CN107968241A - 用于毫米波多波束天线矩阵的90度混合耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于毫米波多波束天线矩阵的90度混合耦合器，其特征在于，它包括上层金属盖板及下层耦合网络，下层耦合网络包括金属板及周期性分布的金属针结构，周期性分布的金属针结构使电磁波被限制在波导内传播，以避免缝隙漏波问题，并模拟传统金属波导，损耗低；上层金属盖板与周期性金属针结构之间有空气缝隙；下层耦合网络的金属板设置有输入端口和输出端口、匹配针和连接匹配针的耦合网络端口，匹配针连接输入或输出端口。本发明损耗低，无缝隙漏波，稳定性好，相比于同类型产品，性能更加优越。
Description
技术领域
本发明涉及通信设备技术领域，特别是一种用于毫米波多波束天线Butler矩阵的90度混合耦合器。
背景技术
第五代通信技术(5G)已经进入标准定制阶段，各大运营商也在积极部署5G设备。随着移动数据需求量和智能手机使用量的快速增长，也是为了满足更高数据传输和高容量的天线通信需求，目前受到关注的5G天线技术主要有多波束(Multiple Beam),多单元(Massive MIMO),相控阵(Phase Control Array)等。
在过去，低于6GHz的频段被密集的使用，造成低频段频谱资源不足，而毫米波(Millimeter Wave)被普遍认为是做好的选择之一。毫米波频段能够提供更高的带宽，有效的提高信道容量。
为了实现5G移动终端设备的高增益和广覆盖，相控阵或多波束方案成为最佳的选择之一。相控阵可以在增益稳定的情况下提供低时延的波束切换，实现精确的方向扫描，为特定密集场所提供通信保证。然而其昂贵的成本，硬件实施的复杂性，散热以及结构空间有限成为制约其发展的主要问题。相对而言，多波束天线在卫星通信和汽车雷达中也有毫米波应用，且具有小型化，成本低的优势，可应用于小型终端设备。
实现多波束功能的主要有Butler矩阵，Blass矩阵，Rotman透镜等技术。其中Blass矩阵幅度可自由控制，并且形成的波束数目多，输入端口隔离度好，在实际应该用灵活性高，但其为有耗网络并且结构复杂。由Rotman透镜形成的网络波束数量最多，旁瓣电平低，带宽高，但尺寸过大，因此不适用于小型设备。
Butler矩阵是一种多端口元件，对不同端口输入会形成不同相位的电磁波，进而在输出端形成相位等差变化的多个电磁波，再通过振子空间合成为特定方向的波束。而90度混合耦合器作为Butler矩阵组成部件，为形成不同相位电磁波的必要组件。
传统90度混合耦合器多依赖于微带线或金属波导结构。微带线结构简单，体积小，然而在毫米波频段色散严重，损耗打，因此制约了其在毫米波的应用；金属波导虽然损耗低，但在毫米波段由于波长短，其对金属接触的要求异常严格。以避免缝隙漏波问题，从而导致整体稳定性差。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术之不足而提供的一种低损耗，无需金属接触且稳定性高的用于毫米波多波束天线矩阵的90度混合耦合器。
本发明是采用如下技术解决方案来实现上述目的：一种用于毫米波多波束天线矩阵的90度混合耦合器，其特征在于，它包括上层金属盖板及下层耦合网络，下层耦合网络包括金属板及周期性分布的金属针结构，周期性分布的金属针结构使电磁波被限制在波导内传播，以避免缝隙漏波问题，并模拟传统金属波导，损耗低；上层金属盖板与周期性金属针结构之间有空气缝隙，以达到无需金属接触的目的；
下层耦合网络的金属板设置有输入端口和输出端口、匹配针和连接匹配针的耦合网络端口，匹配针连接输入或输出端口，以连接外部连接器或其他元件。
作为上述方案的进一步说明，所述下层耦合网络的金属板设置有两个输入端口、两个输出端口、四组匹配针，输入端口和输出端口分布在整体结构两侧，成三级阶梯结构，用来与外部连接器或其他组件相连，耦合网络端口的数量为四个，四组匹配针连接输入端口和输出端口及耦合网络端口，以调节阻抗匹配。
进一步地，下层耦合网络的四个耦合网络端口中，端口一为输入口，端口二为直通口，端口三为耦合口，端口四为隔离口；当端口一和端口四作为输入端口，分别激活时；端口二和端口三为输出端口，输出等幅度相位差90度的电磁波。
进一步地，上盖板及下层耦合网络之间的空气间隙，高度在十分之一至四分之一波长之间，精度要求低，可以提高整体元件稳定性。
进一步地，四组匹配针分别位于耦合网络及输入端口或输出端口之间；高度低于周期性针结构，用来改变GAP波导的输入/输出阻抗，以达到阻抗匹配的目的。
进一步地，输入端口和/或输出端口为三级阶梯结构，用来与其他器件或外部结构连接。
本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：
1、本发明采用GAP波导技术，上层金属盖板及下层耦合网络之间留有高度灵敏性低的空气层，以达到无需金属接触的目的，提高稳定性。
2、上盖板为金属板，模拟理想电表面；下盖板上分布周期性针结构，模拟理想磁表面，使电磁波被封闭在GAP波导中传播，无漏波问题；元件整体为金属结构，模拟传统金属波导，以实现低损耗。
附图说明
图1为本发明的整体结构图；
图2为本发明的水平剖面结构示意图。
附图标记说明：1、上盖板；2、下层耦合网络；2-1、输入端口一；2-2、输入端口四；2-3、输出端口二；2-4、输出端口三；2-5、匹配针；2-6、耦合网络；2-7、金属针结构；3、螺栓孔。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本技术方案作详细的描述。
如图1-图2所示，本发明是一种用于毫米波多波束天线矩阵的90度混合耦合器，它包括两层结构，上层盖板1及下层耦合网络2，上层盖板1及下层耦合网络2通过螺栓孔3连接。上盖板为金属构件，模拟理想电表面；下层耦合网络包括金属板及周期性排列的金属针结构2-7。整体结构上，下层耦合网络设置有输入端口一2-1，输入端口四2-2，输出端口二2-3，输出端口三2-4，四组匹配针2-5及耦合网络2-6。耦合网络2-6为四耦合网络端口结构，分别连接4组匹配针结构，进而连接输入/输出端口，以连接外部连接器或其他元件。本实施例中，混合耦合器整体尺寸L×W×H为22mm×10mm×5.33mm,周期性排列的金属针结构W×W×H为0.4mm×0.4mm×1mm。匹配针高端H为0.3mm。
进一步地，上盖板及下层耦合网络之间留有空气间隙，高度在十分之一至四分之一波长之间，以避免金属接触。周期性排列的金属针结构使电磁波被限制在波导内传播，以避免缝隙漏波问题；并模拟传统金属波导，损耗低。
进一步地，混合耦合器整体为双入双出四端口结构。端口一输入，在端口二/三输出幅度相等，端口二相位比端口三超前90度，同时端口四为隔离端口；同理，在端口四输入时，端口三比端口二相位超前90度，幅度相等，端口一为隔离端口。
进一步地，匹配针高度小于周期性针结构，以改变波导阻抗，用于阻抗匹配。
进一步地，输入端口和/或输出端口成三级阶梯结构，在调节匹配阻抗的同时用于与外部连接器或其他元件连接。
本实施例中，元件整体上盖板及下层耦合网络通过螺丝连接，由于中间空气缝隙精度要求范围大，整体稳定性好；上下两层结构可通过一体化机加工或开模方式加工。
本发明与现有技术相比，在现有技术结构不能同时满足低损耗及无缝隙漏波的情况下，通过采取GAP波导技术，应用模拟理想电导体及理想磁导体表面之间加入空气缝隙，使电磁波被限制在波导中传播，以同时实现低损耗，无漏波且稳定性好，性能更加优越。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种用于毫米波多波束天线矩阵的90度混合耦合器，其特征在于，它包括上层金属盖板及下层耦合网络，下层耦合网络包括金属板及周期性分布的金属针结构，周期性分布的金属针结构使电磁波被限制在波导内传播，以避免缝隙漏波问题，并模拟传统金属波导，损耗低；上层金属盖板与周期性金属针结构之间有空气缝隙；
下层耦合网络的金属板设置有输入端口和输出端口、匹配针和连接匹配针的耦合网络端口，匹配针连接输入或输出端口。
2.根据权利要求1所述的用于毫米波多波束天线矩阵的90度混合耦合器，其特征在于，所述下层耦合网络的金属板设置有两个输入端口、两个输出端口、四组匹配针，输入端口和输出端口分布在整体结构两侧，成三级阶梯结构。
3.根据权利要求2所述的用于毫米波多波束天线矩阵的90度混合耦合器，其特征在于，耦合网络端口的数量为四个，四组匹配针连接输入端口和输出端口及耦合网络端口。
4.根据权利要求3所述的用于毫米波多波束天线矩阵的90度混合耦合器，其特征在于，下层耦合网络的四个耦合网络端口中，端口一为输入口，端口二为直通口，端口三为耦合口，端口四为隔离口；当端口一和端口四作为输入端口，分别激活时；端口二和端口三为输出端口，输出等幅度相位差90度的电磁波。
5.根据权利要求1所述的用于毫米波多波束天线矩阵的90度混合耦合器，其特征在于，上盖板及下层耦合网络之间的空气间隙，高度在十分之一至四分之一波长之间。
6.根据权利要求2所述的用于毫米波多波束天线矩阵的90度混合耦合器，其特征在于，四组匹配针分别位于耦合网络及输入端口或输出端口之间；高度低于周期性针结构。
7.根据权利要求1所述的用于毫米波多波束天线矩阵的90度混合耦合器，其特征在于，输入端口和/或输出端口为三级阶梯结构。
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