CN210926322U - 一种低交叉极化的毫米波微带平板阵列天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种低交叉极化的毫米波微带平板阵列天线，包括：介质基板，分别设置在所述介质基板正、反面的第一印制微带电路和第二印制微带电路，以及固定于所述介质基板反面、用来馈电的矩形金属波导；所述第一印制微带电路由纵向功分电路、级联于所述纵向功分电路的横向功分电路和与所述横向功分电路连接的辐射矩形贴片单元组成。本实用新型通过设计特定形状的微带功分电路并结合相应的辐射矩形贴片单元，仅使用一层介质基板就实现了高增益微带天线阵列，并有效降低了天线的主极化副瓣包络，压制了传统微带天线阵列的高交叉极化电平。经仿真实验，本实用新型提供的毫米波微带平板阵列天线具有高增益、平面化、低交叉极化、易于量产等优点。

Description

一种低交叉极化的毫米波微带平板阵列天线

技术领域

本实用新型涉及天线设计领域，具体涉及一种低交叉极化的高增益毫米波微带平板阵列天线。

背景技术

高增益天线是现代无线微波通信的前端，对整体通信质量有重要地影响。传统的高增益微波天线有抛物面天线及卡塞格伦天线、格里高利天线等抛物面天线的变形。然而随着现代通信的精细化、差异化，传统的微波天线已经不能满足一些应用场景。例如，在城市场景中要求高增益天线具备低剖面、平面化的性质以实现整体美观的外观，此时传统的抛物面天线则不能满足需求。

为了降低天线的剖面，实现平面天线阵，可以使用金属波导缝隙天线、开口金属波导天线、印刷阵子天线和微带天线阵天线等。使用金属波导材料的天线具有损耗低，带宽较宽的优点，然而其机加工工艺复杂，生产效率较低，成本高；印刷阵子天线需要支撑结构，组成平面阵列的结构设计较为复杂，不宜应用于对结构误差要求严格的毫米波频段。微带天线阵可以使用平面印制电路(PCB)工艺，其加工精度高且成本较低，适宜应用于毫米波高增益天线的设计和生产。

微带贴片天线阵列的一个缺陷是具有较高的交叉极化，这限制了其在对交叉极化要求严格的场景的应用。为了降低其交叉极化，可以使用缝隙耦合的贴片天线形式，但该方法需要多块介质板层压，提高了加工难度，也增加了成本。

基于上述背景，在实际应用中，亟需一种具有低交叉极化的毫米波微带平板阵列天线，以满足现代通信系统中一些场景对天线高增益、低交叉极化、易于批量生产等特性的需求。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种高增益、平面化、低交叉极化、易于量产的毫米波微带平板阵列天线。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案。

一种低交叉极化的毫米波微带平板阵列天线，其特征在于，包括：介质基板，分别设置在所述介质基板正、反面的第一印制微带电路和第二印制微带电路，以及固定于所述介质基板反面、用来馈电的矩形金属波导；所述第一印制微带电路由纵向功分电路、级联于所述纵向功分电路的横向功分电路和与所述横向功分电路连接的辐射矩形贴片单元组成。

更为优选的是，所述第二印制微带电路为印制于所述介质基板背面的金属地板，在所述金属底板的正中位置设有矩形缝隙；所述矩形金属波导固定于所述介质基板的中心位置，从所述矩形金属波导馈入的电磁能量通过所述矩形缝隙耦合至所述第一印制微带电路。

更为优选的是，在所述介质基板正面的中心位置设有与所述矩形缝隙对应的输入微带段，在所述输入微带段的上下侧分别连接有两条所述纵向功分电路。

更为优选的是，在每条所述纵向功分电路的外侧级联有若干条所述横向功分电路，所述横向功分电路和所述辐射矩形贴片单元沿所述介质基板的纵向中分线、横向中分线均对称。

更为优选的是，在所述横向功分电路上设有用来耦合激励所述矩形辐射贴片单元的耦合微带段，所述耦合微带段与所述矩形辐射贴片单元之间间隔开、经由缝隙耦合激励。

更为优选的是，在所述耦合微带段的中心设有金属化通孔，所述金属化通孔将所述耦合微带段与所述第二印制微带电路电气连接。

更为优选的是，各级所述横向功分电路之间的间距相等。

更为优选的是，在每级所述横向功分电路上连接有多个尺寸一致的所述辐射矩形贴片，相邻两所述辐射矩形贴片之间的间距相等。

更为优选的是，所述纵向功分电路的变换段宽度根据副瓣抑制所需的Taylor幅度分布设计，所述横向功分电路的变换段宽度与所述纵向功分电路相同，使用相同的Taylor幅度分布设计。

更为优选的是，所述毫米波微带平板阵列天线的工作频段在22-30GHz之间设计。

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：

通过设计特定形状的微带功分电路并结合相应的辐射矩形贴片单元，仅使用一层介质基板就实现了高增益微带天线阵列，并有效降低了天线的主极化副瓣包络，压制了传统微带天线阵列的高交叉极化电平。经仿真、加工和实验测试，本实用新型提供的毫米波微带平板阵列天线具有高增益、平面化、低交叉极化、易于量产等优点。

附图说明

图1为本实用新型的天线的一个实施例的结构俯视示意图。

图2为本实用新型的天线的结构左视示意图。

图3为本实用新型的天线的结构后视示意图。

图4为本实用新型的天线的纵向微带功分电路的示意图。

图5为本实用新型的天线的其中一排横向单元线阵的示意图。

图6为本实用新型的天线的单元示意图。

图7为本实用新型的天线的回波损耗频率曲线图。

图8为本实用新型的天线的增益随频率变化的曲线图。

图9为本实用新型的天线的中心频率的电场面辐射方向图。

图10为本实用新型的天线的中心频率的磁场面辐射方向图。

附图标记说明：

1：第一印制微带电路，2：介质基板，3：矩形金属波导，4：第二印制微带电路。

111：纵向功分电路，112：横向功分电路，121：辐射矩形贴片单元，113：耦合微带段，201：金属化通孔，401：矩形缝隙。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本实用新型和简化描述，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、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本实用新型的具体保护范围。

此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本实用新型描述中，“至少”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本实用新型中的具体含义。

在实用新型中，除非另有规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅是表示第一特征水平高度高于第二特征的高度。第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

下面结合说明书的附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步的描述，使本实用新型的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

参见图1和图2所示，一种低交叉极化的毫米波微带平板阵列天线，包括：介质基板2，分别设置在所述介质基板2正反面的第一印制微带电路1和第二印制微带电路4，以及用来馈电的矩形金属波导3。其中，所述第一印制微带电路1由纵向功分电路111、级联于纵向功分电路111的横向功分电路112和与横向功分电路112连接的辐射矩形贴片单元121组成。通过调整纵向功分电路111和横向功分电路112各节变换段的宽度，可以控制电磁波到达各辐射矩形贴片单元121的幅度和相位，从而实现方向图包络的控制，降低方向图副瓣。

参见图3所示，所述矩形金属波导3固定于介质基板2的中心位置，固定方式可以选择螺钉等方式。印制于介质板2底面的第二印制微带电路4的地板基本盖满底面，在第二印制微带电路4的中心位置有不覆铜的矩形缝隙401。波导馈入的电磁能量通过该矩形缝隙401可耦合至介质基板2正面的第一印制微带电路1，调整该矩形缝隙401的尺寸可调整天线的驻波。

参见图4所示，所述纵向功分电路111连接了输入微带段和各级横向功分电路112。通过调整纵向功分电路111各节变换段的宽度，可以控制纵向的功率分配比，从而控制该方向的方向图包络。

参见图5所示，所述横向功分电路112连接了纵向功分电路111的输出端和各个辐射矩形贴片单元121的输入端。通过调整横向功分电路112各节变换段的宽度，可以控制横向方向的功率分配比，从而控制该方向的方向图包络。

参见图6所示，所述辐射矩形贴片单元121的激励方式为邻接耦合，贴片121与横向功分112没有直接的电气连接。辐射矩形贴片单元121通过从横向电路112伸出的耦合微带段113，经由耦合微带段113和辐射矩形贴片单元121之间的缝隙耦合激励。金属化通孔201位于耦合微带段113的中心位置，在该位置打通介质基板2并金属化，实现耦合微带段113和底面第二印制微带电路4的电气连接。通过调整辐射矩形贴片单元121和耦合微带段113的尺寸，可以实现所需的谐振辐射频率，并抑制该频段的交叉极化。

根据本申请的一个实施例，设计于工作在27GHz的微带平板阵列天线，矩形金属波导3选择为标准矩形波导BJ260，内部长度为8.636mm，宽度为4.318mm。介质基板2的尺寸为140mm×140mm，介质材料的相对介电常数为3.0，厚度为0.78mm。纵向功分电路111在一侧有9个输出端，输出端之间的纵向周期距离为7.2mm；其变换段宽度根据副瓣抑制-35dB的Taylor幅度分布设计，在0.5mm至1mm之间变化。横向功分电路112同样具有9个输出端，输出端之间的周期距离为7.2mm；其变换段宽度与纵向功分相同，使用相同的Taylor幅度分布设计。耦合微带段113的长度为1.45mm，宽度为0.5mm。金属化通孔201的直径为0.4mm。辐射矩形贴片单元121的长度为4.8mm，宽度为3mm。辐射矩形贴片单元121和耦合微带段113的缝隙间距为0.2mm。通过该设计及优化，选择合适的功分尺寸和单元尺寸设计，使得天线阵列实现高增益和较低的副瓣波束包络，并且能实现较低的交叉极化电平。

为更好地体现本实用新型的效果，下面对上述实施例制得的样品的进行实验测试，结果如图7-图10所示。

参见图7所示，其为上述样品的回波损耗频率曲线图。从该图可以看到，天线在26～28GHz之间都实现了-10dB以下的回波损耗性能，具有较好的驻波特性。

参见图8所示，其为上述样品的增益随频率变化的曲线图。从该图可以看到，天线在26.5～27.5GHz之间都实现了26dB以上的天线增益，实现了较高的增益，并能保持一定的增益带宽。

参见图9所示，其为上述样品的中心频率的电场面辐射方向图，包括主极化和交叉极化，并给出了根据ETSI EN 302 217-4在该频段Class 2标准所需的包络限制。从该图可以看到，在电场面该天线的主极化和交叉极化都位于所需包络以内，实现了较好的副瓣包络抑制。

参见图10所示，其为上述样品的中心频率的磁场面辐射方向图，包括主极化和交叉极化，并给出了根据ETSI EN 302 217-4在该频段Class 2标准所需的包络限制。从该图可以看到，在磁场面该天线的主极化和交叉极化都位于所需包络以内，实现了较好的副瓣包络抑制。

基于与上述实施例同样的设计原理，本领域技术人员依照其掌握的普通技术知识、通过常规实验还能设计出工作在22GHz、24GHz、30GHz或其余频段的微带平板阵列天线，并具有同样的技术效果，这里不再详细赘述。

通过上述的结构和原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本实用新型不局限于上述的具体实施方式，在本实用新型基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本实用新型的保护范围，本实用新型的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。具体实施方式中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。

Claims (8)

1.一种低交叉极化的毫米波微带平板阵列天线，其特征在于，包括：介质基板，分别设置在所述介质基板正、反面的第一印制微带电路和第二印制微带电路，以及固定于所述介质基板反面、用来馈电的矩形金属波导；所述第一印制微带电路由纵向功分电路、级联于所述纵向功分电路的横向功分电路和与所述横向功分电路连接的辐射矩形贴片单元组成。

2.根据权利要求1所述的一种低交叉极化的毫米波微带平板阵列天线，其特征在于，所述第二印制微带电路为印制于所述介质基板背面的金属地板，在所述金属地板的正中位置设有矩形缝隙；所述矩形金属波导固定于所述介质基板的中心位置，从所述矩形金属波导馈入的电磁能量通过所述矩形缝隙耦合至所述第一印制微带电路。

3.根据权利要求2所述的一种低交叉极化的毫米波微带平板阵列天线，其特征在于，在所述介质基板正面的中心位置设有与所述矩形缝隙对应的输入微带段，在所述输入微带段的上下侧分别连接有两条所述纵向功分电路。

4.根据权利要求3所述的一种低交叉极化的毫米波微带平板阵列天线，其特征在于，在每条所述纵向功分电路的外侧级联有若干条所述横向功分电路，所述横向功分电路和所述辐射矩形贴片单元沿所述介质基板的纵向中分线、横向中分线均对称。

5.根据权利要求1所述的一种低交叉极化的毫米波微带平板阵列天线，其特征在于，在所述横向功分电路上设有用来耦合激励所述辐射矩形贴片单元的耦合微带段，所述耦合微带段与所述辐射矩形贴片单元之间间隔开、经由缝隙耦合激励。

6.根据权利要求5所述的一种低交叉极化的毫米波微带平板阵列天线，其特征在于，在所述耦合微带段的中心设有金属化通孔，所述金属化通孔将所述耦合微带段与所述第二印制微带电路电气连接。

7.根据权利要求1所述的一种低交叉极化的毫米波微带平板阵列天线，其特征在于，各级所述横向功分电路之间的间距相等。

8.根据权利要求1所述的一种低交叉极化的毫米波微带平板阵列天线，其特征在于，在每级所述横向功分电路上连接有多个尺寸一致的所述辐射矩形贴片，相邻两所述辐射矩形贴片之间的间距相等。

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