專利名稱：輻射效率高的多波束天線的制作方法
技術領域：
本實用新型是一種適用于微波毫米波移動通信、衛(wèi)星通信、雷達探測、空間功率合成、微 波成像及智能天線，屬于微波天線設計和制造的技術領域。
背景技術：
移動通信的迅速發(fā)展使得傳統(tǒng)的多址方式，如CDMA, FDMA, TDMA等，已不能滿足日益增長 的擴容需要。多波束天線通過波束成形網絡產生多個不同指向的波束，用來覆蓋整個用戶區(qū)， 從而實現提高信道容量、降低千擾、降低發(fā)射功耗等目標。波束成形網絡一般可以分為兩大類 電路類(又叫網絡類)和準光透鏡類。其中，電路類是通過傳輸線連接功分器和耦合器所構成。 產生波束掃描所需的相移可以通過不等長的傳輸線或專門的移相器來獲得，而口徑面幅度的分 布是由功分器的功分率來控制的。到目前為止，有兩種常見的電路類波束成形網絡，即Butler 矩陣和Blass矩陣。其中Butler矩陣是目前使用最為廣泛的電路類波束成形網絡。
與準光透鏡類相比，電路類波束成形網絡具有更好的性能，但是也存在一些缺點。主要表 現為體積較龐大、結構較復雜，當輸入支路數量較多時尤其如此。例如，當階數大于3時，電 路類波束成形網絡都需要一個或若干個交叉的傳輸線結構，這對平面電路是致命的問題。即便 用OdB耦合器來替代交叉結構，也會帶來諸如損耗加大、結構復雜、帶寬減少等一系列問題。 有一種微波電路被稱之為"八端口結"，其主要被應用于單脈沖天線的饋電設計和功分器的設計。 我們發(fā)現在原八端口結的基礎上加上兩個固定移相器，即可以利用簡便的結構來實現4X4的波 束成形網絡，從而避波束成形網絡中傳輸線的交叉。
另一方面，波束成形網絡的發(fā)展趨勢是工作頻率提高、集成化、平面化、小型化、低成本 加工、生產可重復性高，同時要保證其優(yōu)良的性能。同時為了實現系統(tǒng)的集成化、高可靠性、 高輻射效率，可將波束成形網絡與天線陣集成在同一介質基片上，實現"共基片多波束天線"。 在這一目標下，平面電路實現的波束成形網絡具有先天的優(yōu)勢，但也存在一些致命的缺陷，主 要體現在其工作頻率較高時，尤其在毫米波頻段。例如， 一般平面電路傳輸線實現的毫米波波 束成形網絡很難與天線陣集成在同一個介質基片上，這主要是因為其電路在如此高頻率工作時 會產生很大的互耦和輻射，會極大地制約波束成形網絡的集成化和影響共基片多波束天線的方 向圖。本專利中波束成形網絡利用基片集成波導結構實現，其為一平面電路結構，且具有損耗 低、加工簡便等優(yōu)點。更為重要的是基片集成波導是全封閉的結構，在毫米波頻段其構成的電 路之間幾乎沒有互耦和輻射，故其可直接與天線陣集成在單一介質基片上，形成共基片的多波 束天線。發(fā)明內容
技術問題本實用新型的目的是提供一種輻射效率高的多波束天線，在原八端口結的結構 上增加兩個45°固定移相器，利用基片集成波導實現毫米波頻段的4端口共基片多波束天線。 其與利用4X4Butler矩陣饋電的多波束天線具有相似的性能，而且體積緊湊、無交叉的傳輸線 結構、可靠性高、輻射特性不受波束成形網絡的干擾、制作成本低、容易大批量生產、易與有 源電路集成。
技術方案本實用新型的輻射效率高的多波束天線為一平面電路結構，上層金屬敷銅面、 下層金屬敷銅面分別位于介質基片的上下表面，金屬化通孔穿過介質基片與上層金屬敷銅面、 下層金屬敷銅面相連接形成第一個基片集成波導90°定向耦合器、第二個基片集成波導9(T定 向耦合器、第三個基片集成波導9(T定向耦合器、第四個基片集成波導9(T定向耦合器、第一 個基片集成波導45°移相器、第二個基片集成波導45°移相器、基片集成波導4槽縫隙陣天線； 共基片多波束天線的第一個輸入端口與第一個基片集成波導90°定向耦合器的第一個輸入口相 連、共基片多波束天線的第二個輸入端口與第一個基片集成波導90°定向耦合器的第二個輸入 口相連、共基片多波束天線的第三個輸入端口與第二個基片集成波導90°定向耦合器的第一個 輸入口相連、共基片多波束天線的第四個輸入端口與第二個基片集成波導90°定向耦合器的第 二個輸入口相連；第一個基片集成波導45。移相器的一端與第一個基片集成波導90°定向耦合 器的第一個輸出口相連，另一端與第三個基片集成波導90°定向耦合器的第一個輸入口相連； 第二個基片集成波導45。移相器的一端與第二個基片集成波導90。定向耦合器的第一個輸出口 相連，另一端與第四個基片集成波導90°定向耦合器的第一個輸入口相連；第一個基片集成波 導90°定向耦合器的第二個輸出口與第四個基片集成波導90°定向耦合器的第二個輸入口相 連，第二個基片集成波導90'定向耦合器的第二個輸出口與第王個基片集成波導9(T定向耦合 器的第二個輸入口相連；4根相同的基片集成波導4槽縫隙陣天線組成一4單元天線陣列，每一 基片集成波導4槽縫隙陣天線的一端短路，另一端分別與第三個基片集成波導90°定向耦合器、 第四個基片集成波導9(T定向耦合器的一個輸出口相連；在基片集成波導電路的拐角處均設有 一感性金屬桿以實現良好的匹配。
第一個基片集成波導45°移相器、第二個基片集成波導45°移相器通過調節(jié)金屬化通孔的 位置，形成具有不同寬度的基片集成波導，越寬的基片集成波導其內部電磁波的傳播速度越慢， 從而實現所需的相移量。
基片集成波導4槽縫隙陣天線位于上層金屬敷銅面上，由4個槽縫隙單元組成，每一個槽 縫隙單元位于中心線的兩側分別開有槽縫隙，組成4單元天線陣列。為了實現緊湊的結構，分 別用第三個基片集成波導90°定向耦合器的第一個輸出口、第四個基片集成波導9(T定向耦合 器的第一個輸出口、第三個基片集成波導90°定向耦合器的第二個輸出口，第四個基片集成波 導90°定向耦合器的第二個輸出口從兩端交替地對4根基片集成波導4槽縫隙陣天線進行饋電， 這會使相鄰的基片集成波導4槽縫隙陣天線之間多產生180°的相移量，即使本應靠中間的波束 變?yōu)榭窟?，本應靠邊的波束變?yōu)榭恐虚g，但不會使波束性能惡化。本實用新型中的共基片多波束天線共有4個輸入端口，從不同的輸入端口激勵，會產生幅 度相等、相位差分別為-135° 、 - 45° 、 135°或45°的激勵信號，對4根基片集成波導4槽 縫隙陣天線饋電，天線陣會產生4個不同指向的波束。
有益效果本實用新型具有以下優(yōu)點
l:)在毫米波頻段，利用基片集成波導無互耦、無輻射、平面化的特性，將波束成形網絡
和天線陣直接集成，實現共基片多波束天線，結構緊湊、可靠性高。
2:)該共基片多波束天線無任何交叉線或替代交叉線的0dB耦合器，且性能與利用傳統(tǒng) Butler矩陣饋電的多波束天線類似。
3:)以平面電路的形式工作于毫米波頻段，通過普通PCB工藝制作于介質基片上，具有有 源電路集成方便，成本低、精度高、重復性好，適合大批量生產等優(yōu)點。與金屬波導 等立體結構實現的電路相比，性能接近，體積小、重量輕、加工簡便。
4:)該共基片多波束天線輻射效率高。
圖1是本實用新型輻射效率高的多波束天線的剖面結構示意圖，
圖2是本實用新型輻射效率高的多波束天線的平面結構示意圖，
圖中有上層金屬敷銅面l、下層金屬敷銅面2、介質基片3、金屬化通孔4、基片集成波 導90°定向耦合器51、基片集成波導90。定向耦合器52、基片集成波導90。定向耦合器53、 基片集成波導9(T定向耦合器54、基片集成波導45"移相器61、基片集成波導45。移相器62、 基片集成波導4槽縫隙陣天線7、第一輸入端口81、第二輸入端口82、第二輸入端口83、第四 輸入端口 84、感性金屬桿9。
具體實施方式
本實用新型中的輻射效率高的多波束天線包括上層金屬敷銅面l、下層金屬敷銅面2、介質 基片3、金屬化通孔4、基片集成波導90°定向耦合器51、基片集成波導9(T定向耦合器52、 基片集成波導9(T定向耦合器53、基片集成波導90。定向耦合器54、基片集成波導45°移相 器61、基片集成波導45。移相器62、基片集成波導4槽縫隙陣天線7、輸入端口 81、輸入端口 82、輸入端口 83、輸入端口 84、感性金屬桿9;上層金屬敷銅面1、下層金屬敷銅面2分別位 于介質基片3的上下表面，金屬化通孔4穿過介質基片3與上層金屬敷銅面1、下層金屬敷銅面 2相連接形成基片集成波導90°定向耦合器51、基片集成波導90"定向耦合器52、基片集成波 導90°定向耦合器53、基片集成波導9(T定向耦合器54、基片集成波導45。移相器61、基片 集成波導45°移相器62、基片集成波導4槽縫隙陣天線7;輸入端口 81與基片集成波導90° 定向耦合器51的第一個輸入口相連，輸入端口 82與基片集成波導90°定向耦合器51的第二個 輸入口相連，輸入端口 83與基片集成波導9(T定向耦合器52的第一個輸入口相連，輸入端口 84與基片集成波導90°定向耦合器52的第二個輸入口相連；基片集成波導45。移相器61、基片集成波導45°移相器62利用不同寬度的基片集成波導實現所需的相移量，基片集成波導 45°移相器61的一端與基片集成波導90。定向耦合器51的第一個輸出口相連，另一端與基片 集成波導90°定向耦合器53的第一個輸入口相連，基片集成波導45°移相器62的一端與基片 集成波導90。定向耦合器52的第一個輸出口相連，另一端與基片集成波導90°定向耦合器54 的第一個輸入口相連；基片集成波導90。定向耦合器51的第二個輸出口與基片集成波導90° 定向耦合器54的第二個輸入口相連，基片集成波導90。定向耦合器52的第二個輸出口與基片 集成波導90°定向耦合器53的第二個輸入口相連；4根相同的基片集成波導4槽縫隙陣天線7 的輸入端交替地排放于兩端組成一 4單元天線陣列，每一基片集成波導4槽縫隙陣天線7的一 端短路，另一端分別與基片集成波導90°定向耦合器53的第一個輸出口、基片集成波導9(T 定向耦合器54的的第一個輸出口、基片集成波導9(T定向耦合器53的第二個輸出口、基片集 成波導90°定向耦合器54的的第二個輸出口相連，每一基片集成波導4槽縫隙陣天線7在上層 金屬敷銅面1上且位于中心線的兩側分別開有縫隙，共4根；在基片集成波導電路的拐角處均 設有一感性金屬桿9以實現良好的匹配；分別從第一輸入端口81、第二輸入端口82、第三輸入 端口83、第四輸入端口84饋電，可在與開槽方向垂直的平面上激勵出4個不同指向的波束。
在中心頻率30 GHz處實現基于八端口結的共基片多波束天線，并測試其整體性能?；x 用Rogers Duroid 5880，其介質常數為2. 2，厚度0. 508mm。
測試的范圍為28GHz到32GHz。分別從第一輸入端口 81、第二輸入端口 82、第三輸入端口 83、第四輸入端口84激勵，在中心頻率30GHz處，所有的回波損耗和互耦系數均優(yōu)于20dB。輻 射方向圖在暗室里被測試。從第一輸入端口 81激勵時，在中心頻率30GHz處，測得其增益為 13dBi, 3dB波瓣寬度為32。，波束指向為15° ，輻射效率為44%，從29 GHz到32 GHz的范圍 內，不同工作頻率的波束性能接近，僅副瓣電平有所惡化；從第—輸入端口 82激勵時，在中心 頻率30GHz處，測得其增益為12.2dBi, 3dB波瓣寬度為30° ，波束指向為47° ，輻射效率為 46%，從29 GHz到32 GHz的范圍內，不同工作頻率的波束性能接近，僅副瓣電平有所惡化。
權利要求1.一種輻射效率高的多波束天線，其特征在于該共基片多波束天線為一平面電路結構，上層金屬敷銅面(1)、下層金屬敷銅面(2)分別位于介質基片(3)的上下表面，金屬化通孔(4)穿過介質基片(3)與上層金屬敷銅面(1)、下層金屬敷銅面(2)相連接形成基片集成波導90°定向耦合器(51)、基片集成波導90°定向耦合器(52)、基片集成波導90°定向耦合器(53)、基片集成波導90°定向耦合器(54)、基片集成波導45°移相器(61)、基片集成波導45°移相器(62)、基片集成波導4槽縫隙陣天線(7)、感性金屬桿(9)；輸入端口(81)與基片集成波導90°定向耦合器(51)的第一個輸入口相連，輸入端口(82)與基片集成波導90°定向耦合器(51)的第二個輸入口相連，輸入端口(83)與基片集成波導90°定向耦合器(52)的第一個輸入口相連，輸入端口(84)與基片集成波導90°定向耦合器(52)的第二個輸入口相連；第一個基片集成波導45°移相器(61)的一端與基片集成波導90°定向耦合器(51)的第一個輸出口相連，另一端與基片集成波導90°定向耦合器(53)的第一個輸入口相連；第二個基片集成波導45°移相器(62)的一端與基片集成波導90°定向耦合器(52)的第一個輸出口相連，另一端與基片集成波導90°定向耦合器(54)的第一個輸入口相連；基片集成波導90°定向耦合器(51)的第二個輸出口與基片集成波導90°定向耦合器(54)的第二個輸入口相連，基片集成波導90°定向耦合器(52)的第二個輸出口與基片集成波導90°定向耦合器(53)的第二個輸入口相連；4根相同的基片集成波導4槽縫隙陣天線(7)組成一4單元天線陣列，4根基片集成波導4槽縫隙陣天線(7)的輸入口分別與基片集成波導90°定向耦合器(53)的第一個輸出口、基片集成波導90°定向耦合器(54)的的第一個輸出口、基片集成波導90°定向耦合器(53)的第二個輸出口、基片集成波導90°定向耦合器(54)的的第二個輸出口相連；在基片集成波導電路的拐角處均設有一感性金屬桿(9)以實現良好的匹配。
2. 根據權利要求l所述的輻射效率高的多波束天線，其特征為基片集成波導45°第一移 相器(61)、基片集成波導45°第二移相器(62)通過調節(jié)金屬化通孔(4)的位置，形成具有 不同寬度的基片集成波導，越寬的基片集成波導其內部電磁波的傳播速度越慢，從而實現所需 的45°相移量。
3. 根據權利要求l所述的輻射效率高的多波束天線，其特征為基片集成波導4槽縫隙陣 天線(7)位于上層金屬敷銅面(1)上，由4個槽縫隙單元組成，每一個槽縫 隙單元位于中心 線的兩側分別開有槽縫隙，組成4單元天線陣列。
專利摘要輻射效率高的多波束天線是一種適用于微波毫米波移動通信、衛(wèi)星通信、雷達探測、空間功率合成、微波成像及智能天線，該共基片多波束天線為一平面電路結構，上層金屬敷銅面(1)、下層金屬敷銅面(2)分別位于介質基片(3)的上下表面，金屬化通孔(4)穿過介質基片(3)與上層金屬敷銅面(1)、下層金屬敷銅面(2)相連接形成基片集成波導90°定向耦合器(51)、基片集成波導90°定向耦合器(52)、基片集成波導90°定向耦合器(53)、基片集成波導90°定向耦合器(54)、基片集成波導45°移相器(61)、基片集成波導45°移相器(62)、基片集成波導4槽縫隙陣天線(7)、感性金屬桿(9)。
文檔編號H01Q13/10GK201383549SQ20092004084
公開日2010年1月13日 申請日期2009年4月17日 優(yōu)先權日2009年4月17日
發(fā)明者柯 吳, 偉 洪, 程鈺間 申請人:東南大學