专利名称：低损耗高增益多波束智能天线的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种多波束天线，可以被广泛的应用到微波毫米波通信，民用 移动通信里面，可以改善通信信道质量，降低发射功率和误码率，减少多径干扰。 具有很高的实用价值，属于微波天线制造的领域。
背景技术：
在微波毫米波接力通信和民用移动通信领域，由于真实的无线环境比较复 杂，在电波传播的过程中间会有一系列的反射和衰落从而降低通信质量，由此产 生了多波束天线的需求；当一个强定向性的天线代替简单的均匀辐射的全向天线 的时候，从通信信道上来说可以有效地降低干扰和发射功率。为了实现和全向天 线相同的覆盖范围，就需要有多个指向不同方向的强定向性的波束叠加去实现全 向覆盖。多波束天线是一个无源多端口微波网络，信号从不同端口输入时，利用 馈电网络给天线阵列里的每一幅单元天线以不同的相位分布，从而在一个天线阵 列上产生多个指向的波束。与用多个天线阵列组成的多波束天线相比，具有体积 小巧的优点。比起有源相控阵列具有成本低的优点。所以这种无源多波束天线阵 列正在被越来越广泛的应用在微波和移动通信领域里面。
发明内容
技术问题本实用新型的目的是提出一种低损耗高增益多波束智能天线； 该天线从结构上采用了改进的巴特勒矩阵作为馈电网络，有效地降低了每一个波 束的旁瓣电平。采用了单层介质的结构，使得普通的双面PCB工艺可以被运用到 制作此多波束天线上面，便于大规模的生产。采用基片集成波导纵向天线和馈电 网络一体化的设计可以进一歩减小馈电网络面积，降低损耗，提高天线增益和效 率。
技术方案本实用新型的低损耗高增益多波束智能天线的整个天线及馈电 系统由多片相同的双面PCB工艺的上下两层金属敷铜面和金属化通孔实现的类似于波导中空腔体结构的基片集成波导构成，可为3片组成3棱柱状或6片组成 6棱柱状；每一个平面单层介质的基片集成波导由4输入8输出不等功率输出巴 特勒矩阵构成的馈电网络、基片集成波导辐射单元阵列2部分串联构成。
馈电网络由3个并排放置的4输入4输出端口级联再串接上1个4分8的功 率分配单元构成；其中第1级由2个基片集成波导的第一90度电桥并排放置 构成4个并排的输入端口和4个并排输出端口，输入端口接输入信号第2级为 45度电桥，在第1级4个输出端口的两侧输出端各串接了 1个45度移相器，中 间串接了一个2输入2输出的交叉耦合器，从而构成45度电桥的4个并排输出 端；第3级为第二90度电桥，是在前一级4个并排输出端之后串联2个并排放 置的卯度电桥构成的4输入4输出单元；与第1级相同，在第三级的4个并排 输出端的每1个端口串接一个1分2的不等功率分配器合并成8个输出端从而构 成4分8的功率分配单元的不等功率分配器；与不等功率分配器相连接的是由3 个8输入8输出并排的交叉耦合单元级联构成，第1个交叉耦合单元为第一直通， 由两侧直通端和中间3个交叉耦合器并排构成;第2个交叉耦合单元为移相补偿 单元，由两側各2个0度补偿移相器和中间2个交叉耦合器构成；第3个交叉耦 合单元由两侧直通端和中间3个交叉耦合器并排构成第二直通。
基片集成波导辐射单元阵列为8乘16槽缝的8幅纵向缝隙天线，其输入端 接第二直通。6棱柱状结构由3个钝角2面的结构构成，钝角面的角度为165度， 相邻两个钝角面的角度为75度。每一个面上安装一个平面4波束天线构成24 个波束全向覆盖天线。
低损耗高增益多波束智能天线采用了改进的4输入8输出巴特勒矩阵作为天 线的馈电网络，采用了基片集成波导纵向缝隙天线作为辐射单元。巴特勒矩阵主 要是由90度电桥、交叉耦合器和移相器构成。在本设计里面，首先将这些基本 单元全部采用基片集成波导工艺实现。在组成整个网络时又经过进一歩的优化， 做成基片集成波导并排放置的结构，从而有效地减少了馈电网络的面积。同时， 为了有效的降低波束合成面的旁瓣电平，在经典的巴特勒矩阵上面作了重大的改 进1、由巴特勒矩阵馈给的天线数目多了 l倍；2、采用低副瓣的幅度分布使得 在波束合成面上的旁瓣电平有效的降低。为了实现此改进的巴特勒矩阵的同时又 不显著增加馈电网络规模，在此引入了一种紧凑型的基片集成波导功率分配器來产生所需的低副瓣幅度分布。在具体设计中有以下几个注意点。
1:)单层化设计，所有的结构都是在一块单层双面敷铜的介质基片上打出一 系列的金属通孔来实现，即整个馈电网络和槽缝天线都是在一个平面上单层基片 集成波导来实现的。
2:)采用了相位补偿技术，使得基片集成波导T型结的不等功率分配带来的 相位上的误差均被随后的移相网络消除了，从而简化了馈电网络功分器的设计。
3:) —体化的设计进一歩减少馈电网络尺寸，从而降低损耗。由于使用的是 类似于波导结构的纵向缝隙天线，因此对于馈电网络的输出相位可以允许正反 向，同时对于改进的4输入8输出巴特勒矩阵可以化简进一步减少其尺寸。所以 经过总体考虑之后，整个馈电网络尺寸得以进一歩缩小(化简如图3所示)。
在实现了此基片集成波导4波束智能天线之后，为了在新的一代移动通信中 使用此多波束天线，提出了一个准三角柱的结构(如图5所示)安装了6幅相同
的多波束天线使得1、产生了 360度整个圆周方向上面的覆盖；2、相邻波束 之间的交叉点在-3dB左右，使得整个圆周方向上面的覆盖是完全的，没有盲角；
3、单个4波束天线相邻波束夹角是30度，采用此种准三角柱结构，将正常三角
柱的一个面变成内角为165度的两个面安装了两个4波束天线，8个波束交错分
布覆盖一个120度扇区，从而相邻波束夹角变成15度。
有益效果低损耗高增益多波束智能天线有以下几个优点 单层化:整个单面多波束天线都是在一块单层介质基片上通过余属化通孔连
接双层金属表面而形成的类波导结构。在PCB工艺里面对应的仅仅是双面板工
艺，相对于多层PCB，制造成本低，同时便于大规模生产。
低旁瓣电平由于采用了改进过的4输入8输出巴特勒矩阵，实现了低旁瓣
电平的幅度分布。在多波束合成的平面(水平的圆周面上)旁瓣电平可以下降到
-15dB，超过了用传统的巴特勒矩阵馈电时的理论值(-13dB)，远优于用普通4 输入4输出巴特勒矩阵馈电时的旁瓣电平的实测值(约-8dB)。在通信系统中使
用有助于降低干扰，提高性能。
低插损，高增益采用了基片集成波导技术，与微带电路一样可以方便的利
用PCB工艺生产，但是损耗却减小很多。从而提高了天线效率，提高了增益。在
实际制作的样品中(Ku波段16GHz)增益高达20. 5 22. 7dB。而插损只有广2dB，远远优于在该频带上的用微带结构的巴特勒矩阵馈电网络。
集成化天线阵列和馈电网络集成在一张介质上面，用的是同一种金属材料 有利于降低三阶互调指标。
图1是低损耗高增益多波束智能天线顶面示意图图中有输入端口 1，
两个并排放置的90度电桥2，中间是交叉耦合器两侧各一个45度电桥3，两个 并排放置的90度电桥4，四个一分二的不等功率分配器5，中间是三个交叉耦合
器单元，第一直通6;中间是两个交叉耦合器，两侧各两个移相补偿单元7;中
间是三个交叉耦合器，第二直通8;馈电网络9， 8乘16槽缝的基片集成波导 辐射单元阵列10。
图2是说明如何用6片单面4波束天线组成的24个波束天线的准三角柱形
结构的示意图(顶面俯视图)。
图3是经过化简的和没有化简的馈电网络的对比结构图。
图4是单面4波束天线的PCB版图(工作在16GHz)。
图5是由6片4波束天线构成的24个波束达到圆周方向全向覆盖的天线的
立体结构示意图(工作在16GHz)。
图6是单片4波束天线实物的反射系数测试结果。
图7-10是单片4波束天线的4个端口的方向图实测结果。
图11是24个波束天线的方向图实测结果(在指定频点16GHz)。
图12是24个波束天线的方向图实测结果(最小旁瓣电平16.1GHz)。
具体实施方式
本实用新型的实现过程如下对于一个选定的频点，选择合适的介质和基片 集成波导的宽度，使得天线与天线之间的间隔为1/2个真空波长。然后根据基片 集成波导的宽度计算出等效理想波导的宽度。然后利用理想波导的耦合器设计公 式设计并优化得到相应的交叉耦合器和90度电桥；再将其改成基片集成波导的 结构之后作进一步的微调，使其性能满足要求。移相器利用波导弯曲实现，同样 也是先建立一个等效波导的模型，加入感性柱优化反射系数和相移量使得其符合 要求。当构成馈电网络的3样基本元件设计完成之后就去确定所需要的幅度分布
6从而设计功分器。由于切比雪夫分布是最优分布，但是在实际操作中考虑减小损 耗的因素需要保证功率在4路分8路的时候保证能量守恒。所以需要一些优化才 能使得旁瓣电平低同时损耗也低。确定了幅度分布之后设计4路分8路的功分器， 采用与波导类似的T型结实现，同时添加一些必要的感性柱来减少反射。功分 器的没有严格相位要求，因为可以在后续的移相网络中补偿掉。当所有的元件设 计好了之后就可以拼成整个馈电网络了。基片集成波导天线同样可以采用经典的 等效波导天线的设计方法，提取参数，阵列综合。最后将所有的元件拼成一个整 体即可，馈电网络的元件与元件之间一般留有半个波导波长作为过渡段。
通过上述实施步骤，我们设计了一个工作在16GHz的基片集成波导4波束 天线的实物。阵列共计8乘16个槽缝单元，由8条16个槽缝的基片集成波导天 线构成，总大小为385mm乘110mm， 385mm长度中175mm是馈电网络，154mm 是天线辐射单元，56mm是过渡带和转接头。在16GHz上实测带宽为600MHz (3.75%)。为了实现全向覆盖，该实物一共制作了6份，组装在一个类似3角 柱的结构上面(如图5所示)。
权利要求1. 一种低损耗高增益多波束智能天线，其特征为整个天线及馈电系统由多片相同的双面PCB工艺的上下两层金属敷铜面和金属化通孔实现的类似于波导中空腔体结构的基片集成波导构成，可为3片组成3棱柱状或6片组成6棱柱状；每一个平面单层介质的基片集成波导由4输入8输出不等功率输出巴特勒矩阵构成的馈电网络(9)、基片集成波导辐射单元阵列(10)2部分串联构成。
2. 根据权利要求1所述的低损耗高增益多波束智能天线，其特征为馈电 网络(9)由3个并排放置的4输入4输出端口级联再串接上1个4分8的功率 分配单元构成；其中第1级由2个基片集成波导的第一卯度电桥(2)并排放 置构成4个并排的输入端口 (1)和4个并排输出端口，输入端口 (1)接输入信 号；第2级为45度电桥(3)，在第1级4个输出端口的两侧输出端各串接了 1 个45度移相器，中间串接了一个2输入2输出的交叉耦合器，从而构成45度电 桥(3)的4个并排输出端；第3级为第二 90度电桥(4)，是在前一级4个并排 输出端之后串联2个并排放置的90度电桥构成的4输入4输出单元；与第1级 相同，在第三级的4个并排输出端的每1个端口串接一个1分2的不等功率分配 器合并成8个输出端从而构成4分8的功率分配单元的不等功率分配器(5);与 不等功率分配器(5)相连接的是由3个8输入8输出并排的交叉耦合单元级联 构成，第1个交叉耦合单元为第一直通(6)，由两侧直通端和中间3个交叉耦合 器并排构成；第2个交叉耦合单元为移相补偿单元(7)，由两侧各2个0度补偿 移相器和中间2个交叉耦合器构成；第3个交叉耦合单元由两侧直通端和中间3 个交叉耦合器并排构成第二直通(8)。
3. 根据权利要求1所述的低损耗高增益多波束智能天线，其特征为基片 集成波导辐射单元阵列(10)为8乘16槽缝的8幅纵向缝隙天线，其输入端接 第二直通(8)。
4. 根据权利要求1所述的低损耗高增益多波束智能天线，其特征为6棱 柱状结构由3个钝角2面的结构构成，钝角面的角度为165度，相邻两个钝角面 的角度为75度。每一个面上安装一个平面4波束天线构成24个波束全向覆盖天 线。
专利摘要低损耗高增益多波束智能天线采用双面PCB工艺，利用上下金属表面和金属化通孔来实现波导封闭结构导波，损耗低，馈电网络采用了改进过的4输入8输出的巴特勒矩阵，有效地降低了每一个波束的旁瓣电平。与基片集成波导顶面纵向缝隙结构的天线相配合，通过优化进一步减小了馈电网络的尺寸，减小了插损，提高了效率。为了实现在圆周方向上面的全向覆盖，提出了一种6面体结构使得每两幅单面4波束天线相互交错的波束覆盖了120度扇区。6个面共24个波束覆盖了整个圆周方向的范围。并且相邻波束之间的交叉点在-3dB左右，便于在通信系统中间的使用。
文档编号H01Q13/00GK201266675SQ20082018522
公开日2009年7月1日 申请日期2008年8月26日 优先权日2008年8月26日
发明者伟 洪, 鹏 陈 申请人:东南大学