用加载金属反射背板来调谐波束宽度，可以采用波导转接或者共面波导转接等实现与外部电路之间的互联。本发明针对Q波段（43-47GHz）毫米波室内通信系统标准802.11aj（45GHz）的要求，实现了具有宽带和一定增益、在双主切面内具有120°宽波束覆盖、可与平面有源毫米波电路一体集成的接入式天线，具有结构简单、体积小巧，满足与平面电路集成的要求，并且具有成本低、便于批量生产等优点。

Description

具有宽波束的Q波段毫米波室内高速通信天线

技术领域

本发明涉及毫米波通信系统综合涉及技术，尤其涉及一种具有宽波束覆盖、工作频带宽、可平面集成的室内高速通信天线。

背景技术

毫米波段具有丰富的频谱资源，因此毫米波通信可以较容易的获得宽频带、高数据速率和高信道容量等特性。目前，常规通信频段（<6GHz）的频谱资源已十分有限，工业、民用和商用均对频谱资源和高数据速率传输有着迫切的需求。这就使得开发利用毫米波频谱资源成为近年来全球无线通信研发的热点。2012年，由我国倡导并率先提出的中国毫米波通信标准获得国际电子电气工程师协会的许可并被确立为802.11aj（45GHz）标准。这一标准致力于开发45GHz频段（Q波段）频谱资源，用于长距和短距大容量、高数据速率通信。其中，43-47GHz频段被定义为室内短距无线通信应用。基于该频率的毫米波通信主要用于支撑室内各种无线终端与主干网的高速接入和互联。

针对45GHz室内短距无线通信的需求，相应的接入设备需要提供室内的全面覆盖，这就对接入天线提出了较高的要求。即天线在满足带宽和增益需求外，还需要具有极宽的波束（即3dB波束宽度）来实现有效的空间覆盖。按照我国常规房间大小进行如下计算（不失一般性）：设定常规起居室或会议室的极限尺寸为10米×10米（总面积100平方米），层高3米；当通信接入设备放置在起居室或会议室的天花板中央时，可以计算出空间覆盖角约为120°；因此，就需要接入设备的天线能够提供全空间120°的覆盖能力。针对更大的房间情况或房间宽度和高度比更大的情况，可以采用多接入点布局方式调整。目前，常规的天线形式基本无法满足在所有主切面内同时满足120°覆盖。因此，宽波束天线设计是毫米波室内通信系统的一个设计难点。

通信系统的高度集成设计能够有效减小系统的体积，降低因分立模块间转接引入的额外损耗和系统功耗，是当今通信系统发展的必然趋势。天线作为毫米波通信系统的重要部件，在设计过程中需要充分考虑与外部电路的互联和集成。基于印刷电路技术的天线形式具有先天与平面电路互联的优势，通过采用平面传输线作为天线馈线，可以实现与后级收发电路的自然过渡。常用的平面传输线形式有微带线、带状线等，在射频、微波频段有着大量应用。但在毫米波频段，微带线和共面波导具有较大的金属损耗和辐射损耗，这些损耗不仅恶化系统的性能，辐射损耗更会影响天线的辐射性能。因此，如何选取低损耗、无辐射的平面馈线形式，也是研制毫米波通信天线所必须解决的难点。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种主要基于平面印刷电路技术实现的、具有宽波束覆盖特征（120°）的毫米波室内通信天线，利用特定夹角的印刷对称振子外加反射板调谐实现宽波束覆盖，采用基片集成波导作为馈线能够满足低损耗和平面集成的需求。此外，还提供了基片集成波导与金属波导、共面波导的转接形式，以供根据实际需求选取。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

具有宽波束的Q波段毫米波室内高速通信天线，包括辐射单元介质基片和馈线介质基片，所述辐射单元介质基片和馈线介质基片相连接；

所述辐射单元介质基片的上下两个表面分别印刷有一个L型折角的辐射单元金属带条，记两个辐射单元金属带条分别为上辐射单元金属带条和下辐射单元金属带条，所述上辐射单元金属带条和下辐射单元金属带条在辐射单元介质基片表面上的投影镜像对称且有一段相互重合、呈雨伞状分布，所述上辐射单元金属带条和下辐射单元金属带条构成夹角对称振子辐射结构；

所述馈线介质基片的上下表面分别印刷有一个金属层，记两个金属层分别为上金属层和下金属层，所述下金属层与馈线介质基片的下表面具有相同的尺寸，所述上金属层的尺寸小于馈线介质基片的上表面的尺寸；金属化通孔贯穿馈线介质基片及上金属层和下金属层，并将上金属层和下金属层电连通；

所述金属化通孔排布成两条相平行的直线形，与上金属层和下金属层共同围合成封闭的基片集成波导，所述基片集成波导与上辐射单元金属带条和下辐射单元金属带条电连接构成差分馈电结构，即上辐射单元金属带条与上金属层电连接，下辐射单元金属带条与下金属层电连接；

所述基片集成波导通过转接结构电连接，所述转接结构用于与标准金属波导互联。

优选的，所述上辐射单元金属带条与上金属层电连接的一端、在上金属层上压置有上矩形金属块，所述下辐射单元金属带条与下金属层电连接的一端、在下金属层上压置有下矩形金属块。

优选的，所述上矩形金属块和下矩形金属块通过一对螺钉与馈线介质基片固定，分别压置在上金属层和下金属层表面。所述上矩形金属块和下矩形金属块的设计即为加载金属反射背板调谐波束宽度的设计。

具体的，所述转接结构可以为矩形波导转接结构或平面波导转接结构。

对矩形波导转接结构，可以进行如下设计：所述金属化通孔分为两组，其中一组排布成一边带有缺口的矩形、记为A组金属化通孔，另一组排布成两条相平行的直线形、记为B组金属化通孔，所述A组金属化通孔和B组金属化通孔形成T型，且B组金属化通孔的两条直线形的一端分别与A组金属化通孔的矩形缺口的两端位置对应；所述B组金属化通孔用于与上金属层和下金属层共同围合成封闭的基片集成波导；所述A组金属化通孔用于构成转接结构，在A组金属化通孔的矩形区域内、在上金属层上刻蚀有一个矩形开口，所述矩形开口用于与标准金属波导互联。

优选的，所述A组金属化通孔的矩形区域外周侧、在馈线介质基片设置有两个螺钉孔和四个定位销孔，用于标准金属波导的安装。

上述天线，可以满足Q波段毫米波室内通信系统的需求：其设计中心频率为45GHz，实测在41.6-47.2GHz内驻波比小于2；在43-47GHz频带内，电场平面和磁场平面的辐射方向图的3dB波束宽度可以达到120°，最大增益在5.9-6.5dBi波动。

并且上述天线的设计方法具有一般性，仅受到加工工艺限制，可以在较宽的毫米波频段（30-90GHz）内推广，能够满足相应毫米波通信系统宽波束覆盖和宽带的需求；不需改变天线结构，仅通过调整辐射单元和馈线的特征尺寸就能够满足不同工作频率需求，并能够始终保持宽波束覆盖特性。

另外，上述天线采用基片集成波导作为馈线，可以实现与其他电路和器件紧凑集成和平面化集成。

再者，整个天线结构简单，主要利用印刷电路板工艺生产，没有任何复杂结构，成本低、精度较高、重复性好，适合大批量生产。

有益效果：本发明提供的具有宽波束的Q波段毫米波室内通信天线，结构简单、体积小巧，能够满足平面电路集成的要求，并且具有成本低、便于批量生产等优点，能够适用于无线通信中。

附图说明

图1为实施例1的俯视结构示意图；

图2为实施例1的正视剖视结构示意图；

图3为实施例1的S参数测量结果；

图4（a）为实施例1的电场平面的辐射方向图测量结果；

图4（b）为实施例1的磁场平面的辐射方向图测量结果；

图5为实施例2的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

对称振子是一种经典的天线形式，具有在一个主切面（磁场主平面）内全向辐射的特性，但在另外一个主切面（电场主平面）内仅有较小的波束宽度。为了展宽电场主平面内的波束，可以通过改变振子之间的夹角来实现，即将振子在传播主向的夹角从原来的180°进一步扩大。同时，为了将磁场主平面的全向特性改善为所需要的120°，可以通过增加反射背板来实现。此外，在馈线设计上选取基片集成波导结构，该结构具有平面化特点，可以利用印刷电路技术实现，具有低损耗、无辐射的有点。再者，基片集成波导还具有先天的差分馈电特性，可以直接与对称振子相连。基片集成波导和其他传输线形式，如微带线、共面波导等平面传输线，以及金属波导都有成熟的转接方案。

实施例1

如图1、图2所示为一种具有宽波束的Q波段毫米波室内高速通信天线，包括辐射单元介质基片1和馈线介质基片2，所述辐射单元介质基片1和馈线介质基片2相连接；

所述辐射单元介质基片1的上下两个表面分别印刷有一个L型折角的辐射单元金属带条，记两个辐射单元金属带条分别为上辐射单元金属带条3和下辐射单元金属带条4，所述上辐射单元金属带条3和下辐射单元金属带条4在辐射单元介质基片1表面上的投影镜像对称且有一段相互重合、呈雨伞状分布，所述上辐射单元金属带条3和下辐射单元金属带条4构成夹角对称振子辐射结构；

所述馈线介质基片2的上下表面分别印刷有一个金属层，记两个金属层分别为上金属层51和下金属层52，所述下金属层52与馈线介质基片2的下表面具有相同的尺寸，所述上金属层51的尺寸略小于馈线介质基片2的上表面的尺寸；金属化通孔6贯穿馈线介质基片2及上金属层51和下金属层52，并将上金属层51和下金属层52电连通；

所述金属化通孔6分为两组，其中一组排布成一边带有缺口的矩形、记为A组金属化通孔，另一组排布成两条相平行的直线形、记为B组金属化通孔，所述A组金属化通孔和B组金属化通孔形成T型，且B组金属化通孔的两条直线形的一端分别与A组金属化通孔的矩形缺口的两端位置对应；

所述B组金属化通孔与上金属层51和下金属层52共同围合成封闭的基片集成波导61，所述基片集成波导61与上辐射单元金属带条3和下辐射单元金属带条4电连接构成差分馈电结构，即上辐射单元金属带条3与上金属层51电连接，下辐射单元金属带条4与下金属层52电连接；所述上辐射单元金属带条3与上金属层51电连接的一端、在上金属层51上压置有上矩形金属块71，所述下辐射单元金属带条4与下金属层52电连接的一端、在下金属层52上压置有下矩形金属块72，上矩形金属块71和下矩形金属块72通过一对螺钉8与馈线介质基片2固定，分别压置在上金属层51和下金属层52表面；

所述A组金属化通孔的矩形区域内，在上金属层51上刻蚀有一个矩形开口9，所述矩形开口9用于与标准金属波导互联；所述A组金属化通孔的矩形区域外周侧、在馈线介质基片2设置有两个螺钉孔10和四个定位销孔11，用于标准金属波导的安装。

本例的尺寸单位为mm，馈线介质基片2部分的宽×长×厚为21×44×0.5，包含辐射单元介质基片1部分后的宽×长×厚为21×40×0.5；实测的天线S参数和辐射方向如图3和图4（a）、图4（b）所示。

本例的基本结构包括夹角对称振子辐射结构、金属反射板（上矩形金属块71和下矩形金属块72）、基片集成波导61和基片集成波导61到标准金属波导的转接结构62（由A组金属化通孔和矩形开口9构成的结构，即矩形波导转接结构），通过对夹角对称振子辐射结构和金属反射板的大小、位置的调整可以调节谐波束宽度。

本例的天线设计中心频率为45GHz，实测在41.6-47.2GHz内驻波比小于2；在43-47GHz频带内，电场平面和磁场平面的辐射方向图的3dB波束宽度可以达到120°，最大增益在5.9-6.5dBi波动。

实施例2

本例与实施例1的基本结构相同，仅将矩形波导转接结构改为平面波导转接结构。图5所示，尺寸单位为mm，馈线介质基片2部分的宽×长×厚为21×32×0.5，包含辐射单元介质基片1部分后的宽×长×厚为21×36×0.5；实测的天线S参数和辐射方向与实施例基本相同。

本例的基本结构包括夹角对称振子辐射结构、金属反射板（上矩形金属块71和下矩形金属块72）、基片集成波导61和基片集成波导61到标准金属波导的转接结构62（平面波导转接结构，这也是本例与实施例1的最大区别，对天线辐射特性无影响），通过对夹角对称振子辐射结构和金属反射板的大小、位置的调整可以调节谐波束宽度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.具有宽波束的Q波段毫米波室内高速通信天线，其特征在于：包括辐射单元介质基片（1）和馈线介质基片（2），所述辐射单元介质基片（1）和馈线介质基片（2）相连接；

所述辐射单元介质基片（1）的上下两个表面分别印刷有一个L型折角的辐射单元金属带条，记两个辐射单元金属带条分别为上辐射单元金属带条（3）和下辐射单元金属带条（4），所述上辐射单元金属带条（3）和下辐射单元金属带条（4）在辐射单元介质基片（1）表面上的投影镜像对称且有一段相互重合、呈雨伞状分布，所述上辐射单元金属带条（3）和下辐射单元金属带条（4）构成夹角对称振子辐射结构；

所述馈线介质基片（2）的上下表面分别印刷有一个金属层，记两个金属层分别为上金属层（51）和下金属层（52），所述下金属层（52）与馈线介质基片（2）的下表面具有相同的尺寸，所述上金属层（51）的尺寸小于馈线介质基片（2）的上表面的尺寸；金属化通孔（6）贯穿馈线介质基片（2）及上金属层（51）和下金属层（52），并将上金属层（51）和下金属层（52）电连通；

所述金属化通孔（6）排布成两条相平行的直线形，与上金属层（51）和下金属层（52）共同围合成封闭的基片集成波导（61），所述基片集成波导（61）与上辐射单元金属带条（3）和下辐射单元金属带条（4）电连接构成差分馈电结构，即上辐射单元金属带条（3）与上金属层（51）电连接，下辐射单元金属带条（4）与下金属层（52）电连接；

所述基片集成波导（61）通过转接结构（62）电连接，所述转接结构（62）用于与标准金属波导互联。

2.根据权利要求1所述的具有宽波束的Q波段毫米波室内高速通信天线，其特征在于：所述上辐射单元金属带条（3）与上金属层（51）电连接的一端、在上金属层（51）上压置有上矩形金属块（71），所述下辐射单元金属带条（4）与下金属层（52）电连接的一端、在下金属层（52）上压置有下矩形金属块（72）。

3.根据权利要求2所述的具有宽波束的Q波段毫米波室内高速通信天线，其特征在于：所述上矩形金属块（71）和下矩形金属块（72）通过一对螺钉（8）与馈线介质基片（2）固定，分别压置在上金属层（51）和下金属层（52）表面。

4.根据权利要求1所述的具有宽波束的Q波段毫米波室内高速通信天线，其特征在于：所述金属化通孔（6）分为两组，其中一组排布成一边带有缺口的矩形、记为A组金属化通孔，另一组排布成两条相平行的直线形、记为B组金属化通孔，所述A组金属化通孔和B组金属化通孔形成T型，且B组金属化通孔的两条直线形的一端分别与A组金属化通孔的矩形缺口的两端位置对应；所述B组金属化通孔用于与上金属层（51）和下金属层（52）共同围合成封闭的基片集成波导（61）；所述A组金属化通孔用于构成转接结构（62），在A组金属化通孔的矩形区域内、在上金属层（51）上刻蚀有一个矩形开口（9），所述矩形开口（9）用于与标准金属波导互联。

5.根据权利要求4所述的具有宽波束的Q波段毫米波室内高速通信天线，其特征在于：所述A组金属化通孔的矩形区域外周侧、在馈线介质基片（2）设置有两个螺钉孔（10）和四个定位销孔（11），用于标准金属波导的安装。

6.根据权利要求1所述的具有宽波束的Q波段毫米波室内高速通信天线，其特征在于：所述转接结构为矩形波导转接结构或平面波导转接结构。

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