專利名稱：小型化基片集成多波束天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微波毫米波天線技術領域，特別涉及一種基片集成波導多波束天線。
背景技術：
作為智能天線的一種，多波束天線能生成多個不同指向的波束，并可選擇波束對準有用信號方向，從而降低干擾，增大系統(tǒng)信道容量，因此在高速率無線通信領域獲得了廣泛的關注。到目前為止，研究人員已經基于微帶線、金屬波導、基片集成波導等多種導波結構實現(xiàn)了若干種不同類型的多波束天線。其中，由基片集成波導構成的多波束天線具有金屬損耗低、輻射互耦低、集成化設計容易、加工成本低、可重復性好、易于大規(guī)模生產的優(yōu)點， 較好地解決了多波束天線集成化及其關鍵部件波束成形網絡平面化的問題，在工作頻率較高時具有明顯的優(yōu)勢。然而，基片集成波導多波束天線還需要進一步解決其小型化的技術難題?，F(xiàn)有基片集成波導多波束天線均由三個子部分構成，即波束成形網絡、天線陣和二者之間的移相連接網絡。目前針對基片集成波導多波束天線小型化已經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子部分構成，即對稱多?；刹▽?、天線陣和二者之間的移相連接網絡，其中對稱多?；刹▽в米鞑ㄊ尚尉W絡是實現(xiàn)多波束天線小型化的關鍵技術。該對稱多?；刹▽橐粋€對稱的八端口結構，具有四個輸入端口和四個輸出端口，從不同輸入端口輸入信號時，可在四個輸出端口生成等幅且具有一定相位差的四路輸出信號，經移相連接網絡輸入四組天線單元，最終生成不同指向的波束。該結構能縮小傳統(tǒng)波束成形網絡一巴特勒矩陣面積的一半。本發(fā)明人申請的專利申請?zhí)枮镃N20081002^48. 3的發(fā)明專利申請中公開了一種多?；刹▽Рㄊ尚尉W絡，它包括了多?；刹▽?即上述對稱多?；刹▽?和基片集成波導移相網絡(即上述移相連接網絡)。當使用該多?；刹▽Рㄊ尚尉W絡與天線陣連接形成基片集成多波束天線時，其中必須含有基片集成波導移相網絡用以連接天線陣和多模基片集成波導。由于上述三個模塊需要依次級聯(lián)、必不可少，因此設計復雜，體積偏大。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有的基片集成波導多波束天線電路結構面積偏大的不足，提出了一種小型化基片集成多波束天線。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術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)域和介質層與饋電下表區(qū)域連接，形成N路饋電基片集成波導，貫穿了多模上表區(qū)域和介質層與多模下表區(qū)域連接，形成一路非對稱的多模基片集成波導，所述介質層與位于其兩側的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)域兩者鏡像對稱。本發(fā)明的有益效果由于本發(fā)明將現(xiàn)有的基片集成波導多波束天線小型化方案中的對稱的多?；刹▽ё?yōu)椴粚ΨQ的結構，使其可直接與天線陣集成，無需再使用移相連接網絡，這樣就在實現(xiàn)同樣的電路功能時減少了電路結構的面積和結構復雜度，使得多波束天線結構緊湊，并因此獲得更高的輻射效率。
圖1是現(xiàn)有的基片集成波導多波束天線小型化方案的結構框圖。圖2是本發(fā)明的小型化基片集成多波束天線的結構框圖。圖3是本發(fā)明的小型化基片集成多波束天線的三維結構圖。圖4是本發(fā)明的小型化基片集成多波束天線的俯視結構圖。圖5是本發(fā)明的小型化基片集成多波束天線的金屬覆銅上層的電路結構圖。圖6是本發(fā)明的小型化基片集成多波束天線的金屬覆銅下層的電路結構圖。
具體實施例方式如圖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、介質層3、金屬覆銅下層2，為了形成本發(fā)明的小型化基片集成多波束天線，通過印制電路板制造工藝對金屬覆銅上層1、金屬覆銅下層2進行加工形成所需的金屬圖案(電路結構)，該圖案中各部分之間通過虛擬的點劃線進行劃分，對介質層3 打孔并對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，所述介質層3中具有五排金屬化通孔31，其中中間三排長度相同，外側兩排長度更長，所述金屬化通孔31貫穿了饋電上表區(qū)域11和介質層3與饋電下表區(qū)域21連接，形成四路饋電基片集成波導，貫穿了多模上表區(qū)域12和介質層3與多模下表區(qū)域22連接，形成一路非對稱多模基片集成波導，所述介質層3與位于其兩側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23兩者鏡像對稱。本領域的普通技術人員應該意識到，金屬化通孔31的排數以及三角形上表區(qū)域 13和三角形下表區(qū)域23的數量是由饋電基片集成波導的路數(多波束天線的輸入端口數量)決定，多波束天線的輸入端口數量等于多波束天線所生成的具有不同指向的波束的數量，因此，盡管本發(fā)明的具體實施例采用四路輸入端口和五排金屬化通孔31，但是并不影響本領域的普通技術人員采用采用本技術方案實施其它N路(N為大于或等于二的自然數) 輸入端口的多波束天線。
四路饋電基片集成波導的輸入端口即為整個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結構，也可以由基片集成波導轉化為微帶線、共面波導、金屬波導、同軸線等結構；四路饋電基片集成波導的輸出端口即為非對稱的多模基片集成波導的四個輸入端口，從任意一路饋電基片集成波導輸入信號，可以在非對稱的多?；刹▽燃钇鸲鄠€電場模式，合理設計非對稱的多?；刹▽У某叽纾稍诜菍ΨQ的多?；刹▽У妮敵龆丝诤铣伤枰姆群拖辔环植?；非對稱的多?；刹▽У妮敵龆丝谂c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 的尺寸也需進行優(yōu)化以獲得更好性能。本實施例的方案相對于現(xiàn)有的技術方案(如本發(fā)明人申請的專利申請?zhí)枮?CN20081002^48. 3的發(fā)明專利申請中公開的一種多模基片集成波導波束成形網絡)，將多?；刹▽в蓪ΨQ結構變?yōu)榉菍ΨQ結構，使其可直接與天線陣集成構成小型化的基片集成多波束天線。現(xiàn)有的對稱的多?；刹▽蓚确謩e與四組基片集成波導相連，形成兩個分界面，當電磁波從任一個輸入端口傳播到第一個分界面時會產生不連續(xù)性，生成多個正交的工作模式并傳輸到第二個分界面，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絡與四組獨立的天線相連，所述天線與對稱的多?；刹▽еg互不影響，二者僅需獨立設計并拼接即可。而本實施例的非對稱的多模基片集成波導僅一側與四組基片集成波導相連，形成分界面，當電磁波從任一個輸入端口傳播到此分界面時會產生不連續(xù)性，實現(xiàn)幅度變化，生成多個正交的工作模式在非對稱的多?；刹▽葌鞑ィ崿F(xiàn)相位變換，非對稱的多模基片集成波導的另一側可視作一個端口，當電磁波傳播到此處時不會合成為四路電磁波，而是直接通過天線陣輻射出去。從微波網絡的觀點出發(fā)，對稱的多?；刹▽У奶匦孕栌扇齻€級聯(lián)的散射矩陣描述，包括兩個分界面的散射矩陣和兩個分界面之間的多模基片集成波導的散射矩陣，不對稱的多?；刹▽У奶匦詢H由兩個級聯(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模基片集成波導的散射矩陣，兩者具有不同的物理模型，但卻要實現(xiàn)相近的電路功能，因此，按照對稱的多模基片集成波導的設計方法(僅需針對一個波束序號進行設計)來進行設計的非對稱的多?；刹▽o法正常工作，必須針對剩余N-I個波束序號進行相似的設計，并對N個解進行兼容近似，這就是說對于非對稱的多?；刹▽У某叽缭O計要求更為嚴格；但也正因為此，在非對稱的多?；刹▽У妮敵龆司途邆淞酥苯訉μ炀€陣饋電的能力，無需再使用對稱的多?；刹▽У牡诙纸缑娴乃慕M基片集成波導和相應的移相連接網絡，這就有效的減少電路體積，簡化電路結構。此外， 由于天線陣與不對稱的多模基片集成波導之間直接相連，二者相互影響，因此在完成對不對稱的多?；刹▽У脑O計后，需要重新優(yōu)化天線的尺寸。以本實施例的基本方案作為設計實例進行實驗，一個小型化多模基片集成多波束天線在中心頻率33. 5GHz處設計、加工并測試，并增加了微帶基片集成波導過渡以便于測試。選用的介質基片介電常數為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。測試結果表明，在31GHz 36GHz的范圍內，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 (包含額外的過渡結構)的波束；在35. 5GHz，端口 b饋電，可生成半功率波瓣寬度為19. V、波束指點9. 0°、增益9. 7dBi (包含額外的過渡結構)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。 本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應被理解為本發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領域的普通技術人員可以根據本發(fā)明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發(fā)明實質的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護范圍內。
權利要求
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)和介質層(3)與饋電下表區(qū)域連接， 形成N路饋電基片集成波導，貫穿了多模上表區(qū)域(12)和介質層(3)與多模下表區(qū)域02) 連接，形成一路非對稱的多模基片集成波導，所述介質層C3)與位于其兩側的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)域兩者鏡像對稱。
全文摘要
本發(fā)明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)域和介質層與饋電下表區(qū)域連接，貫穿了多模上表區(qū)域和介質層與多模下表區(qū)域連接。本發(fā)明的有益效果多波束天線結構緊湊，并因此獲得更高的輻射效率。
文檔編號H01Q1/38GK102324627SQ201110262019
公開日2012年1月18日 申請日期2011年9月6日 優(yōu)先權日2011年9月6日
發(fā)明者樊勇, 程鈺間 申請人:電子科技大學