CN107154531B - 一种基片集成腔体毫米波阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基片集成腔体毫米波阵列天线，包括天线阵列、功分模块以及外部转接模块。由外部转接模块将电磁波从金属波导引入功分模块，功分模块将电磁波分为多路电磁波输出，电磁波进入天线单元的基片集成腔体中，通过扩大基片集成腔体辐射口径在基片集成腔体中产生高次模谐振，提高毫米波阵列天线的增益，并由寄生结构调整基片集成腔体内的电磁波中高次模场分布，使得基片集成腔体内的电磁波中高次模的辐射方向变为向着基片集成腔体法线方向，实现天线阵列正常工作。另外，寄生结构采用呈类工字型金属片，能够提高金属片上电流长度，增大天线阵列的带宽。

Description

一种基片集成腔体毫米波阵列天线

技术领域

本发明属于毫米波天线技术领域，具体涉及一种基片集成腔体毫米波阵列天线。

背景技术

随着通信技术的不断发展，传统微波频段的频谱资源日益紧张。为了缓解这一问题，人们逐渐把目光移向了频段更高的毫米波频段。毫米波由于其具有的波长短、频带宽、传输速率快等特点而受到广泛的关注。在无线通信系统中，的发射与接收都要依靠天线。毫米波天线作为毫米波通信系统中的关键部件，对系统的最终性能有着至关重要的影响。然而由于毫米波在空气中传播时有着较大的衰减，这就要求毫米波天线具有更高的增益以适用于长距离的毫米波无线通信。

低温共烧陶瓷(LTCC，Low Temperature Co-fired Ceramic)技术由于其特有的叠层工艺，使得天线结构设计更加的多样化，可使得天线的布局从二维平面空间向三维立体空间扩展，从而使得天线结构更加紧凑，为小型化毫米波天线的设计提供了必要的条件；LTCC技术可实现天线与馈电网络的一体化立体集成，为高增益毫米波阵列天线的实现提供了便利的条件；LTCC技术还可以将天线与其它有源、无源毫米波器件集成在同一块LTCC基板中，实现整个系统的集成化与模块化；另外，LTCC技术是平行加工技术，基板的各层可以并行加工，加工效率高，并且LTCC工艺便于自动化大规模批量生产，降低天线产品成本。

然而在毫米波频段，LTCC相对大的介电常数将会导致表面波损耗变大，从而使得天线的增益降低；而表面波沿天线基板传播，会导致阵列天线中阵元间的互耦增大，驻波特性恶化，天线带宽变窄，交叉极化特性变差，限制阵列天线增益的提高。为此，有人提出了一种基片集成腔(SIC，Substrate Integrated Cavity)天线，该天线在不增大天线体积的情况下能够有效抑制表面波，但是其增益一般只有6.7dBi，这在一定程度上制约了该天线在毫米波通信中的应用。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基片集成腔体毫米波阵列天线，旨在解决现有的毫米波阵列天线增益低的技术问题。本发明通过扩大腔体辐射面积引入高次模，通过寄生单元改变高次模的辐射特性，该种结构使得基片集成腔体的毫米波天线的增益得到提高。

为了实现上述目的，本发明提供的一种基片集成腔体毫米波阵列天线，包括：

外部转接模块，其输入端用于与金属波导连接，用于将电磁波从金属波导中引入；

功分模块，其输入端与外部转接模块的输出端连接，用于将电磁波分为多路电磁波；以及

天线阵列，包括由多个呈阵列排列的天线单元，每个天线单元接收由功分模块输出的一路电磁波；

天线单元包括基片集成腔体和寄生结构，寄生结构位于基片集成腔体上表面的中心；基片集成腔体用于接收电磁波并让电磁波产生高次模谐振；寄生结构用于调整电磁波中高次模的场分布，使得电磁波中高次模的辐射方向变为沿着基片集成腔体法线方向。

本发明提供基片集成腔体毫米波阵列天线，由外部转接模块将电磁波从金属波导中引导入功分模块，由功分模块将电磁波分为多路电磁波输出，电磁波进入基片集成腔体内，产生高次模谐振高次模的辐射方向不沿腔体法线方向，通过寄生结构调整基片集成腔体内高次模的场分布，使得基片集成腔体内高次模的辐射方向变为向着谐振腔体法线方向，使得每个天线单元正常工作。通过扩大基片集成腔体的辐射口径引入高次模，使得毫米波天线增益得到提高。

进一步地，每个基片集成腔体下表面设置有用于传输电磁波的馈电缝。

进一步地，寄生结构为金属片，金属片位于基片集成腔体的中心，且金属片长边方向与所述馈电缝长边方向相同。

进一步地，金属片呈中间窄两端宽的工字型，且金属片尺寸变化边与所述馈电缝长边垂直。工字型金属片可以增大金属片上感应电流的电长度从而使得天线的带宽得到进一步的提高。

进一步地，寄生结构为两个金属片，记为第一金属片和第二金属片，两个金属片沿馈电缝长边方向排列，且两个金属片关于基片集成腔体的中心线对称。

进一步地，第一金属片与第二金属片为呈中间窄两端宽的工字型，且第一金属片尺寸变化的边的方向与馈电缝长边方向垂直，第二金属片尺寸变化的边的方向与馈电缝长边方向垂直。

进一步地，每个基片集成腔体的腔体截面尺寸从上到下依次减小。基片集成腔体呈现出类喇叭式的结构，采用该种结构可以提高天线的增益和改善阻抗匹配。

进一步地，基片集成腔体毫米波阵列天线由多层低温共烧陶瓷流延片层压制成或由多层印刷电路版制成。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1、本发明中天线单元通过扩大辐射口径，在腔体中引入高次模，并通过寄生结构改变高次模的场分布，使得基片集成腔体内高次模的辐射方向变为向着谐振腔体法线方向，使得每个天线单元可以正常工作，同时基片集成腔的有效辐射口径面积增加能够使天线单元的增益提高，进而使得基片集成腔体毫米波阵列天线增益提高。

2、本发明中寄生结构采用类工字型金属片，该结构可以增大金属片上感应电流的电长度，从而使得基片集成腔体毫米波阵列天线的带宽得到进一步的提高。

附图说明

图1是本发明提供的基片集成腔体毫米波阵列天线的实施例的结构示意图；

图2是本发明提供的基片集成腔体毫米波阵列天线的实施例中功分单元结构图；其中，图2(a)为上层功分结构的结构示意图，图2(b)为下层功分结构的结构示意图；

图3是本发明提供的基片集成腔体毫米波阵列天线的实施例中天线单元的结构示意图；

图4是本发明提供的基片集成腔体毫米波阵列天线中天线单元的回波损耗和增益曲线图；

图5是本发明提供的基片集成腔体毫米波阵列天线中毫米波天线阵列的回波损耗曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

图1是本发明提供的基片集成腔体毫米波阵列天线的实施例的结构示意图。基片集成腔体毫米波阵列天线包括外部转接模块5、功分模块以及天线阵列。

外部转接模块5由三层(即第十四层至第十六层)LTCC流延片层压制成，通过金属通孔柱围成三层的SIC，该腔体尺寸为2.3mm×1mm。SIC下表面开有一大小为2.2mm×0.8mm的下层馈电孔501，该下层馈电孔501用于与外部波导相连，SIC上表面开有一大小为0.6mm×0.4mm的上层馈电孔径502，用于功分模块的输入端连接相连。外部转接模块5通过下层馈电孔501与金属波导连接，用于将电磁波从金属波导中引入，并传输至功分模块。

功分单元包括上层功分结构2和下层功分结构4。下层功分结构4将电磁波分为八路电磁波输出，上层功分结构2将八路电磁波分为十六路电磁波输出。

下层功分结构4由五层(第九层至第十三层)LTCC流延片层压制成。下层功分结构中第十三层LTCC流延片与外部转接单元中第十四层LTCC流延片共用一个电极面。下层功分结构4包括一个由多个T型基片集成波导级联的一分八基片集成波导以及转接基片集成波导402。转接基片集成波导402一端与外部转接模块5中上层馈电孔502相连，另一端与一分八基片集成波导输入端相连。转接基片集成波导402为阶梯式基片集成波导，位于第一阶梯的基片集成波导厚度为三层(第十一层至第十三层)LTCC流延片，位于第一阶梯的基片集成波导与外部转接模块5中上层馈电孔502相连，位于第二阶梯的基片集成波导厚度为五层(第九层至第十三层)LTCC流延片，位于第二阶梯的基片集成波导与一分八基片集成波导的输入端连接。

上层功分网络2由四层(第五层至第八层)LTCC流延片层压制成，上层功分结构中第八层LTCC流延片与下层功分结构中第九层LTCC流延片共用一个电极面。上层功分结构2由八个宽度为1.1mm的矩形基片集成波导组成，在每个矩形基片集成波导的两端各开有一个馈电缝202，馈电缝202位于第五层LTCC流延片的上电极面上，该馈电缝202长度为0.8mm，宽度为0.2mm，馈电缝202偏离矩形基片集成波导中心线距离为0.35mm。馈电缝202侧面有一金属通孔柱201，通孔柱201与馈电缝202的距离为0.64mm。每个矩形基片集成波导用于将一路电磁波分为两路电磁波，并由位于矩形基片集成波导上的两个馈电缝202输出。

每个矩形基片集成波导通过一个转接结构与一分八基片集成波导进行电磁波传输。转接结构位于每个矩形基片集成波导的中心，转接结构由通孔柱302、矩形贴片301和圆形通孔303组成。通孔柱302穿过上层功分结构中一分八基片集成波导2和下层功分结构中矩形基片集成波导4，通孔柱302穿过第六层至第十一层LTCC流延片，圆形通孔303位于上层功分结构2和下层功分结构4的交界面处，矩形贴片301位于上层功分结构2中，且与通孔柱302接触，即位于第五层LTCC流延片与第六层LTCC流延片之间。

天线阵列由四层(第一层到第四层)LTCC流延片层压制成。上层功分结构中第五层LTCC流延片与天线阵列中第四层LTCC流延片共用一个电极面。通过金属孔在四层LTCC流延片上围成十六个基片集成腔体1，该十六个谐振腔体1按照4×4的阵列排列，任意相邻两基片集成腔体1间距为2.6mm，且一个天线单元位于一个馈电缝202的上方，上层功分结构中矩形基片集成波导输入的电磁波通过馈电缝202进入每个基片集成腔体1中，由上层功分结构中矩形基片集成波导输入的电磁波中仅存在基模，在基片集成腔体中产生腔体内产生高次模谐振，在每个基片集成腔体1中心设有寄生结构，寄生结构位于基片集成腔体上表面的中心，寄生结构调整电磁波中高次模的场分布，使得电磁波中高次模的辐射方向变为沿着基片集成腔体法线方向，天线单元可以正常工作，同时辐射口径变大，可以提高天线单元的增益，进而提高基片集成腔体毫米波阵列天线增益。

图2(a)为本发明提供的基片集成腔体毫米波阵列天线的实施例中下层功分结构的结构示意图。下层功分结构包括一个由为多个T型基片集成波导级联而形成的一分八基片集成波导和转接基片集成波导，下层功分结构将电磁波分为八路电磁波输出，在下层功分结构上设有多个金属通孔401，金属通孔柱401穿过第九层至第十三层LTCC流延片，用于调整毫米波天线的阻抗匹配。上层功分结构与下层功分结构之间有八个转接结构，转接结构中通孔柱302与圆形通孔303同轴，且圆形通孔303的直径大于通孔柱302直径。

图2(b)为本发明提供的基片集成腔体毫米波阵列天线的实施例中上层功分网络的结构示意图，每个矩形基片集成波导上设有两个馈电孔202和两个金属通孔柱201，金属通孔柱201穿过第五层至第八层LTCC流延片，馈电孔202位于上层功分网络与天线单元的交界面上。一方面，一路电磁波由一个馈电孔202传输至一个天线单元，另一方面，金属通孔201与馈电孔202调整上层功分结构与天线单元之间的阻抗匹配。

图3是本发明提供的基片集成腔体毫米波阵列天线的实施例中天线单元的结构示意图。天线单元包括基片集成腔1、第一金属片101以及第二金属片102。一个基片集成腔1位于一个馈电缝202的上方，上层功分结构中电磁波通过馈电缝传输至基片集成腔体1中。天线单元采用四层厚度为0.096mm，相对介电常数为6的LTCC流延片层压制成，每层通过金属通孔柱围成一个矩形腔。金属通孔直径为0.1mm，相邻两个金属通孔中心距离为0.25mm。第一层流延片上矩形腔的尺寸为2.1mm×2.1mm，第二层流延片上矩形腔的尺寸为2.04mm×2.04mm，第三层流延片上矩形腔的尺寸为1.98mm×1.98mm，第四层流延片上矩形腔的尺寸为1.92mm×1.92mm。基片集成腔体1呈阶梯状，基片集成腔体内无金属电极，基片集成腔外铺满金属电极，阶梯状的基片集成腔体可以进一步的提高增益。

第一金属片101与第二金属片102位于基片集成腔体1的上表面，第一金属片101与第二金属片102沿馈电缝202长边方向排列，且第一金属片101与第二金属片102关于基片集成腔体1的中心线对称排列，第一金属片101与第二金属片102均呈工字型，且第一金属片尺寸变化的边的方向与馈电缝101长边方向垂直，第二金属片尺寸变化的边的方向与馈电缝101长边方向垂直。每个金属片沿垂直馈电缝长边方向的长度为0.55mm，沿平行馈电缝长边方向长度最大允许为0.7mm，沿平行馈电缝长度方向长度最小允许为0.46mm，两金属片中心间距为0.9mm。

本实施例中，寄生结构为呈工字型的金属片，采用该种结构的金金属片，可以增大金属片上感应电流的电长度，从而使得天线的带宽得到进一步的提高。

本发明提供的基片集成腔体毫米波阵列天线的实施例中天线单元中，寄生结构可以为一个金属片，金属片位于基片集成腔体上表面的中心，且金属片的长边方向与馈电缝的长边方向一致，金属片呈工字型，即金属片的一边长度由两端至中间逐渐减少，且长度变化的边垂直于馈电缝长边方向。即寄生结构可以为一个金属片，也可以为两个金属片。

图4为基片集成腔体毫米波阵列天线中天线单元的回波损耗和增益曲线图。从图中可以看出，天线单元的阻抗带宽为80.6GHz～99.16GHz，相对阻抗带宽为20.71％，在频段内，天线单元的增益都保持在8dBi以上，天线单元最大增益可达9.66dBi。相较于现有的毫米波天线的6.7bBi的增益，提高了20％，最高可以提高44.2％。

图5为基片集成腔体毫米波阵列天线中天线阵列的回波损耗曲线图。该天线阵列在W波段阻抗带宽为81.7GHz-99GHz，相对阻抗带宽为19.15％，最大增益可达到20.3dBi。

本发明提供的基片集成腔体毫米波天线不仅限于用LTCC流延片层压制成，也可通过多层印刷电路版制成。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基片集成腔体毫米波阵列天线，其特征在于，包括

外部转接模块，其输入端用于与金属波导连接，用于将电磁波从金属波导中引入；

功分模块，其输入端与所述外部转接模块的输出端连接，用于将电磁波分为多路电磁波输出；以及

天线阵列，包括由多个呈阵列排列的天线单元，一个天线单元接收由所述功分模块输出的一路电磁波；

所述天线单元包括基片集成腔体和寄生结构，所述寄生结构位于所述基片集成腔体上表面的中心；所述基片集成腔体用于接收电磁波并通过扩大基片集成腔体的辐射口径让电磁波在基片集成腔体内部产生高次模谐振；所述寄生结构用于调整基片集成腔体内部高次模的电磁场分布，使得高次模电磁场的辐射方向变为沿着所述基片集成腔体法线方向；

在所述基片集成腔体下表面设置有用于传输电磁波的馈电缝；

所述寄生结构为两个金属片，记为第一金属片和第二金属片，两个金属片沿馈电缝长边方向排列，且两个金属片关于基片集成腔体的中心线对称；

所述第一金属片与第二金属片为呈中间窄两端宽的工字型，且第一金属片尺寸变化的边的方向与馈电缝长边方向垂直，第二金属片尺寸变化的边的方向与馈电缝长边方向垂直；

所述基片集成腔体的腔体截面尺寸从上到下依次减小。

2.如权利要求1所述基片集成腔体毫米波阵列天线，其特征在于，所述毫米波阵列天线由多层低温共烧陶瓷流延片层压制成或由多层印刷电路板 制成。

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