CN106898882A - 适用于毫米波通信的多波束背腔式高增益天线阵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种适用于毫米波通信的多波束背腔式高增益天线阵，包括辐射贴片天线和波束成型馈电网络，辐射贴片天线由上层基板和下层基板组成，上层基板的上表面间隔设置有四个天线单元，四个天线单元的四周采用多个金属化过孔围成一个金属腔；下层基板设置有四路基片集成波导，每一路基片集成波导由多个金属化过孔围成，四路基片集成波导设置有辐射贴片天线的四个输入端；辐射贴片天线的四个输入端各自对应连接至波束成型馈电网络的四个输出端。当波束成型馈电网络的四个输入端输入四路电磁波束激励时，相邻输出端的相位相差分别为45度、135度、‑135度和‑45度。本发明通过加入背腔式结构有效抑制表面电磁波，提高了天线增益。

Description

适用于毫米波通信的多波束背腔式高增益天线阵
技术领域
本发明涉及微波通信技术领域，尤其涉及一种适用于毫米波通信的多波束背腔式高增益天线阵。
背景技术
随着5G的兴起，在毫米波频段，特别是60GHz频段，由于通信系统具有更高速的数据传输速率以及大的传输容量而被学者广泛研究。然而，60GHz频段处于大气吸收峰，所以路径损耗非常大。为了应对此问题，必须使用高增益的天线来弥补路径损耗。然而对于高增益天线，由于其高的定向性，使得其波束覆盖范围有限，为了同时获得高的增益同时波束又能覆盖较广的范围，多波束天线是一个好的选择。但是，传统的1×4多波束贴片天线阵增益较低，原因是一方面由于使用微带线作为馈电网络，损耗较大；另一方面是由于表面波的存在，表面波在介质表面来回反射，很难辐射出去，导致天线口径效率低下。
发明内容
本发明的主要目的提供一种适用于毫米波通信的多波束背腔式高增益天线阵，旨在解决现有的多波束贴片天线阵增益较低的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种适用于毫米波通信的多波束背腔式高增益天线阵，包括辐射贴片天线以及波束成型馈电网络，所述辐射贴片天线由上层基板和下层基板组成，所述波束成型馈电网络包括四个输入端、四个定向耦合器、两个45°移相器、两个0°移相器及四个输出端，其中：
所述上层基板的上表面间隔设置有四个天线单元，所述四个天线单元的四周采用多个金属化过孔围成一个金属腔；
所述下层基板设置有四路基片集成波导，每一路基片集成波导由多个金属化过孔围成，所述四路基片集成波导设置有所述辐射贴片天线的四个输入端；
所述辐射贴片天线的四个输入端各自对应连接至所述波束成型馈电网络的四个输出端；
当所述波束成型馈电网络的四个输入端输入四路电磁波束激励时，所述波束成型馈电网络的相邻输出端的相位相差分别为45度、135度、-135度和-45度。
优选地，所述上层基板和下层基板层叠粘合在一起，所述上层基板的厚度为60GHz介质波的四分之一波长。
优选地，所述天线单元由交叉型辐射贴片构成并间隔印刷在所述上层基板的上表面，每两个天线单元之间的间距为3mm。
优选地，所述天线单元由位于该天线单元底下的缝隙进行电磁波的耦合与激励。
优选地，所述金属腔的大小为长13mm、宽5mm，用于抑制表面电磁波的传播。
优选地，所述波束成型馈电网络为一种基于基片集成波导的Butler矩阵实现的Butler矩阵馈电网络。
优选地，所述波束成型馈电网络的两个输入端作为第一定向耦合器的两个输入端，第一定向耦合器的第一输出端连接至第一45°移相器的输入端，第一定向耦合器的第二输出端连接至第四定向耦合器的输入端。第一45°移相器的输出端连接至第二定向耦合器的第一输入端，第二定向耦合器的第一输出端连接至第一0°移相器的输入端，第一0°移相器的输出端连接至波束成型馈电网络的第一输出端，第二定向耦合器的第二输出端连接至波束成型馈电网络的第三输出端。
优选地，所述波束成型馈电网络的另外两个输入端作为第三定向耦合器的两个输入端，第三定向耦合器的第一输出端连接至第二45°移相器的输入端，第三定向耦合器的第二输出端连接至第二定向耦合器的第二输入端。第二45°移相器的输出端连接至第四定向耦合器的第二输入端，第四定向耦合器的第一输出端连接至第二0°移相器的输入端，第二0°移相器的输出端连接至波束成型馈电网络的第四输出端，第四定向耦合器的第二输出端连接至波束成型馈电网络的第二输出端。
相较于现有技术，本发明所述适用于毫米波通信的多波束背腔式高增益天线阵采用上述技术方案，达到了如下技术效果：通过加入背腔式结构有效抑制表面电磁波提高天线增益，以及使用厚度为60GHz介质波的四分之一波长的介质板作为上层基板，使得天线阵与传统贴片天线相比能够获得更高的增益，特别适用于高路径损耗的毫米波通信。
附图说明
图1是本发明适用于毫米波通信的多波束背腔式高增益天线阵优选实施例的平面结构示意图；
图2是本发明适用于毫米波通信的多波束背腔式高增益天线阵中的波束成型馈电网络优选实施例的电路示意图；
图3是本发明适用于毫米波通信的多波束背腔式高增益天线阵的实测天线增益示意图。
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，将在具体实施方式部分一并参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成上述目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1所示，图1是本发明适用于毫米波通信的多波束背腔式高增益天线阵优选实施例的结构示意图；图2是本发明适用于毫米波通信的多波束背腔式高增益天线阵中的波束成型馈电网络优选实施例的电路示意图。在本实施例中，所述多波束背腔式高增益天线阵包括辐射贴片天线1以及波束成型馈电网络2(参考图2所示)。所述辐射贴片天线1由上层基板11和下层基板12组成，所述上层基板11和下层基板12层叠粘合在一起。所述上层基板11和下层基板12均优选采用相对介电常数2.2的罗杰斯RO5880介质板。上层基板l1的厚度约等于工作频段60GHz介质波的四分之一波长，下层基板12的厚度不作限制。
所述上层基板11的上表面间隔设置有四个天线单元13，每个天线单元13由交叉型辐射贴片构成并间隔印刷在上层基板11的上表面。每两个天线单元13之间的间距优选为3mm以确保低的副瓣电频，每一个天线单元13由位于天线单元13各自对应正底下的缝隙16进行电磁波的耦合与激励。
所述天线单元13的四周采用多个金属化过孔14围成一个背腔式结构的金属腔15，该金属腔15的大小优选为长13mm，宽5mm。所述金属腔15可以抑制表面电磁波的传播，从而提高天线增益。由于上层基板l1的厚度约等于工作频段60GHz介质波的四分之一波长，从而使得天线增益进一步增加。
所述下层基板12设置有四路基片集成波导17，每一路基片集成波导17由多个金属化过孔14围成。四路基片集成波导17分别设置有辐射贴片天线1的输入端P11、P12、P13和P14。为了保证基片集成波导17中只传输TE01模式，每一路基片集成波导17的宽度设置为3mm。在本实施例中，所述波束成型馈电网络2由基于基片集成波导17的Butler矩阵实现并集成在下层基板12上，为一种4×4的Butler矩阵馈电网络。
参考图2所示，所述波束成型馈电网络2包括四个输入端P21、P22、P23和P24和四个输出端P25、P26、P27和P28，其中，所述波束成型馈电网络2的四个输入端P21、P22、P23和P24用于分别输入四路电磁波束激励。所述辐射贴片天线1的四个输入端P11、P12、P13和P14各自对应连接至所述波束成型馈电网络2的四个输出端P25、P26、P27和P28。例如，辐射贴片天线1的输入端P11连接至波束成型馈电网络2的输出端P25，辐射贴片天线1的输入端P12连接至波束成型馈电网络2的输出端P26，辐射贴片天线1的输入端P13连接至波束成型馈电网络2的输出端P27，辐射贴片天线1的输入端P14连接至波束成型馈电网络2的输出端P28。当波束成型馈电网络2的四个输入端P21、P22、P23和P24分别输入四路电磁波束激励时，波束成型馈电网络2的相邻输出端的相位相差分别为45度、135度、-135度和-45度，因此电磁波到达每个天线单元13的相位不同使得天线实现了波束扫描的功能。
在本实施例中，所述波束成型馈电网络2还包括四个定向耦合器21a、21b、21c、21d、两个45°移相器22a、22b以及两个0°移相器23a、23b。其中，所述四个定向耦合器21a、21b、21c、21d分别具有90度相移特性的3db定向耦合的功能。所述两个45°移相器22a、22b和两个0°移相器23a、23b均为基于基片集成波导线的固定移相器，通过不等宽和不等长的基片集成波导线来实现。
所述波束成型馈电网络2的输入端P21、P22作为第一定向耦合器21a的两个输入端，第一定向耦合器21a的第一输出端连接至第一45°移相器22a的输入端，第一定向耦合器21a的第二输出端连接至第四定向耦合器21d的输入端。第一45°移相器22a的输出端连接至第二定向耦合器21b的第一输入端，第二定向耦合器21b的第一输出端连接至第一0°移相器23a的输入端，第一0°移相器23a的输出端连接至波束成型馈电网络2的第一输出端P25，第二定向耦合器21b的第二输出端连接至波束成型馈电网络2的第三输出端P27。
所述波束成型馈电网络2的输入端P23和P24作为第三定向耦合器21c的两个输入端，第三定向耦合器21c的第一输出端连接至第二45°移相器22b的输入端，第三定向耦合器21c的第二输出端连接至第二定向耦合器21b的第二输入端。第二45°移相器22b的输出端连接至第四定向耦合器21d的第二输入端，第四定向耦合器21d的第一输出端连接至第二0°移相器23b的输入端，第二0°移相器23b的输出端连接至波束成型馈电网络2的第四输出端P28，第四定向耦合器21d的第二输出端连接至波束成型馈电网络2的第二输出端P26。
参照图3所示，是本发明适用于毫米波通信的多波束背腔式高增益天线阵的实测天线增益示意图。在天线实测反射系数仿真过程中，本发明所述适用于毫米波通信的多波束背腔式高增益天线阵的-10dB匹配带宽可以覆盖整个60GHz频段(即57GHz-64GHz频段)。在60GHz频点处，天线的电磁波束扫描角从-38度到正38度，交叉极化小于-17dB。天线增益在60GHz频段内稳定，峰值增益可以达到13.6dBi。本发明提出的新型背腔式口径耦合贴片天线阵较之于一般的贴片天线具有更高的增益与口径效率，适用于高路径损耗的60GHz毫米波通信。
本发明所述适用于毫米波通信的多波束背腔式高增益天线阵，通过加入背腔式结构有效抑制表面波，以及使用厚度约为60GHz频段四分之一波长的介质板(上层基板11)使得多波束背腔式高增益天线阵与传统贴片天线相比能够获得更高的增益，特别适用于高路径损耗的毫米波通信。天线增益可以达到13.6dBi，波束扫描角度从负38度到正38度，交叉极化在-17dB以下，同时天线容易集成于毫米波通信电路与通信系统。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效功能变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种适用于毫米波通信的多波束背腔式高增益天线阵，其特征在于，所述多波束背腔式高增益天线阵包括辐射贴片天线以及波束成型馈电网络，所述辐射贴片天线由上层基板和下层基板组成，所述波束成型馈电网络包括四个输入端、四个定向耦合器、两个45°移相器、两个0°移相器以及四个输出端，其中：
所述上层基板的上表面间隔设置有四个天线单元，所述四个天线单元的四周采用多个金属化过孔围成一个金属腔；
所述下层基板设置有四路基片集成波导，每一路基片集成波导由多个金属化过孔围成，所述四路基片集成波导设置有所述辐射贴片天线的四个输入端；
所述辐射贴片天线的四个输入端各自对应连接至所述波束成型馈电网络的四个输出端；
当所述波束成型馈电网络的四个输入端输入四路电磁波束激励时，所述波束成型馈电网络的相邻输出端的相位相差分别为45度、135度、-135度和-45度。
2.如权利要求1所述的适用于毫米波通信的多波束背腔式高增益天线阵，其特征在于，所述上层基板和下层基板层叠粘合在一起，所述上层基板的厚度为60GHz介质波的四分之一波长。
3.如权利要求1所述的适用于毫米波通信的多波束背腔式高增益天线阵，其特征在于，所述天线单元由交叉型辐射贴片构成并间隔印刷在所述上层基板的上表面，每两个天线单元之间的间距为3mm。
4.如权利要求3所述的适用于毫米波通信的多波束背腔式高增益天线阵，其特征在于，所述天线单元由位于该天线单元底下的缝隙进行电磁波的耦合与激励。
5.如权利要求1所述的适用于毫米波通信的多波束背腔式高增益天线阵，其特征在于，所述金属腔的大小为长13mm、宽5mm，用于抑制表面电磁波的传播。
6.如权利要求1所述的适用于毫米波通信的多波束背腔式高增益天线阵，其特征在于，所述波束成型馈电网络为一种基于基片集成波导的Butler矩阵实现的Butler矩阵馈电网络。
7.如权利要求1所述的适用于毫米波通信的多波束背腔式高增益天线阵，其特征在于，所述波束成型馈电网络的两个输入端作为第一定向耦合器的两个输入端，第一定向耦合器的第一输出端连接至第一45°移相器的输入端，第一定向耦合器的第二输出端连接至第四定向耦合器的输入端。第一45°移相器的输出端连接至第二定向耦合器的第一输入端，第二定向耦合器的第一输出端连接至第一0°移相器的输入端，第一0°移相器的输出端连接至波束成型馈电网络的第一输出端，第二定向耦合器的第二输出端连接至波束成型馈电网络的第三输出端。
8.如权利要求7所述的适用于毫米波通信的多波束背腔式高增益天线阵，其特征在于，所述波束成型馈电网络的另外两个输入端作为第三定向耦合器的两个输入端，第三定向耦合器的第一输出端连接至第二45°移相器的输入端，第三定向耦合器的第二输出端连接至第二定向耦合器的第二输入端。第二45°移相器的输出端连接至第四定向耦合器的第二输入端，第四定向耦合器的第一输出端连接至第二0°移相器的输入端，第二0°移相器的输出端连接至波束成型馈电网络的第四输出端，第四定向耦合器的第二输出端连接至波束成型馈电网络的第二输出端。
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