CN111525244A - 一种用于车联网通信的毫米波介质谐振器天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于车联网通信的毫米波介质谐振器天线阵列，属于通信技术领域。该毫米波介质谐振器天线阵列由下往上依次包括：微带线、介质基板、地面、介质谐振器天线单元和折光片；所述毫米波介质谐振器天线阵列采用立方体介质谐振器建立，由M行N列的介质谐振器天线单元组成；所述折光片覆盖在辐射天线上方；所述微带线为一分四的微带功分器。本发明阵列馈电相对简单，容易实现，加工成本低。阵列间间隔紧密，能很好实现小型化。采用驻波式串联馈电，方向图具有高定向特征。适用于与车联网射频系统的互连。

Description

一种用于车联网通信的毫米波介质谐振器天线阵列
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种用于车联网通信的毫米波介质谐振器天线阵列。
背景技术
1.该技术领域的发展状况
随着智能网联车辆的飞速发展，车辆的通信应用愈加频繁。近年来，无线通信的快速发展，以及汽车工业和汽车电子的发展，推动了车载天线的研究。自天线系统被引入到汽车电子行业开始，车载天线成为了人们研究的热点。由于车载天线受车体空间、介质、位置等环境的影响，车载天线的发展方向主要有以下几个方面：小型化、低成本；多元化整合和优化；智能化；高性能。
近年来，介质谐振器天线因其具有设计自由度高、谐振模式丰富、尺寸小、频带宽和辐射效率高等优点，且能够工作在5G通信Sub6GHz频段与毫米波频段，尤其在毫米波频段损耗较小，因此介质谐振器天线在5G通信系统中具有巨大的应用前景。
2.与本发明相关的现有技术方案
(1)微带天线阵列串联馈电，通过控制馈线宽度与贴片天线尺寸实现波束副瓣抑制效果；
(2)采用不等功率功分器并联馈电网络，实现对应直线阵列波束赋形效果；
(3)通过增加收发信机模块，采用相控阵天线原理进行有源天线波束赋形。
3.现有技术的缺点
现有的馈线宽度渐进技术因馈线宽度过细，传输线损耗较大，天线辐射效率不高；贴片宽度渐进技术需要手动改变线阵相位，采用的功分器网络传输损耗较大，占用空间较大，不利于小型化，对天线增益产生负面影响；不等分功率功分器并联技术因采用多层介质基板堆叠式设计，加工复杂，装配过程存在较大误差，不适合大规模生产工程应用；馈电线开槽技术会降低天线的增益；非均匀串馈技术为了保证阵元同相，引入较多弯折馈线，增加整体面积，不利于小型化，同时也会导致插入损耗过大，天线辐射效率降低，且不利于实用加工。
传统微带天线阵列阵元大部分为辐射贴片，损耗较大，若采用本发明技术中的介质谐振器，可以达到低损耗、低互耦等效果。
4.本发明要解决的技术问题
建立一种馈电方式简单、容易实现、小型化、低加工成本、高定向波束，并且可以及时、有效地传递信息，适应车联网通信系统的车载天线阵列。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于车联网通信的毫米波介质谐振器天线阵列。为了满足先进车联网业务更严格的性能需求，在有限的空间内部署性能优良的毫米波通信天线；与传统车载天线不同，它的工作频率为26GHz，具高定向波束特性，能够定向地接收和发送高频信号，完成与路边基站的信息交互，在高速移动的场景中获得更好的性能，以满足未来高级自动驾驶的需求。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于车联网通信的毫米波介质谐振器天线阵列，该毫米波介质谐振器天线阵列由下往上依次包括：
微带线、介质基板、地面、介质谐振器天线单元和折光片；
所述毫米波介质谐振器天线阵列采用立方体介质谐振器建立，由M行N列的介质谐振器天线单元组成；
所述折光片覆盖在辐射天线上方；
所述微带线为一分四的微带功分器。
可选的，所述毫米波介质谐振器天线阵列的中心频率为26Ghz，结构的介质基板材质是Arlon DiClad 880tm；
所述地面由一层铜皮组成；
所述介质谐振器天线单元的材质是Rogers RT/duroid 6010/6010LM tm，长宽均为4.5mm，高度为1.27mm；
所述折光片的材质为Rogers RT/duroid 5880tm，长宽均为4.5mm，高度为1mm；
所述微带线的材质为铜片。
可选的，所述介质谐振器天线单元为80个，其中，64个为辐射天线，16个为寄生元件；
所述折光片为64个；
所述微带线为2个。
可选的，所述介质谐振器天线单元的每行直线子阵列采用驻波串联馈电技术进行馈电。
可选的，所述介质谐振器天线单元的每行直线子阵列中的每个阵元采用微带缝隙耦合馈电形式进行馈电。
可选的，所述介质谐振器天线单元的每行直线子阵列内部各个的馈电缝隙间距相同，在介质谐振器天线单元的内缝隙处的馈电位置进行微调，用于扩展天线的阻抗带宽。
可选的，所述介质谐振器天线单元的每行直线子阵列的馈电缝隙为渐变结构，用于实现横向每行直线子阵列的低副瓣高增益特性；
具体为，每行直线子阵列的馈电缝隙长度由中间向两端递减，以实现切比雪夫波束赋形的效果。
可选的，所述介质谐振器天线单元的每行直线子阵列采用不等分功率分配器连接，以实现每列直线子阵列的低副瓣高增益特性；
具体为：中间行直线子阵列的功分器输出支路的输出功率，大于两侧行直线子阵列的功分器输出支路的输出功率；通过调整每个输出支路的特征阻抗实现对应支路的输出功率大小，以实现泰勒多项式波束赋形效果。
可选的，所述毫米波介质谐振器天线阵列的阻抗带宽拓展采用寄生单元实现；
第一组寄生单元位于每个阵元正上方，通过影响每个阵元的辐射阻抗来拓展天线带宽；
第二组寄生单元位于平面天线阵列的两侧，通过影响阵列近场分布来拓展天线带宽。
本发明的有益效果在于：
1.阵列馈电相对简单，容易实现，加工成本低。
2.阵列间间隔紧密，能很好实现小型化。
3.驻波式串联馈电，方向图具有高定向特征。
4.适用于与车联网射频系统的互连。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明技术整体示意图；图1(a)为技术整体俯视图；图1(b)为技术整体侧视图；
图2为寄生单元与介质谐振器的相对位置；
图3为缝隙宽度渐变示意图；
图4为寄生单元与介质谐振器的相对位置；
图5为微带线与缝隙的位置；
图6为功分器结构；
图7为本发明整体结构图；图7(a)为技术整体俯视图；图7(b)为技术整体侧视图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
图1为本发明技术整体示意图；图1(a)为技术整体俯视图；图1(b)为技术整体侧视图；图2为寄生单元与介质谐振器的相对位置；图3为缝隙宽度渐变示意图；图4为寄生单元与介质谐振器的相对位置；图5为微带线与缝隙的位置；图6为功分器结构；图7为本发明整体结构图；图7(a)为技术整体俯视图；图7(b)为技术整体侧视图。
本发明方案的重点创新手段：
1.采用立方体介质谐振器建立平面天线阵列，该阵列由M行N列阵元组成。
2.采用驻波串联馈电技术对每行直线子阵列进行馈电。
3.采用微带缝隙耦合馈电形式对每行直线子阵列中的每个阵元进行馈电。
4.每行直线子阵列内部各个的馈电缝隙间距相同，在单元天线内缝隙处的馈电位置进行微调，可以扩展天线的阻抗带宽。
5.每行直线子阵列的馈电缝隙为渐变结构，实现横向每行直线子阵列的低副瓣高增益特性。具体表现为，每行直线子阵列的馈电缝隙长度由中间向两端递减，最终实现了切比雪夫波束赋形的效果。
6.采用不等分功率分配器连接每行直线子阵列，从而实现每列直线子阵列的低副瓣高增益特性。具体表现为，对应于中间行直线子阵列的功分器输出支路的输出功率大于两侧行直线子阵列的功分器输出支路的输出功率。通过调整每个输出支路的特征阻抗实现对应支路的输出功率大小，从而实现泰勒多项式波束赋形效果。
7.结合每行和每列直线子阵列的低副瓣高增益特性，实现平面阵列波束的高定向性特点。
8.采用寄生单元实现平面天线阵列阻抗带宽的拓展。第一组寄生单元位于每个阵元正上方，通过影响每个阵元的辐射阻抗来拓展天线带宽；第二组寄生单元位于平面天线阵列的两侧，通过影响阵列近场分布来拓展天线带宽。
1.结构组成(构成成分、零部件)
方案中介质谐振器天线阵列的中心频率为26Ghz，结构的介质基板材质是ArlonDiClad 880(tm)，地面由一层铜皮构成，介质谐振器材质是“Rogers RT/duroid 6010/6010LM(tm)”，长宽均为4.5mm,高度为1.27mm，折光片由“Rogers RT/duroid 5880(tm)”构成，长宽均为4.5mm，高度为1mm，微带线由铜片构成。
由下往上分别是微带线，介质基板，地面，介质谐振器天线单元，折光片，一共有80个介质谐振器天线，其中64个为辐射天线，16个作为寄生元件。一共有64个折光片覆盖在辐射天线上方，2个一分四的微带功分器.
2.各部分之间的连接关系以及功能作用
各部分连接是微带线紧贴在介质基板下方，用于传输能量，铜片贴在介质基板上方，作用是用来反射电磁波，铜片会分割出64个矩形的缝隙，以此让微带线能从下方把能量馈入介质谐振器单元，介质谐振器天线贴在铜片上方用来发射电磁波。由于是面阵列结构，其增益较高，最高增益为18.7dB,且为笔状波束型.
其中有16个没有馈电的介质谐振器是作为寄生元件，改变了近场分布，从而影响了辐射阻抗，提高带宽。
折光片在介质谐振器上方，用于提升带宽和矫正方向图，详细数据见图4。
馈电方式采用了驻波式串联馈电，阵列纵向间距接近1个介质波长，为2.65mm使馈线上入射波和反射波叠加实现驻波传输，横向间距1.3mm，较为紧密，其结构简洁，加工方便。
为降低副瓣电平，利用缝隙宽度渐变实现切比雪夫的波束赋形。详细数据见图5。
纵向缝隙之间距离始终保持不变为7.3mm，馈电通过T型结微带功分器(见图6)将能量等相位地传输到8条微带支线上。
3.各部分或某一部分可达到相同目的的其他替换方案
馈电网络部分，采用微带馈线设计的2个一分四功分器可以由一个一分八功分器代替。
4.实现效果
天线阵列的最大增益为18.7dB，波束为高定向波束。有效带宽为550MHz。
表现出了高定向，小型化，易实现的效果。能很好地适用于与车联网射频系统的互连，详细数据见图7。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种用于车联网通信的毫米波介质谐振器天线阵列，其特征在于：该毫米波介质谐振器天线阵列由下往上依次包括：
微带线、介质基板、地面、介质谐振器天线单元和折光片；
所述毫米波介质谐振器天线阵列采用立方体介质谐振器建立，由M行N列的介质谐振器天线单元组成；
所述折光片覆盖在辐射天线上方；
所述微带线为一分四的微带功分器。
2.根据权利要求1所述的一种用于车联网通信的毫米波介质谐振器天线阵列，其特征在于：所述毫米波介质谐振器天线阵列的中心频率为26GHz，天线阵列印刷电路板结构的介质基板材质是相对介电常数在1.5至3.0之间的各向同性均匀介质；
所述地面由一层铜皮组成；
所述介质谐振器天线单元的材质是相对介电常数在8.0至11.0之间的各向同性均匀介质，介质谐振器天线单元尺寸对应TE111谐振模式；
所述折光片的材质为相对介电常数在1.5至3.0之间的各向同性均匀介质，折光片尺寸小于等于所述介质谐振器天线单元尺寸；
所述微带线的材质为铜片。
3.根据权利要求1所述的一种用于车联网通信的毫米波介质谐振器天线阵列，其特征在于：所述介质谐振器天线单元为80个，其中，64个为辐射天线，16个为寄生元件；
所述折光片为64个；
所述微带线为2个。
4.根据权利要求1所述的一种用于车联网通信的毫米波介质谐振器天线阵列，其特征在于：所述介质谐振器天线单元的每行直线子阵列采用驻波串联馈电技术进行馈电。
5.根据权利要求1所述的一种用于车联网通信的毫米波介质谐振器天线阵列，其特征在于：所述介质谐振器天线单元的每行直线子阵列中的每个阵元采用微带缝隙耦合馈电形式进行馈电。
6.根据权利要求1所述的一种用于车联网通信的毫米波介质谐振器天线阵列，其特征在于：所述介质谐振器天线单元的每行直线子阵列内部各个的馈电缝隙间距相同，在介质谐振器天线单元的内缝隙处的馈电位置进行微调，用于扩展天线的阻抗带宽。
7.根据权利要求1所述的一种用于车联网通信的毫米波介质谐振器天线阵列，其特征在于：所述介质谐振器天线单元的每行直线子阵列的馈电缝隙为渐变结构，用于实现横向每行直线子阵列的低副瓣高增益特性；
具体为，每行直线子阵列的馈电缝隙长度由中间向两端递减，以实现切比雪夫波束赋形的效果。
8.根据权利要求1所述的一种用于车联网通信的毫米波介质谐振器天线阵列，其特征在于：所述介质谐振器天线单元的每行直线子阵列采用不等分功率分配器连接，以实现每列直线子阵列的低副瓣高增益特性；
具体为：中间行直线子阵列的功分器输出支路的输出功率，大于两侧行直线子阵列的功分器输出支路的输出功率；通过调整每个输出支路的特征阻抗实现对应支路的输出功率大小控制，以实现泰勒多项式波束赋形效果。
9.根据权利要求1所述的一种用于车联网通信的毫米波介质谐振器天线阵列，其特征在于：所述毫米波介质谐振器天线阵列的阻抗带宽拓展采用寄生单元实现；
第一组寄生单元位于每个阵元正上方，通过影响每个阵元的辐射阻抗来拓展天线带宽；
第二组寄生单元位于平面天线阵列的两侧，通过影响阵列近场分布来拓展天线带宽。
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