CN115954657A - 方向图可重构的毫米波天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信技术领域，公开了一种方向图可重构的毫米波天线，包括：第一基板上2×2阵列的辐射单元组成的辐射组件；第一基板上T形的第一功分器，头部的两端设在辐射单元之间；第二基板上Ⅱ形的第一馈电支路，端部设有与辐射单元相向的十字耦合缝隙，中部设有与第一功分器头部相向的一字耦合缝隙；第四基板上Ⅰ形的第二功分器，另一端与四个辐射单元中部相向设置并且设有一字耦合缝隙；第三基板上工形的第二馈电支路，端部设有与辐射单元相向的一字耦合缝隙，中部与第二功分器的一字耦合缝隙相向设置。该方向图可重构的毫米波天线在通过不同的馈电网络馈电时，可实现不同的辐射方向图，从而在一款天线中实现窄波束和宽扫描角度的切换。

Description

方向图可重构的毫米波天线

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体的，涉及一种方向图可重构的毫米波天线。

背景技术

随着通信系统的迅速发展，目前5G第一阶段Sub 6已经商用，毫米波频段即将成为第二阶段的选用频段。现预计车载毫米波天线的工作频段包括24GHz频段和77GHz频段。在毫米波频段的车载天线既需要能够精确定位的窄波束，以有效克服多径干扰和同道干扰，又需要宽扫描角度从而与周围的多个设备建立通信连接，但这两个指标在传统的单个天线中是相互制约的。目前已报道的窄波束天线主要采用设计大规模天线阵列来实现或者使用价格较高的特殊材料来修正辐射电场。宽扫描角度实现的方法主要有宽的半功率波束宽度和波束可扫描的可重构天线，其中宽的半功率波束宽度会导致低增益，可扫描的可重构天线需要复杂的馈电网络来控制相位，引入更大的损耗。因此研究一款高增益的、能够实现窄波束和宽扫描角度的毫米波天线是很重要的。

另外，天线孔径效率是衡量天线增益与天线面积关系的重要指标。已报道的部分毫米波天线使用大的馈电网络实现高增益，但牺牲了平面尺寸，导致天线的孔径效率较低。在研究有效的面积下，提高天线的增益，同时进一步提高天线的孔径效率是很重要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种方向图可重构的毫米波天线，以至少解决上述技术问题之一。

为了实现上述目的，本发明提供一种方向图可重构的毫米波天线，包括：辐射组件，设在第一基板上，包括2×2阵列的辐射单元，每个所述辐射单元包含2×2阵列的十字耦合缝隙及设在四个十字耦合缝隙外周的金属过孔；第一功分器，设在所述第一基板上，为金属过孔形成的“T”形结构，尾部为馈电端，头部的两端设在所述辐射单元之间；第一馈电支路，设在第二基板上，为金属过孔形成的“Ⅱ”形结构，四个端部设有与所述辐射单元相向的十字耦合缝隙，两个中部设有与所述第一功分器头部的两端相向的一字耦合缝隙；第二功分器，设在第四基板上，为金属过孔形成的“Ⅰ”形结构，一端为馈电端，另一端设在与四个所述辐射单元中部相向的位置并且端部设有一字耦合缝隙；第二馈电支路，设在第三基板上，为金属过孔形成的“工”形结构，四个端部设有与所述辐射单元相向的一字耦合缝隙，中部与所述第二功分器的一字耦合缝隙相向设置；其中所述第一基板、第二基板、第三基板、第四基板顺次层叠在一起。

优选地，所述第一基板、第二基板、第三基板、第四基板的上下表面均覆有金属层；所述第一功分器、第一馈电支路、第二功分器、第二馈电支路为基片集成波导结构。

优选地，所述第一功分器的金属过孔形成环状的“T”形结构，在其头部的中间还设有三个金属过孔。

优选地，所述第二馈电支路的金属过孔形成环状的“工”形结构，在其中间还设有两个金属过孔。

优选地，在所述辐射组件的远离所述第二馈电支路的一侧还设有激励组件；所述激励组件的折射率为零，包括第五基板和设在其上的若干激励单元，所述激励单元包括设在第五基板上下表面的金属环、贯穿第五基板并连通上下表面金属环的若干金属过孔。

优选地，所述第五基板上的每个与所述辐射单元相向的位置均设有3×3个所述激励单元。

优选地，所述金属环为矩形环。

根据上面的描述和实践可知，本发明所述的方向图可重构的毫米波天线两个馈电网络整合在一起，并使用同一辐射组件，当激励不同端口时，可实现不同的辐射方向图，实现了方向图可重构，从而在一款天线中实现了在窄波束和宽扫描角度间的切换。另外，该实施例中的辐射组件采用了高阶模缝隙天线，相对于传统的喇叭天线，能够有效减小天线的平面尺寸，同时也能够使每个缝隙获得同等的激励，削弱了由馈电网络不均衡激励单元产生的波束偏移，此外缝隙天线具有对称性，更易实现双极化，提高频带利用率。

附图说明

图1为本发明的一个实施例中涉及的方向图可重构的毫米波天线的透视图。

图2为本发明的一个实施例中涉及的第一基板的结构示意图。

图3为本发明的一个实施例中涉及的第二基板的结构示意图。

图4为本发明的一个实施例中涉及的第三基板的结构示意图。

图5为本发明的一个实施例中涉及的第四基板的结构示意图。

图6为本发明的一个实施例中涉及的第五基板的结构示意图。

图7为本发明的一个实施例中涉及的方向图可重构的毫米波天线的馈电路径示意图。

图8a和图8b分别为本发明的一个实施例中涉及的第一馈电网络的S参数和相位差。

图9a和图9b分别为本发明的一个实施例中涉及的第二馈电网络的S参数和相位差。

图10a和图10b为本发明的一个实施例中涉及的方向图可重构的毫米波天线的性能图。

图11为本发明的一个实施例中涉及的方向图可重构的毫米波天线的在分别通过两个馈电端口馈入76GHz和80GHz频率信号时的方向图。

图中的附图标记为：

1、第一基板；2、第二基板；3、第三基板；4、第四基板；5、第五基板；6、辐射单元；7、第一功分器；8、第一馈电支路；9、第二功分器；10、第二馈电支路；11、激励单元。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例性实施方式。然而，示例性实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例性实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。需要说明的是，本公开中，用语“包括”、“配置有”、“设置于”用以表示开放式的包括在内的意思，并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象数量或次序的限制；术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在该实施例中公开了一种方向图可重构的毫米波天线，图1示出了该方向图可重构的毫米波天线的透视结构；图2-图6分别示出了该方向图可重构的毫米波天线中第一基板至第五基板的表面结构；图7以简易图的形式示出了该方向图可重构的毫米波天线的馈电路径。

请参考图1至图7，该方向图可重构的毫米波天线包括层叠在一起的第一基板1、第二基板2、第三基板3和第四基板4，四个基板的上下表面均覆有金属层。在第一基板1上设有辐射组件，该辐射组件采用了高阶模缝隙天线。如图2所示，该辐射组件包括四个呈2×2阵列设置的辐射单元6，每个辐射单元6包含四个呈2×2阵列设置的十字耦合缝隙以及设在该四个十字耦合缝隙外周的金属过孔。该辐射组件通过两个馈电网络进行馈电，其中在分别通过第一馈电网络和第二馈电网络进行馈电时，辐射组件会产生不同形式的方向图。

具体参照图2和图3，第一馈电网络包括第一功分器7和第一馈电支路8。其中，第一功分器7设在第一基板1上，为若干金属过孔围绕形成的环状的“T”形结构，其尾部作为输入端(即馈电端)可与馈电线连接，头部则形成两个输出端，并与第一馈电支路8相耦合，通过第一功分器7可以将馈电信号一分为二。第一馈电支路8设置在第二基板2上，为若干金属过孔形成的“Ⅱ”形结构，详见图3，第一馈电支路8包含有左右共两个的由金属过孔围绕而成的矩形环，该两个矩形环构成“Ⅱ”形结构的第一馈电支路8。第一馈电支路8的中部设有两个分别与第一功分器7头部的两个输出端相向的一字耦合缝隙，该一字耦合缝隙沿横向设置，以作为第一馈电支路8的输入端口，并通过耦合的方式接收第一功分器7输出的馈电信号；在第一馈电支路8的四个端部分别设有一个十字耦合缝隙，该十字耦合缝隙分别与各个辐射单元6相向，以作为第一馈电支路8的输出端口，并向辐射单元6通过耦合的形式馈电。其中，将第一功分器7的输入端记为一端口。

参照图4和图5，第二馈电网络包括第二功分器9和第二馈电支路10。其中，第二功分器9设在第四基板4上，为若干金属过孔围绕形成的环状的“Ⅰ”形结构，其一端作为输入端(即馈电端)可与馈电线连接，另一端为输出端，并在中部设有一字耦合缝隙。该一字耦合缝隙设在了与四个辐射单元6中部相向的位置，并且沿横向设置。第二馈电支路10设置在第三基板3上，为若干金属过孔形成的“工”形结构，详见图4，其四个端部分别设有一个竖向的一字耦合缝隙，该一字耦合缝隙分别与四个辐射单元6相向，以作为第二馈电支路10的输出端口，并向辐射单元6通过耦合的形式馈电。其中，将第二功分器9的输入端记为二端口。

请结合图7-图9b以及图11，图11中示出了该方向图可重构的毫米波天线在分别通过两个馈电端口馈入76GHz和80GHz频率信号时的方向图。在图8a和图8b中，Port 1为一端口，Port a、Port b、Port c、Port d分别为第一馈电网络的四个输出端口；在图9a和图9b中，Port 2为二端口，Port e、Port f、Port g、Port h分别为第二馈电网络的四个输出端口。在第一馈电网络中，采用了T转H形的馈电路径，可使每个辐射单元6获得同等相位和幅度的馈电信号，实现半功率波束的进一步收窄(小于10°)，旁瓣小于-15dB，详见图11，一端口窄波束的半功率波束宽度在XOZ面和YOZ面两个平面均小于10°，旁瓣小于-15dB，交叉极化小于-30dB。在第二馈电网络中采用了Ⅰ转H型馈电路径，使每个辐射单元6获得相等幅度的馈电信号且相邻辐射单元6间具有180°相位差，进而实现朝四个不同方向的窄波束，提高了天线的扫描范围(30°的扫描角度)，详见图11，二端口的XOZ面和YOZ面的方向图均呈现出双波束，其中两个波峰之间有30°的偏移，拓宽了扫描角度，旁瓣也小于-15dB，交叉极化小于-28dB。

此外，上述天线结构将两个馈电网络整合在一起，使用同一辐射组件，当激励不同端口时，可实现不同的辐射方向图，实现了方向图可重构，从而在一款天线中实现了在窄波束和宽扫描角度间的切换。另外，该实施例中的辐射组件采用了高阶模缝隙天线，相对于传统的喇叭天线，能够有效减小天线的平面尺寸，同时也能够使每个缝隙获得同等的激励，削弱了由馈电网络不均衡激励单元产生的波束偏移，此外缝隙天线具有对称性，更易实现双极化，提高频带利用率。

以上第一功分器7、第一馈电支路8、第二功分器9、第二馈电支路10均采用了在基板上设置连续的金属过孔的结构形式，形成了基片集成波导结构，能够降低馈电网络的外形尺寸。另外，将第一功分器7与辐射组件设在同一基板上，进一步降低了该方向图可重构的毫米波天线的外形尺寸。

此外，参考图2和图4，在该实施例中，在第一功分器7的头部中间还设置了三个金属过孔，用于提高其与第一馈电支路8的耦合效果；在第二馈电支路10的中间还设有两个金属过孔，用于提高其与第二功分器9的耦合效果。

在该实施例中，为了提高天线的增益、进一步收窄波束以及提高孔径效率，还在辐射组件的远离第二馈电支路10的一侧设置了激励组件。请结合图1和图6，该激励组件包括第五基板5和设在其上的若干激励单元11，其中第五基板5设在了第一基板1的上方，每个激励单元11包括设在第五基板5上下表面的金属环、贯穿第五基板5并连通上下表面金属环的若干金属过孔，其中金属环的中间为中空结构。通过在第五基板5上设置激励单元11可以形成零折射率的新型结构，且透射率较高，能够有效地修正辐射组件的电场，使辐射场能够朝同一方向，提高天线的增益。另外，其中的金属环为矩形环，便于在第五基板5上设置较多的激励单元11阵列。在该实施例中，在第五基板5上的每个与辐射单元6相向的位置均设有3×3个上述激励单元11，形成对称的激励组件，便于实现双极化。

图10a和图10b示出了该方向图可重构的毫米波天线的性能，两个馈电端口的阻抗匹配均覆盖76-80GHz这一频段，隔离度大于25dB，一端口的最大增益为22.5dBi，二端口的最大增益为18.3dBi。一端口的最大孔径效率为59％，二端口的最大孔径效率为91.5％。相比于传统的毫米波天线，增益和孔径效率均得到了提升。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (7)

1.一种方向图可重构的毫米波天线，其特征在于，包括：

辐射组件，设在第一基板上，包括2×2阵列的辐射单元，每个所述辐射单元包含2×2阵列的十字耦合缝隙及设在四个十字耦合缝隙外周的金属过孔；

第一功分器，设在所述第一基板上，为金属过孔形成的“T”形结构，尾部为馈电端，头部的两端设在所述辐射单元之间；

第一馈电支路，设在第二基板上，为金属过孔形成的“Ⅱ”形结构，四个端部设有与所述辐射单元相向的十字耦合缝隙，两个中部设有与所述第一功分器头部的两端相向的一字耦合缝隙；

第二功分器，设在第四基板上，为金属过孔形成的“Ⅰ”形结构，一端为馈电端，另一端设在与四个所述辐射单元中部相向的位置并且端部设有一字耦合缝隙；

第二馈电支路，设在第三基板上，为金属过孔形成的“工”形结构，四个端部设有与所述辐射单元相向的一字耦合缝隙，中部与所述第二功分器的一字耦合缝隙相向设置；其中

所述第一基板、第二基板、第三基板、第四基板顺次层叠在一起。

2.如权利要求1所述的方向图可重构的毫米波天线，其特征在于，

所述第一基板、第二基板、第三基板、第四基板的上下表面均覆有金属层；

所述第一功分器、第一馈电支路、第二功分器、第二馈电支路为基片集成波导结构。

3.如权利要求2所述的方向图可重构的毫米波天线，其特征在于，

所述第一功分器的金属过孔形成环状的“T”形结构，在其头部的中间还设有三个金属过孔。

4.如权利要求2所述的方向图可重构的毫米波天线，其特征在于，

所述第二馈电支路的金属过孔形成环状的“工”形结构，在其中间还设有两个金属过孔。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方向图可重构的毫米波天线，其特征在于，

在所述辐射组件的远离所述第二馈电支路的一侧还设有激励组件；

所述激励组件的折射率为零，包括第五基板和设在其上的若干激励单元，所述激励单元包括设在第五基板上下表面的金属环、贯穿第五基板并连通上下表面金属环的若干金属过孔。

6.如权利要求5所述的方向图可重构的毫米波天线，其特征在于，

所述第五基板上的每个与所述辐射单元相向的位置均设有3×3个所述激励单元。

7.如权利要求6所述的方向图可重构的毫米波天线，其特征在于，

所述金属环为矩形环。

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