CN113659322B - 一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线 - Google Patents

一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线，包括介质板，介质板的底面设置有金属地板，介质板的正面刻蚀有四个方形贴片，方形贴片的任一对相邻的两个侧边均开有若干金属通孔，金属通孔与金属地板连接，方形贴片上设有馈电端口，解决了现有技术中存在的于波导的调控只能维持在一定的角度的问题。

Description

一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线
技术领域
本发明属于波导天线技术领域，涉及一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线。
背景技术
随着5G技术的兴起，特别是sub-6频段的商用化日益成熟，作为通信系统终端，对于sub-6天线的研究同时掀起一轮新的高潮，受制于空间的限制，小型化多功能天线受到人们越来越多的追捧，其中重要的一个分类就是多波束天线，这类天线可以在同一种天线结构中全时或是分时产生不同类型的波束，实现不同的功能，促进整个系统的简单化设计，是一种行之有效的手段。这些天线可以在预期的方向形成波束，使网络避开干扰和噪声源，从而为减少多径衰落现象提供了一种有效的方法。因此，它们提供更高的单噪声比(SNR)、更高的分集增益和更高的数据传输速率。传统的多波束天线一般需要多层天线结构和昂贵而复杂的移相网络，它们不适合低价的现代商用便携式无线收发器。一些学者在研究多波束天线方面取得了很大的进步，效果很好，该天线阵列基于宽带贴片天线单元和巴特勒矩阵馈电网络。有一个广泛的辐射模式，用于广角光束控制，并允许同时操作两个正交的线偏振，
基片集成波导(SIW)的出现满足了人们对于低剖面天线的需求，这种形式的天线结构简单，具有较高的Q值和方向性，它们可以很容易地与电路集成。为了实现紧凑的尺寸，在无源器件和天线的设计中引入虚拟磁壁的半模式或四分之一模式基片集成波导引起人们的关注。
利用半模或是四分之一模式的基片集成波导(QMSIW)的小型化特性实现对波束的调控也是当下研究的热点。但是，目前，利用半模或是四分之一模式的基片集成波导，有的只能实现单一倾斜波束，有的对于波导的调控只能维持在一定的角度，缺少小角度波束调控的能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线，解决了现有技术中存在的于波导的调控只能维持在一定的角度的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线，包括介质板，介质板的底面设置有金属地板，介质板的正面刻蚀有四个方形贴片，方形贴片的任一对相邻的两个侧边均开有若干金属通孔，金属通孔与金属地板连接，方形贴片上设有馈电端口。
本发明的特点还在于：
方形贴片上均刻蚀一个条带性缝隙。
四个方形贴片相邻放置，四个方形贴片上的金属地板均相对，四个方形贴片相邻组成一个正方形。
相邻的两个方形贴片之间共享金属通孔。
方形贴片采用同轴馈电。
本发明的有益效果是：本发明的目的是提供一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线，解决了现有技术中存在的于波导的调控只能维持在一定的角度的问题。可以实现170MHz工作带宽(2.5GHz-2.67GHz)，在工作频带内，相邻单元之间的耦合基本大于15dB，说明相近单元之间的相互影响较小，组阵之后不会降低天线整体性能，也验证了共用金属通孔设计的可行性。通过对四个端口的相位和幅度的控制，可以实现19种不同状态波束的调控，一共分为四种类型，其中第一类是多端口形式全空间调控，包括8 种倾斜角波束，另外还有单端口馈电形式的全空间调控，包括4种倾斜角波束，第二类是双波束形式，一共有4种波束形式，分别是x轴、y轴和两条对角线实现双波束覆盖。第三类是多波束形式，包含一个环形波束和一个四波束。第四类是波束聚焦，在+Z方向上实现高增益天线阵列。利用多波束辐射覆盖几乎所有空间区域的多端口天线。
附图说明
图1是本发明一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线中单元结构示意图；
图2是本发明一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线中单元结构演变示意图；
图3是本发明一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线中单元结构演变S11对比示意图；
图4是本发明一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线中 W1随频率变化曲线示意图；
图5是本发明一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线中 L5随频率变化曲线示意图；
图6是本发明一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线中阵列结构示意图；
图7是本发明一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线中S 参数仿真实测示意图；
图8是本发明一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线中状态1-8的3D方向示意图；
图9是本发明一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线中状态1的E面和H面示意图；
图10是本发明一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线中状态5的E面和H面示意图；
图11是本发明一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线中状态16-19的3D方向示意图；
图12是本发明一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线中状态16的E面和H面示意图；
图13是本发明一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线中状态9-10的3D方向示意图；
图14是本发明一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线中状态10的E面和方位面示意图；
图15是本发明一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线中状态11-12的3D方向示意图；
图16是本发明一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线中状态11的E面和方位面示意图；
图17是本发明一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线中状态13的3D方向示意图；
图18是本发明一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线中状态13的E面和方位面示意图；
图19是本发明一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线中状态14的3D方向示意图；
图20是本发明一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线中状态14的E面和方位面示意图；
图21是本发明一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线中状态15的3D方向示意图；
图22是本发明一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线中状态15的E面和H面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线，其特征在于，包括介质板，介质板的底面设置有金属地板，介质板的正面刻蚀有四个方形贴片，方形贴片的任一对相邻的两个侧边均开有若干金属通孔，金属通孔与金属地板连接，方形贴片上设有馈电端口，方形贴片上均刻蚀一个条带性缝隙。四个方形贴片相邻放置，四个方形贴片上的金属地板均相对，四个方形贴片相邻组成一个正方形。相邻的两个方形贴片之间共享金属通孔。方形贴片采用同轴馈电。
本发明一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线，其特征在于，如图1所示，四分之一模式的基片集成波导天线单元的正面和侧面结构以及尺寸标注，方形贴片刻蚀在边长为L1的F4B介质板的正面，(εr＝2.65, tanδ＝0.0009)，介质板的背面是金属地板，厚度为H。直径Dsiw，间距Psiw的金属化通孔连接贴片和地板，构成了四分之一模式的基片集成波导的基本结构，宽度为W1的缝隙用于增加一个辐射模式，从而达到增加工作带宽的目的。天线单元由统筹电缆进行馈电，馈电点距离贴片边界的距离分别是 L3和L4，参数的具体数值如表1所示。
表1参数表(mm)
L1 L2 L3 L4 L5
45 25 6 13 1.8
W1 Dsiw Psiw H
0.8 0.5 0.9 1.5
如图2所示，基片集成波导谐振腔(Ant.1)一般传播基模，也就是TM01 模式，通过在贴片四周刻蚀金属化通孔就形成的SIW谐振腔，谐振腔的尺寸决定了谐振频率，接下来，为了实现天线的小型化设计，引入了四分之一模式的基片集成波导的概念，通过对基片集成波导进行两次折叠，就形成了四分之一模式的基片集成波导谐振腔(Ant.2)，此时天线的辐射模式并没有改变，仍然是基模，但是整体的尺寸只有原来的1/4。接下来在贴片上刻蚀条带性缝隙，形成Ant.3，也就是本发明一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线的单元结构，两个辐射模式(一个四分之一模和一个八分之一模)。如图3所示，通过多模式的引入，天线的工作带宽得到了较大的提升，工作带宽由20MHz(2.49GHz-2.51GHz)增加到 120MHz(2.5GHz-2.62GHz).为了更好的分析条带性缝隙对天线的影响，如图 4所示，随着W1增加，低频的谐振点逐渐向高频靠拢，而高频基本保持不变，这说明缝隙宽度改变并没有影响天线本身的辐射模式，只是单纯的对于附加模式，也就是八分之一模式起调节作用，通过选取适当的W1值，就可以调整工作带宽。如图5所示，随着L5的增大，两个谐振点均向中间靠拢，并且阻抗特性变好。这说明缝隙改变了原有的电流分布，随着L5增大，右下部分的三角形尺寸变小，谐振频率上升，所以低频向高频偏移，这也印证了图4中低频谐振点是由附加模式产生的推论。另一方面，L5的变化也造成了左边三角形变化，改变了表面电流的长度，从而影响了高频模式的谐振频率，通过观察L5的变化规律，最终选取L5＝1.8mm。
如图6所示，阵列由四个单元顺序旋转900组成，相邻单元之间共用金属化通孔，这样可以进一步减小尺寸，简化设计，实现小型化。对于基片集成波导谐振腔天线来说，金属化通孔边缘可以看成电壁，因此，相邻的单元之间由金属通孔相互隔离，电流被抑制在各自的腔内，并不会对其他单元造成较大影响，单元之间的互耦较低，这样的布局对于简化流程，实现天线小型化有积极的影响。与单元结构相同，天线阵列由一层介质板和两层金属面构成，贴片刻蚀在厚度为1.524mm的F4b介质板的正面(εr＝2.65,tanδ＝0.0009)，介质板的底面是金属地板，天线采用同轴馈电的方式，四个馈电端口分别是端口1、端口2、端口3和端口4。为了实现多波束特性，采用功分器和相移网络辅助天线的馈电。图7给出了S参数随频率变化的仿真实测图，如图7所示，天线阵列的仿真工作带宽170MHz (2.5GHz-2.67GHz)，而实测的带宽比仿真的略宽，为190MHz (2.49GHz-2.68GHz)实测带宽比仿真带宽宽的原因可能是由于焊点的影响和加工误差导致的。在工作频带内，相邻单元之间的耦合(S12、S14)基本大于15dB，说明相近单元之间的相互影响较小，组阵之后不会降低天线整体性能，也验证了共用金属孔设计的可行性。
MIMO(多输入多输出)研究
通过对四个端口的相位和幅度的控制，可以实现19种不同状态波束的调控，一共分为四种类型，其中第一类是多馈电端口形式全空间调控，包括 8种倾斜角波束，另外还有单馈电形式的全空间调控，包括4种倾斜角波束，第二类是双波束形式，一共有4种波束形式，分别是x轴、y轴和两条对角线实现双波束覆盖。第三类是多波束形式，包含一个环形波束和一个四波束。第四类是波束聚焦，在+Z方向上实现高增益天线阵列。表2详细列出了产生这19种状态的各端口的幅度和输入的相位，以及波束的数量，其中on (180)此代表端口馈电，输入相位1800。空白表示该端口不馈电。从表2 中可以看到，当3个端口同时等相位馈电，也就是状态1-4，波束指向分别是四个对角线的方向，当2个相邻的端口同时等相位馈电，也就是状态5-8，波束指向分别是±x，和±y方向，这8种状态共同组成了一组空间调控波形。如图9所示。当单端口等相位馈电，也就是状态16-19，波束指向也是四个对角线方向，但是对比于状态1-4，空间波束的偏折角度较小，可以实现小角度的波形调控，如图11所示。当对称端口同时等相位馈电是，也就是状态9-10，天线的对角线方向形成了双波束。如图13所示。当4个端口同时馈电，并且相邻端口有900相位差，也就是状态11-12，天线的x和y方向形成了双波束。如图16所示。当四个端口同时等相位馈电，也就是状态13，天线阵列在空间中形成了环形波束，如图17所示。当四个端口同时馈电，且相邻端口输入相位相差1800，也就是状态14，天线阵列在空间中形成了四个波束，如图20所示。
当四个端口同时馈电，且端口1、4与2、3输入相位相差1800，也就是状态15，天线阵列在空间中形成了聚焦波束，高增益天线阵列。如图21所示。
表2 19种状态
一、单波束12个
1、多馈
图8给出了状态1-8的3D方向图，其中状态1-4的峰值增益5.6dBi，状态5-8峰值增益6.4dBi，8种状态共同实现了天线在空间的波束调控。作为代表，选取状态1和状态5进行分析，图9给出了状态1的E面和H面方向图，如图8所示，状态1天线波束方向为(X，-Y)方向，图9中第一个天线最大辐射方向340方向，图9第二个天线最大辐射方向-280方向，基本实现了预定的波束指向，图10给出了状态5的E面和H面方向图，状态5 天线波束方向为(0，-Y)方向，图11第一个天线最大辐射方向00方向，图 11第二个天线最大辐射方向-280方向，基本实现了预定的波束指向。以上结果仿真和实测结果相吻合度较高。
2，单馈
图11给出了状态16-19的3D方向图，峰值增益5.8dBi，4种状态共同实现了天线在空间的小角度波束调控。作为代表，选取状态16进行分析，图12给出了状态16的E面和H面方向图，如图12所示，状态16天线波束方向为(-X，-Y)方向，图13第一个天线最大辐射方向-200方向，图13 第二个天线最大辐射方向-200方向，实现了预定的波束指向。对于状态2，状态16波束偏折角度小，在小角度方面实现了波束调控，在实际应用中更能发挥多功能天线的作用。
二、双波束4个
图13给出了状态9-10的3D方向图，峰值增益3.6dBi，2种状态分别在 (-X，-Y)，(X,Y)和(X，-Y)，(-X,Y)两个对角线方向形成了双波束辐射特性。作为代表，选取状态10进行分析，图14给出了状态10的E面和方位面方向图，如图13所示，状态10天线波束方向分别为(X，-Y)，(-X,Y) 方向，图15第一个天线最大辐射方向450方向，图15第二个天线最大辐射方向±1350方向，实现了预定的波束指向。
图15给出了状态11-12的3D方向图，峰值增益5.3dBi，2种状态分别在±x和±y方向形成了双波束辐射特性。作为代表，选取状态11进行分析，图16给出了状态11的E面和方位面方向图，如图15所示，状态11天线波束方向分别为±y方向，图17第一个天线最大辐射方向600方向，图17第二个天线最大辐射方向±y方向，实现了预定的波束指向。
三、环形波束和四波束2个
图17给出了状态13的3D方向图，峰值增益1.1dBi，在方位面上形成了环形波束。图18给出了状态13的E面和方位面方向图，图18第一个天线最大辐射方向600方向，图18第二个天线在方面实现了全向辐射的特性，实现了预定的波束指向。
图19给出了状态14的3D方向图，峰值增益3.9dBi，形成了四波束辐射。图20给出了状态14的E面和方位面方向图，图20第一个天线最大辐射方向520方向，图20第二个天线最大辐射方向分别是±x和±y方向，，实现了预定的波束指向。
四、单波束增益增强1个
图21给出了状态15的3D方向图，峰值增益7.7dBi，实现了波束聚焦的效果，辐射方向Z轴的笔状波束，实现了高增益天线的设计思路。图22 给出了状态15的E面和H面方向图，状态16天线波束方向为Z方向，图 22第一个天线最大辐射方向00方向，图22第二个天线最大辐射方向00方向，实现了预定的波束指向。
本发明的目的是提供一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线，解决了现有技术中存在的于波导的调控只能维持在一定的角度的问题。可以实现170MHz工作带宽(2.5GHz-2.67GHz)，在工作频带内，相邻单元之间的耦合基本大于15dB，说明相近单元之间的相互影响较小，组阵之后不会降低天线整体性能，也验证了共用金属via设计的可行性。通过对四个端口的相位和幅度的控制，可以实现19种不同状态波束的调控，一共分为四种类型，其中第一类是多馈电端口形式全空间调控，包括8种倾斜角波束，另外还有单0馈电形式的全空间调控，包括4种倾斜角波束，第二类是双波束形式，一共有4种波束形式，分别是x轴、y轴和两条对角线实现双波束覆盖。第三类是多波束形式，包含一个环形波束和一个四波束。第四类是波束聚焦，在+Z方向上实现高增益天线阵列。利用多波束辐射覆盖几乎所有空间区域的多端口天线。

Claims (1)

1.一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线，其特征在于，包括介质板，所述介质板的底面设置有金属地板，所述介质板的正面刻蚀有四个方形贴片，所述方形贴片的任一对相邻的两个侧边均开有若干金属通孔，所述金属通孔与金属地板连接，所述方形贴片上设有馈电端口；所述方形贴片上均刻蚀一个条带性缝隙，形成一种基于四分之一模的波束可重构基片集成波导天线的单元结构，包括两个辐射模式，所述两个辐射模式为一个四分之一模和一个八分之一模；
四个所述方形贴片相邻放置，四个所述方形贴片上的金属地板均相对，四个所述方形贴片相邻组成一个正方形；四个所述方形贴片顺序旋转90度组成正方形；
相邻的两个方形贴片之间共享金属通孔；
所述方形贴片采用同轴馈电，四个所述方形贴片的馈电端口分别是端口1、端口2、端口3和端口4；通过对四个端口的相位和幅度的控制，可以实现多种不同状态波束的调控。
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