CN206225548U - 腔体耦合缝隙辐射单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种腔体耦合缝隙辐射单元，其特征在于，它包括从下往上依次设置的含馈电结构的馈电层、用于耦合馈电层与辐射缝隙的含耦合口和耦合腔体的耦合层、以及辐射层，馈电层采用E面波导，通过孔径与上层耦合层耦合，在耦合层的耦合口上方设置耦合腔体，并形成一分四功分器；辐射层设置有由多个辐射缝隙单元组成的辐射缝隙阵列，在耦合腔体中对应辐射缝隙单元的位置设置矩形阶梯。本实用新型作为E‑band平板阵列的结构单元，具有高带宽，低损耗的特性，性比于同类型产品，性能更加优越。

Description

腔体耦合缝隙辐射单元

技术领域

本实用新型涉及天线技术领域，特别是涉及平板阵列天线在毫米波的应用。

背景技术

随着天线技术的快速发展，信息化社会的全面普及，在2020年及未来，移动通信技术较迈入第五代移动通信(5G)的发展阶段。其特点为0.1-1Gbps体验速率，数10Tbps/km²流量密度，百万级连接密度，低功耗等。而5G网络针对天线技术领域的基本要求主要为高带宽及低损耗，而应用方面则为毫米波平板阵列(mmWave planar array)，多单元(massiveMIMO)，波束成形(beam forming)，波束扫描(beam steering)，多波束(multi-beam)及有源一体化相控阵(phase control array)。其中毫米波平板阵列作为5G天线其他应用的基础，起着至关重要的作用。

缝隙平板阵列天线已经在现代雷达和通信系统中有广泛的应用。其中微带线缝隙平板阵列天线以其易集成，易加工和高性价比的特性成为最受欢迎的方案之一。但其在高频段尤其是V-band和E-band的表现却很不理想，表面波，传输线的辐射及基质模损耗导致的低效率，高损耗的劣势在高频段的尤为明显。面对5G网路的高带宽低损耗，微带线缝隙平板阵列已经很难达到要求。基片集成波导(SIW)结构可以一定程度上提高天线效率，但是其基质中的损耗仍然较高。在大型阵列的应用中并没有明显优势。另外一种新兴Gap波导技术以其低损耗，不要求金属接触的优势(在高频段不存在缝隙漏波现象，使其设计仿真数据与样品测试数据非常接近)越来越受到关注。但是Gap波导的周期性针结构过于细小，在高频段加工精度要求高难道较大，加工周期长，较难满足量产的需求。

另一方面，传统的空气波导缝隙辐射单元平板阵列以其低损耗，高效率的优势同样得到了广泛的应用。但是传统空气波导的带宽较窄，较难满足5G应用的需求，目前产品普遍相对带宽为10％-15％，而且在其带宽内回波损耗也较高，驻波比在2.0左右，而一部分产品为了达到20％的相对带宽，牺牲了回波损耗，驻波比高达2.6，输入能量很大一部分都被反射。另外传统空气波导加工方式也存在弊端：缝隙漏波(金属接触要求很高)。一种新兴的多层金属片镀银层压技术很大程度上解决的缝隙漏波的问题，但是加工成本异常高，并不适合大量生产。

发明内容

本实用新型的目的就是为了解决现有技术之不足而提供的一种高带宽，低损耗的腔体耦合缝隙辐射单元。

本实用新型是采用如下技术解决方案来实现上述目的：一种腔体耦合缝隙辐射单元，其特征在于，它包括从下往上依次设置的含馈电结构的馈电层、含耦合口和耦合腔体的耦合层、以及辐射层，馈电层采用E面波导，通过孔径与上层耦合层耦合，在耦合层的耦合口上方设置耦合腔体，并形成一分四功分器；辐射层设置有多个辐射缝隙单元组成的辐射缝隙阵列，在耦合腔体中对应辐射缝隙单元的位置设置矩形阶梯，以满足在高带宽的情况下，实现低损耗。

作为上述方案的进一步说明，馈电层的E面波导采用H面中心切割组合方式，其金属接触要求不高，可以很大程度上减小缝隙漏波，并且加工精度及成本较低，可通过机加工或开模量产，波导转角采用斜面切角，以对传输不连续进行补偿，馈电层终端采用E面腔体与耦合口匹配。

进一步地，所述耦合层通过耦合口与馈电层连接，耦合腔体四周设置有两对金属块用于抑制高级模的产生，降低辐射缝隙单元间的互耦，耦合腔体中的矩形阶梯位于辐射缝隙单元正下方，即腔体中磁场最强位置，用于与辐射缝隙单元耦合。

进一步地，耦合腔体中矩形阶梯以耦合口为中心对称，用于拓展带宽并与辐射缝隙单元匹配。

进一步地，所述辐射层包括辐射板和辐射腔体，辐射缝隙单元设置在辐射板上，每个辐射缝隙单元之间的间距为84％波长，反腔体设置在辐射缝隙单元的上方，用于进一步抑制缝隙间互耦，以抑制栅瓣。

本实用新型采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：

1、本实用新型采用在馈电层使用E面波导H面中心切割方式，减小了缝隙漏波，以减小了馈电层的传输损耗；通过馈电层与辐射层之间加入含有矩形阶梯的腔体结构，提高了阻抗匹配性能；与现有天线相比，其具有带宽高，损耗低的特点。

2、本实用新型的矩形阶梯以耦合腔体中心成对称结构，且位于辐射缝隙单元正下方，即腔体中磁场最强位置，与辐射缝隙及辐射腔体形成三级阶梯耦合，以同时实现高带宽及低损耗。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的结构示意图。

附图标记说明：1、馈电层 1-1、底板 1-2、E面波导 1-21、E面波导传输层上切面1-22、E面波导传输层下切面 2、耦合层 2-1、耦合口 2-2、耦合腔体 3、辐射层 3-1、辐射缝隙单元 3-2、辐射板 3-3、辐射腔体 4、矩形阶梯 5、金属块。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本技术方案作详细的描述。

如图1-图2所示，本实用新型是一种腔体耦合缝隙辐射单元，本实施例是2*2腔体耦合缝隙辐射单元，作为平板阵列天线的结构单元。它包括从下往上依次设置的含馈电结构的馈电层1、含耦合口2-1和耦合腔体2-2的耦合层2、以及辐射层3，馈电层1包括作为馈电层下壁的底板1-1和与底板对应的E面波导1-2，E面波导采用H面中心切割组合方式，形成E面波导传输层上、下切面1-21、1-22，其金属接触要求不高，可以很大程度上减小缝隙漏波，并且加工精度及成本较低，可通过机加工或开模量产，波导转角采用斜面切角，以对传输不连续补偿。E面波导1-2通过孔径与上层耦合层2耦合，在耦合层的耦合口2-1上方设置耦合腔体2-2，并形成一分四功分器；辐射层3设置有由4个辐射缝隙单元3-1组成的辐射缝隙阵列，在耦合腔体中对应辐射缝隙单元的位置设置矩形阶梯4，以满足在高带宽的情况下，实现地损耗。

进一步地，所述耦合层通过耦合口与馈电层连接，耦合腔体四周设置有两对金属块5用于抑制高级模的产生，降低辐射缝隙单元间的互耦，耦合腔体中的矩形阶梯位于辐射缝隙单元正下方，即腔体中磁场最强位置，用于与辐射缝隙单元耦合。耦合腔体中矩形阶梯以耦合口为中心对称，用于拓展带宽并与辐射缝隙单元匹配。辐射层3包括辐射板3-2和辐射腔体3-3，辐射缝隙单元3-1设置在辐射板3-2上，每个辐射缝隙单元之间的间距为84％波长，辐射腔体设置在辐射缝隙单元的上方，用于进一步抑制缝隙间互耦，以抑制栅瓣。

本实施例中，天线整体分为三部分通过焊接或螺栓进行连接，第一部分为底板与、E面波导传输层下切面一体化机加工或开模；第二部分为E面波导传输层上切面、耦合口、耦合腔体、矩形阶梯及、两组金属块一体化机加工或开模；第三部分为辐射板与辐射腔体一体化机加工或开模。

其中矩形波导宽*高尺寸为(a*b)2.7mm*1mm，耦合口长*宽尺寸为2mm*0.77mm，耦合腔体内壁长*宽*高尺寸为5.9mm*4.5mm*0.86mm,辐射缝隙单元长*宽尺寸为2mm*0.3mm，其中辐射缝隙单元在两个垂直方向上单元间距均为3.2mm，辐射腔体内壁长*宽*高尺寸为2.7mm*1.96mm*1.2mm。

2*2腔体耦合缝隙辐射单元整体尺寸数据如下：(L*W*H)6.4mm*6.4mm*5.36mm,阻抗带宽为70.8-86.4GHZ，相对带宽20％，在该带宽内，回波损耗低于-20dB。由其扩展的32*32平板缝隙阵列天线增益为38.6-40.1dB,并且经过5度极化偏转可以满足ETSIrange7class2要求。

本实用新型与现有技术相比，在现有技术结构不能同时满足高带宽及低损耗的情况下，通过改造耦合腔体结构形式，在其中加入矩形阶梯，以满足在高带宽的情况下，实现地损耗；矩形阶梯以耦合腔体中心成对称结构，且位于辐射缝隙单元正下方即是腔体中磁场最强位置，与辐射缝隙阵列及辐射腔体形成三级阶梯耦合，以同时实现高带宽及低损耗。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种腔体耦合缝隙辐射单元，其特征在于，它包括从下往上依次设置的含馈电结构的馈电层、含耦合口和耦合腔体的耦合层、以及辐射层，馈电层采用E面波导，通过孔径与上层耦合层耦合，在耦合层的耦合口上方设置耦合腔体，并形成一分四功分器；辐射层设置有由多个辐射缝隙单元组成的辐射缝隙阵列，在耦合腔体中对应辐射缝隙单元的位置设置矩形阶梯。

2.根据权利要求1所述的腔体耦合缝隙辐射单元，其特征在于，馈电层的E面波导采用H面中心切割组合方式；波导转角采用斜面切角，馈电层终端采用E面腔体与耦合口匹配。

3.根据权利要求1所述的腔体耦合缝隙辐射单元，其特征在于，所述耦合层通过耦合口与馈电层连接，耦合腔体四周设置有两对金属块，耦合腔体中的矩形阶梯位于辐射缝隙单元正下方，用于与辐射缝隙耦合。

4.根据权利要求1所述的腔体耦合缝隙辐射单元，其特征在于，耦合腔体中矩形阶梯以耦合口为中心对称，用于拓展带宽并与辐射缝隙单元匹配。

5.根据权利要求1所述的腔体耦合缝隙辐射单元，其特征在于，所述辐射层包括辐射板和辐射腔体，辐射缝隙单元设置在辐射板上，每个辐射缝隙单元之间的间距为84％波长，辐射腔体设置在辐射缝隙单元的上方，用于进一步抑制缝隙间互耦，以抑制栅瓣。