一种平面集成阵列天线

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及一种宽带高增益的平面集成阵列天线结构。

背景技术

随着5G技术发展，移动数据应用和流量呈现指数级增长，毫米波技术在5G无线网络中的宽带通信应用具备了广阔的前景，此类应用通常要求毫米波天线具有高增益，宽带和低交叉极化。

通过使用常规的透镜和反射面天线，可以很容易实现高指向性，外形小巧，重量轻且更容易安装的高增益天线。这种天线通常对于长距离毫米波无线通信应用更具吸引力。

在所有平面天线阵列中，微带贴片天线阵列是微波频带中最常见的薄型天线之一，但是，由于在毫米波频段较高的介电损耗等因素引起的天线辐射效率低，限制了它们在毫米波频段中的应用。

缝隙波导阵列天线是另一种常用的平面天线阵列结构，但传统的缝隙波导阵列天线的带宽较窄，不适宜宽带高速通信场景。

因此，有必要改进天线的设计思路，开发一种性能好、便于产业推广的高增益，宽带运行的平面阵列天线。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种宽带高增益的平面集成阵列天线，技术方案如下：

一种平面集成阵列天线，所述平面集成阵列天线整体结构包括上层、中间层和底层，所述上层为阶梯形波导喇叭阵列（401），中间层是介质集成波导腔背面贴片阵列（402）；底层是介质集成波导腔馈电网络，通过耦合孔阵列（403）激励第三介质集成波导腔背面贴片阵列（402），所述介质集成波导腔馈电网络集成了从第三介质集成波导（408）到WR-12矩形波导（409）的传输过渡（407），所述传输过渡（407）由传输过渡腔（410）、矩形波导WR-12及第四介质集成波导SIW组成。

进一步的，所述中间层印制在单层PCBRogers4003c材料上，所述介质集成波导腔馈电网络设置在厚度为0.508mm的单层Rogers5880材料上。

进一步的，所述传输过渡腔（410）由金属柱围合成矩形，包括上横部（209）、第一竖部（210）、下横部（211）、传输窗口（411）、腔背面金属贴片（412）及第二层介质（203），其中上横部（209）由六根金属柱排成与Y轴平行的一行；第一竖部（210）为六根金属柱均分成两列且关于X轴对称；下横部（211）为两根关于X轴对称的金属柱，其轴线距离W

进一步的，所述平面集成阵列天线进一步包括天线单元，所述天线单元（101）包括上下两层，下层包括第一输入端口（102）、第一层介质集成波导（103）、第一层介质集成波导腔（104）、第一层介质集成波导腔体背面贴片（105），第一层介质（106），第一信号过渡窗口（107）；上层包括第一单元上板（108）及第一阶梯波导喇叭（109）。

进一步的，所述底层以介质底板上表面的中心为坐标原点，建立直角坐标系O-XYZ，X轴为纵轴，Y轴为横轴，Z轴垂直穿过纸面并朝向纸的外侧，所述底层包括由两个金属块（202）及第二层介质（203）组成的第二输入端口（201），所述金属块（202）关于X轴对称，所述金属块（202）的上下底面分别紧贴且垂直于上底板（204）与介质下底板（205）；第二层介质集成波导（206）由两列第一金属柱（207）、介质上底板（204）与介质下底板（205）组成，所述第二层介质集成波导（206）用于连通第二输入端口（201）与第二层介质集成波导腔（208），所述第二层介质集成波导腔（208）由上横部（209）、第一竖部（210）、下横部（211）及第二层介质（203）组成，上横部（209）由五根金属柱组成，所述五根金属柱平行于Y轴排列为一行，第一竖部（210）由均分成两列的四根金属柱构成，所述两列金属柱关于X轴对称；下横部（211）由关于X轴对称的两根金属柱构成，所述第二层介质（203）由介质上底板（204）、介质下底板（205）及中间介质层（214）构成，构成第二层介质集成波导腔（208）的金属柱均垂直于介质上底板（204）与介质下底板（205），第二信号过渡窗口（212）为矩形窗口，设置于第二层介质集成波导腔（208）的正上方，第二层介质集成波导腔（208）背面的金属贴片（213）是位于第二信号过渡窗口（212）内部的矩形金属片，所述金属贴片（213）作为波形和阻抗的变换器激励第二阶梯波导喇叭（216），所述两列第一金属柱（207）关于X轴对称，第一金属柱（207）的上下底面紧贴且垂直于介质上底板（204）与介质下底板（205）。

进一步的，所述金属块（202）在X轴方向上的长度范围为1.60-4.3mm，金属块（202）在Y轴方向上的距离范围为2.032-4.7mm，金属块（202）在Y轴方向的宽度可以根据需求调节为1.4mm。

进一步的，所述第二层介质集成波导（206）及第二介质集成波导腔（208）的金属柱横截面是矩形、椭圆形、T型、十字型、哑铃型的任一种。

进一步的，所述两列第一金属柱的轴线距离W

进一步的，所述上层由第二单元上板（215）和第二阶梯波导喇叭（216）组成，所述第二单元上板（215）是金属制长方体，位于介质上底板（204）的上部，第二单元上板（215）的下表面紧贴介质上底板（204）的上表面；第二阶梯波导喇叭（216）由馈电波导（217）和喇叭端口（218）组成，所述馈电波导（217）位于第二单元上板（215）的内部，从下到上贯穿第二单元上板（215），所述喇叭端口（218）由金属块开槽制成，其位于第二单元上板（215）的上部，喇叭端口（218）进一步包括波导槽（219）和辐射端口（220），所述波导槽（219）由第二单元上板（215）中的波导向上延伸形成，波导槽（219）连通馈电波导（217）与辐射端口（220），所述辐射端口（220）由金属块顶部向下开槽制成。

进一步的，所述馈电波导（217）在X轴方向上的宽度W

进一步的，所述上层的阶梯形波导喇叭阵列进一步包括三层的2×2子阵阶梯波导喇叭结构，所述2×2子阵阶梯波导喇叭的上层包括四个第三阶梯波导喇叭（301）和一个凹槽（302），所述第三阶梯波导喇叭（301）分成两列且关于于X轴对称，所述凹槽（302）位于两列第三阶梯波导喇叭（301）之间，凹槽（302）的深度值为0.9mm；所述2×2子阵阶梯波导喇叭的中间层包括两对相反的第二介质集成波导腔背面金属贴片（303），用于激励第三阶梯波导喇叭（301），所述2×2子阵阶梯波导喇叭的底层是一分二的功分器，所述功分器由横部（304）和第二竖部（305）组成，所述横部（304）由金属柱且外形轮廓为矩形；所述2×2子阵阶梯波导喇叭进一步包括分别以Y轴对称的第二金属柱（306）、第三金属柱（307）及第四金属柱（308），进一步还包括第五金属柱（309）及第六金属柱（310），所述第二金属柱（306）、第三金属柱（307）、第四金属柱（308）、第五金属柱（309）及第六金属柱（310）均用于调节匹配电磁参数；所述第二竖部（305）由馈电端口（311）和传输波导（312）组成，所述横部（304）上部设置两个耦合槽（313），所述耦合槽（313）关于X轴对称且连通第二层介质集成波导（206）。

进一步的，所述天线单元（101）在电场面所在的YOZ面和磁场面所在的XOZ面之间的距离值是4.1mm或3.1mm的任一种。

进一步的，所述耦合槽（313）关于X轴对称且截面形状是矩形、椭圆形、T型、十字型、哑铃型的任一种。

本发明的宽带高增益平面集成阵列天线运行性能好，工作带宽更较宽，增益较高，外形小巧且交叉极化低，所提出的天线阵列适用于在E波段（60-90 GHz）无线回传系统中的应用，便于产业推广。

附图说明

图1：本发明的天线单元结构示意图。

图2a：本发明天线单元的俯视图。

图2b：本发明天线单元的左视图。

图2c：本发明天线单元的主视图。

图3a：本发明2×2子阵阶梯波导喇叭俯视图。

图3b：本发明2×2子阵阶梯波导喇叭左视图。

图3c：本发明2×2子阵介质集成波导腔背面贴片俯视图。

图3d：本发明2×2子阵波导腔馈电网络俯视图。

图4 ：本发明的16×16单元天线阵列结构图。

图5：本发明的介质集成波导到标准矩形波导WR-12之间的过渡传输的几何形状俯视图及左视图。

图6：本发明的16×16单元天线阵列的俯视图、左视图及仰视图。

图7：本发明16×16单元天线阵列的仿真和测量的反射系数。

图8：本发明16×16单元天线阵列的仿真和测量的增益以及天线效率。

图9a：本发明16×16单元天线阵列在71 GHz频率下的仿真和测量远场辐射方向图。

图9b：本发明16×16单元天线阵列在78 GHz频率下的仿真和测量远场辐射方向图。

图9c：本发明16×16单元天线阵列在86 GHz频率下的仿真和测量远场辐射方向图。

图示标号说明：

天线单元101，第一输入端口102，第一层介质集成波导103，第一层介质集成波导腔104，第一层介质集成波导腔体背面贴片105，第一层介质106，第一信号过渡窗口107，第一单元上板108，第一阶梯波导喇叭109，第二输入端口201，金属块202，第二层介质203，介质上底板204，介质下底板205，第二介质集成波导206，第一金属柱207，第二层介质集成波导腔208，上横部209、第一竖部210、下横部211，第二信号过渡窗口212，金属贴片213，中间介质层214，第二单元上板215，第二阶梯波导喇叭216，馈电波导217、喇叭端口218，波导槽219，辐射端口220，第三阶梯波导喇叭301，凹槽302，第二层介质集成波导腔背面金属贴片303，横部304，第二竖部305，第二金属柱306，第三金属柱307，第四金属柱308，第五金属柱309、第六金属柱310，馈电端口311，传输波导312，耦合槽313，波导喇叭阵列401，第三层介质集成波导腔背面贴片阵列402，耦合孔阵列403，铝板404，Rogers4003c材料405，Rogers5880材料406，传输过渡407，第三层介质集成波导408，WR-12矩形波导409，传输过渡腔410，传输窗口411、腔背面金属贴片412。

具体实施方式

下面通过详细描述一个实施例具体阐述本发明提出的一种宽带高增益平面集成阵列天线及其设计方法，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同的标号表示相同的含义。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

图1是本发明的天线单元结构示意图，该宽带高增益的天线单元101由上下两层组成，下层包括第一输入端口102、第一层介质集成波导103、第一层介质集成波导腔104、第一层介质集成波导腔体背面贴片105，第一层介质106，第一信号过渡窗口107；上层包括第一单元上板108、第一阶梯波导喇叭109，本发明的宽带高增益天线单元的仿真尺寸如下表一所示，其中尺寸单位为mm：

表一

请参考图2a本发明天线单元的俯视图、图2b天线单元的左视图及图2c天线单元的主视图，该天线单元101的底层以介质底板上表面的中心为坐标原点，建立直角坐标系O-XYZ，X轴为纵轴，Y轴为横轴，Z轴垂直穿过纸面并朝向纸的外侧，第二输入端口201由两个金属块202及第二层介质203组成，该金属块202关于X轴对称，如图2a所示，金属块202连通介质上底板204与介质下底板205，同时金属块202垂直于上底板204与介质下底板205，金属块202的上下底面紧贴上底板204与介质下底板205，用于防止电磁信号泄露。

两个金属块202在X轴方向上的长度范围为1.60-4.3mm，优选值为2.5mm；两个金属块202在Y轴方向上的距离范围为2.032-4.7mm，优选值为3.099mm，特别的，金属块202在Y轴方向的宽度可以根据需求调节为1.4mm。

第二层介质集成波导206由两列第一金属柱207、介质上底板204与介质下底板205组成，所述两列第一金属柱207关于X轴对称，对称的两个金属柱轴线距离W

在具体制造过程中，上横部209的长度W

天线单元101的上层由第二单元上板215和第二阶梯波导喇叭216组成，第二单元上板215是金属制长方体，位于介质上底板204上部，第二单元上板215的下表面紧贴介质上底板204的上表面，所述第二单元上板215的长度、宽度与第二介质203的尺寸相同，高度H

在具体制造过程中，第二单元上板215的长宽高、第二阶梯波导喇叭216的长宽高，辐射端口220的长宽高均可根据实际需求调节。

请参考图3a本发明2×2子阵阶梯波导喇叭俯视图、图3b为2×2子阵阶梯波导喇叭左视图、图3c为2×2子阵介质集成波导腔背面贴片俯视图及图3d为2×2子阵波导腔馈电网络俯视图，该2×2子阵结构由三层构成，上层由四个第三阶梯波导喇叭301和一个凹槽302组成，第三阶梯波导喇叭301分成两列且关于于X轴对称，凹槽302位于上面两个第三阶梯波导喇叭301和下面两个第三阶梯波导喇叭301之间，凹槽302的深度优选值为0.9mm。中间层包括两对相反的第二介质集成波导腔背面金属贴片303，用于激励第三阶梯波导喇叭301，底层是一分二的功分器，由横部304和第二竖部305组成，横部304由金属柱组成，外形轮廓为矩形。第二金属柱306、第三金属柱307及第四金属柱308均以Y轴对称，第二金属柱306、第三金属柱307、第四金属柱308、第五金属柱309、第六金属柱310均用于调节匹配电磁参数。

第二竖部305由馈电端口311和传输波导312组成，在横部304上部设置两个耦合槽313，所述耦合槽313关于X轴对称，且连通第二介质集成波导206，在电场面所在的YOZ面和磁场面所在的XOZ面，两个天线单元101之间的距离优选值例如可以是4.1mm或3.1mm，宽带2×2子阵结构的实验结果如下表二所示，对于宽带2×2子阵中的第三阶梯波导喇叭301、第二介质集成波导腔背面金属贴片303的尺寸最优值与表一中的相同，其中尺寸单位为mm。

表二

2×2子阵的通过在上层设置凹槽302，通过凹槽302抑制表面波的传输来降低相邻单元天线的耦合，改善阻抗匹配；同时，凹槽302还可以通过调制表面电流的分布和辐射表面波的能量，使整个辐射孔径上的电场分布更加均匀，电流分布被调制，同时，用作次级辐射源的凹槽302通过辐射表面波能量来提高增益和降低旁瓣，特别的，凹槽302的高度可根据具体需求调节。

在具体制造过程中，第二金属柱306、第三金属柱307、第四金属柱308及第五金属柱309均用于调节匹配高度，其位置均可根据实际需求调节，耦合槽313的长度、宽度均可根据实际需求调节。

请参考图4 本发明的16×16单元天线阵列结构图，该16×16单元阵列天线整体结构分为上层、中间层和底层，上层为16×16阵列的阶梯形波导喇叭阵列401，其设置在59 mm×78 mm的铝板404表面，16×16阵列的阶梯形波导喇叭之间的间隔与图3a中2×2子阵列的阶梯波导喇叭的间隔相同；中间层是16×16 阵列的第三层介质集成波导腔背面贴片阵列402，该中间层印制在单层PCBRogers4003c材料405上；底层是一个一分128路的介质集成波导腔馈电网络，设置在厚度为0.508mm的单层Rogers5880材料406上，该单层Rogers5880材料的

为了方便测量，在16×16阵列的阶梯形波导喇叭阵列的输入端口上集成了从第三层介质集成波导408到WR-12矩形波导409的传输过渡407，所述传输过渡407的结构如图5的几何形状俯视图及左视图所示，所述传输过渡407由传输过渡腔410、矩形波导WR-12及第四介质集成波导SIW组成。所述传输过渡腔410由金属柱围合成矩形，包括上横部209、第一竖部210、下横部211、传输窗口411、腔背面金属贴片412及第二介质203，上横部209由六根金属柱排成与Y轴平行的一行；第一竖部210为六根金属柱均分成两列且关于X轴对称；下横部211为两根关于X轴对称的金属柱，其轴线距离W

表三

为了验证所提出的设计，申请人实际制造了尺寸为59 mm×78 mm的16×16单元阵列天线，该16×16单元阵列天线辐射孔的尺寸为49 mm×69 mm，产品实物照片如图6所示，分别为本发明的16×16单元天线阵列的俯视图、左视图及仰视图，该16×16单元阵列天线的馈电层和中间层分别通过标准的单层PCB技术在Rogers 5880和Rogers 4003c中制造，带有凹槽的阶梯形波导喇叭通过铣削工艺在铝中制成，上层、中间层及底层分别加工，然后使用金属螺钉堆叠，为了在介电介质和阶梯形波导喇叭之间建立良好的电接触，如图2b所示，引入厚度为4.0mm的底部金属板形成夹层结构，特别的，本发明的天线工作时不要求必须有底部金属板。

反射系数采用Rohde＆Schwarz矢量网络分析仪ZVA40和60至90 GHz扩展器测量，如图7本发明16×16单元天线阵列的仿真和测量的反射系数显示了该16×16单元天线阵列的仿真和测量反射系数，反射的测量阻抗带宽小于-10 dB，工作频率范围为71~88.5 GHz，该测量值高度吻合仿真值。

请参考图8本发明16×16单元天线阵列的仿真和测量的增益以及天线效率，结果表明，在工作范围内，仿真增益在31.4~33.1 dBi的范围内，辐射口径效率大于90％，仿真的天线效率约为60％，实测增益在28.8-30.9dBi范围内，实测增益比仿真增益大约低2dB，实测天线效率约为36％，该差异主要来自基板在E波段的未知介电损耗角正切，且基板制造商仅提供高达10 GHz的损耗角正切，而不提供毫米波范围内的损耗角正切，设计经验表明，基板的损耗角正切随频率增加，因此，测得的介电损耗将高于模拟值。

请参考图9a至图9c所示，分别是本发明16×16单元天线阵列在71 GHz、78GHz和86GHz频率下的仿真和测量远场辐射方向图，由于凹槽的二次辐射，在整个工作带宽上，测得的第一旁瓣电平约为-12dB，测得的辐射方向图在某些频率点处是不对称的，并且负角处的第一旁瓣电平比正角处的第一旁瓣电平高约2dB，仿真结果表明，该差异主要是由于PCB的加工误差造成的，例如，T形功分器的匹配通孔在馈电网络的处理中被偏移，匹配的通孔偏移将使馈电网络层和辐射孔上的电场幅度和相位恶化，因此测得的交叉极化电平低于−35dB，仿真的信号小于−60 dB，在71GHz、78GHz和86 GHz时，测得的电场面平面的半功率波束宽度分别为4.2度、3.8度和3.5度，磁场面平面的测得半功率波束宽度在频率71 GHz、78GHz和86 GHz时分别为3.2度，2.9度和2.6度。

本发明的宽带高增益平面集成阵列天线运行性能好，工作带宽更较宽，增益较高，外形小巧且交叉极化低，所提出的天线阵列适用于在E波段无线回程系统中的应用，便于产业推广。