CN114024148A

CN114024148A - 间隙波导馈电毫米波微带天线单元及阵列天线

Info

Publication number: CN114024148A
Application number: CN202111295179.4A
Authority: CN
Inventors: 胡南
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-11-03
Filing date: 2021-11-03
Publication date: 2022-02-08

Abstract

本发明公开了一种间隙波导馈电毫米波微带天线单元及阵列天线，所述天线单元包括金属底板，所述金属底板的上表面形成有若干个金属引脚，靠近中间的所述金属引脚之间形成有脊间隙波导，所述金属引脚的上表面设置有上层金属板，所述上层金属板的中心形成有耦合孔，且所述脊间隙波导的内侧端部位于所述耦合孔的下侧，所述上层金属板的上表面形成有一层介质层，所述介质层的上表面形成有若干个辐射片，所述辐射片之间通过微带线进行互联，且所述微带线位于所述耦合孔的上侧。所述阵列天线具有机械组装方便，成本低，增益高等优点。

Description

间隙波导馈电毫米波微带天线单元及阵列天线

技术领域

本发明涉及毫米波天线技术领域，尤其涉及一种间隙波导馈电毫米波微带天线单元及阵列天线。

背景技术

近年来，由于对高数据速率短距离无线通信的需求，60GHz频段毫米波无线通信系统的发展有所增加。60GHz频段的主要挑战是由氧分子共振引起的非常高的无线电波吸收。作为求解方法的一种候选方法是使用具有高辐射效率的高增益天线。近年来，开发具有高辐射效率的高增益宽带毫米波天线阵列越来越受到关注。不同的平面天线阵列，如微带和衬底集成波导（SIW）阵列和缝隙天线阵列是毫米波应用的两种主要技术。微带和SIW天线阵列的低效率给他们实际的毫米波应用带来了很多限制。限制这些天线阵列可实现增益的一个主要方面是馈电网络中的损耗。实际上，在毫米波段实现高增益阵列天线需要低损耗馈电网络。作为常见的候选者，馈电波导槽阵列已被用于实现高增益和效率。在高频下，这些天线需要精确、高精度和昂贵的制造。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种机械组装方便，成本低，增益高的间隙波导馈电毫米波微带天线单元及阵列天线。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种间隙波导馈电毫米波微带天线单元，其特征在于：包括金属底板，所述金属底板的上表面形成有若干个金属引脚，靠近中间的所述金属引脚之间形成有脊间隙波导，所述脊间隙波导固定在所述金属底板的上表面，且所述脊间隙波导的内侧端部位于所述金属底板的中部，所述脊间隙波导的外侧端部位于所述金属底板的边缘部分，所述金属引脚的上表面设置有上层金属板，所述上层金属板的中心形成有耦合孔，且所述脊间隙波导的内侧端部位于所述耦合孔的下侧，所述上层金属板的上表面形成有一层介质层，所述介质层的上表面形成有若干个辐射片，所述辐射片之间通过微带线进行互联，且所述微带线位于所述耦合孔的上侧。

进一步的技术方案在于：所述脊间隙波导的高度小于所述金属引脚的高度。

进一步的技术方案在于：所述上层金属板通过支撑柱与所述金属底板固定连接，使得所述上层金属板与所述金属引脚的上表面之间形成有空气间隙。

优选的，所述空气间隙为0.05mm。

进一步的技术方案在于：所述辐射片的整体为矩形，四个所述辐射片呈圆周状设置，每个辐射片的内侧形成有延伸部，所述延伸部通过所述微带线进行互联。

进一步的技术方案在于：所述微带线包括位于中间的中心馈线以及位于中心馈线两端的侧向馈线，所述侧向馈线设置有四条，分别与每个所述辐射片上的延伸部连接。

进一步的技术方案在于：所述耦合孔与所述延伸部之间的介质板相对设置。

优选的所述辐射片的长为1.6mm，宽为1.25mm，厚度为18μm，相邻辐射片之间的中心间距在x和y方向均为2.45 毫米。

本发明还公开了一种间隙波导馈电毫米波微带阵列天线，其特征在于：包括16个所述的毫米波微带天线单元，通过功率分配器与所述天线单元中的脊间隙波导连接实现所述天线单元之间的连接。

进一步的技术方案在于：所述阵列天线中的金属底板的中心形成有一个过孔，所述过孔内形成有输入波导，所述输入波导与所述功分器进行连接，通过功分器将输入的信号分配给所述天线单元中的脊间隙波导进行传输。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本申请所述阵列天线中，可以在不需要金属上表面（金属引脚）和下表面（上层金属板）之间的金属接触的情况下实现波导，简化了机械组装设计的天线，从而降低了天线的生产成本。此外，本申请通过实验对本申请所述阵列天线进行测试，在工作频57.5–67.2 GHz时，具有15.5%的阻抗带宽，反射系数低于-10dB，增益高于21.5dBi，E面和H面的旁瓣电平低于-13dB，由 RGW 馈电的天线阵列可的广泛应用于微带天线。

附图说明

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。

图1是本发明实施例所述天线单元的结构示意图；

图2是本发明实施例中中心馈线与侧向馈线的结构示意图

图3是本发明实施例所述天线单元侧视图；

图4是本发明实施所述天线单元的反射系数曲线图；

图5是本发明实施例所述阵列天线的部分剖视结构示意图；

图6是图5中A处的放大结构示意图；

图7是本发明实施例中所述天线阵列的仿真和测量 |S11|

图8是本发明实施例中所述阵列天线和 100%、90%、80% 和 70% 效率线的仿真方向性和测量增益曲线图；

图9a是本发明实施例中所述阵列天线辐射方向图(E面-58GHz)；

图9b是本发明实施例中所述阵列天线辐射方向图(H面-58GHz)；

图9c是本发明实施例中所述阵列天线辐射方向图(E面-62GHz)；

图9d是本发明实施例中所述阵列天线辐射方向图(H面-62GHz)；

图9e是本发明实施例中所述阵列天线辐射方向图(E面-67GHz)；

图9f是本发明实施例中所述阵列天线辐射方向图(H面-67GHz)；

其中：1、金属底板；2、金属引脚；3、脊间隙波导；4、上层金属板；5、耦合孔；6、介质层；7、辐射片；8、空气间隙；9、中心馈线；10、侧向馈线；11、功率分配器；12、输入波导。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1-图3所示，本发明实施例公开了一种间隙波导馈电毫米波微带天线单元，包括金属底板1，所述金属底板1的上表面形成有若干个金属引脚2，所述金属引脚2的具体数量可以根据需要进行设置；靠近中间的所述金属引脚2之间形成有脊间隙波导3，所述脊间隙波导3固定在所述金属底板1的上表面，且所述脊间隙波导3的内侧端部位于所述金属底板1的中部，所述脊间隙波导3的外侧端部位于所述金属底板1的边缘部分；所述金属引脚2的上表面设置有上层金属板4，所述上层金属板4的中心形成有耦合孔5，且所述脊间隙波导3的内侧端部位于所述耦合孔5的下侧，所述上层金属板4的上表面形成有一层介质层6，所述介质层6的上表面形成有若干个辐射片7，所述辐射片7之间通过微带线进行互联，且所述微带线位于所述耦合孔5的上侧。

如图1所示，所述脊间隙波导3的高度小于所述金属引脚2的高度。所述上层金属板4通过支撑柱与所述金属底板1固定连接，使得所述上层金属板4与所述金属引脚2的上表面之间形成有空气间隙8，优选的，所述空气间隙8可以为0.05mm。进一步的，如图1所示，所述辐射片7的整体为矩形，四个所述辐射片7呈圆周状设置，每个辐射片7的内侧形成有延伸部，所述延伸部通过所述微带线进行互联。所述微带线包括位于中间的中心馈线9以及位于中心馈线9两端的侧向馈线10，所述侧向馈线10设置有四条，分别与每个所述辐射片7上的延伸部连接。优选的，所述辐射片7的长为1.6mm，宽为1.25mm，厚度为18μm，相邻辐射片7之间的中心间距在x和y方向均为2.45 毫米（60GHz 时为 0.49 λ₀）。

因此，与栅瓣相关的问题将比其他间隙波导缝隙阵列天线小得多。微带贴片是一种窄带谐振结构。有许多可用的技术来提高微带贴片天线的带宽。为了扩展带宽，耦合槽用于馈送贴片的中心馈线。由于大量的设计参数，孔径耦合馈电提供了更大的辐射模式对称性和更大的阻抗带宽的设计更容易。

微带贴片是一种窄带谐振结构。为了扩展带宽，使用耦合槽馈送贴片中心馈线。孔径耦合馈电提供更好的对称性的辐射方向图，由于大量的设计参数，更大的阻抗带宽更易于设计。在本申请中，使用微带 T 型结的拓扑结构来分配功率，使用具有宽带特性的微带T 型结来分配功率。因此，通过适当设计孔径的长宽和中心馈线的宽度，实现更广泛的阻抗匹配。下层包含一些金属销和脊形成RGW分配网络。在脊的两侧种植周期性金属销以产生所需的阻带特性并防止波在不需要的方向传播。选择引脚尺寸以实现 40GHz-100GHz的截止带宽。如图 3 所示，金属引脚2的顶面和上层金属板4之间存在很小的气隙，因此它们之间不需要电接触。 RGW 馈电结构激励蚀刻在基板接地平面中的耦合槽。通过优化耦合槽和微带馈线的尺寸，可以以相同的幅度和相位激励四个贴片。注意四个辐射贴片具有相同的电场相位和幅度，这表明子阵列在宽边具有最大值。

设计的天线单元在x和y方向上的尺寸为4.9×4.9mm²。所应用的无限阵列方法中包含子阵之间的相互耦合。如图4所示，天线单元的反射系数显示了|S11|<−10dB的带宽是56.5–66 GHz (15.5%) 。

本申请中研究了在 60 GHz 频段由脊隙波导 (RGW) 馈电网络馈电的孔径耦合微带天线阵列。设计并模拟了16个天线单元的阵列。主要优势在于：与包括馈电网络、腔体层和辐射缝隙层的三层缝隙阵列相比，这种结构可以保持两层平面轮廓。所提出的天线单元的尺寸为 4.9mm (0.98λ0)×4.9mm(0.98λ0)，如果需要扫描，在允许有限的范围内小于8.8mm(1.76λ0)×8.8mm(1.76λ0)。此外，在本申请中提出的一种4×4 阵列天线，在工作频率（ 57.5-67.2GHz），具有15.5%的阻抗带宽，反射系数低于-10dB，增益高于21.5dBi，E-和H-平面的旁瓣电平低于-13dB。仿真和测量结果表明，所提出的阵列天线对于 60 GHz 应用具有高增益和高效率。金属馈电网络可以很容易地通过计算机数控 (CNC) 铣削、成型或电火花加工制造。

对于高增益应用，设计了一个具有 4×4的天线阵列，如图 5所示，合成馈电网络是通过互连 T 型结功率分配器实现的。在下层，设计了RGW功分器，通过16个矩形耦合槽对上层16个阵列天线，馈电网络基于四分之一波阻抗变换器和匹配的T型结进行设计。

具体的，如图5-图6所示，本发明还公开了一种间隙波导馈电毫米波微带阵列天线，包括16个所述毫米波微带天线单元，通过功率分配器11与所述天线单元中的脊间隙波导连接实现所述天线单元之间的连接。所述阵列天线中的金属底板1的中心形成有一个过孔，所述过孔内形成有输入波导12，所述输入波导12与所述功率分配器11进行连接，通过功率分配器11将输入的信号分配给所述天线单元中的脊间隙波导3进行传输。

为了测量目的，在输入波导和脊间隙波导3（RGW）之间设计了宽带紧凑过渡，如图6所示。观察到在脊间隙波导3的末端，使用了两个步骤，这使得 RGW 的模式转换为矩形波导的 TE10 模式。过渡转换被设计和优化以实现在工作频带中的最小反射和插入损耗。由于两个脊间隙波导3中的过渡转换提供的差分输出，馈电层左侧和右侧被镜像。输入波导的输入功率通过设计的过渡转换激励天线，然后流经RGW 16 路功率分配器。为了实现理想的匹配，对过渡转换、功率分配器和微带结构的所有参数进行了优化。

设计的阵列天线通过标准 CNC 铣削技术制造，为了实验验证阵列天线操作，阵列天线由标准矩形波导馈送。S11 上的测量、增益和辐射方向图由毫米波段矢量网络分析仪在室外测试范围测量系统中执行。仿真和测量的天线阵列输入反射系数如图 7 所示。|S11|< 的测量带宽−10dB 为 57.5-67.2 GHz 的 15.5%。测量结果与仿真结果之间的差异是由于制造公差和装配公差造成的。图 8显示了天线的方向性、增益以及孔径效率等频率特性。然而，测量增益和仿真方向性结果之间的差异小于 1dB。这种差异部分是由电介质的偏差造成的仿真和测量设置中的金属损耗以及制造天线的容差。在工作频段上，天线阵列的总辐射效率仍然高于 75%。60-61GHz 的仿真值和测量值之间的差异为由于使用标准增益喇叭在测量室中被认为是 ±0.25dB 或大约 0.5dB 的测量不确定性。图 9a-9f显示了在67GHz 下仿真和测量的E面和H面的归一化辐射图。差异小的主要原因是测量不确定性。在 62GHz 下测量的 3 dB 波束宽度的辐射方向图在 E面和H面中约为 13°和 15°，此外，在 62GHz 处测得的最大旁瓣电平为 -13.5dB，前后比优于 25 dB，天线轴向的交叉极化电平为-28dB。

综上，本申请所述阵列天线在工作频率（ 57.5–67.2 GHz），具有15.5%的阻抗带宽，反射系数低于-10dB，增益高于21.5dBi，E面和H面的旁瓣电平低于-13dB，由 RGW 馈电的天线阵列可的广泛应用于微带天线。

Claims

1.一种间隙波导馈电毫米波微带天线单元，其特征在于：包括金属底板（1），所述金属底板（1）的上表面形成有若干个金属引脚（2），靠近中间的所述金属引脚（2）之间形成有脊间隙波导（3），所述脊间隙波导（3）固定在所述金属底板（1）的上表面，且所述脊间隙波导（3）的内侧端部位于所述金属底板（1）的中部，所述脊间隙波导（3）的外侧端部位于所述金属底板（1）的边缘部分，所述金属引脚（2）的上表面设置有上层金属板（4），所述上层金属板（4）的中心形成有耦合孔（5），且所述脊间隙波导（3）的内侧端部位于所述耦合孔（5）的下侧，所述上层金属板（4）的上表面形成有一层介质层（6），所述介质层（6）的上表面形成有若干个辐射片（7），所述辐射片（7）之间通过微带线进行互联，且所述微带线位于所述耦合孔（5）的上侧。

2.如权利要求1所述的间隙波导馈电毫米波微带天线单元，其特征在于：所述脊间隙波导（3）的高度小于所述金属引脚（2）的高度。

3.如权利要求1所述的间隙波导馈电毫米波微带天线单元，其特征在于：所述上层金属板（4）通过支撑柱与所述金属底板（1）固定连接，使得所述上层金属板（4）与所述金属引脚（2）的上表面之间形成有空气间隙（8）。

4.如权利要求3所述的间隙波导馈电毫米波微带天线单元，其特征在于：所述空气间隙（8）为0.05mm。

5.如权利要求1所述的间隙波导馈电毫米波微带天线单元，其特征在于：所述辐射片（7）的整体为矩形，四个所述辐射片（7）呈圆周状设置，每个辐射片（7）的内侧形成有延伸部，所述延伸部通过所述微带线进行互联。

6.如权利要求5所述的间隙波导馈电毫米波微带天线单元，其特征在于：所述微带线包括位于中间的中心馈线（9）以及位于中心馈线（9）两端的侧向馈线（10），所述侧向馈线（10）设置有四条，分别与每个所述辐射片（7）上的延伸部连接。

7.如权利要求5所述的间隙波导馈电毫米波微带天线单元，其特征在于：所述耦合孔（5）与所述延伸部之间的介质板（6）相对设置。

8.如权利要求1所述的间隙波导馈电毫米波微带天线单元，其特征在于：所述辐射片（7）的长为1.6mm，宽为1.25mm，厚度为18μm，相邻辐射片（7）之间的中心间距在x和y方向均为2.45 毫米。

9.一种间隙波导馈电毫米波微带阵列天线，其特征在于：包括16个如权利要求1-8中任意一项所述的毫米波微带天线单元，通过功率分配器（11）与所述天线单元中的脊间隙波导连接实现所述天线单元之间的连接。

10.如权利要求9所述的间隙波导馈电毫米波微带阵列天线，其特征在于：所述阵列天线中的金属底板（1）的中心形成有一个过孔，所述过孔内形成有输入波导（12），所述输入波导（12）与所述功率分配器（11）进行连接，通过功率分配器（11）将输入的信号分配给所述天线单元中的脊间隙波导（3）进行传输。