CN113594714B - 一种空气基片集成波导喇叭馈电的毫米波天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空气基片集成波导喇叭馈电的毫米波天线阵列，包括基于空气基片集成波导的H面喇叭馈电网络和毫米波平面偶极子天线单元，H面喇叭馈电网络包括三层介质基片，中间层介质基片上设置有贯穿第三金属层、第二介质层和第四金属层的金属化通孔，中间层介质基片挖空形成空气填充结构，空气填充结构内设置有若干金属通孔阵列用于形成H面喇叭馈电网络的输出端口，毫米波平面偶极子天线单元连接着H面喇叭馈电网络的输出端口。本发明通过在空气基片集成波导H面喇叭中引入金属通孔阵列和移相结构，可同时实现高辐射效率和高口径效率，解决了现有天线阵列口径效率和辐射效率低的问题，适用于毫米波无线通信应用。

Description

一种空气基片集成波导喇叭馈电的毫米波天线阵列
技术领域
本发明涉及微波毫米波领域，具体涉及一种空气基片集成波导喇叭馈电的毫米波天线阵列。
背景技术
基于基片集成波导的H面喇叭天线可提供较高增益的端向辐射波束，且天线具有简单平面结构，因此在毫米波无线通信应用中受到广泛关注。同时，基于基片集成波导的H面喇叭天线还可作为馈电网络激励其他平面天线，以获得更高的天线增益。然而由于喇叭天线口面电场的幅度和相位分布不均匀，导致其激励的天线阵列口径效率较低。另一方面，随着工作频率升高到毫米波频段，基片集成波导的介质损耗增大，这使得基片集成波导H面喇叭天线馈电网络的插入损耗增加，降低了天线阵列的辐射效率。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种空气基片集成波导喇叭馈电的毫米波天线阵列，可以同时提高同类天线阵列的口径效率和辐射效率。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种空气基片集成波导喇叭馈电的毫米波天线阵列，包括基于空气基片集成波导的H面喇叭馈电网络和天线单元，所述H面喇叭馈电网络包括三层介质基片，由上往下分别为上层介质基片、中间层介质基片和下层介质基片，所述中间层介质基片由上往下分别为第三金属层、第二介质层和第四金属层，所述中间层介质基片上设置有贯穿第三金属层、第二介质层和第四金属层的金属化通孔，所述中间层介质基片挖空形成空气填充结构，所述空气填充结构内设置有若干金属通孔阵列用于形成H面喇叭馈电网络的输出端口，所述天线单元连接着H面喇叭馈电网络的输出端口。
进一步地，所述上层介质基片由上往下分别为第一金属层、第一介质层和第二金属层，所述下层介质基片由上往下分别为第五金属层、第三介质层和第六金属层。
进一步地，所述H面喇叭馈电网络的输入端口连接着第一转接结构，所述第一转接结构用于将输入端口连接至微带线。
进一步地，所述第二介质层上设置有第二转接结构，所述第二转接结构连接着第一转接结构用于转接微带线至接地共面波导，毫米波天线阵列通过第二转接结构连接至同轴接头实现馈电。
进一步地，所述天线单元印刷在第二介质层上，且连接着H面喇叭馈电网络的输出端口形成天线阵列。
进一步地，所述天线单元为毫米波平面偶极子天线单元。
进一步地，所述第二介质层在其辐射口面前方的介质向辐射方向延伸形成延伸部，能够有效提高天线的增益。
进一步地，所述空气填充结构中位于金属通孔阵列之间设置有空气基片集成波导移相器，所述空气基片集成波导移相器用于调控端口输出信号之间的相位差，实现馈电网络的等幅同相输出。
进一步地，所述第一转接结构为渐变结构，将空气基片集成波导喇叭的输入端口连接至微带线，便于天线馈电。
本发明的创新点主要在于基于空气基片集成波导喇叭的馈电网络设计，该馈电网络由于是空气填充结构，具有较低的插入损耗，可提高天线阵列的辐射效率；同时由于金属通孔阵列和移相结构的引入使得该馈电网络具有等幅同相信号输出，从而可提高天线阵列的口径效率。
有益效果：本发明与现有技术相比，通过在空气基片集成波导H面喇叭中引入金属通孔阵列和移相结构，可得到具有等幅同相信号输出的若干输出端口，形成基于空气基片集成波导的H面喇叭馈电网络，将该馈电网络与偶极子天线单元连接，所得到的毫米波平面天线阵列可同时实现高辐射效率和高口径效率，解决了现有天线阵列口径效率和辐射效率低的问题，适用于毫米波无线通信应用，并且提升了天线阵列的应用效果。
附图说明
图1为本发明空气基片集成波导喇叭馈电的毫米波天线阵列的结构图；
图2为本发明空气基片集成波导喇叭馈电的毫米波天线阵列的第三金属层和第二介质层结构示意图；
图3为本发明空气基片集成波导喇叭馈电的毫米波天线阵列的第四金属层结构示意图；
图4为本发明空气基片集成波导喇叭馈电网络的S参数仿真结果图；
图5为本发明空气基片集成波导喇叭馈电网络输出信号之间的幅度差和相位差的仿真结果图；
图6为本发明空气基片集成波导喇叭馈电的毫米波天线阵列的仿真和实测的反射系数和增益，以及仿真的辐射效率；
图7为本发明空气基片集成波导喇叭馈电的毫米波天线阵列的仿真和实测的方向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明提供一种空气基片集成波导喇叭馈电的毫米波天线阵列，包括基于空气基片集成波导的H面喇叭馈电网络、毫米波平面偶极子天线单元、空气波导与微带线的第一转接结构和微带线至接地共面波导的第二转接结构，H面喇叭馈电网络包括三层介质基片，由上往下分别为上层介质基片、中间层介质基片和下层介质基片，上层介质基片由上往下分别为第一金属层1、第一介质层2和第二金属层3，中间层介质基片由上往下分别为第三金属层4、第二介质层5和第四金属层6，下层介质基片由上往下分别为第五金属层7、第三介质层8和第六金属层9，上层介质基片和下层介质基片提供电边界以构成封闭喇叭结构。
如图2和图3所示，中间层介质基片上设置有贯穿第三金属层4、第二介质层5和第四金属层6的金属化通孔16，且第三金属层4、第二介质层5和第四金属层6内部挖空形成空气填充结构12，挖空后的第三金属层4、第二介质层5和第四金属层6与金属化通孔16共同构成空气填充喇叭的主体结构，空气填充结构12内设置有三个金属通孔阵列13，这样三个金属通孔阵列13与主体结构之间形成H面喇叭馈电网络的四个输出端口，本实施例中通过将空气填充喇叭分隔出四个宽度相等的空气基片集成波导输出端口。通过调整金属化通孔阵列13的位置和长度，可以控制四个输出端口间输出信号的幅度差，从而得到等幅信号输出，此时由于输入信号到各输出端口的路径不同，导致输出信号间相位仍不相等，因此引入两个介质加载的空气基片集成波导移相器14，将两个空气基片集成波导移相器14分别设置于三个金属通孔阵列13之间，通过调整加载介质的尺寸，可控制移相器引入的相移量，实现馈电网络的同相输出。
本发明中H面喇叭馈电网络的输入端口连接着渐变结构的第一转接结构11，用于将H面喇叭馈电网络的输入端口连接至微带线，第二介质层5上设置有第二转接结构10，第二转接结构10连接着第一转接结构11用于转接微带线至接地共面波导，毫米波天线阵列通过第二转接结构10连接至同轴接头实现馈电。
本发明中毫米波平面偶极子天线单元包括四个偶极子天线，四个偶极子天线印刷在第二介质层5上构成1×4平面偶极子天线阵列15，四个偶极子天线分别连接着H面喇叭馈电网络的四个输出端口，第二介质层在1×4平面偶极子天线阵列15的辐射口面前方的介质向辐射方向延伸形成延伸部，能够有效提高天线的增益。
基于上述方案，为了验证本发明提供的毫米波天线阵列的应用效果，进行如下仿真及测试，具体的结果如下：
图4和图5分别为空气基片集成波导喇叭馈电网络的S参数仿真结果图以及输出信号之间幅度差和相位差的仿真结果图。可以看出，该馈电网络的反射系数在38.5至47.5GHz频段内小于-10dB且插入损耗低于1dB。同时，在38.5至47GHz频段内，输出信号间的幅度差在±1dB以内，相位差在±10°以内。
如图6所示为天线阵列仿真和实测的反射系数及增益，以及仿真的辐射效率。天线对于反射系数小于-10dB的实测工作带宽为15.5％(从39.2至45.8GHz)；在此工作频带内，天线实测增益在10.8至12.5dBi之间，增益稳定；天线阵列的辐射效率较高，在90％左右。
图7为天线阵列在42GHz频点下H面和E面的仿真和实测辐射方向图，可以看到，实测结果和仿真结果吻合良好，天线阵列的交叉极化低于-10dB，前后比大于20dB。

Claims (8)

1.一种空气基片集成波导喇叭馈电的毫米波天线阵列，其特征在于，包括基于空气基片集成波导的H面喇叭馈电网络和天线单元，所述H面喇叭馈电网络包括三层介质基片，由上往下分别为上层介质基片、中间层介质基片和下层介质基片，所述中间层介质基片由上往下分别为第三金属层、第二介质层和第四金属层，所述中间层介质基片上设置有贯穿第三金属层、第二介质层和第四金属层的金属化通孔，所述中间层介质基片挖空形成空气填充结构，所述空气填充结构内设置有若干金属通孔阵列用于形成H面喇叭馈电网络的输出端口，所述天线单元连接着H面喇叭馈电网络的输出端口；
所述空气填充结构中位于金属通孔阵列之间设置有空气基片集成波导移相器，所述空气基片集成波导移相器用于调控端口输出信号之间的相位差。
2.根据权利要求1所述的一种空气基片集成波导喇叭馈电的毫米波天线阵列，其特征在于，所述上层介质基片由上往下分别为第一金属层、第一介质层和第二金属层，所述下层介质基片由上往下分别为第五金属层、第三介质层和第六金属层。
3.根据权利要求1所述的一种空气基片集成波导喇叭馈电的毫米波天线阵列，其特征在于，所述H面喇叭馈电网络的输入端口连接着第一转接结构，所述第一转接结构用于将输入端口连接至微带线。
4.根据权利要求3所述的一种空气基片集成波导喇叭馈电的毫米波天线阵列，其特征在于，所述第二介质层上设置有第二转接结构，所述第二转接结构连接着第一转接结构用于转接微带线至接地共面波导，毫米波天线阵列通过第二转接结构连接至同轴接头实现馈电。
5.根据权利要求1所述的一种空气基片集成波导喇叭馈电的毫米波天线阵列，其特征在于，所述天线单元印刷在第二介质层上，且连接着H面喇叭馈电网络的输出端口形成天线阵列。
6.根据权利要求1或5所述的一种空气基片集成波导喇叭馈电的毫米波天线阵列，其特征在于，所述天线单元为毫米波平面偶极子天线单元。
7.根据权利要求5所述的一种空气基片集成波导喇叭馈电的毫米波天线阵列，其特征在于，所述第二介质层在其辐射口面前方的介质向辐射方向延伸形成延伸部。
8.根据权利要求3所述的一种空气基片集成波导喇叭馈电的毫米波天线阵列，其特征在于，所述第一转接结构为渐变结构。
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