CN108511924B - 一种用于毫米波通信系统的宽带端射天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于毫米波通信系统的宽带端射天线阵列。利用基片集成同轴线（SICL）设计功分网络，选择具有宽频带工作范围的电磁偶极子天线作为辐射单元，并用平面L型探针激励天线，实现了一种宽带且高增益的天线阵列。本发明中的SICL宽带功分网络，相比基片集成波导传输结构设计的功分网络在毫米波频段有更宽的工作带宽，相比微带线、共面波导传输结构设计的功分网络在毫米波频段有更低的损耗。本发明中的端射天线阵列具有宽阻抗带宽和辐射方向图带宽的优势。

Description

一种用于毫米波通信系统的宽带端射天线阵列

技术领域

本发明利用基片集成同轴线(Substrate Integrated Coaxial Line,SICL)传输结构设计宽带功分网络，利用平面L型探针激励电磁偶极子天线，发明了一种用于毫米波通信的宽带端射天线阵列，属于天线技术领域。

背景技术

天线是无线移动通信系统和雷达系统的重要组成部分。无线通信和雷达的快速发展，对体积小、成本低、高增益以及易集成的天线产生迫切需求。由于宽带系统的需求，宽带毫米波天线近年来被广泛的研究。具有端射辐射特性的天线，由于其辐射方向平行于馈电网络，所以相比前射天线，端射天线更容易与射频电路进行集成，也更容易设计多波束和高增益的天线阵列。

但由于馈电网络带宽和天线单元带宽的限制，毫米波频段的天线阵列的带宽一般不超过40％。在毫米波频段，合适的宽带低损耗馈电网络和易于多层印刷电路板(PrintedCircuit Board，PCB)加工集成的宽带天线单元，是实现宽带端射天线阵列的两个关键因素。

发明内容

发明目的：本发明采用SICL技术，提供了一种可以满足无线通信系统需要的、可应用于微波毫米波频段的、易于设计和加工、低剖面易于平面集成的宽带低损耗的功分网络；利用平面L型探针和功分网络的输出端口直接连接，激励宽带电磁偶极子天线，天线阵列和功分网络位于相互垂直的两个平面；利用适用毫米波频段的宽带低损耗的馈电网络和宽带的天线阵元，实现宽带的毫米波宽带端射天线阵列。

技术方案：一种用于毫米波通信系统的宽带端射天线阵列，利用由SICL设计的宽带低损耗的功分网络、由平面L型探针激励的电磁偶极子天线。

天线阵列的馈电网络，即功分网络，利用SICL传输结构设计而成，SICL的主模TEM模为功分网络的传输模式，设计中避免高次模的出现。功分网络由多个T型结和多个二项式阻抗变换器构成。T型结采用圆弧转角以降低损耗；阻抗变换器插入在不同级的T型结之间，避免多次功分后带来高阻抗值的传输线。

天线阵列和功分网络位于相互垂直的两个平面，平面L型探针和功分网络的输出端口相连，与功分网络共面。探针激励电磁偶极子天线，实现能量平行于馈电网络的传递和辐射。电磁偶极子天线的尺寸影响天线的工作频率，平面L型探针的尺寸在一定程度上影响天线的工作带宽。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供的用于毫米波通信系统的宽带端射天线阵列，具有如下优点：

(1)该天线阵列采用SICL功分网络进行馈电，该SICL功分网络与微带线或基片集成波导(Substrate Intergrated Waveguide,SIW)功分网络相比，具有更加宽的工作频率。同时SICL功分网络具有低损耗的优异性能，且该结构为平面结构、易于集成、加工简单。本发明的一分十六的功分网络实现指标：

1)|S₁₁|＜-15dB的相对带宽：109.6％；

2)插入损耗<13.4dB；

3)输出的十六个端口之间功率差绝对值<0.5dB

(2)该天线阵列采用的平面L型探针，避免了传统毫米波频段下L型探针的垂直互联结构，使L型探针的可控参数更多，天线带宽得到进一步的展宽。

(3)该天线阵列采用电磁偶极子作为一个天线单元，实现了宽的阻抗带宽和辐射方向图带宽，整个天线的工作带宽约为54.5％，优于绝大多数毫米波宽带端射天线阵列。

附图说明

图1为SICL传输结构示意图；

图2为图1的剖视图；

图3为本发明一分四SICL宽带功分网络示意图；

图4为图3的多层PCB的剖面示意图；

图5为本发明一分十六SICL宽带功分网络示意图；

图6为本发明天线单元模型主视图；

图7为图6沿虚线的剖面图；

图8为本发明十六阵元天线模型主视图；

图9为本发明十六阵元天线模型侧视图；

图10为本发明一分十六SICL功分网络的反射系数和传输系数的仿真结果；

图11为本发明的驻波和增益随频率变化的仿真和实测示意图；

图12为本发明在30GHz处XOZ平面的仿真和实测方向图；

图13为本发明在30GHz处YOZ平面的仿真和实测方向图；

图14为本发明在35GHz处XOZ平面的仿真和实测方向图；

图15为本发明在35GHz处YOZ平面的仿真和实测方向图；

图16为本发明在40GHz处XOZ平面的仿真和实测方向图；

图17为本发明在40GHz处YOZ平面的仿真和实测方向图；

图18为本发明实施例的结构示意图；

图19本发明实物的主视图，从XOY平面拍摄；

图20为本发明实物的侧视图，从XOZ平面拍摄。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

用于毫米波通信系统的宽带端射天线阵列，该宽带端射天线阵列由SICL宽带馈电网络及十六个天线单元构成。该天线采用多层PCB工艺加工。

图1-2为SICL传输线的示意图，SICL传输线构成SICL宽带馈电网络，SICL传输线包括上下表面的金属地板3，中间介质层6，粘合两层中间介质层的黏贴层5，位于2层中间介质层之间的金属层4，SICL的金属内导体2，以及两侧接地的金属化过孔1，金属化过孔1的通孔直径为d，两个金属化过孔1的间距为p，金属化过孔1与外侧的金属地连接。6为中间介质层，本发明使用的介质是Rogers RT5880，介电常数为2.2。若位于介质中间的金属层4仅保留SICL的金属内导体2，去掉金属化通孔1，并保证基片有足够的宽度，SICL结构相当于介质填充的带状线。加入金属化通孔1后，SICL可近似等效为矩形同轴线，工作模式为TEM模，第一高次模为TE₁₀模。TE₁₀模的截止频率可由以下公式计算：

其中c为真空中的光速，w_out为两排金属化通孔之间的距离，ε_r为介质的介电常数。需要合理的选择w_out，d和p，保证在SICL的工作频段中不出现第一高次模。

图3为SICL传输线构成的一分四的宽带功分网络，该示意图给出了SICL信号层的示意图，图4为多层PCB的剖面示意图。一分四的宽带功分网络包括T型结和4阶二项式阻抗变换器7；在本功分网络的设计中，每一次功率分配前的SICL的阻抗为40Ω，功分后的阻抗为80Ω，功分通过T型结实现。二项式阻抗变换器7在图3中用虚线框圈出并将细节放大，其目的是为了避免多次功分后高阻抗值的传输线的出现。工作频率决定了每一阶变换器的长度，阻抗值决定了金属内导体2的宽度。阶数的选取取决于工作带宽和工作带宽内的反射系数的要求，图3中功分网络设计的具体尺寸参见表1。一分十六功分网络的设计原理与一分四功分网络的设计原理类似，位于2层中间介质层6之间的金属层4的设计见图5，虚线框内一分四功分网络即为图3中的一分四的功分网络。在每个功分网络的输出端口连接着平面L型探针8，每个探针8激励的天线单元如图6-7所示。

如图6-7所示，平面L型探针8激励与之垂直平面上的电磁偶极子天线，电磁偶极子天线的每个天线单元，由L型探针8耦合馈电，而每个L型探针8与SICL功分网络的输出端口相连接，L型探针8与功分网络位于同一平面。电磁偶极子天线的每个天线单元包括金属贴片9和接地的金属化过孔10。偶极子的臂长和臂宽分别为l₁和l₂，它们的取值决定了天线的工作频段，如图10中所示的s和h₄影响天线的工作带宽，同时图11中的平面L型探针的尺寸，即p₁和p₂的尺寸也在一定程度上影响着天线的谐振和阻抗带宽。

图8和图9分别为天线单元组成的天线阵列的天线部分的主视图和侧视图，SICL功分网络对天线阵列的每个单元并联馈电。注意相邻阵元间的间距不宜超过工作频段内最高频点对应的一个空气波长，防止在整个工作频段内栅瓣的产生。图10给出了一分十六功分网络的反射系数和传输系数的仿真结果，图11-

图17给出了工作在Ka波段的天线线阵的阻抗、增益、辐射方向图的性能。在实际测试中，将馈电端口的SICL转成有底的共面波导(Ground Coplanar Waveguide,GCPW)，并使用同轴接头连接至相关测试系统进行测试。

整个天线阵列的设计步骤如下：

(1)根据天线的工作频段，选择w_out，d和p，保证在SICL的工作频段中不出现第一高次模，同时，注意w_in不宜过大过过小。

(2)确定天线阵的天线个数(一般为2ⁿ，n＝1,2,3…)，从而确定功分网络的阶数。阻抗变换的阶数由工作带宽和工作带宽内的反射系数要求确定，理论上阶数越多带宽越宽且工作频段内的反射系数会越小，但是高阶阻抗变换器会增加功分网络的损耗，增大功分网络的面积。本发明以十六阵元为例，其他阵元数目类推。

(3)天线单元的设计。天线部分介质的厚度一般选择在0.25λ₀左右，λ₀为天线工作中心频率下的介质波长；偶极子的臂长l₁和臂宽l₂，一般取初值为0.33λ₀。优化金属化过孔的直径r、位置u、v，平面L型探针的尺寸p₁、p₂以及偶极子的间距S进一步改善和展宽天线的工作带宽。

对优化好的天线单元进行组阵，并与功分网络相连接，得到最后完整的端射天线阵列。

表1

参数	数值(mm)	参数	数值(mm)	参数	数值(mm)
						p	0.60	d	0.30	w<sub>out</sub>	1.80
h<sub>1</sub>	0.254	h<sub>2</sub>	0.10	h<sub>3</sub>	0.254
						h<sub>4</sub>	0.608	h<sub>5</sub>	1.14	a<sub>1</sub>	0.58
a<sub>2</sub>	0.44	a<sub>3</sub>	0.27	a<sub>4</sub>	0.19
						a<sub>5</sub>	0.17	b<sub>1</sub>	1.44	b<sub>1</sub>	1.44
b<sub>2</sub>	1.44	b<sub>3</sub>	1.44	b<sub>4</sub>	1.44
						l<sub>1</sub>	1.96	l<sub>2</sub>	1.83	s	0.69
u	0.79	v	0.77	r	0.67
						p<sub>1</sub>	1.37	p<sub>2</sub>	2.30	w<sub>in</sub>	0.60
d<sub>ant</sub>	6.00

图18给出了包含馈电网络的整个天线阵列的结构示意图，11为16单元的天线阵列，12为SICL宽带功分网络，13为馈电端口。在本发明中，在馈电端口13处将SICL转变为有地的共面波导，并通过西南微波接头进行馈电。在图18仿真模型的基础上加工了本发明实物，图19和图20分别是天线的实物图的主视图和侧视图。

Claims (3)

1.一种用于毫米波通信系统的宽带端射天线阵列，其特征在于：包括由SICL传输线构成的宽带低损耗的一分十六SICL功分网络和由平面L型探针激励的电磁偶极子天线；平面L型探针和功分网络的输出端口连接；多个电磁偶极子天线排列组成天线阵列，每个电磁偶极子天线单元由L型探针耦合馈电，而每个L型探针与SICL功分网络的输出端口相连接；天线阵列和功分网络位于相互垂直的两个平面，L型探针与功分网络位于同一平面；SICL功分网络包括多个T型结和基于二项式理论的宽带阻抗变换器；T型结采用圆弧转角，阻抗变换器插入在不同级的T型结之间。

2.如权利要求1所述的用于毫米波通信系统的宽带端射天线阵列，其特征在于：平面L型探针和功分网络的输出端口相连，与功分网络共面，通过调整L型探针的尺寸展宽天线的带宽。

3.如权利要求1所述的用于毫米波通信系统的宽带端射天线阵列，其特征在于：多个电磁偶极子天线排列组成天线阵列，相邻两个电磁偶极子天线间的间距不超过工作频段内最高频点对应的一个空气波长。

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