一种E-band小型化平板天线及其构成的同时同频双工器的制作方法

本发明属于毫米波大容量通信领域，涉及一种基于并馈多层波导缝隙阵列的E-band平板天线以及基于交叉极化对消的同时同频双工器。

背景技术：

随着频谱利用日趋饱和，通信业务压力日益增加，对新频段和高带宽的需求愈来愈旺盛。毫米波通信在军民领域都逐渐成熟并得到广泛利用。E-band是指上下行分别工作在71-76GHz、81-86GHz的较高毫米波频段。该频段共有10GHz的总带宽，可以承担极大的通信容量业务。目前E-band通信已经广泛应用于LTE核心网回传链路，配合高阶调制方式，如256QAM，可以达到3Gbps以上的空口传输速率。随着大功率器件的逐步发展，未来E-band将具备更为广泛的应用场景，如星间、星地链路，以及大容量实时情报侦察等领域。

为了克服大气衰减及雨衰带来的影响，高增益天线是E-band应用的核心器件。目前大部分成熟产品多采用抛物面天线，但这种天线具有较大的剖面，较难集成到系统内部。采用平面阵列将大幅减小天线剖面，有部分学者研究了采用SIW或Gap Waveguid的形式制作平面阵列。但由于这两种形式均属于半开放式的馈电网络，且高频段的介质损耗较大，其效率有一定限制。随着注塑电镀工艺的成熟，波导阵列的加工精度得到逐步提高，未来采用注塑电镀工艺的波导缝隙阵列将具备低剖面、轻质量的巨大优势。传统的波导缝隙阵列采用串馈形式，但其幅相平衡设计比较复杂。相较而言，采用并馈设计可以极大程度的降低设计难度，易于保证辐射单元的幅相平衡。由于E-band频段极高，其辐射单元的尺寸较小，为了保证单元间的紧耦合，需要间距极小。传统的并馈单元结构如图1所示，采用这种传统并馈单元将造成馈电网络结构干涉，因而无法实现阵列。

为了从根本上提高传输容量，需要提高系统的频谱利用率。传统的方法利用更高的调制方式，如1024QAM、2048QAM，或者采用非正交信号等方法提高频谱效率。但这些方法一定程度上需要更高的解调门限实现，从而限制了系统的通信距离或对发射功率有更高要求。与之相比，采用射频对消的同时同频双工方式是一种有效提升频谱利用率的手段，且不增加数字信号处理部分的压力。

传统的双工器形式主要分为频分双工与时分双工两种。频分双工的双工器由收发通道滤波器以及T型头构成。由于收发频带之间预留较宽的保护间隔，可以通过设计保证收发通带落在彼此的阻带内，从而提供较高的收发隔离。但这种形式需要对接收、发射通道分别提供不同的频带，因而对频谱造成了极大的浪费。时分双工的收发通道采用相同频带，一般采用环形器的形式提供合路，因而具有较高的频谱利用率。但若要实现大带宽，环形器的隔离度往往较受限制，一般只有20dB左右。因此需要在接收通道内增加一组开关保证收发之间的隔离。但开关打开时将会对接收链路带来极大的损耗，此时无法正常的接收信号，只能发射信号。因此时分双工在严格意义上来说并不是一种全双工形式。基于射频对消的同时同频双工可以有效利用频谱资源，实现同频带下的全双工通信。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种E-band小型化平板天线，易于集成。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种E-band小型化平板天线，包括四个小辐射单元和一个大辐射单元；所述的大辐射单元为矩形单元，通过矩形单元中部的耦合缝隙与位于矩形单元下侧的馈电波导连接；四个完全相同的小辐射单元均为矩形，连接在大辐射单元上侧，构成一个2*2的等间距矩形阵列。

所述大辐射单元的四边中心处各开一个水平截面为矩形的微扰缝隙，微扰缝隙贯穿大辐射单元的上下表面。

所述小辐射单元的长边长为工作频点的半波长，短边长不超过工作频点的半波长；各个小辐射单元间周期不超过工作频点的波长；小辐射单元的厚度不超过1mm；所述大辐射单元的长边长为一个工作波长，宽度不超过工作频点的半波长；大辐射单元的厚度不超过1mm；微扰缝隙的宽度与深度都不超过1mm。

所述馈电波导与大辐射单元之间的耦合缝隙为矩形缝隙；耦合缝隙的长度为工作频点波长的一半，耦合缝隙的宽度不超过工作频点波长的四分之一。

本发明还提供一种同时同频双工器，采用两个E-band小型化平板天线作为发射天线和接收天线，平行集成于同时同频双工器内部，发射天线和接收天线的极化形式正交，发射天线的馈电口延伸至同时同频双工器接口处构成发射端口，接收天线馈电口延伸至同时同频双工器接口处构成接收端口。

本发明的有益效果是：本发明利用收发两幅天线的极化隔离特性与固有的空间隔离特性，构成双工系统。天线采用小型化平板天线，易于集成。由于定向天线属于毫米波通信的必要器件，不可替代，因而利用天线构成双工系统并不增加系统的复杂度。本发明利用天线的隔离特性，替代了传统频分、时分双工系统。这种新型双工系统不需要增加额外的双工器，提高了系统的集成度，降低了系统组成的复杂度。同时，相较于频分双工系统利用保护频段提供收发隔离，本发明可以有效提高系统对频谱资源的利用率；相较于时分双工系统利用开关组提供收发隔离属于一种半双工形式，本发明提供了一种高效利用频谱资源的全双工方式。

附图说明

图1为传统的并馈波导缝隙单元示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为平视图，1代表耦合缝隙，2代表辐射单元，3代表馈电波导。

图2为本发明提出的多层波导缝隙单元示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为平视图，1代表耦合缝隙，3代表馈电波导，4代表上层小辐射单元，5代表下层大辐射单元，6代表微扰缝隙。

图3为本发明提出单元的馈电口回波损耗与不引入微扰的回波损耗对比示意图。

图4为本发明提出的同时同频双工器的组成框图，7代表发射天线，8代表接收天线，9代表同时同频双工器，10代表发射端口，11代表接收端口。

图5为本发明提出单元构成4*4线性阵列的模型图，其中，(a)为正面图，(b)为背面图。

图6为E面T形节结构示意图，12代表1端口，13代表2端口，14代表3端口，15为匹配结构。

图7为E面T形节端口性能示意图。

图8为本发明阵列馈电端口回波损耗示意图。

图9为本发明阵列增益方向图。

图10为本发明设计同时同频双工器结构示意图，其中，(a)为正面图，(b)为背面图，10代表发射端口，11代表接收端口。

图11为本发明设计同时同频双工器隔离度示意图。

图12为本发明双工器与系统装配示例图，9代表双工器，16代表整机壳体，17代表收发通道电路，18代表天线罩。

图13为本发明辐射单元结构尺寸图。

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，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明设计一种基于并馈的多层波导缝隙阵列，单元结构如图2所示。为了使馈电网络易于实现，需要增加单元的尺寸，但一味的增加单元尺寸将造成谐振点向低频偏移从而无法实现工作频段内的匹配。另外，过大的单元尺寸会造成方向图的严重畸变。为了克服这些问题，本发明设计一种将四个小辐射单元寄生于一个大辐射单元之上的多层辐射单元结构。这种结构可以有效的保证工作带宽内的阻抗匹配并避免方向图畸变。大辐射单元为矩形单元，位于下层，通过耦合缝隙与馈电波导连接。四个小辐射单元位于上层，均为矩形，外形尺寸完全相同，构成一个2*2的等间距矩形阵列，与下层的大辐射单元直接相连。为了扩展单元的驻波比带宽，本发明在单元四周引入微扰，从而改善表面电流分布，实现更宽频带内的阻抗匹配。本发明通过在大辐射单元四边中心处，各开一个矩形细缝构成微扰，细缝的长度与大辐射单元厚度相同。引入微扰与不加微扰的馈电口回波损耗对比如图3所示。利用这种单元构成二维阵列，可以提供低剖面、易集成的平板天线。构成阵列的单元数量取决于链路预算所需要的天线增益，构成阵列的单元数量越多，天线的增益越高，同时天线的尺寸也将越大。

根据缝隙天线的基本理论，在设计小辐射单元时，单元长度为工作频点的半波长，单元宽度与所需带宽有关，宽度越宽则带宽越宽，但不超过工作频点的半波长。小辐射单元间周期(相邻小辐射单元的中心距)不超过一个波长，以保证单元间的紧耦合。小辐射单元的厚度影响驻波比的匹配，但控制在1mm以内，保证易于加工。下层大辐射单元的长度为一个工作波长，宽度与带宽有关，但不超过一个工作波长，厚度控制在1mm以内。大辐射单元上的微扰缝隙宽度越窄、深度越深，其对表面电流的影响越强，宽度与深度都不超过1mm。馈电波导与下层辐射单元之间的耦合缝隙为矩形缝隙，该缝隙厚度越小，则耦合越强。耦合缝隙的长度与工作频点有关，为工作频点波长的一半。耦合缝隙的宽度与带宽有关，但不超过工作频点波长的四分之一。

本发明利用天线的极化特性以及空间隔离特性，借助于平板天线的低剖面与易集成等优点，设计一种新型的同时同频双工器，可以有效利用频谱与时间资源，使收发通道在相同频段内实现全双工工作，为系统提供极高的收发隔离度，是一种将天线集成于双工器内部的新型双工器形式，如图4所示。收发天线平行集成于双工器内部， 两幅天线的极化形式保证正交，如发射天线采用水平极化，接收天线采用垂直天线。这里只需要保证极化正交即可，亦可采用发射天线垂直极化，接收天线水平极化；或者两幅天线以正负45度的极化方式正交。发射天线馈电口延伸至模块接口处构成发射端口，接收天线馈电口延伸至模块接口处构成接收端口，测定两个端口之间的隔离度即为双工器的收发隔离。构成天线的单元数越多，天线的增益越大，则两幅天线间的空间隔离也将越大；两幅天线的间隔越大，则天线间的空间隔离也越大。天线间的空间隔离越大，则双工器收发端口之间的收发隔离也将越大。

依据发明内容所述理论与原则设计辐射单元，经过优化，各结构尺寸如图13所示。其中，a_wg＝3.0988mm，b_wg＝1.5494mm，L_cp＝2.3mm，w_cp＝0.7mm，h_cp＝0.1mm，L_low＝7.4mm，w_low＝6.9mm，h_low＝0.7mm，L_up＝2.7mm，w_up＝2.3mm，h_up＝1mm，w_int＝0.8mm，h_int＝0.5mm。

利用本发明所提出的单元形式，构成一个平面的4*4线性阵列，其电磁仿真模型如图5所示。阵列尺寸为28mm*30mm*3.3mm。

馈电波导采用标准波导法兰WR12，采用E面T形节构成功分器，基于此功分器设计馈电网络，如图6所示。其端口性能如图7所示，回波损耗S11<-22dB。

所设计的阵列达到预期要求，其端口回波损耗如图8所示，在71-76GHz频段内S11<-10dB；其增益方向图如图9所示，增益22dBi，第一副瓣电平-14dBc。

利用该4*4阵列，按照图4框图构成双工器，双工器结构示意图如图10所示，双工器尺寸为63mm*30mm*4mm。对收发隔离进行仿真，在工作频段71-76GHz范围内，收发隔离大于90dB(S21<-90dB)，如图11所示。

双工器与整机装配简要示例如图12所示。整机由壳体、收发通道、双工器、天线罩组成。收发通道工作在同一频段，不需要预留频率或时间上的保护间隔。收发通道电路波导接口与双工器通过标准法兰连接，两者层叠安装于整机壳体内。该双工器集成收发合路、收发隔离、以及天线等功能，简化了整机的组成关系。直接将天线罩作为上盖板，与整机壳体密闭安装，减少整机重量，构成一个集成度极高的前端系统。