CN109755734B - 5g毫米波无源正交多波束平面阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种5G毫米波无源正交多波束平面阵列天线，包括设于上层馈电加辐射介质基片上的正交激励共口径缝隙天线阵列和一组基片集成波导转基片集成同轴线的过渡结构，以及分布在下层馈电介质基片、中间层馈电介质基片和上层馈电加辐射介质基片上的两组折叠式卡塞格伦反射面波束馈电网络。本发明通过基片集成波导和基片集成同轴线两种基片集成技术对缝隙天线阵列正交激励，实现共口径辐射，且结构紧凑。本发明能够在空间正交的两个平面内形成不同指向的波束，两个平面内的波束扫描分别由两组波束馈电网络独立控制，并且馈电端口满足较好的驻波特性和较好的隔离度，且能够通过多层PCB工艺实现，平面结构，易于集成。

Description

5G毫米波无源正交多波束平面阵列天线
技术领域
本发明涉及天线技术，特别是涉及一种5G毫米波无源正交多波束平面阵列天线。
背景技术
多波束天线在现代通信和雷达系统中扮演着重要的角色，是5G移动通信系统的关键技术。多波束天线是多端口的天线阵列，对不同的输入端口馈电形成不同的波束指向，通过波束组合和调整，能够以较高增益覆盖较大通信范围实现多点通信，增加通信容量。因此多波束天线既具有很高的实用价值又能够降低通信成本。此外，频谱资源的有限性在一定程度上限制了无线通信技术的发展，多波束技术能够在有限的频谱资源内提高频谱利用率，是解决上述问题的重要方法之一。
5G是面向2020年以后移动通信需求的新一代移动通信系统，已经成为国内外移动通信领域的研究热点。毫米波频段作为5G系统工作的重要频段，具有波长短、频带宽、穿透性强等诸多优点，且在电子侦察系统、卫星导航定位系统、电磁干扰、精确制导等军事领域以及天文探测、卫星定位、蜂窝通信、车载防撞系统等民用领域应用广泛。
因此对5G毫米波多波束天线技术的研究具有重要意义，此外，基片集成技术在微波毫米波以及太赫兹频段中应用广泛，且基片集成波导和基片集成同轴线是基片集成技术中的佼佼者，但现有的多波束平面阵列天线鲜有涉及将具有上述两种基片集成传输线的正交馈电技术和波束形成网络结合来增加波束扫描维度。
发明内容
发明目的：本发明为解决现有技术中的不足，提供一种5G毫米波无源正交多波束平面阵列天线。
技术方案：本发明所述的5G毫米波无源正交多波束平面阵列天线，包括设于上层馈电加辐射介质基片上的正交激励共口径缝隙天线阵列和一组基片集成波导转基片集成同轴线的过渡结构，以及分布在下层馈电介质基片、中间层馈电介质基片和上层馈电加辐射介质基片上的两组折叠式卡塞格伦反射面波束馈电网络。
进一步，所述正交激励共口径缝隙天线阵列的每个缝隙单元，由基片集成波导和基片集成同轴线两路方式正交激励，实现共口径辐射。基片集成同轴线的金属条带设于上层馈电加辐射介质基片的中间金属层。两路激励方式对应着两组折叠式卡塞格伦反射面波束馈电网络。
进一步，所述折叠式卡塞格伦反射面波束馈电网络由基片集成波导输入端口、双曲反射柱面、抛物反射柱面、基片集成波导输出端口和两段连接壁组成，多层结构，层间耦合通过长缝实现。
进一步，所述折叠式卡塞格伦反射面波束馈电网络的输入端口偏焦对称放置，不同的端口在工作时，会在网络输出端口(即天线阵列馈电端口)形成具有不同相位差分布的场，激励缝隙阵列，从而在空间中产生不同指向的波束，两组波束馈电网络分别控制空间两个正交平面内的波束扫描。
进一步，所述基片集成波导转基片集成同轴线的过渡结构，用于衔接折叠式卡塞格伦反射面波束馈电网络的输出端口和共口径缝隙天线阵列基片集成同轴线一路激励的输入端口。所述过渡结构包括设于上层馈电加辐射介质基片的上层介质层中的一排金属盲孔，以及设于上层馈电加辐射介质基片的中间金属层上的缝隙结构。
有益效果：本发明公开了一种5G毫米波无源正交多波束平面阵列天线，相比现有技术，具有如下的有益效果：
1)整个天线由多层介质基片和金属化通孔、盲孔构成，可用传统的PCB工艺实现，平面结构易于集成。
2)该天线采用的缝隙天线阵列可由基片集成波导和基片集成同轴线两路方式正交激励，实现了共口径辐射，且结构紧凑。
3)该天线可以在空间正交的两个平面内实现波束扫描，两个平面内的波束扫描分别由两组波束馈电网络独立控制，并且馈电端口满足较好的驻波特性和较好的隔离度。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中下层馈电介质基片结构示意图；
图2为本发明具体实施方式中中间层馈电介质基片结构示意图；
图3为本发明具体实施方式中上层馈电加辐射介质基片结构示意图；
图4(a)为本发明具体实施方式中第一组输入端口反射系数的仿真和测试结果；
图4(b)为本发明具体实施方式中第二组输入端口反射系数的仿真和测试结果；
图5(a)为本发明具体实施方式中第二组输入端口P7与第一组输入端口P1-P6间隔离度的仿真和测试结果；
图5(b)为本发明具体实施方式中第二组输入端口P8与第一组输入端口P1-P6间隔离度的仿真和测试结果；
图5(c)为本发明具体实施方式中第二组输入端口P9与第一组输入端口P1-P6间隔离度的仿真和测试结果；
图5(d)为本发明具体实施方式中第二组输入端口P10与第一组输入端口P1-P6间隔离度的仿真和测试结果；
图5(e)为本发明具体实施方式中第二组输入端口P11与第一组输入端口P1-P6间隔离度的仿真和测试结果；
图5(f)为本发明具体实施方式中第二组输入端口P12与第一组输入端口P1-P6间隔离度的仿真和测试结果；
图6为本发明具体实施方式中基片集成波导一路激励对应波束网络输入端口P1-P6工作时，天线在频率26GHz处对应XOZ平面内不同指向波束的归一化方向图的测试结果；
图7为本发明具体实施方式中基片集成同轴线一路激励对应波束网络输入端口P7-P12工作时，天线在频率26GHz处对应YOZ平面内不同波束的归一化方向图的测试结果。
具体实施方式
为了详细的说明本发明公开的技术方案，下面结合说明书附图及具体实施方式做进一步的阐述。
如图1-3所示，5G毫米波无源正交多波束平面阵列天线可基于PCB工艺加工实现，由三层介质基片组成，从下到上依次设置的是下层馈电介质基片1(单层)，中间层馈电介质基片2(单层)和上层馈电加辐射介质基片3(双层)。
本具体实施方式公开了一种5G毫米波无源正交多波束平面阵列天线，如图3所示，包括设于上层馈电加辐射介质基片3上的正交激励共口径缝隙天线阵列9。辐射缝隙蚀刻在上层馈电加辐射介质基片3的上表面金属层，由基片集成波导和基片集成同轴线两路方式正交激励，基片集成同轴线的金属条带8位于上层馈电加辐射介质基片3的中间层金属层。
由于馈电网络的输出端口为基片集成波导，而缝隙阵列其中一路的激励方式为基片集成同轴线，因此，如图3所示，5G毫米波无源正交多波束平面阵列天线还包括设于上层馈电加辐射介质基片3中的一组基片集成波导转基片集成同轴线的过渡结构7,用于衔接折叠式卡塞格伦反射面波束馈电网络5的输出端口和正交激励共口径缝隙天线阵列9基片集成同轴线一路激励的输入端口。该过渡结构7包括设于上层馈电加辐射介质基片3的上层介质层中的一排金属盲孔71以及设于上层馈电加辐射介质基片3的中间金属层上的缝隙结构72。缝隙结构72既实现了场模式TE10到TEM的平缓过渡，又兼具宽带阻抗匹配的效果。
如图1-3所示，5G毫米波无源正交多波束平面阵列天线还包括分布在下层馈电介质基片1、中间层馈电介质基片2和上层馈电加辐射介质基片3上的两组折叠式卡塞格伦反射面波束馈电网络5。所述折叠式卡塞格伦反射面波束馈电网络5包括基片集成波导输入端口、双曲反射柱面53、抛物反射柱面54、基片集成波导输出端口和两段连接壁，为多层结构，层间耦合通过长缝实现。由于上述转接结构的存在，基片集成同轴线一路所接的波束馈电网络，输出的场在上层馈电加辐射介质基片3的下表面金属层与中间金属层之间传输，而基片集成波导一路所接的波束馈电网络，输出的场在上层馈电加辐射介质基片3的上下表面金属层间传输。
下面以基片集成波导一路所接的波束馈电网络为例做具体介绍。如图1所示，馈电端口处采用的接地共面波导转基片集成波导的过渡结构4，设于下层馈电介质基片1的下表面金属层，构成输入基片集成波导传输线51及其与双曲反射柱面间连接壁52的金属通孔，贯穿下层馈电介质基片1及其上下表面金属层。如图2所示，构成双曲反射柱面53与抛物反射柱面连接壁54的金属通孔贯穿中间层馈电介质基片2及其上下表面金属层。
如图1和图2所示，构成双曲反射柱面53的金属通孔贯穿了下层馈电介质基片1及其上下表面金属层和中间层馈电介质基片2及其上下表面金属层，并通过在下层馈电介质基片1的上表面金属层和中间层馈电介质基片2的下表面金属层分别蚀刻双曲缝隙61和62，实现下层馈电介质基片1与中间层馈电介质基片2的层间耦合。
如图2和图3所示，构成抛物反射柱面55的金属通孔依次贯穿中间层馈电介质基片2及其上下表面金属层、以及上层馈电加辐射介质基片3的下表面金属层、底层介质层、中间粘结层、中间金属层、上层介质层和上表面金属层，并通过在中间层馈电介质基片2的上表面金属层和上层馈电加辐射介质基片3的下表面金属层分别蚀刻抛物缝隙63和64，实现中间层馈电介质基片2与上层馈电加辐射介质基片3的层间耦合。
对于折叠式卡塞格伦反射面波束馈电网络，每组馈电网络的输入端口偏焦对称放置，不同的端口在工作时，会在网络输出端口(即天线阵列馈电端口)形成具有不同相位差分布的场，激励缝隙阵列，从而在空间中产生不同指向的波束。基片集成波导和基片集成同轴线，两路激励方式正交，具有较好的隔离度，通过切换两路波束馈电网络的工作端口，可以实现空间中两个正交平面内的波束扫描。
基于本发明思想，利用PCB工艺加工所述的5G毫米波无源正交多波束平面阵列天线，并进行了相关测试：图4(a)和图4(b)给出了天线两路激励对应波束馈电网络输入端口的反射系数的仿真和测试结果；图5(a)-图5(f)给出了天线基片集成同轴线一路激励对应的波束馈电网络输入端口P7-P12分别与基片集成波导一路激励对应的波束馈电网络输入端口P1-P6间隔离度的仿真和测试结果；图6给出了天线基片集成波导一路激励对应波束馈电网络在不同输入端口工作的情形下，天线在频率26GHz处对应YOZ平面内不同指向波束的归一化方向图的测试结果；图7给出了天线基片集成同轴线一路激励对应波束馈电网络在不同输入端口工作的情形下，天线在频率26GHz处对应XOZ平面内不同指向波束的归一化方向图的测试结果。测试结果表明，本发明所述天线可以在空间两个正交平面内形成不同的波束指向，同时馈电端口满足较好的驻波特性和隔离特性，共口径辐射，结构紧凑，剖面低，易于集成。

Claims (3)

1.一种5G毫米波无源正交多波束平面阵列天线，其特征在于：包括设于上层馈电加辐射介质基片(3)上的正交激励共口径缝隙天线阵列(9)和一组基片集成波导转基片集成同轴线的过渡结构(7)，以及分布在下层馈电介质基片(1)、中间层馈电介质基片(2)和上层馈电加辐射介质基片(3)上的两组折叠式卡塞格伦反射面波束馈电网络；
所述正交激励共口径缝隙天线阵列(9)的每个缝隙单元由基片集成波导和基片集成同轴线两路方式正交激励，实现共口径辐射；所述基片集成同轴线的金属条带(8)设于上层馈电加辐射介质基片(3)的中间金属层；上述两路激励方式对应着两组折叠式卡塞格伦反射面波束馈电网络；
所述基片集成波导转基片集成同轴线的过渡结构(7)用于衔接折叠式卡塞格伦反射面波束馈电网络的输出端口和正交激励共口径缝隙天线阵列(9)基片集成同轴线一路激励的输入端口；所述过渡结构(7)包括设于上层馈电加辐射介质基片(3)的上层介质层中的一排金属盲孔(71)，以及设于上层馈电加辐射介质基片(3)的中间金属层上的缝隙结构(72)。
2.根据权利要求1所述的5G毫米波无源正交多波束平面阵列天线，其特征在于：所述折叠式卡塞格伦反射面波束馈电网络由基片集成波导输入端口(51)、双曲反射柱面(53)、抛物反射柱面(55)、基片集成波导输出端口(56)和两段连接壁组成，所述折叠式卡塞格伦反射面波束馈电网络的介质层为两层及其以上结构，层间耦合通过长缝实现。
3.根据权利要求2所述的5G毫米波无源正交多波束平面阵列天线，其特征在于：所述折叠式卡塞格伦反射面波束馈电网络的输入端口偏焦对称放置，不同的端口在工作时，会在网络输出端口形成具有不同相位差分布的场，激励缝隙阵列，从而在空间中产生不同指向的波束，两组波束馈电网络分别控制空间两个正交平面内的波束扫描。
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