平板縫隙陣列天線的製作方法
2023-10-24 18:45:17 2
本發明涉及天線技術領域，特別是涉及一種平板陣列天線。
背景技術：
隨著天線技術的快速發展，信息化社會的全面普及，在2020年及未來，移動通信技術較邁入第五代移動通信(5G)的發展階段。其特點為0.1-1Gbps體驗速率，數10Tbps/km2流量密度，百萬級連接密度，低功耗等。而5G網絡針對天線技術領域的基本要求主要為高帶寬及低損耗，而應用方面則為毫米波平板陣列(mmWave planar array)，多單元(massive MIMO)，波束成形(beam forming)，波束掃描(beam steering)，多波束(multi-beam)及有源一體化相控陣(phase control array)。其中毫米波平板陣列作為5G天線其他應用的基礎，起著至關重要的作用。
縫隙平板陣列天線已經在現代雷達和通信系統中有廣泛的應用。其中微帶線縫隙平板陣列天線以其易集成，易加工和高性價比的特性成為最受歡迎的方案之一。但其在高頻段尤其是V-band和E-band的表現卻很不理想，表面波，傳輸線的輻射及基質模損耗導致的低效率，高損耗的劣勢在高頻段的尤為明顯。面對5G網路的高帶寬低損耗，微帶線縫隙平板陣列已經很難達到要求。基片集成波導(SIW)結構可以一定程度上提高天線效率，但是其基質中的損耗仍然較高。在大型陣列的應用中並沒有明顯優勢。另外一種新興Gap波導技術以其低損耗，不要求金屬接觸的優勢(在高頻段不存在縫隙漏波現象，使其設計仿真數據與樣品測試數據非常接近)越來越受到關注。但是Gap波導的周期性針結構過於細小，在高頻段加工精度要求高，加工周期長難道大，很難滿足量產的需求。
另一方面，傳統的空氣波導縫隙輻射單元平板陣列以其低損耗，高效率的優勢同樣得到了廣泛的應用。但是傳統空氣波導的帶寬不夠寬，較難滿足5G高頻段高帶寬的需求，目前產品普遍相對帶寬為10％-15％，而且在其帶寬內回波損耗也較高，駐波比在2.0左右，而一部分產品為了達到20％的相對帶寬，犧牲了回波損耗，駐波比高達2.6，輸入能量很大一部分都被反射。另外傳統空氣波導加工方式也存在弊端：縫隙漏波(金屬接觸要求很高)。一種新興的多層金屬片鍍銀層壓技術很大程度上解決了縫隙漏波的問題，但是加工成本異常高，並不適合大量生產。
技術實現要素：
本發明的目的就是為了解決現有技術之不足而提供的一種結構簡單，高帶寬，低損耗的平板縫隙陣列天線。
本發明是採用如下技術解決方案來實現上述目的：一種平板縫隙陣列天線，其特徵在於，它包括從下往上依次設置的含饋電結構的饋電層、含耦合口和耦合腔體的耦合層、以及輻射層，饋電層採用E面波導，E面波導採用T型等幅同向功分器通過孔徑與上層耦合層耦合，在耦合層的耦合口上方設置耦合腔體，並形成一分四功分器；輻射層設置有由多個輻射縫隙單元組成的輻射縫隙陣列，在耦合腔體中對應輻射縫隙單元的位置設置階梯，以滿足在高帶寬的情況下，實現低損耗。
作為上述方案的進一步說明，所述饋電層的E面波導採用H面中心切割組合方式；波導轉角採用斜面切角，通過4級T型等幅同向功分器，饋電層末端採用E面腔體與耦合口匹配。
進一步地，所述耦合層通過耦合口與饋電層連接，耦合腔體四周設置有兩對金屬塊，耦合腔體中的矩形階梯位於輻射縫隙單元正下方，用於與輻射縫隙耦合。
進一步地，耦合腔體中的階梯位矩形階梯，以耦合口為中心對稱，用於拓展帶寬並與輻射縫隙單元匹配。
進一步地，輻射層包括輻射板和輻射腔體，輻射縫隙單元設置在輻射板上，每個輻射縫隙單元之間的間距為86％波長，輻射腔體設置在輻射縫隙單元的上方，用於進一步抑制縫隙間互耦，以抑制柵瓣。
本發明採用上述技術解決方案所能達到的有益效果是：
本發明採用在饋電層使用E面波導H面中心切割方式，減小了縫隙漏波，以減小了饋電層的傳輸損耗；通過饋電層與輻射層之間加入含有矩形階梯的腔體結構，提高了阻抗匹配性能；與現有天線相比，其具有帶寬高，損耗低的特點。
2、本發明的矩形階梯以耦合腔體中心成對稱結構，且位於輻射縫隙單元正下方，即腔體中磁場最強位置，與輻射縫隙，輻射腔體及自由空間形成多級匹配，以同時實現高帶寬及低損耗。
附圖說明
圖1為本發明的整體結構圖；
圖2為本發明的輻射層結構示意圖；
圖3為本發明的耦合層結構示意圖；
圖4為本發明的饋電層結構示意圖。
附圖標記說明：1、饋電層 1-1、底板 1-2、E面波導 1-21、E面波導傳輸層上切面 1-22、E面波導傳輸層下切面 1-3、T型功分器 1-4、E面腔體 2、耦合層 2-1、耦合口 2-2、耦合腔體 3、輻射層 3-1、縫隙輻射單元 3-2、輻射板 3-3、輻射腔體 4、矩形階梯 5、金屬塊。
具體實施方式
以下結合具體實施例對本技術方案作詳細的描述。
如圖1-圖4所示，本發明是一種平板縫隙陣列天線，它包括從下往上依次設置的含饋電結構下切面1-22的饋電層1、含耦合口2-1，耦合腔體2-2饋電結構上切面1-21的耦合層2、以及輻射層3，饋電層1包括作為饋電層下壁的底板1-1和與底板對應的E面波導1-2，E面波導採用H面中心切割組合方式，形成E面波導傳輸層上、下切面1-21、1-22，其金屬接觸要求不高，可以很大程度上減小縫隙漏波，並且加工精度及成本較低，可通過機加工或開模量產，波導轉角採用斜面切角，以對傳輸不連續補償。E面波導1-2採用4級T型等幅同向功分器1-3通過孔徑與上層耦合層2耦合，在耦合層的耦合口2-1上方設置耦合腔體2-2，並形成一分四功分器；輻射層3設置有由64個輻射縫隙單元3-1組成的輻射縫隙陣列及64個輻射腔體3-2，在耦合腔體中對應輻射縫隙單元的位置設置矩形階梯4，以滿足在高帶寬的情況下，實現低損耗。
進一步地，所述耦合層通過耦合口與饋電層連接，耦合腔體四周設置有兩對金屬塊5用於抑制高級模的產生，降低輻射縫隙單元間的互耦，耦合腔體中的矩形階梯位於輻射縫隙單元正下方，即腔體中磁場最強位置，用於與輻射縫隙單元耦合。耦合腔體中矩形階梯以耦合口為中心對稱，用於拓展帶寬並與輻射縫隙單元匹配。輻射層3包括輻射板3-2和輻射腔體3-3，輻射縫隙單元3-1設置在輻射板3-2上，每個輻射縫隙單元之間的間距為86％波長，輻射腔體設置在輻射縫隙單元的上方，用於進一步抑制縫隙間互耦，以抑制柵瓣。
本實施例中，天線整體分為三部分通過焊接或螺栓進行連接，第一部分為底板與、E面波導傳輸層下切面一體化機加工或開模；第二部分為E面波導傳輸層上切面、耦合口、耦合腔體、矩形階梯及兩組金屬塊一體化機加工或開模；第三部分為輻射板與輻射腔體一體化機加工或開模。
其中矩形波導內壁寬*高尺寸為(a*b)1mm*2.7mm，耦合口長*寬尺寸為2mm*0.87mm，耦合腔體內壁長*寬*高尺寸為5.91mm*4.45mm*0.87mm,輻射縫隙單元長*寬尺寸為2mm*0.3mm，其中輻射縫隙單元在兩個水平方向上單元間距均為3.2mm，輻射腔體內壁長*寬*高尺寸為2.55mm*1.8mm*1.2mm。
8*8平板陣列天線整體尺寸數據如下：(L*W*H)29.6mm*29.6mm*9.62mm,阻抗帶寬為70.4-87GHZ，相對帶寬21％，在該帶寬內，回波損耗低於-19dB。並且經過5度極化偏轉可以滿足ETSI range7 class2要求。
本技術方案與現有技術相比，在現有技術結構不能同時滿足高帶寬及低損耗的情況下，通過改造耦合腔體結構形式，在其中加入矩形階梯，以滿足在高帶寬的情況下，實現低損耗；矩形階梯以耦合腔體中心成對稱結構，且位於輻射縫隙單元正下方即是腔體中磁場最強位置，與輻射縫隙陣列及輻射腔體形成多級階梯耦合，以同時實現高帶寬及低損耗，性能更加優越。
以上所述的僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明創造構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。