CN107968267B - 多波束端射天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多波束端射天线，其特征在于，它采用基片集成波导结构，包括多个输入端口、Butler矩阵、多组端射偶极子辐射单元，Butler矩阵包括耦合器、交叉器和移相器，信号经过Butler矩阵分成多个等幅相位差恒定的输出至辐射单元，各组端射偶极子辐射单元由印制板金属化过孔形成使辐射方向与天线平行，分别连接于Butler矩阵输出口，电磁波耦合至末端双偶极子，在空间中叠加合成平行于天线阵面方向辐射的电磁波。本发明结构简单、体积变小、低损耗以及降低生产成本，最后以偶极子形成端射形式，来实现电磁波端射辐射，区别现有多波束天线人体遮挡问题，更适应更多场景的使用。

Description

多波束端射天线
技术领域
本发明涉及通信设备技术领域，特别是一种多波束端射天线。
背景技术
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够，国家和运营商正在开发6GHz以上的新频段，特别是针对北美，日本，韩国等地区和国家发布的5G毫米波新频段，人们普遍认为毫米波(mmWave)是下个频段最好的选择。
为了实现5G移动终端设备的高增益和覆盖范围广，选用相控阵和多波束的方案成为一种好的选择，在此之前很多知名半导体公司已经成功研发出5G在毫米波的芯片相控阵技术在国防领域的雷达、通信、电子战、导航等领域获得广泛应用，也正在卫星通信和5G通信使用，特别是与Massive MIMO天线的应用，相控阵在不减增益的情况下提供低延时的波束切换，实现精确方向扫描，为特定密集场所提供通信保证。然而其昂贵成本、硬件实施的复杂性、散热以及结构大小成为主要的发展问题。
相对而言，多波束也在卫星通信和汽车雷达中使用毫米波，且具有小型化的优点，可以应用在移动终端设备，移动终端产生的波束具有较大覆盖范围，每个波束将于附近基站产生连接，因此，在5G通信系统中，具有多波束的移动终端可以提高信道容量和覆盖效率。
多波束天线是一个多端口的阵列天线，对不同输入馈电都会形成一个指定的方向。最早的多波束多依赖波导和微带线结构，金属波导虽然损耗低，但体积笨重且制造复杂不适合移动终端设备小型化的要求，微带线结构简单体积小则在毫米波色散严重，损耗大。
另一方面，实现多波束网络主要有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较多，输入端口隔离度好，在实际应用中灵活性较高，但其是有耗网络，损耗大且结构复杂。由Rotman透镜形成的网络波束数量多、旁瓣电平低、带宽宽等优点也受到欢迎，但是同样天线尺寸过大，不易于与终端设备集成。
同时现有的移动终端上采用的多波束贴片或缝隙天线，辐射方向垂直与天线表面，但是如果是应用于手机后背上，手会挡住后盖，大大降低天线性能。同理适应于其他同类型的便携式设备时，同样会遇到人体遮挡问题。
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、结构简单、小型化、端射的工作于28GHz的多波束端射天线。
本发明是采用如下技术解决方案来实现上述目的：一种多波束端射天线，其特征在于，它采用基片集成波导结构，包括多个输入端口、Butler矩阵、多组端射偶极子辐射单元，Butler矩阵包括耦合器、交叉器和移相器，信号经过Butler矩阵分成多个等幅相位差恒定的输出至辐射单元，各组端射偶极子辐射单元由印制板金属化过孔形成，分别连接于Butler矩阵输出口，电磁波耦合至末端双偶极子，在空间中叠加合成平行于天线阵面方向辐射的电磁波。
作为上述方案的进一步说明，输入端口的数量为四个，Butler矩阵为四输入，四输出网络。
所述天线单元为三层对称结构，中间层为SIW金属过孔结构传输电磁波耦合至末端双偶极子辐射单元；上下两层为介质，厚度四分之一介质波长；双偶极子设计为提高方向图对称性并提高增益；介质内排列有规则的U形金属孔形成反射腔，提高前后比；偶极子方向延伸一段介质，调节波束宽度。
进一步地，Butler矩阵中耦合器实现端口一输入，端口二直通，端口三输出幅度相等相位差90度的电磁波，端口四为隔离；交叉器实现二维平面内信号的交叉传输；移相器是用来改变相位，使单端口输入情况下，保持所有输出端口幅度相等相邻相位差恒定；整体结构简单且厚度低，且波导长度短，配合SIW技术的低损耗特性，实现整体网络的低损耗。
进一步地，SIW金属过孔结构由上下两片金属面和两侧周期性排列的金属过孔组成，限制电磁波在介质中传输；其损耗低，且厚度低，重量轻，易于加工。
本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：
1、本发明采用双偶极子天线放置设备前端或周边，由于频率是毫米波，臂长短，使天线整体厚度低；采用端射偶极子形式也很好解决手持设备辐射能量遮挡问题，这对手机以及平板等终端设备解决无线技术问题。
2、本发明利用Butler矩阵为一种结构简单，体积小的无损多波束网络,配合SIW金属过孔结构损耗低，而且厚度低、重量轻，容易加工的优点，实现多波束系统小型化及低损耗。
附图说明
图1为本发明的整体结构图；
图2为本发明的90°耦合器结构示意图；
图3为本发明的0dB交叉器结构示意图；
图4为本发明的135°移相器结构示意图；
图5为本发明的0°移相器结构示意图；
图6为本发明的辐射偶极子单元结构示意图。
附图标记说明：1、90°耦合器 1-1、耦合器上层柱子 1-2、耦合宽度 2、0dB交叉器3、135°移相器 3-1、移相器调整柱子 4、0°移相器 4-1、0°移相器倾斜柱子 4-2、V形柱子5、辐射天线单元模块 5-1、双偶极子 5-2、H形反射金属柱子 5-3、基片集成波导传输层 5-4、介质板D。
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6所示，本发明是一种多波束端射天线，它采用基片集成波导结构，包括多个输入端口、Butler矩阵、多组端射偶极子辐射单元，Butler矩阵包括耦合器、交叉器和移相器，信号经过Butler矩阵分成多个等幅相位差恒定的输出至辐射单元，各组端射偶极子辐射单元分别连接于Butler矩阵输出口，电磁波耦合至末端双偶极子，在空间中叠加合成平行于天线阵面方向辐射的电磁波。本实施例中，输入端口的数量为四个，Butler矩阵为四输入，四输出网络。所述天线单元为三层对称结构，中间层为SIW金属过孔结构传输电磁波耦合至末端双偶极子辐射单元；上下两层为介质，厚度四分之一介质波长；端射偶极子由印制板金属化过孔形成，使辐射方向与天线平行；双偶极子设计为提高方向图对称性并提高增益；介质内排列有规则的U形金属孔形成反射腔，提高前后比；偶极子方向延伸一段介质，调节波束宽度。Butler矩阵中耦合器实现端口一输入，端口二直通，端口三输出幅度相等相位差90度的电磁波，端口四为隔离；交叉器实现二维平面内信号的交叉传输；移相器是用来改变相位，使单端口输入情况下，保持所有输出端口幅度相等相邻相位差恒定；整体结构简单且厚度低，且波导长度短，配合SIW技术的低损耗特性，实现整体网络的低损耗。SIW金属过孔结构由上下两片金属面和两侧周期性排列的金属过孔组成，限制电磁波在介质中传输；其损耗低，且厚度低，重量轻，易于加工。
本实施例中，多波束端射天线的结构，从左至右依次是Butler矩阵(135°移相器3、90°耦合器1、0dB交叉器2、0°移相器4)以及辐射单元5。本发明主要分为两部分butler矩阵和天线辐射体，整体的结构都是通过基片集成波导实现的，Butler矩阵的90°耦合器1是一个四端口结构，通过调整一排上层柱子1-1的下降距离和中间耦合宽度1-2来使输出的两个端口幅度在3dB左右，相位差在90°±3°之间，两个90°耦合器竖着排列组成多波束4端口的输入，与耦合器输出四端口相接从上往下是135°移相器3、0dB交叉器2和135°移相器3，调整一排柱子3-1的下降距离使135°移相器3输出相位为135°，幅度不变。而交叉器2由两个90°耦合器组成，主要实现电磁波无耗交叉传输。接下来相接同样是两个竖着排列的90°耦合器，此处耦合器的作用同上。再就是4端口接入两个0°度移相器4和0dB交叉器2，这里的4-1倾斜柱子以及4-2V形柱子是保证相位为0°和使结构要延伸到与交叉器的长度齐平，保证四端口输出后可以和辐射单元无缝连接，交叉器的功能是实现输出端口7、6的交换，使各端口输出相位差恒定。
因为Butler矩阵网络是无耗的，以及基片集成波导较低的损耗体积小结构，使得输入能量损失不大，从而实现多波束系统低损耗以及小型化和加工简单的需求。具体的Butler矩阵形成固定的相位输出过程如下：假设只有1端口激励时，2、3、4端口不激励，1端口的电磁波经过90°耦合器分成上下两个相位差为90°的信号，上边电磁波然后经过一个135°移相器后在经过一个90°耦合器，电磁波就又被分成7端口比5端口多270°的相位。而下边信号则经过一个交叉器后再经过一个90°耦合器形成8端口比6端口多270°的相位，而6端口又比5端口多135°，所以最后各端口的相位差值为135°。同理得，当2、3、4端口分别激励时，产生的相位差分别为-45°、45°、-135°。
与Butler矩阵四端口相接的就是4辐射天线单元模块5，电磁波通过基片集成波导传输层5-3结构传输至双偶极子5-1辐射，双偶极子是为了提高增益和辐射方向，后边是一排H形金属柱子5-2用来减少反射，在介质外延伸一个3mm的介质板D5-4以提高带宽。
4×4多波束天线整体尺寸数据如下：(L*W*H)60.8mm×30.8mm×3.5mm，阻抗带宽为24GHz-28GHz，相对带宽14％，在带宽内回拨损耗低于-15dB，最终形成的四波束方向为±45°和±14°
本技术方案与现有技术相比，在现有技术结构不能同时满足小型化、低损耗以及实现方向端射的情况下，通过改造Butler矩阵的耦合器、交叉器以及移相器和调整SIW金属过孔结构，使结构简单、体积变小、低损耗以及降低生产成本，最后以偶极子形成端射形式，来实现电磁波端射辐射，区别现有多波束天线人体遮挡问题，更适应更多场景的使用。
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 (5)

1.一种多波束端射天线，其特征在于，它采用基片集成波导结构，包括多个输入端口、Butler矩阵、多组端射偶极子辐射单元，Butler矩阵包括耦合器、交叉器和移相器，信号经过Butler矩阵分成多个等幅相位差恒定的输出至辐射单元，各组端射偶极子辐射单元由印制板金属化过孔形成使辐射方向与天线平行，分别连接于Butler矩阵输出口，电磁波耦合至末端双偶极子，在空间中叠加合成平行于天线阵面方向辐射的电磁波；
多组端射偶极子辐射单元为三层对称结构，中间层为SIW金属过孔结构传输电磁波耦合至末端双偶极子辐射单元；上下两层为介质，厚度四分之一介质波长。
2.根据权利要求1所述的多波束端射天线，其特征在于，输入端口的数量为四个，Butler矩阵为四输入，四输出网络。
3.根据权利要求1所述的多波束端射天线，其特征在于，介质内排列有U形金属孔形成反射腔。
4.根据权利要求1所述的多波束端射天线，其特征在于，Butler矩阵中耦合器实现端口一输入，端口二直通，端口三输出幅度相等相位差90度的电磁波，端口四为隔离；交叉器实现二维平面内信号的交叉传输；移相器是用来改变相位，使单端口输入情况下，保持所有输出端口幅度相等相邻相位差恒定。
5.根据权利要求1所述的多波束端射天线，其特征在于，SIW金属过孔结构由上下两片金属面和两侧周期性排列的金属过孔组成，限制电磁波在介质中传输。
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