垂直集成滤波器的天线阵元及毫米波天线阵列、通信装置的制作方法

本发明涉及微波通信技术领域，尤其涉及一种垂直集成滤波器的天线阵元。

背景技术：

5g毫米波频段通信是目前最前沿的通信技术，是通信领域近期最重要的研究方向。世界上的各大通信公司都开展相关方面的研究工作。目前各公司的5g毫米波通信系统都采用了mimo和相控阵技术，其中绝大多数都是采用8*8或者16*16辐射单元的阵列天线，具体包括波导缝隙阵列天线阵、贴片阵列天线阵列等形式。有的方案采用二维扫描方案，有些采用一维扫描方案。

无论采用哪一种形式，都必须抑制本振辐射，满足国际无线电辐射标准，才能达到商业应用的要求。为此，必须在天线阵元和收发信机之间集成用于抑制本振辐射的滤波器。对于只采用一个收发信机的方案，集成滤波器相对方便，只需要在收发信机之前安装一个滤波器即可，但是采用这种方案，整个通信系统类似于无源相控阵系统，其性能必然受到限制。另一种方案是每一个天线阵元对应一个收发信机，采用该方案既可以实现二维扫描，又能够实现多波束，其通信能力大大增强；但是采用该方案，每一个天线阵元和收发信机之间都要集成两个滤波器（因为采用双极化方案）。又由于需要大角度的二维扫描，因而每一个天线阵元所占的空间都小于半个波长（以目前常用的28ghz系统为例，每一个单元所占面积只有大约7.5mm*5mm），在如此小的空间里面集成两个滤波器，一方面对滤波器的尺寸要求非常苛刻，另一方面还要求所有天线阵元在集成滤波器后，其所传输信号的相位和幅度要保证基本一致。这是目前实现此类5g技术的关键瓶颈技术，目前所报道的解决方案基本采用pcb滤波器，或者ltcc滤波器，很难保证每一个路径的一致性，到目前为止，尚没有找到很好的解决方案。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种垂直集成滤波器的天线阵元，在垂直方向上将辐射部件与滤波器集成为一体，具有结构紧凑，占用空间小的优点，更重要的是可保证天线阵列中每个阵元所传输信号的相位和幅度基本一致。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种垂直集成滤波器的天线阵元，包括双极化腔体滤波器和一体化集成于所述双极化腔体滤波器顶部的双极化辐射部件；所述双极化腔体滤波器由多个双极化谐振腔自下而上依次连接而成，相邻的双极化谐振腔之间设置有耦合窗。

作为其中一个优选技术方案，所述双极化腔体滤波器为双极化介质腔体滤波器，所述多个双极化谐振腔均为表面金属化的介质柱。

优选地，各介质柱在水平方向上的投影相互重合。

优选地，所述双极化辐射部件由至少两个尺寸自下而上依次减小的介质柱连接构成。

进一步地，该天线阵元还包括一个金属支撑件；所述金属支撑件中间形成有一个顶部开口的金属腔体，用于容纳所述双极化介质腔体滤波器。

作为其中另一个优选技术方案，所述双极化腔体滤波器为双极化空气腔体滤波器，所述多个双极化谐振腔均为中空的金属腔体。

优选地，各金属腔体在水平方向上的投影相互重合。

优选地，所述双极化辐射部件为波导开口天线或喇叭天线。进一步优选地，所述双极化辐射部件为底部带有阻抗匹配台阶结构的喇叭天线。

优选地，所述耦合窗的横截面为圆形、正方形或十字形。

根据相同发明思路还可以得到以下技术方案：

一种毫米波天线阵列，其由一组相同的天线阵元组成，所述天线阵元为一上任一技术方案所述垂直集成滤波器的天线阵元。

一种毫米波通信装置，包括天线阵列以及与所述天线阵列中的天线阵元一一对应连接的一组收发信机，所述天线阵列为上述毫米波天线阵列。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明在垂直方向上将辐射部件与滤波器集成为一体，具有结构紧凑，占用空间小的优点，更重要的是可保证天线阵列中每个阵元所传输信号的相位和幅度基本一致。

本发明所集成的滤波器采用由多个双极化谐振腔自下而上依次连接而成的双极化腔体滤波器，一个滤波器可同时实现两个互相正交的极化信号的滤波，且形式多样，结构简单，制造成本较低。

本发明既可以实现精确的二维扫描，又能够实现多波束，解决了5g微波通信技术中的关键瓶颈问题，对于5g通信技术的实用化具有重要意义。

附图说明

图1为实施例1天线阵列的总体结构示意图；

图2为实施例1天线阵列中单个天线阵元的结构示意图；

图3为实施例1天线阵列中单个天线阵元除去金属支撑件后的结构示意图；

图4为实施例1天线阵列中单个天线阵元的回波响应曲线；

图5为实施例2天线阵列的总体结构示意图；

图6为实施例2天线阵列中单个天线阵元的结构透视图；

图7为实施例2天线阵列中单个天线阵元的结构剖视图；

图8为实施例2天线阵列中单个天线阵元的回波响应曲线；

图中包含以下附图标记：

1、滤波器输入端口，2、辐射部件，3、双极化谐振腔，4、耦合窗。

具体实施方式

针对现有5g毫米波通信技术中的天线阵列难以同时满足尺寸要求和各阵元所传输信号相位一致的要求，本发明基于垂直集成的思想，提出一种垂直集成滤波器的天线阵元，在双极化腔体滤波器的顶部一体化集成辐射部件，其具有结构紧凑，占用空间小的优点，更重要的是可保证天线阵列中每个阵元所传输信号的相位和幅度基本一致。

具体而言，本发明所提出的垂直集成滤波器的天线阵元，包括双极化腔体滤波器和一体化集成于所述双极化腔体滤波器顶部的双极化辐射部件；所述双极化腔体滤波器由多个双极化谐振腔自下而上依次连接而成，相邻的双极化谐振腔之间设置有耦合窗。

所述双极化腔体滤波器既可以采用双极化空气腔体滤波器，即以中空的金属腔体作为双极化谐振腔（也可以看作金属腔体中填充的介质为空气）；也可以采用双极化介质腔体滤波器，即在金属腔体中填充有比空气介电常数更高的其它介质。

所述耦合窗的横截面可采用圆形、正方形或十字形等对称形状，优选采用十字形耦合窗，其具有更好的高端抑制效果。

所述双极化腔体滤波器中的各双极化谐振腔的横截面形状、尺寸可以互不相同，例如可以部分为圆形，其余部分为正方形或十字形；或者虽然形状相同但尺寸不同。但为了易于加工，优选的方案是各双极化谐振腔在水平方向上的投影相互重合，亦即各双极化谐振腔的横截面形状、尺寸完全相同。

在5g毫米波通信系统中，利用上述天线阵元构建毫米波天线阵列，并为每个天线阵元配置一个收发信机，即可实现精确的二维扫描，又能够实现多波束。

为了便于公众理解，下面通过两个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：

实施例1：

图1~图3显示了本发明毫米波天线阵列的一种具体结构。如图1所示，该毫米波天线阵列为8×8的天线阵列，由64个相同的天线阵元构成，其整体结构呈蜂窝状。

单个天线阵元的结构如图2、图3所示，其包括一个金属支撑件，所述金属支撑件中间形成有一个顶部开口的金属腔体，用于容纳双极化腔体滤波器，该金属支撑件一方面可对双极化腔体滤波器起到支撑固定的作用，一方面可以辅助天线阵列中各阵元的准确定位，此外还可以为双极化腔体滤波器顶端集成的辐射部件提供反射面。

本实施例中的双极化腔体滤波器采用一种特殊形式的双极化介质腔体滤波器。如图3所示，滤波器与辐射部件2是由微波介质材料所构成的一个整体。下部的滤波器为一个双极化介质腔体滤波器，其由多个横截面相同的圆柱状（也可以是横截面为正方形或十字形等对称形状的柱状体，以同时传输两路互不干扰的正交极化信号，即形成双极化滤波器）介质柱连接而成，滤波器部分的介质材料表面经过了金属化（优选镀银），每个表面金属化的圆柱状介质柱即构成一个双极化谐振腔3，相邻的双极化谐振腔3之间设置有尺寸较小的耦合窗4，耦合窗4的横截面可以是圆形、正方形或十字形等对称形状。图中的1为该滤波器的输入端口，该端口和平面电路的pcb连接，该端口具有两个馈电端口，输入的两路信号分别作为水平极化和垂直极化两路信号。该双极化介质腔体滤波器顶端的一段介质柱表面不进行金属化，这一段介质柱即构成本实施例中的辐射部件2，为了提高性能，本实施例中的辐射部件2采用多级台阶结构，即辐射部件2由多个尺寸自下而上依次减小的介质柱连接构成。为了更好地实现信号传输，辐射部件2的顶端最好伸出金属支撑件之上。采用此种方案，滤波器部分的介质柱与辐射部件2可以一体化成型，而所有金属支撑件所构成的蜂窝结构也可以一体化成型，在生产装配时只要将表面金属化处理后的介质柱分别插入蜂窝结构的每个腔体中即可，这样可以有效减少工艺流程，降低生产成本。

所述介质材料应尽可能采用介电常数较高的材料，例如微波陶瓷材料，以使电磁场能量比较集中，从而有效展宽辐射单元的半功率波束宽度，有利于进行宽波束功率扫描。根据计算，当所述介质材料的介电常数为3.8时，可以将半功率宽度展宽致±45°，当介电常数为5.1时，可以将半功率宽度展宽致±60°，远大于普通波导喇叭辐射单元的半功率波束宽度，实现120度扫描，满足5g通信大角度扫描的要求。图4给出了单个天线阵元的回波响应曲线，由响应曲线可知，在需要辐射的带内，回波很小，而在阻带则是全反射，因此具有很好的滤波效果。

实施例2：

图5~图7显示了本发明毫米波天线阵列的另一种具体结构。如图5所示，该毫米波天线阵列同样为8×8的天线阵列，由64个相同的天线阵元构成，其整体结构呈蜂窝状。

如图6、图7所示，本实施例中的双极化腔体滤波器采用圆形波导或方形波导实现的双极化空气腔体滤波器，由多段横截面相同的圆波导或方波导所构成的双极化谐振腔3依次连接而成，相邻的双极化谐振腔3之间设置有由腔体内壁上的隔墙所形成的尺寸较小的耦合窗4，耦合窗4的横截面可以是圆形、正方形或十字形等对称形状。该双极化空气腔体滤波器的顶端辐射部件2是由一段圆波导或方波导直接构成的波导开口天线或喇叭天线；还可以进一步在该波导开口天线或喇叭天线的底部设置用于实现阻抗匹配的台阶结构。图7中的1为滤波器的输入端口，该输入端口通过圆波导/方波导转微带线结构实现馈电。

与上一实施例的技术方案相比，由于基于圆波导或方波导实现，本实施例的结构更简单，实现成本更低，且辐射效率很高，但由于辐射部件采用波导开口天线或喇叭天线，其所能实现的半功率波束宽度较小，约为66°。图8给出了单个天线阵元的回波响应曲线，由响应曲线可知，在需要辐射的带内，回波很小，而在阻带则是全反射，因此具有很好的滤波效果。

综上可知，本发明很好的解决了在狭小空间内实现辐射部件和滤波器的集成问题。由于采用的是垂直集成，可保证每一路的信号传输路径都是完全一致，从而能够有效的满足各阵元信号之间相位和幅度的一致性。