CN108649325A - 一种宽带高增益毫米波介质谐振天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带高增益毫米波介质谐振天线阵列，属于无线通信领域，每个基本阵列包括从上到下的4*4介质谐振器阵列层，第一馈电网络层和第二馈电网络层；4*4介质谐振器层包括16个辐射单元，每个辐射单元均为从上到下的第一介质谐振器和第二介质谐振器；第一馈电网络层从上到下依次为：第一金属层、第一介质基板和第二金属层；16个辐射单元的底部分别粘接在第一金属层上，经过耦合馈电形成16个第一缝隙天线；第二馈电网络层从上到下依次为：第三金属层、第二介质基板和第四金属层；在第二金属层和第三金属层相同位置上，经过耦合馈电形成4个第二缝隙天线。本发明使天线工作在高次模的模式下，实现天线的高集成和易加工等优点。

Description

一种宽带高增益毫米波介质谐振天线阵列
技术领域
本发明属于无线通信领域，具体是指一种宽带高增益毫米波介质谐振天线阵列。
背景技术
随着无线通信技术的飞速发展，无线通信电子设备的功能越来越丰富，电子设备已经充斥在人们生活的各个角落，人们对电子设备的依赖也越来越强，对通信系统传输速率的要求也越来越高；但是目前通信系统容量难以满足日益增长的数据传输需求。同时随着集成电路的迅速发展，仪器尺寸越做越小，留给其它部件的空间将愈来愈小，因此对作为发射和接收前端的天线提出了小型化、宽频带、圆极化、高增益等诸多要求。
介质谐振器作为一种谐振式天线，辐射单元为纯介质材料，无表面波损耗，介质谐振器的损耗也足够小，无论在低频段还是高频段均能保持较高的辐射效率，因此，对介质谐振器天线的研究具有很高的实际应用价值。
2016年7月14日是美国联邦通信委员会(FCC)日，FCC会上确定将24GHz以上约11GHz的高频段谱资源用于5G部署，其中包括3.85GHz的授权频谱:27.5-28.35GHz、37.0-38.6GHz、38.6-40GHz和7GHz免授权频谱：64-71GHz，毫米波成为广大科研人员的研究对象。
目前，大部分毫米波介质谐振天线设计存在尺寸过大、以及馈电结构复杂等问题，难以用于毫米波天线阵，而已有的毫米波介质谐振天线阵均为国外的研究成果，带宽都在5％左右，难以完全覆盖毫米波高速通信所需频段，如FCC提出的7GHz免授权频谱，相对带宽为10.4％；IEEE802.15.3c标准采用的57-64GHz频段，相对带宽为11.6％。介质谐振天线的窄带宽是由它们的谐振特性决定的。
在毫米波频段天线的加工集成，与传统微波频段天线相比有着显著不同，毫米波具有的短波长特性使得毫米波天线具有很小的物理尺寸，因此微波频段采用的模具、烧结或切割等方法在毫米波介质谐振天线的加工上存在难以实现或误差较大等问题。在天线集成方面，目前毫米波天线阵多采用基于硅基加工、低温共烧陶瓷(LTCC)、液晶聚合物加工(LCP)或者印刷电路板(PCB)等平面结构加工技术来保持天线和馈电网络之间的紧密连接和高度集成。而采用平面结构的加工方式实现三维甚至多层三维结构的介质谐振天线阵具有一定的难度。
目前实现毫米波三维立体天线阵主要有两种方式：一种是切割独立的立体天线后加载在平面结构的缝隙馈电网络上，另一种是在整块介质板上钻孔实现立体天线的近似图形。这两种方式都存在一定的局限性，第一种方式的主要问题是天线加载位置不容易确定，立体天线与馈电结构相对位置的偏移会导致辐射性能的骤降；第二种加工方式会使得天线模型复杂、仿真误差较大、钻孔数量多、加工成本高。正是因为受到了加工技术的限制，现有毫米波天线阵的天线单元设计主要依赖平面结构，一定程度上制约了可使用的天线类型，而具有优异特性的介质谐振天线结构却由于加工集成难以实现约束了天线的带宽和辐射特性。
发明内容
本发明针对现有技术中，毫米波介质谐振天线存在的尺寸过大，馈电网络复杂、难加工以及难集成的问题，提出一种宽带高增益毫米波介质谐振天线阵列，采用双层矩形结构的介质谐振天线以及其等效电路，通过激励介质谐振器天线的高次模实现高增益；降低双层介质谐振器天线的等效电路的Q值实现宽带特性；同时采用平面缝隙耦合馈电在介质谐振天线结构上激励出所需的工作途径，并得到馈电结构与介质谐振天线输入阻抗间的关系，实现天线与馈电的一体化设计。
所述的毫米波介质谐振天线阵列，由xy平面上周期排列的基本阵列组成，每个基本阵列包括从上到下的4*4介质谐振器阵列层，第一馈电网络层和第二馈电网络层；
4*4介质谐振器层划分为四个2*2的谐振器阵列，每个阵列元素为从上到下的第一介质谐振器和第二介质谐振器；第一介质谐振器放置在第二介质谐振器正上方，并通过玻璃胶固定在一起，组成一个辐射单元；第一介质谐振器和第二介质谐振器相同结构，边长相同，厚度不同；
第一馈电网络层从上到下依次为：第一金属层、第一介质基板和第二金属层；第一金属层和第二金属层为在第一介质基板的上下两面分别镀铜层实现；
4*4个辐射单元的底部分别粘接在第一金属层上，且粘接位置处腐蚀或者光刻掉铜层，形成一字形的第一缝隙天线；每个第一缝隙天线的正中心对准两个介质谐振器的中心；
第二馈电网络层从上到下依次为：第三金属层、第二介质基板和第四金属层，第三金属层和第四金属层为在第二介质基板的上下两面分别镀铜层实现；
第二金属层和第三金属层完全相同，之间使用导电胶粘连；在第二金属层和第三金属层上，对应每个2*2的谐振器阵列的中心位置处，通过馈电腐蚀或者光刻掉铜层，在第二金属层和第三金属层相同位置上均形成4个一字形的第二缝隙天线，且一一对应。
在每个基本阵列的第二介质基板上通过金属化的方式集成有第一功分器；第一功分器为对称结构；包括H型功分器和T型功分器，用于输出等幅度、等相位的电磁波；H型功分器为一输入四输出的功分器，包括三个子功分器；T型功分器为一输入两输出的功分器，包括一个子功分器；所有的子功分器均由圆柱形金属化孔洞形成。
同时，在第二介质基板的侧边设置有第一波导端口，与法兰转换连接。
由第一波导端口进入的第一入射波经过转换器转换成第一电磁波进入T型功分器的输入端，通过T型功分器的输出端将第一电磁波输入至同相T型功分器的输入端，通过同相T型功分器的输出端将第一电磁波输入至H型功分器的输入端，H型功分器的输出端将第一电磁波均匀等相位的反馈到每个第二缝隙天线上；第二缝隙天线元件将第一电磁波均匀等相位的耦合至第一馈电网络层；第一馈电网络层通过第一缝隙天线耦合至2*2的谐振器阵列，通过介质谐振器将第一缝隙天线元件耦合上来的电磁波辐射至自由空间。
本发明的优点在于：
1)一种宽带高增益毫米波介质谐振天线阵列，采用工作在高次模下的双层堆叠结构的介质谐振器，实现天线的高增益及展宽带宽。
2)一种宽带高增益毫米波介质谐振天线阵列，基于基片集成波导这一新型的馈电网络方式，实现了天线的高集成和易加工等优点，通过设计简单的馈电网络结构，能够在普通PCB板上进行加工。
3)一种宽带高增益毫米波介质谐振天线阵列，介质谐振天线采用双层堆叠结构的辐射模块，通过调整两层辐射模块的介电常数以及辐射模式快的尺寸，提高介质谐振天线的辐射效率、展宽带宽及提高天线的增益。
4)一种宽带高增益毫米波介质谐振天线阵列，通过优化介质谐振器的尺寸及结构，能够使天线工作在高次模的模式下，使得天线获得更高的增益和辐射效率。
附图说明
图1为本发明一种宽带高增益毫米波介质谐振天线阵列的正视图；
图2为本发明一种宽带高增益毫米波介质谐振天线阵列的第一馈电网络层的俯视图；
图3为本发明一种宽带高增益毫米波介质谐振天线阵列的第二馈电网络层的俯视图；
图4为本发明一种宽带高增益毫米波介质谐振天线阵列的第一介质谐振器的结构图；
图5为本发明一种宽带高增益毫米波介质谐振天线阵列的第二介质谐振器的结构图；
图中：
1-介质谐振器阵列层；2-第一馈电网络层；3-第二馈电网络层；4-第一功分器；5-第一波导口；11-第一介质谐振器；12-第二介质谐振器；21-第一金属层；22-第一介质基板；23-第二金属层；31-第三金属层；32-第二介质基板；33-第四金属层；
111-2*2的谐振器阵列；112-第一缝隙天线，113-第二缝隙天线；
41-T型功分器；42-H型功分器；
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明一种宽带高增益毫米波介质谐振天线阵列，如图1所示，由xy平面上周期排列的基本阵列组成，每个基本阵列包括从上到下的4*4介质谐振器阵列层1，第一馈电网络层2和第二馈电网络层3；
在具体实施方式中，基本阵列中的所有介质层材料均为聚四氟乙烯板材；由于罗杰斯衬底层的材料为聚四氟乙烯板材，且能够减少电磁波的损耗；因此，将基本阵列中的所有介质层均设置为罗杰斯衬底层。从而，减少了第一电磁波从第二馈电网络层3进入第一馈电网络层2的电磁波损耗。
如图2所示，4*4介质谐振器层1划分为四个2*2的谐振器方形阵列111，每个阵列元素为层叠设置的第一介质谐振器11和第二介质谐振器12；第一介质谐振器11放置在第二介质谐振器12正上方，并通过玻璃胶固定在一起，组成一个辐射单元；两个相邻辐射单元之间的距离为3.1mm；第一介质谐振器为介电常数10.2的罗杰斯6010板材，其尺寸为1.8mm×1.8mm×0.254mm；第二介质谐振器为介电常数2.2的罗杰斯5880板材，其尺寸为1.8mm×1.8mm×0.635mm；
如图1所示，第一馈电网络层2从上到下依次为层叠设置的：第一金属层21、第一介质基板22和第二金属层23；第二金属层23与第一金属层21相对，分别在第一介质基板22的上下两面分别镀3um的铜层实现；三者的尺寸相同，第一介质基板22为罗杰斯5880板材，厚度为0.787mm；
4*4介质谐振器层1通过玻璃胶粘接在第一金属层21上，每个辐射单元的底部中心粘接位置处腐蚀或者光刻掉铜层，形成一字形的第一缝隙天线112，在第一金属层21上共16个；每个第一缝隙天线112的正中心对准两个介质谐振器的中心；
第二馈电网络层3从上到下依次为：第三金属层31、第二介质基板32和第四金属层33，第三金属层31和第四金属层33为在第二介质基板32的上下两面分别镀3um的铜层实现；三者的尺寸相同，第二介质基板32为罗杰斯5880板材，厚度为0.787mm；
第二金属层23和第三金属层31完全相同，之间使用导电胶粘连；在第二金属层23和第三金属层31上，对应每个2*2的谐振器方形111阵列的中心位置处，通过馈电腐蚀或者光刻掉铜层，在第二金属层23和第三金属层31相同位置上均形成4个一字形的第二缝隙天线113，且一一对应并重合。
在每个基本阵列的第二介质基板22上通过金属化的方式集成有第一功分器4；第一功分器为对称结构；包括H型功分器42和T型功分器41，用于输出等幅度、等相位的电磁波；H型功分器42为一输入四输出的功分器，包括三个子功分器；T型功分器41为一输入两输出的功分器，包括一个子功分器；所有的子功分器均由圆柱形金属化孔洞形成。
同时，在第二介质基板32的侧边设置有第一波导端口5，与法兰转换连接；
由第一波导端口5进入的第一入射波经过转换器转换成第一电磁波进入T型功分器41的输入端，通过T型功分器41的输出端将第一电磁波输入至同相T型功分器的输入端，通过同相T型功分器的输出端将第一电磁波输入至H型功分器42的输入端，H型功分器42的输出端将第一电磁波均匀等相位的反馈到每个第二缝隙天线113上。
第二缝隙天线元件113将第一电磁波均匀等相位的耦合至第一馈电网络层2；第一馈电网络层2通过第一缝隙天线112耦合至2*2的谐振器方形阵列111，通过介质谐振器将第一缝隙天线元件112耦合上来的电磁波辐射至自由空间；
所述第一电磁波满足TE10模的单模传输条件。
通过改变第一介质谐振器11和第二介质谐振器12的介电常数和高度，能够改变天线的工作频段和增益，使得天线具有较宽的带宽和较高的增益。
需要说明的是，本发明实施例对介质谐振器的形状不做限定，例如，在实际应用中，介质谐振器的形状可为矩形、圆形等形状。
需要说明的是，本发明实施例对金属的材质不做限定，例如，在实际应用中，金属层可以为：在介质基板表面镀铜和/或镀金形成的表层。
需要说明的是，本发明实施例对介质谐振器天线组阵的规模不做限定，由所述的2*2单元子阵组成4*4或8*8或者其他任意尺寸的方形阵列的介质谐振器天线阵，以及由所述的2*2单元子阵组成2*4或2*8或者其他任意尺寸的线形阵列的介质谐振器天线阵。
需要说明的是，本发明实施例以罗杰斯衬底作为介质层为例进行说明，仅为本发明的一个具体实例，并不构成对本发明的限定。在实际应用中，介质层材料可以根据用户需要进行设定。

Claims (9)

1.一种宽带高增益毫米波介质谐振天线阵列，由xy平面上周期排列的基本阵列组成，其特征在于，每个基本阵列包括从上到下的4*4介质谐振器阵列层，第一馈电网络层和第二馈电网络层；
4*4介质谐振器层划分为四个2*2的谐振器阵列，每个阵列元素为从上到下的第一介质谐振器和第二介质谐振器；第一介质谐振器放置在第二介质谐振器正上方，并通过玻璃胶固定在一起，组成一个辐射单元；第一介质谐振器和第二介质谐振器相同结构，边长相同，厚度不同；
第一馈电网络层从上到下依次为：第一金属层、第一介质基板和第二金属层；第一金属层和第二金属层为在第一介质基板的上下两面分别镀铜层实现；
4*4个辐射单元的底部分别粘接在第一金属层上，且粘接位置处腐蚀或者光刻掉铜层，形成一字形的第一缝隙天线；每个第一缝隙天线的正中心对准两个介质谐振器的中心；
第二馈电网络层从上到下依次为：第三金属层、第二介质基板和第四金属层，第三金属层和第四金属层为在第二介质基板的上下两面分别镀铜层实现；
第二金属层和第三金属层完全相同，之间使用导电胶粘连；在第二金属层和第三金属层上，对应每个2*2的谐振器阵列的中心位置处，通过馈电腐蚀或者光刻掉铜层，在第二金属层和第三金属层相同位置上均形成4个一字形的第二缝隙天线，且一一对应；
在每个基本阵列的第二介质基板上通过金属化的方式集成有第一功分器；
同时，在第二介质基板的侧边设置有第一波导端口，与法兰转换连接。
2.如权利要求1所述的一种宽带高增益毫米波介质谐振天线阵列，其特征在于，所述的第一功分器为对称结构；包括H型功分器和T型功分器，用于输出等幅度、等相位的电磁波；H型功分器为一输入四输出的功分器，包括三个子功分器；T型功分器为一输入两输出的功分器，包括一个子功分器；所有的子功分器均由圆柱形金属化孔洞形成。
3.如权利要求1所述的一种宽带高增益毫米波介质谐振天线阵列，其特征在于，所述的介质谐振天线阵列，其工作原理如下：
由第一波导端口进入的第一入射波经过转换器转换成第一电磁波进入T型功分器的输入端，通过T型功分器的输出端将第一电磁波输入至同相T型功分器的输入端，通过同相T型功分器的输出端将第一电磁波输入至H型功分器的输入端，H型功分器的输出端将第一电磁波均匀等相位的反馈到每个第二缝隙天线上；第二缝隙天线元件将第一电磁波均匀等相位的耦合至第一馈电网络层；第一馈电网络层通过第一缝隙天线耦合至2*2的谐振器阵列，通过介质谐振器将第一缝隙天线元件耦合上来的电磁波辐射至自由空间。
4.如权利要求1所述的一种宽带高增益毫米波介质谐振天线阵列，其特征在于，改变所述的第一介质谐振器和第二介质谐振器的介电常数和高度，能够改变天线的工作频段和增益，使得天线具有较宽的带宽和较高的增益。
5.如权利要求1所述的一种宽带高增益毫米波介质谐振天线阵列，其特征在于，所述的介质谐振器的形状不做限定，为矩形或圆形。
6.如权利要求1所述的一种宽带高增益毫米波介质谐振天线阵列，其特征在于，所述的第一金属层、第二金属层、第三金属层和第四金属层的材质不做限定，为在介质基板表面镀铜和/或镀金形成的表层。
7.如权利要求1所述的一种宽带高增益毫米波介质谐振天线阵列，其特征在于，所述的介质谐振器和介质基板均选用罗杰斯衬底作为介质层，介质层材料根据用户需要自行设定。
8.如权利要求1所述的一种宽带高增益毫米波介质谐振天线阵列，其特征在于，所述的第一电磁波满足TE10模的单模传输条件。
9.如权利要求1所述的一种宽带高增益毫米波介质谐振天线阵列，其特征在于，所述的2*2谐振器阵列组成4*4或8*8或者其他尺寸的方形阵列的介质谐振器层。
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