專利名稱：小型化基片集成多波束天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于微波毫米波天線技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基片集成波導(dǎo)多波束天線。
背景技術(shù)：
作為智能天線的一種，多波束天線能生成多個(gè)不同指向的波束，并可選擇波束對(duì)準(zhǔn)有用信號(hào)方向，從而降低干擾，增大系統(tǒng)信道容量，因此在高速率無(wú)線通信領(lǐng)域獲得了廣泛的關(guān)注。到目前為止，研究人員已經(jīng)基于微帶線、金屬波導(dǎo)、基片集成波導(dǎo)等多種導(dǎo)波結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了若干種不同類型的多波束天線。其中，由基片集成波導(dǎo)構(gòu)成的多波束天線具有金屬損耗低、輻射互耦低、集成化設(shè)計(jì)容易、加工成本低、可重復(fù)性好、易于大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)， 較好地解決了多波束天線集成化及其關(guān)鍵部件波束成形網(wǎng)絡(luò)平面化的問(wèn)題，在工作頻率較高時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。然而，基片集成波導(dǎo)多波束天線還需要進(jìn)一步解決其小型化的技術(shù)難題?，F(xiàn)有基片集成波導(dǎo)多波束天線均由三個(gè)子部分構(gòu)成，即波束成形網(wǎng)絡(luò)、天線陣和二者之間的移相連接網(wǎng)絡(luò)。目前針對(duì)基片集成波導(dǎo)多波束天線小型化已經(jīng)提出了一種較好的解決方案，如圖1所示，該多波束天線仍由三個(gè)子部分構(gòu)成，即對(duì)稱多?；刹▽?dǎo)、天線陣和二者之間的移相連接網(wǎng)絡(luò)，其中對(duì)稱多?；刹▽?dǎo)用作波束成形網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)多波束天線小型化的關(guān)鍵技術(shù)。該對(duì)稱多?；刹▽?dǎo)為一個(gè)對(duì)稱的八端口結(jié)構(gòu)，具有四個(gè)輸入端口和四個(gè)輸出端口，從不同輸入端口輸入信號(hào)時(shí)，可在四個(gè)輸出端口生成等幅且具有一定相位差的四路輸出信號(hào)，經(jīng)移相連接網(wǎng)絡(luò)輸入四組天線單元，最終生成不同指向的波束。該結(jié)構(gòu)能縮小傳統(tǒng)波束成形網(wǎng)絡(luò)一巴特勒矩陣面積的一半。本實(shí)用新型人申請(qǐng)的專利申請(qǐng)?zhí)枮镃N20081002^48. 3的實(shí)用新型專利申請(qǐng)中公開了一種多?；刹▽?dǎo)波束成形網(wǎng)絡(luò)，它包括了多模基片集成波導(dǎo)(即上述對(duì)稱多?；刹▽?dǎo))和基片集成波導(dǎo)移相網(wǎng)絡(luò)(即上述移相連接網(wǎng)絡(luò))。當(dāng)使用該多?；刹▽?dǎo)波束成形網(wǎng)絡(luò)與天線陣連接形成基片集成多波束天線時(shí)，其中必須含有基片集成波導(dǎo)移相網(wǎng)絡(luò)用以連接天線陣和多?；刹▽?dǎo)。由于上述三個(gè)模塊需要依次級(jí)聯(lián)、必不可少，因此設(shè)計(jì)復(fù)雜，體積偏大。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是為了克服現(xiàn)有的基片集成波導(dǎo)多波束天線電路結(jié)構(gòu)面積偏大的不足，提出了一種小型化基片集成多波束天線。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是一種小型化基片集成多波束天線， 包括從上往下依次層疊的金屬覆銅上層、介質(zhì)層、金屬覆銅下層，其特征在于，所述金屬覆銅上層包括從輸入端向輻射端依次排列的饋電上表區(qū)域、與饋電上表區(qū)域連接的多模上表區(qū)域、與多模上表區(qū)域連接的N組三角形上表區(qū)域，所述金屬覆銅下層包括從輸入端向輻射端依次排列的饋電下表區(qū)域、與饋電下表區(qū)域連接的多模下表區(qū)域、與多模下表區(qū)域連接的N組三角形下表區(qū)域，所述介質(zhì)層中具有N+1排金屬化通孔，所述金屬化通孔貫穿了饋電上表區(qū)域和介質(zhì)層與饋電下表區(qū)域連接，形成N路饋電基片集成波導(dǎo)，貫穿了多模上表區(qū)域和介質(zhì)層與多模下表區(qū)域連接，形成一路非對(duì)稱的多?；刹▽?dǎo)，所述介質(zhì)層與位于其兩側(cè)的N組三角形上表區(qū)域和N組三角形下表區(qū)域形成天線陣，所述三角形上表區(qū)域和三角形下表區(qū)域兩者鏡像對(duì)稱。本實(shí)用新型的有益效果由于本實(shí)用新型將現(xiàn)有的基片集成波導(dǎo)多波束天線小型化方案中的對(duì)稱的多模基片集成波導(dǎo)變?yōu)椴粚?duì)稱的結(jié)構(gòu)，使其可直接與天線陣集成，無(wú)需再使用移相連接網(wǎng)絡(luò)，這樣就在實(shí)現(xiàn)同樣的電路功能時(shí)減少了電路結(jié)構(gòu)的面積和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，使得多波束天線結(jié)構(gòu)緊湊，并因此獲得更高的輻射效率。

圖1是現(xiàn)有的基片集成波導(dǎo)多波束天線小型化方案的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本實(shí)用新型的小型化基片集成多波束天線的結(jié)構(gòu)框圖。圖3是本實(shí)用新型的小型化基片集成多波束天線的三維結(jié)構(gòu)圖。圖4是本實(shí)用新型的小型化基片集成多波束天線的俯視結(jié)構(gòu)圖。圖5是本實(shí)用新型的小型化基片集成多波束天線的金屬覆銅上層的電路結(jié)構(gòu)圖。圖6是本實(shí)用新型的小型化基片集成多波束天線的金屬覆銅下層的電路結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
如圖2、圖3、圖4、圖5、圖6所示，一種小型化基片集成多波束天線，包括從上往下依次層疊的金屬覆銅上層1、介質(zhì)層3、金屬覆銅下層2，為了形成本實(shí)用新型的小型化基片集成多波束天線，通過(guò)印制電路板制造工藝對(duì)金屬覆銅上層1、金屬覆銅下層2進(jìn)行加工形成所需的金屬圖案(電路結(jié)構(gòu))，該圖案中各部分之間通過(guò)虛擬的點(diǎn)劃線進(jìn)行劃分，對(duì)介質(zhì)層3打孔并對(duì)孔做表面金屬化處理形成金屬化通孔31，所述金屬覆銅上層1包括從輸入端向輻射端(圖5中從右至左)依次排列的饋電上表區(qū)域11、與饋電上表區(qū)域11連接的多模上表區(qū)域12、與多模上表區(qū)域12連接的四組三角形上表區(qū)域13，所述金屬覆銅下層2 包括從輸入端向輻射端(圖6中從右至左)依次排列的饋電下表區(qū)域21、與饋電下表區(qū)域 21連接的多模下表區(qū)域22、與多模下表區(qū)域22連接的四組三角形下表區(qū)域23，所述介質(zhì)層3中具有五排金屬化通孔31，其中中間三排長(zhǎng)度相同，外側(cè)兩排長(zhǎng)度更長(zhǎng)，所述金屬化通孔31貫穿了饋電上表區(qū)域11和介質(zhì)層3與饋電下表區(qū)域21連接，形成四路饋電基片集成波導(dǎo)，貫穿了多模上表區(qū)域12和介質(zhì)層3與多模下表區(qū)域22連接，形成一路非對(duì)稱多?；刹▽?dǎo)，所述介質(zhì)層3與位于其兩側(cè)的四組三角形上表區(qū)域13和四組三角形下表區(qū)域 23形成天線陣，所述三角形上表區(qū)域13和三角形下表區(qū)域23兩者鏡像對(duì)稱。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該意識(shí)到，金屬化通孔31的排數(shù)以及三角形上表區(qū)域 13和三角形下表區(qū)域23的數(shù)量是由饋電基片集成波導(dǎo)的路數(shù)(多波束天線的輸入端口數(shù)量)決定，多波束天線的輸入端口數(shù)量等于多波束天線所生成的具有不同指向的波束的數(shù)量，因此，盡管本實(shí)用新型的具體實(shí)施例采用四路輸入端口和五排金屬化通孔31，但是并不影響本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員采用采用本技術(shù)方案實(shí)施其它N路(N為大于或等于二的自然數(shù))輸入端口的多波束天線。四路饋電基片集成波導(dǎo)的輸入端口即為整個(gè)多波束天線的輸入端口 a、端口 b、端口 C、端口 d，其可以為基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，也可以由基片集成波導(dǎo)轉(zhuǎn)化為微帶線、共面波導(dǎo)、金屬波導(dǎo)、同軸線等結(jié)構(gòu)；四路饋電基片集成波導(dǎo)的輸出端口即為非對(duì)稱的多?；刹▽?dǎo)的四個(gè)輸入端口，從任意一路饋電基片集成波導(dǎo)輸入信號(hào)，可以在非對(duì)稱的多?；刹▽?dǎo)內(nèi)激勵(lì)起多個(gè)電場(chǎng)模式，合理設(shè)計(jì)非對(duì)稱的多模基片集成波導(dǎo)的尺寸，可在非對(duì)稱的多?；刹▽?dǎo)的輸出端口合成所需要的幅度和相位分布；非對(duì)稱的多?；刹▽?dǎo)的輸出端口與天線陣直接相連，輻射能量，三角形上表區(qū)域13和三角形下表區(qū)域23 的尺寸也需進(jìn)行優(yōu)化以獲得更好性能。本實(shí)施例的方案相對(duì)于現(xiàn)有的技術(shù)方案(如本實(shí)用新型人申請(qǐng)的專利申請(qǐng)?zhí)枮?CN200810022648. 3的實(shí)用新型專利申請(qǐng)中公開的一種多?；刹▽?dǎo)波束成形網(wǎng)絡(luò))， 將多?；刹▽?dǎo)由對(duì)稱結(jié)構(gòu)變?yōu)榉菍?duì)稱結(jié)構(gòu)，使其可直接與天線陣集成構(gòu)成小型化的基片集成多波束天線?，F(xiàn)有的對(duì)稱的多模基片集成波導(dǎo)兩側(cè)分別與四組基片集成波導(dǎo)相連，形成兩個(gè)分界面，當(dāng)電磁波從任一個(gè)輸入端口傳播到第一個(gè)分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)性， 生成多個(gè)正交的工作模式并傳輸?shù)降诙€(gè)分界面，合成四路具有所需幅度、相位分布的電磁波，沿四路輸入、四路輸出的移相連接網(wǎng)絡(luò)與四組獨(dú)立的天線相連，所述天線與對(duì)稱的多模基片集成波導(dǎo)之間互不影響，二者僅需獨(dú)立設(shè)計(jì)并拼接即可。而本實(shí)施例的非對(duì)稱的多模基片集成波導(dǎo)僅一側(cè)與四組基片集成波導(dǎo)相連，形成分界面，當(dāng)電磁波從任一個(gè)輸入端口傳播到此分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)幅度變化，生成多個(gè)正交的工作模式在非對(duì)稱的多?；刹▽?dǎo)內(nèi)傳播，并實(shí)現(xiàn)相位變換，非對(duì)稱的多?；刹▽?dǎo)的另一側(cè)可視作一個(gè)端口，當(dāng)電磁波傳播到此處時(shí)不會(huì)合成為四路電磁波，而是直接通過(guò)天線陣輻射出去。從微波網(wǎng)絡(luò)的觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)稱的多模基片集成波導(dǎo)的特性需由三個(gè)級(jí)聯(lián)的散射矩陣描述，包括兩個(gè)分界面的散射矩陣和兩個(gè)分界面之間的多?；刹▽?dǎo)的散射矩陣，不對(duì)稱的多模基片集成波導(dǎo)的特性僅由兩個(gè)級(jí)聯(lián)的散射矩陣描述，包括分界面的散射矩陣和分界面與天線陣之間的多?；刹▽?dǎo)的散射矩陣，兩者具有不同的物理模型，但卻要實(shí)現(xiàn)相近的電路功能，因此，按照對(duì)稱的多模基片集成波導(dǎo)的設(shè)計(jì)方法(僅需針對(duì)一個(gè)波束序號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì))來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的非對(duì)稱的多模基片集成波導(dǎo)無(wú)法正常工作，必須針對(duì)剩余 N-I個(gè)波束序號(hào)進(jìn)行相似的設(shè)計(jì)，并對(duì)N個(gè)解進(jìn)行兼容近似，這就是說(shuō)對(duì)于非對(duì)稱的多?；刹▽?dǎo)的尺寸設(shè)計(jì)要求更為嚴(yán)格；但也正因?yàn)榇?，在非?duì)稱的多?；刹▽?dǎo)的輸出端就具備了直接對(duì)天線陣饋電的能力，無(wú)需再使用對(duì)稱的多?；刹▽?dǎo)的第二分界面的四組基片集成波導(dǎo)和相應(yīng)的移相連接網(wǎng)絡(luò)，這就有效的減少電路體積，簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)。 此外，由于天線陣與不對(duì)稱的多?；刹▽?dǎo)之間直接相連，二者相互影響，因此在完成對(duì)不對(duì)稱的多?；刹▽?dǎo)的設(shè)計(jì)后，需要重新優(yōu)化天線的尺寸。以本實(shí)施例的基本方案作為設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一個(gè)小型化多模基片集成多波束天線在中心頻率33. 5GHz處設(shè)計(jì)、加工并測(cè)試，并增加了微帶基片集成波導(dǎo)過(guò)渡以便于測(cè)試。選用的介質(zhì)基片介電常數(shù)為2. 2，厚度0.5mm，損耗角正切為0.0009。選定金屬化通孔的直徑為0. 4mm,間距為0. 8mm。測(cè)試結(jié)果表明，在31GHz 36GHz的范圍內(nèi)，回波損耗和隔離度基本優(yōu)于IOdB ；在33. 5GHz，端口 a饋電，可生成半功率波瓣寬度為26. 6°、波束指向四.2°、增益8. 3dBi (包含額外的過(guò)渡結(jié)構(gòu))的波束；在35. 5GHz，端口 b饋電，可生成半
5功率波瓣寬度為19. V、波束指點(diǎn)9. 0°、增益9. 7dBi (包含額外的過(guò)渡結(jié)構(gòu))的波束；在 35. 5GHz，分別從端口 a、端口 b、端口 C、端口 d饋電，可生成四個(gè)指向不同的波束，用其半功率波瓣寬度覆蓋76°的空間角度。 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本實(shí)用新型的原理，應(yīng)被理解為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本實(shí)用新型公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本實(shí)用新型實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.小型化基片集成多波束天線，包括從上往下依次層疊的金屬覆銅上層(1)、介質(zhì)層 (3)、金屬覆銅下層O)，其特征在于，所述金屬覆銅上層(1)包括從輸入端向輻射端依次排列的饋電上表區(qū)域(11)、與饋電上表區(qū)域(11)連接的多模上表區(qū)域(12)、與多模上表區(qū)域 (12)連接的N組三角形上表區(qū)域(13)，所述金屬覆銅下層( 包括從輸入端向輻射端依次排列的饋電下表區(qū)域(21)、與饋電下表區(qū)域連接的多模下表區(qū)域(22)、與多模下表區(qū)域02)連接的N組三角形下表區(qū)域(23)，所述介質(zhì)層(3)中具有N+1排金屬化通孔(31)， 所述金屬化通孔(31)貫穿了饋電上表區(qū)域(11)和介質(zhì)層(3)與饋電下表區(qū)域連接， 形成N路饋電基片集成波導(dǎo)，貫穿了多模上表區(qū)域(12)和介質(zhì)層(3)與多模下表區(qū)域02) 連接，形成一路非對(duì)稱的多?；刹▽?dǎo)，所述介質(zhì)層C3)與位于其兩側(cè)的N組三角形上表區(qū)域(1 和N組三角形下表區(qū)域形成天線陣，所述三角形上表區(qū)域(13)和三角形下表區(qū)域兩者鏡像對(duì)稱。
專利摘要本實(shí)用新型涉及小型化基片集成多波束天線，包括從上往下依次層疊的金屬覆銅上層、介質(zhì)層、金屬覆銅下層，所述金屬覆銅上層包括從輸入端向輻射端依次排列的饋電上表區(qū)域、與饋電上表區(qū)域連接的多模上表區(qū)域、與多模上表區(qū)域連接的N組三角形上表區(qū)域，所述金屬覆銅下層包括從輸入端向輻射端依次排列的饋電下表區(qū)域、與饋電下表區(qū)域連接的多模下表區(qū)域、與多模下表區(qū)域連接的N組三角形下表區(qū)域，所述介質(zhì)層中具有N+1排金屬化通孔，所述金屬化通孔貫穿了饋電上表區(qū)域和介質(zhì)層與饋電下表區(qū)域連接，貫穿了多模上表區(qū)域和介質(zhì)層與多模下表區(qū)域連接。本實(shí)用新型的有益效果多波束天線結(jié)構(gòu)緊湊，并因此獲得更高的輻射效率。
文檔編號(hào)H01Q21/00GK202210576SQ20112033243
公開日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月6日
發(fā)明者樊勇, 程鈺間 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)