CN201204258Y - 毫米波基片集成波导多波束天线 - Google Patents

Abstract

毫米波基片集成波导多波束天线在介质基片(3)的两面设有金属层上表面(1)、金属层下表面(2)和金属化通孔(4)实现的类似于波导结构的基片集成波导，由基片集成波导构成一维抛物反射面(6)，从而形成波束成形网络，与由基片集成波导缝隙阵天线(53)组成的11×8天线阵(54)直接级联，形成多波束天线，该波束成形网络的8个内输入口(7)通过基片集成波导馈电网络与8个外输入口(9)相连。该天线可以适用于微波毫米波波束成形网络和多波束天馈系统，由其构成的基片集成波导多波束天线可以应用于微波毫米波多波束系统和智能天线，可以带来诸如改善通信信道质量，降低发射功率和误码率，减少多径干扰的优点。

Description

毫米波基片集成波导多波束天线

技术领域

本实用新型的基片集成波导抛物反射面可以适用于微波毫米波波束成形网络和多波束天馈系统，由其构成的基片集成波导多波束天线可以应用于微波毫米波多波束系统和智能天线，可以带来诸如改善通信信道质量，降低发射功率和误码率，减少多径干扰的优点。

背景技术

移动通信的迅速发展，使得传统的多址方式，如CDMA，FDMA，TDMA等，已不能满足日益增长的扩容需要。多波束天线通过波束成形网络产生多个固定并行指向的波束，用来覆盖整个用户区，从而达到扩容的目的。一般可以用矩阵电路类(如巴特勒矩阵)或透镜类波束成形网络来产生多个波束。随着工作频率的增高，尤其进入毫米波频段，巨大的损耗使得由传统平面电路如微带线等构成的多波束天线无法正常工作，且由于体积过小而难以实现。如果采用金属波导来构成，虽然其性能优异，但会产生加工困难、成本较高、重量大等难以克服的问题。新型基片集成波导技术既具有平面电路的易集成、制作方便等优点，又具有与金属波导近似的高Q值、低损耗的优良特性，因此适于微波毫米波多波束天线的设计。

发明内容

技术问题：本实用新型的目的是提出一种毫米波基片集成波导多波束天线，使之工作在毫米波频段。其具有Q值较高，损耗较低，体积较小，成本低，容易大批量生产，易与有源电路集成等优点。

技术方案：由波束成形网络和天线阵相连，可以形成多波束天线。

本实用新型中的波束成形网络，由介质层两面的金属敷铜面和金属化通孔组成的类似于波导结构的基片集成波导来实现。一维基片集成波导抛物反射面由金属化通孔围成，作为波束成形网络，通过从内输入口偏焦馈电实现多组相位差分布，与由基片集成波导缝隙阵天线组成的11×8天线阵直接级联，形成多波束天线；该波束成形网络的8个内输入口通过基片集成波导馈电网络与8个外输入口相连。本发明中的11×8天线阵由并排排列的11根相同的8缝缝隙阵天线组成，每一缝隙阵天线由金属化通孔形成的基片集成波导构成；其一端短路，在基片集成波导内的金属层上表面上且位于中心线的两侧分别设有一排金属表面上的左缝隙、右缝隙。本发明中的基片集成波导馈电网络能实现波束成形网络内输入口与外输入口之间的连接，便于测试和与其他电路集成，在拐角处采用感性金属柱以降低反射系数；外输入口通过50欧姆微带线馈电，其与基片集成波导之间采用微带过渡线实现过渡。

该波束成形网络的工作原理类似于传统抛物反射面。抛物面是一种常见的反射面天线，当从其焦点馈电时，能产生高增益的波束。这是因为它能将从焦点发出的球面波通过抛物面的反射，形成等相位的平面波。若采用偏馈技术，可以避免馈源的口径遮挡。如果不移动反射面，通过偏焦的方法可以在有限的范围内实现波束的扫描。因此，利用这一原理，采用基片集成波导技术能在微波毫米波频段实现高性能的波束成形网络。由于基片集成波导不支持TEM模的传播，故在本设计中采用了不同于传统激励模式的TE₁₀模，这样会使得抛物反射面的工作带宽略微减少。通过从上述波束成形网络的不同输入端口激励可以产生不同的相位差，与天线阵相结合能形成相应的多个波束指向。其结构紧凑、设计简便、性能优异、拥有较宽的工作带宽。

有益效果：

1：)使多波束天线在以平面电路的形式工作于微波毫米波频段时，具有较高增益、Q值和较低损耗。同时与金属波导的立体结构相比，体积小、重量轻、加工容易。

2：)基片集成波导抛物反射面与基片集成波导天线阵直接相连形成多波束天线，结构简单、紧凑、一体化。

3：)该多波束天线制作于介质基片上，与有源电路集成方便。

4：)该多波束天线可与弧度不大的弯曲表面(如飞机机翼表面等)直接共形，不需另外设计，具有较高实用性。

5：)整个多波束天线的各部分集成为一体，全部利用普通PCB工艺加工，成本低、精度高、重复性好，适合大批量生产。

附图说明

图1是毫米波基片集成波导多波束天线结构示意图。

以上的图中有：上层金属敷铜面1、下层金属敷铜面2、介质基片3、金属化通孔4、金属表面上的左缝隙51、金属表面上的右缝隙52、基片集成波导缝隙阵天线53、辐射天线阵54、基片集成波导抛物反射面6、内输入口7(包括输入端口71～78)、感性金属柱81、50欧姆微带线82、微带过渡线83、外输入口9(包括输入端口91～98)。

具体实施方式

该毫米波基片集成波导多波束天线为一平面电路结构，其完全由介质基片上下表面金属层及金属化通孔构成。其主要结构可分为两部分：基片集成波导抛物反射面，基片集成波导天线阵。其中，抛物反射面作为波束成形网络，其外形设计可利用普通抛物线的公式进行，采用基片集成波导的形式实现；基片集成波导缝隙阵天线组阵作为辐射天线阵。为了便于测试和与其它平面电路集成，另设计一馈电网络对基片集成波导抛物反射面进行偏焦馈电。通过对不同的输入口进行激励，可以产生不同的波束指向。

本实用新型在中心频率为37.5GHz处实现基于抛物反射面原理的基片集成波导多波束天线，并测试其整体性能。基片选用Rogers Duroid 5880，其介质常数为2.2，厚度0.508mm。基片集成波导金属化通孔的直径为0.4mm，通孔之间的间距为0.8mm，抛物反射面的焦距为30mm。该多波束天线共有八个输入端口91～98，辐射天线阵为11根8缝基片集成波导缝隙阵天线。由于波束恶化的原因，从91端口激励产生的波束较差，故视其为匹配口，接上50欧姆的电阻，用以降低副瓣电平。为了便于测试，在内输入口7(包括输入端口71～78)和外输入口9(包括输入端口91～98)之间设计了馈电网络。但在实际应用中，该多波束天线多与其他电路集成而可略去此馈电网络，从而得到更佳性能。

分别从输入端口92～98激励，在暗室中测得37.5GHz时天线可产生的七个波束分别拥有8°，8.3°，8.7°，8.7°，8.3°，7.6°和10.6°的3dB波瓣宽度，并且其指向分别为-30°，-21°，-13°，-5°，5°，14°和23°。七个波束的增益分别为17.3dBi，19.1dBi，19.1dBi，19.1dBi，19.1dBi，17.3dBi，和15.8dBi。

将该多波束天线直接固定于弧度不大的弯曲表面上，可形成共形天线。在37.5GHz时，天线可产生的七个波束分别拥有8°，8.6°，9°，8.7°，8.6°，7.6°和8.8°的3dB波瓣宽度，并且其指向分别为-35°，-25°，-15°，-5°，5°，16°和26°。七个波束的增益分别为17.3dBi，18.1dBi，18.2dBi，18.2dBi，18.1dBi，17dBi，和15dBi。共形后的多波束天线与平面结构相比，增益略有下降、副瓣电平略微上升，波束覆盖面有所增加，不会影响其使用。

Claims (4)

1.一种毫米波基片集成波导多波束天线，其特征为：在介质基片(3)的两面设有金属层上表面(1)、金属层下表面(2)和金属化通孔(4)实现的类似于波导结构的基片集成波导，由基片集成波导构成一维抛物反射面(6)，从而形成波束成形网络，与由基片集成波导缝隙阵天线(53)组成的11×8天线阵(54)直接级联，形成多波束天线，该波束成形网络的8个内输入口(7)通过基片集成波导馈电网络与8个外输入口(9)相连。

2.根据权利要求1所述的毫米波基片集成波导多波束天线，其特征为：11×8天线阵(54)由并排排列的11根相同的8缝缝隙阵天线(53)组成，每一缝隙阵天线(53)由金属化通孔(4)形成的基片集成波导构成；其一端短路，在基片集成波导内的金属层上表面(1)上且位于中心线的两侧分别设有一排金属表面上的左缝隙(51)、右缝隙(52)。

3.根据权利要求1所述的毫米波基片集成波导多波束天线，其特征为：一维基片集成波导抛物反射面(6)由金属化通孔(4)围成，通过从不同的内输入口(7)馈电实现多组相位差分布。

4.根据权利要求1所述的毫米波基片集成波导多波束天线，其特征为：基片集成波导馈电网络由基片集成波导实现内输入口(7)与外输入口(9)之间的连接，在拐角处采用感性金属柱(81)；外输入口(9)通过50欧姆微带线(82)馈电，其与基片集成波导之间采用微带过渡线(83)实现过渡。

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