毫米波天线阵元、天线阵列、通信装置的制作方法

本发明涉及微波通信技术领域，尤其涉及一种毫米波天线阵元。

背景技术：

5g毫米波频段通信是目前最前沿的通信技术，是通信领域近期最重要的研究方向。世界上的各大通信公司都开展相关方面的研究工作。目前各公司的5g毫米波通信系统都采用了mimo和相控阵技术，其中绝大多数都是采用8*8或者16*16辐射单元的阵列天线，具体包括波导缝隙阵列天线阵、贴片阵列天线阵列等形式。有的方案采用二维扫描方案，有些采用一维扫描方案。

无论采用哪一种形式，都必须抑制本振辐射，满足国际无线电辐射标准，才能达到商业应用的要求。为此，必须在天线阵元和收发信机之间集成用于抑制本振辐射的滤波器。对于只采用一个收发信机的方案，集成滤波器相对方便，只需要在收发信机之前安装一个滤波器即可，但是采用这种方案，整个通信系统类似于无源相控阵系统，其性能必然受到限制。另一种方案是每一个天线阵元对应一个收发信机，采用该方案既可以实现二维扫描，又能够实现多波束，其通信能力大大增强；但是采用该方案，每一个天线阵元和收发信机之间都要集成两个滤波器(因为采用双极化方案)。又由于需要大角度的二维扫描,由相控阵天线的布阵基本公式可知，天线单元与单元之间的间距很小(以目前常用的28ghz系统为例，要求方位角方向扫描±60°，俯仰方向扫描±15°，每一个单元所占面积只有大约7.5mm*5mm)，在如此小的空间里面集成两个滤波器，一方面对滤波器的尺寸要求非常苛刻，另一方面还要求所有天线阵元在集成滤波器后，其所传输信号的相位和幅度要保证基本一致。这是目前实现此类5g技术的关键瓶颈技术，很难保证每一个路径的一致性，到目前为止，尚没有找到很好的解决方案。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种毫米波天线阵元，在垂直方向上将辐射单元与滤波器集成为一体，具有结构紧凑，占用空间小的优点，更重要的是可保证天线阵列中每个阵元所传输信号的相位和幅度基本一致。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种毫米波天线阵元，包括两片竖直设置且相互之间正交的片状辐射单元，分别用于辐射垂直极化方向信号和水平极化方向信号；所述片状辐射单元由下部的基片集成波导(substrateintegratedwaveguide，简称siw)滤波器和上部的渐变鳍线天线组成，且下部的基片集成波导滤波器和上部的渐变鳍线天线共用同一片介质基板。

优选地，所述siw滤波器为带有开口金属谐振环(splitringresonator，简称srr)结构的srr-siw滤波器，或为带有互补开口金属谐振环(complementarysplitringresonator，简称csrr)结构的csrr-siw滤波器。

优选地，所述渐变鳍线天线为鳍线馈电渐变鳍线天线。

进一步地，所述毫米波天线阵元还包括用于固定所述两片片状辐射单元的固定机构。

根据相同发明思路还可以得到以下技术方案：

一种毫米波天线阵列，其由一组相同的天线阵元组成，所述天线阵元为以上任一技术方案所述毫米波天线阵元。

一种毫米波通信装置，包括天线阵列以及与所述天线阵列中的天线阵元一一对应连接的一组收发信机，所述天线阵列为上述毫米波天线阵列。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明在垂直方向上将辐射单元与滤波器集成为一体，可有效保证天线阵列中每个阵元所传输信号的相位和幅度基本一致。

本发明通过共用介质基板的方式将siw滤波器和渐变鳍线天线集成为一体，具有结构简单，制造工序简单，成本较低的优点。

本发明既可以实现精确的二维扫描，又能够实现多波束，解决了5g微波通信技术中的关键瓶颈问题，对于5g通信技术的实用化具有重要意义。

附图说明

图1为具体实施方式中本发明毫米波天线阵列的总体结构示意图；

图2为单个毫米波天线阵元的结构示意图；

图3为单个毫米波天线阵元的组装结构示意图；

图4为单个毫米波天线阵元的回波响应曲线；

图中包含以下附图标记：

1、siw滤波器输入端口，2、渐变鳍线天线，3、固定机构。

具体实施方式

针对现有5g毫米波通信技术中的天线阵列难以同时满足尺寸要求和各阵元所传输信号相位一致的要求，本发明基于垂直集成的思想，提出一种毫米波天线阵元，在垂直方向上通过共用介质基板的方式将siw滤波器和渐变鳍线天线集成为一体，其具有结构紧凑，占用空间小的优点，更重要的是可保证天线阵列中每个阵元所传输信号的相位和幅度基本一致。

基片集成波导是一种新的微波传输线形式，其利用金属通孔在介质基片上实现波导的场传播模式，其兼顾了传统波导和微带传输线的优点，可实现高性能微波毫米波平面电路。siw滤波器即为在此基础上发展出的一种滤波器结构，通常由中间的介质基板和介质基板正反两面上的金属层组成，介质基板上设置有一系列连通两层金属层的金属化过孔阵列。由于具有辐射损耗低、抗干扰特性强、集成度高且价格低的特点，siw滤波器以得到越来越广泛的应用，并且在其基础上提出了很多改进方案，例如带有开口金属谐振环(splitringresonator，简称srr)结构的srr-siw滤波器，或带有互补开口金属谐振环(complementarysplitringresonator，简称csrr)结构的csrr-siw滤波器。

具体而言，本发明所提出的毫米波天线阵元，包括两片竖直设置且相互之间正交的片状辐射单元，分别用于辐射垂直极化方向信号和水平极化方向信号；所述片状辐射单元由下部的siw滤波器和上部的渐变鳍线天线组成，且下部的基片集成波导滤波器和上部的渐变鳍线天线共用同一片介质基板。

所述siw滤波器可以为现有或将有的各种类型的siw滤波器，优选带有开口金属谐振环(splitringresonator，简称srr)结构的srr-siw滤波器，或带有互补开口金属谐振环(complementarysplitringresonator，简称csrr)结构的csrr-siw滤波器。

所述渐变鳍线天线可采用现有或将有的各种类型，优选采用鳍线馈电渐变鳍线天线。

进一步地，所述毫米波天线阵元还包括用于固定所述两片片状辐射单元的固定机构。

在5g毫米波通信系统中，利用上述天线阵元构建毫米波天线阵列，并为每个天线阵元配置一个收发信机，即可实现精确的二维扫描，又能够实现多波束。

为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：

图1～图3显示了本发明毫米波天线阵列的一种具体结构。如图1所示，该毫米波天线阵列为8×8的天线阵列，共由64个相同的天线阵元构成。

单个天线阵元的结构如图2、图3所示，其包括两片竖直设置且相互之间正交的片状辐射单元和一个方框形的固定机构3，两片片状辐射单元分别用于辐射垂直极化方向信号和水平极化方向信号，固定机构3一方面可对两片片状辐射单元起到支撑固定的作用，一方面可以辅助天线阵列中各阵元的准确定位，此外还可以为辐射单元提供反射面。

如图2、图3所示，单个片状辐射单元是由上部的渐变鳍线天线2和下部的siw滤波器所构成的一个整体，两者共用同一片介质基板。如图3所示，该介质基板被划分为上下两段，下段介质基板的正反两面分别附着有一层金属层，两层金属层通过设置在下段介质基板上的金属化过孔阵列实现电连接，下段介质基板与金属层以及金属化过孔阵列一起构成基本的siw滤波器，图中的1是siw滤波器的输入端口，该端口为50欧姆微带线，可直接通过卡槽的形式和pcb平面电路集成。下段介质基板的表面还可以进一步设置srr结构或csrr结构，从而构成所谓srr-siw滤波器或csrr-siw滤波器。上段介质基板正反两面同样附着有一层金属层，金属层形成渐变鳍线结构，从而与上段介质基板一起构成渐变鳍线天线2。由于siw滤波器与渐变鳍线天线均为现有技术，为节省篇幅起见，此处不再对其结构、原理、制备工艺等技术细节进行赘述。

图4给出了单个天线阵元的回波响应曲线，由响应曲线可知，在需要辐射的带内，回波很小，而在阻带则是全反射，因此具有很好的滤波效果。

综上可知，本发明很好的解决了毫米波通信系统中辐射部件和滤波器的集成问题。由于采用的是垂直集成，可保证每一路的信号传输路径都是完全一致，从而能够有效的满足各阵元信号之间相位和幅度的一致性。