專利名稱：基于拋物反射面原理的基片集成波導(dǎo)多波束天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的基片集成波導(dǎo)拋物反射面可以適用于微波毫米波波束成形網(wǎng)絡(luò)和多波 束天饋系統(tǒng)，由其構(gòu)成的基片集成波導(dǎo)多波束天線可以應(yīng)用于微波毫米波多波束系 統(tǒng)和智能天線，可以帶來諸如改善通信信道質(zhì)量，降低發(fā)射功率和誤碼率，減少多 徑干擾的優(yōu)點(diǎn)。
背景技術(shù)：
移動(dòng)通信的迅速發(fā)展，使得傳統(tǒng)的多址方式，如CDMA,FDMA,TDMA等，已 不能滿足日益增長(zhǎng)的擴(kuò)容需要。多波束天線通過波束成形網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生多個(gè)固定并行指 向的波束，用來覆蓋整個(gè)用戶區(qū)，從而達(dá)到擴(kuò)容的目的。 一般可以用矩陣電路類(如 巴特勒矩陣)或透鏡類波束成形網(wǎng)絡(luò)來產(chǎn)生多個(gè)波束。隨著工作頻率的增高，尤其 進(jìn)入毫米波頻段，巨大的損耗使得由傳統(tǒng)平面電路如微帶線等構(gòu)成的多波束天線無 法正常工作，且由于體積過小而難以實(shí)現(xiàn)。如果采用金屬波導(dǎo)來構(gòu)成，雖然其性能 優(yōu)異，但會(huì)產(chǎn)生加工困難、成本較高、重量大等難以克服的問題。新型基片集成波 導(dǎo)技術(shù)既具有平面電路的易集成、制作方便等優(yōu)點(diǎn)，又具有與金屬波導(dǎo)近似的高g 值、低損耗的優(yōu)良特性，因此適于微波毫米波多波束天線的設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提出基于拋物反射面原理的基片集成波導(dǎo)多波束天 線，并據(jù)此設(shè)計(jì)出基片集成波導(dǎo)多波束天線，使之工作在毫米波頻段。其具有g(shù)值 較高，損耗較低，體積較小，成本低，容易大批量生產(chǎn)，易與有源電路集成等優(yōu)點(diǎn)。 技術(shù)方案由波束成形網(wǎng)絡(luò)和天線陣相連，可以形成多波束天線。 本發(fā)明中的波束成形網(wǎng)絡(luò)，由介質(zhì)層兩面的金屬敷銅面和金屬化通孔組成的類 似于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的基片集成波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)。 一維基片集成波導(dǎo)拋物反射面由金屬化通孔 圍成，作為波束成形網(wǎng)絡(luò)，通過從內(nèi)輸入口偏焦饋電實(shí)現(xiàn)多組相位差分布，與由基片集成波導(dǎo)縫隙陣天線組成的11x8天線陣直接級(jí)聯(lián)，形成多波束天線；該波束成
形網(wǎng)絡(luò)的8個(gè)內(nèi)輸入口通過基片集成波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)與8個(gè)外輸入口相連。本發(fā)明中 的11x8天線陣由并排排列的11根相同的8縫縫隙陣天線組成，每一縫隙陣天線由 金屬化通孔形成的基片集成波導(dǎo)構(gòu)成；其一端短路，在基片集成波導(dǎo)內(nèi)的金屬層上 表面上且位于中心線的兩側(cè)分別設(shè)有一排金屬表面上的左縫隙、右縫隙。本發(fā)明中 的基片集成波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)波束成形網(wǎng)絡(luò)內(nèi)輸入口與外輸入口之間的連接，便 于測(cè)試和與其他電路集成，在拐角處采用感性金屬柱以降低反射系數(shù)；外輸入口通 過50歐姆微帶線饋電，其與基片集成波導(dǎo)之間采用微帶過渡線實(shí)現(xiàn)過渡。
該波束成形網(wǎng)絡(luò)的工作原理類似于傳統(tǒng)拋物反射面。拋物面是一種常見的反射 面天線，當(dāng)從其焦點(diǎn)饋電時(shí)，能產(chǎn)生高增益的波束。這是因?yàn)樗軐慕裹c(diǎn)發(fā)出的 球面波通過拋物面的反射，形成等相位的平面波。若采用偏饋技術(shù)，可以避免饋源 的口徑遮擋。如果不移動(dòng)反射面，通過偏焦的方法可以在有限的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)波束的 掃描。因此，利用這一原理，采用基片集成波導(dǎo)技術(shù)能在微波毫米波頻段實(shí)現(xiàn)高性 能的波束成形網(wǎng)絡(luò)。由于基片集成波導(dǎo)不支持TEM模的傳播，故在本設(shè)計(jì)中采用 了不同于傳統(tǒng)激勵(lì)模式的TEu)模，這樣會(huì)使得拋物反射面的工作帶寬略微減少。通 過從上述波束成形網(wǎng)絡(luò)的不同輸入端口激勵(lì)可以產(chǎn)生不同的相位差，與天線陣相結(jié) 合能形成相應(yīng)的多個(gè)波束指向。其結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、性能優(yōu)異、擁有較寬的工 作帶寬。
有益效果-
l:)使多波束天線在以平面電路的形式工作于微波毫米波頻段時(shí)，具有較高增 益、0值和較低損耗。同時(shí)與金屬波導(dǎo)的立體結(jié)構(gòu)相比，體積小、重量輕、 加工容易。
2:)基片集成波導(dǎo)拋物反射面與基片集成波導(dǎo)天線陣直接相連形成多波束天線， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、 一體化。
3:)該多波束天線制作于介質(zhì)基片上，與有源電路集成方便。
4:)該多波束天線可與弧度不大的彎曲表面(如飛機(jī)機(jī)翼表面等)直接共形，
不需另外設(shè)計(jì)，具有較高實(shí)用性。 5:)整個(gè)多波束天線的各部分集成為一體，全部利用普通PCB工藝加工，成本低、精度高、重復(fù)性好，適合大批量生產(chǎn)。


圖1是基于拋物反射面原理的基片集成波導(dǎo)多波束天線結(jié)構(gòu)示意圖。 以上的圖中有上層金屬敷銅面l、下層金屬敷銅面2、介質(zhì)基片3、金屬化通
孔4、金屬表面上的左縫隙51、金屬表面上的右縫隙52、基片集成波導(dǎo)縫隙陣天線 53、輻射天線陣54、基片集成波導(dǎo)拋物反射面6、內(nèi)輸入口7(包括輸入端口71 78)、 感性金屬柱81 、 50歐姆微帶線82、微帶過渡線83 、外輸入口 9(包括輸入端口 91 ~98)。
具體實(shí)施例方式
該多波束天線為一平面電路結(jié)構(gòu)，其完全由介質(zhì)基片上下表面金屬層及金屬化 通孔構(gòu)成。其主要結(jié)構(gòu)可分為兩部分基片集成波導(dǎo)拋物反射面，基片集成波導(dǎo)天 線陣。其中，拋物反射面作為波束成形網(wǎng)絡(luò)，其外形設(shè)計(jì)可利用普通拋物線的公式 進(jìn)行，采用基片集成波導(dǎo)的形式實(shí)現(xiàn)；基片集成波導(dǎo)縫隙陣天線組陣作為輻射天線 陣。為了便于測(cè)試和與其它平面電路集成，另設(shè)計(jì)一饋電網(wǎng)絡(luò)對(duì)基片集成波導(dǎo)拋物 反射面進(jìn)行偏焦饋電。通過對(duì)不同的輸入口進(jìn)行激勵(lì)，可以產(chǎn)生不同的波束指向。
本發(fā)明在中心頻率為37.5 GHz處實(shí)現(xiàn)基于拋物反射面原理的基片集成波導(dǎo)多 波束天線，并測(cè)試其整體性能。基片選用Rogers Duroid 5880，其介質(zhì)常數(shù)為2.2， 厚度0.508m附?；刹▽?dǎo)金屬化通孔的直徑為0.4mm，通孔之間的間距為0.8mm， 拋物反射面的焦距為30mm。該多波束天線共有八個(gè)輸入端口 91~98，輻射天線陣為 11根8縫基片集成波導(dǎo)縫隙陣天線。由于波束惡化的原因，從91端口激勵(lì)產(chǎn)生的 波束較差，故視其為匹配口，接上50歐姆的電阻，用以降低副瓣電平。為了便于測(cè) 試，在內(nèi)輸入口 7 (包括輸入端口 71-78)和外輸入口 9 (包括輸入端口 91~98)之 間設(shè)計(jì)了饋電網(wǎng)絡(luò)。但在實(shí)際應(yīng)用中，該多波束天線多與其他電路集成而可略去此 饋電網(wǎng)絡(luò)，從而得到更佳性能。
分別從輸入端口 92~98激勵(lì)，在暗室中測(cè)得37.5 GHz時(shí)天線可產(chǎn)生的七個(gè)波束 分別擁有8°, 8.3°， 8.7°， 8.7°, 8.3°, 7.6°禾卩10.6°的3dB波瓣寬度，并且其指向分別為 -30°, -21°, -13°, -5°， 5°， 14°和23°。七個(gè)波束的增益分別為17.3dBi, 19.1dBi, 19.1dBi， 19.區(qū)，19.1dBi， 17.3dBi，和15.8dBi。將該多波束天線直接固定于弧度不大的彎曲表面上，可形成共形天線。在37.5 GHz時(shí)，天線可產(chǎn)生的七個(gè)波束分別擁有8°, 8.6°, 9°, 8.7°, 8.6°, 7.6°和8.8°的3dB波 瓣寬度，并且其指向分別為-35°,-25°,-15°,-5°，5°，16°和26°。七個(gè)波束的增益分別 為17.3dBi, 18.1犯i, 18.2dBi， 18.2犯i， 18.1dBi, 17dBi,和15dBi。共形后的多波束天線 與平面結(jié)構(gòu)相比，增益略有下降、副瓣電平略微上升，波束覆蓋面有所增加，不會(huì) 影響其使用。
權(quán)利要求
1.一種基于拋物反射面原理的基片集成波導(dǎo)多波束天線，其特征為在介質(zhì)基片(3)的兩面設(shè)有金屬層上表面(1)、金屬層下表面(2)和金屬化通孔(4)實(shí)現(xiàn)的類似于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的基片集成波導(dǎo)，由基片集成波導(dǎo)構(gòu)成一維拋物反射面(6)，從而形成波束成形網(wǎng)絡(luò)，與由基片集成波導(dǎo)縫隙陣天線(53)組成的11×8天線陣(54)直接級(jí)聯(lián)，形成多波束天線，該波束成形網(wǎng)絡(luò)的8個(gè)內(nèi)輸入口(7)通過基片集成波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)與8個(gè)外輸入口(9)相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于拋物反射面原理的基片集成波導(dǎo)多波束天線，其 特征為11x8天線陣(54)由并排排列的11根相同的8縫縫隙陣天線(53)組成， 每一縫隙陣天線(53)由金屬化通孔(4)形成的基片集成波導(dǎo)構(gòu)成；其一端短路， 在基片集成波導(dǎo)內(nèi)的金屬層上表面(1)上且位于中心線的兩側(cè)分別設(shè)有一排金屬表 面上的左縫隙(51)、右縫隙(52)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于拋物反射面原理的基片集成波導(dǎo)多波束天線，其 特征為 一維基片集成波導(dǎo)拋物反射面(6)由金屬化通孔(4)圍成，通過從不同 的內(nèi)輸入口 (7)饋電實(shí)現(xiàn)多組相位差分布。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于拋物反射面原理的基片集成波導(dǎo)多波束天線，其 特征為基片集成波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)由基片集成波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)內(nèi)輸入口 (7)與外輸入口 (9) 之間的連接，在拐角處采用感性金屬柱(81);外輸入口(9)通過50歐姆微帶線(82) 饋電，其與基片集成波導(dǎo)之間采用微帶過渡線(83)實(shí)現(xiàn)過渡。
全文摘要
基于拋物反射面原理的基片集成波導(dǎo)多波束天線在介質(zhì)基片(3)的兩面設(shè)有金屬層上表面(1)、金屬層下表面(2)和金屬化通孔(4)實(shí)現(xiàn)的類似于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的基片集成波導(dǎo)，由基片集成波導(dǎo)構(gòu)成一維拋物反射面(6)，從而形成波束成形網(wǎng)絡(luò)，與由基片集成波導(dǎo)縫隙陣天線(53)組成的11×8天線陣(54)直接級(jí)聯(lián)，形成多波束天線，該波束成形網(wǎng)絡(luò)的8個(gè)內(nèi)輸入口(7)通過基片集成波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)與8個(gè)外輸入口(9)相連。該天線可以適用于微波毫米波波束成形網(wǎng)絡(luò)和多波束天饋系統(tǒng)，由其構(gòu)成的基片集成波導(dǎo)多波束天線可以應(yīng)用于微波毫米波多波束系統(tǒng)和智能天線，可以帶來諸如改善通信信道質(zhì)量，降低發(fā)射功率和誤碼率，減少多徑干擾的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01Q13/06GK101291016SQ20081012387
公開日2008年10月22日 申請(qǐng)日期2008年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月27日
發(fā)明者偉 洪, 程鈺間 申請(qǐng)人:東南大學(xué)