[0001] 本实用新型涉及微波通信技术领域， 尤其涉及一种多波束背腔式高增益天线阵 背景技术

[0002] 随着 5G的兴起， 在毫米波频段， 特别是 60GHz频段， 由于通信系统具有更高速 的数据传输速率以及大的传输容量而被学者广 泛研究。 然而， 60GHz频段处于大 气吸收峰， 所以路径损耗非常大。 为了应对此问题， 必须使用高增益的天线来 弥补路径损耗。 然而对于高增益天线， 由于其高的定向性， 使得其波束覆盖范 围有限， 为了同吋获得高的增益同吋波束又能覆盖较广 的范围， 多波束天线是 一个好的选择。 但是， 传统的 1x4多波束贴片天线阵增益较低， 原因是一方面由 于使用微带线作为馈电网络， 损耗较大； 另一方面是由于表面波的存在， 表面 波在介质表面来回反射， 很难辐射出去， 导致天线口径效率低下。

技术问题

[0003] 本实用新型的主要目的提供一种多波束背腔式 高增益天线阵， 旨在解决现有的 多波束贴片天线阵增益较低的技术问题。

问题的解决方案

技术解决方案

[0004] 为实现上述目的， 本实用新型提供了一种多波束背腔式高增益天 线阵， 包括波 束成型馈电网络， 所述波束成型馈电网络包括四个输入端及四个 输出端， 所述 多波束背腔式高增益天线阵还包括辐射贴片天 线， 所述辐射贴片天线由上层基 板和下层基板组成， 其中：

[0005] 所述上层基板的上表面间隔设置有四个天线单 元， 所述四个天线单元的四周采 用多个金属化过孔围成一个背腔式结构的金属 腔；

[0006] 所述下层基板设置有四路基片集成波导， 每一路基片集成波导由多个金属化过 孔围成， 所述四路基片集成波导设置有辐射贴片天线的 四个输入端； [0007] 所述辐射贴片天线的四个输入端各自对应连接 至所述波束成型馈电网络的四个 输出端；

[0008] 所述上层基板和下层基板层叠粘合在一起， 所述上层基板的厚度为 60GHz介质 波的四分之一波长。

[0009] 优选的， 所述天线单元由交叉型辐射贴片构成并间隔印 刷在所述上层基板的上 表面， 每两个天线单元之间的间距为 3mm。

[0010] 优选的， 所述天线单元由位于该天线单元底下的缝隙进 行电磁波的耦合与激励

[0011] 优选的， 所述金属腔的大小为长 13mm、 宽 5mm， 用于抑制表面电磁波的传播

[0012] 优选的， 所述波束成型馈电网络为一种基于基片集成波 导的 Butler矩阵实现的 B utler矩阵馈电网络。

[0013] 优选的， 所述波束成型馈电网络还包括四个定向耦合器 、 两个 45°移相器以及 两个 0°移相器。

[0014] 优选的， 所述波束成型馈电网络的两个输入端作为第一 定向耦合器的两个输入 端， 第一定向耦合器的第一输出端连接至第一 45°移相器的输入端， 第一定向耦 合器的第二输出端连接至第四定向耦合器的输 入端。 第一 45°移相器的输出端连 接至第二定向耦合器的第一输入端， 第二定向耦合器的第一输出端连接至第一 0° 移相器的输入端， 第一 0°移相器的输出端连接至波束成型馈电网络的 第一输出端 ， 第二定向耦合器的第二输出端连接至波束成型 馈电网络的第三输出端。

[0015] 优选的， 所述波束成型馈电网络的另外两个输入端作为 第三定向耦合器的两个 输入端， 第三定向耦合器的第一输出端连接至第二 45。移相器的输入端， 第三定 向耦合器的第二输出端连接至第二定向耦合器 的第二输入端。 第二 45°移相器的 输出端连接至第四定向耦合器的第二输入端， 第四定向耦合器的第一输出端连 接至第二 0°移相器的输入端， 第二 0°移相器的输出端连接至波束成型馈电网络的 第四输出端， 第四定向耦合器的第二输出端连接至波束成型 馈电网络的第二输 出端。

发明的有益效果 有益效果

[0016] 相较于现有技术， 本实用新型所述多波束背腔式高增益天线阵采 用上述技术方 案， 达到了如下技术效果： 通过加入背腔式结构有效抑制表面电磁波来提 高天 线增益， 以及使用厚度为 60GHz介质波的四分之一波长的介质板作为上层� ��板， 使得天线阵与传统贴片天线相比能够获得更高 的增益， 特别适用于高路径损耗 的毫米波通信。

对附图的简要说明

附图说明

[0017] 图 1是本实用新型多波束背腔式高增益天线阵优� �实施例的结构示意图；

[0018] 图 2是本实用新型多波束背腔式高增益天线阵中� �波束成型馈电网络优选实施 例的电路示意图；

[0019] 图 3是本实用新型多波束背腔式高增益天线阵的� �测天线增益示意图。

[0020] 本实用新型目的实现、 功能特点及优点将结合实施例， 将在具体实施方式部分 一并参照附图做进一步说明。

实施该发明的最佳实施例

本发明的最佳实施方式

[0021] 为更进一步阐述本实用新型为达成上述目的所 采取的技术手段及功效， 以下结 合附图及较佳实施例， 对本实用新型的具体实施方式、 结构、 特征及其功效进 行详细说明。 应当理解， 此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用 新型， 并不用于限定本实用新型。

[0022] 参照图 1所示， 图 1是本实用新型多波束背腔式高增益天线阵优� �实施例的结构 示意图； 图 2是本实用新型多波束背腔式高增益天线阵中� �波束成型馈电网络优 选实施例的电路示意图。 在本实施例中， 所述多波束背腔式高增益天线阵包括 辐射贴片天线 1以及波束成型馈电网络 2。 所述辐射贴片天线 1由上层基板 11和下 层基板 12组成， 所述上层基板 11和下层基板 12层叠粘合在一起。 所述上层基板 1 1和下层基板 12均优选采用相对介电常数 2.2的罗杰斯 RO5880介质板。 上层基板 11 的厚度约等于工作频段 60GHz介质波的四分之一波长， 下层基板 12的厚度不作限 制。 [0023] 所述上层基板 11的上表面间隔设置有四个天线单元 13， 每个天线单元 13由交叉 型辐射贴片构成并间隔印刷在上层基板 11的上表面。 相邻两个天线单元 13之间 的间距优选为 3mm以确保低的副瓣电频， 每一个天线单元 13由位于天线单元 13 各自对应正底下的缝隙 16进行电磁波的耦合与激励。

[0024] 所述天线单元 13的四周采用多个金属化过孔 14围成一个背腔式结构的金属腔 15 ， 该金属腔 15的大小优选为长 13mm， 宽 5mm。 所述金属腔 15可以抑制表面电磁 波的传播， 从而提高天线增益。 由于上层基板 11的厚度约等于 60GHz介质波的四 分之一波长， 从而使得天线增益进一步增加。

[0025] 所述下层基板 12设置有四路基片集成波导 17， 每一路基片集成波导 17由多个金 属化过孔 14围成。 四路基片集成波导 17分别设置有辐射贴片天线 1的输入端 P11 、 P12、 P13和 P14。 为了保证基片集成波导 17中只传输 TE01模式， 每一路基片集 成波导 17的宽度设置为 3mm。 在本实施例中， 所述波束成型馈电网络 2由基于基 片集成波导 17的 Butler矩阵实现并集成在下层基板 12上， 为一种 4x4的 Butler矩阵 馈电网络。

[0026] 参考图 2所示， 所述波束成型馈电网络 2包括四个输入端 P21、 P22、 P23和 P24和 四个输出端 P25、 P26、 P27和 P28， 其中， 所述波束成型馈电网络 2的四个输入端 P21、 P22、 P23和 P24用于分别输入四路电磁波束激励。 所述辐射贴片天线 1的四 个输入端 Pl l、 P12、 P13和 P14各自对应连接至所述波束成型馈电网络 2的四个输 出端 P25、 P26、 P27和 P28。 例如， 辐射贴片天线 1的输入端 PI 1连接至波束成型 馈电网络 2的输出端 P25， 辐射贴片天线 1的输入端 P12连接至波束成型馈电网络 2 的输出端 P26， 辐射贴片天线 1的输入端 P13连接至波束成型馈电网络 2的输出端 P 27， 辐射贴片天线 1的输入端 P14连接至波束成型馈电网络 2的输出端 P28。 当波 束成型馈电网络 2的四个输入端 P21、 P22、 P23和 P24分别输入四路电磁波束激励 吋， 波束成型馈电网络 2的相邻输出端的相位相差为 45度、 135度、 -135度和 -45 度， 因此电磁波到达每个天线单元 13的相位不同使得天线实现了波束扫描的功 能。

[0027] 所述波束成型馈电网络 2还包括四个定向耦合器 21a、 21b、 21c、 21d、 两个 45° 移相器 22a、 22b以及两个 0°移相器 23a、 23b。 四个定向耦合器 21a、 21b、 21c、 2 Id分别具有 90度相移特性的 3db定向耦合的功能。 两个 45°移相器 22a、 22b和两个 0°移相器 23a、 23b均为基于基片集成波导线的固定移相器， 通过不等宽和不等长 的基片集成波导线来实现。

[0028] 所述波束成型馈电网络 2的两个输入端 P21、 P22作为第一定向耦合器 21a的两个 输入端， 第一定向耦合器 21a的第一输出端连接至第一 45°移相器 22a的输入端， 第一定向耦合器 21a的第二输出端连接至第四定向耦合器 21d的输入端。 第一 45° 移相器 22a的输出端连接至第二定向耦合器 21b的第一输入端， 第二定向耦合器 21 b的第一输出端连接至第一 0°移相器 23a的输入端， 第一 0°移相器 23a的输出端连 接至波束成型馈电网络 2的第一输出端 P25， 第二定向耦合器 21b的第二输出端连 接至波束成型馈电网络 2的第三输出端 P27。

[0029] 所述波束成型馈电网络 2的另外两个输入端 P23和 P24作为第三定向耦合器 21c的 两个输入端， 第三定向耦合器 21c的第一输出端连接至第二 45°移相器 22b的输入 端， 第三定向耦合器 21c的第二输出端连接至第二定向耦合器 21b的第二输入端。 第二 45°移相器 22b的输出端连接至第四定向耦合器 21d的第二输入端， 第四定向 耦合器 21d的第一输出端连接至第二 0°移相器 23b的输入端， 第二 0°移相器 23b的 输出端连接至波束成型馈电网络 2的第四输出端 P28， 第四定向耦合器 21d的第二 输出端连接至波束成型馈电网络 2的第二输出端 P26。

[0030] 参照图 3所示， 是本实用新型多波束背腔式高增益天线阵的实 测天线增益示意 图。 在天线实测反射系数仿真过程中， 本实用新型所述多波束背腔式高增益天 线阵的 -10dB匹配带宽可以覆盖整个 60GHz频段 （即 57GHz - 64GHz频段） 。 在 60GHz频点处， 天线的电磁波束扫描角从 -38度到正 38度， 交 叉极化小于 -17dB。 天线增益在 60GHz频段内稳定， 峰值增益可以达到 13.6dBi。 本实用新型提出的新型背腔式口径耦合贴片天 线阵较之于一般的贴片天线具有 更高的增益与口径效率， 适用于高路径损耗的 60GHz毫米波通信。

[0031] 本实用新型所述多波束背腔式高增益天线阵通 过加入背腔式结构有效抑制表面 波， 以及使用厚度约为 60GHz频段四分之一波长的介质板 （上层基板 11) 使得多 波束背腔式高增益天线阵与传统贴片天线相比 能够获得更高的增益， 特别适用 于高路径损耗的毫米波通信。 天线增益可以达到 13.6dBi， 波束扫描角度从负 38 度到正 38度， 交叉极化在 -17dB以下， 同吋天线容易集成于毫米波通信电路与通 信系统。

[0032] 以上仅为本实用新型的优选实施例， 并非因此限制本实用新型的专利范围， 凡 是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等 效结构或等效功能变换， 或直接 或间接运用在其他相关的技术领域， 均同理包括在本实用新型的专利保护范围 内。

工业实用性

[0033] 相较于现有技术， 本实用新型所述多波束背腔式高增益天线阵采 用上述技术方 案， 达到了如下技术效果： 通过加入背腔式结构有效抑制表面电磁波来提 高天 线增益， 以及使用厚度为 60GHz介质波的四分之一波长的介质板作为上层� ��板， 使得天线阵与传统贴片天线相比能够获得更高 的增益， 特别适用于高路径损耗