CN108649346A

CN108649346A - 一种毫米波天线阵列

Info

Publication number: CN108649346A
Application number: CN201810290915.9A
Authority: CN
Inventors: 陈晓东; 俞俊生; 姚远
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2018-10-12

Abstract

本发明实施例提供了一种毫米波天线阵列，应用于移动通信技术领域，所述毫米波天线阵列包括：从上至下依次层叠的电磁波辐射层、基片集成波导功分器和金属波导功分器，电磁波辐射层采用基于基片集成波导的腔体贴片天线。本发明提高了毫米波天线阵列的辐射效率、增加了工作频带宽度，并且成本较低。

Description

一种毫米波天线阵列

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，特别是涉及一种毫米波天线阵列。

背景技术

随着个人移动通信的高速发展，无线电频谱的低端频率已趋饱和，而毫米波具有丰富的频谱资源和高载波频率，因此毫米波可以为下一代高速无线通信提供空前的机遇，但同时也带来了挑战。例如，更宽的频带意味着更小的功率与赫兹比，从而导致信噪比减小；高载波频率增加自由空间损耗等。由于受到法规与技术的限制，这些挑战并不能直接通过提高发射器的功率来解决，因此高增益和高辐射效率天线阵列是一个很好的选择。

高增益和高辐射效率天线阵列中，低剖面平面阵列具有体积小、重量轻的优势。通常，高增益特性可以通过增加天线阵列单元数量来实现，但大型毫米波天线阵列的辐射效率受到了传输线损耗的限制。在毫米波频段，主流的传输线包括：波导、基片集成波导和gapwave波导，其中，波导通常指矩形波导、圆形波导等。波导与gapwave波导由于空气损耗比较低，因此具有较低的传输损耗。基于波导的60GHz的16×16阵列，其辐射效率为90％左右。基于gapwave波导的60GHz的16×16阵列，其辐射效率在80％左右。基于波导和gapwave波导的纯金属天线阵列受到加工限制，无法对单元进行灵活设计，并且基于波导的纯金属天线阵列的频带较窄，因此，限制了宽带天线作为辐射单元的应用，且多层金属结构对加工的精度很高，成本昂贵。而基片集成波导虽然成本较低、频带宽，但介质损耗不可忽略，尤其是在大型毫米波天线阵列设计中，以60GHz的8×8阵列为例，基于基片集成波导的毫米波天线阵列通常辐射效率在70％左右，对于60GHz的16×16阵列，其辐射效率将更低。可见，现有的天线阵列不同时具有高辐射效率、宽频带以及低成本的特性。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种毫米波天线阵列，以提高毫米波天线阵列的辐射效率、增加毫米波天线阵列的工作频带宽度，并降低毫米波天线阵列的成本。具体技术方案如下：

本发明实施例提供了一种毫米波天线阵列，包括：从上至下依次层叠的电磁波辐射层、基片集成波导功分器和金属波导功分器，所述电磁波辐射层采用基于基片集成波导的腔体贴片天线。

可选的，所述毫米波天线阵列在馈电后将能量传播至所述金属波导功分器中，通过缝隙耦合的形式将所述金属波导功分器中的能量耦合至所述基片集成波导功分器中，通过缝隙耦合的形式将所述基片集成波导功分器中的能量耦合至所述电磁波辐射层中，通过所述电磁波辐射层中的缝隙将所述电磁波辐射层中的能量传播至自由空间。

可选的，所述金属波导功分器按照等功率的方式将所述金属波导功分器中的能量分为多路传播至所述金属波导功分器的末端。

可选的，所述基片集成波导功分器的材料为罗杰斯5880。

可选的，所述电磁波辐射层中的辐射单元的材料包括罗杰斯5880。

本发明实施例提供的毫米波天线阵列，包括：从上至下依次层叠的电磁波辐射层、基片集成波导功分器和金属波导功分器，电磁波辐射层采用基于基片集成波导的腔体贴片天线。金属波导功分器可以降低损耗，提高辐射效率，电磁波辐射层采用基于基片集成波导的腔体贴片天线，可以增加毫米波天线阵列的工作频带宽度，降低成本。当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的天线阵列的结构图；

图2为本发明实施例的电磁波辐射层的一种辐射单元的俯视图；

图3为本发明实施例的电磁波辐射层的一种辐射单元的仰视图；

图4为本发明实施例的天线阵列的工作频率与反射系数的关系曲线图；

图5a为本发明实施例的天线阵列工作频率为56GHz时XOZ平面的辐射方向图；

图5b为本发明实施例的天线阵列工作频率为56GHz时YOZ平面的辐射方向图；

图5c为本发明实施例的天线阵列工作频率为60GHz时XOZ平面的辐射方向图；

图5d为本发明实施例的天线阵列工作频率为60GHz时YOZ平面的辐射方向图；

图5e为本发明实施例的天线阵列工作频率为63GHz时XOZ平面的辐射方向图；

图5f为本发明实施例的天线阵列工作频率为63GHz时YOZ平面的辐射方向图；

图6为本发明实施例的天线阵列的增益曲线图；

图7为本发明实施例的天线阵列的辐射效率曲线图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了解决毫米波天线阵列辐射效率低、频带窄及成本高的问题，本发明实施例提供了一种毫米波天线阵列，以提高毫米波天线阵列的辐射效率、增加毫米波天线阵列的工作频带宽度，并降低毫米波天线阵列的成本。

参见图1，图1为本发明实施例的天线阵列的结构图，包括：从上至下依次层叠的电磁波辐射层101、基片集成波导功分器102和金属波导功分器103，电磁波辐射层101采用基于基片集成波导的腔体贴片天线。

本发明实施例中，金属波导功分器可以降低损耗，提高辐射效率，电磁波辐射层采用基于基片集成波导的腔体贴片天线，可以增加毫米波天线阵列的工作频带宽度，降低成本。因此，本发明实施例的毫米波天线阵列提高了辐射效率，增加了工作频带宽度，并且降低了成本。

本发明实施例中的毫米波天线阵列还可以包括多个定位孔104，多个定位孔104用于对电磁波辐射层101、基片集成波导功分器102和金属波导功分器103三层之间进行定位，电磁波辐射层101、基片集成波导功分器102和金属波导功分器103中存在缝隙，相邻两层之间可以通过缝隙耦合能量，具体的，毫米波天线阵列在馈电后将能量传播至金属波导功分器103中，通过缝隙耦合的形式将金属波导功分器103中的能量耦合至基片集成波导功分器102中，通过缝隙耦合的形式将基片集成波导功分器102中的能量耦合至电磁波辐射层101中，最后通过电磁波辐射层101中的缝隙将电磁波辐射层101中的能量传播至自由空间。

本发明实施例中，金属波导功分器103按照等功率的方式将金属波导功分器103中的能量分为多路传播至金属波导功分器103的末端，这样，可以使金属波导功分器103中的能量在金属波导功分器103内部均匀分布，之后，再将均匀分布的能量通过缝隙耦合至基片集成波导功分器102中。

其中，基片集成波导功分器102的材料可以为罗杰斯5880，由于罗杰斯5880对能量的损耗较小，因此，可以使基片集成波导功分器102中的能量损耗较小，从而提高毫米波天线阵列的辐射效率。并且，基片集成波导功分器102成本较低，降低了毫米波天线阵列的成本。

本发明实施例中，电磁波辐射层101采用基于基片集成波导的腔体贴片天线，毫米波天线阵列中的电磁波辐射层101由多个辐射单元构成，分别参见图2和图3，图2为本发明实施例的电磁波辐射层的一种辐射单元的俯视图，图3为本发明实施例的电磁波辐射层的一种辐射单元的仰视图，辐射单元中的缝隙用于将能量以电磁波的形式传播至自由空间。电磁波辐射层101的辐射单元中还包括连接图2所示结构与图3所示结构的中间连接层，该中间连接层可以为矩形，该中间连接层的材料也可以为罗杰斯5880。这样，电磁波辐射层中的辐射单元的材料包括罗杰斯5880，可以减小能量在电磁波辐射层101中的损耗，提高辐射效率。

举例而言，对于16×16的天线阵列，金属波导功分器103可以为4×4波导功分器，基片集成波导功分器102可以为一分四基片集成波导功分器。该天线阵列可以通过金属波导WR-15进行馈电，之后，通过4×4波导功分器将能量传播至该4×4波导功分器的末端，使4×4波导功分器中的能量在4×4波导功分器中均匀分布。通过缝隙耦合的形式将4×4波导功分器中的能量耦合至一分四基片集成波导功分器中，通过缝隙耦合的形式将一分四基片集成波导功分器中的能量耦合至电磁波辐射层中，最后通过电磁波辐射层中的缝隙将电磁波辐射层中的能量传播至自由空间。

参见图4，图4为本发明实施例的天线阵列的工作频率与反射系数的关系曲线图，上述16×16的天线阵列的反射系数小于-10dB时，对应的频段为55.5-63.5GHz，也就是说，天线阵列的工作频段可以为55.5-63.5GHz，可见，本发明实施例的毫米波天线阵列具有较宽的工作频带。

参见图5，图5为天线阵列分别在56GHz、60GHz和63GHz的辐射方向图，在XOZ平面和YOZ平面，天线阵列的半功率波瓣宽度分别为5.6°±0.4°和6.7°±0.3°，且副瓣电平均小于-10dB。参见图6，图6为本发明实施例的天线阵列的增益曲线图，在工作频段内，天线阵列的增益为28.5±0.6dBi。从图5和图6可以看出，本发明实施例的天线阵列具有较高的增益，因此，可以提高辐射效率。

参见图7，图7为本发明实施例的天线阵列的辐射效率曲线图，在工作频段内，天线阵列的辐射效率均大于89％，最高达到了94.15％。可见，本发明实施例提高了天线阵列的辐射效率。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种毫米波天线阵列，其特征在于，所述毫米波天线阵列包括：从上至下依次层叠的电磁波辐射层、基片集成波导功分器和金属波导功分器，所述电磁波辐射层采用基于基片集成波导的腔体贴片天线。

2.根据权利要求1所述的毫米波天线阵列，其特征在于，所述毫米波天线阵列在馈电后将能量传播至所述金属波导功分器中，通过缝隙耦合的形式将所述金属波导功分器中的能量耦合至所述基片集成波导功分器中，通过缝隙耦合的形式将所述基片集成波导功分器中的能量耦合至所述电磁波辐射层中，通过所述电磁波辐射层中的缝隙将所述电磁波辐射层中的能量传播至自由空间。

3.根据权利要求1所述的毫米波天线阵列，其特征在于，所述金属波导功分器按照等功率的方式将所述金属波导功分器中的能量分为多路传播至所述金属波导功分器的末端。

4.根据权利要求1所述的毫米波天线阵列，其特征在于，所述基片集成波导功分器的材料为罗杰斯5880。

5.根据权利要求1所述的毫米波天线阵列，其特征在于，所述电磁波辐射层中的辐射单元的材料包括罗杰斯5880。