基于SIW的三波束天线系统的制作方法

文档序号:17918071发布日期:2019-06-14 23:55
基于SIW的三波束天线系统的制作方法

本发明涉及天线技术领域,具体涉及一种基于SIW的多波束天线系统。



背景技术:

随着无线通信技术的快速发展,对容量的要求越来越高。为了解决这一趋势,智能天线在无线通信系统中起着重要的作用。智能天线技术可以提高系统的通信容量,实现更高的信噪比。智能天线可以采用自适应天线技术和波束形成天线技术实现。自适应天线的最大辐射方向对准所需的站址对齐,而用零点位置对着干扰站模式。然而,复杂的算法和大量的数据需要处理,系统的响应速度慢。波束形成天线具有结构简单、易于实现、波束控制准确等优点。因此,多波束天线的研究变得越来越普遍。多波束天线的核心技术是波束形成网络。波束形成网络的设计方法有多种,如BLASS矩阵。避免复杂的信号处理来实现功率和相位分布,巴特勒矩阵吸引了很多研究者的兴趣。对于传统的巴特勒矩阵,输入端口和输出的数目是偶数阶的,例如4×4或8×8网络。它可以产生偶数个轴对称的波束。与具有偶数输入端口的巴特勒矩阵不同,三波束巴特勒矩阵能产生一个指向0度和两个轴对称的波束。

当工作频率增加时,开放式传输线将会产生较大的辐射损耗。因此采用微带形式设计的网络,将极大地降低天线的接收灵敏度。而基片集成波导(SIW)通过在平面电路的介质层中嵌入两排金属过孔构成。这种SIW不仅可以与微带集成电路等进行集成,而且还保留了传统波导的品质因数高、辐射损耗小、便于设计等优点。基片集成波导的概念在2002年前后被提出。它的特性可以用边界积分共振模态展开法、时域有限差分法和有限元法进行研究。随后,SIW广泛被应用到制作高频的微波器件电路之中。



技术实现要素:

本发明的目的在于提供一种基于SIW的多波束天线系统。

本发明包括输入端口,转换枝节、网络矩阵和天线阵列;所述的输入端口,转换枝节和天线阵列均设置在介质基板上;各个组成部分之间通过介质基板的导电层相互连接;网络矩阵包括SIW耦合调相器和移相器;介质基板的上下两面分别是第一导电层和第二导电层,通过短路过孔连接上下两面电路;输入端口有三个,分布在介质基板的侧边中部,相邻端口之间的距离相同;

转换枝节用于将电磁信号由输入端口的微带传输线到网络矩阵转变;网络矩阵采用三个SIW耦合调相器及一个移相单元,组合成三进三出网络;其中耦合器输出端与移相单元的输入端重叠,共同进行调节信号的幅度和相位;天线阵列,由至少3列天线单元组成,且每列连接于网络矩阵的一个端口;每列单元数目大于等于1个。

进一步,所述的SIW耦合调相器,采用两列SIW并共用中间的金属过孔,空置部分金属过孔形成耦合区域,并利用短路过孔方式进行加载,对其输出信号的幅度和相位进行调节。

进一步,所述的SIW移相单元通过改变两列过孔之间的宽度或者在SIW通道内增加短路通孔实现。

作为优选,述的天线单元形式,为贴片天线,缝隙天线、SIW天线。

进一步,所述的金属过孔能够用金属导线或金属棒替换。

作为优选,所述的转换枝节形状为渐变结构或阶梯结构。

进一步,所述的介质基板采用各种绝缘介质。

本发明采用了三个输入端口和三个输出端口的网络矩阵设计形式,信号从不同的端口输入在三个输出端口处的输出信号具有幅度相同以及相位差恒定的特性。SIW结构的形式从而实现信号传输的低损耗特性。通过与天线阵列相连接,可以实现一个沿着轴线的辐射波束和两个轴对称的波束。能在频率较高的阵列天线中使用,具有损耗小、结构简单以及轴向辐射等性能。

附图说明

图1是本发明的俯视结构示意图;

图2是本发明的仰视结构示意图;

图3是本发明的侧视结构示意图;

图4是本发明的S参数图;

图5是本发明的E面辐射方向图;

图6是本发明的H面辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1~3所示,本实施例所展示的一种基于SIW的多波束天线系统,包括输入端口1,转换枝节2、网络矩阵和天线阵列5。输入端口1,转换枝节2和天线阵列5均设置在介质基板9上。各个组成部分之间通过介质基板9的导电层相互连接。介质基板9采用各种绝缘介质,也可以为空气介质,如果采用空气介质相当于没有介质基板。介质基板9的厚度根据需要进行调节,一般在0.1mm~5mm之间。网络矩阵包括SIW耦合调相器3和移相器4。输入端口处采用50Ω的特性阻抗进行馈电。本实施例中介质基板其介质为空气、环氧板或聚四氟乙烯。

输入端口通过微带传输线馈入输入信号的,微带传输线一端宽度为对应的50欧姆阻抗,输入信号采用SAM接头,同轴电缆等与微带线连接。

介质基板9的上下两面分别是第一导电层7和第二导电层8,通过均匀排布的短路过孔6连接上下两面电路。输入端口1有三个:第一输入端口11、第二输入端口12、第三输入端口13,均匀分布在介质基板9的侧边中部,相邻端口之间的距离相同。

SIW耦合调相器3有三个:第一SIW耦合调相器31、第二SIW耦合调相器32和第三SIW耦合调相器33,三个耦合调相器交叉排列。

本实施例中SIW耦合调相器3通过移除短路过孔6来控制各自的耦合量实现。在信号耦合后再通过移除相应的短路过孔,空置部分金属过孔形成耦合区域,并利用短路过孔方式进行加载,从而改变所传输的信号的幅度及相位,进而控制SIW耦合调相器输出端口的幅度和相位。

移相器4的移相量控制输出端口的相位,并通过不同的方式实现。本例中移相器4为加载了短路枝节的移相器41,也能通过改变传输线宽度的实现移相功能。而无论哪一种方式,均需要保证移相器的传输特性。

第二耦合调相器32的输出端口与第一移相器41的输入端口融合重叠在一起,从而实现二者的统一设计,减小整体网络的尺寸。天线阵列5采用缝隙天线形式实现。每列缝隙的数量最低为1个,且缝隙偏离SIW通道轴线,即不可与SIW通道轴线重合。天线阵列的终端位置,为开路、或者采用通孔进行短路、或者加载负载。

导电层8覆盖整个介质基板的下面,其为输入端口1和转换枝节2提供金属反射板特性。同时它作为天线阵列5的屏蔽层,避免电磁波向缝隙后方辐射。

作为本发明的一具体实施例,介质基板9的尺寸为200mm×60mm×1.0mm。

图4是本发明具体实施例的S参数图,要求工作频率为10GHz,回波损耗小于-10dB。其横坐标为频率(GHz),纵坐标为分贝值(dB)。在10GHz处,三个输入端口的回波损耗均小于-15dB,从而整个天线系统具有良好的传输特性。

图5是本发明具体实施例在10GHz处的E面辐射方向图。各个输入端口对应不同的辐射波束,从而形成三波束天线系统。波束系统之间具有良好的隔离特性,左右两个波束均在0度角度时具有零点辐射特性,从而避免波束之间的互相干扰。

图6是本发明具体实施例的H面辐射方向图。在激励输入端口2时,其H面方向图具有良好的定向特性,且其前后比超过30dB。

作为本发明的具体实施例,天线可以在垂直面产生三个波束,指向不同的方向,从而提高信号的覆盖水平,增加系统的容量。

显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部实施例。基于本发明的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

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