一种基于基片集成波导高次模式的差分天线阵列

1.本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种基于基片集成波导高次模式的差分天线阵列。


背景技术：

2.差分天线是一种常见的天线类型，其通常采用两路等幅反相的信号进行馈电，具有低交叉极化、方向图对称、高共模信号抑制率等的优点。为了实现差分馈电，常见的方法包括：一、采用等幅分配的一分二路功分器，然后通过调整输出端的两条传输线长度来实现180度相位差，例如(w.yang,k.ma,k.s.yeo and w.m.lim,"a compact high-performance patch antenna array for 60-ghz applications,"ieee antennas wireless propag.lett.,vol.15,pp.313-316,2016)中所示的微带线差分电路；二、采用180度耦合器，如(x.s.fang,k.w.leung,e.h.lim and r.s.chen,"compact differential rectangular dielectric resonator antenna,"ieee antennas wireless propag.lett.,vol.9,pp.662-665,2010)中所示的微带环形混合器和(j.m.rebollar,j.esteban and j.e.page,"full wave analysis of three and four-port rectangular waveguide junctions,"ieee trans.microw.theory tech.,vol.42,no.2,pp.256-263,feb.1994)中所示的魔t混合器；三、采用e面波导功分器，这种功分器在两个输出端具有天然的差分特性，如(x.ruan,k.b.ng and c.h.chan,"a differentially fed transmission-line-excited magnetoelectric dipole antenna array for 5g applications,"ieee trans.antennas propag.,vol.66,no.10,pp.5224-5230,oct.2018)所示；四、通过在金属板或波导结构上开设切割电流线的缝隙，缝隙两侧的电流常被视为差分信号，如(h.-t.hu and c.h.chan,"substrate-integrated-waveguide-fed wideband filtering antenna for millimeter-wave applications,"ieee trans.antennas propag.,vol.69,no.12,pp.8125-8135,dec.2021)所示；五、采用双导体传输线，传输线中两个导体上的信号也可以被视为是差分信号，如(r.a.alhalabi and g.m.rebeiz,"high-gain yagi-uda antennas for millimeter-wave switched-beam systems,"ieee trans.antennas propag.,vol.57,no.11,pp.3672-3676,nov.2009.)所示。以上这些都是较为常见的差分电路方案，但是都或多或少存在一些问题，例如：方案一和方案二中的环形混合器，它们的阻抗带宽通常较窄，而且差分相位随频率变化较为明显，很难在宽带范围内保持恒定的180度相位差；方案三和方案二中的魔t混合器，由于其特殊的e面波导t形结结构，虽然可以在阻抗带宽范围内实现理想的180度相位差，但是器件结构却太过复杂，往往为立体结构，较难集成于pcb板上；对于方案四和方案五，严格来讲它们所产生的信号并非理想的差分信号，因为很难保证缝隙两侧或者双导体传输线中两个导体之上的电流完全等幅且反相，它们所产生的差分信号中可能混有共模干扰。另一方面，当差分馈电电路应用于天线阵列时，还需考虑阵列布局、尺寸、馈线走线等问题，以上方案都较难兼顾这些问题。因此，提出一种具有宽阻抗带宽、输出端信号完全等幅且反相、可集成于pcb板、适用于天线阵
列馈电的差分电路是具有实际意义的。
3.近年来，人们对波导结构中的高次模式展开了深入的研究。研究发现，矩形波导中的高次模式具有半波长反相的特性，即对于te
n0
(n≥2)的行波模式，在横向方向(角标n的方向)上相邻的两个半波长的电场具有180度的天然相位差，因此，只要高次模式的波导可以满足输入端的阻抗匹配条件，那么在整个阻抗带宽范围内输出端相位差则可以恒定差分。目前，已报道的高次模天线研究通常聚焦在利用高次模式波导来实现天线阵列馈电网络的简化方面，且此类天线大多工作于高次的腔体谐振模式，通常带宽较窄，例如(w.han,f.yang,j.ouyang and p.yang,"low-cost wideband and high-gain slotted cavity antenna using high-order modes for millimeter-wave application,"ieee trans.antennas propag.,vol.63,no.11,pp.4624-4631,nov.2015)所示，不能满足人们的使用需求。


技术实现要素：

4.为了解决传统差分馈电电路较难实现：宽带、恒定差分相位、集成于pcb板、适用于天线阵列馈电等问题，本发明提供一种基于基片集成波导高次模式的差分天线阵列，是一种具有宽带、低剖面、低交叉极化、带内性能稳定、工作于ka波段的差分天线阵列。
5.为了实现本发明目的，本发明提供的一种基于基片集成波导高次模式的差分天线阵列，从下到上依次设置有第一介质板、第二介质板、第三介质板和第四介质板，在所述第一介质板的下表面和上表面分别设置有第一金属层和第二金属层，在所述第二介质板的上表面设置有第三金属层，在所述第三介质板的上表面设置有第四金属层，其中，
6.在所述第一金属层上设置有微带功分器，在所述第二金属层上且对应于所述微带功分器的每一路靠近末端的位置处均设置有所述第一耦合缝隙，所述第二介质板上设置有多个子阵列，且在所述第三金属层上对应于每个所述子阵列的位置处设置有第二耦合缝隙，在所述第四金属层上对应于每个所述第二耦合缝隙位置处设置有与之正交的金属贴片，每两个相邻且相向放置的所述金属贴片构成一对差分微带线。
7.采用该方案，电磁能量通过微带功分器等幅同相位分配至每一路，第一耦合缝隙用于将电磁能量自微带线耦合进上层的子阵列中，子阵列波导内传播高次的te
40
模式，差分场通过第二耦合缝隙激励微带线，最后经第四介质板辐射至大气当中。
8.所述第二耦合缝隙用于激励差分微带线。
9.进一步优选地，所述第一介质板、所述第二介质板、所述第三介质板和所述第四介质板的材质均为rogers 5880。
10.进一步优选地，所述第四介质板为纯介质板，上、下表面均无金属图形。
11.进一步优选地，所述微带功分器为一个一分三十二路的五级微带功分器。
12.进一步优选地，每个所述子阵列内激励te
40
模式的行波，包括四个以2
×
2形式排列的差分辐射单元。
13.进一步优选地，波导内的差分场通过所述第二耦合缝隙激励所述差分微带线。
14.进一步优选地，每个所述子阵列通过微带线-缝隙耦合的方式进行激励。
15.进一步优选地，所述第四介质板上对应于每对差分微带线的位置处均设置有介质块。
16.进一步优选地，所述介质块的截面呈矩形。
17.进一步优选地，所述第四介质板上设置连接结构。
18.进一步优选地，所述连接结构包括四个介质条。
19.与现有技术相比，本发明至少能够实现以下有益效果：
20.本发明利用矩形波导高次模式的半波长反相特性，提出了一种差分馈电的实现方法，该方法具有宽带、差分相位恒定、低剖面、可集成、可用于大规模阵列设计的优点。基于此方法，提出了一种工作于ka波段的差分天线阵列，该阵列具有带宽、高增益、低交叉极化、低剖面以及工作频带内辐射性能稳定的优点。
附图说明
21.为了更清楚地说明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
22.图1是本发明实施例提供的一种基于基片集成波导高次模式的差分天线阵列的结构示意图。
23.图2是本发明实施例提供的一种基于基片集成波导高次模式的差分天线阵列的结构爆炸图。
24.图3是本发明实施例中第一介质板及其上、下表面金属层的俯视图。
25.图4是本发明实施例中第二介质板及其上、下表面金属层的俯视图。
26.图5是本发明实施例中第三介质板及其上、下表面金属层的俯视图。
27.图6是本发明实施例中第四介质板及第四金属层的俯视图。
28.图7是本发明实施例中子阵列的工作原理示意图。
29.图8是本发明实施例中天线阵列的阻抗带宽示意图。
30.图9是本发明实施例中天线阵列中心频率32ghz的方向图，(a)为e面，(b)为h面。
31.图10是本发明实施例中天线阵列的增益特性示意图。
具体实施方式
32.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都是本发明保护的范围。
33.在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。此外，术语“具备”、“包含”以此相似表达，意图在于说明覆盖不排它的一个范围，例如，包含了一系列的步骤或者模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于详细列出的内容，而是可包括没有列出的对于这些步骤或模块所涉及的固有内容。另外，各个实施例之间的技术方案可以
相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
34.本发明提供的一种基于基片集成波导高次模式的差分天线阵列，如图1和图2所示，该阵列包括四层pcb板。坐标系建立如下，直角坐标系的x轴和y轴分别平行于pcb板的两个矩形边，阵列的最大辐射方向指向z轴，馈电点29位于y轴，规定-z和+z方向分别为下和上，则自下而上分别定义四层pcb板为第一介质板21、第二介质板22、第三介质板23和第四介质板24。金属层自下而上分别定义为第一金属层25、第二金属层26、第三金属层27和第四金属层28，其中，所述第一金属层25和所述第二金属层26分别位于所述第一介质板21的下表面和上表面；所述第三金属层27位于所述第二介质板22的上表面；所述第四金属层28位于所述第三介质板23的上表面；所述第四介质板24为纯介质板，上、下表面均无金属图形。
35.在本发明的其中一些实施例中，所有pcb板均为rogers 5880，介电常数为2.2，损耗正切角为0.0009，大小为75mm*72mm。
36.在本发明的其中一些实施例中，所述第一介质板21、所述第二介质板22、所述第三介质板23和所述第四介质板24的板材厚度分别为0.127mm、0.508mm、0.787mm和0.787mm。在其他实施例中，可以采用其他数值。
37.在本发明的其中一些实施例中，所述微带功分器31为一分三十二路的五级微带功分器，所述第一耦合缝隙32以8
×
4的形式排列。在其他实施例中，也可以采用其他的功分器级数和分配路数。
38.图3所示为所述第一介质板21上的电路设计，在所述第一介质板21下表面的所述第一金属层25上设置有一个微带功分器31。在所述第一介质板21上表面的所述第二金属层26上，对应于所述微带功分器31每一路靠近末端的位置处设置有第一耦合缝隙32，以8
×
4的形式排列。图4所示为所述第二介质板22上的电路设计，包括16个以4
×
4形式排列排布的子阵列41，每个所述子阵列41四周环绕以矩形形式排列的金属化过孔。在每个所述子阵列41的上表面，即第三金属层27上开设有8个以4
×
2形式排列的第二耦合缝隙42。图5所示为第三介质板23上的电路设计，在所述第三介质板23的上表面，即所述第四金属层28上，对应于每个所述第二耦合缝隙42设置有一个与之正交的金属贴片，每两个相邻且相向放置的所述金属贴片构成一对差分微带线51。图6所示为第四介质板24的结构图，在所述第四介质板24上且对应于所述第四金属层28上的每一对所述差分微带线51设置有一个矩形的介质块61。其中，在本发明的其中一些实施例中，矩形的所述介质块61通过在一整块纯介质板上挖孔得到，其与四周的结构通过连接结构62相连接。其中，所述连接结构62为四个介质条，分别位于呈矩形的所述介质块61的四周，用于将所述介质块61与周围的介质板结构相连。
39.整个阵列中，所述第一耦合缝隙31用于将电磁能量自微带线耦合进上层的所述子阵列41中。所述第二耦合缝隙42用于激励所述差分微带线51。矩形的所述介质块61的作用为改善天线的阻抗匹配。
40.工作原理上，整个阵列通过同轴接头由馈电点29激励，然后电磁能量通过所述微带功分器31等幅同相位分配至每一路。所述子阵列41的工作原理如图7所示，每个所述子阵列41由两个所述第一耦合缝隙32激励，波导内传播高次的te
40
模式，传播方向分别为+x和-x方向，电场沿y方向形成4个半波长驻波，每个所述子阵列41内包括4对差分辐射单元，分别
定义为单元71、单元72、单元73和单元74，单元间距为0.74个自由空间波长。波导内的差分场通过所述第二耦合缝隙42激励所述差分微带线51，最后经由矩形的所述介质块61辐射至大气当中。在本发明的其中一些实施例中，所述子阵列41是基于基片集成波导te
40
模所组成2
×
2差分阵列，在其它设计中可在此基础上灵活调整高次模的阶数n，实现基于te
20
，te
40
，te
60
等的设计，为构成差分辐射，阶数n需为偶数。
41.天线性能方面，图8为天线的阻抗带宽，该天线在26.7ghz到37.7ghz的频带范围内可实现低于-10db的阻抗匹配，阻抗带宽为34.2％，该带宽优于目前同频段8
×
8差分阵列的技术水平，具有宽带特性。图9为中心频率32ghz的方向图，天线的旁瓣低于-15db、交叉极化低于-50db，说明该天线具有低旁瓣、低交叉极化的特性，该交叉极化性能远优于同频段非差分8
×
8阵列的技术水平。图10为天线的增益特性，在工作频带(26.7ghz-37.7ghz)内，最大增益为25.3dbi，带内增益稳定。
42.综上所述，本发明实施例提供的一种基于基片集成波导高次模式的差分天线阵列天线具有宽带、高增益、低交叉极化以及工作频带内辐射性能稳定的优点。
43.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。