一種寬帶毫米波天線陣的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種寬帶毫米波天線陣，包括第一、二輻射單元，激勵端口，第一、二轉換器，不對稱T型功率分配器，Y型功率分配器，第一、二、三金屬過孔，感性窗口；第一、二輻射單元印制在基板正面，激勵端口蝕刻在基板背面；第一轉換器位于50歐姆共面波導傳輸線的后面；第二轉換器位于第一輻射單元前面；不對稱T型功率分配器位于第一轉換器后面；第一金屬過孔在饋電處和第一轉換器兩端形成有兩排過孔；第二金屬過孔位于不對稱T型功率分配器后面；第三金屬過孔位于第二金屬過孔后面；Y型功率分配器在第三金屬過孔后面；感性窗口位于Y型功率分配器后面。本發明結構緊湊、尺寸小、特性好，同時實現了寬帶寬、高增益等問題。
【專利說明】
一種寬帶毫米波天線陣
技術領域
[0001]本發明涉及毫米波天線及陣列天線的技術領域，尤其是指一種小型寬帶高增益的寬帶毫米波天線陣。
【背景技術】
[0002]毫米波指的是波長范圍為Imm-1Omm的電磁波，其對應的頻率在30GHz-300GHz。近年來，由于頻譜資源擁擠的現狀，以及對高速通信需求持續增長，毫米波領域已經成為國際電磁波頻譜資源研究、開發和利用的一個極其活躍的領域，。毫米波頻段擁有著大量連續的頻譜資源，為超高速寬帶無線通信的實現提供了可能。
[0003]2010年，東南大學毫米波國家重點實驗室提出發展我國毫米波近遠程通信標準Q-LINKPAN(Q表示在40?50GHz的Q-波段，LINKPAN表示既可以支持短距高速覆蓋(PAN)，也可支持遠距高速傳輸(LINK))，并于同年開展研究。2013年12月，工信部分別發布40?50GHz頻段固定業務中點對點無線接入系統和移動業務中寬帶無線接入系統頻率使用事宜的通知。短距離高速率通信(PAN)分配了5.9GHz (42.3GHz_47GHz，47.2GHz_48.4GHz)，頻段中的移動業務規劃用于寬帶無線接入系統，而遠距離高速率通信(LINK)分配了 3.6GHz(40.5GHz-42.3GHz，48.4GHz-50.2GHz)，頻段中的固定業務規劃用于點對點無線接入系統。這些表明了我國的毫米波通信技術將會在Q-波段展開。
[0004]隨著毫米波無線通行的快速發展，許多研究的重點放在如何實現毫米波天線的寬帶化上。在不少毫米波天線研究和設計的文獻中，SIW(基片集成波導)、多層PCB(印刷電路板)、LTCC(低溫炭燒陶瓷),MEMS(微機電系統)等技術被提及和使用。由于60GHz頻段的免費開放，相當一部分文獻的天線設計主要是應用于該頻段，而應用在Q-波段的毫米波天線的文章，則相對少很多。
[0005]在現有的毫米波天線中，多使用微帶貼片天線進行設計，并采用包括L形探針饋電、U形槽貼片、背腔結構、口徑耦合饋電等技術來拓寬頻帶，為了實現這些寬帶結構，其中大部分設計采用了低溫共燒陶瓷技術(LTCC)來滿足天線的多層結構設計需要，明顯增加了生產成本。
[0006]縫隙天線陣列是另一種毫米波天線設計方案，多采用印刷電路板技術制作，成本較低，但帶寬相對較窄，不能滿足寬帶化應用的要求。另外，一些其他種類的天線也被設計在毫米波頻段，例如八木天線、偶極子天線、柵格天線、螺旋天線等。這些天線具有寬頻帶特性，但仍然結構相對復雜，不易于大規模生產。
[0007]本發明采用微帶貼片天線進行設計，在單層印刷電路板(PCB)上便可實現。在阻抗匹配方面，還引入了寄生貼片以及感性窗口，可用時引入多個諧振模式，進而改善阻抗匹配，來達到寬阻抗帶寬的目的。同時實現了四單元天線陣的寬帶寬、增益高、尺寸小、可進行獨立可控等特性。
【發明內容】
[0008]本發明的目的在于現有技術的不足與缺點，提出一種小型寬帶高增益的寬帶毫米波天線陣，該天線結構緊湊、尺寸小、特性好，同時實現了寬帶寬、高增益等問題，具有可控性能的通信終端天線系統的設計要求，適合集成到終端設備系統上。
[0009]為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為:一種寬帶毫米波天線陣，包括有兩個不同的輻射單元，分別為第一輻射單元和第二輻射單元，以及激勵端口、第一轉換器、第二轉換器、不對稱T型功率分配器、Y型功率分配器、第一金屬過孔、第二金屬過孔、第三金屬過孔、感性窗口；所述第一輻射單元和第二輻射單元印制在基板的正面，該第一輻射單元、第二輻射單元為矩形貼片單元，該第二輻射單元置于第一輻射單元輻射邊的兩側;所述激勵端口由50歐姆的共面波導直接饋電，蝕刻在基板的背面;所述第一轉換器為共面波導到基片集成波導的轉化結構，位于50歐姆共面波導傳輸線的后面;所述第二轉換器為基片集成波導到微帶的轉化結構，位于第一輻射單元的前面;所述不對稱T型功率分配器位于第一轉換器后面，能將功率等分到兩個輸出端，但輸出端之間有相位差;所述第一金屬過孔在饋電處和第一轉換器兩端形成有兩排過孔，用于抑制饋電處表面波的產生;所述第二金屬過孔位于不對稱T型功率分配器后面，形成兩排過孔，用于產生相位差;所述第三金屬過孔位于第二金屬過孔后面，形成兩排過孔，用于引導和傳輸能量;所述Y型功率分配器在第三金屬過孔后面，能將功率等分到兩個輸出端;所述感性窗口位于Y型功率分配器后面，在第三金屬過孔的基礎上，加入了四個金屬過孔，位于外排過孔的內部，用于阻抗匹配。
[0010]本發明與現有技術相比，具有如下優點與有益效果:
[0011]1、與已有的毫米波天線陣比較，本發明引入兩片不同的微帶貼片輻射單元，以及感性窗口，有效地增加了阻抗帶寬，并實現了諧振點的獨立可控。適當地調整貼片單元的尺寸、貼片間距離以及感性窗口的過孔距離，就可以得到很好的阻抗帶寬。也就是說，本設計可以獨立地調整阻抗帶寬。
[0012]2、與已有的毫米波天線陣比較，本發明引入了介質集成波導(SIW)結構，這種結構可減小饋電網絡的能量損耗，盡可能將能量傳輸到天線，從而提高天線的輻射效率以及峰值增益。
[0013]3、與已有的毫米波天線陣比較，本發明僅由單層印刷電路板制成，具有更寬的阻抗帶寬，更簡單的結構，適用于各種通信終端設備系統中。
【附圖說明】
[0014]圖1為雙諧振單寄生貼片天線單元的正面示意圖。
[0015]圖2為雙諧振單寄生貼片天線單元的Sll仿真結果圖。
[0016]圖3為雙諧振單寄生貼片的4元天線陣的正面示意圖。
[0017]圖4為雙諧振單寄生貼片的4元天線陣的Sll仿真結果圖。
[0018]圖5為三諧振單寄生貼片的天線單元的正面示意圖。
[0019]圖6為三諧振雙寄生貼片的天線單元的正面示意圖。
[0020]圖7為三諧振天線單元的Sll仿真結果圖。
[0021 ]圖8為三諧振單寄生貼片的4元天線陣的正反面示意圖。
[0022]圖9為三諧振單寄生貼片的4元天線陣的S參數仿真結果圖。
[0023]圖10為三諧振雙寄生貼片的4元天線陣的正反面示意圖。
[0024]圖11為三諧振雙寄生貼片的4元天線陣的S參數仿真結果圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。
[0026]如圖1、圖5和圖6所示為天線單元，圖3、圖8和圖10所示為單元分別對應的4元天線陣。
[0027]首先分析天線單元，圖1、圖5、圖6包括有兩部分不同的輻射單元，分別為第一輻射單元I和第二輻射單元2，以及第二轉換器3、第三金屬過孔4，圖5中還包括感性窗口 11，圖6中，第二輻射單元2增加到兩塊。
[0028]圖3、圖8和圖10所示為單元分別對應的4元天線陣，每個天線陣除了包含4個對應的天線單元外，還有激勵端口 10、第一轉換器9、不對稱T型功率分配器8、Y型功率分配器5、第一金屬過孔7、第二金屬過孔6。
[0029]所述第一輻射單元I和第二輻射單元2印制在基板的正面，該第一輻射單元1、第二輻射單元2為矩形貼片單元，第二輻射單元單元2置于第一輻射單元I輻射邊的兩側;所述激勵端口 10由50歐姆的共面波導直接饋電，蝕刻在基板的背面;所述第一轉換器9為共面波導到基片集成波導的轉化結構，位于50歐姆共面波導傳輸線的后面;所述第二轉換器3為基片集成波導到微帶的轉化結構，位于第一輻射單元I的前面;所述不對稱T型功率分配器8位于第一轉換器9后面，能將功率等分到兩個輸出端，但輸出端之間有相位差。所述第一金屬過孔7在饋電處和第一轉換器9兩端形成有兩排過孔，用于抑制饋電處表面波的產生;所述第二金屬過孔6位于不對稱T型功率分配器8后面，形成兩排過孔，用于產生相位差，加上不對稱T型功率分配器8的相位差，可使兩端的輸出端口相位基本保持在180度，即反相輸出；所述第三金屬過孔4位于第二金屬過孔6后面，形成兩排過孔，用于引導和傳輸能量;所述Y型功率分配器5在第三金屬過孔4后面，能將功率等分到兩個輸出端;所述感性窗口 11位于Y型功率分配器5后面，在第三金屬過孔4的基礎上，加入了四個金屬過孔，位于外排過孔的內部，用于阻抗匹配。
[0030]通過貼片發揮及感性窗口的共同作用，在天線單元Sll曲線處產生三個諧振點，從而提高天線的阻抗帶寬，相對帶寬達到16.2%。
[0031]如圖2所示，圖中的第一個諧振點21主要由第一輻射單元I控制，調節第一輻射單元I的尺寸，就可以移動諧振點21;第二個諧振點22由第二輻射單元2產生，調節第二輻射單元2的尺寸，就可以移動諧振點22。圖3為圖2的天線單元所對應的4單元天線陣的正面和反面，圖4為圖3所示天線的Sll曲線，在整個工作頻段內Sll的值都小于-15dB。
[0032]如圖7所示，圖中的第一個諧振點71主要由第一輻射單元I控制，調節第一輻射單元I的尺寸，就可以移動諧振點71;第二個諧振點72由感性窗口 11和第一輻射單元I共同作用產生的，考慮到調節第一輻射單元I，諧振點71會移動，所以這里只調節感性窗口 11過孔的距離，就可以移動諧振點72;第三個諧振點73主要由第二輻射單元2控制，調節第二輻射單元2尺寸，就可以移動諧振點73，比較圖5和圖6，圖6的第二輻射單元2的數量是圖5的2倍，這樣可以使第三個諧振模式的耦合更好，正如圖7所示，實線的第三個諧振點比虛線的能達到的SI I值更小。
[0033]圖8為圖5的天線單元所對應的4單元天線陣的正面和反面，圖9為圖8所示天線的Sll曲線，在整個工作頻段內Sll的值都小于-13dB，-10dB相對阻抗帶寬比圖3的天線陣要高
1%左右。
[0034]圖10為圖6的天線單元所對應的4單元天線陣的正面和反面，圖11為圖10所示天線的Sll曲線，在整個工作頻段內Sll的值都小于-1SdBt3-1OdB相對阻抗帶寬比圖3的天線陣要高3%左右，是圖3，、圖8和圖10三個天線陣中帶寬最寬的。
[0035]以上所述之實施例子只為本發明之較佳實施例，并非以此限制本發明的實施范圍，故凡依本發明之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本發明的保護范圍內。
【主權項】
1.一種寬帶毫米波天線陣，其特征在于:包括有兩個不同的輻射單元，分別為第一輻射單元和第二輻射單元，以及激勵端口、第一轉換器、第二轉換器、不對稱T型功率分配器、Y型功率分配器、第一金屬過孔、第二金屬過孔、第三金屬過孔、感性窗口；所述第一輻射單元和第二輻射單元印制在基板的正面，該第一輻射單元、第二輻射單元為矩形貼片單元，該第二輻射單元置于第一輻射單元輻射邊的兩側;所述激勵端口由50歐姆的共面波導直接饋電，蝕刻在基板的背面;所述第一轉換器為共面波導到基片集成波導的轉化結構，位于50歐姆共面波導傳輸線的后面;所述第二轉換器為基片集成波導到微帶的轉化結構，位于第一輻射單元的前面;所述不對稱T型功率分配器位于第一轉換器后面，能將功率等分到兩個輸出端，但輸出端之間有相位差;所述第一金屬過孔在饋電處和第一轉換器兩端形成有兩排過孔，用于抑制饋電處表面波的產生;所述第二金屬過孔位于不對稱T型功率分配器后面，形成兩排過孔，用于產生相位差;所述第三金屬過孔位于第二金屬過孔后面，形成兩排過孔，用于引導和傳輸能量;所述Y型功率分配器在第三金屬過孔后面，能將功率等分到兩個輸出端;所述感性窗口位于Y型功率分配器后面，在第三金屬過孔的基礎上，加入了四個金屬過孔，位于外排過孔的內部，用于阻抗匹配。
【文檔編號】H01Q1/50GK106099353SQ201610630537
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月3日 公開號201610630537.5, CN 106099353 A, CN 106099353A, CN 201610630537, CN-A-106099353, CN106099353 A, CN106099353A, CN201610630537, CN201610630537.5
【發明人】褚慶昕, 翁佳鈿
【申請人】華南理工大學