本發(fā)明涉及天線技術領域，特別是涉及平板陣列天線在毫米波的應用。

背景技術：

隨著天線技術的快速發(fā)展，信息化社會的全面普及，在2020年及未來，移動通信技術較邁入第五代移動通信(5G)的發(fā)展階段。其特點為0.1-1Gbps體驗速率，數(shù)10Tbps/km²流量密度，百萬級連接密度，低功耗等。而5G網(wǎng)絡針對天線技術領域的基本要求主要為高帶寬及低損耗，而應用方面則為毫米波平板陣列(mmWave planar array)，多單元(massive MIMO)，波束成形(beam forming)，波束掃描(beam steering)，多波束(multi-beam)及有源一體化相控陣(phase control array)。其中毫米波平板陣列作為5G天線其他應用的基礎，起著至關重要的作用。

縫隙平板陣列天線已經(jīng)在現(xiàn)代雷達和通信系統(tǒng)中有廣泛的應用。其中微帶線縫隙平板陣列天線以其易集成，易加工和高性價比的特性成為最受歡迎的方案之一。但其在高頻段尤其是V-band和E-band的表現(xiàn)卻很不理想，表面波，傳輸線的輻射及基質(zhì)模損耗導致的低效率，高損耗的劣勢在高頻段的尤為明顯。面對5G網(wǎng)路的高帶寬低損耗，微帶線縫隙平板陣列已經(jīng)很難達到要求。基片集成波導(SIW)結構可以一定程度上提高天線效率，但是其基質(zhì)中的損耗仍然較高。在大型陣列的應用中并沒有明顯優(yōu)勢。另外一種新興Gap波導技術以其低損耗，不要求金屬接觸的優(yōu)勢(在高頻段不存在縫隙漏波現(xiàn)象，使其設計仿真數(shù)據(jù)與樣品測試數(shù)據(jù)非常接近)越來越受到關注。但是Gap波導的周期性針結構過于細小，在高頻段加工精度要求高難道較大，加工周期長，較難滿足量產(chǎn)的需求。

另一方面，傳統(tǒng)的空氣波導縫隙輻射單元平板陣列以其低損耗，高效率的優(yōu)勢同樣得到了廣泛的應用。但是傳統(tǒng)空氣波導的帶寬較窄，較難滿足5G應用的需求，目前產(chǎn)品普遍相對帶寬為10％-15％，而且在其帶寬內(nèi)回波損耗也較高，駐波比在2.0左右，而一部分產(chǎn)品為了達到20％的相對帶寬，犧牲了回波損耗，駐波比高達2.6，輸入能量很大一部分都被反射。另外傳統(tǒng)空氣波導加工方式也存在弊端：縫隙漏波(金屬接觸要求很高)。一種新興的多層金屬片鍍銀層壓技術很大程度上解決的縫隙漏波的問題，但是加工成本異常高，并不適合大量生產(chǎn)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了解決現(xiàn)有技術之不足而提供的一種高帶寬，低損耗的腔體耦合縫隙輻射單元。

本發(fā)明是采用如下技術解決方案來實現(xiàn)上述目的：一種腔體耦合縫隙輻射單元，其特征在于，它包括從下往上依次設置的含饋電結構的饋電層、含耦合口和耦合腔體的耦合層、以及輻射層，饋電層采用E面波導，通過孔徑與上層耦合層耦合，在耦合層的耦合口上方設置耦合腔體，并形成一分四功分器；輻射層設置有多個輻射縫隙單元組成的輻射縫隙陣列，在耦合腔體中對應輻射縫隙單元的位置設置矩形階梯，以滿足在高帶寬的情況下，實現(xiàn)低損耗。

作為上述方案的進一步說明，饋電層的E面波導采用H面中心切割組合方式，其金屬接觸要求不高，可以很大程度上減小縫隙漏波，并且加工精度及成本較低，可通過機加工或開模量產(chǎn)，波導轉(zhuǎn)角采用斜面切角，以對傳輸不連續(xù)進行補償，饋電層終端采用E面腔體與耦合口匹配。

進一步地，所述耦合層通過耦合口與饋電層連接，耦合腔體四周設置有兩對金屬塊用于抑制高級模的產(chǎn)生，降低輻射縫隙單元間的互耦，耦合腔體中的矩形階梯位于輻射縫隙單元正下方，即腔體中磁場最強位置，用于與輻射縫隙單元耦合。

進一步地，耦合腔體中矩形階梯以耦合口為中心對稱，用于拓展帶寬并與輻射縫隙單元匹配。

進一步地，所述輻射層包括輻射板和輻射腔體，輻射縫隙單元設置在輻射板上，每個輻射縫隙單元之間的間距為84％波長，反腔體設置在輻射縫隙單元的上方，用于進一步抑制縫隙間互耦，以抑制柵瓣。

本發(fā)明采用上述技術解決方案所能達到的有益效果是：

1、本發(fā)明采用在饋電層使用E面波導H面中心切割方式，減小了縫隙漏波，以減小了饋電層的傳輸損耗；通過饋電層與輻射層之間加入含有矩形階梯的腔體結構，提高了阻抗匹配性能；與現(xiàn)有天線相比，其具有帶寬高，損耗低的特點。

2、本發(fā)明的矩形階梯以耦合腔體中心成對稱結構，且位于輻射縫隙單元正下方，即腔體中磁場最強位置，與輻射縫隙及輻射腔體形成三級階梯耦合，以同時實現(xiàn)高帶寬及低損耗。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明的結構示意圖。

附圖標記說明：1、饋電層 1-1、底板 1-2、E面波導 1-21、E面波導傳輸層上切面 1-22、E面波導傳輸層下切面 2、耦合層 2-1、耦合口 2-2、耦合腔體 3、輻射層 3-1、輻射縫隙單元 3-2、輻射板3-3、輻射腔體 4、矩形階梯 5、金屬塊。

具體實施方式

以下結合具體實施例對本技術方案作詳細的描述。

如圖1-圖2所示，本發(fā)明是一種腔體耦合縫隙輻射單元，本實施例是2*2腔體耦合縫隙輻射單元，作為平板陣列天線的結構單元。它包括從下往上依次設置的含饋電結構的饋電層1、含耦合口2-1和耦合腔體2-2的耦合層2、以及輻射層3，饋電層1包括作為饋電層下壁的底板1-1和與底板對應的E面波導1-2，E面波導采用H面中心切割組合方式，形成E面波導傳輸層上、下切面1-21、1-22，其金屬接觸要求不高，可以很大程度上減小縫隙漏波，并且加工精度及成本較低，可通過機加工或開模量產(chǎn)，波導轉(zhuǎn)角采用斜面切角，以對傳輸不連續(xù)補償。E面波導1-2通過孔徑與上層耦合層2耦合，在耦合層的耦合口2-1上方設置耦合腔體2-2，并形成一分四功分器；輻射層3設置有由4個輻射縫隙單元3-1組成的輻射縫隙陣列，在耦合腔體中對應輻射縫隙單元的位置設置矩形階梯4，以滿足在高帶寬的情況下，實現(xiàn)地損耗。

進一步地，所述耦合層通過耦合口與饋電層連接，耦合腔體四周設置有兩對金屬塊5用于抑制高級模的產(chǎn)生，降低輻射縫隙單元間的互耦，耦合腔體中的矩形階梯位于輻射縫隙單元正下方，即腔體中磁場最強位置，用于與輻射縫隙單元耦合。耦合腔體中矩形階梯以耦合口為中心對稱，用于拓展帶寬并與輻射縫隙單元匹配。輻射層3包括輻射板3-2和輻射腔體3-3，輻射縫隙單元3-1設置在輻射板3-2上，每個輻射縫隙單元之間的間距為84％波長，輻射腔體設置在輻射縫隙單元的上方，用于進一步抑制縫隙間互耦，以抑制柵瓣。

本實施例中，天線整體分為三部分通過焊接或螺栓進行連接，第一部分為底板與、E面波導傳輸層下切面一體化機加工或開模；第二部分為E面波導傳輸層上切面、耦合口、耦合腔體、矩形階梯及、兩組金屬塊一體化機加工或開模；第三部分為輻射板與輻射腔體一體化機加工或開模。

其中矩形波導寬*高尺寸為(a*b)2.7mm*1mm，耦合口長*寬尺寸為2mm*0.77mm，耦合腔體內(nèi)壁長*寬*高尺寸為5.9mm*4.5mm*0.86mm,輻射縫隙單元長*寬尺寸為2mm*0.3mm，其中輻射縫隙單元在兩個垂直方向上單元間距均為3.2mm，輻射腔體內(nèi)壁長*寬*高尺寸為2.7mm*1.96mm*1.2mm。

2*2腔體耦合縫隙輻射單元整體尺寸數(shù)據(jù)如下：(L*W*H)6.4mm*6.4mm*5.36mm,阻抗帶寬為70.8-86.4GHZ，相對帶寬20％，在該帶寬內(nèi)，回波損耗低于-20dB。由其擴展的32*32平板縫隙陣列天線增益為38.6-40.1dB,并且經(jīng)過5度極化偏轉(zhuǎn)可以滿足ETSI range7class2要求。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，在現(xiàn)有技術結構不能同時滿足高帶寬及低損耗的情況下，通過改造耦合腔體結構形式，在其中加入矩形階梯，以滿足在高帶寬的情況下，實現(xiàn)地損耗；矩形階梯以耦合腔體中心成對稱結構，且位于輻射縫隙單元正下方即是腔體中磁場最強位置，與輻射縫隙陣列及輻射腔體形成三級階梯耦合，以同時實現(xiàn)高帶寬及低損耗。

以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。