CN112952390B - 一种基于抛物面的衬底互换多波束缝隙天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于抛物面的衬底互换多波束缝隙天线，涉及天线领域。所述多波束缝隙天线包括：馈电单元和辐射单元，馈电单元基于第一介质基板制作而成，围绕第一介质基板的周边，设有不同方位的多个馈电端口；辐射单元基于第二介质基板制作而成，第二介质基板作为衬底，与第一介质基板进行拼接；第二介质基板与第一介质基板拼接处按照抛物面形状制作成抛物面，第二介质基板远离抛物面的一侧蚀刻有矩形缝隙；第一介质基板的介电常数与第二介质基板的介电常数不同。本发明不仅使得多波束缝隙天线具有更大的灵活性，而且有助于缩短天线设计、制作周期，间接降低了天线的成本，对多波束天线的周期、成本的控制非常可观的，具有很高的实用性价值。

Description

一种基于抛物面的衬底互换多波束缝隙天线
技术领域
本发明涉及天线领域，特别是涉及一种基于抛物面的衬底互换多波束缝隙天线。
背景技术
随着5G技术的普及，毫米波多波束天线得到了广泛的研究，毫米波多波束天线在移动卫星通信、汽车雷达、移动终端等各个领域具有广阔的应用前景。
在5G移动终端等设备上使用的天线要求波束扫描能力强、制作成本低、周转时间短、波束调谐方案简单。但目前的多波束天线在制作好之后，其性能也随之确定，例如：多波束天线工作时可以覆盖的角度、工作频率等基本就固定了。假若需要改变天线的性能，则需要重新设计天线并重新制作，导致整个天线的设计、制作周期较长，间接提高了多波束天线的成本。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于抛物面的衬底互换多波束缝隙天线。
本发明实施例提供一种基于抛物面的衬底互换多波束缝隙天线，所述多波束缝隙天线包括：馈电单元和辐射单元；
所述馈电单元基于第一介质基板制作而成，围绕所述第一介质基板的周边，设有不同方位的多个馈电端口；
所述辐射单元基于第二介质基板制作而成，所述第二介质基板作为衬底，与所述第一介质基板进行拼接；
所述第二介质基板与所述第一介质基板拼接处按照抛物面形状制作成抛物面，以起到抛物面透镜的作用；
所述第二介质基板远离所述抛物面的一侧蚀刻有矩形缝隙；
所述第一介质基板的上下表面镀铜箔，所述第一介质基板开设有多个金属化过孔，所述第一介质基板的金属化过孔从所述多个馈电端口至所述抛物面方向开设；
所述第二介质基板的上下表面镀铜箔，所述第二介质基板开设有多个金属化过孔，所述第二介质基板的金属化过孔从所述矩形缝隙至所述抛物面方向开设；
其中，所述第一介质基板的介电常数与所述第二介质基板的介电常数不同；
根据所述多波束缝隙天线的波束指向需求不同，确定所述第二介质基板上抛物面的参数也不同；
根据所述多波束缝隙天线的工作频率需求不同，确定所述第二介质基板的介电常数也不同；
所述第二介质基板上抛物面的参数不同，或者所述第二介质基板的介电常数不同时，对应的第二介质基板也需要更换为不同的介质基板。
可选地，所述矩形缝隙包括：m*n矩阵，所述m*n矩阵中每一个元素对应一个子矩形缝隙；
根据所述多波束缝隙天线的增益需求不同，确定所述m*n矩阵中元素的数量也不同。
可选地，所述第一介质基板与所述第二介质基板拼接处形成空气隙；
所述空气隙小于预设值。
可选地，所述第一介质基板包括：Rogers RT/duroid 5880，所述第一介质基板的介电常数为2.2。
可选地，所述第二介质基板包括：Rogers RT/duroid 6002，所述第二介质基板的介电常数为2.94。
可选地，所述空气隙采用铜箔进行密封。
可选地，所述第一介质基板与所述第二介质基板拼接后，采用外部固定件进行固定；
所述矩形缝隙外露，不被所述外部固定件遮挡。
可选地，所述第一介质基板和所述第二介质基板的厚度相同。
可选地，所述镀铜箔的铜箔厚度为0.035毫米。
可选地，所述第一介质基板和所述第二介质基板的厚度均为0.508毫米。
本发明提供的多波束缝隙天线，包括：馈电单元和辐射单元；馈电单元基于第一介质基板制作而成，围绕第一介质基板的周边，设有不同方位的多个馈电端口；辐射单元基于第二介质基板制作而成，第二介质基板作为衬底，与第一介质基板进行拼接；第二介质基板与第一介质基板拼接处按照抛物面形状制作成抛物面，以起到抛物面透镜的作用。这样的抛物面形状可以作为多波束形成网络，由此来产生天线的多个不同方向波束指向，即天线工作时覆盖的角度可以根据抛物面的参数决定。当需要不同覆盖角度时，只需要更换不同抛物面参数的第二介质基板即可，不再需要重新设计天线以及重新制作天线。
第二介质基板远离抛物面的一侧蚀刻有矩形缝隙；第一介质基板的介电常数与第二介质基板的介电常数不同；根据多波束缝隙天线的工作频率需求不同，确定第二介质基板的介电常数也不同。当需要不同工作频率时，只需要更换不同介电常数的第二介质基板即可，不再需要重新设计天线以及重新制作天线。
本发明的多波束缝隙天线，根据所需求的不同性能，只需对应更换不同的第二介质基板，即，本发明多波束缝隙天线的衬底可以互换，不再需要重新设计天线以及重新制作天线。不仅使得多波束缝隙天线具有更大的灵活性，而且有助于缩短天线设计、制作周期，间接降低了天线的成本，尤其是应用在大规模生产的行业中，对多波束天线的周期、成本的控制非常可观的，具有很高的实用性价值。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例一种基于抛物面的衬底互换多波束缝隙天线的正面示意图；
图2是本发明实施例一种基于抛物面的衬底互换多波束缝隙天线的背面示意图；
图3是本发明实施例中多波束缝隙天线#1、#2、#3三个馈电端口工作时的s参数曲线图；
图4是本发明实施例中多波束缝隙天线中部分馈电端口工作时相互耦合的S参数曲线图；
图5是本发明实施例中多波束缝隙天线中馈电端口工作时的增益、辐射效率参数曲线图；
图6是本发明实施例中多波束缝隙天线中馈电端口工作时的方向图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，并不用于限定本发明。
参照图1，示出了本发明实施例一种基于抛物面的衬底互换多波束缝隙天线的正面示意图，该多波束缝隙天线包括：馈电单元10和辐射单元20。由于馈电单元10和辐射单元20实质上是拼接的，也即两者是可以简便拆开的，因此两者之间会存在空气隙30。
馈电单元10基于第一介质基板制作而成，围绕第一介质基板的周边，设有不同方位的多个馈电端口，如图1中示例性的示出了5个馈电端口#1、#2、#3、#4、#5。这五个馈电口位于不同的方位，使得本发明的多波束缝隙天线从不同方位进行电磁波收发。第一介质基板的上下表面均镀铜箔，第一介质基板开设有多个金属化过孔101，第一介质基板的金属化过孔101从多个馈电端口至第二介质基板上的抛物面201方向开设。由图1中可以知晓，实质上金属化过孔101的排列方式对应着每个馈电端口与抛物面201之间电磁波的传播途径。
辐射单元20基于第二介质基板制作而成，第二介质基板作为衬底，与第一介质基板进行拼接；第二介质基板与第一介质基板拼接处按照抛物面形状制作成抛物面201，该抛物面201可以起到抛物面透镜的作用，其作为多波束形成网络，由此来产生多波束缝隙天线的多个不同方向波束指向，即，多波束缝隙天线工作时覆盖的角度可以根据抛物面201的参数决定。由图1可以知晓，第二介质基板与第一介质基板的形状相匹配，这两者才可以拼接。根据实际仿真测试，两者拼接处的空气隙30的大小需要小于阈值，阈值可以为0.5毫米，同时为了防止电磁波损耗，空气隙30也需要采用铜箔进行密封。
第二介质基板远离抛物面201的一侧蚀刻有矩形缝隙202；矩形缝隙包括：m*n矩阵，该m*n矩阵中每一个元素对应一个子矩形缝隙。矩形缝隙202中子矩形缝隙的数量，是根据多波束缝隙天线的增益需求确定的，多波束缝隙天线的增益需求不同，确定m*n矩阵中元素的数量也不同，即确定矩形缝隙202中子矩形缝隙的数量不同。
第二介质基板的上下表面也需要镀铜箔，同样的，第二介质基板也需要开设多个金属化过孔203，第二介质基板的金属化过孔203从矩形缝隙202至抛物面201方向开设。由图1中可以知晓，实质上金属化过孔203的排列方式对应着抛物面201与矩形缝隙202之间电磁波的传播途径。
本发明实施例中的多波束缝隙天线，基于两个不同介电常数的介质基板拼接而成，第一介质基板的厚度和第二介质基板的厚度相同，一种优选的第一介质基板和第二介质基板的厚度可以为0.508毫米。两个介质基板上均需要镀铜箔，所镀铜箔的厚度优选为0.035毫米。一种优选的第一介质基板可以包括：Rogers RT/duroid 5880，第一介质基板的介电常数优选为2.2。一种优选的第二介质基板可以包括：Rogers RT/duroid 6002，第二介质基板的介电常数优选为2.94。第二介质基板的介电常数不同，则使得多波束缝隙天线的工作频率也不同。
参照图2，示出了本发明实施例一种基于抛物面的衬底互换多波束缝隙天线的背面示意图，结合图1可以知晓，多波束缝隙天线的所有金属化过孔，以及矩形缝隙均贯穿介质基板。图2中对应于图1正面示意图中相应位置的标识不再示出，图2中第一介质基板10上的四个金属化过孔102、103、104、105的作用是去耦合，消除五个馈电端口之间的耦合。这4个金属化过孔102、103、104、105对应图1中相应位置的金属化过孔，图1中为了图示的简洁，未标识出来。
图2中第二介质基板20上靠近图示最右侧的子矩形缝隙周边，有9个金属化过孔，图2中为了简洁示例性的标识出204、205、206，这9个金属化过孔的作用也是去耦合，消除矩形缝隙中每一行子矩形缝隙之间的耦合。这9个金属化过孔对应图1中相应位置的金属化过孔，图1中为了图示的简洁，未标识出来。
本发明实施例中，由于第一介质基板与第二介质基板之间是拼接，所以两者之间的连接不是很牢固，不能满足多波束缝隙天线的牢靠强度，因此需要采用外部固定件进行固定，外部固定件可以为金属、塑料等材质，不作具体限定，但需要保证第二介质基板上的矩形缝隙202外露，不被外部固定件遮挡。本发明实施例对第一介质基板和第二介质基板的固定方式不做具体限定，只需保证两者连接牢靠，并且易于第二介质基板的互换。
本发明的多波束缝隙天线，第二介质基板与第一介质基板拼接处按照抛物面形状制作成抛物面，以起到抛物面透镜的作用。这样的抛物面形状可以作为多波束形成网络，由此来产生天线的多个不同方向波束指向，即天线工作时覆盖的角度可以根据抛物面的参数决定。第二介质基板远离抛物面的一侧蚀刻有矩形缝隙；根据多波束缝隙天线的增益需求不同，确定矩形缝隙中子矩形缝隙的数量也不同。根据多波束缝隙天线的工作频率需求不同，确定第二介质基板的介电常数也不同。
因此，当需要多波束缝隙天线覆盖不同角度，或者需要不同工作频率，或者需要不同增益时，不再需要重新设计天线以及重新制作天线，只需要更换不同介电常数的第二介质基板即可，不再需要重新设计天线以及重新制作天线。即，本发明多波束缝隙天线的衬底可以互换，不再需要重新设计天线以及重新制作天线。不仅使得多波束缝隙天线具有更大的灵活性，而且有助于缩短天线设计、制作周期，间接降低了天线的成本，尤其是应用在大规模生产的行业中，对多波束天线的周期、成本的控制非常可观的，具有很高的实用性价值。
以下针对上述多波束缝隙天线的性能进行模拟仿真测试和实测，得到的结果如下：
参照图3，示出了多波束缝隙天线在#1、#2、#3三个馈电端口工作时的s参数曲线图；其中，Frequency指天线工作频率，S-parameters指天线的s参数值，图3中，由实线加正方形组成的曲线为#1馈电端口工作时天线的s11参数仿真曲线，由短横线加正方形组成的曲线为#1馈电端口工作时天线的s11参数实测曲线；由实线加圆形组成的曲线为#2馈电端口工作时天线的s22参数仿真曲线，由短横线加圆形组成的曲线为#2馈电端口工作时天线的s22参数实测曲线；由实线加三角形组成的曲线为#3馈电端口工作时天线的s33参数仿真曲线，由短横线加三角形组成的曲线为#3馈电端口工作时天线的s33参数实测曲线。由图中反映出，本发明的多波束缝隙天线的s参数小于-10dB，满足实际使用要求。
参照图4，示出了多波束缝隙天线中部分馈电端口工作时相互耦合的S参数曲线图；其中，Frequency指天线工作频率，S-parameters指天线的s参数值，图4中，由实线加正方形组成的曲线为#1、#2馈电端口工作时相互耦合的s21参数仿真曲线，由短横线加正方形组成的曲线为#1、#2馈电端口工作时相互耦合的s21参数实测曲线；由实线加圆形组成的曲线为#3、#1馈电端口工作时相互耦合的s31参数仿真曲线，由短横线加圆形组成的曲线为#3、#1馈电端口工作时相互耦合的s31参数实测曲线；由实线加上三角形组成的曲线为#4、#1馈电端口工作时相互耦合的s41参数仿真曲线，由短横线加上三角形组成的曲线为#4、#1馈电端口工作时相互耦合的s41参数实测曲线；由实线加下三角形组成的曲线为#5、#1馈电端口工作时相互耦合的s51参数仿真曲线，由短横线加下三角形组成的曲线为#5、#1馈电端口工作时相互耦合的s51参数实测曲线；由实线加菱形组成的曲线为#3、#2馈电端口工作时相互耦合的s32参数仿真曲线，由短横线加菱形组成的曲线为#3、#2馈电端口工作时相互耦合的s32参数实测曲线。由图中反映出，本发明的多波束缝隙天线馈电端口相互耦合的s参数也小于-10dB，满足实际使用要求。
参照图5，示出了多波束缝隙天线中馈电端口工作时的增益、辐射效率参数曲线图；其中，Frequency指天线工作频率，Gain指天线的增益，Efficiency指天线的辐射效率。图5中，上半部分为增益参数曲线。由实线加正方形组成的曲线为#1馈电端口工作时天线的增益参数仿真曲线，由短横线加正方形组成的曲线为#1馈电端口工作时天线的增益参数实测曲线；由实线加圆形组成的曲线为#2馈电端口工作时天线的增益参数仿真曲线，由短横线加圆形组成的曲线为#2馈电端口工作时天线的增益参数实测曲线；由实线加上三角形组成的曲线为#3馈电端口工作时天线的增益参数仿真曲线，由短横线加上三角形组成的曲线为#3馈电端口工作时天线的增益参数实测曲线；由实线加下三角形组成的曲线为#4馈电端口工作时天线的增益参数仿真曲线，由短横线加下三角形组成的曲线为#4馈电端口工作时天线的增益参数实测曲线；由实线加菱形组成的曲线为#5馈电端口工作时天线的增益参数仿真曲线，由短横线加菱形组成的曲线为#5馈电端口工作时天线的增益参数实测曲线。由图中反映出，本发明的多波束缝隙天线所有馈电端口工作时的增益参数均处于9dBi～15dBi之间，满足实际使用要求。
图5中，下半部分为辐射频率参数曲线。由实线加正方形组成的曲线为#1馈电端口工作时天线的辐射频率参数仿真曲线，由短横线加正方形组成的曲线为#1馈电端口工作时天线的辐射频率参数实测曲线；由实线加圆形组成的曲线为#2馈电端口工作时天线的辐射频率参数仿真曲线，由短横线加圆形组成的曲线为#2馈电端口工作时天线的辐射频率参数实测曲线；由实线加上三角形组成的曲线为#3馈电端口工作时天线的辐射频率参数仿真曲线，由短横线加上三角形组成的曲线为#3馈电端口工作时天线的辐射频率参数实测曲线；由实线加下三角形组成的曲线为#4馈电端口工作时天线的辐射频率参数仿真曲线，由短横线加下三角形组成的曲线为#4馈电端口工作时天线的辐射频率参数实测曲线；由实线加菱形组成的曲线为#5馈电端口工作时天线的辐射频率参数仿真曲线，由短横线加菱形组成的曲线为#5馈电端口工作时天线的辐射频率参数实测曲线。由图中反映出，本发明的多波束缝隙天线所有馈电端口工作时的辐射频率参数均处于65％～85％之间，满足实际使用要求。
参照图6，示出了多波束缝隙天线中馈电端口工作时的方向图；其中，Theta指波束宽度，Radiation pattern指辐射方向。图6中。由实线组成的曲线分别为#1、#2、#3、#4、#5馈电端口工作时天线的方向图仿真曲线，由短横线组成的曲线分别为#1、#2、#3、#4、#5馈电端口工作时天线的方向图实测曲线。由图中反映出，本发明的多波束缝隙天线所有馈电端口工作时的3dB波束覆盖范围为-65°～67°之间，满足实际使用要求。
综上所述，本发明的多波束缝隙天线，第二介质基板的抛物面形状可以作为多波束形成网络，由此来产生天线的多个不同方向波束指向，即天线工作时覆盖的角度可以根据抛物面的参数决定。第二介质基板远离抛物面的一侧蚀刻有矩形缝隙；根据多波束缝隙天线的增益需求不同，确定矩形缝隙中子矩形缝隙的数量也不同。根据多波束缝隙天线的工作频率需求不同，确定第二介质基板的介电常数也不同。
因此，当需要多波束缝隙天线覆盖不同角度，或者需要不同工作频率，或者需要不同增益时，不再需要重新设计天线以及重新制作天线，只需要更换不同介电常数的第二介质基板即可，不再需要重新设计天线以及重新制作天线。即，本发明多波束缝隙天线的衬底可以互换，不再需要重新设计天线以及重新制作天线。不仅使得多波束缝隙天线具有更大的灵活性，而且有助于缩短天线设计、制作周期，间接降低了天线的成本，尤其是应用在大规模生产的行业中，对多波束天线的周期、成本的控制非常可观的，具有很高的实用性价值。
还需要说明的是，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、方法所固有的要素。
以上对本发明所提供的一种基于抛物面的衬底互换多波束缝隙天线，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种基于抛物面的衬底互换多波束缝隙天线，其特征在于，所述多波束缝隙天线包括：馈电单元和辐射单元；
所述馈电单元基于第一介质基板制作而成，围绕所述第一介质基板的周边，设有不同方位的多个馈电端口；
所述辐射单元基于第二介质基板制作而成，所述第二介质基板作为衬底，与所述第一介质基板进行拼接；
所述第二介质基板与所述第一介质基板拼接处按照抛物面形状制作成抛物面，以起到抛物面透镜的作用；
所述第二介质基板远离所述抛物面的一侧蚀刻有矩形缝隙；
所述第一介质基板的上下表面镀铜箔，所述第一介质基板开设有多个金属化过孔，所述第一介质基板的金属化过孔从所述多个馈电端口至所述抛物面方向开设；
所述第二介质基板的上下表面镀铜箔，所述第二介质基板开设有多个金属化过孔，所述第二介质基板的金属化过孔从所述矩形缝隙至所述抛物面方向开设；
其中，所述第一介质基板的介电常数与所述第二介质基板的介电常数不同，且所述第一介质基板和所述第二介质基板的厚度相同；
根据所述多波束缝隙天线的波束指向需求不同，确定所述第二介质基板上抛物面的参数也不同；
根据所述多波束缝隙天线的工作频率需求不同，确定所述第二介质基板的介电常数也不同；
所述第二介质基板上抛物面的参数不同，或者所述第二介质基板的介电常数不同时，对应的第二介质基板也需要更换为不同的介质基板。
2.根据权利要求1所述的多波束缝隙天线，其特征在于，所述矩形缝隙包括：m*n矩阵，所述m*n矩阵中每一个元素对应一个子矩形缝隙；
根据所述多波束缝隙天线的增益需求不同，确定所述m*n矩阵中元素的数量也不同。
3.根据权利要求1所述的多波束缝隙天线，其特征在于，所述第一介质基板与所述第二介质基板拼接处形成空气隙；
所述空气隙小于预设值。
4.根据权利要求1所述的多波束缝隙天线，其特征在于，所述第一介质基板包括：Rogers RT/duroid 5880，所述第一介质基板的介电常数为2.2。
5.根据权利要求1所述的多波束缝隙天线，其特征在于，所述第二介质基板包括：Rogers RT/duroid 6002，所述第二介质基板的介电常数为2.94。
6.根据权利要求3所述的多波束缝隙天线，其特征在于，所述空气隙采用铜箔进行密封。
7.根据权利要求1所述的多波束缝隙天线，其特征在于，所述第一介质基板与所述第二介质基板拼接后，采用外部固定件进行固定；
所述矩形缝隙外露，不被所述外部固定件遮挡。
8.根据权利要求1所述的多波束缝隙天线，其特征在于，所述镀铜箔的铜箔厚度为0.035毫米。
9.根据权利要求1所述的多波束缝隙天线，其特征在于，所述第一介质基板和所述第二介质基板的厚度均为0.508毫米。
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