本發(fā)明屬于毫米波天線技術領域,具體涉及一種基片集成腔體毫米波陣列天線。
背景技術:
隨著通信技術的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)微波頻段的頻譜資源日益緊張。為了緩解這一問題,人們逐漸把目光移向了頻段更高的毫米波頻段。毫米波由于其具有的波長短、頻帶寬、傳輸速率快等特點而受到廣泛的關注。在無線通信系統(tǒng)中,的發(fā)射與接收都要依靠天線。毫米波天線作為毫米波通信系統(tǒng)中的關鍵部件,對系統(tǒng)的最終性能有著至關重要的影響。然而由于毫米波在空氣中傳播時有著較大的衰減,這就要求毫米波天線具有更高的增益以適用于長距離的毫米波無線通信。
低溫共燒陶瓷(ltcc,lowtemperatureco-firedceramic)技術由于其特有的疊層工藝,使得天線結構設計更加的多樣化,可使得天線的布局從二維平面空間向三維立體空間擴展,從而使得天線結構更加緊湊,為小型化毫米波天線的設計提供了必要的條件;ltcc技術可實現(xiàn)天線與饋電網絡的一體化立體集成,為高增益毫米波陣列天線的實現(xiàn)提供了便利的條件;ltcc技術還可以將天線與其它有源、無源毫米波器件集成在同一塊ltcc基板中,實現(xiàn)整個系統(tǒng)的集成化與模塊化;另外,ltcc技術是平行加工技術,基板的各層可以并行加工,加工效率高,并且ltcc工藝便于自動化大規(guī)模批量生產,降低天線產品成本。
然而在毫米波頻段,ltcc相對大的介電常數(shù)將會導致表面波損耗變大,從而使得天線的增益降低;而表面波沿天線基板傳播,會導致陣列天線中陣元間的互耦增大,駐波特性惡化,天線帶寬變窄,交叉極化特性變差,限制陣列天線增益的提高。為此,有人提出了一種基片集成腔(sic,substrateintegratedcavity)天線,該天線在不增大天線體積的情況下能夠有效抑制表面波,但是其增益一般只有6.7dbi,這在一定程度上制約了該天線在毫米波通信中的應用。
技術實現(xiàn)要素:
針對上述缺陷,本發(fā)明的目的在于提供一種基片集成腔體毫米波陣列天線,旨在解決現(xiàn)有的毫米波陣列天線增益低的技術問題。本發(fā)明通過擴大腔體輻射面積引入高次模,通過寄生單元改變高次模的輻射特性,該種結構使得基片集成腔體的毫米波天線的增益得到提高。
為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供的一種基片集成腔體毫米波陣列天線,包括:
外部轉接模塊,其輸入端用于與金屬波導連接,用于將電磁波從金屬波導中引入;
功分模塊,其輸入端與外部轉接模塊的輸出端連接,用于將電磁波分為多路電磁波;以及
天線陣列,包括由多個呈陣列排列的天線單元,每個天線單元接收由功分模塊輸出的一路電磁波;
天線單元包括基片集成腔體和寄生結構,寄生結構位于基片集成腔體上表面的中心;基片集成腔體用于接收電磁波并讓電磁波產生高次模諧振;寄生結構用于調整電磁波中高次模的場分布,使得電磁波中高次模的輻射方向變?yōu)檠刂汕惑w法線方向。
本發(fā)明提供基片集成腔體毫米波陣列天線,由外部轉接模塊將電磁波從金屬波導中引導入功分模塊,由功分模塊將電磁波分為多路電磁波輸出,電磁波進入基片集成腔體內,產生高次模諧振高次模的輻射方向不沿腔體法線方向,通過寄生結構調整基片集成腔體內高次模的場分布,使得基片集成腔體內高次模的輻射方向變?yōu)橄蛑C振腔體法線方向,使得每個天線單元正常工作。通過擴大基片集成腔體的輻射口徑引入高次模,使得毫米波天線增益得到提高。
進一步地,每個基片集成腔體下表面設置有用于傳輸電磁波的饋電縫。
進一步地,寄生結構為金屬片,金屬片位于基片集成腔體的中心,且金屬片長邊方向與所述饋電縫長邊方向相同。
進一步地,金屬片呈中間窄兩端寬的工字型,且金屬片尺寸變化邊與所述饋電縫長邊垂直。工字型金屬片可以增大金屬片上感應電流的電長度從而使得天線的帶寬得到進一步的提高。
進一步地,寄生結構為兩個金屬片,記為第一金屬片和第二金屬片,兩個金屬片沿饋電縫長邊方向排列,且兩個金屬片關于基片集成腔體的中心線對稱。
進一步地,第一金屬片與第二金屬片為呈中間窄兩端寬的工字型,且第一金屬片尺寸變化的邊的方向與饋電縫長邊方向垂直,第二金屬片尺寸變化的邊的方向與饋電縫長邊方向垂直。
進一步地,每個基片集成腔體的腔體截面尺寸從上到下依次減小。基片集成腔體呈現(xiàn)出類喇叭式的結構,采用該種結構可以提高天線的增益和改善阻抗匹配。
進一步地,基片集成腔體毫米波陣列天線由多層低溫共燒陶瓷流延片層壓制成或由多層印刷電路版制成。
通過本發(fā)明所構思的以上技術方案,與現(xiàn)有技術相比,能夠取得以下有益效果:
1、本發(fā)明中天線單元通過擴大輻射口徑,在腔體中引入高次模,并通過寄生結構改變高次模的場分布,使得基片集成腔體內高次模的輻射方向變?yōu)橄蛑C振腔體法線方向,使得每個天線單元可以正常工作,同時基片集成腔的有效輻射口徑面積增加能夠使天線單元的增益提高,進而使得基片集成腔體毫米波陣列天線增益提高。
2、本發(fā)明中寄生結構采用類工字型金屬片,該結構可以增大金屬片上感應電流的電長度,從而使得基片集成腔體毫米波陣列天線的帶寬得到進一步的提高。
附圖說明
圖1是本發(fā)明提供的基片集成腔體毫米波陣列天線的實施例的結構示意圖;
圖2是本發(fā)明提供的基片集成腔體毫米波陣列天線的實施例中功分單元結構圖;其中,圖2(a)為上層功分結構的結構示意圖,圖2(b)為下層功分結構的結構示意圖;
圖3是本發(fā)明提供的基片集成腔體毫米波陣列天線的實施例中天線單元的結構示意圖;
圖4是本發(fā)明提供的基片集成腔體毫米波陣列天線中天線單元的回波損耗和增益曲線圖;
圖5是本發(fā)明提供的基片集成腔體毫米波陣列天線中毫米波天線陣列的回波損耗曲線圖。
具體實施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白,以下結合附圖及實施例,對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解,此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。
圖1是本發(fā)明提供的基片集成腔體毫米波陣列天線的實施例的結構示意圖?;汕惑w毫米波陣列天線包括外部轉接模塊5、功分模塊以及天線陣列。
外部轉接模塊5由三層(即第十四層至第十六層)ltcc流延片層壓制成,通過金屬通孔柱圍成三層的sic,該腔體尺寸為2.3mm×1mm。sic下表面開有一大小為2.2mm×0.8mm的下層饋電孔501,該下層饋電孔501用于與外部波導相連,sic上表面開有一大小為0.6mm×0.4mm的上層饋電孔徑502,用于功分模塊的輸入端連接相連。外部轉接模塊5通過下層饋電孔501與金屬波導連接,用于將電磁波從金屬波導中引入,并傳輸至功分模塊。
功分單元包括上層功分結構2和下層功分結構4。下層功分結構4將電磁波分為八路電磁波輸出,上層功分結構2將八路電磁波分為十六路電磁波輸出。
下層功分結構4由五層(第九層至第十三層)ltcc流延片層壓制成。下層功分結構中第十三層ltcc流延片與外部轉接單元中第十四層ltcc流延片共用一個電極面。下層功分結構4包括一個由多個t型基片集成波導級聯(lián)的一分八基片集成波導以及轉接基片集成波導402。轉接基片集成波導402一端與外部轉接模塊5中上層饋電孔502相連,另一端與一分八基片集成波導輸入端相連。轉接基片集成波導402為階梯式基片集成波導,位于第一階梯的基片集成波導厚度為三層(第十一層至第十三層)ltcc流延片,位于第一階梯的基片集成波導與外部轉接模塊5中上層饋電孔502相連,位于第二階梯的基片集成波導厚度為五層(第九層至第十三層)ltcc流延片,位于第二階梯的基片集成波導與一分八基片集成波導的輸入端連接。
上層功分網絡2由四層(第五層至第八層)ltcc流延片層壓制成,上層功分結構中第八層ltcc流延片與下層功分結構中第九層ltcc流延片共用一個電極面。上層功分結構2由八個寬度為1.1mm的矩形基片集成波導組成,在每個矩形基片集成波導的兩端各開有一個饋電縫202,饋電縫202位于第五層ltcc流延片的上電極面上,該饋電縫202長度為0.8mm,寬度為0.2mm,饋電縫202偏離矩形基片集成波導中心線距離為0.35mm。饋電縫202側面有一金屬通孔柱201,通孔柱201與饋電縫202的距離為0.64mm。每個矩形基片集成波導用于將一路電磁波分為兩路電磁波,并由位于矩形基片集成波導上的兩個饋電縫202輸出。
每個矩形基片集成波導通過一個轉接結構與一分八基片集成波導進行電磁波傳輸。轉接結構位于每個矩形基片集成波導的中心,轉接結構由通孔柱302、矩形貼片301和圓形通孔303組成。通孔柱302穿過上層功分結構中一分八基片集成波導2和下層功分結構中矩形基片集成波導4,通孔柱302穿過第六層至第十一層ltcc流延片,圓形通孔303位于上層功分結構2和下層功分結構4的交界面處,矩形貼片301位于上層功分結構2中,且與通孔柱302接觸,即位于第五層ltcc流延片與第六層ltcc流延片之間。
天線陣列由四層(第一層到第四層)ltcc流延片層壓制成。上層功分結構中第五層ltcc流延片與天線陣列中第四層ltcc流延片共用一個電極面。通過金屬孔在四層ltcc流延片上圍成十六個基片集成腔體1,該十六個諧振腔體1按照4×4的陣列排列,任意相鄰兩基片集成腔體1間距為2.6mm,且一個天線單元位于一個饋電縫202的上方,上層功分結構中矩形基片集成波導輸入的電磁波通過饋電縫202進入每個基片集成腔體1中,由上層功分結構中矩形基片集成波導輸入的電磁波中僅存在基模,在基片集成腔體中產生腔體內產生高次模諧振,在每個基片集成腔體1中心設有寄生結構,寄生結構位于基片集成腔體上表面的中心,寄生結構調整電磁波中高次模的場分布,使得電磁波中高次模的輻射方向變?yōu)檠刂汕惑w法線方向,天線單元可以正常工作,同時輻射口徑變大,可以提高天線單元的增益,進而提高基片集成腔體毫米波陣列天線增益。
圖2(a)為本發(fā)明提供的基片集成腔體毫米波陣列天線的實施例中下層功分結構的結構示意圖。下層功分結構包括一個由為多個t型基片集成波導級聯(lián)而形成的一分八基片集成波導和轉接基片集成波導,下層功分結構將電磁波分為八路電磁波輸出,在下層功分結構上設有多個金屬通孔401,金屬通孔柱401穿過第九層至第十三層ltcc流延片,用于調整毫米波天線的阻抗匹配。上層功分結構與下層功分結構之間有八個轉接結構,轉接結構中通孔柱302與圓形通孔303同軸,且圓形通孔303的直徑大于通孔柱302直徑。
圖2(b)為本發(fā)明提供的基片集成腔體毫米波陣列天線的實施例中上層功分網絡的結構示意圖,每個矩形基片集成波導上設有兩個饋電孔202和兩個金屬通孔柱201,金屬通孔柱201穿過第五層至第八層ltcc流延片,饋電孔202位于上層功分網絡與天線單元的交界面上。一方面,一路電磁波由一個饋電孔202傳輸至一個天線單元,另一方面,金屬通孔201與饋電孔202調整上層功分結構與天線單元之間的阻抗匹配。
圖3是本發(fā)明提供的基片集成腔體毫米波陣列天線的實施例中天線單元的結構示意圖。天線單元包括基片集成腔1、第一金屬片101以及第二金屬片102。一個基片集成腔1位于一個饋電縫202的上方,上層功分結構中電磁波通過饋電縫傳輸至基片集成腔體1中。天線單元采用四層厚度為0.096mm,相對介電常數(shù)為6的ltcc流延片層壓制成,每層通過金屬通孔柱圍成一個矩形腔。金屬通孔直徑為0.1mm,相鄰兩個金屬通孔中心距離為0.25mm。第一層流延片上矩形腔的尺寸為2.1mm×2.1mm,第二層流延片上矩形腔的尺寸為2.04mm×2.04mm,第三層流延片上矩形腔的尺寸為1.98mm×1.98mm,第四層流延片上矩形腔的尺寸為1.92mm×1.92mm?;汕惑w1呈階梯狀,基片集成腔體內無金屬電極,基片集成腔外鋪滿金屬電極,階梯狀的基片集成腔體可以進一步的提高增益。
第一金屬片101與第二金屬片102位于基片集成腔體1的上表面,第一金屬片101與第二金屬片102沿饋電縫202長邊方向排列,且第一金屬片101與第二金屬片102關于基片集成腔體1的中心線對稱排列,第一金屬片101與第二金屬片102均呈工字型,且第一金屬片尺寸變化的邊的方向與饋電縫101長邊方向垂直,第二金屬片尺寸變化的邊的方向與饋電縫101長邊方向垂直。每個金屬片沿垂直饋電縫長邊方向的長度為0.55mm,沿平行饋電縫長邊方向長度最大允許為0.7mm,沿平行饋電縫長度方向長度最小允許為0.46mm,兩金屬片中心間距為0.9mm。
本實施例中,寄生結構為呈工字型的金屬片,采用該種結構的金金屬片,可以增大金屬片上感應電流的電長度,從而使得天線的帶寬得到進一步的提高。
本發(fā)明提供的基片集成腔體毫米波陣列天線的實施例中天線單元中,寄生結構可以為一個金屬片,金屬片位于基片集成腔體上表面的中心,且金屬片的長邊方向與饋電縫的長邊方向一致,金屬片呈工字型,即金屬片的一邊長度由兩端至中間逐漸減少,且長度變化的邊垂直于饋電縫長邊方向。即寄生結構可以為一個金屬片,也可以為兩個金屬片。
圖4為基片集成腔體毫米波陣列天線中天線單元的回波損耗和增益曲線圖。從圖中可以看出,天線單元的阻抗帶寬為80.6ghz~99.16ghz,相對阻抗帶寬為20.71%,在頻段內,天線單元的增益都保持在8dbi以上,天線單元最大增益可達9.66dbi。相較于現(xiàn)有的毫米波天線的6.7bbi的增益,提高了20%,最高可以提高44.2%。
圖5為基片集成腔體毫米波陣列天線中天線陣列的回波損耗曲線圖。該天線陣列在w波段阻抗帶寬為81.7ghz-99ghz,相對阻抗帶寬為19.15%,最大增益可達到20.3dbi。
本發(fā)明提供的基片集成腔體毫米波天線不僅限于用ltcc流延片層壓制成,也可通過多層印刷電路版制成。
本領域的技術人員容易理解,以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等,均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。