一种多层平面天线阵列的制作方法

本发明涉及天线技术领域，更具体是涉及一种使用混合多层结构馈电的平面天线阵列。

背景技术：

毫米波天线作为毫米波无线通信系统中关键器件之一，其性能好坏直接影响到整个系统可实现的性能水平，其在毫米波频段关键的技术要点在于加工精度及复杂度、成本、体积、带宽及增益等。目前毫米波天线阵列由于其低剖面、高增益、易于集成等优点得到了广泛的应用。毫米波天线阵列主要分为馈电网络和辐射单元两个部分，目前存在的天线阵列类型都在所需性能的某个方面有一定缺点，例如：按照馈电网络划分，使用传统金属波导馈电的天线阵列会拥有最小的传输损耗，但该馈电结构加工成本较高，而使用带状线馈电的阵列虽然加工成本很低且易于集成，但是其损耗高，基片集成波导馈电的成本及损耗介于两者之间。

按照辐射单元来说，传统辐射单元均具有加工难度低的优点，但缝隙天线阵带宽窄、背腔天线体积大、贴片天线表面波强。所以，毫米波天线阵列需要针对馈电网络性能与成本之间的矛盾进行优化，并且需要一个辐射性能更优秀的辐射单元。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决现有技术之不足而提供的一种加工成本低，集成度高，带宽宽、增益高的多层平面天线阵列。

本发明是采用如下技术解决方案来实现上述目的：一种多层平面天线阵列，其特征在于，它包括分别集成有双层馈电网络(其中包括集成空气波导)及部分天线结构的若干层介质板和覆在相邻两层介质板之间的层间金属板，层间使用缝隙耦合；双层馈电网络中下层为空气波导功分网络，上层为SIW馈电网络，介质板及层间金属板层压成完整天线，此种结合方式使层间公用一块金属隔板，节省成本。

进一步地，它包括两层介质板、三层金属板和一层绝缘板，第一层介质板集成有多组辐射单元；第二层介质板集成有基片集成波导，绝缘板位于第二层介质板的下方，集成空气波导。

进一步地，每四个电偶极子天线为一组，呈四角分布，对角设置的两个电偶极子天线之间连接有短路条带，两组短路条带交叉连接为一体。

进一步地，电偶极子天线，厚度0.03-0.05mm，整体结构为方形，长度1-2mm；偶极子呈管状，外径为0.2-0.3mm。

进一步地，所述金属板为铜板，厚度为0.03-0.05mm，其上刻蚀有耦合缝隙，缝隙长宽分别为1-2mm、0.3-0.5mm。

进一步地，第二层介质板材质为Rogers4350B，厚度为0.5-0.6mm。

进一步地，绝缘板材质为FR4，厚度0.4-0.6mm。

进一步地，最下层金属板的底部设置有输入转接结构，用作输入口与空气波导输入端相连。

本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：

1、本发明传输损耗低，保持性能同时节省成本。采用使用双层馈电网络馈电，并且在传输长度长的下层馈电网络使用高成本集成空气波导，上层传输长度短的子网络使用低成本基片集成波导，以此做到对性能和成本之间的最大优化。

2、带宽宽，使用性能优秀的磁电偶极子天线，该天线加工难度低，且带宽远宽于传统天线。

3、易于加工。使用PCB技术，层间使用简单的缝隙耦合，且所有结构均集成在介质基片中，无对加工精度要求很高的结构，在毫米波器件加工中极大节省加工成本。

4、增益高。由于其体积小，可以制作大规模的天线阵列，因此增益很高。

附图说明

图1是本发明的三维结构图；

图2是本发明的侧视图；

图3是本发明的实施例的层1的俯视图；

图4是本发明实施例的层2的俯视图；

图5是本发明实施例的层3的俯视图；

图6是本发明实施例的层4的俯视图；

图7是本发明实施例的层5的俯视图；

图8是本发明实施例的层6的俯视图；

图9是本发明实施例的层7的俯视图；

图10是本发明中辐射单元的三维结构图；

图11是本发明中辐射单元的侧视图；

图12是本发明的S参数设计结果；

图13是本发明的71GHZ频点辐射方向图；

图14是本发明的78GHZ频点辐射方向图；

图15是本发明的86GHZ频点辐射方向图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本技术方案作详细的描述。

如图1-图2所示，本发明是一种多层平面天线阵列，它包括分别集成有双层馈电网络、集成空气波导的若干层介质板和设置在相邻两层介质板之间的层间金属板，层间使用缝隙耦合；上层为2×4子阵，双层馈电网络中下层为4×2空气波导功分网络，上层为2×4子阵，使用SIW馈电网络，介质板及层间金属板层压成完整天线，此种结合方式使层间公用一块金属隔板，节省成本。

本实施例中的多层天线阵列，为7层组合结构。

如图3所示，在第一层介质板2中，有多组辐射单元1的电偶极子天线22，厚度0.035mm，整体结构为方形，长度1.7mm。

如图4所示，第一层介质板的材质为Rogers4350B，厚度0.508mm，其中集成有偶极子23，偶极子半径为0.27mm；整体辐射单元结构为图10、图11中的电偶极子天线22与偶极子23结合，每四个电偶极子天线为一组，呈四角分布，对角设置的两个电偶极子天线22之间连接有短路条带21，辐射单元整体由铜构成，如图10和图11所示。

如图5所示，为设置在第一层介质板下方的铜板3，厚度为0.035mm，其上刻蚀有耦合缝隙10，缝隙长宽分别为1.4mm、0.4mm。

如图6所示，第二层介质板4材质为Rogers4350B，厚度0.508mm，其中集成有基片集成波导，作为2×4子阵馈电网络，基片集成波导宽度1.4825mm，图中相邻两立柱11之间的间隔0.55mm,立柱的直径0.3mm。立柱12、13作用为调整网络阻抗匹配，立柱12直径为0.25mm，立柱14用作调整耦合缝隙10的能量耦合。

如图7所示，为设置在第二层介质板下方的铜板5，厚度为0.035mm，其上刻蚀有耦合缝隙15，缝隙长宽分别为1.3mm、0.35mm。

如图8所示，为设置在如图7所示的铜板下方的绝缘板6，集成空气波导，材质为FR4，厚度0.5mm。空气波导呈H型，空气波导的左上侧横向部16，宽度2.35mm，右下侧横向部18为开槽，中间横向部17用作调整馈电网络阻抗匹配，用作调整耦合缝隙15的能量耦合，中间横向部17的中部向外延伸为开槽19，用作调整输入端能量耦合。

如图9所示，为铜板7，厚度0.035mm，底部设置有输入转接结构20，用作输入口与空气波导输入端相连。

由图12可看出天线阻抗带宽仿真结果可达到25.5％。图13、14、15为横跨天线带宽三频点的方向图，在整个带宽方向图都较优，在中低频交叉极化低于-40dB。

本发明与现有技术相比，天线阵列使用双层馈电网络馈电，下层为4×2空气波导功分网络，上层为2×4子阵，使用SIW馈电网络，天线辐射单元使用磁电偶极子天线，层间使用铜板作间隔，加工时先刻蚀介质板及铜板最后层压成完整天线，此种结合方式使层间公用一块金属隔板，节省成本。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。