專(zhuān)利名稱(chēng)：低損耗高增益多波束智能天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種多波束天線，可以被廣泛的應(yīng)用到微波毫米波通信，民用 移動(dòng)通信里面，可以改善通信信道質(zhì)量，降低發(fā)射功率和誤碼率，減少多徑干擾。 具有很高的實(shí)用價(jià)值，屬于微波天線制造的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在微波毫米波接力通信和民用移動(dòng)通信領(lǐng)域，由于真實(shí)的無(wú)線環(huán)境比較復(fù) 雜，在電波傳播的過(guò)程中間會(huì)有一系列的反射和衰落從而降低通信質(zhì)量，由此產(chǎn) 生了多波束天線的需求；當(dāng)一個(gè)強(qiáng)定向性的天線代替簡(jiǎn)單的均勻輻射的全向天線 的時(shí)候，從通信信道上來(lái)說(shuō)可以有效地降低干擾和發(fā)射功率。為了實(shí)現(xiàn)和全向天 線相同的覆蓋范圍，就需要有多個(gè)指向不同方向的強(qiáng)定向性的波束疊加去實(shí)現(xiàn)全 向覆蓋。多波束天線是一個(gè)無(wú)源多端口微波網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)從不同端口輸入時(shí)，利用 饋電網(wǎng)絡(luò)給天線陣列里的每一幅單元天線以不同的相位分布，從而在一個(gè)天線陣 列上產(chǎn)生多個(gè)指向的波束。與用多個(gè)天線陣列組成的多波束天線相比，具有體積 小巧的優(yōu)點(diǎn)。比起有源相控陣列具有成本低的優(yōu)點(diǎn)。所以這種無(wú)源多波束天線陣 列正在被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用在微波和移動(dòng)通信領(lǐng)域里面。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本實(shí)用新型的目的是提出一種低損耗高增益多波束智能天線； 該天線從結(jié)構(gòu)上采用了改進(jìn)的巴特勒矩陣作為饋電網(wǎng)絡(luò)，有效地降低了每一個(gè)波 束的旁瓣電平。采用了單層介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使得普通的雙面PCB工藝可以被運(yùn)用到 制作此多波束天線上面，便于大規(guī)模的生產(chǎn)。采用基片集成波導(dǎo)縱向天線和饋電 網(wǎng)絡(luò)一體化的設(shè)計(jì)可以進(jìn)一歩減小饋電網(wǎng)絡(luò)面積，降低損耗，提高天線增益和效 率。
技術(shù)方案本實(shí)用新型的低損耗高增益多波束智能天線的整個(gè)天線及饋電 系統(tǒng)由多片相同的雙面PCB工藝的上下兩層金屬敷銅面和金屬化通孔實(shí)現(xiàn)的類(lèi)似于波導(dǎo)中空腔體結(jié)構(gòu)的基片集成波導(dǎo)構(gòu)成，可為3片組成3棱柱狀或6片組成 6棱柱狀；每一個(gè)平面單層介質(zhì)的基片集成波導(dǎo)由4輸入8輸出不等功率輸出巴 特勒矩陣構(gòu)成的饋電網(wǎng)絡(luò)、基片集成波導(dǎo)輻射單元陣列2部分串聯(lián)構(gòu)成。
饋電網(wǎng)絡(luò)由3個(gè)并排放置的4輸入4輸出端口級(jí)聯(lián)再串接上1個(gè)4分8的功 率分配單元構(gòu)成；其中第1級(jí)由2個(gè)基片集成波導(dǎo)的第一90度電橋并排放置 構(gòu)成4個(gè)并排的輸入端口和4個(gè)并排輸出端口，輸入端口接輸入信號(hào)第2級(jí)為 45度電橋，在第1級(jí)4個(gè)輸出端口的兩側(cè)輸出端各串接了 1個(gè)45度移相器，中 間串接了一個(gè)2輸入2輸出的交叉耦合器，從而構(gòu)成45度電橋的4個(gè)并排輸出 端；第3級(jí)為第二90度電橋，是在前一級(jí)4個(gè)并排輸出端之后串聯(lián)2個(gè)并排放 置的卯度電橋構(gòu)成的4輸入4輸出單元；與第1級(jí)相同，在第三級(jí)的4個(gè)并排 輸出端的每1個(gè)端口串接一個(gè)1分2的不等功率分配器合并成8個(gè)輸出端從而構(gòu) 成4分8的功率分配單元的不等功率分配器；與不等功率分配器相連接的是由3 個(gè)8輸入8輸出并排的交叉耦合單元級(jí)聯(lián)構(gòu)成，第1個(gè)交叉耦合單元為第一直通， 由兩側(cè)直通端和中間3個(gè)交叉耦合器并排構(gòu)成;第2個(gè)交叉耦合單元為移相補(bǔ)償 單元，由兩側(cè)各2個(gè)0度補(bǔ)償移相器和中間2個(gè)交叉耦合器構(gòu)成；第3個(gè)交叉耦 合單元由兩側(cè)直通端和中間3個(gè)交叉耦合器并排構(gòu)成第二直通。
基片集成波導(dǎo)輻射單元陣列為8乘16槽縫的8幅縱向縫隙天線，其輸入端 接第二直通。6棱柱狀結(jié)構(gòu)由3個(gè)鈍角2面的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，鈍角面的角度為165度， 相鄰兩個(gè)鈍角面的角度為75度。每一個(gè)面上安裝一個(gè)平面4波束天線構(gòu)成24 個(gè)波束全向覆蓋天線。
低損耗高增益多波束智能天線采用了改進(jìn)的4輸入8輸出巴特勒矩陣作為天 線的饋電網(wǎng)絡(luò)，采用了基片集成波導(dǎo)縱向縫隙天線作為輻射單元。巴特勒矩陣主 要是由90度電橋、交叉耦合器和移相器構(gòu)成。在本設(shè)計(jì)里面，首先將這些基本 單元全部采用基片集成波導(dǎo)工藝實(shí)現(xiàn)。在組成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)又經(jīng)過(guò)進(jìn)一歩的優(yōu)化， 做成基片集成波導(dǎo)并排放置的結(jié)構(gòu)，從而有效地減少了饋電網(wǎng)絡(luò)的面積。同時(shí)， 為了有效的降低波束合成面的旁瓣電平，在經(jīng)典的巴特勒矩陣上面作了重大的改 進(jìn)1、由巴特勒矩陣饋給的天線數(shù)目多了 l倍；2、采用低副瓣的幅度分布使得 在波束合成面上的旁瓣電平有效的降低。為了實(shí)現(xiàn)此改進(jìn)的巴特勒矩陣的同時(shí)又 不顯著增加饋電網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，在此引入了一種緊湊型的基片集成波導(dǎo)功率分配器來(lái)產(chǎn)生所需的低副瓣幅度分布。在具體設(shè)計(jì)中有以下幾個(gè)注意點(diǎn)。
1:)單層化設(shè)計(jì)，所有的結(jié)構(gòu)都是在一塊單層雙面敷銅的介質(zhì)基片上打出一 系列的金屬通孔來(lái)實(shí)現(xiàn)，即整個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)和槽縫天線都是在一個(gè)平面上單層基片 集成波導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
2:)采用了相位補(bǔ)償技術(shù)，使得基片集成波導(dǎo)T型結(jié)的不等功率分配帶來(lái)的 相位上的誤差均被隨后的移相網(wǎng)絡(luò)消除了，從而簡(jiǎn)化了饋電網(wǎng)絡(luò)功分器的設(shè)計(jì)。
3:) —體化的設(shè)計(jì)進(jìn)一歩減少饋電網(wǎng)絡(luò)尺寸，從而降低損耗。由于使用的是 類(lèi)似于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的縱向縫隙天線，因此對(duì)于饋電網(wǎng)絡(luò)的輸出相位可以允許正反 向，同時(shí)對(duì)于改進(jìn)的4輸入8輸出巴特勒矩陣可以化簡(jiǎn)進(jìn)一步減少其尺寸。所以 經(jīng)過(guò)總體考慮之后，整個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)尺寸得以進(jìn)一歩縮小(化簡(jiǎn)如圖3所示)。
在實(shí)現(xiàn)了此基片集成波導(dǎo)4波束智能天線之后，為了在新的一代移動(dòng)通信中 使用此多波束天線，提出了一個(gè)準(zhǔn)三角柱的結(jié)構(gòu)(如圖5所示)安裝了6幅相同
的多波束天線使得1、產(chǎn)生了 360度整個(gè)圓周方向上面的覆蓋；2、相鄰波束 之間的交叉點(diǎn)在-3dB左右，使得整個(gè)圓周方向上面的覆蓋是完全的，沒(méi)有盲角；
3、單個(gè)4波束天線相鄰波束夾角是30度，采用此種準(zhǔn)三角柱結(jié)構(gòu)，將正常三角
柱的一個(gè)面變成內(nèi)角為165度的兩個(gè)面安裝了兩個(gè)4波束天線，8個(gè)波束交錯(cuò)分
布覆蓋一個(gè)120度扇區(qū)，從而相鄰波束夾角變成15度。
有益效果低損耗高增益多波束智能天線有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn) 單層化:整個(gè)單面多波束天線都是在一塊單層介質(zhì)基片上通過(guò)余屬化通孔連
接雙層金屬表面而形成的類(lèi)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在PCB工藝?yán)锩鎸?duì)應(yīng)的僅僅是雙面板工
藝，相對(duì)于多層PCB，制造成本低，同時(shí)便于大規(guī)模生產(chǎn)。
低旁瓣電平由于采用了改進(jìn)過(guò)的4輸入8輸出巴特勒矩陣，實(shí)現(xiàn)了低旁瓣
電平的幅度分布。在多波束合成的平面(水平的圓周面上)旁瓣電平可以下降到
-15dB，超過(guò)了用傳統(tǒng)的巴特勒矩陣饋電時(shí)的理論值(-13dB)，遠(yuǎn)優(yōu)于用普通4 輸入4輸出巴特勒矩陣饋電時(shí)的旁瓣電平的實(shí)測(cè)值(約-8dB)。在通信系統(tǒng)中使
用有助于降低干擾，提高性能。
低插損，高增益采用了基片集成波導(dǎo)技術(shù)，與微帶電路一樣可以方便的利
用PCB工藝生產(chǎn)，但是損耗卻減小很多。從而提高了天線效率，提高了增益。在
實(shí)際制作的樣品中(Ku波段16GHz)增益高達(dá)20. 5 22. 7dB。而插損只有廣2dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于在該頻帶上的用微帶結(jié)構(gòu)的巴特勒矩陣饋電網(wǎng)絡(luò)。
集成化天線陣列和饋電網(wǎng)絡(luò)集成在一張介質(zhì)上面，用的是同一種金屬材料 有利于降低三階互調(diào)指標(biāo)。


圖1是低損耗高增益多波束智能天線頂面示意圖圖中有輸入端口 1，
兩個(gè)并排放置的90度電橋2，中間是交叉耦合器兩側(cè)各一個(gè)45度電橋3，兩個(gè) 并排放置的90度電橋4，四個(gè)一分二的不等功率分配器5，中間是三個(gè)交叉耦合
器單元，第一直通6;中間是兩個(gè)交叉耦合器，兩側(cè)各兩個(gè)移相補(bǔ)償單元7;中
間是三個(gè)交叉耦合器，第二直通8;饋電網(wǎng)絡(luò)9， 8乘16槽縫的基片集成波導(dǎo) 輻射單元陣列10。
圖2是說(shuō)明如何用6片單面4波束天線組成的24個(gè)波束天線的準(zhǔn)三角柱形
結(jié)構(gòu)的示意圖(頂面俯視圖)。
圖3是經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)的和沒(méi)有化簡(jiǎn)的饋電網(wǎng)絡(luò)的對(duì)比結(jié)構(gòu)圖。
圖4是單面4波束天線的PCB版圖(工作在16GHz)。
圖5是由6片4波束天線構(gòu)成的24個(gè)波束達(dá)到圓周方向全向覆蓋的天線的
立體結(jié)構(gòu)示意圖(工作在16GHz)。
圖6是單片4波束天線實(shí)物的反射系數(shù)測(cè)試結(jié)果。
圖7-10是單片4波束天線的4個(gè)端口的方向圖實(shí)測(cè)結(jié)果。
圖11是24個(gè)波束天線的方向圖實(shí)測(cè)結(jié)果(在指定頻點(diǎn)16GHz)。
圖12是24個(gè)波束天線的方向圖實(shí)測(cè)結(jié)果(最小旁瓣電平16.1GHz)。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下對(duì)于一個(gè)選定的頻點(diǎn)，選擇合適的介質(zhì)和基片 集成波導(dǎo)的寬度，使得天線與天線之間的間隔為1/2個(gè)真空波長(zhǎng)。然后根據(jù)基片 集成波導(dǎo)的寬度計(jì)算出等效理想波導(dǎo)的寬度。然后利用理想波導(dǎo)的耦合器設(shè)計(jì)公 式設(shè)計(jì)并優(yōu)化得到相應(yīng)的交叉耦合器和90度電橋；再將其改成基片集成波導(dǎo)的 結(jié)構(gòu)之后作進(jìn)一步的微調(diào)，使其性能滿(mǎn)足要求。移相器利用波導(dǎo)彎曲實(shí)現(xiàn)，同樣 也是先建立一個(gè)等效波導(dǎo)的模型，加入感性柱優(yōu)化反射系數(shù)和相移量使得其符合 要求。當(dāng)構(gòu)成饋電網(wǎng)絡(luò)的3樣基本元件設(shè)計(jì)完成之后就去確定所需要的幅度分布
6從而設(shè)計(jì)功分器。由于切比雪夫分布是最優(yōu)分布，但是在實(shí)際操作中考慮減小損 耗的因素需要保證功率在4路分8路的時(shí)候保證能量守恒。所以需要一些優(yōu)化才 能使得旁瓣電平低同時(shí)損耗也低。確定了幅度分布之后設(shè)計(jì)4路分8路的功分器， 采用與波導(dǎo)類(lèi)似的T型結(jié)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)添加一些必要的感性柱來(lái)減少反射。功分 器的沒(méi)有嚴(yán)格相位要求，因?yàn)榭梢栽诤罄m(xù)的移相網(wǎng)絡(luò)中補(bǔ)償?shù)簟．?dāng)所有的元件設(shè) 計(jì)好了之后就可以拼成整個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)了?；刹▽?dǎo)天線同樣可以采用經(jīng)典的 等效波導(dǎo)天線的設(shè)計(jì)方法，提取參數(shù)，陣列綜合。最后將所有的元件拼成一個(gè)整 體即可，饋電網(wǎng)絡(luò)的元件與元件之間一般留有半個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)作為過(guò)渡段。
通過(guò)上述實(shí)施步驟，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)工作在16GHz的基片集成波導(dǎo)4波束 天線的實(shí)物。陣列共計(jì)8乘16個(gè)槽縫單元，由8條16個(gè)槽縫的基片集成波導(dǎo)天 線構(gòu)成，總大小為385mm乘110mm， 385mm長(zhǎng)度中175mm是饋電網(wǎng)絡(luò)，154mm 是天線輻射單元，56mm是過(guò)渡帶和轉(zhuǎn)接頭。在16GHz上實(shí)測(cè)帶寬為600MHz (3.75%)。為了實(shí)現(xiàn)全向覆蓋，該實(shí)物一共制作了6份，組裝在一個(gè)類(lèi)似3角 柱的結(jié)構(gòu)上面(如圖5所示)。
權(quán)利要求1. 一種低損耗高增益多波束智能天線，其特征為整個(gè)天線及饋電系統(tǒng)由多片相同的雙面PCB工藝的上下兩層金屬敷銅面和金屬化通孔實(shí)現(xiàn)的類(lèi)似于波導(dǎo)中空腔體結(jié)構(gòu)的基片集成波導(dǎo)構(gòu)成，可為3片組成3棱柱狀或6片組成6棱柱狀；每一個(gè)平面單層介質(zhì)的基片集成波導(dǎo)由4輸入8輸出不等功率輸出巴特勒矩陣構(gòu)成的饋電網(wǎng)絡(luò)(9)、基片集成波導(dǎo)輻射單元陣列(10)2部分串聯(lián)構(gòu)成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低損耗高增益多波束智能天線，其特征為饋電 網(wǎng)絡(luò)(9)由3個(gè)并排放置的4輸入4輸出端口級(jí)聯(lián)再串接上1個(gè)4分8的功率 分配單元構(gòu)成；其中第1級(jí)由2個(gè)基片集成波導(dǎo)的第一卯度電橋(2)并排放 置構(gòu)成4個(gè)并排的輸入端口 (1)和4個(gè)并排輸出端口，輸入端口 (1)接輸入信 號(hào)；第2級(jí)為45度電橋(3)，在第1級(jí)4個(gè)輸出端口的兩側(cè)輸出端各串接了 1 個(gè)45度移相器，中間串接了一個(gè)2輸入2輸出的交叉耦合器，從而構(gòu)成45度電 橋(3)的4個(gè)并排輸出端；第3級(jí)為第二 90度電橋(4)，是在前一級(jí)4個(gè)并排 輸出端之后串聯(lián)2個(gè)并排放置的90度電橋構(gòu)成的4輸入4輸出單元；與第1級(jí) 相同，在第三級(jí)的4個(gè)并排輸出端的每1個(gè)端口串接一個(gè)1分2的不等功率分配 器合并成8個(gè)輸出端從而構(gòu)成4分8的功率分配單元的不等功率分配器(5);與 不等功率分配器(5)相連接的是由3個(gè)8輸入8輸出并排的交叉耦合單元級(jí)聯(lián) 構(gòu)成，第1個(gè)交叉耦合單元為第一直通(6)，由兩側(cè)直通端和中間3個(gè)交叉耦合 器并排構(gòu)成；第2個(gè)交叉耦合單元為移相補(bǔ)償單元(7)，由兩側(cè)各2個(gè)0度補(bǔ)償 移相器和中間2個(gè)交叉耦合器構(gòu)成；第3個(gè)交叉耦合單元由兩側(cè)直通端和中間3 個(gè)交叉耦合器并排構(gòu)成第二直通(8)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低損耗高增益多波束智能天線，其特征為基片 集成波導(dǎo)輻射單元陣列(10)為8乘16槽縫的8幅縱向縫隙天線，其輸入端接 第二直通(8)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低損耗高增益多波束智能天線，其特征為6棱 柱狀結(jié)構(gòu)由3個(gè)鈍角2面的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，鈍角面的角度為165度，相鄰兩個(gè)鈍角面 的角度為75度。每一個(gè)面上安裝一個(gè)平面4波束天線構(gòu)成24個(gè)波束全向覆蓋天 線。
專(zhuān)利摘要低損耗高增益多波束智能天線采用雙面PCB工藝，利用上下金屬表面和金屬化通孔來(lái)實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)封閉結(jié)構(gòu)導(dǎo)波，損耗低，饋電網(wǎng)絡(luò)采用了改進(jìn)過(guò)的4輸入8輸出的巴特勒矩陣，有效地降低了每一個(gè)波束的旁瓣電平。與基片集成波導(dǎo)頂面縱向縫隙結(jié)構(gòu)的天線相配合，通過(guò)優(yōu)化進(jìn)一步減小了饋電網(wǎng)絡(luò)的尺寸，減小了插損，提高了效率。為了實(shí)現(xiàn)在圓周方向上面的全向覆蓋，提出了一種6面體結(jié)構(gòu)使得每?jī)煞鶈蚊?波束天線相互交錯(cuò)的波束覆蓋了120度扇區(qū)。6個(gè)面共24個(gè)波束覆蓋了整個(gè)圓周方向的范圍。并且相鄰波束之間的交叉點(diǎn)在-3dB左右，便于在通信系統(tǒng)中間的使用。
文檔編號(hào)H01Q13/00GK201266675SQ20082018522
公開(kāi)日2009年7月1日 申請(qǐng)日期2008年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月26日
發(fā)明者偉 洪, 鵬 陳 申請(qǐng)人:東南大學(xué)