一种双频天线阵列结构

技术领域

本发明属于阵列天线技术领域，特别涉及一种双频天线阵列结构。

背景技术

天线是无线通信系统中的关键组件之一，起着转换导行电磁波与辐射电磁波能量的作用，其目前发展的方向与目标是宽带宽、高效率、高增益以及小体积；然而，天线性能及尺寸小型化往往难以兼得，如何在实现毫米波天线的小型化基础上，兼顾天线的辐射性能，成为了研究的重点对象。当前小型化天线的一个重要分支是基片集成腔(Substrateintegrated cavity，简称SIC)天线，通过SIC的谐振以及加载在上层金属上的辐射窗进行辐射；目前的研究多局限于对谐振腔的基模进行运用，如何高效率地将高阶谐振模式运用到天线辐射上成为一个有待解决的问题。

随着电磁环境逐渐复杂多变，单一频率的天线有时难以完成传输任务，故增加天线的工作频点成为解决方案；低频段的使用已相当拥挤，需要设计更高频段适用器件以解决该问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双频天线阵列结构，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的双频天线阵列结构，能够实现双频辐射，激发了SIC的高阶模，尺寸较小且保证了高增益、高辐射效率。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种双频天线阵列结构，所述双频天线阵列结构为多层层叠结构，由下至上依次为第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三金属层、第三介质层、第四金属层；

所述第一金属层设置有矩形波导馈电口，所述矩形波导馈电口用于将电磁能量由外部的矩形波导输入所述双频天线阵列结构内部；

所述第一介质层设置有由多个金属短路柱构成的矩形基片集成腔，所述矩形基片集成腔用于将所述矩形波导馈电口输入的电磁波能量进行谐振，输出谐振的电磁波能量；

所述第二金属层设置有矩形耦合窗；所述第二介质层设置有由多个金属短路柱构成的基片集成波导传输结构、阻抗匹配结构和功率分配结构；所述矩形耦合窗用于将谐振的电磁波能量耦合至所述基片集成波导传输结构，所述阻抗匹配结构用于将所述功率分配结构的输入阻抗与所述基片集成波导传输结构中的特性阻抗进行匹配，所述功率分配结构用于将经所述阻抗匹配结构传输的电磁能量进行分配输出；

所述第三金属层上设置有沙漏形耦合缝隙；所述第三介质层设置有由金属短路柱构成的天线辐射体中的矩形基片集成腔；所述沙漏形耦合缝隙用于将所述功率分配结构分配输出的电磁能量耦合至所述天线辐射体中的矩形基片集成腔中，且对天线辐射体进行馈电；所述天线辐射体中的矩形基片集成腔用于产生天线辐射所需的电磁谐振模式；

所述第四金属层上设置有矩形辐射窗，所述矩形辐射窗用于将所述天线辐射体中的矩形基片集成腔电磁谐振产生的电磁能量进行辐射。

本发明的进一步改进在于，所述矩形波导馈电口、所述矩形基片集成腔以及所述矩形耦合窗的长边相互平行、短边相互平行且三者的中心位置上下方向上对齐；

所述矩形耦合窗的尺寸<所述矩形波导馈电口的尺寸<所述矩形基片集成腔的尺寸。

本发明的进一步改进在于，所述功率分配结构设置有四个输出端口，用于将经所述阻抗匹配结构传输的电磁能量进行一分四输出。

本发明的进一步改进在于，所述第二介质层中的功率分配结构内设置有三个独立金属短路柱，用于改变输出端口的相位。

本发明的进一步改进在于，所述第三金属层上设置的沙漏形耦合缝隙的数量为四个；所述第三介质层设置的天线辐射体中的矩形基片集成腔的数量为四个；所述第四金属层上设置的矩形辐射窗分为四组；

其中，四个沙漏形耦合缝隙各自的中心与四个天线辐射体中的矩形基片集成腔各自的中心一一上下对准；四个天线辐射体中的矩形基片集成腔各自的中心与四组矩形辐射窗各自的中心一一上下对准。

本发明的进一步改进在于，四个天线辐射体中的矩形基片集成腔共同组成一个田字形结构。

本发明的进一步改进在于，四组矩形辐射窗共同组成一个田字形结构；

每组矩形辐射窗均包括四个矩形孔，四个矩形孔分别位于田字形结构的四个矩形框内。

本发明的进一步改进在于，所述第二介质层中的基片集成波导传输结构为保持预设间距的两排金属短路柱结构。

本发明的进一步改进在于，所述多层层叠结构采用低温共烧陶瓷工艺进行层间固定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

针对小型化与高增益、高效率难以兼得问题，本发明提供的双频天线阵列结构采用了由矩形波导馈电和基片集成波导(Substrate integrated waveguide，简称SIW)过渡的SIC天线，这种手段拥有多层结构的特点，将天线的不同部分安排在不同的层，充分利用了纵向空间，能在实现小型化的同时保证高增益、高辐射效率。针对频段拥挤问题，本发明提供的双频天线阵列结构用到了SIC的高阶谐振模式而非基本模式，这种手段提高了天线的工作频率，能减少天线使用中的同频段电磁干扰，同时减少了信号调制工作的复杂度与需求度。

针对多层层叠结构层间对准问题，本发明采用低温共烧陶瓷(Low temperatureco-fired ceramic，简称LTCC)工艺，这种工艺通过多层陶瓷统一烧制，减少了层间垂直位置对不准情况的发生，相较于PCB工艺误差更小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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。

图1是本发明实施例提供的一种双频天线阵列结构的结构爆炸示意图；

图2是本发明实施例中，天线单元辐射体结构俯视示意图；

图3是本发明实施例中，SIW功率分配器结构俯视示意图；

图4是本发明实施例中，矩形波导-SIW过渡结构的上层结构俯视示意图；

图5是本发明实施例中，矩形波导-SIW过渡结构的下层结构俯视示意图；

图6是本发明实施例中，天线的S参数仿真结果示意图；

图7是本发明实施例中，天线在146GHz时的真实增益方向示意图；

图8是本发明实施例中，天线在166GHz时的真实增益方向示意图；

图9是本发明实施例中，天线最大真实增益随频率变化曲线示意图；

图10是本发明实施例中，天线辐射效率随频率变化曲线示意图；

图中，1、第一金属层；2、第一介质层；3、第二金属层；4、第二介质层；5、第三金属层；6、第三介质层；7、第四金属层；8、金属短路柱；9、矩形辐射窗；10、天线辐射体中的矩形基片集成腔；11、沙漏形耦合缝隙；12、阻抗匹配结构；13、矩形耦合窗；14、矩形波导-SIW过渡结构中的矩形基片集成腔；15、矩形波导馈电口。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

请参阅图1至图5，定义其标注的-x方向为前，+x方向为后，-y方向为左，+y方向为右，-z方向为下，+z方向为上；本发明实施例提供的一种双频天线阵列结构为多层层叠结构，所述多层层叠结构由下至上包括矩形波导-SIW过渡结构、阻抗匹配结构、功率分配器以及2×2天线阵列；具体解释性的，本发明实施例提供的双频天线阵列结构共由7层组成，其中包括4层金属层和3层介质层，由下至上为第一金属层1、第一介质层2、第二金属层3、第二介质层4、第三金属层5、第三介质层6以及第四金属层7，所有金属层材料均可为金、银、铜等高电导率金属，所有介质层材料为相对介电常数为2～15、相对磁导率约为1的绝缘体材料，具体可根据工作频率进行选择。

本发明实施例中，多层层叠结构的层间固定方式可选择螺丝固定、导电胶黏合、陶瓷一体化烧制等；本发明实施例优选的，推荐使用LTCC工艺采用陶瓷一体化烧制方法进行层间固定，可以更大程度的减小层间对不准情况的发生，以减小误差。

本发明实施例中，第一金属层1中加载有一个矩形孔，该矩形孔的长边沿着前后方向，短边沿着左右方向，该矩形孔为矩形波导馈电口15。第一介质层2中设置有由数个金属短路柱构成的矩形结构，该矩形结构的长边沿着前后方向，短边沿着左右方向，该矩形结构为矩形波导-SIW过渡结构中的矩形基片集成腔14。第二金属层3中加载有一个矩形孔，该矩形孔的长边沿着前后方向，短边沿着左右方向，该矩形孔为矩形耦合窗。第二介质层4中设置有由数个金属短路柱构成的SIW传输结构与功率分配结构；其中，SIW传输结构包括多段保持一定间距的两排金属短路柱排，该类型金属短路柱双排称为SIW结构，起到传导电磁波的作用，两排金属短路柱之间的距离即为SIW的宽度；具体示例性的，该SIW传输结构从右向左的结构可为：最右侧为一列沿着前后方向的长度为W

本发明实施例中，第三金属层5上加载有四个沙漏形耦合缝隙11，沙漏形耦合缝隙11的沙漏竖直方向沿着前后方向，沙漏水平方向沿着左右方向，且前后两组沙漏形耦合缝隙11中心的距离为W

本发明实施例具体示例性的，位于第一金属层1上的矩形波导馈电口15的尺寸为天线使用频段的标准矩形波导的尺寸；例如，矩形波导馈电口15的尺寸可为D波段的标准矩形波导尺寸，型号为WR-6.5。

本发明实施例优选的技术方案中，位于第一金属层1上的矩形波导馈电口15、位于第一介质层2中的矩形波导-SIW过渡结构中的矩形基片集成腔14以及位于第二金属层层3上的矩形耦合窗13的长边相互平行、短边相互平行且三者的中心位置在上下方向上对齐；且三者间的尺寸关系为：矩形耦合窗13<矩形波导馈电口15<矩形波导-SIW过渡结构中的矩形基片集成腔14。

本发明实施例中，位于第二金属层层3上的矩形耦合窗13的中心点在前后方向上与第二介质层4中宽度W

本发明实施例中，位于第三金属层5上的相对位置为左上角的沙漏形耦合缝隙11的中心点，在前后方向上与位于第二介质层4上的SIW功率分配器中靠前侧的矩形结构的中心保持一致，在左右位置上与SIW功率分配器最左端金属短路柱边的距离为L

本发明实施例提供的技术方案的工作原理说明：位于第一金属层1上的矩形波导馈电口15的作用是将电磁能量由外部的矩形波导输入进入天线结构内部；位于第一介质层2中的矩形波导-SIW过渡结构中的矩形基片集成腔14的作用是将由外部的矩形波导输入进入天线结构内部的能量进行谐振，便于实现波导中电磁波模式与SIW中电磁波模式的转换；位于第二金属层3上的矩形耦合窗13的作用是将矩形波导-SIW过渡结构中的矩形基片集成腔14中谐振的电磁能量耦合至上层的SIW传输结构中；位于第二介质层4中的SIW传输结构的作用是将由下层结构输入的电磁能量进行进一步过渡，从而完成波导中电磁波模式与SIW中电磁波模式的转换；位于第二介质层4中的阻抗匹配结构12的作用是将SIW功率分配器的输入阻抗与SIW传输结构中的特性阻抗进行匹配，从而降低该部分由阻抗不匹配带来的损耗；位于第二介质层4中的SIW功率分配器的作用是将经过阻抗匹配结构12传输的电磁能量进行一分四的分配，保证四个输出端口(沙漏形耦合缝隙11)的幅度相同且左右两组端口的相位相差180°；其中，三个独立金属短路柱的作用是改变左右两组输出端口的相位，使其实现180°的相位差。位于第三金属层5上的沙漏形耦合缝隙的作用是将SIW功率分配器中输出的电磁能量耦合至上层天线辐射体中的矩形基片集成腔10中；沙漏形耦合缝隙对天线辐射体进行馈电，相较于传统的矩形耦合缝隙，能够使更多的电磁能量耦合至第三介质层的谐振腔当中，以提高天线的效率。位于第三介质层6中的天线辐射体中的矩形基片集成腔10的作用是产生天线辐射所需的电磁谐振模式。位于第四金属层7上的矩形辐射窗9的作用是使天线辐射体中的矩形基片集成腔10的电磁谐振所产生的两个高阶模式的电磁能量进行高增益、高效率的辐射。

本发明实施例提供的技术方案中，由第一金属层1、第二金属层3，第一介质层2、第二介质层4构成的矩形波导-SIW过渡结构的整体作用是将外部矩形波导中的电磁波模式低损耗的转换为SIW中的电磁波模式。由第二金属层3、第三金属层5，第二介质层4构成的SIW功率分配器及阻抗匹配结构的作用是将电磁能量低损耗的传输至天线阵列结构的每个单元中，且保证每个天线单元的幅值相同，左右两组天线单元的相位相差180°。由第三金属层5、第四金属层7，第三介质层6构成的天线辐射体中，由位于第四金属层7上的四组矩形辐射窗9以及位于第三介质层6中的四个天线辐射体中的矩形基片集成腔10共同作用，成功激励起了天线辐射体中的矩形SIC的两个高阶谐振模式，实现了高增益、高效率的双频辐射，使之能适用于更多、更复杂的应用场景，并实现了工作频率的提高，有效减少了天线使用中的通频段电磁干扰。此外，在上下方向上中心重合的一个沙漏形耦合缝隙、一个天线辐射体中的矩形SIC以及一组(四个)矩形辐射窗组成一个天线单元辐射体，而四个天线单元辐射体呈“田”字形排列，构成了2×2天线阵列辐射体结构。

综上所述，本发明实施例为了实现矩形波导与SIW中电磁波的模式转换，设计了一种过渡结构，实现了阻抗匹配和低插入损耗的模式转换；天线结构中使用SIC的两种高阶谐振模式与四个矩形辐射窗，实现了双频辐射；较小的尺寸与较高的增益与辐射效率使其成为双频天线的合适选择。针对电磁信号环境逐渐更加复杂多变问题，本发明中采用了激励起两个SIC高阶谐振模式的技术方案，这种手段具有双频工作的特点，能适用于更多、更复杂的应用场景。

请参阅图1，图1为本发明实施例的分层结构示意图；本发明实施例中，由第一金属层1、第二金属层3，第一介质层2、第二介质层4构成的矩形波导-SIW过渡结构；由第二金属层3、第三金属层5，第二介质层4构成的SIW功率分配器及阻抗匹配结构；由第三金属层5、第四金属层7，第三介质层6构成的天线辐射体。

请参阅图2，图2为本发明实施例中单元天线辐射体部分；本发明实施例中，以位于第三介质层6中的尺寸为W

请参阅图3，图3为本发明实施例中功率分配器部分及阻抗匹配结构；本发明实施例中，由右侧位于第二介质层4上的SIW结构输入，通过一段SIW阻抗匹配结构，经过一个一分四SIW功率分配器，在四个输出端口(也即沙漏形耦合缝隙)处实现了等幅度输出，并通过中间三个独立金属短路柱使工作频段内左右两组输出端口之间存在180°的相位差，之后通过在第三金属层5上加载的沙漏形耦合缝隙11将能量传输至上层天线辐射体的矩形SIC中；其中，功率分配器输入端口处与分路支节中的SIW宽度分别为W

请参阅图4和图5，图4和图5为本发明中的矩形波导-SIW过渡结构；本发明实施例中，型号为WR-6.5的矩形波导通过第一金属层1上加载的矩形波导馈电口15将能量传输至位于第一介质层2的尺寸为clf×cwf的矩形SIC中，再由位于第二金属层3上尺寸为lf×wf的矩形耦合窗13将能量耦合至第二介质层4中宽度为W

本发明实施例所提供的天线，激励起了SIC的两个高阶模式，通过在天线结构上表面金属上加载的矩形辐射窗实现了高辐射效率的双频辐射。以单元天线为例，通过理论及仿真分析得出在天线上表面金属加载四个矩形辐射窗时，其TM

式中，f代表SIC的谐振频率，ε

本发明实施例优选中，拟采用LTCC工艺进行加工制备，金属材料为金，电导率为4.52×10

本发明实施例具体示例性的，整体尺寸为(单位为mm)：22×15.6×0.598，具体几何参数为(单位为mm)：L

请参阅图6，图6为实施例优选天线阵列的S参数仿真结果；可以看到天线阵列在145GHz～150GHz及161GHz～169GHz的范围内反射系数均小于-10dBi。

请参阅图7，图7为实施例优选天线阵列在146GHz时的真实增益方向图；增益方向图在xoz面以及yoz面都有良好的对称性并且最大真实增益达到13.2dBi。

请参阅图8，图8为实施例优选天线阵列在166GHz时的真实增益方向图；增益方向图在xoz面以及yoz面都有较好的对称性并且最大真实增益达到14.1dBi。

请参阅图9，图9为实施例优选天线阵列的最大真实增益随频率变化曲线图；可以看到，在145GHz-150 GHz及161GHz-169 GHz频段内天线阵列的最大真实增益均大于12dBi。

请参阅图10，图10为实施例优选天线阵列的辐射效率随频率变化曲线图；其中，在145GHz-150 GHz及161GHz-169 GHz的工作频段内天线阵列的辐射效率均大于75％。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。