一种基于基片集成多线馈电网络的天线

摘要

本发明公开一种基于基片集成多线馈电网络的天线，依次包括微带功分网络、耦合缝隙层、基片集成多线馈电网络和辐射缝隙层，电磁波经过微带功分网络，通过耦合缝隙层耦合至基片集成多线馈电网络，再由辐射缝隙层辐射出去；辐射缝隙层与基片集成多线馈电网络之间设有第一介质板，基片集成多线馈电网络与耦合缝隙层之间设有第二介质板、耦合缝隙层与微带功分网络之间设有第三介质板。本发明的结构使天线设备具有较小的尺寸，且满足较好的极化特性，同时在较宽的频带内具有稳定的增益和较高的辐射效率，实现简单，易于集成。

权利要求

1.一种基于基片集成多线馈电网络的天线，其特征在于，依次包括微带功分网络、耦合缝隙层、基片集成多线馈电网络和辐射缝隙层，电磁波经过所述微带功分网络，通过所述耦合缝隙层耦合至所述基片集成多线馈电网络，再由所述辐射缝隙层辐射出去；所述辐射缝隙层与所述基片集成多线馈电网络之间设有第一介质板，所述基片集成多线馈电网络与所述耦合缝隙层之间设有第二介质板、所述耦合缝隙层与所述微带功分网络之间设有第三介质板；所述基片集成多线馈电网络为由多个均匀分布的基片集成双线结构组成的阵列，所述基片集成双线结构包括设置在所述第二介质板上方的两个内导体，两个所述内导体位于基片集成双线结构的传输线两侧且平行耦合，所述内导体两侧设有金属化屏蔽孔。

2.根据权利要求1所述的基于基片集成多线馈电网络的天线，其特征在于，所述微带功分网络为一分八路微带功分器，电磁波通过所述耦合缝隙层耦合至所述基片集成多线馈电网络，所述基片集成多线馈电网络再对所述辐射缝隙进行串行馈电。

3.根据权利要求2所述的基于基片集成多线馈电网络的天线，其特征在于，位于传输线同侧的相邻所述基片集成双线结构之间留有缝隙，对应的在所述第一介质板上方设有辐射缝隙，多个均匀分布的所述辐射缝隙组成缝隙天线阵。

4.根据权利要求3所述的基于基片集成多线馈电网络的天线，其特征在于，所述缝隙天线阵中相邻天线的间距为一个导波波长，使缝隙天线阵水平方向上保持同相辐射。

5.根据权利要求3所述的基于基片集成多线馈电网络的天线，其特征在于，所述缝隙天线阵中的最后一个天线距离终端为四分之三导波波长，且终端为短路。

6.根据权利要求3所述的基于基片集成多线馈电网络的天线，其特征在于，两个相邻内导体之间的缝隙对应的传输线上加载有短截线，对所述辐射缝隙层金属表面的横向电流进行微扰。

7.根据权利要求6所述的基于基片集成多线馈电网络的天线，其特征在于，所述短截线为短路枝节。

8.根据权利要求2所述的基于基片集成多线馈电网络的天线，其特征在于，所述耦合缝隙在相邻两路基片集成双线结构上激励的电场幅度相等、相位相反，以保证天线在垂直方向上的同相辐射。

9.根据权利要求1所述的基于基片集成多线馈电网络的天线，其特征在于，所述第一介质板和所述第二介质板通过粘合层压合。

说明书

一种基于基片集成多线馈电网络的天线

技术领域

[0001] 本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于基片集成多线馈电网络的天线。

背景技术

[0002] 随着无线通信系统频谱资源的稀缺和信息交换量的激增，毫米波频谱资源的商用已经成为第五代移动通信的迫切需求。日前，工信部公布了第五代移动通信毫米波频段，具体包括24.75 – 27.5 GHz和37 – 42.5 GHz频段，其相对带宽均在10 %以上。

[0003] 由于现代PCB工艺十分成熟，在毫米波频段内加工精度的稳定性也可以得到保证，同时加工的产品可以拥有低轮廓、小体积和高集成度的特性，有利于天线的大规模生产和应用。因此基于基片集成技术的缝隙天线在高集成度和降低成本上具有很现实的意义。通常工作在毫米波频段的电磁波在自由空间传播时会遭受较大的路径损耗，尤其是反射后能量急剧衰减。因此，宽带高效率小型化的毫米波天线设备的研发具有重要的意义。

发明内容

[0004] 鉴于上述现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于基片集成多线馈电网络的天线，以实现天线设备的小型化，同时在较宽的频带内具有稳定的增益和较高的辐射效率。

[0005] 为了达到这一目的，本发明公开一种基于基片集成多线馈电网络的天线，依次包括微带功分网络、耦合缝隙层、基片集成多线馈电网络和辐射缝隙层，电磁波经过所述微带功分网络，通过所述耦合缝隙层耦合至所述基片集成多线馈电网络，再由所述辐射缝隙层辐射出去；所述辐射缝隙层与所述基片集成多线馈电网络之间设有第一介质板，所述基片集成多线馈电网络与所述耦合缝隙层之间设有第二介质板、所述耦合缝隙层与所述微带功分网络之间设有第三介质板。

[0006] 所述微带功分网络为一分八路微带功分器，电磁波通过所述耦合缝隙层耦合至所述基片集成多线馈电网络，所述基片集成多线馈电网络再对所述辐射缝隙进行串行馈电。

[0007] 所述基片集成多线馈电网络为由多个均匀分布的基片集成双线结构组成的阵列，所述基片集成双线结构包括设置在所述第二介质板上方的两个内导体，两个所述内导体位于所述传输线两侧且平行耦合，所述内导体两侧设有金属化屏蔽孔。

[0008] 位于传输线同侧的相邻所述基片集成双线结构之间留有缝隙，对应的在所述第一介质板上方设有辐射缝隙，多个均匀分布的所述辐射缝隙组成缝隙天线阵。

[0009] 所述缝隙天线阵中相邻天线的间距为一个导波波长，使缝隙天线阵水平方向上保持同相辐射。

[0010] 所述缝隙天线阵中的最后一个天线距离终端为四分之三导波波长，且终端为短路。

[0011] 两个相邻内导体之间的缝隙对应的传输线上加载有短截线，对所述辐射缝隙层金属表面的横向电流进行微扰。

[0012] 所述短截线为短路枝节。

[0013] 所述耦合缝隙在相邻两路基片集成双线结构上激励的电场幅度相等、相位相反，以保证天线阵列在垂直方向上的同相辐射。

[0014] 所述第一介质板和所述第二介质板通过粘合层压合。

[0015] 本发明公开了一种基于基片集成多线馈电网络的天线，相比现有技术，具有以下有益效果：

[0016] 1、本发明中，耦合缝隙差分激励相邻的两路基片集成双线结构，中心对称面的切向电场为零，形成一个理想的虚拟电壁，因此对称面上的金属孔可以省去，从而有效的提高天线的效率，且减小天线的尺寸。

[0017] 2、采用混合微带和基片集成多线串并馈的馈电网络，电磁波经过并联一分八路微带功分网络，将能量通过耦合缝隙耦合至基片集成多线馈电网络，再由基片集成多线对缝隙进行串行馈电。这种串并馈的馈电网络有效地拓宽了天线的阻抗带宽和增益带宽。

[0018] 3、本发明的基片集成多线馈电网络通过加载短路枝节对辐射缝隙层金属表面的横向电流进行微扰，从而激励缝隙将电磁波向外辐射。接着将辐射缝隙层与基片集成多线馈电网络大规模组阵，测试结果表明，该结构使天线设备具有较小的尺寸，且满足较好的极化特性，同时在较宽的频带内具有稳定的增益和较高的辐射效率，实现简单，易于集成。

附图说明

[0019] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0020] 图1为本发明一实施例基于基片集成多线馈电网络的天线的剖面示意图；

[0021] 图2为图1实施例中辐射缝隙层结构图；

[0022] 图3为图1实施例中基片集成多线馈电网络结构图；

[0023] 图4为图1实施例中耦合缝隙层结构图；

[0024] 图5为图1实施例中微带功分网络结构图；

[0025] 图6为基片集成双线结构示意图；

[0026] 图7为辐射缝隙结构及电流分布图；

[0027] 图8为微带转基片集成双线转接结构示意图；

[0028] 图9为对本发明实施例进行测试的反射系数图；

[0029] 图10为本发明实施例实际增益和辐射效率图；

[0030] 图11为本发明实施例辐射方向图；

[0031] 附图标记说明：

[0032] 1—基片集成多线馈电网络、2—安装孔、4—短路枝节、5—辐射缝隙、6—耦合缝隙、7—金属化通孔、8—第一介质板、9—粘合层、10—第二介质板、11—第三介质板、12—微带功分网络、13—基片集成双线、14—虚拟电壁、15—开路微带枝节。

具体实施方式

[0033] 以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点及功效。

[0034] 在下述描述中，参考附图，附图描述了本申请的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本发明的精神的情况下进行组成以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本申请的实施例的范围仅由本申请的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本申请。

[0035] 虽然在一些实例中术语第一、第二等在本文中用来描述各种元素，但是这些元素不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元素与另一个元素进行区分。本发明方案所公开的技术手段不仅限于以下实施方式所公开的技术手段，还包括由以下技术特征任意组合所组成的技术方案。

[0036] 再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元素、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元素、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。

[0037] 如图1所示，本实施例提供的基于基片集成多线馈电网络的天线，从下到上依次包括微带功分网络12、耦合缝隙层、基片集成多线馈电网络1和辐射缝隙层。电磁波经过微带功分网络12，通过耦合缝隙层耦合至基片集成多线馈电网络1，再由辐射缝隙层辐射出去。辐射缝隙层与基片集成多线馈电网络1之间设有第一介质板8，基片集成多线馈电网络1与耦合缝隙层之间设有第二介质板10、耦合缝隙层与所述微带功分网络12之间设有第三介质板11。

[0038] 作为优选实施例，微带功分网络12为一分八路微带功分器，如图5所示。每一路电磁波通过耦合缝隙6耦合至基片集成多线馈电网络1，抑制了一阶传输高次模式TE10模。基片集成多线馈电网络1再对辐射缝隙5进行串行馈电。本实施例的天线采用微带功分网络12以及耦合缝隙6对基片集成多线馈电网络1进行馈电，确保在相邻两路传输线之间产生宽带的差分信号。

[0039] 具体的，基片集成多线馈电网络1位于第二介质板10的上表面，由多个均匀分布的基片集成双线结构组成，如图3所示。基片集成双线结构如图6所示，包括设置在第二介质板10上方的两个内导体，两个内导体位于传输线两侧且平行耦合，内导体两侧设有金属化屏蔽孔。多个基片集成双线结构沿传输线并排排列，两侧的内导体以传输线为对称轴并形成中心对称面BB’，根据传输线理论，当对该传输线进行差分激励时，中心对称面BB’可被看作理想电壁或虚拟短路；当对该传输线进行共模激励，BB’面可被认为是理想磁壁或虚拟开路。多个基片集成双线结构并排放置，相邻的两个基片集成双线结构共享一排金属壁，相邻两路传输线的电场幅度相同、相位相反，以保证缝隙阵列垂直方向上的同相辐射。当对相邻的基片集成双线结构进行差分激励时，中心对称面的切向电场为零，可等效为一个虚拟电壁14，因此对称面上的金属壁可去除，从而有效的减小天线的导体损耗和尺寸，提高天线的效率。

[0040] 位于传输线同侧的相邻基片集成双线结构之间留有缝隙，对应的在第一介质板8上方设有辐射缝隙5，如图7所示。多个均匀分布的辐射缝隙5组成图2所示的缝隙天线阵。一分八路并联微带功分器位于缝隙天线阵的正下方。

[0041] 作为优选实施方式，缝隙天线阵中相邻天线的间距为一个导波波长，使缝隙天线阵在水平方向上保持同相辐射。缝隙天线阵中的最后一个天线距离终端为四分之三导波波长，且终端为短路。

[0042] 优选的，两个相邻内导体之间的缝隙对应的传输线上加载有短截线，目的是对辐射缝隙层金属表面的横向电流进行微扰，从而激励缝隙5向外辐射。短截线通常为短路枝节4。当对基片集成双线结构进行差分激励时，沿着传输方向的内导体上的表面电流反相，短路枝节4上的表面电流是同相的，因此两个缝隙的环绕电流是同相的，进而能够产生同相辐射，如图7所示。

[0043] 耦合缝隙6在相邻两路基片集成双线结构上激励的电场幅度相等、相位相反，以保证天线阵列在垂直方向上的同相辐射。

[0044] 为了在相邻两路传输线之间产生宽带的差分信号，在一些具体实施方式中还设置了一种微带转基片集成双线的转接结构，如图8所示。该转接结构包括耦合缝隙6、基片集成双线13以及开路微带枝节15。微带线通过耦合缝隙6将电磁波耦合至基片集成双线13，该转接结构不仅实现了微带功分网络12到基片集成双线结构的转接，而且实现了功分特性。中间的耦合缝隙不仅可以产生两路差分信号，而且抑制了基片集成双线结构的一阶高次模式TE10模，因此有效地拓宽了基片集成双线结构的单模工作带宽，同时也减少了不必要的电磁干扰。

[0045] 在一些实施方式中，第一介质板8和第二介质板10通过粘合层9压合。该实施例提供的天线从上到下分别是第一介质板8、粘合层9、第二介质板10以及第三介质板11。介质基片均采用Taconic TLY-5，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。粘合层9采用Rogers 4450F，介电常数为3.52，损耗角正切为0.004。辐射缝隙5位于第一介质板8的上表面，基片集成多线馈电网络1位于第二介质板10的上表面，第一介质板8和第二介质板10通过双层电路板工艺用粘合层9进行压合，耦合缝隙6位于第二介质板10的下表面和第三介质板11的上表面，微带功分网络12位于第三介质板11下表面。整个天线共有15个安装孔2，并采用M3尼龙柱进行固定。

[0046] 用PNA-X N5247A矢量网络分析仪和微波暗室对本实施例提供的天线进行反射系数、方向图和增益的测试。天线的尺寸71 mm 54.2 mm（ ），其中为中心频率处的波长。图9为天线仿真和测试的反射系数。该天线测试的-10 dB阻抗带宽为
4.2 GHz（23.55 GHz – 27.55 GHz），相对带宽为16.5 %。图10为天线仿真和测试的增益和辐射效率。该天线测试的最大增益为21.6 dBi，1 dB增益带宽为12.5 %，辐射效率为83.7 %。图11为天线在E面和H面仿真和测试的方向图。该天线测试的在E面和H面的交叉极化电平均低于-30 dB。测试结果表明，该天线具有较小的尺寸，且满足较好的极化特性，同时在较宽的阻抗带宽内具有稳定的增益和较高的辐射效率，实现简单，易于集成。

[0047] 上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。