一种双频端射抛物面天线的制作方法

一种双频端射抛物面天线
【技术领域】
1.本发明涉及电子通信技术领域，尤其涉及一种双频端射抛物面天线。


背景技术：

2.通信系统的发展正进入5g时代，为了克服带宽的限制，国际电信联盟已经为潜在的5g通信及其他应用授权了几个毫米波频段，其中包括24.25-27.5ghz，37-40ghz，66-76ghz。在未来移动通信系统的架构里毫米波通信系统将起到非常重要的作用。但是毫米波频段通信的问题在于：1)波长短，路径损耗严重，同时毫米波处于大气吸收峰频段，进一步加剧了路径损耗；2)毫米波很难穿透固体障碍物，所以仅限于视距传播，对于存在遮挡的环境，毫米波传输质量差。
3.为了解决这一难题，目前使用sub-6ghz频段和毫米波频段同时作为通信的媒质，其中sub-6ghz频段用于长距离、大范围的可靠通信媒质，而毫米波频段用于高速率大容量的数据传输，这一具体的应用场景要求天线可以同时覆盖毫米波和sub-6ghz频段。同时，由于考虑到毫米波的路径损耗，天线在毫米波频段必须同时具有高增益的特性。但是高增益天线的波束覆盖范围小，所以毫米波的天线常常需要以多波束的形式来获得大的覆盖范围。为此，兼容sub-6ghz和毫米波频段多波束的共享口径面天线是接收机前端的重要设备。
[0004]“anaperture-sharingarrayfor3.5/28ghzterminalswithsteerablebeaminmillimeter waveband”公开了一种毫米波多波束/sub-6ghz孔径共享端射天线，然而，其是基于微带pcb技术的，同时需要相对复杂的馈电网络实现毫米波段多波束。“millimeter-wave substrateintegratedwaveguidemulti-beamantennabasedontheparabolicreflectorprinciple”公开了利用抛物反射面实现多波束，但是仅工作在一个频段。
[0005]
因此，有必要提供一种双频端射抛物面天线，有效地实现一种兼容sub-6ghz和毫米波频段多波束的共享口径面天线，无需复杂的馈电网络即可实现高增益和高孔径效率，此外，与基于pcb的设计相比，更适合在恶劣环境中使用。


技术实现要素：

[0006]
本发明公开了一种双频端射抛物面天线，其可以有效解决背景技术中涉及的技术问题。
[0007]
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
[0008]
一种双频端射抛物面天线，包括上金属板、下金属板、sub端口、毫米波端口、第一波导组件和第二波导组件，所述上金属板和所述下金属板相对间隔设置且两者之间设有辐射出口，所述下金属板顶面设有第一抛物面金属反射板，所述第一抛物面金属反射板的顶面与所述上金属板的底面连接且其反射面对应所述辐射出口设置，所述第一抛物面金属反射板和所述辐射出口之间设有第二抛物面金属反射板，所述第二抛物面金属反射板的底面固定在所述下金属板的顶面上，所述第二抛物面金属反射板的顶面与所述上金属板之间存在间隙，所述第二抛物面金属反射板的数量不少于3个，所述sub端口与所述第一波导组件
的输入口连接，所述第一波导组件的输出口对应所述第一抛物面金属反射板的反射面设置，所述毫米波端口和所述第二波导组件的数量均为3个且一一对应连接，所述第二波导组件的输出口对应最靠近所述辐射出口的所述第二抛物面金属反射板的反射面设置。
[0009]
作为本发明的一种优选改进：所述sub端口、所述毫米波端口、所述第一波导组件和所述第二波导组件设置在所述上金属板或所述下金属板上。
[0010]
作为本发明的一种优选改进：所述第二抛物面金属反射板的数量为4-8个且相互平行间隔设置。
[0011]
作为本发明的一种优选改进：所述上金属板在所述辐射出口处向上延伸形成上斜板，所述下金属板在所述辐射出口处向下上延伸形成下斜板，所述上斜板与水平面角度为15
°
，所述下斜板与水平面角度为15
°
。
[0012]
作为本发明的一种优选改进：所述第一波导组件为wr-159波导，所述第二波导组件为wr-28波导。
[0013]
作为本发明的一种优选改进：所述上金属板和所述下金属板间隔4mm设置，所述第二抛物面金属反射板的顶面与所述上金属板之间的间隙为2mm，相邻所述第二抛物面金属反射板之间的间距为4mm。
[0014]
作为本发明的一种优选改进：所述第一抛物面金属反射板和所述第二抛物面金属反射板的几何尺寸通过公式y2＝4fx进行计算，其中f是焦距。
[0015]
作为本发明的一种优选改进：所述第一抛物面金属反射板的焦距为50mm，所述第二抛物面金属反射板的焦距为60mm。
[0016]
作为本发明的一种优选改进：所述上金属板和所述下金属板为铝板。
[0017]
作为本发明的一种优选改进：所述上金属板和所述下金属板之间通过螺钉固定。
[0018]
本发明的有益效果如下：
[0019]
提出了一种毫米波多波束和sub-6ghz孔径共享端射天线，两个抛物反射面分别用于sub-6ghz和mm波段电磁波的校准(转换为高增益平面波)；因此，无需复杂的馈电网络即可实现高增益和高孔径效率，sub-6ghz抛物反射面用全反射纯金属墙来实现，毫米波抛物反射面使用金属栅实现，金属栅反射毫米波电磁波，同时允许sub-6ghz电磁波自由通过；因此，两个抛物面天线可以共享相同的辐射孔径，同时相互干扰很小，多个输入端口用于毫米波抛物反射面的馈电以实现多波束辐射，与基于pcb的设计相比，全金属结构更适合在恶劣环境中使用。
【附图说明】
[0020]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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本发明的一些实施例，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它的附图，其中：
[0021]
图1为本发明一种双频端射抛物面天线的示意图；
[0022]
图2为本发明下金属板的结构示意图；
[0023]
图3为本发明天线工作原理说明图；
[0024]
图4为本发明有无张角结构的增益对比图；
[0025]
图5为本发明天线在4.7-ghz的辐射方向图；
[0026]
图6为本发明天线在28-ghz的辐射方向图；
[0027]
图7为本发明侧视图；
[0028]
图8为本发明下金属板的尺寸示意图；
[0029]
图9为本发明上金属板的尺寸示意图。
[0030]
图中：1-上金属板，11-上斜板，2-下金属板，21-下斜板，3-辐射出口，4-sub端口，5-毫米波端口，6-第一波导组件，7-第二波导组件，8-第一抛物面金属反射板，9-第二抛物面金属反射板。
【具体实施方式】
[0031]
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0032]
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0033]
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，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。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0034]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0035]
另外，本发明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。
[0036]
请参阅图1-图2所示，本发明提供一种双频端射抛物面天线，包括上金属板1、下金属板2、sub端口 4、毫米波端口 5、第一波导组件6和第二波导组件7，所述上金属板1和所述下金属板2相对间隔设置且两者之间设有辐射出口3，所述下金属板2顶面设有第一抛物面金属反射板8，所述第一抛物面金属反射板8的顶面与所述上金属板1的底面连接且其反射面对应所述辐射出口3设置，所述第一抛物面金属反射板8和所述辐射出口3之间设有第二抛物面金属反射板9，所述第二抛物面金属反射板9的底面固定在所述下金属板2的顶面上，所述第二抛物面金属反射板9的顶面与所述上金属板1之间存在间隙，所述第二抛物面金属反射板9的数量不少于3个，所述sub端口4与所述第一波导组件6的输入口连接，所述第一波导组件6的输出口对应所述第一抛物面金属反射板8的反射面设置，所述毫米波端口5和所述第二波导组件7的数量均为3个且一一对应连接，所述第二波导组件7的输出口对应最靠
近所述辐射出口3的所述第二抛物面金属反射板9的反射面设置。在本实施例中，所述第一波导组件6为wr-159波导，所述第二波导组件7为wr-28波导，所述上金属板1和所述下金属板2为铝板或铝合金板，所述上金属板1和所述下金属板2之间通过螺钉固定。
[0037]
具体的，天线包含两层金属板，所述上金属板1和所述下金属板2，所述上金属板1和所述下金属板2之间可以设置侧板，通过卡接或螺接的方式连接，附图中一侧设有侧板，一侧未设置侧板，经过测试，是否设置侧板对电磁波的反射传导等影响较小，可以忽略不计。在所述上金属板1或所述下金属板2上设有一个sub-6ghz频段的输入端口(所述sub端口4)和3个毫米波频段的输入端口(所述毫米波端口5)。在sub-6ghz的端口使用wr-159波导直接相连进行馈电，3个毫米波频段的输入端口分别使用wr-28波导直接相连馈电，在天线的所述辐射出口3处使用扩口结构来扩大辐射孔径取得较高的增益。
[0038]
所提出的双频毫米波多波束/sub-6gh孔径共享端射抛物反射面天线基本原理如图3所示，两个抛物反射面分别用于将sub-6ghz和毫米波段馈源发出的电磁波转化为高增益的平面波，并从天线的所述辐射出口3处辐射出去，图中的虚线表示电磁波的传播路径。sub-6ghz的抛物反射面使用所述第一抛物面金属反射板8实现，金属壁位于所述上金属板1和所述下金属板2之间，同时连接上下层金属，完全阻挡电磁波的通过。因为毫米波抛物反射面位于sub-6ghz抛物反射面的前面，所以使用周期性金属栅来实现毫米波抛物反射面，以减少对sub-6ghz电磁波的阻塞。周期性金属栅(所述第二抛物面金属反射板9为3层以上)仅与所述下金属板2相连，与所述上金属板1之间存在空隙。使用周期性的金属栅可以实现对毫米波频段电磁波的全反射，因此形成毫米波抛物反射面，同时周期性的金属栅对sub-6ghz频段的电磁波的遮挡很小，因此sub-6ghz电磁波可以穿过它从天线的所述辐射出口3辐射出去。
[0039]
为了更好的研究周期性金属栅的带隙效果，在ansyshfss使用本征模模拟获得单元的相应带隙区域。试验中，金属栅高度为2mm，金属栅与顶部金属之间的气隙尺寸也为2mm，光栅的周期(相邻两个板中心到中心的距离)选择为4mm。结果显示，所提出的光栅的色散曲线在sub-6ghz波段与光锥线几乎相同，表明sub-6ghz电磁波可以通过周期性金属光栅传输。当频率增加时，金属栅单元的色散曲线逐渐偏离光锥线，最终达到截止频率，带隙区域的位置可以通过调整金属光栅的周期和高度来调整。由于在设计中毫米波工作频率从26到30ghz，带隙的起始频率被调谐为22ghz。在带隙区域，电磁波被完全反射。因此，金属光栅可以用于形成毫米波抛物反射面。理想情况下，通过使用无限周期的金属光栅可以实现完美反射。优选地，使用四层金属板来形成抛物反射面，提供足够的反射并保持紧凑的抛物反射面尺寸。
[0040]
在sub-6ghz抛物反射面的焦点上放置单个馈源，以实现sub-6ghz频带的单波束高增益辐射，在毫米波抛物反射面的焦点附近布置多个馈源以实现多波束辐射。当馈源不位于抛物反射面的焦点时，孔径平面中的场将不再同相，波束将实现偏转的功能。不同毫米波端口的电磁波从天线所述辐射出口3射出的方向不同，因此天线的波束可以实现偏转，本设计中sub-6ghz和毫米波段的中心工作频率分别为4.8ghz和28ghz。
[0041]
图4给出了使用和不使用张角结构的天线增益，通过扩大辐射孔径，毫米波段的峰值增益从16.5dbi提高到24.8dbi，sub-6ghz波段的增益从6.2dbi增加到11.2dbi。同时使用扩口结构后，sub-6ghz波段的增益曲线变得更稳定。图5是天线在sub-6ghz频段(4.7ghz频
点)的辐射方向图，天线辐射良好，说明毫米波反射面对sub-6ghz频段的电磁波遮挡很小。图6给出了端口1-3分别激励时候的方向图，3个波束的偏角分别为0
°
(端口1激励)、-12
°
(端口2激励)和-18
°
(端口3激励)，实现了多波束的功能。
[0042]
作为一种实施方式，所述sub端口 4、所述毫米波端口 5、所述第一波导组件6和所述第二波导组件7设置在所述上金属板1或所述下金属板2上。所述sub端口4、所述毫米波端口5、所述第一波导组件6和所述第二波导组件7的位置可以自由旋转，安装在所述上金属板1或所述下金属板2上都可以，只要保证电磁波发射至对应的反射面即可。
[0043]
作为一种实施方式，所述第二抛物面金属反射板9的数量为4-8个且相互平行间隔设置，使用周期性的金属栅可以实现对毫米波频段电磁波的全反射，因此形成毫米波抛物反射面，优选地，所述第二抛物面金属反射板9的数量为4个。
[0044]
作为一种实施方式，所述上金属板1在所述辐射出口3处向上延伸形成上斜板11，所述下金属板2在所述辐射出口3处向下上延伸形成下斜板21，所述上斜板11与水平面角度为15
°
，所述下斜板21与水平面角度为15
°
，30
°
的张角结构可以提高天线增益。张角的度数和大小可以根据实际条件选择其他值，张角面积越大，天线的增益越高。
[0045]
请参阅图7-图9所示，图中为本实施例中各部分结构的尺寸示意图，其中h1＝4mm，h2＝20mm，h3＝80mm，h4＝2mm，h5＝4mm，l2＝38mm，l4＝68mm，l5＝135mm，l6＝135mm,l7＝68mm，l8＝220mm，l9＝245mm，l10＝152mm，l11＝100mm，θ＝30
°
。所述上金属板1和所述下金属板2间隔4mm设置，所述第二抛物面金属反射板9的顶面与所述上金属板1之间的间隙为2mm，相邻所述第二抛物面金属反射板9之间的间距为4mm。通常，为了确保在两层金属之间仅存在平板模式，两层金属之间的高度应至少小于λg/2，其中λg是最高工作频段的最短介质波长。因此，本实施例中采用4mm，也可以使用低于4mm的高度。
[0046]
所述第一抛物面金属反射板8和所述第二抛物面金属反射板9的几何尺寸通过公式y2＝4fx进行计算，其中f是焦距。所述第一抛物面金属反射板8的焦距为50mm，所述第二抛物面金属反射板9的焦距为60mm。
[0047]
具体的，两个抛物反射面分别用于将sub-6ghz和毫米波段馈源发出的电磁波校准为平面波，两个抛物面对应的焦距可以独立选择，因此，两个频段馈源的位置可以独立设置，这极大地提高了设计自由度。在本实施例中，焦距分别选择为50和60毫米。sub-6ghz的抛物反射面使用全金属壁实现，金属壁位于上下两层金属之间，同时连接上下层金属，完全阻挡电磁波的通过。因为毫米波抛物反射面位于sub-6ghz抛物反射面的前面，所以使用周期性金属栅来实现毫米波抛物反射面，以减少对sub-6ghz电磁波的阻塞。周期性金属栅仅与下层金属相连，但是不与上层金属连接，与上层金属之间存在空隙，空隙的高度是2mm，周期性金属栅格的高度是2mm。通过适当选择金属光栅的周期和高度，可以将周期性金属光栅的带隙调谐到毫米波区域。因此，毫米波频段的抛物反射面允许sub-6ghz电磁波通过，同时仍反射毫米波电磁波。
[0048]
工作原理：在所述sub端口4和所述毫米波端口5输入相应的电磁波，经所述第一波导组件6和所述第二波导组件7分别传输至所述第一抛物面金属反射板8、所述第二抛物面金属反射板9，经反射后从所述辐射出口3发出。
[0049]
现有的兼容sub-6ghz和毫米波频段的共享口径面天线都是通过阵列的方式来实现毫米波的高增益，但是阵列的馈电网络复杂，同时带来了额外的损耗。而且现有的设计很
少能在sub-6ghz取得高的增益。本发明通过将两个不同结构的抛物反射面天线结合，有效地实现一种兼容sub-6ghz和毫米波频段多波束的共享口径面天线。无需复杂的馈电网络即可实现高增益和高孔径效率。此外，与基于pcb的设计相比，全金属结构更适合在恶劣环境中使用。
[0050]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。