CN114204285A - 一种具有高增益低旁瓣电平特性的毫米波阵列天线 - Google Patents

一种具有高增益低旁瓣电平特性的毫米波阵列天线 Download PDF

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Abstract

一种具有高增益低旁瓣电平特性的毫米波阵列天线，包括GCPW馈电结构、一分四功分器和四元基于SIW谐振腔TE440模的缝隙漏波天线阵；沿下层介质板长度方向的上、下表面分别覆盖下金属面、金属地，下金属面刻蚀有四组周期排列的耦合缝隙对及GCPW馈电结构；一分四功分器对称地置于下层介质板上，沿上层介质板的外周均匀刻蚀一组金属化通孔；四元基于SIW谐振腔TE440模的缝隙漏波天线阵位于上层介质板，上层介质板刻蚀有四组周期排列的金属化通孔阵。本发明采用GCPW侧面馈电实现对平面天线的有效激励，馈电形式简单，实现了具有超低旁瓣电平的高增益特性，在未来5G移动通信、卫星通信、毫米波通信等系统中具有潜在的应用价值。

Description

一种具有高增益低旁瓣电平特性的毫米波阵列天线
技术领域
本发明涉及一种缝隙漏波天线，尤其是一种具有高增益低旁瓣电平特性的毫米波阵列天线。
背景技术
大系统容量、高数据率、低延迟和大规模设备连接是第五代（5G）移动通信技术的性能目标。和日益拥挤的6GHz以下的频段相比，5G毫米波（mmW）频段具有更丰富的频谱资源和可用区域。但是毫米波天线存在传输损耗大、结构尺寸小、加工精度高及加工成本高等缺点。
在高增益毫米波天线的设计过程中，一般来说，阵元数越多，增益越高，然而馈电网络就越复杂，传输损耗就越大。如果可以采用一款“大”的天线单元能同时代替多个传统单元的辐射效果，则可以减少单元数量，从而简化馈电网络，减少馈电损耗。因此，电大（ELP）尺寸天线的概念得以提出。电大尺寸天线突破了传统谐振天线尺寸（半波长）的限制，天线尺寸能超过一个波长，甚至多个波长。
然而，当天线单元尺寸大于半个工作波长时，阵元间距增大，将会导致天线阵逐渐产生高的旁瓣电平。高旁瓣电平的产生将会抑制天线的工作效率，降低通信质量。因此，研究具有低旁瓣电平的高增益毫米波天线阵就显得十分有意义。
因此，如何设计上述高性能的天线，成为新的关注点。虽然可以采用不同的方法实现高增益毫米波天线，但是既要降低复杂传输线带来的损耗，又要实现低旁瓣特性，对天线设计提出了苛刻的要求。特别是要保证结构的紧凑性，又要实现单元之间的低互耦特性，成为了天线工程师们亟待解决的难题。
发明内容
发明目的：一种具有高增益低旁瓣电平特性的毫米波阵列天线，以解决现有技术的问题。
技术方案：一种具有高增益低旁瓣电平特性的毫米波阵列天线，包括上下两层介质板、GCPW馈电结构、一分四功分器和四元基于SIW谐振腔TE440模的缝隙漏波天线阵；
沿下层介质板长度方向的上、下表面分别覆盖下金属面、金属地，下金属面刻蚀有四组周期排列的耦合缝隙对及GCPW馈电结构；一分四功分器对称地置于下层介质板上，沿上层介质板的外周均匀刻蚀一组金属化通孔；四元基于SIW谐振腔TE440模的缝隙漏波天线阵位于上层介质板，上层介质板刻蚀有四组周期排列的金属化通孔阵，上层介质板上表面覆盖上金属面，上金属面刻蚀有四组4×4元缝隙阵；
所述上层介质板下侧中央位置刻蚀一块凹槽，用于放置End Launch连接器，实现GCPW侧面馈电；
所述上、下两层介质板对正放置，周围对应刻蚀一组圆形空气化通孔，用于塑料螺钉固定叠放。
优选的是，本发明的上下两层介质板为同种介质基板，相对介电常数2.2，损耗角正切0.0009，长度均为112.1mm，宽度均为63.4mm，上、下两层介质板的厚度分别为1mm、0.5mm。所述的上层介质板下侧中央位置刻蚀凹槽的尺寸为20mm×6mm。
优选的是，本发明的一分四功分器由沿介质板均匀刻蚀的一组金属化通孔组成，对称地置于下层介质板上，金属化通孔半径为0.15mm。
优选的是，本发明的四元基于SIW谐振腔TE440模的缝隙漏波天线阵位于上层介质板，上层介质板刻蚀有四组周期排列的金属化通孔阵，金属化通孔半径为0.15mm。
优选的是，本发明的金属地的长为112.1mm，宽为63.4mm。
优选的是，本发明的下金属面刻蚀有四组周期排列的耦合缝隙对，耦合缝隙长4.6mm，宽0.7mm，每组缝隙对距离为20.7mm，缝隙对之间的距离为10mm。
优选的是，本发明的上金属面刻蚀有四组4×4元缝隙阵，缝隙长4.2mm，宽0.9mm，每组缝隙阵距离为20.7mm。
优选的是，本发明的上、下两层介质板周围对应刻蚀一组圆形空气化通孔，空气化通孔半径为1mm，空气化通孔的个数为11个。
有益效果：本发明设计实现了一款双层介质板的高增益低旁瓣毫米波阵列天线，结构简单，易加工实现，具有低剖面、易与平面电路集成的优点，在5G移动通信、卫星通信、毫米波通信等系统中具有潜在的应用价值。本发明采用基于SIW谐振腔TE440模的缝隙漏波天线具有电大尺寸特性，在实现高增益性能的同时，大大减少了辐射单元数量，实现简化馈电网络，减少馈电损耗的目的。下层介质板的一分四同相不等幅功分器，可以改善天线的辐射特性，大大降低天线的旁瓣电平，从而实现低旁瓣高增益辐射性能；四元基于SIW谐振腔TE440模的缝隙漏波天线阵，能实现较好的交叉极化特性。
附图说明
图1为本发明的三维整体结构图。
图2为图1组合后的俯视图。
图3为图1组合后的侧视图。
图4为本发明的反射系数曲线图。
图5为本发明的主极化方向图。
图6为本发明的交叉极化方向图。
其中：1、金属地，2、下层介质板，3、下金属面，4、上层介质板，5、上金属面，6、一分四功分器，7、GCPW馈电结构，8、四组周期排列的耦合缝隙对，9、四组周期排列的金属化通孔阵，10、四组周期排列的4×4元缝隙阵，11、上、下两层介质板对应刻蚀一组圆形空气化通孔。
具体实施方式
如图1、图2、图3所示，一种基于具有高增益低旁瓣电平特性的毫米波阵列天线，上下两层介质板、GCPW馈电结构、一分四功分器和四元基于SIW谐振腔TE440模的缝隙漏波天线阵。
本发明具有紧凑型结构，由上下两层介质板组成，下层介质板2上、下表面分别覆盖下金属面3、金属地1，下金属面3刻蚀有四组周期排列的耦合缝隙对8及GCPW馈电结构7，所述一分四功分器6对称地置于下层介质板2上，沿介质板均匀刻蚀一组金属化通孔11；所述四元基于SIW谐振腔TE440模的缝隙漏波天线阵位于上层介质板4，上层介质板4刻蚀有四组周期排列的金属化通孔阵9，上层介质板4上表面覆盖上金属面5，上金属面5刻蚀有四组4×4元缝隙阵10。
所述上层介质板4下侧中央位置刻蚀一块凹槽，便于后期该位置放置End Launch连接器，可以实现GCPW侧面馈电，完成对平面天线的有效激励；
所述上、下两层介质板对正放置，周围对应刻蚀一组圆形空气化通孔11，后期可由塑料螺钉固定叠放。
在进一步的实施例中，所述上下两层介质板为同种介质基板，相对介电常数2.2，损耗角正切0.0009，长度均为112.1mm，宽度均为63.4mm，上、下两层介质板的厚度分别为1mm、0.5mm。如图2所示，在所述的上层介质板下侧中央位置刻蚀凹槽的尺寸为20mm×6mm。
在进一步的实施例中，所述一分四功分器6由沿介质板均匀刻蚀的一组金属化通孔组成，对称地置于下层介质板2上，金属化通孔半径为0.15mm。
在进一步的实施例中，所述四元基于SIW谐振腔TE440模的缝隙漏波天线阵位于上层介质板4，上层介质板4刻蚀有四组周期排列的金属化通孔阵，金属化通孔9的半径为0.15mm。
在进一步的实施例中，所述下层介质板2的金属地1的长为112.1mm，宽为63.4mm。
在进一步的实施例中，所述下层介质板2的下金属面3刻蚀有四组周期排列的耦合缝隙对，耦合缝隙长4.6mm，宽0.7mm，每组缝隙对距离为20.7mm，缝隙对之间的距离为10mm。
在进一步的实施例中，所述上层介质板4的上金属面5刻蚀有四组4×4元缝隙阵，缝隙长4.2mm，宽0.9mm，每组缝隙阵距离为20.7mm。
在进一步的实施例中，所述上、下两层介质板周围对应刻蚀一组圆形空气化通孔，空气化通孔半径为1mm，空气化通孔的个数为11个。
在更进一步的实施例中，本发明的天线工作时，所述结构采用共面波导GCPW侧馈的方式进行激励。
能量由50Ω End Launch连接器的同轴探针输入，同轴探针的内部芯层连接所述下层介质板2的下金属面3刻蚀的GCPW馈电结构，所述下层介质板2的下金属面3与同轴探针的外部芯层连接。能量通过所述GCPW-SIW过渡结构沿所述一分四功分器6向辐射单元传输，辐射单元是所述四元基于SIW谐振腔TE440模的缝隙漏波天线阵，由上层介质板刻蚀的周期排列的金属化通孔阵9和上层介质板的上金属面刻蚀的4×4元缝隙阵组成。位于所述下层介质板的一分四功分器6，通过所述下层介质板2的下金属面3刻蚀的四组周期排列的耦合缝隙对8缝隙耦合将能量传输到所述四元基于SIW谐振腔TE440模的缝隙漏波天线阵中。
如图1所示，所述基于SIW谐振腔TE440模的缝隙漏波天线具有电大尺寸特性，在实现高增益性能的同时，大大减少了辐射单元数量，实现简化馈电网络，减少馈电损耗的目的。
一方面，如图4所示，在26.7GHz到27.8GHz的频带范围内，所述阵列天线的反射系数（S11）小于-10dB，说明所述阵列天线匹配良好的工作频段覆盖26.7GHz到27.8GHz的频带范围。
另一方面，结合图5和图6所示，所述下层介质板的一分四同相不等幅功分器，可以改善天线的辐射特性，大大降低天线的旁瓣电平，从而实现低旁瓣高增益辐射性能；所述四元基于SIW谐振腔TE440模的缝隙漏波天线阵，能实现较好的交叉极化特性。图5和图6分别为所述阵列天线在Phi=0°面和Phi=90°面上的二维远场辐射方向图（实线为主极化方向图曲线，虚线代表交叉极化方向图曲线）。可以看到，天线最大增益达到21.5dBi，天线在Phi=0°面内的旁瓣电平为-19dB，交叉极化达到37.8dB；而天线在Phi=90°面内的旁瓣电平为-20.8dB，交叉极化达到37.8dB。
总之，本发明具有以下优点：通过50Ω End Launch连接器实现对平面天线的有效激励，使得阵列天线具有简单又方便的馈电方式，加工、固定、测试非常方便； GCPW-SIW过渡结构除了能够实现良好的阻抗匹配之外，还具有相较于微带传输线在毫米波段的低损耗特性；一分四同相不等幅功分器，能够改善天线的辐射特性，实现超低的旁瓣电平；基于SIW谐振腔TE440模的漏波结构，能够实现较好的天线增益和低旁瓣、低交叉极化特性。本发明设计实现了一款双层介质板的高增益低旁瓣毫米波阵列天线，结构简单，易加工实现，具有低剖面、易与平面电路集成的优点，在5G移动通信、卫星通信、毫米波通信等系统中具有潜在的应用价值。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (8)

1.一种具有高增益低旁瓣电平特性的毫米波阵列天线，其特征在于：包括上下两层介质板、GCPW馈电结构、一分四功分器和四元基于SIW谐振腔TE440模的缝隙漏波天线阵；
沿下层介质板长度方向的上、下表面分别覆盖下金属面、金属地，下金属面刻蚀有四组周期排列的耦合缝隙对及GCPW馈电结构；一分四功分器对称地置于下层介质板上，沿上层介质板的外周均匀刻蚀一组金属化通孔；四元基于SIW谐振腔TE440模的缝隙漏波天线阵位于上层介质板，上层介质板刻蚀有四组周期排列的金属化通孔阵，上层介质板上表面覆盖上金属面，上金属面刻蚀有四组4×4元缝隙阵；
所述上层介质板下侧中央位置刻蚀一块凹槽，用于放置End Launch连接器，实现GCPW侧面馈电；
所述上、下两层介质板对正放置，周围对应刻蚀一组圆形空气化通孔，用于塑料螺钉固定叠放。
2.根据权利要求1所述的具有高增益低旁瓣电平特性的毫米波阵列天线，其特征在于，上述上下两层介质板为同种介质基板，相对介电常数2.2，损耗角正切0.0009，长度均为112.1mm，宽度均为63.4mm，上、下两层介质板的厚度分别为1mm、0.5mm；所述的上层介质板下侧中央位置刻蚀凹槽的尺寸为20mm×6mm。
3.根据权利要求1所述的具有高增益低旁瓣电平特性的毫米波阵列天线，其特征在于，上述一分四功分器由沿介质板均匀刻蚀的一组金属化通孔组成，对称地置于下层介质板上，金属化通孔半径为0.15mm。
4.根据权利要求1所述的具有高增益低旁瓣电平特性的毫米波阵列天线，其特征在于，上述四元基于SIW谐振腔TE440模的缝隙漏波天线阵位于上层介质板，上层介质板刻蚀有四组周期排列的金属化通孔阵，金属化通孔半径为0.15mm。
5.根据权利要求1所述的具有高增益低旁瓣电平特性的毫米波阵列天线，其特征在于，上述金属地的长为112.1mm，宽为63.4mm。
6.根据权利要求1所述的具有高增益低旁瓣电平特性的毫米波阵列天线，其特征在于，上述下金属面刻蚀有四组周期排列的耦合缝隙对，耦合缝隙长4.6mm，宽0.7mm，每组缝隙对距离为20.7mm，缝隙对之间的距离为10mm。
7.根据权利要求1所述的具有高增益低旁瓣电平特性的毫米波阵列天线，其特征在于，上述上金属面刻蚀有四组4×4元缝隙阵，缝隙长4.2mm，宽0.9mm，每组缝隙阵距离为20.7mm。
8.根据权利要求1所述的一种具有高增益低旁瓣电平特性的毫米波阵列天线，其特征在于，上述上、下两层介质板周围对应刻蚀一组圆形空气化通孔，空气化通孔半径为1mm，空气化通孔的个数为11个。
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