CN109524772B - 一种5g圆极化多波束天线 - Google Patents

一种5g圆极化多波束天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种5G圆极化多波束天线,包括巴特勒馈电网络(1)、SIW连接部(2)和四个波导口径天线(3);所述波导口径天线(3)包括矩形馈电波导(4)和矩形辐射波导(5),所述矩形馈电波导(4)的第一端作为波导口径天线的输入端,并与SIW连接部(2)连接;矩形馈电波导(4)的第二端与矩形辐射波导(5)连接;所述矩形馈电波导(4)内部设置有矩形金属壁(6),所述矩形金属壁(6)将矩形馈电波导(4)隔断为上下两部分;矩形金属壁(6)向矩形辐射波导(5)内部延伸,并以三角形的方式逐渐消失,在矩形辐射波导(5)内部形成三角形金属壁(7)。本发明具有结构简单、易于加工,圆极化轴比性能良好的优势。

Description

一种5G圆极化多波束天线
技术领域
本发明涉及通信天线,特别是涉及一种5G圆极化多波束天线。
背景技术
随着移动通信技术的快速发展,无线设备的数量大幅增加。天线作为无线通信信号的收发转换器,其设计的优劣将会直接影响无线通信系统的整体性能,所以天线设计在无线通信系统设计中的地位举足轻重。5G作为第五代移动通信技术其峰值理论传输速度达到数十Gb/s,其超大容量的数据传输和超低的延时为无人驾驶等新兴技术的实现提供了技术保障,预计5G于2020年实现商用,所以5G天线的研究显得尤其重要。
传统的相控阵天线需要在每个天线的输入端都接一个TR组件来控制天线的相位,不同于相控阵天线,多波束天线没有TR组件。其波束切换的方式是通过选择不同的馈电端口,利用馈电网络在每个天线单元上产生不同的馈电相位,进而产生不同的辐射波束指向。由于不需要TR组件,多波束天线的成本相比相控阵天线要低很多,这是其最大的优势。
相对于线极化天线,圆极化天线在抗衰落抗干扰方面具有显著优势,当收发天线分别使用圆极化天线跟线极化天线时,无论天线形态怎么变化,都能够接收到信号。而收发使用两个线极化天线时,可能因为天线形态的改变导致极化正交接收不到信号。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种结构简单、易于加工、圆极化轴比性能良好的5G圆极化多波束天线。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种5G圆极化多波束天线,包括巴特勒馈电网络、SIW连接部和四个波导口径天线;
所述SIW连接部的一端与巴特勒馈电网络的输出端连接,SIW连接部的另一端分别与四个波导口径天线的输入端连接;
所述波导口径天线包括矩形馈电波导和矩形辐射波导,所述矩形馈电波导的第一端作为波导口径天线的输入端,并与SIW连接部连接;矩形馈电波导的第二端与矩形辐射波导连接;
所述矩形馈电波导内部设置有矩形金属壁,所述矩形金属壁将矩形馈电波导隔断为上下两部分;矩形金属壁向矩形辐射波导内部延伸,并以三角形的方式逐渐消失,在矩形辐射波导内部形成三角形金属壁。
进一步地,所述三角形金属壁为直角三角形金属壁。
进一步地,所述矩形馈电波导和SIW连接部均为矩形SIW波导。
进一步地,所述巴特勒馈电网络包括由上至下依次重叠的四层矩形SIW波导,分别为第一层SIW波导、第二层SIW波导、第三层SIW波导和第四层SIW波导;每一层SIW波导对应于一个波导口径天线,并通过SIW连接部与对应的波导口径天线连接。
其中,所述第一层SIW波导包括第一层输入端波导、第一层输出端波导和第一层移相波导;所述第一层移相波导的一端与第一层输入端波导连通,另一端与第一层输出端波导连通,所述第一层移相波导中的金属柱半径大于第一层输入端波导和第一层输出端波导的金属柱半径。
其中,所述第四层SIW波导包括第四层输入端波导、第四层输出端波导和第四层移相波导;
所述第四层移相波导的一端与第四层输入端波导连通,另一端与第四层输出端波导连通,所述第四层移相波导中的金属柱半径大于第四层输入端波导和第四层输出端波导的金属柱半径。
优选地,所述第二层SIW波导和第四层SIW波导的宽边上各开设有两个电桥缝隙组;每个所述的电桥缝隙组均包括两条相互平行的缝隙;所述第三层SIW波导的宽边上开设有两个交叉结缝隙组;每个所述的交叉结缝隙组均包括两个缝隙对,每个所述缝隙对均包括两条相互平行的缝隙。
本发明的有益效果是:本发明的圆极化天线为波导辐射器天线,其结构简单、容易加工,且更容易与介质基板集成;同时,本发明具有轴比性能良好的优势。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为波导口径天线的结构示意图;
图3为巴特勒馈电网络的结构示意图;
图4为巴特勒馈电网络的等效原理示意图;
图5为扫描角30度的轴比结果示意图;
图中,1-巴特勒馈电网络,2-SIW连接部,3-波导口径天线,4-矩形馈电波导,5-矩形辐射波导,6-矩形金属壁,7-三角形金属壁,8-第一层SIW波导,9-第二层SIW波导,10-第三层SIW波导,11-第四层SIW波导,12-第一层输入端波导,13-第一层移相波导,14-第一层输出端波导,15-第四层输入端波导,16-第四层移相波导,17-第四层输出端波导,18-电桥缝隙组,19-缝隙对。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案,但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示,一种5G圆极化多波束天线,包括巴特勒馈电网络1、SIW连接部2和四个波导口径天线3;
所述SIW连接部2的一端与巴特勒馈电网络1的输出端连接,SIW连接部2的另一端分别与四个波导口径天线3的输入端连接;
如图2所示,所述波导口径天线3包括矩形馈电波导4和矩形辐射波导5,所述矩形馈电波导4的第一端作为波导口径天线的输入端,并与SIW连接部2连接;矩形馈电波导4的第二端与矩形辐射波导5连接;
所述矩形馈电波导4内部设置有矩形金属壁6,所述矩形金属壁6将矩形馈电波导4隔断为上下两部分,单部分在工作频段满足单模传输条件。矩形金属壁6向矩形辐射波导5内部延伸,并以三角形的方式逐渐消失,在矩形辐射波导5内部形成三角形金属壁7;
在本申请的实施例中,所述三角形金属壁7为直角三角形金属壁,其长直角边沿矩形辐射波导方向;矩形辐射波导5中,三角形金属壁7所在的部分作为波导辐射器的过度部分(圆极化正交分量生成结构),该部分是将矩形馈电波导4中间的矩形金属壁6以三角形规律逐渐消失,作用是诱导出在矩形辐射波导5中传播的次高模TE01模,该部分的长度(三角形金属壁7长直角边的长度)L1直接影响到诱导出的TE01模分量的大小,L1的长度使TE10模与TE01模分量幅度相等,进而达到圆极化的条件。
矩形辐射波导5中,另一部分则作为矩形波导辐射器部分,经过过渡部分后,传输的是幅度相等的TE10模与TE01模,为达到圆极化两正交分量相位差90度的条件,需要调节矩形波导辐射器部分的长度L2,因为TE10模与TE01模的波导波长不同,所以将L2调节到一个合适的长度可以实现90度的相位差。
需要说明的是,矩形馈电波导4为矩形的SIW波导,其前后两面为间隔的金属柱,上下两面为金属壁,矩形辐射波导5为普通的矩形波导,其前后左右四面均为金属壁。SIW连接部2也是矩形SIW波导。
在本申请的实施例中,四个波导口径天线3由前至后依次排列,且前两个波导口径天线与后两个波导口径天线相互对称。
如图3所示,在本申请的实施例中,所述巴特勒馈电网络1包括由上至下依次重叠的四层矩形SIW波导,分别为第一层SIW波导8、第二层SIW波导9、第三层SIW波导10和第四层SIW波导11;每一层SIW波导对应于一个波导口径天线3,并通过SIW连接部2与对应的波导口径天线连接。
所述第二层SIW波导9和第四层SIW波导11的宽边上各开设有两个电桥缝隙组18;每个所述的电桥缝隙组18均包括两条相互平行的缝隙;缝隙切断了TE10模式宽边壁上的电流,所以能量会通过缝耦合到另一层波导上,调节缝隙的长度可以控制耦合量跟耦合能量的相位,适当设计缝隙的长度可以实现3dB电桥能量平分,相位差90度的功能;
所述第一层SIW波导8包括第一层输入端波导12、第一层输出端波导14和第一层移相波导13;所述第一层移相波导13的一端与第一层输入端波导12连通,另一端与第一层输出端波导14连通,所述第一层移相波导13中的金属柱半径大于第一层输入端波导12和第一层输出端波导14的金属柱半径。所述第四层SIW波导11包括第四层输入端波导15、第四层输出端波导17和第四层移相波导16;所述第四层移相波导16的一端与第四层输入端波导15连通,另一端与第四层输出端波导17连通,所述第四层移相波导16中的金属柱半径大于第四层输入端波导15和第四层输出端波导17的金属柱半径。第一层SIW波导8和第四层SIW波导11这样设计的作用是为了形成-45度的移相器;在本申请的实施例中,改变SIW波导的宽边长度:通过增加SIW两边金属柱半径,使移相器部分的宽边变窄,通过宽边变窄使移相器部分波导波长增大,所以会产生相位滞后。
所述第三层SIW波导10的宽边上开设有两个交叉结缝隙组;每个所述的交叉结缝隙组均包括两个缝隙对19,每个所述缝隙对19均包括两条相互平行的缝隙。交叉结的作用是将能量从一条信号通道完全耦合到另一条通道,由四端口的巴特勒网络示意图可知,在第二层SIW波导9与第三次SIW波导之间需要设计两个交叉结。本发明中的交交叉结的实现是在二三层SIW波导之间加两个交叉结缝隙组,如图3所示,四个缝隙对19中,两个相邻的缝隙对19作为一个交叉结缝隙组,在每个交叉结缝隙组中,通过优化两个缝隙对19的长度与间距,实现交叉结的功能。
如图4所示,设第一层SIW波导8的输入端口为A,输出端口为A1;第二层SIW波导9的输入端口为B,输出端口为B1;第三层SIW波导10的输入端口为C,输出端口为C1;第四层SIW波导11的输入端口为D,输出端口为D1;第二层SIW波导9上开设的两个电桥缝隙组形成电桥一和电桥二;第四层SIW波导11上开设的两个电桥缝隙组形成电桥三和电桥四;第一层SIW波导上形成的移相器为移相器一,第四层SIW波导上形成的移相器为移相器二;第三层SIW波导10的宽边上开设的缝隙组形成交叉结一和交叉结二;以第一层SIW波导8馈电来说明四层SIW巴特勒网络的工作原理:
当给第一层SIW波导8的输入端口A馈电时,信号首先经过电桥一(3dB),此时信号被分成两路,一路留在第一层SIW经过-45度的移相器一之后又经过电桥二(3dB)此时信号又等分成两路,一路留在第一层SIW传输到输出端口A1,相位为-45度;另一路经过电桥二(3dB)后耦合到二层SIW,又经过交叉结二完全耦合到三层SIW到达输出端口C1,相位为-45-90=-135度。经过电桥一的另一路信号到达二层SIW后又经过交叉结一,完全耦合到第三层SIW;之后又经过电桥四(3dB)等分成两路信号,一路经过交叉结二到达二层SIW传输到输出端口B1相位为-90度。另一路信号耦合到第四层SIW到达端口D1,相位为-90-90=-180度。所以从A端口输入的信号最终成-45 -90 -135 -180度分布到达输出端口。其它输入端口可以根据A端口的分析方式,得到相邻输出端口相差+/-45度 +/-135度的四种馈电相位分布;最终得到+/-10度+/-30度四个输出波束指向;由于天线正交极化分量的相位中心重合,所以在四个波束指向方向的轴比性能非常好。 以扫描角30度为例(偏离主方向phi=90度30度,对应phi=60度),图5为扫描角30度的轴比结果。可以看到在偏离扫描角15度范围内(对应phi= 44-76度范围内),轴比都小于3dB。
综上,本发明圆极化天线为波导辐射器天线,其结构简单、容易加工,且更容易与介质基板集成;同时,本发明具有轴比性能良好的优势。
最后需要说明的是,以上所述是本发明的优选实施方式,应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式,不应该看作是对其他实施例的排除,而可用于其他组合、修改和环境,并能够在本文所述构想范围内,通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围,则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种5G圆极化多波束天线,其特征在于:包括巴特勒馈电网络(1)、SIW连接部(2)和四个波导口径天线(3);
所述SIW连接部(2)的一端与巴特勒馈电网络(1)的输出端连接,SIW连接部(2)的另一端分别与四个波导口径天线(3)的输入端连接;
所述波导口径天线(3)包括矩形馈电波导(4)和矩形辐射波导(5),所述矩形馈电波导(4)的第一端作为波导口径天线的输入端,并与SIW连接部(2)连接;矩形馈电波导(4)的第二端与矩形辐射波导(5)连接;
所述矩形馈电波导(4)内部设置有矩形金属壁(6),所述矩形金属壁(6)将矩形馈电波导(4)隔断为上下两部分;矩形金属壁(6)向矩形辐射波导(5)内部延伸,并以三角形的方式逐渐消失,在矩形辐射波导(5)内部形成三角形金属壁(7);
所述巴特勒馈电网络(1)包括由上至下依次重叠的四层矩形SIW波导,分别为第一层SIW波导(8)、第二层SIW波导(9)、第三层SIW波导(10)和第四层SIW波导(11);每一层SIW波导对应于一个波导口径天线(3),并通过SIW连接部(2)与对应的波导口径天线连接。
2.根据权利要求1所述的一种5G圆极化多波束天线,其特征在于:所述三角形金属壁(7)为直角三角形金属壁。
3.根据权利要求1所述的一种5G圆极化多波束天线,其特征在于:所述矩形馈电波导(4)和SIW连接部(2)均为矩形SIW波导。
4.根据权利要求1所述的一种5G圆极化多波束天线,其特征在于:所述第一层SIW波导(8)包括第一层输入端波导(12)、第一层输出端波导(14)和第一层移相波导(13);所述第一层移相波导(13)的一端与第一层输入端波导(12)连通,另一端与第一层输出端波导(14)连通,所述第一层移相波导(13)中的金属柱半径大于第一层输入端波导(12)和第一层输出端波导(14)的金属柱半径。
5.根据权利要求1所述的一种5G圆极化多波束天线,其特征在于:所述第四层SIW波导(11)包括第四层输入端波导(15)、第四层输出端波导(17)和第四层移相波导(16);
所述第四层移相波导(16)的一端与第四层输入端波导(15)连通,另一端与第四层输出端波导(17)连通,所述第四层移相波导(16)中的金属柱半径大于第四层输入端波导(15)和第四层输出端波导(17)的金属柱半径。
6.根据权利要求1所述的一种5G圆极化多波束天线,其特征在于:所述第二层SIW波导(9)和第四层SIW波导(11)的宽边上各开设有两个电桥缝隙组(18)。
7.根据权利要求6所述的一种5G圆极化多波束天线,其特征在于:每个所述的电桥缝隙组(18)均包括两条相互平行的缝隙。
8.根据权利要求1所述的一种5G圆极化多波束天线,其特征在于:所述第三层SIW波导(10)的宽边上开设有两个交叉结缝隙组。
9.根据权利要求8所述的一种5G圆极化多波束天线,其特征在于:每个所述的交叉结缝隙组均包括两个缝隙对(19),每个所述缝隙对(19)均包括两条相互平行的缝隙。
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