专利名称：小型化基片集成多波束天线的制作方法
技术领域：
本实用新型属于微波毫米波天线技术领域，特别涉及一种基片集成波导多波束天线。
背景技术：
作为智能天线的一种，多波束天线能生成多个不同指向的波束，并可选择波束对准有用信号方向，从而降低干扰，增大系统信道容量，因此在高速率无线通信领域获得了广泛的关注。到目前为止，研究人员已经基于微带线、金属波导、基片集成波导等多种导波结构实现了若干种不同类型的多波束天线。其中，由基片集成波导构成的多波束天线具有金属损耗低、辐射互耦低、集成化设计容易、加工成本低、可重复性好、易于大规模生产的优点， 较好地解决了多波束天线集成化及其关键部件波束成形网络平面化的问题，在工作频率较高时具有明显的优势。然而，基片集成波导多波束天线还需要进一步解决其小型化的技术难题。现有基片集成波导多波束天线均由三个子部分构成，即波束成形网络、天线阵和二者之间的移相连接网络。目前针对基片集成波导多波束天线小型化已经提出了一种较好的解决方案，如图1所示，该多波束天线仍由三个子部分构成，即对称多模基片集成波导、天线阵和二者之间的移相连接网络，其中对称多模基片集成波导用作波束成形网络是实现多波束天线小型化的关键技术。该对称多模基片集成波导为一个对称的八端口结构，具有四个输入端口和四个输出端口，从不同输入端口输入信号时，可在四个输出端口生成等幅且具有一定相位差的四路输出信号，经移相连接网络输入四组天线单元，最终生成不同指向的波束。该结构能缩小传统波束成形网络一巴特勒矩阵面积的一半。本实用新型人申请的专利申请号为CN20081002^48. 3的实用新型专利申请中公开了一种多模基片集成波导波束成形网络，它包括了多模基片集成波导(即上述对称多模基片集成波导)和基片集成波导移相网络(即上述移相连接网络)。当使用该多模基片集成波导波束成形网络与天线阵连接形成基片集成多波束天线时，其中必须含有基片集成波导移相网络用以连接天线阵和多模基片集成波导。由于上述三个模块需要依次级联、必不可少，因此设计复杂，体积偏大。
实用新型内容本实用新型的目的是为了克服现有的基片集成波导多波束天线电路结构面积偏大的不足，提出了一种小型化基片集成多波束天线。为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是一种小型化基片集成多波束天线， 包括从上往下依次层叠的金属覆铜上层、介质层、金属覆铜下层，其特征在于，所述金属覆铜上层包括从输入端向辐射端依次排列的馈电上表区域、与馈电上表区域连接的多模上表区域、与多模上表区域连接的N组三角形上表区域，所述金属覆铜下层包括从输入端向辐射端依次排列的馈电下表区域、与馈电下表区域连接的多模下表区域、与多模下表区域连接的N组三角形下表区域，所述介质层中具有N+1排金属化通孔，所述金属化通孔贯穿了馈电上表区域和介质层与馈电下表区域连接，形成N路馈电基片集成波导，贯穿了多模上表区域和介质层与多模下表区域连接，形成一路非对称的多模基片集成波导，所述介质层与位于其两侧的N组三角形上表区域和N组三角形下表区域形成天线阵，所述三角形上表区域和三角形下表区域两者镜像对称。本实用新型的有益效果由于本实用新型将现有的基片集成波导多波束天线小型化方案中的对称的多模基片集成波导变为不对称的结构，使其可直接与天线阵集成，无需再使用移相连接网络，这样就在实现同样的电路功能时减少了电路结构的面积和结构复杂度，使得多波束天线结构紧凑，并因此获得更高的辐射效率。
图1是现有的基片集成波导多波束天线小型化方案的结构框图。图2是本实用新型的小型化基片集成多波束天线的结构框图。图3是本实用新型的小型化基片集成多波束天线的三维结构图。图4是本实用新型的小型化基片集成多波束天线的俯视结构图。图5是本实用新型的小型化基片集成多波束天线的金属覆铜上层的电路结构图。图6是本实用新型的小型化基片集成多波束天线的金属覆铜下层的电路结构图。
具体实施方式
如图2、图3、图4、图5、图6所示，一种小型化基片集成多波束天线，包括从上往下依次层叠的金属覆铜上层1、介质层3、金属覆铜下层2，为了形成本实用新型的小型化基片集成多波束天线，通过印制电路板制造工艺对金属覆铜上层1、金属覆铜下层2进行加工形成所需的金属图案(电路结构)，该图案中各部分之间通过虚拟的点划线进行划分，对介质层3打孔并对孔做表面金属化处理形成金属化通孔31，所述金属覆铜上层1包括从输入端向辐射端(图5中从右至左)依次排列的馈电上表区域11、与馈电上表区域11连接的多模上表区域12、与多模上表区域12连接的四组三角形上表区域13，所述金属覆铜下层2 包括从输入端向辐射端(图6中从右至左)依次排列的馈电下表区域21、与馈电下表区域 21连接的多模下表区域22、与多模下表区域22连接的四组三角形下表区域23，所述介质层3中具有五排金属化通孔31，其中中间三排长度相同，外侧两排长度更长，所述金属化通孔31贯穿了馈电上表区域11和介质层3与馈电下表区域21连接，形成四路馈电基片集成波导，贯穿了多模上表区域12和介质层3与多模下表区域22连接，形成一路非对称多模基片集成波导，所述介质层3与位于其两侧的四组三角形上表区域13和四组三角形下表区域 23形成天线阵，所述三角形上表区域13和三角形下表区域23两者镜像对称。本领域的普通技术人员应该意识到，金属化通孔31的排数以及三角形上表区域 13和三角形下表区域23的数量是由馈电基片集成波导的路数(多波束天线的输入端口数量)决定，多波束天线的输入端口数量等于多波束天线所生成的具有不同指向的波束的数量，因此，尽管本实用新型的具体实施例采用四路输入端口和五排金属化通孔31，但是并不影响本领域的普通技术人员采用采用本技术方案实施其它N路(N为大于或等于二的自然数)输入端口的多波束天线。四路馈电基片集成波导的输入端口即为整个多波束天线的输入端口 a、端口 b、端口 C、端口 d，其可以为基片集成波导结构，也可以由基片集成波导转化为微带线、共面波导、金属波导、同轴线等结构；四路馈电基片集成波导的输出端口即为非对称的多模基片集成波导的四个输入端口，从任意一路馈电基片集成波导输入信号，可以在非对称的多模基片集成波导内激励起多个电场模式，合理设计非对称的多模基片集成波导的尺寸，可在非对称的多模基片集成波导的输出端口合成所需要的幅度和相位分布；非对称的多模基片集成波导的输出端口与天线阵直接相连，辐射能量，三角形上表区域13和三角形下表区域23 的尺寸也需进行优化以获得更好性能。本实施例的方案相对于现有的技术方案(如本实用新型人申请的专利申请号为 CN200810022648. 3的实用新型专利申请中公开的一种多模基片集成波导波束成形网络)， 将多模基片集成波导由对称结构变为非对称结构，使其可直接与天线阵集成构成小型化的基片集成多波束天线。现有的对称的多模基片集成波导两侧分别与四组基片集成波导相连，形成两个分界面，当电磁波从任一个输入端口传播到第一个分界面时会产生不连续性， 生成多个正交的工作模式并传输到第二个分界面，合成四路具有所需幅度、相位分布的电磁波，沿四路输入、四路输出的移相连接网络与四组独立的天线相连，所述天线与对称的多模基片集成波导之间互不影响，二者仅需独立设计并拼接即可。而本实施例的非对称的多模基片集成波导仅一侧与四组基片集成波导相连，形成分界面，当电磁波从任一个输入端口传播到此分界面时会产生不连续性，实现幅度变化，生成多个正交的工作模式在非对称的多模基片集成波导内传播，并实现相位变换，非对称的多模基片集成波导的另一侧可视作一个端口，当电磁波传播到此处时不会合成为四路电磁波，而是直接通过天线阵辐射出去。从微波网络的观点出发，对称的多模基片集成波导的特性需由三个级联的散射矩阵描述，包括两个分界面的散射矩阵和两个分界面之间的多模基片集成波导的散射矩阵，不对称的多模基片集成波导的特性仅由两个级联的散射矩阵描述，包括分界面的散射矩阵和分界面与天线阵之间的多模基片集成波导的散射矩阵，两者具有不同的物理模型，但却要实现相近的电路功能，因此，按照对称的多模基片集成波导的设计方法(仅需针对一个波束序号进行设计)来进行设计的非对称的多模基片集成波导无法正常工作，必须针对剩余 N-I个波束序号进行相似的设计，并对N个解进行兼容近似，这就是说对于非对称的多模基片集成波导的尺寸设计要求更为严格；但也正因为此，在非对称的多模基片集成波导的输出端就具备了直接对天线阵馈电的能力，无需再使用对称的多模基片集成波导的第二分界面的四组基片集成波导和相应的移相连接网络，这就有效的减少电路体积，简化电路结构。 此外，由于天线阵与不对称的多模基片集成波导之间直接相连，二者相互影响，因此在完成对不对称的多模基片集成波导的设计后，需要重新优化天线的尺寸。以本实施例的基本方案作为设计实例进行实验，一个小型化多模基片集成多波束天线在中心频率33. 5GHz处设计、加工并测试，并增加了微带基片集成波导过渡以便于测试。选用的介质基片介电常数为2. 2，厚度0.5mm，损耗角正切为0.0009。选定金属化通孔的直径为0. 4mm,间距为0. 8mm。测试结果表明，在31GHz 36GHz的范围内，回波损耗和隔离度基本优于IOdB ；在33. 5GHz，端口 a馈电，可生成半功率波瓣宽度为26. 6°、波束指向四.2°、增益8. 3dBi (包含额外的过渡结构)的波束；在35. 5GHz，端口 b馈电，可生成半
5功率波瓣宽度为19. V、波束指点9. 0°、增益9. 7dBi (包含额外的过渡结构)的波束；在 35. 5GHz，分别从端口 a、端口 b、端口 C、端口 d馈电，可生成四个指向不同的波束，用其半功率波瓣宽度覆盖76°的空间角度。 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。 本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。
权利要求1.小型化基片集成多波束天线，包括从上往下依次层叠的金属覆铜上层(1)、介质层 (3)、金属覆铜下层O)，其特征在于，所述金属覆铜上层(1)包括从输入端向辐射端依次排列的馈电上表区域(11)、与馈电上表区域(11)连接的多模上表区域(12)、与多模上表区域 (12)连接的N组三角形上表区域(13)，所述金属覆铜下层( 包括从输入端向辐射端依次排列的馈电下表区域(21)、与馈电下表区域连接的多模下表区域(22)、与多模下表区域02)连接的N组三角形下表区域(23)，所述介质层(3)中具有N+1排金属化通孔(31)， 所述金属化通孔(31)贯穿了馈电上表区域(11)和介质层(3)与馈电下表区域连接， 形成N路馈电基片集成波导，贯穿了多模上表区域(12)和介质层(3)与多模下表区域02) 连接，形成一路非对称的多模基片集成波导，所述介质层C3)与位于其两侧的N组三角形上表区域(1 和N组三角形下表区域形成天线阵，所述三角形上表区域(13)和三角形下表区域两者镜像对称。
专利摘要本实用新型涉及小型化基片集成多波束天线，包括从上往下依次层叠的金属覆铜上层、介质层、金属覆铜下层，所述金属覆铜上层包括从输入端向辐射端依次排列的馈电上表区域、与馈电上表区域连接的多模上表区域、与多模上表区域连接的N组三角形上表区域，所述金属覆铜下层包括从输入端向辐射端依次排列的馈电下表区域、与馈电下表区域连接的多模下表区域、与多模下表区域连接的N组三角形下表区域，所述介质层中具有N+1排金属化通孔，所述金属化通孔贯穿了馈电上表区域和介质层与馈电下表区域连接，贯穿了多模上表区域和介质层与多模下表区域连接。本实用新型的有益效果多波束天线结构紧凑，并因此获得更高的辐射效率。
文档编号H01Q21/00GK202210576SQ20112033243
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月6日 优先权日2011年9月6日
发明者樊勇, 程钰间 申请人:电子科技大学