專利名稱：具有寬波束的q波段毫米波室內(nèi)高速通信天線的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及毫米波通信系統(tǒng)綜合涉及技術(shù)，尤其涉及一種具有寬波束覆蓋、工作頻帶寬、可平面集成的室內(nèi)高速通信天線。
背景技術(shù)：
毫米波段具有豐富的頻譜資源，因此毫米波通信可以較容易的獲得寬頻帶、高數(shù)據(jù)速率和高信道容量等特性。目前，常規(guī)通信頻段(<6GHz)的頻譜資源已十分有限，工業(yè)、民用和商用均對頻譜資源和高數(shù)據(jù)速率傳輸有著迫切的需求。這就使得開發(fā)利用毫米波頻譜資源成為近年來全球無線通信研發(fā)的熱點。2012年，由我國倡導并率先提出的中國毫米波通信標準獲得國際電子電氣工程師協(xié)會的許可并被確立為802.1laj (45GHz)標準。這一標準致力于開發(fā)45GHz頻段(Q波段)頻譜資源，用于長距和短距大容量、高數(shù)據(jù)速率通信。其中，43-47GHZ頻段被定義為室內(nèi)短距無線通信應用。基于該頻率的毫米波通信主要用于支撐室內(nèi)各種無線終端與主干網(wǎng)的高速接入和互聯(lián)。針對45GHz室內(nèi)短距無線通信的需求，相應的接入設備需要提供室內(nèi)的全面覆蓋，這就對接入天線提出了較高的要求。即天線在滿足帶寬和增益需求外，還需要具有極寬的波束(即3dB波束寬度)來實現(xiàn)有效的空間覆蓋。按照我國常規(guī)房間大小進行如下計算(不失一般性):設定常規(guī)起居室或會議室的極限尺寸為10米XlO米(總面積100平方米)，層高3米；當通信接入設備放置在起居室或會議室的天花板中央時，可以計算出空間覆蓋角約為120° ;因此，就需要接入設備的天線能夠提供全空間120°的覆蓋能力。針對更大的房間情況或房間寬度和高度比更大的情況，可以采用多接入點布局方式調(diào)整。目前，常規(guī)的天線形式基本無法滿足在所有主切面內(nèi)同時滿足120°覆蓋。因此，寬波束天線設計是毫米波室內(nèi)通信系統(tǒng)的一個設計難點。通信系統(tǒng)的高度集成設計能夠有效減小系統(tǒng)的體積，降低因分立模塊間轉(zhuǎn)接引入的額外損耗和系統(tǒng)功耗，是當今通信系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。天線作為毫米波通信系統(tǒng)的重要部件，在設計過程中需要充分考慮與外部電路的互聯(lián)和集成?；谟∷㈦娐芳夹g(shù)的天線形式具有先天與平面電路互聯(lián)的優(yōu)勢，通過采用平面?zhèn)鬏斁€作為天線饋線，可以實現(xiàn)與后級收發(fā)電路的自然過渡。常用的平面?zhèn)鬏斁€形式有微帶線、帶狀線等，在射頻、微波頻段有著大量應用。但在毫米波頻段，微帶線和共面波導具有較大的金屬損耗和輻射損耗，這些損耗不僅惡化系統(tǒng)的性能，輻射損耗更會影響天線的輻射性能。因此，如何選取低損耗、無輻射的平面饋線形式，也是研制毫米波通信天線所必須解決的難點。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種主要基于平面印刷電路技術(shù)實現(xiàn)的、具有寬波束覆蓋特征(120° )的毫米波室內(nèi)通信天線，利用特定夾角的印刷對稱振子外加反射板調(diào)諧實現(xiàn)寬波束覆蓋，采用基片集成波導作為饋線能夠滿足低損耗和平面集成的需求。此外，還提供了基片集成波導與金屬波導、共面波導的轉(zhuǎn)接形式，以供根據(jù)實際需求選取。技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:具有寬波束的Q波段毫米波室內(nèi)高速通信天線，包括輻射單元介質(zhì)基片和饋線介質(zhì)基片，所述福射單元介質(zhì)基片和饋線介質(zhì)基片相連接；所述輻射單元介質(zhì)基片的上下兩個表面分別印刷有一個L型折角的輻射單元金屬帶條，記兩個輻射單元金屬帶條分別為上輻射單元金屬帶條和下輻射單元金屬帶條，所述上輻射單元金屬帶條和下輻射單元金屬帶條在輻射單元介質(zhì)基片表面上的投影鏡像對稱且有一段相互重合、呈雨傘狀分布，所述上輻射單元金屬帶條和下輻射單元金屬帶條構(gòu)成夾角對稱振子福射結(jié)構(gòu)；所述饋線介質(zhì)基片的上下表面分別印刷有一個金屬層，記兩個金屬層分別為上金屬層和下金屬層，所述下金屬層與饋線介質(zhì)基片的下表面具有相同的尺寸，所述上金屬層的尺寸小于饋線介質(zhì)基片的上表面的尺寸；金屬化通孔貫穿饋線介質(zhì)基片及上金屬層和下金屬層，并將上金屬層和下金屬層電連通；所述金屬化通孔排布成兩條相平行的直線形，與上金屬層和下金屬層共同圍合成封閉的基片集成波導，所述基片集成波導與上輻射單元金屬帶條和下輻射單元金屬帶條電連接構(gòu)成差分饋電結(jié)構(gòu)，即上輻射單元金屬帶條與上金屬層電連接，下輻射單元金屬帶條與下金屬層電連接；所述基片集成波導通過轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)電連接，所述轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)用于與標準金屬波導互聯(lián)。優(yōu)選的，所述上輻射單元金屬帶條與上金屬層電連接的一端、在上金屬層上壓置有上矩形金屬塊，所述下輻射單元金屬帶條與下金屬層電連接的一端、在下金屬層上壓置有下矩形金屬塊。優(yōu)選的，所述上矩形金屬塊和下矩形金屬塊通過一對螺釘與饋線介質(zhì)基片固定，分別壓置在上金屬層和下金屬層表面。所述上矩形金屬塊和下矩形金屬塊的設計即為加載金屬反射背板調(diào)諧波束寬度的設計。具體的，所述轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)可以為矩形波導轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)或平面波導轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)。對矩形波導轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)，可以進行如下設計:所述金屬化通孔分為兩組，其中一組排布成一邊帶有缺口的矩形、記為A組金屬化通孔，另一組排布成兩條相平行的直線形、記為B組金屬化通孔，所述A組金屬化通孔和B組金屬化通孔形成T型，且B組金屬化通孔的兩條直線形的一端分別與A組金屬化通孔的矩形缺口的兩端位置對應；所述B組金屬化通孔用于與上金屬層和下金屬層共同圍合成封閉的基片集成波導；所述A組金屬化通孔用于構(gòu)成轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)，在A組金屬化通孔的矩形區(qū)域內(nèi)、在上金屬層上刻蝕有一個矩形開口，所述矩形開口用于與標準金屬波導互聯(lián)。優(yōu)選的，所述A組金屬化通孔的矩形區(qū)域外周側(cè)、在饋線介質(zhì)基片設置有兩個螺釘孔和四個定位銷孔，用于標準金屬波導的安裝。上述天線，可以滿足Q波段毫米波室內(nèi)通信系統(tǒng)的需求:其設計中心頻率為45GHz，實測在41.6-47.2GHz內(nèi)駐波比小于2 ;在43_47GHz頻帶內(nèi)，電場平面和磁場平面的輻射方向圖的3dB波束寬度可以達到120°，最大增益在5.9-6.5dBi波動。并且上述天線的設計方法具有一般性，僅受到加工工藝限制，可以在較寬的毫米波頻段(30-90GHZ)內(nèi)推廣，能夠滿足相應毫米波通信系統(tǒng)寬波束覆蓋和寬帶的需求；不需改變天線結(jié)構(gòu)，僅通過調(diào)整輻射單元和饋線的特征尺寸就能夠滿足不同工作頻率需求，并能夠始終保持寬波束覆蓋特性。另外，上述天線采用基片集成波導作為饋線，可以實現(xiàn)與其他電路和器件緊湊集成和平面化集成。再者，整個天線結(jié)構(gòu)簡單，主要利用印刷電路板工藝生產(chǎn)，沒有任何復雜結(jié)構(gòu)，成本低、精度較高、重復性好，適合大批量生產(chǎn)。有益效果:本發(fā)明提供的具有寬波束的Q波段毫米波室內(nèi)通信天線，結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧，能夠滿足平面電路集成的要求，并且具有成本低、便于批量生產(chǎn)等優(yōu)點，能夠適用于無線通信中。


圖1為實施例1的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實施例1的正視剖視結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為實施例1的S參數(shù)測量結(jié)果；圖4 (a)為實施例1的電場平面的輻射方向圖測量結(jié)果；圖4 (b)為實施例1的磁場平面的輻射方向圖測量結(jié)果；圖5為實施例2的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。對稱振子是一種經(jīng)典的天線形式，具有在一個主切面(磁場主平面)內(nèi)全向輻射的特性，但在另外一個主切面(電場主平面)內(nèi)僅有較小的波束寬度。為了展寬電場主平面內(nèi)的波束，可以通過改變振子之間的夾角來實現(xiàn)，即將振子在傳播主向的夾角從原來的180°進一步擴大。同時，為了將磁場主平面的全向特性改善為所需要的120°，可以通過增加反射背板來實現(xiàn)。此外，在饋線設計上選取基片集成波導結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有平面化特點，可以利用印刷電路技術(shù)實現(xiàn)，具有低損耗、無輻射的有點。再者，基片集成波導還具有先天的差分饋電特性，可以直接與對稱振子相連?；刹▽Ш推渌麄鬏斁€形式，如微帶線、共面波導等平面?zhèn)鬏斁€，以及金屬波導都有成熟的轉(zhuǎn)接方案。實施例1如圖1、圖2所示為一種具有寬波束的Q波段毫米波室內(nèi)高速通信天線，包括輻射單元介質(zhì)基片I和饋線介質(zhì)基片2，所述輻射單元介質(zhì)基片I和饋線介質(zhì)基片2相連接；所述輻射單元介質(zhì)基片I的上下兩個表面分別印刷有一個L型折角的輻射單元金屬帶條，記兩個輻射單元金屬帶條分別為上輻射單元金屬帶條3和下輻射單元金屬帶條4，所述上輻射單元金屬帶條3和下輻射單元金屬帶條4在輻射單元介質(zhì)基片I表面上的投影鏡像對稱且有一段相互重合、呈雨傘狀分布，所述上輻射單元金屬帶條3和下輻射單元金屬帶條4構(gòu)成夾角對稱振子輻射結(jié)構(gòu)；所述饋線介質(zhì)基片2的上下表面分別印刷有一個金屬層，記兩個金屬層分別為上金屬層51和下金屬層52，所述下金屬層52與饋線介質(zhì)基片2的下表面具有相同的尺寸，所述上金屬層51的尺寸略小于饋線介質(zhì)基片2的上表面的尺寸；金屬化通孔6貫穿饋線介質(zhì)基片2及上金屬層51和下金屬層52，并將上金屬層51和下金屬層52電連通；所述金屬化通孔6分為兩組，其中一組排布成一邊帶有缺口的矩形、記為A組金屬化通孔，另一組排布成兩條相平行的直線形、記為B組金屬化通孔，所述A組金屬化通孔和B組金屬化通孔形成T型，且B組金屬化通孔的兩條直線形的一端分別與A組金屬化通孔的矩形缺口的兩端位置對應；所述B組金屬化通孔與上金屬層51和下金屬層52共同圍合成封閉的基片集成波導61，所述基片集成波導61與上輻射單元金屬帶條3和下輻射單元金屬帶條4電連接構(gòu)成差分饋電結(jié)構(gòu)，即上輻射單元金屬帶條3與上金屬層51電連接，下輻射單元金屬帶條4與下金屬層52電連接；所述上輻射單元金屬帶條3與上金屬層51電連接的一端、在上金屬層51上壓置有上矩形金屬塊71，所述下輻射單元金屬帶條4與下金屬層52電連接的一端、在下金屬層52上壓置有下矩形金屬塊72,上矩形金屬塊71和下矩形金屬塊72通過一對螺釘8與饋線介質(zhì)基片2固定，分別壓置在上金屬層51和下金屬層52表面；所述A組金屬化通孔的矩形區(qū)域內(nèi)，在上金屬層51上刻蝕有一個矩形開口 9，所述矩形開口 9用于與標準金屬波導互聯(lián)；所述A組金屬化通孔的矩形區(qū)域外周側(cè)、在饋線介質(zhì)基片2設置有兩個螺釘孔10和四個定位銷孔11，用于標準金屬波導的安裝。本例的尺寸單位為_，饋線介質(zhì)基片2部分的寬X長X厚為21X44X0.5，包含輻射單元介質(zhì)基片I部分后的寬X長X厚為21X40X0.5 ;實測的天線S參數(shù)和輻射方向如圖3和圖4 (a)、圖4 (b)所示。本例的基本結(jié)構(gòu)包括夾角對稱振子輻射結(jié)構(gòu)、金屬反射板(上矩形金屬塊71和下矩形金屬塊72)、基片集成波導61和基片集成波導61到標準金屬波導的轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)62(由A組金屬化通孔和矩形開口 9構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，即矩形波導轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu))，通過對夾角對稱振子輻射結(jié)構(gòu)和金屬反射板的大小、位置的調(diào)整可以調(diào)節(jié)諧波束寬度。本例的天線設計中心頻率為45GHz，實測在41.6-47.2GHz內(nèi)駐波比小于2 ;在43-47GHZ頻帶內(nèi)，電場平面和磁場平面的輻射方向圖的3dB波束寬度可以達到120°，最大增益在5.9-6.5dBi波動。實施例2本例與實施例1的基本結(jié)構(gòu)相同，僅將矩形波導轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)改為平面波導轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)。圖5所示，尺寸單位為mm，饋線介質(zhì)基片2部分的寬X長X厚為21 X32X0.5，包含輻射單元介質(zhì)基片I部分后的寬X長X厚為21X36X0.5 ;實測的天線S參數(shù)和輻射方向與實施例基本相同。本例的基本結(jié)構(gòu)包括夾角對稱振子輻射結(jié)構(gòu)、金屬反射板(上矩形金屬塊71和下矩形金屬塊72)、基片集成波導61和基片集成波導61到標準金屬波導的轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)62 (平面波導轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)，這也是本例與實施例1的最大區(qū)別，對天線輻射特性無影響)，通過對夾角對稱振子輻射結(jié)構(gòu)和金屬反射板的大小、位置的調(diào)整可以調(diào)節(jié)諧波束寬度。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出:對于本技術(shù)領域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.具有寬波束的Q波段毫米波室內(nèi)高速通信天線，其特征在于:包括輻射單元介質(zhì)基片(I)和饋線介質(zhì)基片(2)，所述輻射單元介質(zhì)基片(I)和饋線介質(zhì)基片(2)相連接； 所述輻射單元介質(zhì)基片(I)的上下兩個表面分別印刷有一個L型折角的輻射單元金屬帶條，記兩個輻射單元金屬帶條分別為上輻射單元金屬帶條(3)和下輻射單元金屬帶條(4),所述上福射單元金屬帶條(3)和下福射單元金屬帶條(4)在福射單元介質(zhì)基片(I)表面上的投影鏡像對稱且有一段相互重合、呈雨傘狀分布，所述上輻射單元金屬帶條(3)和下輻射單元金屬帶條(4)構(gòu)成夾角對稱振子輻射結(jié)構(gòu)； 所述饋線介質(zhì)基片(2)的上下表面分別印刷有一個金屬層，記兩個金屬層分別為上金屬層(51)和下金屬層(52)，所述下金屬層(52)與饋線介質(zhì)基片(2)的下表面具有相同的尺寸，所述上金屬層(51)的尺寸小于饋線介質(zhì)基片(2)的上表面的尺寸；金屬化通孔(6)貫穿饋線介質(zhì)基片(2)及上金屬層(51)和下金屬層(52)，并將上金屬層(51)和下金屬層(52)電連通； 所述金屬化通孔(6)排布成兩條相平行的直線形，與上金屬層(51)和下金屬層(52)共同圍合成封閉的基片集成波導(61)，所述基片集成波導(61)與上輻射單元金屬帶條(3)和下輻射單元金屬帶條(4)電連接構(gòu)成差分饋電結(jié)構(gòu)，即上輻射單元金屬帶條(3)與上金屬層(51)電連接,下福射單元金屬帶條(4)與下金屬層(52)電連接； 所述基片集成波導(61)通過轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)(62)電連接，所述轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)(62)用于與標準金屬波導互聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有寬波束的Q波段毫米波室內(nèi)高速通信天線，其特征在于:所述上輻射單元金屬帶條(3)與上金屬層(51)電連接的一端、在上金屬層(51)上壓置有上矩形金屬塊(71)，所述下輻射單元金屬帶條(4)與下金屬層(52)電連接的一端、在下金屬層(52)上壓置有下矩形金屬塊(72)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有寬波束的Q波段毫米波室內(nèi)高速通信天線，其特征在于:所述上矩形金屬塊(71)和下矩形金屬塊(72 )通過一對螺釘(8 )與饋線介質(zhì)基片(2 )固定，分別壓置在上金屬層(51)和下金屬層(52)表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有寬波束的Q波段毫米波室內(nèi)高速通信天線，其特征在于:所述金屬化通孔(6)分為兩組，其中一組排布成一邊帶有缺口的矩形、記為A組金屬化通孔，另一組排布成兩條相平行的直線形、記為B組金屬化通孔，所述A組金屬化通孔和B組金屬化通孔形成T型，且B組金屬化通孔的兩條直線形的一端分別與A組金屬化通孔的矩形缺口的兩端位置對應；所述B組金屬化通孔用于與上金屬層(51)和下金屬層(52)共同圍合成封閉的基片集成波導(61);所述A組金屬化通孔用于構(gòu)成轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)(62)，在A組金屬化通孔的矩形區(qū)域內(nèi)、在上金屬層(51)上刻蝕有一個矩形開口(9)，所述矩形開口(9)用于與標準金屬波導互聯(lián)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有寬波束的Q波段毫米波室內(nèi)高速通信天線，其特征在于:所述A組金屬化通孔的矩形區(qū)域外周側(cè)、在饋線介質(zhì)基片(2)設置有兩個螺釘孔(10)和四個定位銷孔(11)，用于標準金屬波導的安裝。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有寬波束的Q波段毫米波室內(nèi)高速通信天線，其特征在于:所述轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)為矩形波導轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)或平面波導轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有寬波束的Q波段毫米波室內(nèi)高速通信天線，其輻射單元采用印刷的夾角對稱振子結(jié)構(gòu)，通過基片集成波導實現(xiàn)差分饋電，并利用加載金屬反射背板來調(diào)諧波束寬度，可以采用波導轉(zhuǎn)接或者共面波導轉(zhuǎn)接等實現(xiàn)與外部電路之間的互聯(lián)。本發(fā)明針對Q波段(43-47GHz)毫米波室內(nèi)通信系統(tǒng)標準802.11aj(45GHz)的要求，實現(xiàn)了具有寬帶和一定增益、在雙主切面內(nèi)具有120°寬波束覆蓋、可與平面有源毫米波電路一體集成的接入式天線，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧，滿足與平面電路集成的要求，并且具有成本低、便于批量生產(chǎn)等優(yōu)點。
文檔編號H01Q1/38GK103178341SQ20131007887
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月12日
發(fā)明者張彥, 洪偉, 王海明, 薛宗林 申請人:東南大學