一种宽带毫米波天线阵的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种宽带毫米波天线阵，包括第一、二辐射单元，激励端口，第一、二转换器，不对称T型功率分配器，Y型功率分配器，第一、二、三金属过孔，感性窗口；第一、二辐射单元印制在基板正面，激励端口蚀刻在基板背面；第一转换器位于50欧姆共面波导传输线的后面；第二转换器位于第一辐射单元前面；不对称T型功率分配器位于第一转换器后面；第一金属过孔在馈电处和第一转换器两端形成有两排过孔；第二金属过孔位于不对称T型功率分配器后面；第三金属过孔位于第二金属过孔后面；Y型功率分配器在第三金属过孔后面；感性窗口位于Y型功率分配器后面。本发明结构紧凑、尺寸小、特性好，同时实现了宽带宽、高增益等问题。
【专利说明】
一种宽带毫米波天线阵
技术领域
[0001]本发明涉及毫米波天线及阵列天线的技术领域，尤其是指一种小型宽带高增益的宽带毫米波天线阵。
【背景技术】
[0002]毫米波指的是波长范围为Imm-1Omm的电磁波，其对应的频率在30GHz-300GHz。近年来，由于频谱资源拥挤的现状，以及对高速通信需求持续增长，毫米波领域已经成为国际电磁波频谱资源研究、开发和利用的一个极其活跃的领域，。毫米波频段拥有着大量连续的频谱资源，为超高速宽带无线通信的实现提供了可能。
[0003]2010年，东南大学毫米波国家重点实验室提出发展我国毫米波近远程通信标准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盖(PAN)，也可支持远距高速传输(LINK))，并于同年开展研究。2013年12月，工信部分别发布40?50GHz频段固定业务中点对点无线接入系统和移动业务中宽带无线接入系统频率使用事宜的通知。短距离高速率通信(PAN)分配了5.9GHz (42.3GHz_47GHz，47.2GHz_48.4GHz)，频段中的移动业务规划用于宽带无线接入系统，而远距离高速率通信(LINK)分配了 3.6GHz(40.5GHz-42.3GHz，48.4GHz-50.2GHz)，频段中的固定业务规划用于点对点无线接入系统。这些表明了我国的毫米波通信技术将会在Q-波段展开。
[0004]随着毫米波无线通行的快速发展，许多研究的重点放在如何实现毫米波天线的宽带化上。在不少毫米波天线研究和设计的文献中，SIW(基片集成波导)、多层PCB(印刷电路板)、LTCC(低温炭烧陶瓷),MEMS(微机电系统)等技术被提及和使用。由于60GHz频段的免费开放，相当一部分文献的天线设计主要是应用于该频段，而应用在Q-波段的毫米波天线的文章，则相对少很多。
[0005]在现有的毫米波天线中，多使用微带贴片天线进行设计，并采用包括L形探针馈电、U形槽贴片、背腔结构、口径耦合馈电等技术来拓宽频带，为了实现这些宽带结构，其中大部分设计采用了低温共烧陶瓷技术(LTCC)来满足天线的多层结构设计需要，明显增加了生产成本。
[0006]缝隙天线阵列是另一种毫米波天线设计方案，多采用印刷电路板技术制作，成本较低，但带宽相对较窄，不能满足宽带化应用的要求。另外，一些其他种类的天线也被设计在毫米波频段，例如八木天线、偶极子天线、栅格天线、螺旋天线等。这些天线具有宽频带特性，但仍然结构相对复杂，不易于大规模生产。
[0007]本发明采用微带贴片天线进行设计，在单层印刷电路板(PCB)上便可实现。在阻抗匹配方面，还引入了寄生贴片以及感性窗口，可用时引入多个谐振模式，进而改善阻抗匹配，来达到宽阻抗带宽的目的。同时实现了四单元天线阵的宽带宽、增益高、尺寸小、可进行独立可控等特性。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于现有技术的不足与缺点，提出一种小型宽带高增益的宽带毫米波天线阵，该天线结构紧凑、尺寸小、特性好，同时实现了宽带宽、高增益等问题，具有可控性能的通信终端天线系统的设计要求，适合集成到终端设备系统上。
[0009]为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为:一种宽带毫米波天线阵，包括有两个不同的辐射单元，分别为第一辐射单元和第二辐射单元，以及激励端口、第一转换器、第二转换器、不对称T型功率分配器、Y型功率分配器、第一金属过孔、第二金属过孔、第三金属过孔、感性窗口；所述第一辐射单元和第二辐射单元印制在基板的正面，该第一辐射单元、第二辐射单元为矩形贴片单元，该第二辐射单元置于第一辐射单元辐射边的两侧;所述激励端口由50欧姆的共面波导直接馈电，蚀刻在基板的背面;所述第一转换器为共面波导到基片集成波导的转化结构，位于50欧姆共面波导传输线的后面;所述第二转换器为基片集成波导到微带的转化结构，位于第一辐射单元的前面;所述不对称T型功率分配器位于第一转换器后面，能将功率等分到两个输出端，但输出端之间有相位差;所述第一金属过孔在馈电处和第一转换器两端形成有两排过孔，用于抑制馈电处表面波的产生;所述第二金属过孔位于不对称T型功率分配器后面，形成两排过孔，用于产生相位差;所述第三金属过孔位于第二金属过孔后面，形成两排过孔，用于引导和传输能量;所述Y型功率分配器在第三金属过孔后面，能将功率等分到两个输出端;所述感性窗口位于Y型功率分配器后面，在第三金属过孔的基础上，加入了四个金属过孔，位于外排过孔的内部，用于阻抗匹配。
[0010]本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果:
[0011]1、与已有的毫米波天线阵比较，本发明引入两片不同的微带贴片辐射单元，以及感性窗口，有效地增加了阻抗带宽，并实现了谐振点的独立可控。适当地调整贴片单元的尺寸、贴片间距离以及感性窗口的过孔距离，就可以得到很好的阻抗带宽。也就是说，本设计可以独立地调整阻抗带宽。
[0012]2、与已有的毫米波天线阵比较，本发明引入了介质集成波导(SIW)结构，这种结构可减小馈电网络的能量损耗，尽可能将能量传输到天线，从而提高天线的辐射效率以及峰值增益。
[0013]3、与已有的毫米波天线阵比较，本发明仅由单层印刷电路板制成，具有更宽的阻抗带宽，更简单的结构，适用于各种通信终端设备系统中。
【附图说明】
[0014]图1为双谐振单寄生贴片天线单元的正面示意图。
[0015]图2为双谐振单寄生贴片天线单元的Sll仿真结果图。
[0016]图3为双谐振单寄生贴片的4元天线阵的正面示意图。
[0017]图4为双谐振单寄生贴片的4元天线阵的Sll仿真结果图。
[0018]图5为三谐振单寄生贴片的天线单元的正面示意图。
[0019]图6为三谐振双寄生贴片的天线单元的正面示意图。
[0020]图7为三谐振天线单元的Sll仿真结果图。
[0021 ]图8为三谐振单寄生贴片的4元天线阵的正反面示意图。
[0022]图9为三谐振单寄生贴片的4元天线阵的S参数仿真结果图。
[0023]图10为三谐振双寄生贴片的4元天线阵的正反面示意图。
[0024]图11为三谐振双寄生贴片的4元天线阵的S参数仿真结果图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0026]如图1、图5和图6所示为天线单元，图3、图8和图10所示为单元分别对应的4元天线阵。
[0027]首先分析天线单元，图1、图5、图6包括有两部分不同的辐射单元，分别为第一辐射单元I和第二辐射单元2，以及第二转换器3、第三金属过孔4，图5中还包括感性窗口 11，图6中，第二辐射单元2增加到两块。
[0028]图3、图8和图10所示为单元分别对应的4元天线阵，每个天线阵除了包含4个对应的天线单元外，还有激励端口 10、第一转换器9、不对称T型功率分配器8、Y型功率分配器5、第一金属过孔7、第二金属过孔6。
[0029]所述第一辐射单元I和第二辐射单元2印制在基板的正面，该第一辐射单元1、第二辐射单元2为矩形贴片单元，第二辐射单元单元2置于第一辐射单元I辐射边的两侧;所述激励端口 10由50欧姆的共面波导直接馈电，蚀刻在基板的背面;所述第一转换器9为共面波导到基片集成波导的转化结构，位于50欧姆共面波导传输线的后面;所述第二转换器3为基片集成波导到微带的转化结构，位于第一辐射单元I的前面;所述不对称T型功率分配器8位于第一转换器9后面，能将功率等分到两个输出端，但输出端之间有相位差。所述第一金属过孔7在馈电处和第一转换器9两端形成有两排过孔，用于抑制馈电处表面波的产生;所述第二金属过孔6位于不对称T型功率分配器8后面，形成两排过孔，用于产生相位差，加上不对称T型功率分配器8的相位差，可使两端的输出端口相位基本保持在180度，即反相输出；所述第三金属过孔4位于第二金属过孔6后面，形成两排过孔，用于引导和传输能量;所述Y型功率分配器5在第三金属过孔4后面，能将功率等分到两个输出端;所述感性窗口 11位于Y型功率分配器5后面，在第三金属过孔4的基础上，加入了四个金属过孔，位于外排过孔的内部，用于阻抗匹配。
[0030]通过贴片发挥及感性窗口的共同作用，在天线单元Sll曲线处产生三个谐振点，从而提高天线的阻抗带宽，相对带宽达到16.2%。
[0031]如图2所示，图中的第一个谐振点21主要由第一辐射单元I控制，调节第一辐射单元I的尺寸，就可以移动谐振点21;第二个谐振点22由第二辐射单元2产生，调节第二辐射单元2的尺寸，就可以移动谐振点22。图3为图2的天线单元所对应的4单元天线阵的正面和反面，图4为图3所示天线的Sll曲线，在整个工作频段内Sll的值都小于-15dB。
[0032]如图7所示，图中的第一个谐振点71主要由第一辐射单元I控制，调节第一辐射单元I的尺寸，就可以移动谐振点71;第二个谐振点72由感性窗口 11和第一辐射单元I共同作用产生的，考虑到调节第一辐射单元I，谐振点71会移动，所以这里只调节感性窗口 11过孔的距离，就可以移动谐振点72;第三个谐振点73主要由第二辐射单元2控制，调节第二辐射单元2尺寸，就可以移动谐振点73，比较图5和图6，图6的第二辐射单元2的数量是图5的2倍，这样可以使第三个谐振模式的耦合更好，正如图7所示，实线的第三个谐振点比虚线的能达到的SI I值更小。
[0033]图8为图5的天线单元所对应的4单元天线阵的正面和反面，图9为图8所示天线的Sll曲线，在整个工作频段内Sll的值都小于-13dB，-10dB相对阻抗带宽比图3的天线阵要高
1%左右。
[0034]图10为图6的天线单元所对应的4单元天线阵的正面和反面，图11为图10所示天线的Sll曲线，在整个工作频段内Sll的值都小于-1SdBt3-1OdB相对阻抗带宽比图3的天线阵要高3%左右，是图3，、图8和图10三个天线阵中带宽最宽的。
[0035]以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种宽带毫米波天线阵，其特征在于:包括有两个不同的辐射单元，分别为第一辐射单元和第二辐射单元，以及激励端口、第一转换器、第二转换器、不对称T型功率分配器、Y型功率分配器、第一金属过孔、第二金属过孔、第三金属过孔、感性窗口；所述第一辐射单元和第二辐射单元印制在基板的正面，该第一辐射单元、第二辐射单元为矩形贴片单元，该第二辐射单元置于第一辐射单元辐射边的两侧;所述激励端口由50欧姆的共面波导直接馈电，蚀刻在基板的背面;所述第一转换器为共面波导到基片集成波导的转化结构，位于50欧姆共面波导传输线的后面;所述第二转换器为基片集成波导到微带的转化结构，位于第一辐射单元的前面;所述不对称T型功率分配器位于第一转换器后面，能将功率等分到两个输出端，但输出端之间有相位差;所述第一金属过孔在馈电处和第一转换器两端形成有两排过孔，用于抑制馈电处表面波的产生;所述第二金属过孔位于不对称T型功率分配器后面，形成两排过孔，用于产生相位差;所述第三金属过孔位于第二金属过孔后面，形成两排过孔，用于引导和传输能量;所述Y型功率分配器在第三金属过孔后面，能将功率等分到两个输出端;所述感性窗口位于Y型功率分配器后面，在第三金属过孔的基础上，加入了四个金属过孔，位于外排过孔的内部，用于阻抗匹配。
【文档编号】H01Q1/50GK106099353SQ201610630537
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月3日 公开号201610630537.5, CN 106099353 A, CN 106099353A, CN 201610630537, CN-A-106099353, CN106099353 A, CN106099353A, CN201610630537, CN201610630537.5
【发明人】褚庆昕, 翁佳钿
【申请人】华南理工大学