CN217788798U - M×n毫米波、太赫兹平面偶极子端射阵阵列天线 - Google Patents

M×n毫米波、太赫兹平面偶极子端射阵阵列天线 Download PDF

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朱春耕
阚君武
王淑云
鄂世举
张忠华
柴珍
周安楠
邓雅鑫
那若楠
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Abstract

本实用新型属于射频电路设计领域，具体涉及一种M×N毫米波、太赫兹平面偶极子端射阵阵列天线。由M路N×端射阵直线阵列天线等间距排列构成，相邻两个N×端射阵直线阵列天线之间的距离d＜λ，其中λ为波长，M和N均为大于1的整数。通过将M路N×端射阵直线阵列天线中的直线型馈电网络连接M路同相射频信号发射机，控制相邻两个N×端射阵直线阵列天线之间的距离小于有效波长，可产生更高的增益和更高的半功率宽度，同时降低发射机功耗，适用于高能效、高输出功率、低功耗要求的毫米波、太赫兹发射机阵列系统。

Description

M×N毫米波、太赫兹平面偶极子端射阵阵列天线
技术领域
本实用新型属于射频电路设计领域，具体涉及一种M×N毫米波、太赫兹平面偶极子端射阵阵列天线。
背景技术
针对毫米波、太赫兹发射机系统，研究难点和重点是如何提高发射机的输出功率。
为了提高输出功率，常用的发射机阵列系统包括发射机相控阵列、发射机空间功率合成直线阵列和发射机空间功率合成平面阵列。空间功率合成直线、平面阵列一般采用相位均匀变化的激励天线阵列的方法实现，发射机结构相对简单；而相控阵列一般通过发射机中的调相器实现任意相位的射频信号，从而实现波束的空间角度控制，发射机结构相对复杂。
在现有的毫米波、太赫兹发射机芯片系统，通常采用侧射阵天线阵列提高天线增益，从而提高发射机等效全向辐射功率EIRP，但是输出功率仍然受限，因此一般又通过设计片外硅基镜头和介质镜头，对毫米波、太赫兹波进行聚焦，进一步提高等效全向辐射功率EIRP。
与侧射阵相比较，端射阵天线的天线阵列主瓣最大指向在阵轴方向，具有更高的方向系数和更高的波束宽度，如何结合端射阵天线的优势，提高毫米波、太赫兹发射机系统的天线阵列增益和波束宽度，从而进一步提高发射机的等效全向输出功率EIRP和降低发射机和接收机之间的物理对准精度要求，是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
为了提高发射机系统的天线阵列增益和波束宽度，本实用新型提出了一种 M×N毫米波、太赫兹平面偶极子端射阵阵列天线，该天线结构降低了发射机和接收机之间的物理对准精度要求，且具有更低的发射机功耗，适用于高能效、高输出功率、低功耗要求的毫米波、太赫兹发射机阵列系统。
本实用新型采用如下技术方案：
一种M×N毫米波、太赫兹平面偶极子端射阵阵列天线，由M路N×端射阵直线阵列天线等间距排列构成，相邻两个N×端射阵直线阵列天线之间的距离d ＜λ，其中λ为波长，M和N均为大于1的整数；
所述的N×端射阵直线阵列天线为平面结构，包括直线型馈电网络和构成N×端射阵天线的N个天线单元；所述的M路N×端射阵直线阵列天线中的直线型馈电网络连接M路同相射频信号发射机。
作为本实用新型的优选，所述的天线单元为偶极子天线。螺旋天线或片状天线也可以作为构成N×端射阵天线的天线单元。
作为本实用新型的优选，所述的直线型馈电网络一端与M路同相射频信号发射机通过相互匹配的微带线或者共面波导相连。
作为本实用新型的优选，所述的直线型馈电网络包括上层馈电网络和下层馈电网络，所述的上层馈电网络刻蚀在双金属面顶层金属面上，下层馈电网络刻蚀在双金属面的另一侧底层金属面上；每一个直线型馈电网络中的上层馈电网络和下层馈电网络的不同侧刻蚀有均匀排列的天线单元。
作为本实用新型的优选，刻蚀在双金属面同一金属面上的天线单元朝向同一侧。
作为本实用新型的优选，连接同一个上层馈电网络或下层馈电网络的天线单元数量为3-20，相邻两个天线单元之间的距离Δd＝λ/(2k)，距离Δd可以在λ/(2k) 上下微调，其中k为大于零的整数。
作为本实用新型的优选，所述的N×端射阵直线阵列天线的数量为M＝2-100。
与现有的平面端射阵阵列天线相比，本实用新型提出的端射阵平面偶极子阵列天线将M路N×端射阵直线阵列天线采用平面工艺制作，结构简单。通过将M 路N×端射阵直线阵列天线中的直线型馈电网络连接M路同相射频信号发射机，控制相邻两个N×端射阵直线阵列天线之间的距离小于有效波长，可产生更高的增益和更高的半功率宽度，同时降低发射机功耗，适用于高能效、高输出功率、低功耗要求的毫米波、太赫兹发射机阵列系统。
附图说明
图1为基于平面工艺的N×(N＝5)时的半波偶极子端射阵直线阵列天线的示意图。
图2为阵列单元数目M＝4、N＝5时构建的4×5毫米波、太赫兹平面偶极子端射阵阵列天线示意图。
图3为阵列单元数目N＝5时构建的4×5基于Rogers4350工艺的毫米波、太赫兹偶极子端射阵直线阵列天线三维结构示意图。
图4为阵列单元数目N＝5，k＝2时构建的4×5基于Rogers4350工艺的毫米波、太赫兹偶极子端射阵直线阵列天线上层金属设计图。
图5为阵列单元数目N＝5，k＝2时构建的4×5基于Rogers4350工艺的毫米波、太赫兹偶极子端射阵直线阵列天线底层金属设计图。
图6为四路同相射频信号发射机的第一种实施方式。
图7为四路同相射频信号发射机的第二种实施方式。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的解释说明。
本实用新型提出的M×N毫米波、太赫兹平面偶极子端射阵阵列天线采用平面工艺实现，如PCB工艺、SiGe BiCMOS工艺以及CMOS工艺等。首先通过设计适用于平面工艺的N×端射阵直线阵列天线，如图1所示，其中N×端射阵直线阵列天线的天线单元可以采用偶极子天线、螺旋天线、片状天线等等各种天线结构，再进一步构建M路的N×端射阵直线阵列天线结构，如图2所示，M路N×端射阵直线阵列天线等间距排列，相邻两个N×端射阵直线阵列天线之间的距离 d＜λ，其中λ为波长，M和N均为大于1的整数。
N×端射阵直线阵列天线包括直线型馈电网络和N个构成N×端射阵天线的天线单元；所述的M路N×端射阵直线阵列天线中的直线型馈电网络连接M路同相射频信号发射机。
以4×5基于Rogers4350工艺的毫米波、太赫兹端射阵直线阵列天线为例，对端射阵直线阵列天线的结构和制作过程进行介绍。
如图3所示，4路5×端射阵直线阵列天线等间距排列构成4×5的毫米波、太赫兹端射阵直线阵列天线，采用Rogers4350工艺制作，直接印制在双金属面PCB 板上，采用半波偶极子单元作为天线单元。
如图4所示，在双金属面PCB板的上下层金属刻蚀馈电网络，并在上层馈电网络的同一侧刻蚀5个垂直于上层馈电网络的天线单元，下层馈电网络的同一侧刻蚀5个垂直于下层馈电网络的天线单元，下层天线单元与上层馈电网络的天线单元朝向相反，每组朝向相反的上下层金属天线单元构成一个半波偶极子天线单元。相邻两个半波偶极子天线单元之间的距离Δd＝λ/(2k)，距离Δd可以在λ/(2k) 上下微调，图4中k＝2。
本实施例中，通过M路同相射频信号，对M×N太赫兹平面偶极子端射阵阵列天线进行馈电，该M路同相射频信号可以通过设计M路同相太赫兹发射机实现。
图6给出了一种四路同相太赫兹发射机的结构，以工作频率为244GHz为例，发射机包括振荡源、功率放大器、功分器和放大器电路，由振荡源发射的射频信号经功率放大器后输入到功分器，将信号一分为二，分开的两路信号再分别通过一个功分器一分为二，至此，一路信号变为四路同相射频信号，四路同相射频信号经放大器电路后分别为每一路N×端射阵直线阵列天线馈电。本实施例中，振荡源、功率放大器、功分器均为122GHz，倍频器电路输出信号为244GHz。
图7给出了另一种四路同相太赫兹发射机的结构，以工作频率为244GHz 为例，发射机包括振荡源、倍频器、功率放大器和功分器，由振荡源发射的射频信号经倍频器放大频率，再经功率放大器后输入到功分器，将信号一分为二，分开的两路信号再分别通过一个功分器一分为二，至此，一路信号变为四路同相射频信号，四路同相射频信号直接分别为每一路N×端射阵直线阵列天线馈电。本实施例中，振荡源为122GHz，倍频器输出信号、功率放大器和功分器为244GHz。
本领域技术人员还可以在上述发射机结构上进行改进，使其能够同时发射多路同相射频信号为每一路N×端射阵直线阵列天线中的直线型馈电网络馈电，馈电网络与M路同相太赫兹发射机通过相互匹配的50欧姆的微带线或者共面波导 (Coplanar Waveguide)相连。
本实用新型通过将M路N×端射阵直线阵列天线中的直线型馈电网络连接M 路同相射频信号发射机，控制相邻两个N×端射阵直线阵列天线之间的距离小于有效波长，可产生更高的增益和更高的半功率宽度，同时降低发射机功耗，适用于高能效、高输出功率、低功耗要求的毫米波、太赫兹发射机阵列系统。
以上列举的仅是本实用新型的具体实施例。显然，本实用新型不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.M×N毫米波、太赫兹平面偶极子端射阵阵列天线，其特征在于，由M路N×端射阵直线阵列天线等间距排列构成，相邻两个N×端射阵直线阵列天线之间的距离d＜λ，其中λ为波长，M和N均为大于1的整数；
所述的N×端射阵直线阵列天线为平面结构，包括直线型馈电网络和构成N×端射阵天线的N个偶极子天线单元；所述的M路N×端射阵直线阵列天线中的直线型馈电网络连接M路同相射频信号发射机。
2.根据权利要求1所述的M×N毫米波、太赫兹平面偶极子端射阵阵列天线，其特征在于，所述的天线单元为偶极子天线。
3.根据权利要求1所述的M×N毫米波、太赫兹平面偶极子端射阵阵列天线，其特征在于，所述的直线型馈电网络一端与M路同相射频信号发射机通过相互匹配的微带线或者共面波导相连。
4.根据权利要求1所述的M×N毫米波、太赫兹平面偶极子端射阵阵列天线，其特征在于，天线单元数量为3-20，相邻两个天线单元之间的距离Δd＝λ/(2k)，其中k为大于零的整数。
5.根据权利要求4所述的M×N毫米波、太赫兹平面偶极子端射阵阵列天线，其特征在于，刻蚀在同一金属面上的天线单元朝向同一侧。
6.根据权利要求4所述的M×N毫米波、太赫兹平面偶极子端射阵阵列天线，其特征在于，连接同一个上层馈电网络或下层馈电网络的天线单元数量为3-20，相邻两个天线单元之间的距离Δd＝λ/(2k)，其中k为大于零的整数。
7.根据权利要求4所述的M×N毫米波、太赫兹平面偶极子端射阵阵列天线，其特征在于，所述的N×端射阵直线阵列天线的数量为M＝2-100。
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WO2024120361A1 (zh) * 2022-12-06 2024-06-13 华为技术有限公司 天线阵列及装置

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