CN108232390A - 用于毫米波多波束天线矩阵的交叉器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于毫米波多波束天线矩阵的交叉器，其特征在于，它包括上层金属盖板及下层交叉网络，下层交叉网络包括金属板及周期性分布的针结构，周期性分布的针结构使电磁波被限制在波导内传播，以避免缝隙漏波问题，并模拟传统金属波导，损耗低；上层金属盖板与周期性针结构之间有空气缝隙；下层网络的金属板设置有输入端口和输出端口、匹配针和连接匹配针的交叉网络端口，匹配针连接输入或输出端口，以连接外部连接器或其他元件。本发明损耗低，无缝隙漏波，稳定性好，相比于同类型产品，性能更加优越。

Description

用于毫米波多波束天线矩阵的交叉器

技术领域

本发明涉及通信设备技术领域，特别是一种用于毫米波多波束天线Butler矩阵的交叉器。

背景技术

第五代通信技术(5G)已经进入标准定制阶段，各大运营商也在积极部署5G设备。随着移动数据需求量和智能手机使用量的快速增长，也是为了满足更高数据传输和高容量的天线通信需求，目前受到关注的5G天线技术主要有多波束(Multiple Beam),多单元(Massive MIMO),相控阵(Phase Control Array)等。

在过去，低于6GHz的频段被密集的使用，造成低频段频谱资源不足，而毫米波(Millimeter Wave)被普遍认为是做好的选择之一。毫米波频段能够提供更高的带宽，有效的提高信道容量。

为了实现5G移动终端设备的高增益和广覆盖，相控阵或多波束方案成为最佳的选择之一。相控阵可以在增益稳定的情况下提供低时延的波束切换，实现精确的方向扫描，为特定密集场所提供通信保证。然而其昂贵的成本，硬件实施的复杂性，散热以及结构空间有限成为制约其发展的主要问题。相对而言，多波束天线在卫星通信和汽车雷达中也有毫米波应用，且具有小型化，成本低的优势，可应用于小型终端设备。

实现多波束功能的主要有Butler矩阵，Blass矩阵，Rotman透镜等技术。其中Blass矩阵幅度可自由控制，并且形成的波束数目多，输入端口隔离度好，在实际应该用灵活性高，但其为有耗网络并且结构复杂。由Rotman透镜形成的网络波束数量最多，旁瓣电平低，带宽高，但尺寸过大，因此不适用于小型设备。

Butler矩阵是一种多端口元件，对不同端口输入会形成不同相位的电磁波，进而在输出端形成相位等差变化的多个电磁波，再通过振子空间合成为特定方向的波束。而交叉器作为Butler矩阵组成部件，为形成不同相位电磁波的必要组件。

传统交叉器多依赖于微带线或金属波导结构。微带线结构简单，体积小，然而在毫米波频段色散严重，损耗打，因此制约了其在毫米波的应用；金属波导虽然损耗低，但在毫米波段由于波长短，其对金属接触的要求异常严格。以避免缝隙漏波问题，从而导致整体稳定性差。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术之不足而提供的一种低损耗，无需金属接触且稳定性高的用于毫米波多波束天线矩阵的交叉器。

本发明是采用如下技术解决方案来实现上述目的：一种用于毫米波多波束天线矩阵的交叉器，其特征在于，它包括上层金属盖板及下层交叉网络，下层交叉网络包括金属板及周期性分布的针结构，周期性分布的针结构使电磁波被限制在波导内传播，以避免缝隙漏波问题，并模拟传统金属波导，损耗低；上层金属盖板与周期性针结构之间有空气缝隙，以达到无需金属接触的目的；

下层网络的金属板设置有输入端口和输出端口、匹配针和连接匹配针的交叉网络端口，匹配针连接输入或输出端口，以连接外部连接器或其他元件。

作为上述方案的进一步说明，所述交叉网络为四端口结构，端口一输入时，端口二和端口四为隔离口，端口三为直通口；端口一和端口四为输入端口，分别激活时，端口二和端口三为输出端口，分别对应端口四和端口一两路输入；使两路电磁波在平面结构能完成交叉。

进一步地，下层交叉网络设置有两个输入端口、两个输出端口、四组匹配针，输入端口和输出端口分布在整体结构两侧，成三级阶梯结构，用来与外部连接器或其他组件相连；四组匹配针连接输入端口、输出端口及交叉网络的四个端口，以调节阻抗匹配。

进一步地，上盖板及下层交叉网络之间的空气间隙，高度在十分之一至四分之一波长之间，精度要求低，可以提高整体元件稳定性。

本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：

1、本发明采用在GAP波导技术，上层金属盖板及下层交叉网络之间留有高度灵敏性低的空气层，以达到无需金属接触的目的。提高稳定性。

2、上盖板为金属板，模拟理想电表面；下层交叉网络的金属板上分布周期性针结构，模拟理想磁表面，使电磁波被封闭在GAP波导中传播，无漏波问题；元件整体为金属结构，模拟传统金属波导，以实现低损耗。

附图说明

图1为本发明的整体结构图；

图2为本发明的水平剖面结构示意图。

附图标记说明：1、上盖板；2、下层网络；2-1、输入口一；2-2、输入口四；2-3、输出口二；2-4、输出口三；2-5、匹配针；2-6、交叉网络；2-7、针结构。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本技术方案作详细的描述。

如图1-图2所示，本发明是一种用于毫米波多波束天线矩阵的交叉器，它包括两层结构，上层盖板1及下层交叉网络2。上盖板为金属板，模拟理想电表面；下层交叉网络为金属板及周期性排列的针结构2-7。整体交叉器设置有输入端口一2-1，输入端口四2-2，输出端口二2-3，输出端口三2-4，四组匹配针2-5及交叉网络2-6。交叉网络2-6为四端口结构，分别连接4组匹配针结构，进而连接输入/输出端口，以连接外部链接器或其他元件。

进一步地，上盖板及下层交叉网络之间留有空气间隙，高度在十分之一至四分之一波长之间，以避免金属接触，稳定性高。周期性针结构使电磁波被限制在波导内传播，以避免缝隙漏波问题；并模拟传统金属波导，损耗低。

进一步地，交叉器整体为双入双出四端口结构。端口一输入，端口二/端口四为高隔离口，端口二输出端口一等幅等相电磁波；同理，在端口四输入时，端口一及端口三为隔离口，端口二为直通输出。

进一步地，匹配针高度小于周期性针结构，以改变波导阻抗，用于阻抗匹配。

进一步地，输入/输出端口成三级阶梯结构，在调节匹配阻抗的同时用于与外部连接器或其他元件连接。

本实施例中，元件整体上盖板及下层网络通过螺丝连接，由于中间空气缝隙精度要求范围大，整体稳定性好。上下两层结构可通过一体化机加工或开模方式加工。

本发明与现有技术相比，在现有技术结构不能同时满足低损耗及无缝隙漏波的情况下，通过采取GAP波导技术，应用模拟理想电导体及理想磁导体表面之间加入空气缝隙，使电磁波被限制在波导中传播，以同时实现低损耗，无漏波且稳定性好，性能更加优越。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于毫米波多波束天线矩阵的交叉器，其特征在于，它包括上层金属盖板及下层交叉网络，下层交叉网络包括金属板及周期性分布的针结构，周期性分布的针结构使电磁波被限制在波导内传播，以避免缝隙漏波问题，并模拟传统金属波导，损耗低；上层金属盖板与周期性针结构之间有空气缝隙；

下层网络的金属板设置有输入端口和输出端口、匹配针和连接匹配针的交叉网络端口，匹配针连接输入或输出端口。

2.根据权利要求1所述的用于毫米波多波束天线矩阵的交叉器，其特征在于，所述交叉网络为四端口结构，端口一输入时，端口二和端口四为隔离口，端口三为直通口；端口一和端口四为输入端口，分别激活时，端口二和端口三为输出端口，分别对应端口四和端口一两路输入；使两路电磁波在平面结构能完成交叉。

3.根据权利要求1所述的用于毫米波多波束天线矩阵的交叉器，其特征在于，下层交叉网络设置有两个输入端口、两个输出端口、四组匹配针，四组匹配针连接输入端口、输出端口及交叉网络的四个端口。

4.根据权利要求1所述的用于毫米波多波束天线矩阵的交叉器，其特征在于，输入端口和输出端口分布在下层交叉网络的金属板两侧，成三级阶梯结构。

5.根据权利要求1所述的用于毫米波多波束天线矩阵的交叉器，其特征在于，上盖板及下层交叉网络之间的空气间隙，高度在十分之一至四分之一波长之间。