CN101533961B - 基于八端口结的共基片多波束天线 - Google Patents
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Abstract
基于八端口结的共基片多波束天线在原八端口结的结构上增加两个45°固定移相器，利用基片集成波导实现毫米波频段的4端口共基片多波束天线。其与利用4×4Butler矩阵馈电的多波束天线具有相似的性能，而且体积紧凑、无交叉的传输线结构、可靠性高、辐射特性不受波束成形网络的干扰、制作成本低、容易大批量生产、易与有源电路集成。基片集成波导4槽缝隙阵天线(7)位于上层金属敷铜面(1)上，由4个槽缝隙单元组成，每一个槽缝隙单元位于中心线的两侧分别开有槽缝隙，组成4单元天线阵列。
Description
技术领域
基于八端口结的共基片多波束天线适用于微波毫米波移动通信、卫星通信、雷达探测、空间功率合成、微波成像及智能天线等领域。
背景技术
移动通信的迅速发展使得传统的多址方式，如CDMA，FDMA，TDMA等，已不能满足日益增长的扩容需要。多波束天线通过波束成形网络产生多个不同指向的波束，用来覆盖整个用户区，从而实现提高信道容量、降低干扰、降低发射功耗等目标。波束成形网络一般可以分为两大类：电路类(又叫网络类)和准光透镜类。其中，电路类是通过传输线连接功分器和耦合器所构成。产生波束扫描所需的相移可以通过不等长的传输线或专门的移相器来获得，而口径面幅度的分布是由功分器的功分率来控制的。到目前为止，有两种常见的电路类波束成形网络，即Butler矩阵和Blass矩阵。其中Butler矩阵是目前使用最为广泛的电路类波束成形网络。
与准光透镜类相比，电路类波束成形网络具有更好的性能，但是也存在一些缺点。主要表现为体积较庞大、结构较复杂，当输入支路数量较多时尤其如此。例如，当阶数大于3时，电路类波束成形网络都需要一个或若干个交叉的传输线结构，这对平面电路是致命的问题。即便用0dB耦合器来替代交叉结构，也会带来诸如损耗加大、结构复杂、带宽减少等一系列问题。有一种微波电路被称之为“八端口结”，其主要被应用于单脉冲天线的馈电设计和功分器的设计。我们发现在原八端口结的基础上加上两个固定移相器，即可以利用简便的结构来实现4×4的波束成形网络，从而避波束成形网络中传输线的交叉。
另一方面，波束成形网络的发展趋势是工作频率提高、集成化、平面化、小型化、低成本加工、生产可重复性高，同时要保证其优良的性能。同时为了实现系统的集成化、高可靠性、高辐射效率，可将波束成形网络与天线阵集成在同一介质基片上，实现“共基片多波束天线”。在这一目标下，平面电路实现的波束成形网络具有先天的优势，但也存在一些致命的缺陷，主要体现在其工作频率较高时，尤其在毫米波频段。例如，一般平面电路传输线实现的毫米波波束成形网络很难与天线阵集成在同一个介质基片上，这主要是因为其电路在如此高频率工作时会产生很大的互耦和辐射，会极大地制约波束成形网络的集成化和影响共基片多波束天线的方向图。本专利中波束成形网络利用基片集成波导结构实现，其为一平面电路结构，且具有损耗低、加工简便等优点。更为重要的是基片集成波导是全封闭的结构，在毫米波频段其构成的电路之间几乎没有互耦和辐射，故其可直接与天线阵集成在单一介质基片上，形成共基片的多波束天线。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种基于八端口结的共基片多波束天线，在原八端口结的结构上增加两个45°固定移相器，利用基片集成波导实现毫米波频段的4端口共基片多波束天线。其与利用4×4Butler矩阵馈电的多波束天线具有相似的性能，而且体积紧凑、无交叉的传输线结构、可靠性高、辐射特性不受波束成形网络的干扰、制作成本低、容易大批量生产、易与有源电路集成。
技术方案：本发明的基于八端口结的共基片多波束天线为一平面电路结构，上层金属敷铜面、下层金属敷铜面分别位于介质基片的上下表面，金属化通孔穿过介质基片与上层金属敷铜面、下层金属敷铜面相连接形成第一个基片集成波导90°定向耦合器、第二个基片集成波导90°定向耦合器、第三个基片集成波导90°定向耦合器、第四个基片集成波导90°定向耦合器、第一个基片集成波导45°移相器、第二个基片集成波导45°移相器、基片集成波导4槽缝隙阵天线；共基片多波束天线的第一个输入端口与第一个基片集成波导90°定向耦合器的第一个输入口相连、共基片多波束天线的第二个输入端口与第一个基片集成波导90°定向耦合器的第二个输入口相连、共基片多波束天线的第三个输入端口与第二个基片集成波导90°定向耦合器的第一个输入口相连、共基片多波束天线的第四个输入端口与第二个基片集成波导90°定向耦合器的第二个输入口相连；第一个基片集成波导45°移相器的一端与第一个基片集成波导90°定向耦合器的第一个输出口相连，另一端与第三个基片集成波导90°定向耦合器的第一个输入口相连；第二个基片集成波导45°移相器的一端与第二个基片集成波导90°定向耦合器的第一个输出口相连，另一端与第四个基片集成波导90°定向耦合器的第一个输入口相连；第一个基片集成波导90°定向耦合器的第二个输出口与第四个基片集成波导90°定向耦合器的第二个输入口相连，第二个基片集成波导90°定向耦合器的第二个输出口与第三个基片集成波导90°定向耦合器的第二个输入口相连；4根相同的基片集成波导4槽缝隙阵天线组成一4单元天线阵列，每一基片集成波导4槽缝隙阵天线的一端短路，另一端分别与第三个基片集成波导90°定向耦合器、第四个基片集成波导90°定向耦合器的一个输出口相连；在基片集成波导电路的拐角处均设有一感性金属杆以实现良好的匹配。
第一个基片集成波导45°移相器、第二个基片集成波导45°移相器通过调节金属化通孔的位置，形成具有不同宽度的基片集成波导，越宽的基片集成波导其内部电磁波的传播速度越慢，从而实现所需的相移量。
基片集成波导4槽缝隙阵天线位于上层金属敷铜面上，由4个槽缝隙单元组成，每一个槽缝隙单元位于中心线的两侧分别开有槽缝隙，组成4单元天线阵列。为了实现紧凑的结构，分别用第三个基片集成波导90°定向耦合器的第一个输出口、第四个基片集成波导90°定向耦合器的第一个输出口、第三个基片集成波导90°定向耦合器的第二个输出口，第四个基片集成波导90°定向耦合器的第二个输出口从两端交替地对4根基片集成波导4槽缝隙阵天线进行馈电，这会使相邻的基片集成波导4槽缝隙阵天线之间多产生180°的相移量，即使本应靠中间的波束变为靠边，本应靠边的波束变为靠中间，但不会使波束性能恶化。
本发明中的共基片多波束天线共有4个输入端口，从不同的输入端口激励，会产生幅度相等、相位差分别为-135°、-45°、135°或45°的激励信号，对4根基片集成波导4槽缝隙阵天线馈电，天线阵会产生4个不同指向的波束。
有益效果：本发明具有以下优点：
1：)在毫米波频段，利用基片集成波导无互耦、无辐射、平面化的特性，将波束成形网络和天线阵直接集成，实现共基片多波束天线，结构紧凑、可靠性高。
2：)该共基片多波束天线无任何交叉线或替代交叉线的0dB耦合器，且性能与利用传统Butler矩阵馈电的多波束天线类似。
3：)以平面电路的形式工作于毫米波频段，通过普通PCB工艺制作于介质基片上，具有有源电路集成方便，成本低、精度高、重复性好，适合大批量生产等优点。与金属波导等立体结构实现的电路相比，性能接近，体积小、重量轻、加工简便。
4：)该共基片多波束天线辐射效率高。
附图说明
图1是本发明基于八端口结的共基片多波束天线的剖面结构示意图，
图2是本发明基于八端口结的共基片多波束天线的平面结构示意图，
图中有：上层金属敷铜面1、下层金属敷铜面2、介质基片3、金属化通孔4、基片集成波导90°定向耦合器51、基片集成波导90°定向耦合器52、基片集成波导90°定向耦合器53、基片集成波导90°定向耦合器54、基片集成波导45°移相器61、基片集成波导45°移相器62、基片集成波导4槽缝隙阵天线7、第一输入端口81、第二输入端口82、第三输入端口83、第四输入端口84、感性金属杆9。
具体实施方式
本发明中的基于八端口结的共基片多波束天线包括上层金属敷铜面1、下层金属敷铜面2、介质基片3、金属化通孔4、基片集成波导90°定向耦合器51、基片集成波导90°定向耦合器52、基片集成波导90°定向耦合器53、基片集成波导90°定向耦合器54、基片集成波导45°移相器61、基片集成波导45°移相器62、基片集成波导4槽缝隙阵天线7、输入端口81、输入端口82、输入端口83、输入端口84、感性金属杆9；上层金属敷铜面1、下层金属敷铜面2分别位于介质基片3的上下表面，金属化通孔4穿过介质基片3与上层金属敷铜面1、下层金属敷铜面2相连接形成基片集成波导90°定向耦合器51、基片集成波导90°定向耦合器52、基片集成波导90°定向耦合器53、基片集成波导90°定向耦合器54、基片集成波导45°移相器61、基片集成波导45°移相器62、基片集成波导4槽缝隙阵天线7；输入端口81与基片集成波导90°定向耦合器51的第一个输入口相连，输入端口82与基片集成波导90°定向耦合器51的第二个输入口相连，输入端口83与基片集成波导90°定向耦合器52的第一个输入口相连，输入端口84与基片集成波导90°定向耦合器52的第二个输入口相连；基片集成波导45°移相器61、基片集成波导45°移相器62利用不同宽度的基片集成波导实现所需的相移量，基片集成波导45°移相器61的一端与基片集成波导90°定向耦合器51的第一个输出口相连，另一端与基片集成波导90°定向耦合器53的第一个输入口相连，基片集成波导45°移相器62的一端与基片集成波导90°定向耦合器52的第一个输出口相连，另一端与基片集成波导90°定向耦合器54的第一个输入口相连；基片集成波导90°定向耦合器51的第二个输出口与基片集成波导90°定向耦合器54的第二个输入口相连，基片集成波导90°定向耦合器52的第二个输出口与基片集成波导90°定向耦合器53的第二个输入口相连；4根相同的基片集成波导4槽缝隙阵天线7的输入端交替地排放于两端组成一4单元天线阵列，每一基片集成波导4槽缝隙阵天线7的一端短路，另一端分别与基片集成波导90°定向耦合器53的第一个输出口、基片集成波导90°定向耦合器54的的第一个输出口、基片集成波导90°定向耦合器53的第二个输出口、基片集成波导90°定向耦合器54的的第二个输出口相连，每一基片集成波导4槽缝隙阵天线7在上层金属敷铜面1上且位于中心线的两侧分别开有缝隙，共4根；在基片集成波导电路的拐角处均设有一感性金属杆9以实现良好的匹配；分别从第一输入端口81、第二输入端口82、第三输入端口83、第四输入端口84馈电，可在与开槽方向垂直的平面上激励出4个不同指向的波束。
在中心频率30GHz处实现基于八端口结的共基片多波束天线，并测试其整体性能。基片选用Rogers Duroid 5880，其介质常数为2.2，厚度0.508mm。
测试的范围为28GHz到32GHz。分别从第一输入端口81、第二输入端口82、第三输入端口83、第四输入端口84激励，在中心频率30GHz处，所有的回波损耗和互耦系数均优于20dB。辐射方向图在暗室里被测试。从第一输入端口81激励时，在中心频率30GHz处，测得其增益为13dBi，3dB波瓣宽度为32°，波束指向为15°，辐射效率为44％，从29GHz到32GHz的范围内，不同工作频率的波束性能接近，仅副瓣电平有所恶化；从第二输入端口82激励时，在中心频率30GHz处，测得其增益为12.2dBi，3dB波瓣宽度为30°，波束指向为47°，辐射效率为46％，从29GHz到32GHz的范围内，不同工作频率的波束性能接近，仅副瓣电平有所恶化。
Claims (2)
1.一种基于八端口结的共基片多波束天线，其特征在于该共基片多波束天线为一平面电路结构，上层金属敷铜面(1)、下层金属敷铜面(2)分别位于介质基片(3)的上下表面，金属化通孔(4)穿过介质基片(3)与上层金属敷铜面(1)、下层金属敷铜面(2)相连接形成第一基片集成波导90°定向耦合器(51)、第二基片集成波导90°定向耦合器(52)、第三基片集成波导90°定向耦合器(53)、第四基片集成波导90°定向耦合器(54)、第一基片集成波导45°移相器(61)、第二基片集成波导45°移相器(62)、基片集成波导4槽缝隙阵天线(7)、感性金属杆(9)；第一输入端口(81)与第一基片集成波导90°定向耦合器(51)的第一个输入口相连，第二输入端口(82)与第一基片集成波导90°定向耦合器(51)的第二个输入口相连，第三输入端口(83)与第二基片集成波导90°定向耦合器(52)的第一个输入口相连，第四输入端口(84)与第二基片集成波导90°定向耦合器(52)的第二个输入口相连；第一基片集成波导45°移相器(61)的一端与第一基片集成波导90°定向耦合器(51)的第一个输出口相连，另一端与第三基片集成波导90°定向耦合器(53)的第一个输入口相连；第二基片集成波导45°移相器(62)的一端与第二基片集成波导90°定向耦合器(52)的第一个输出口相连，另一端与第四基片集成波导90°定向耦合器(54)的第一个输入口相连；第一基片集成波导90°定向耦合器(51)的第二个输出口与第四基片集成波导90°定向耦合器(54)的第二个输入口相连，第二基片集成波导90°定向耦合器(52)的第二个输出口与第三基片集成波导90°定向耦合器(53)的第二个输入口相连；4根相同的基片集成波导4槽缝隙阵天线(7)组成一4单元天线阵列，4根基片集成波导4槽缝隙阵天线(7)的输入口分别与第三基片集成波导90°定向耦合器(53)的第一个输出口、第四基片集成波导90°定向耦合器(54)的第一个输出口、第三基片集成波导90°定向耦合器(53)的第二个输出口、第四基片集成波导90°定向耦合器(54)的第二个输出口相连；在基片集成波导电路的拐角处均设有一感性金属杆(9)以实现良好的匹配；
第一基片集成波导45°移相器(61)、第二基片集成波导45°移相器(62)通过调节金属化通孔(4)的位置，形成具有不同宽度的基片集成波导，越宽的基片集成波导其内部电磁波的传播速度越慢，从而实现所需的45°相移量。
2.根据权利要求1所述的基于八端口结的共基片多波束天线，其特征为：基片集成波导4槽缝隙阵天线(7)位于上层金属敷铜面(1)上，由4个槽缝隙单元组成，每一个槽缝隙单元位于中心线的两侧分别开有槽缝隙，组成4单元天线阵列。
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Granted publication date: 20120815 |