CN220474901U - 一种无源扫描天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无源扫描天线，包括：电路基板、馈电DRA单元、第一寄生DRA单元、第二寄生DRA单元、第一旁路电容、第二旁路电容、第一变容电容、第二变容电容、第一微带线单元以及第二微带线单元，均电连接地设置在电路基板上；馈电DRA单元设置在第一寄生单元、第二寄生DRA单元之间；第一、二旁路电容分别连接在电源与地之间，第一、二变容电容分别连接在电源与地之间；第一寄生DRA单元还通过第一微带线单元与第一变容电容的正极电连接；第二寄生DRA单元还通过第二微带线单元与第二变容电容的正极电连接。本实用新型在减少射频芯片或电源的情况仍然能够实现天线的相位无源控制，减少芯片体积，降低芯片成本。

Description

一种无源扫描天线

技术领域

本实用新型涉及天线技术领域，特别涉及一种无源扫描天线。

背景技术

现有技术中，5G毫米波模组通常将射频芯片与基板天线结合以组成AIP(封装天线)，依次降低射频系统损耗，并且这样集成度更高，性能更优秀。

但是，由于毫米波射频芯片要集成移相器、低噪放、攻放、开关、滤波器等器件，高度集成意味着成本上升；另一方面由于考虑到在手机、基站等场合，芯片体积有明确的尺寸要求，芯片设计要求更紧凑更复杂。所以，从毫米波模组设计上，可以通过去掉一些器件来实现芯片成本降低。

5G毫米波模组由射频芯片与基站天线组成，而射频芯片主要作用是提供相位可控的功率信号，最终实现天线端的波束控制。如果从天线端出发，实现相位无源控制，则芯片端就可以不用设计移相器，减少芯片体积，降低芯片成本。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种无源扫描天线。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：一种无源扫描天线，包括：电路基板、馈电DRA单元，还包括：第一寄生DRA单元、第二寄生DRA单元、第一旁路电容、第二旁路电容、第一变容电容、第二变容电容、第一微带线单元以及第二微带线单元，均电连接地设置在所述电路基板上；所述馈电DRA单元设置在所述第一寄生单元、第二寄生DRA单元之间；所述第一旁路电容连接在电源与地之间，所述第一变容电容也连接在电源与地之间；所述第一寄生DRA单元还通过所述第一微带线单元与所述第一变容电容的正极电连接；所述第二旁路电容连接在电源与地之间，所述第二变容电容也连接在电源与地之间；所述第二寄生DRA单元还通过所述第二微带线单元与所述第二变容电容的正极电连接。

其中，所述电路基板被划分为第一区域、第二区域以及第三区域；所述馈电DRA单元设置在所述第一区域上；所述第一寄生DRA单元、第一旁路电容、第一变容电容以及第一微带线单元设置在所述第二区域上；所述第二寄生DRA单元、第二旁路电容、第二变容电容以及第二微带线单元设置在所述第三区域上。

其中，所述第二区域上设置第一电源焊盘、第一接地焊盘、第一变容电容焊盘；所述第一电源焊盘用于与电源电连接，所述第一接地焊盘用于与地电连接，所述第一变容电容焊盘用于与所述第一变容电容电连接；所述第三区域上设置第二电源焊盘、第二接地焊盘、第二变容电容焊盘，所述第二电源焊盘用于与电源电连接，所述第二接地焊盘用于与地电连接，所述第二变容电容焊盘用于与所述第二变容电容电连接。

其中，所述电路基板为SIW基板；所述馈电DRA单元通过直接连接的方式与所述电路基板电连接。

其中，所述电路基板为SIW基板；所述馈电DRA单元通过微带线、同轴线或其他类型的传输线与所述电路基板电连接。

其中，所述电路基板的第一区域设置一孔洞或槽，所述第一寄生DRA单元放置在所述孔洞或槽中，实现所述第一寄生DRA单元与电路基板的电连接；所述电路基板的第二区域设置一孔洞或槽，所述第二寄生DRA单元放置在所述孔洞或槽中，实现所述第二寄生DRA单元与电路基板的电连接。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型提供的无源扫描天线，通过在一馈电DRA单元的两侧分别设置一寄生DRA单元，并且每个DRA单元还通过微带线与变容电容进行电连接；通过改变可变电容的电容值以调节电路共振频率和带宽，并基于微带线和可变电容对电路产生的影响使得寄生DRA单元与馈电DRA单元之间的传输特性发生变化，从而导致相位的改变，实现天线无源扫描相控阵的技术效果。利用本实用新型，在减少射频芯片或电源的情况仍然能够实现天线的相位无源控制，减少芯片体积，降低芯片成本。

附图说明

图1为现有技术中的相控阵天线结构示意图；

图2为本实用新型实施方式中的一种无源扫描天线的功能模块示意图；

图3为本实用新型实施方式中的一种无源扫描天线的电路结构示意图；

图4为本实用新型实施方式中的一种无源扫描天线实现波束扫描的状态示意图。

标号说明：

相控阵天线 10

第一馈电单元 11

第二馈电单元 12

第三馈电单元 13

无源扫描天线 20

馈电DRA单元 21

第一寄生DRA单元 22

第二寄生DRA单元 23

第一旁路电容 24

第二旁路电容 25

第一变容电容 26

第二变容电容 27

第一微带线单元 28

第二微带线单元 29

电路基板 30

第一区域 31

第二区域 32

第一电源焊盘 321

第一接地焊盘 322

第一变容电容焊盘 323

第三区域 33

第二电源焊盘 331

第二接地焊盘 332

第二变容电容焊盘 333

具体实施方式

首先，对本实用新型出现的现有技术名词进行解释说明。

SIW，Substrate Integrated Waveguide，集成基板波导，是一种新型的微波传输线技术，将金属波导和介质基板有机地结合在一起，通过在介质基板上开凿出一条空心矩形槽来实现电磁波的传输；具有低损耗、小尺寸、易于制造等优点，特别是在高速数字通信、移动通信、雷达、卫星通信等领域广泛应用；主要受到基板材料、几何形状、槽口结构、阻抗匹配等因素的影响，因此需要进行精确的设计和优化。

SIW信号：在集成基板波导(Substrate Integrated Waveguide)中传输的电磁波信号，具有低损耗、小尺寸、易于制造、阻抗匹配性好等优点，工作频率范围从几个GHz到几百GHz不等，可实现宽带传输。同时，由于SIW信号是通过介质基板上的空心矩形槽传输，因此也具有一定的隔离性和抗干扰性，能够有效地减小信号间的互相干扰；相比传统金属波导，SIW信号能够更好地适应小尺寸和高密度集成电路的需求，因此在微波通信、雷达、卫星通信等领域得到了广泛应用。

微带线：是一种用于高频电路中的传输线，通常由金属导体和介质基板构成，具有低损耗、小尺寸、易于制造等优点，因此被广泛应用于无线通信、雷达、卫星通信、微波遥感等领域；在微带线中，电磁波主要通过电场作用来传输能量，因此其特性受到介质材料性质和几何形状的影响。

DRA，Dielectric Resonator Antenna，介质谐振天线，是一种基于介质谐振器的微波天线，利用介质谐振腔中的电磁场来实现辐射和接收无线信号的功能；与传统的金属天线相比，DRA具有小型化、低剖面、高效率、宽带、偏振灵活等优点，在通信、雷达、卫星通信等领域得到了广泛应用；DRA的结构形式多样，常见的有圆柱形、方形、椭圆形等，其性能主要受到谐振器的材料、几何结构以及与外部环境的耦合方式等因素的影响。

寄生DRA：是指利用介质谐振腔中的电磁场来实现辐射和接收无线信号的微波天线。

馈电DRA：是一种基于介质谐振腔的微波天线，通常由一个介质谐振腔和一个馈电网络组成；其中，介质谐振腔是利用介质材料在内部形成谐振场，从而实现辐射和接收无线信号的主要装置；馈电网络则用于将外部信号输入到介质谐振腔中，并控制天线的阻抗匹配和工作频率等特性，与介质谐振腔内的电磁场相互作用，激发电磁波的辐射和接收，产生谐振场，从而实现辐射和接收无线信号；同时，馈电网络也会对天线的阻抗匹配和工作频率等特性进行调节，以满足不同应用场合的需求；与传统的寄生DRA相比，馈电DRA具有更灵活的天线设计、更宽的工作频率范围以及更高的功率处理能力等优点，适用于无线通信、雷达、卫星通信等领域。

为详细说明本实用新型的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合附图和实施例对本实用新型进行详细说明。

请参阅图1，为现有技术中的相控阵天线的功能模块示意图。所述相控阵天线10包括有源电路或射频芯片(图未示)以及3个馈电单元，分别为第一馈电单元11、第二馈电单元12以及第三馈电单元13。所述有源电路或射频芯片用于提供多个相位不同的馈电信号，并分配至所述第一馈电单元11、第二馈电单元12以及第三馈电单元13。当所述第一馈电单元11、第二馈电单元12以及第三馈电单元13接收到相位不同的信号时，发射出相位相同但方向不同的电磁波，这些电磁波会相互干涉，形成一个聚焦的波束。基于此，所述有源电路或射频芯片通过调节馈电信号的相位差，使得所述第一馈电单元11、第二馈电单元12以及第三馈电单元13相应生成不同的波束，从而而形成天线扫描。

具体地，假设有N个天线单元，并且每个天线单元的相位差为Δφ，则第i个天线单元的馈电信号可以表示为：

Vi(t)＝V0*exp(j*(ωt+Δφi))

其中，V0是振幅，ω是角频率，t是时间。

当所有的天线单元发射的电磁波叠加在一起时，可以得到总的电磁波场分布。这个分布会在不同的方向上有明显的主瓣和副瓣。主瓣是指电磁波强度最大的方向，副瓣是指主瓣附近的电磁波强度较低的方向。

通过调节每个天线单元的相位差，可以改变主瓣的方向。当所有的相位差相等时，主瓣的方向为天线单元的指向方向。当相位差不相等时，主瓣的方向会发生偏移，从而实现了天线的扫描。

请参阅图2，为本实用新型实施方式中的一种无源扫描天线的功能模块示意图。所述无源扫描天线20，包括：馈电DRA单元21、第一寄生DRA单元22、第二寄生DRA单元23、第一旁路电容24、第二旁路电容25、第一变容电容26、第二变容电容27、第一微带线单元28以及第二微带线单元29。具体地，所述馈电DRA单元21设置在所述第一寄生DRA单元22、第二寄生DRA单元23之间；所述第一旁路电容24连接在电源与地之间，所述第一变容电容26也连接在电源与地之间；进一步地，所述第一寄生DRA单元22还通过所述第一微带线单元28与所述第一变容电容26的正极电连接。所述第二旁路电容25连接在电源与地之间，所述第二变容电容27也连接在电源与地之间；进一步地，所述第二寄生DRA单元23还通过所述第二微带线单元29与所述第二变容电容26的正极电连接。

请同时参阅图3，为本实用新型实施方式中的一种无源扫描天线的电路结构示意图。所述馈电DRA单元21、第一寄生DRA单元22、第二寄生DRA单元23、第一旁路电容24、第二旁路电容25、第一变容电容26、第二变容电容27、第一微带线单元28以及第二微带线单元29均设置在电路基板30上。具体地，所述电路基板30被划分为第一区域31、第二区域32以及第三区域33；所述馈电DRA单元21设置在所述第一区域31上；所述第一寄生DRA单元22、第一旁路电容24、第一变容电容26以及第一微带线单元28设置在所述第二区域32上；所述第二寄生DRA单元23、第二旁路电容25、第二变容电容27以及第二微带线单元29设置在所述第三区域33上。

所述第二区域32上设置第一电源焊盘321、第一接地焊盘322、第一变容电容焊盘323，所述第一电源焊盘321用于与电源电连接，所述第一接地焊盘322用于与地电连接，所述第一变容电容焊盘323用于与所述第一变容电容26电连接。如此，所述第一寄生DRA单元22通过所述第一微带线单元28与所述第一变容电容焊盘323电连接，从而实现所述第一寄生DRA单元22与所述第一变容电容26的电连接；所述第一变容电容26通过第一电源焊盘321和第一接地焊盘322实现与电源和地的电连接。

所述第三区域33上设置第二电源焊盘331、第二接地焊盘332、第二变容电容焊盘333，所述第二电源焊盘331用于与电源电连接，所述第二接地焊盘332用于与地电连接，所述第二变容电容焊盘333用于与所述第二变容电容27电连接。如此，所述第二寄生DRA单元23通过所述第二微带线单元29与所述第二变容电容焊盘333电连接，从而实现所述第二寄生DRA单元23与所述第二变容电容27的电连接；所述第二变容电容27通过第二电源焊盘331和第二接地焊盘332实现与电源和地的电连接。

在本实施方式中，所述电路基板30为SIW基板；所述馈电DRA单元21可以通过直接连接或间接连接的方式，与所述电路基板30电连接：

直接连接：所述馈电DRA单元21与电路基板30之间没有中间的连接器或导线，通过共享同一块基板来实现直接的电磁耦合；这种连接方式能够提供较低的插损和更高的工作频率。

间接连接：所述馈电DRA单元21与电路基板30之间通过微带线、同轴线或其他类型的传输线来连接；这种连接方式可以通过合适的连接器进行，使得馈电DRA单元21与电路基板30之间的连接更加方便和灵活。

具体选择哪种连接方式取决于应用的需和设计的约束，直接连接可以提供更高的性能和更简单的集成，但对于一特殊的应用场景，如需要调整替换馈电DRA的情况下，间连接可能更为灵和可行。

进一步地，所述第一寄生DRA单元22、第二寄生DRA单元23电路基板30的连接方式主要是通过直接连接实现的。具体地，将所述第一寄生DRA单元22放置在电路基板30的一个孔洞(或槽)中，实现所述第一寄生DRA单元22与电路基板30的电连接；同样地，将所述第二寄生DRA单元23放置在电路基板30的一个孔洞(或槽)中，实现所述第二寄生DRA单元23与电路基板30的电连接。

如此，将所述第一寄生DRA单元22、第二寄生DRA单元23直接嵌入到电路基板30中，使其共享相同的介质基板，可以实现所述第一寄生DRA单元22、第二寄生DRA单元23和电路基板30之间的电磁耦合。这种直接连接方式具有良好的性能和较低的插损。

本发明实施方式的一种无源扫描天线的工作原理，具体如下所述。

所述第一寄生DRA单元22通过第一微带线单元28与第一变容电容26电连接，所述第二寄生DRA单元23通过第二微带线单元29与第二变容电容27电连接。由于，微带线的长度、宽度、厚度以及介质常数等因素都会影响其特性阻抗，可变电容的电容值则会影响电路的共振频率和带宽；因此，微带线和可变电容对电路的阻抗产生了影响，从而导致了信号的反射和干扰，基于这些因素的综合作用，会导致第一寄生DRA单元22、第二寄生DRA单元23与位于中间的馈电DRA单元21之间的传输特性发生变化，从而导致相位的改变，实现天线无源扫描相控阵的技术效果。

请同时参阅图4，通过改变第一可变电容26、第二可变电容27的电容值，实现了波束扫描，扫描范围为+-40度，没有通过有源的射频芯片，成本较低。

如上所述，本实用新型提供的一种无源扫描天线，通过在一馈电DRA单元的两侧分别设置一寄生DRA单元，并且每个DRA单元还通过微带线与变容电容进行电连接；通过改变可变电容的电容值以调节电路共振频率和带宽，并基于微带线和可变电容对电路产生的影响使得寄生DRA单元与馈电DRA单元之间的传输特性发生变化，从而导致相位的改变，实现天线无源扫描相控阵的技术效果。利用本实用新型，在减少射频芯片或电源的情况仍然能够实现天线的相位无源控制，减少芯片体积，降低芯片成本。

以上所述仅为本实用新型的实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种无源扫描天线，包括：电路基板、馈电DRA单元，其特征在于，还包括：第一寄生DRA单元、第二寄生DRA单元、第一旁路电容、第二旁路电容、第一变容电容、第二变容电容、第一微带线单元以及第二微带线单元，均电连接地设置在所述电路基板上；

所述馈电DRA单元设置在所述第一寄生DRA单元、第二寄生DRA单元之间；

所述第一旁路电容连接在电源与地之间，所述第一变容电容也连接在电源与地之间；所述第一寄生DRA单元还通过所述第一微带线单元与所述第一变容电容的正极电连接；

所述第二旁路电容连接在电源与地之间，所述第二变容电容也连接在电源与地之间；所述第二寄生DRA单元还通过所述第二微带线单元与所述第二变容电容的正极电连接。

2.根据权利要求1所述的一种无源扫描天线，其特征在于，所述电路基板被划分为第一区域、第二区域以及第三区域；

所述馈电DRA单元设置在所述第一区域上；

所述第一寄生DRA单元、第一旁路电容、第一变容电容以及第一微带线单元设置在所述第二区域上；

所述第二寄生DRA单元、第二旁路电容、第二变容电容以及第二微带线单元设置在所述第三区域上。

3.根据权利要求2所述的一种无源扫描天线，其特征在于，所述第二区域上设置第一电源焊盘、第一接地焊盘、第一变容电容焊盘；所述第一电源焊盘用于与电源电连接，所述第一接地焊盘用于与地电连接，所述第一变容电容焊盘用于与所述第一变容电容电连接；

所述第三区域上设置第二电源焊盘、第二接地焊盘、第二变容电容焊盘，所述第二电源焊盘用于与电源电连接，所述第二接地焊盘用于与地电连接，所述第二变容电容焊盘用于与所述第二变容电容电连接。

4.根据权利要求3所述的一种无源扫描天线，其特征在于，所述电路基板为SIW基板；

所述馈电DRA单元通过直接连接的方式与所述电路基板电连接。

5.根据权利要求3所述的一种无源扫描天线，其特征在于，所述电路基板为SIW基板；

所述馈电DRA单元通过微带线、同轴线或其他类型的传输线与所述电路基板电连接。

6.根据权利要求4或5所述的一种无源扫描天线，其特征在于，所述电路基板的第一区域设置一孔洞或槽，所述第一寄生DRA单元放置在所述孔洞或槽中，实现所述第一寄生DRA单元与电路基板的电连接；

所述电路基板的第二区域设置一孔洞或槽，所述第二寄生DRA单元放置在所述孔洞或槽中，实现所述第二寄生DRA单元与电路基板的电连接。