CN114039217A - 一种毫米波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种毫米波天线，涉及天线领域。所述毫米波天线包括：馈电单元和缝隙阵列；馈电单元基于巴特勒矩阵形成，包括：三层堆叠的基片集成波导；底层基片集成波导包括：八个输入端口且八个输入端口中的两个中心输入端口被合并成一个视轴端口；中间层基片集成波导包括：巴特勒矩阵的内部结构；顶层基片集成波导包括：巴特勒矩阵的八个输出端口和缝隙阵列；缝隙阵列作为毫米波天线的辐射单元输出多波束；在视轴端口被激励时，缝隙阵列输出一个视轴波束和六个斜视波束。本发明毫米波天线可以产生视轴波束，并且波束数量较多并提高天线增益。毫米波天线尺寸缩减，较好的适用于5G移动终端，具有很高的实用性价值。

Description

一种毫米波天线
技术领域
本发明涉及天线领域，特别是涉及一种毫米波天线。
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毫米波领域内，多波束天线具有很广泛的运用，而其扫描的功能跟馈电网络有关，一般馈电网络包括：罗曼透镜、反射透镜、巴特勒矩阵。而巴特勒矩阵因为其相位稳定的传输效果而受到广泛的应用。
但对于一般以巴特勒矩阵为馈电网络的多波束天线，是不能够产生视轴波束的，而视轴波束在通讯领域中往往又是最重要的，另外这类天线尺寸较大，这显然不符合天线小型化的需求。
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毫米波天线。
本发明实施例提供一种毫米波天线，所述毫米波天线包括：馈电单元和缝隙阵列；
所述馈电单元基于巴特勒矩阵形成，包括：三层堆叠的基片集成波导；
所述三层堆叠的基片集成波导包括：底层基片集成波导、中间层基片集成波导以及顶层基片集成波导；
所述底层基片集成波导包括：八个输入端口，且所述八个输入端口中的两个中心输入端口被合并成一个视轴端口；
所述中间层基片集成波导包括：所述巴特勒矩阵的内部结构；
所述顶层基片集成波导包括：所述巴特勒矩阵的八个输出端口和所述缝隙阵列；
所述八个输出端口与所述缝隙阵列连接，所述缝隙阵列作为所述毫米波天线的辐射单元，输出多波束；
其中，在所述视轴端口被激励时，所述缝隙阵列输出一个视轴波束和六个斜视波束。
可选地，所述底层基片集成波导、所述中间层基片集成波导以及所述顶层基片集成波导，每层之间基于过渡缝隙耦合过渡。
可选地，所述缝隙阵列与所述巴特勒矩阵的输出端口匹配；
所述缝隙阵列为8*8缝隙阵列。
可选地，所述基片集成波导的基板包括：Rogers RT/duroid 5880，所述基板的介电常数为2.2。
可选地，所述馈电单元的透射系数，受控于所述过渡缝隙的长度、宽度以及偏移距离。
可选地，所述八个输出端口之间的相位差，通过激励不同的输入端口进行调整。
可选地，在所述视轴端口被激励时，所述八个输出端口产生的相位差为零。
可选地，所述底层基片集成波导、所述中间层基片集成波导以及所述顶层基片集成波导的厚度均相同。
可选地，所述馈电单元通过两次折叠巴特勒矩阵，得到所述三层堆叠的基片集成波导。
可选地，所述三层堆叠的基片集成波导之间，当信号由下层传递到上层时，其电场分布类原理等同于缝隙天线的电场分布原理。
本发明提供的毫米波天线，包括：馈电单元和缝隙阵列；馈电单元基于巴特勒矩阵形成，包括：三层堆叠的基片集成波导；底层基片集成波导包括：八个输入端口，且八个输入端口中的两个中心输入端口被合并成一个视轴端口；中间层基片集成波导包括：所特勒矩阵的内部结构；顶层基片集成波导包括：巴特勒矩阵的八个输出端口和缝隙阵列；缝隙阵列作为毫米波天线的辐射单元，输出多波束。
由于两个中心输入端口被合并成一个视轴端口，因此在视轴端口被激励时，缝隙阵列输出一个视轴波束和六个斜视波束。相对于目前以巴特勒矩阵为馈电网络的多波束天线，本发明的毫米波天线可以产生视轴波束，并且波束数量较多，扩展了天线的扫描角度，提高天线增益的同时。并且因为将巴特勒矩阵折叠成三层，使毫米波天线尺寸缩减，较好的适用于5G移动终端。
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毫米波天线的结构示意图；
图2是本发明实施例优选的毫米波天线的结构示意图；
图3是本发明实施例中毫米波天线在不同过渡缝隙40的长度下的透射系数曲线图；
图4是本发明实施例中毫米波天线在不同过渡缝隙40的偏移距离下的透射系数曲线图；
图5是本发明实施例中毫米波天线在不同过渡缝隙40的宽度下的透射系数曲线图；
图6是本发明实施例中毫米波天线以不同输入端口被激励时，输出端口之间的相位差仿真曲线图；
图7是本发明实施例中毫米波天线以不同输入端口被激励时，输出端口之间的相位差实测曲线图；
图8是本发明实施例中毫米波天线的s参数仿真曲线图；
图9是本发明实施例中毫米波天线的s参数实测曲线图。
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毫米波天线的结构示意图，该多波束缝隙天线包括馈电单元和缝隙阵列。馈电单元基于巴特勒矩阵形成，包括：三层堆叠的基片集成波导；三层堆叠的基片集成波导包括：底层基片集成波导10、中间层基片集成波导20以及顶层基片集成波导30。
底层基片集成波导10包括：八个输入端口，如图1中#1、#2、#3、#1＇、#2＇、#5、#6、#7所示，并且八个输入端口中的两个中心输入端口#1＇、#2＇被合并成一个视轴端口#4；
中间层基片集成波导20包括：巴特勒矩阵的内部结构。即，中间层基片集成波导20就是巴特勒矩阵自身的结构。
顶层基片集成波导30包括：巴特勒矩阵的八个输出端口如图1中#10、#20、#30、#40、#50、#60、#70、#80所示，以及缝隙阵列。
需要说明的是，缝隙阵列采样已知的缝隙阵列，因此图1中为了图示的简洁，示例性以天线符合表示缝隙阵列。巴特勒矩阵的八个输出端口与缝隙阵列连接，该缝隙阵列作为毫米波天线的辐射单元，输出多波束。当视轴端口#4被激励时，缝隙阵列输出一个视轴波束和六个斜视波束共七个波束。
另外，基于巴特勒矩阵结构，本发明的7*8巴特勒矩阵结构，可以由十二个90°耦合器、二十五个交叉耦合器、两个22.5°移相器、四个45°移相器、以及四个67.5°移相器构成。
本发明的毫米波天线中，由于是通过两次折叠巴特勒矩阵，得到三层堆叠的基片集成波导，因此，底层基片集成波导10、中间层基片集成波导20以及顶层基片集成波导30，每层之间需要基于过渡缝隙耦合过渡。三层堆叠的基片集成波导之间，当信号由下层传递到上层时，其电场分布类原理等同于缝隙天线的电场分布原理。即层间过渡缝隙的电场分布，跟缝隙天线的电场分布原理是一样的。
参照图2，示例性的示出了本发明实施例优选的毫米波天线的结构示意图。图2中为了表明较优的尺寸选择，将关键部位的尺寸一同示出。过渡缝隙如图2中40所示。馈电单元的透射系数，受控于过渡缝隙40的长度sl、宽度sw以及偏移距离sy。
本发明的毫米波天线，缝隙阵列与巴特勒矩阵的输出端口需要匹配。为了更好的能将天线的能量辐射出去，在此设计为8*8缝隙阵列。
本发明的毫米波天线，基片集成波导的基板可以优选：Rogers RT/duroid5880，基板的介电常数为2.2，tanδ＝0.009。底层基片集成波导10、中间层基片集成波导20以及顶层基片集成波导30的厚度均相同，可以优选为0.508毫米。
本发明的毫米波天线，巴特勒矩阵的八个输出端口之间的相位差，通过激励不同的输入端口进行调整。在视轴端口#4被激励时，巴特勒矩阵的八个输出端口产生的相位差为零。
合成电场
Figure BDA0003367236950000051
的表达式如下：
Figure BDA0003367236950000052
该式中，n表示巴特勒矩阵输入端口的数量；P1＇n表示输入端口#1＇在第n个输出端口产生的功率幅值；ω1＇n表示输入端口#1＇在第n个输出端口产生的相位；P2＇n表示输入端口#2＇在第n个输出端口产生的功率幅值；ω2＇n表示输入端口#2＇在第n个输出端口产生的相位。由此可知，当视轴端口#4被激励时，输出端口将有等相信号。即产生了一个视轴波束。
图2中关键部位的尺寸参见下表。
Figure BDA0003367236950000053
Figure BDA0003367236950000061
上表中Parameters表示参数名称，Values表示数值。各项参数的含义分别为：
a：基片集成波导宽度；p：通孔之间的间距；d：通孔的直径；xh：90°耦合器偏移量；sw：过渡缝隙40的宽度；sl：过渡缝隙40的长度；sy：过渡缝隙40的偏移距离；dtx：两个缝隙的横向间距；la：缝隙阵列中每个缝隙的长度；os1：两个缝隙的纵向间距；wa：缝隙阵列中每个缝隙的宽度；da1：缝隙中央与SIW边界的距离。
dx1、dx2、dx3、dx4、dx5、dx6、dy1、dy2、dy3、dy4、dy5、dy6、px1、px2、px3、px4、px5、px6、py1、py2、py3、py4、py5、py6、dp、dm2、dmx以及d45这些参数，均是为了减小馈电网络的反射从而减小损耗而优化出来的值。综合上述参数值，参照图2所示结构，结合上表所给值，即可得到相对较优的毫米波天线。
需要说明的是，上表中的尺寸是经过大量仿真、试验得到的一种较优的尺寸参数，并不代表本发明的毫米波天线仅能为该表中尺寸。
以下针对上述毫米波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，示出了毫米波天线在不同过渡缝隙40的长度下的透射系数曲线图。以输入端口#1被激励，输出端口#10作为输出为例，得到图3所示的曲线图。其中，Frequency指毫米波天线工作频率，Transmission coefficient指传输系数。图3中，由实线加正方形组成的曲线为过渡缝隙40的长度为4.3mm时的透射系数曲线，由实线加圆形组成的曲线为过渡缝隙40的长度为3.3mm时的透射系数曲线；由实线加正三角组成的曲线为过渡缝隙40的长度为2.3mm时的透射系数曲线，由实线加五角形组成的曲线为过渡缝隙40的长度为1.3mm时的透射系数曲线；由实线加菱形组成的曲线为过渡缝隙40的长度为0.3mm时的透射系数曲线。由图中反映出，本发明的毫米波天线，当过渡缝隙40的长度sl从0.3～4.3mm变化时，其透射系数，在-147.9dB到-11.9dB的范围内变化。
参照图4，示出了毫米波天线在不同过渡缝隙40的偏移距离下的透射系数曲线图。以输入端口#1被激励，输出端口#10作为输出为例，得到图4所示的曲线图。图4中，由实线加正方形组成的曲线为过渡缝隙40的偏移距离为0.25mm时的透射系数曲线，由实线加圆形组成的曲线为过渡缝隙40的偏移距离为0.45mm时的透射系数曲线；由实线加正三角组成的曲线为过渡缝隙40的偏移距离为0.65mm时的透射系数曲线，由实线加五角形组成的曲线为过渡缝隙40的偏移距离为0.85mm时的透射系数曲线；由实线加菱形组成的曲线为过渡缝隙40的偏移距离为1.05mm时的透射系数曲线。由图中反映出，本发明的毫米波天线，当过渡缝隙40的偏移距离sy从0.1～0.9mm变化时，其透射系数，在-15.2dB到-13.3dB的范围内变化。
参照图5，示出了毫米波天线在不同过渡缝隙40的宽度下的透射系数曲线图。以输入端口#1被激励，输出端口#10作为输出为例，得到图5所示的曲线图。图5中，由实线加正方形组成的曲线为过渡缝隙40的宽度为0.1mm时的透射系数曲线，由实线加圆形组成的曲线为过渡缝隙40的宽度为0.3mm时的透射系数曲线；由实线加正三角组成的曲线为过渡缝隙40的宽度为0.5mm时的透射系数曲线，由实线加五角形组成的曲线为过渡缝隙40的宽度为0.7mm时的透射系数曲线；由实线加菱形组成的曲线为过渡缝隙40的宽度为0.9mm时的透射系数曲线。由图中反映出，本发明的毫米波天线，当过渡缝隙40的宽度sw从0.25～1.05mm变化时，其透射系数，在-12.5dB到-11.9dB的范围内变化。
综和考虑制造公差，较优的参数选择为：sl＝4.3mm、sy＝0.45mm和sw＝0.1mm。
参照图6，示出了30GHz下，毫米波天线以不同输入端口被激励时，输出端口之间的相位差仿真曲线图；参照图7，示出了毫米波天线以不同输入端口被激励时，输出端口之间的相位差实测曲线图；其中，Phase differences指相位差。图6中，由实线加菱形组成的曲线为#1端口激励时输出端口的相位差；由实线加正三角组成的曲线为#3端口激励时输出端口的相位差；由实线加倒三角组成的曲线为#2端口激励时输出端口的相位差，由实线加方形组成的曲线为#4端口激励时输出端口的相位差；由实线加左三角形组成的曲线为#6端口激励时输出端口的相位差，由实线加圆形组成的曲线为#5端口激励时输出端口的相位差；由实线加右三角组成的曲线为#7端口激励时输出端口的相位差。图7中相同的曲线与图6中含义相同，不再一一说明。由图6、7结合可以反映出，当不同的输入端口被激励时，输出端口之间分别产生0°、±67.5°、±112.5°和±157.5°的相位差。当视轴端口#4被激励时，输出端口之间的0°相位差产生视轴波束，这也进一步佐证了前述合成电场
Figure BDA0003367236950000081
的表达式正确。
参照图8，示出了毫米波天线的s参数仿真曲线图；参照图9，示出了毫米波天线的s参数实测曲线图；其中，Frequency指天线工作频率，S-parameters指天线的s参数。由于毫米波的对称结构，以及为了图示的简洁，图8、9仅示出了一半输入端口的s参数。
图8中，由实线加菱形组成的曲线为#1输入端口工作时天线的s参数仿真曲线，由实线加正三角组成的曲线为#2输入端口工作时天线的s参数仿真曲线；由实线加圆形组成的曲线为#3输入端口工作时天线的s参数仿真曲线，由实线加方形组成的曲线为#4输入端口工作时天线的s参数仿真曲线。
图9中相同的曲线与图8中含义相同，不再一一说明。由图8、9可以反映出，在仿真和实测中，当每个输入端口被激励时，在29.5-30.5GHz范围内毫米波天线具有良好的匹配。
而经过实测，当毫米波天线工作在29.5GHz处，可以得到六个斜视波束指向±61°、±38°、±22°和一个0°的视轴波束，所有波束的副瓣电平(即SLL)均低于-7.7dB。当毫米波天线工作在30GHz处，可以得到指向±58°、±38°、±23°和0°的七个波束，SLL低于-10dB。当毫米波天线工作在30.5GHz处，可以得到指向为±57°、±39°、±22°和0°的七个波束，SLL低于-7.1dB。对于所有波束，毫米波天线的增益在29.5–30.5GHz的带宽内从13.2到17.3dBi不等。
综上所述，本发明的毫米波天线，由于两个中心输入端口被合并成一个视轴端口，因此在视轴端口被激励时，缝隙阵列输出一个视轴波束和六个斜视波束。相对于目前以巴特勒矩阵为馈电网络的多波束天线，本发明的毫米波天线可以产生视轴波束，并且波束数量较多，扩展了天线的扫描角度并提高天线增益。并且因为将巴特勒矩阵折叠成三层，使毫米波天线尺寸缩减，较好的适用于5G移动终端，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。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种毫米波天线，其特征在于，所述毫米波天线包括：馈电单元和缝隙阵列；
所述馈电单元基于巴特勒矩阵形成，包括：三层堆叠的基片集成波导；
所述三层堆叠的基片集成波导包括：底层基片集成波导、中间层基片集成波导以及顶层基片集成波导；
所述底层基片集成波导包括：八个输入端口，且所述八个输入端口中的两个中心输入端口被合并成一个视轴端口；
所述中间层基片集成波导包括：所述巴特勒矩阵的内部结构；
所述顶层基片集成波导包括：所述巴特勒矩阵的八个输出端口和所述缝隙阵列；
所述八个输出端口与所述缝隙阵列连接，所述缝隙阵列作为所述毫米波天线的辐射单元，输出多波束；
其中，在所述视轴端口被激励时，所述缝隙阵列输出一个视轴波束和六个斜视波束。
2.根据权利要求1所述的多波束缝隙天线，其特征在于，所述底层基片集成波导、所述中间层基片集成波导以及所述顶层基片集成波导，每层之间基于过渡缝隙耦合过渡。
3.根据权利要求1所述的多波束缝隙天线，其特征在于，所述缝隙阵列与所述巴特勒矩阵的输出端口匹配；
所述缝隙阵列为8*8缝隙阵列。
4.根据权利要求1所述的多波束缝隙天线，其特征在于，所述基片集成波导的基板包括：Rogers RT/duroid 5880，所述基板的介电常数为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，所述馈电单元的透射系数，受控于所述过渡缝隙的长度、宽度以及偏移距离。
6.根据权利要求1所述的多波束缝隙天线，其特征在于，所述八个输出端口之间的相位差，通过激励不同的输入端口进行调整。
7.根据权利要求6所述的多波束缝隙天线，其特征在于，在所述视轴端口被激励时，所述八个输出端口产生的相位差为零。
8.根据权利要求1所述的多波束缝隙天线，其特征在于，所述底层基片集成波导、所述中间层基片集成波导以及所述顶层基片集成波导的厚度均相同。
9.根据权利要求1所述的多波束缝隙天线，其特征在于，所述馈电单元通过两次折叠巴特勒矩阵，得到所述三层堆叠的基片集成波导。
10.根据权利要求2所述的多波束缝隙天线，其特征在于，所述三层堆叠的基片集成波导之间，当信号由下层传递到上层时，其电场分布类原理等同于缝隙天线的电场分布原理。
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