CN109599660A - 一种开口波导相控阵单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开口波导相控阵单元,包括:开口波导、阻抗渐变段、输入端;所述开口波导为一个上、下两端均为开口的立方体腔体;所述阻抗渐变段采用梯台结构,阻抗渐变段的下端与所述输入端相连接;所述输入端为一个馈电同轴连接器,且输入端位于开口波导的下开口端。本发明使得天线在23.5GHz~38GHz频段内驻波比小于2,在24.25GHz~29.5GHz频带能驻波小于比1.5,且天线在俯仰面扫描角度为±30°,天线在方位面扫描角度为±60°,相控阵单元在俯仰面波束宽度为俯仰面的接近一半的数值,满足5G通信的要求。
Description
技术领域
本发明涉及微波技术领域,尤其是一种开口波导相控阵单元。
背景技术
随着5G移动业务的兴起,5G网络具有极高的速率,极大的容量,极低的时延;相对4G网络,5G网络的传输速率可以提升10~100倍,峰值传输速率达到10Gbit/s,端到端时延达到毫秒级。根据通信原理,无线通信的最大信号带宽大约是载波频率的5%左右,因此,载波频率越高,可实现的信号带宽也越大。在毫米波频段中,28GHz频段是最有希望使用在5G的频段,28GHz频段的可用频谱带宽可达1GHz;相比而言,4G-LTE频段最高频率的载波在2GHz上下,而可用频谱带宽只有100MHz。因此,若使用毫米波频段,则频谱带宽扩大10倍,传输速率也可得到巨大提升。在5G通讯天线无论是采用Massive MIMO、Beam Trace、BeamForming等技术来实现空间分集以实现大数据量传输时,天线都会采用有源相控阵的形式,对天线的扫描方位一般要求为方位-60°~60°,俯仰-30°~30°。针对这些特点,5G通讯天线的研发已经成为5G移动业务的重点和难点。
发明内容
为了克服上述现有技术中的缺陷,本发明提供一种开口波导相控阵单元,使得天线在23.5GHz~38GHz频段内驻波比小于2,在24.25GHz~29.5GHz频带能驻波小于比1.5,且天线在俯仰面扫描角度为±30°,天线在方位面扫描角度为±60°,相控阵单元在俯仰面波束宽度为俯仰面的接近一半的数值,满足5G通信的要求。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案,包括:
一种开口波导相控阵单元,所述相控阵单元包括:开口波导(1)、阻抗渐变段(20)、输入端(3);
开口波导(1)为一个上、下两端均开口的立方体腔体,包括四个波导臂,分别为窄边前波导臂(1a)、窄边后波导臂(1b)、宽边左波导臂(1c)、宽边右波导臂(1d);开口波导(1)的内部且在开口波导(1)的宽边左波导臂(1c)或宽边右波导臂(1d)上设有阻抗渐变段(20),且阻抗渐变段(20)到宽边左波导臂(1c)与到宽边右波导臂(1d)的距离相等;
阻抗渐变段(20)采用梯台结构,阻抗渐变段(2)的下端与所述输入端(3)相连接;
输入端(3)为一个馈电同轴连接器(30),且输入端(3)位于开口波导(1)的下开口端。
所述阻抗渐变段(20)包括彼此相连的梯形台体部分和长方体部分;其中,
该梯形台体的第一底面(201)为矩形且位于开口波导(1)的宽边左波导臂(1c)或宽边右波导臂(1d)中的任意一个波导臂上;该梯形台体的靠近开口波导(1)下开口端的第一侧面(202)为矩形且与开口波导的下开口端的端面平行;
该梯形台体的靠近开口波导(1)下开口端的第一侧面(202)下设有该长方体,且该长方体的靠近梯形台体的第二底面(203)的一侧面(204)与该梯形台体的第二底面(203)齐平;
梯形台体的第一底面(201)和第二底面(203)是该梯形台体的互为平行的上下两底面;
该梯形台体的靠近开口波导(1)上开口端的第二侧面(206)为一个倾斜的矩形,分别与该梯形台体的第二底面(203)和该梯形台体的第一底面(201)相连;
所述长方体部分的靠近开口波导(1)的下开口端的一侧面(205)与输入端(3)相连接。
开口波导(1)的四个波导臂的厚度相同,且厚度范围为0.5mm~4mm;
开口波导(1)的沿宽边方向的长度l1大于低频波长λl的一半;所述低频波长λl为频带内最低频率即截止频率所对应的波长;
开口波导(1)的沿窄边方向的长度l2为0.2~0.5倍的波长λ;所述波长λ为频带内中心频率所对应的波长;
开口波导(1)的沿高度方向的长度l3为0.25~1.1倍的波长λ。
该梯形台体的第一底面(201)的靠近开口波导(1)的下开口端下侧边(2012)即与开口波导(1)的下开口端的端面相距d1,d1为0.05~0.08倍的波长λ;所述波长λ为频带内中心频率所对应的波长;
该梯形台体的第一底面(201)的靠近开口波导(1)的上开口端上侧边(2011)与开口波导(1)的上开口端的端面相距d2,d2为0~0.06倍的波长λ;
该梯形台体的第一底面(201)的沿开口波导(1)的宽边方向的长度l4为0.05~0.15倍的波长λ;
该梯形台体的第一底面(201)的沿开口波导(1)的高度方向的长度l5为0.2~1倍的波长λ;
该梯形台体的靠近开口波导(1)下开口端的第一侧面(202)的沿开口波导(1)的窄边方向的长度l6为0.16~0.28倍的波长λ;
该梯形台体的第二底面(203)的靠近开口波导(1)的上开口端上侧边(2031)与开口波导(1)的上开口端的端面相距d3,d3为0.16~0.97倍的波长λ;
该梯形台体的第二底面(203)的沿开口波导(1)的高度方向的长度l7为0.03~0.05倍的波长λ;
该长方体的沿开口波导(1)的宽边方向的长度与该梯形台体的第一底面(201)的沿开口波导(1)的宽边方向的长度l4一致;
该长方体的沿开口波导(1)的窄边方向的长度l8为0.06~0.08倍的波长λ;
该长方体的沿开口波导(1)的高度方向的长度l9为0.01~0.05倍的波长λ;
该长方体的靠近开口波导(1)下开口端的一侧面(205)与开口波导(1)的下开口端的端面相距d4,d4为0.03~0.05倍的波长λ。
所述相控阵单元除了采用梯台结构的阻抗渐变段(20)之外,还可采用为阶梯状结构的阻抗渐变段(21),
阶梯状结构的阻抗渐变段(21)为:仅将梯台结构的阻抗渐变段(20)的靠近开口波导(1)上开口端的为倾斜的矩形的第二侧面(206)改成阶梯面,并利用此阶梯面将梯形台体的第二底面(203)和梯形台体的第一底面(201)相连;且阶梯状结构的阻抗渐变段(21)其余部分保持与梯台结构的阻抗渐变段(20)相同。
所述阶梯状结构的阻抗渐变段(21)的阶梯面包括3~5个台阶。
根据权利要求1或5所述的一种开口波导相控阵单元,其特征在于,所述相控阵单元除了馈电同轴连接器(30)作为输入端(3)之外,还可采用微带线(31)作为输入端(3)。
本发明的优点在于:
(1)本发明的阻抗渐变段的设计,使开口波导的体积小、结构简单,同时扩展了开口波导天线的工作带宽,能最大限度的降低天线单元高度。
(2)本发明的阻抗渐变段采用梯形台结构,在一个波导带宽40%的相对带宽内实现宽带匹配。
(3)基于本发明的相控阵天线拥有更高的天线辐射效率,且交叉极化点平低。
(4)基于本发明的一种开口波导相控阵单元,天线在23.5GHz~38GHz频段内驻波比小于2,在24.25GHz~29.5GHz频带能驻波小于比1.5,覆盖了毫米波24.25GHz~27.5GHz以及27.5~29.5GHz以及更宽的频段。
(5)基于本发明的一种开口波导相控阵单元,天线在俯仰面扫描角度为±30°,天线在方位面扫描角度为±60°,相控阵单元在俯仰面波束宽度为俯仰面的接近一半的数值。
附图说明
图1为实施例一的结构示意图。
图2为实施例一的侧视图。
图3为基于实施例一的相控阵天线的驻波仿真曲线图。
图4为基于实施例一的相控阵天线的天线增益的仿真曲线图。
图5为实施例一的相控阵单元的组成阵列示意图。
图6为实施例二结构示意图。
图7为实施例三的结构示意图。
图8为实施例四的结构示意图
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。
实施例一:
由图1和图2所示,相控阵单元包括:开口波导1、阻抗渐变段20、输入端3;
开口波导1为一个上、下两端均开口的立方体腔体,开口波导1由四个波导臂构成,分别为窄边前波导臂1a、窄边后波导臂1b、宽边左波导臂1c、宽边右波导臂1d;
开口波导1的四个波导臂的厚度相同,且厚度范围为0.5mm~4mm;且开口波导1的四个波导臂的材质均为良导体金属或表层覆有良导体金属;
开口波导1的沿宽边方向的长度l1大于低频波长λl的一半,所述低频波长λl为频带内最低频率即截止频率所对应的波长,本实施例中,开口波导1的沿宽边方向的长度l1为6mm;
开口波导1的沿窄边方向的长度l2为0.2~0.5倍的波长λ,本实施例中,开口波导1的沿窄边方向的长度l2为3mm;所述波长λ为频带内中心频率所对应的波长;
开口波导1的沿高度方向的长度l3为0.25~1.1倍的波长λ,本实施例中,开口波导1的沿高度方向的长度l3为4.77mm。
开口波导1的内部且在开口波导1的宽边左波导臂1c或宽边右波导臂1d上设有阻抗渐变段20,且阻抗渐变段20到宽边左波导臂1c与到宽边右波导臂1d的距离相等。
阻抗渐变段20采用梯形台结构,且阻抗渐变段20为一个实体,其材质为良导体金属或表层覆有良导体金属;
为了更清楚的描述阻抗渐变段20的结构,故将阻抗渐变段20分为梯形台体部分和长方体部分,实际上,该两部分连在一起所形成的整体为阻抗渐变段20;其中,
该梯形台体的第一底面201为矩形且位于开口波导1的宽边左波导臂1c或宽边右波导臂1d中的任意一个波导臂上;该梯形台体的靠近开口波导1下开口端的第一侧面202为矩形且与开口波导的下开口端的端面平行;
该梯形台体的第一底面201的靠近开口波导1的下开口端下侧边2012与开口波导1的下开口端的端面相距d1,d1为0.05~0.08倍的波长λ,本实施例中,该梯形台体的第一底面201的靠近开口波导1的下开口端下侧边2012与开口波导1的下开口端的端面相距d1,d1为0.77mm;
该梯形台体的第一底面201的靠近开口波导1的上开口端上侧边2011与开口波导1的上开口端的端面相距d2,d2为0~0.06倍的波长λ,本实施例中,该梯形台体的第一底面201的靠近开口波导1的上开口端上侧边2011与开口波导1的上开口端的端面相距d2,d2为0.5mm;
该梯形台体的第一底面201的沿开口波导1的宽边方向的长度l4为0.05~0.15倍的波长λ,本实施例中,该梯形台体的第一底面201的沿开口波导1的宽边方向的长度l4为1mm;
该梯形台体的第一底面201的沿开口波导1的高度方向的长度l5为0.2~1倍的波长λ,本实施例中,该梯形台体的第一底面201的沿开口波导1的高度方向的长度l5为3.5mm;
该梯形台体的靠近开口波导1下开口端的第一侧面202的沿开口波导1的窄边方向的长度l6为0.16~0.28倍的波长λ,本实施例中,该梯形台体的靠近开口波导1下开口端的第一侧面202的沿开口波导1的窄边方向的长度l6为2.3mm;
该梯形台体的第二底面203的靠近开口波导1的上开口端上侧边2031与开口波导1的上开口端的端面相距d3,d3为0.16~0.97倍的波长λ,本实施例中,该梯形台体的第二底面203的靠近开口波导1的上开口端上侧边2031与开口波导1的上开口端的端面相距d3,d3为3.5mm;
梯形台体的第一底面201和第二底面203是该梯形台体的互为平行的上下两底面;
该梯形台体的第二底面203的沿开口波导1的高度方向的长度l7为0.03~0.05倍的波长λ,本实施例中,该梯形台体的第二底面203的沿开口波导1的高度方向的长度l7为0.5mm;
该梯形台体的靠近开口波导1上开口端的第二侧面206为一个倾斜的矩形,分别与该梯形台体的第二底面203和该梯形台体的第一底面201相连;
该梯形台体的靠近开口波导1下开口端的第一侧面202下设置有长方体,且该长方体的靠近该梯形台体的第二底面203的一侧面204与该梯形台体的第二底面203齐平;
该长方体的沿开口波导1的宽边方向的长度与该梯形台体的第一底面201的沿开口波导1的宽边方向的长度l4一致,本实施例中,l4为1mm;
该长方体的沿开口波导1的窄边方向的长度l8为0.06~0.08倍的波长λ,本实施例中,该长方体的沿开口波导1的窄边方向的长度l8为0.76mm;
该长方体的沿开口波导1的高度方向的长度l9为0.01~0.05倍的波长λ,本实施例中,该长方体的沿开口波导1的高度方向的长度l9为0.3mm;
该长方体的靠近开口波导1下开口端的一侧面205与开口波导1的下开口端的端面相距d4,d4为0.03~0.05倍的波长λ,本实施例中,该长方体的靠近开口波导1下开口端的一侧面205与开口波导1的下开口端的端面相距d4,d4为0.47mm;
阻抗渐变段20的长方体部分的靠近开口波导1的下开口端的一侧面205连接有输入端3。
由于毫米波开口波导相控阵单元体积一般比较小,且馈电同轴连接器30的体积比其他连接器小,一般为50欧姆或75欧姆,故采用馈电同轴连接器30作为输入端3;本实施例中,具体为采用50欧姆的SSMP系列的馈电同轴连接器30。
信号从开口波导1的下开口端的输入端3馈入,再从开口波导1的上开口端辐射。
阻抗渐变段20采用梯台结构,使得相控阵单元的辐射阻抗变化平缓,从而具有宽带宽工作性能。相控阵单元的工作带宽7%的相对带宽内满足天线增益VSWR小于1.2,在工作带宽45%的相对带宽内满足天线增益VSWR小于2,相控阵单元增益大于7dB,交叉极化在整个空间能小于-27dB。
基于本实施例的所述相控阵单元的相控阵天线,图3为该相控阵天线的驻波曲线的仿真结果图,天线在23.5GHz~38GHz频段内驻波比小于2,在24.25GHz~29.5GHz频段内驻波小于比1.5。图4为天线增益的仿真曲线,以及交叉极化典型值,考虑到天线在俯仰面扫描角度为±30°,天线在方位面扫描角度为±60°,相控阵单元在俯仰面波束宽度为俯仰面的接近一半的数值;所述交叉极化为一个天线指标,是天线不要的极化与需要的极化的一个比值,一般该比值越小越好;所述波束宽度为天线能量辐射功率在能量与辐射最大地方下降一半时所覆盖的角度范围。图5为本实施例的相控阵单元的组成阵列示意图。
基于本实施例的所述相控阵单元的相控阵天线拥有更高的天线辐射效率,且交叉极化点平低。
实施例二:
由图6所示,相控阵单元包括:开口波导1、阻抗渐变段21、输入端3;
实施例二中的开口波导1、输入端3与实施例一中的开口波导1、输入端3的结构相同;
实施例二中的阻抗渐变段21与实施例一中的阻抗渐变段20的区别在于,实施例二中的阻抗渐变段21采用阶梯状结构,即实施例二中的阻抗渐变段21将实施例一种的阻抗渐变段20的梯形台体的靠近开口波导1上开口端的第二侧面206改成阶梯面,并利用此阶梯面将该梯形台体的第二底面203的上侧边2031与该梯形台体的第一底面201的上侧边2011相连;且该阶梯面包括3~5个台阶。
实施例三:
由图7所示,相控阵单元包括:开口波导1、阻抗渐变段20、输入端3;
实施例三中的开口波导1、阻抗渐变段20与实施例一中的开口波导1、阻抗渐变段20的结构相同;
实施例三中的输入端3与实施例一中输入端3区别在于,实施例三中的输入端3采用微带线31。
实施例四:
由图8所示,相控阵单元包括:开口波导1、阻抗渐变段21、输入端3;
实施例四中的开口波导1、阻抗渐变段21与实施例二中的开口波导1、阻抗渐变段21的结构相同;实施例四中的输入端3与实施例三中输入端3的结构相同,均为采用微带线31作为输入端3。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已,并不用以限制本发明创造,凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种开口波导相控阵单元,其特征在于,所述相控阵单元包括:开口波导(1)、阻抗渐变段(20)、输入端(3);
开口波导(1)为一个上、下两端均开口的立方体腔体,包括四个波导臂,分别为窄边前波导臂(1a)、窄边后波导臂(1b)、宽边左波导臂(1c)、宽边右波导臂(1d);开口波导(1)的内部且在开口波导(1)的宽边左波导臂(1c)或宽边右波导臂(1d)上设有阻抗渐变段(20),且阻抗渐变段(20)到宽边左波导臂(1c)与到宽边右波导臂(1d)的距离相等;
阻抗渐变段(20)采用梯台结构,阻抗渐变段(2)的下端与所述输入端(3)相连接;
输入端(3)为一个馈电同轴连接器(30),且输入端(3)位于开口波导(1)的下开口端。
2.根据权利要求1所述的一种开口波导相控阵单元,其特征在于,所述阻抗渐变段(20)包括彼此相连的梯形台体部分和长方体部分;其中,
该梯形台体的第一底面(201)为矩形且位于开口波导(1)的宽边左波导臂(1c)或宽边右波导臂(1d)中的任意一个波导臂上;该梯形台体的靠近开口波导(1)下开口端的第一侧面(202)为矩形且与开口波导的下开口端的端面平行;
该梯形台体的靠近开口波导(1)下开口端的第一侧面(202)下设有该长方体,且该长方体的靠近梯形台体的第二底面(203)的一侧面(204)与该梯形台体的第二底面(203)齐平;
梯形台体的第一底面(201)和第二底面(203)是该梯形台体的互为平行的上下两底面;
该梯形台体的靠近开口波导(1)上开口端的第二侧面(206)为一个倾斜的矩形,分别与该梯形台体的第二底面(203)和该梯形台体的第一底面(201)相连;
所述长方体部分的靠近开口波导(1)的下开口端的一侧面(205)与输入端(3)相连接。
3.根据权利要求1所述的一种开口波导相控阵单元,其特征在于,开口波导(1)的四个波导臂的厚度相同,且厚度范围为0.5mm~4mm;
开口波导(1)的沿宽边方向的长度l1大于低频波长λl的一半;所述低频波长λl为频带内最低频率即截止频率所对应的波长;
开口波导(1)的沿窄边方向的长度l2为0.2~0.5倍的波长λ;所述波长λ为频带内中心频率所对应的波长;
开口波导(1)的沿高度方向的长度l3为0.25~1.1倍的波长λ。
4.根据权利要求2所述的一种开口波导相控阵单元,其特征在于,
该梯形台体的第一底面(201)的靠近开口波导(1)的下开口端下侧边(2012)即与开口波导(1)的下开口端的端面相距d1,d1为0.05~0.08倍的波长λ;所述波长λ为频带内中心频率所对应的波长;
该梯形台体的第一底面(201)的靠近开口波导(1)的上开口端上侧边(2011)与开口波导(1)的上开口端的端面相距d2,d2为0~0.06倍的波长λ;
该梯形台体的第一底面(201)的沿开口波导(1)的宽边方向的长度l4为0.05~0.15倍的波长λ;
该梯形台体的第一底面(201)的沿开口波导(1)的高度方向的长度l5为0.2~1倍的波长λ;
该梯形台体的靠近开口波导(1)下开口端的第一侧面(202)的沿开口波导(1)的窄边方向的长度l6为0.16~0.28倍的波长λ;
该梯形台体的第二底面(203)的靠近开口波导(1)的上开口端上侧边(2031)与开口波导(1)的上开口端的端面相距d3,d3为0.16~0.97倍的波长λ;
该梯形台体的第二底面(203)的沿开口波导(1)的高度方向的长度l7为0.03~0.05倍的波长λ;
该长方体的沿开口波导(1)的宽边方向的长度与该梯形台体的第一底面(201)的沿开口波导(1)的宽边方向的长度l4一致;
该长方体的沿开口波导(1)的窄边方向的长度l8为0.06~0.08倍的波长λ;
该长方体的沿开口波导(1)的高度方向的长度l9为0.01~0.05倍的波长λ;
该长方体的靠近开口波导(1)下开口端的一侧面(205)与开口波导(1)的下开口端的端面相距d4,d4为0.03~0.05倍的波长λ。
5.根据权利要求2所述的一种开口波导相控阵单元,其特征在于,所述相控阵单元除了采用梯台结构的阻抗渐变段(20)之外,还可采用为阶梯状结构的阻抗渐变段(21),
阶梯状结构的阻抗渐变段(21)为:仅将梯台结构的阻抗渐变段(20)的靠近开口波导(1)上开口端的为倾斜的矩形的第二侧面(206)改成阶梯面,并利用此阶梯面将梯形台体的第二底面(203)和梯形台体的第一底面(201)相连;且阶梯状结构的阻抗渐变段(21)其余部分保持与梯台结构的阻抗渐变段(20)相同。
6.根据权利要求5所述的一种开口波导相控阵单元,其特征在于,所述阶梯状结构的阻抗渐变段(21)的阶梯面包括3~5个台阶。
7.根据权利要求1或5所述的一种开口波导相控阵单元,其特征在于,所述相控阵单元除了馈电同轴连接器(30)作为输入端(3)之外,还可采用微带线(31)作为输入端(3)。
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