一种具有自散热增强功能的易集成毫米波阵列天线

本发明涉及天线微波，具体地，涉及一种具有自散热增强功能的易集成毫米波阵列天线。

背景技术：

1、天线作为无线通信和雷达系统的关键器件，将自由空间中的电磁波转化成电路中的电信号，或者将射频信号转化成空间中电磁波，其特性直接影响无线网络的性能。对于高功率集成系统，天线的自散热装置必不可少，高效的自散热系统能够提高设备的可靠性与寿命。

2、现有技术，中国发明专利《一种具有自散热结构的大功率微带阵列天线》(公开号：cn218586362u)公开一种具备自散热结构的大功率微带阵列天线，同属于天线微波技术领域，包括多个天线单元，每一天线单元均包括非金属冷板、左介质板、右介质板、上介质板和下介质板；其中，右介质板、下介质板、左介质板和上介质板内部均含有微带电路；所述非金属冷板的上表面涂覆有阻抗匹配层；非金属冷板内部具有上、下层流道；所述上层流道末端位于下层流道起始端的正上方，且两者贯通；所述上层流道的起始端位于下层流道末端的正上方，且两者之间具有隔断。

3、现有技术，中国发明专利《缝隙天线阵与自散热片的一体化设计结构》(公开号：cn115483545a)公开一种缝隙天线阵与自散热片的一体化设计结构，包括：上层金属层、设置于其上的带有鳍片式金属自散热片阵列的自散热片金属底座、以及依次设置于上层金属层下的带有金属化过孔阵列的介质层和带有微带馈线的下层金属层，其中：自散热片金属底座与上层金属层相接触，下层金属层的下表面与热源芯片相接触，鳍片式金属自散热片竖直设置于缝隙天线阵基板上、且位于天线辐射口径两侧，能显著提升缝隙天线阵的辐射特性，同时改善整体系统的自散热性能以及电磁兼容特性。

4、但是，随着系统集成度的提高，以及设备小型化，需要更低成本、且易集成的高性能自散热天线，现有技术很难满足这样的要求。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，采用易集成且低成本的介质基片实现耦合馈电和腔体设计，并引入加载水流道的喇叭阵列提升增益性能，同时增强自散热效果。为了进一步降低天线的副瓣电平，还在喇叭中心口面处引入了金属薄板，该结构增大了天线本身的自散热面积，对自散热效果会有进一步提升。

2、本发明提出的技术问题解决方案是：

3、一种具有自散热增强功能的易集成毫米波阵列天线，包括：

4、双层介质基板及顶层喇叭天线馈电；所述双层介质基板中第一层介质基板用于基片集成波导型功分馈电网络，置于最底层，其上为第二层介质基板用于实现腔体型谐振单元；

5、所述顶层喇叭天线馈电，包括：

6、全金属喇叭阵列，由若干喇叭天线单元构成通过缝隙耦合馈电，置于第二层介质基板上方；

7、交叉型自散热水流道，由若干水流道采用横纵交叉的方式内嵌于所述全金属喇叭阵列中，各水流道均位于相邻两排喇叭天线单元底部之间。

8、进一步地，所述全金属喇叭阵列中，各喇叭天线单元的口面为正方形，并在口面中心处插入金属薄板。

9、进一步地，所述全金属喇叭阵列通过周期性的复制喇叭天线单元进行构建，形成8×8的阵列结构，紧贴于第二层介质基板表面。

10、进一步地，所述交叉型自散热水流道中水流道共14个，采用横纵交叉的方式内嵌于喇叭阵列的底部。

11、进一步地，所述第二层介质基板由单层介质和上表面金属薄片构成，上表面金属薄片上开设周期性排布的方形槽，每个方形槽与上方喇叭单元一一对应，并被所述单层介质中设置的金属通孔包围，从而形成一个谐振腔体，相邻两个谐振腔体的开口相连形成一个双谐振单元。

12、进一步地，所述第一层介质基板包含中间层介质和上下表面金属层，上表面金属层周期性开设方形的馈电槽，每个馈电槽对应上一层的一个双谐振单元，馈电槽被所述中间层介质中设置的金属通孔包围，从而形成漏波型功分馈电网络。

13、进一步地，所述功分馈电网络采用1分16的结构，包含一个总馈电端口，该端口设置为集总端口激励，相位设置为0°。

14、进一步地，所述阵列天线的尺寸为：l1＝6.5mm,w1＝0.684mm,h1＝2mm,h2＝10.98mm,h3＝1mm,r1＝2mm,w2＝0.891mm,w3＝2.08mm,w4＝3.82mm,l2＝2.148mm,r2＝0.38mm,w5＝0.4mm,w6＝2.69mm,w7＝0.857mm,w8＝1.15mm,w9＝2.69mm,l3＝1.314mm；其中：

15、l1和h2为所述全金属喇叭阵列中各喇叭天线单元的宽度和高度，w1和h1为所述金属薄板的厚度和高度，r1为所述水流道的直径，w2和l2为所述第二层介质基板中方形槽的长度和宽度，w3和w4为所述第二层介质基板中腔体的尺寸，r2为所述金属通孔的直径，w5和l3为所述第一层介质基板中馈电槽的长度和宽度，w6为所述第一层介质基板中功分波导的宽度，w7和w8为所述第一层介质基板匹配通孔与波导边缘的距离，w9为所述功分馈电网络输入端口的宽度。

16、本发明的优点在于：

17、(1)本发明实现了大规模组阵，使用巴仑型馈电阵列(由第一层和第二层介质基板组合而成)，实现强方向性的合成型波束，大大提高天线本身的增益，实现更远距离的通讯。另外，本发明在每一个喇叭单元的中心位置处引入一个金属薄板，改善了天线的副瓣性能，与未增加金属薄板相比，天线的副瓣降低6db。同时，全金属喇叭的引入大大提高了天线系统的功率容量。

18、(2)本发明在喇叭阵列底部引入了交叉型自散热水流道，其结构简单且成本较低，在不影响天线性能以及不增加天线尺寸的同时提高了自散热效果，使该天线阵列更适用于大功率通讯设备。

19、(3)与全金属天线阵列不同，本发明使用了pcb工艺，更易集成于集成微系统中，适用范围更广。

技术特征：

1.一种具有自散热增强功能的易集成毫米波阵列天线，其特征在于，包括：

2.根据权利要求书1所述的具有自散热增强功能的易集成毫米波阵列天线，其特征在于，所述全金属喇叭阵列中，各喇叭天线单元的口面为正方形，并在口面中心处插入金属薄板。

3.根据权利要求书2所述的具有自散热增强功能的易集成毫米波阵列天线，其特征在于，所述全金属喇叭阵列通过周期性的复制喇叭天线单元进行构建，形成8×8的阵列结构，紧贴于第二层介质基板表面。

4.根据权利要求书3所述的具有自散热增强功能的易集成毫米波阵列天线，其特征在于，所述交叉型自散热水流道中水流道共14个，采用横纵交叉的方式内嵌于喇叭阵列的底部。

5.根据权利要求书4所述的具有自散热增强功能的易集成毫米波阵列天线，其特征在于，所述第二层介质基板由单层介质和上表面金属薄片构成，上表面金属薄片上开设周期性排布的方形槽，每个方形槽与上方喇叭单元一一对应，并被所述单层介质中设置的金属通孔包围，从而形成一个谐振腔体，相邻两个谐振腔体的开口相连形成一个双谐振单元。

6.根据权利要求书5所述的具有自散热增强功能的易集成毫米波阵列天线，其特征在于，所述第一层介质基板包含中间层介质和上下表面金属层，上表面金属层周期性开设方形的馈电槽，每个馈电槽对应上一层的一个双谐振单元，馈电槽被所述中间层介质中设置的金属通孔包围，从而形成漏波型功分馈电网络。

7.根据权利要求书6所述的具有自散热增强功能的易集成毫米波阵列天线，其特征在于，所述功分馈电网络采用1分16的结构，包含一个总馈电端口，该端口设置为集总端口激励，相位设置为0°。

8.根据权利要求书7所述的具有自散热增强功能的易集成毫米波阵列天线，其特征在于，所述阵列天线的尺寸为：l1＝6.5mm,w1＝0.684mm,h1＝2mm,h2＝10.98mm,h3＝1mm,r1＝2mm,w2＝0.891mm,w3＝2.08mm,w4＝3.82mm,l2＝2.148mm,r2＝0.38mm,w5＝0.4mm,w6＝2.69mm,w7＝0.857mm,w8＝1.15mm,w9＝2.69mm,l3＝1.314mm；其中：

技术总结
本发明公开了一种具有自散热增强功能的易集成毫米波阵列天线，属于天线设计领域。该结构双层介质基板及顶层喇叭天线馈电；所述双层介质基板中第一层介质基板用于基片集成波导型功分馈电网络，置于最底层，其上为第二层介质基板用于实现腔体型谐振单元；最顶层是通过缝隙耦合馈电的全金属喇叭阵列并加载用于自散热的水流道。本发明具有适用于高功率集成系统，高增益，易集成，自散热能力强和低成本等优点。与传统的自散热器不同，本发明使用的自散热装置不额外增加天线整体的尺寸，更适用于在高功率、高温等极端环境下工作的集成微系统设备，天线具有较高的增益能够实现更远距离的信号传输。该天线设计用于毫米波频段，特别是工作频率在70GHz。

技术研发人员：尹文言,张景炜,张硕,金开元,康凯,谢浩,徐光辉
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/7/18