專利名稱：基于羅特曼透鏡原理的基片集成波導(dǎo)多波束天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的基片集成波導(dǎo)羅特曼(Rotman)透鏡可以適用于微波毫米波的波束 成形網(wǎng)絡(luò)和多波束天饋系統(tǒng)，由其構(gòu)成的基片集成波導(dǎo)多波束天線可以應(yīng)用于微 波毫米波多波束系統(tǒng)和智能天線，可以帶來諸如改善通信信道質(zhì)量，降低發(fā)射功 率和誤碼率，減少多徑干擾的優(yōu)點。
背景技術(shù)：
移動通信的迅速發(fā)展，使得傳統(tǒng)的多址方式，如CDMA，F(xiàn)DMA,TDMA等， 已不能滿足日益增長的擴(kuò)容需要。多波束天線通過波束成形網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生多個固定并 行指向的波束，用來覆蓋整個用戶區(qū)，從而達(dá)到擴(kuò)容的目的。羅特曼透鏡即是一 種多波束成形網(wǎng)絡(luò)，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作帶寬較寬等優(yōu)點，因而獲得廣泛應(yīng)用。 隨著工作頻率的增高，尤其進(jìn)入Ka頻段甚至毫米波頻段，巨大的損耗使得由傳統(tǒng) 平面電路如微帶線等構(gòu)成的羅特曼透鏡無法正常工作，且由于體積過小而無法實 現(xiàn)。如果采用金屬波導(dǎo)來實現(xiàn)羅特曼透鏡，雖然其性能優(yōu)異，但會產(chǎn)生加工困難、 成本較高、重量大等難以克服的問題。新型基片集成波導(dǎo)技術(shù)既擁有平面電路的 易集成、制作方便等優(yōu)點，又具有與金屬波導(dǎo)近似的高Q值、低損耗的優(yōu)良特性， 適于微波毫米波多波束天線的設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提出一種基于羅特曼透鏡原理的基片集成波導(dǎo)多 波束天線，實現(xiàn)Ka頻段甚至毫米波頻段的波束掃描，且具有損耗較低，體積較小， 成本低，容易大批量生產(chǎn)，易與有源電路集成等優(yōu)點。
技術(shù)方案本發(fā)明的基于羅特曼透鏡原理的基片集成波導(dǎo)多波束天線通過介 質(zhì)基片的上層金屬敷銅面、下層金屬敷銅面和金屬化通孔實現(xiàn)類似于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的 基片集成波導(dǎo)，并構(gòu)成多波束天線，其結(jié)構(gòu)分為三部分第一部分為基片集成波導(dǎo)羅特曼透鏡，第二部分是基片集成波導(dǎo)移相網(wǎng)絡(luò)，第三部分是輻射天線陣，其 中第一部分與第二部分直接級聯(lián)，第二部分與第三部分直接級聯(lián)。
基片集成波導(dǎo)羅特曼透鏡由金屬化通孔排列成具有透鏡輸入端弧和透鏡輸出 端弧形狀來構(gòu)成，其透鏡輸入端弧的邊壁上分布著輸入口和匹配口，透鏡輸出端 弧的邊壁上分布著內(nèi)部輸出口與基片集成波導(dǎo)移相網(wǎng)絡(luò)相連。
基片集成波導(dǎo)移相網(wǎng)絡(luò)通過金屬化通孔的位置調(diào)節(jié)，形成具有不同寬度的基 片集成波導(dǎo)，越寬的基片集成波導(dǎo)其內(nèi)部電磁波的傳播速度越慢，從而實現(xiàn)所需 的相移量。
輻射天線陣由并排排列的9根相同4縫縫隙陣天線組陣而成，其中每一縫隙 陣天線由金屬化通孔形成的基片集成波導(dǎo)構(gòu)成，其一端短路，在基片集成波導(dǎo)內(nèi) 的上層金屬敷銅面上且位于中心線的兩側(cè)分別設(shè)有一排金屬表面上的左縫隙、右 縫隙。
由于在基片集成波導(dǎo)中不支持TEM模的傳播，故本設(shè)計中采用了不同于傳統(tǒng) 激勵模式的TEu)模，這樣會使得羅特曼透鏡的工作帶寬略微減少。但是由于采用 了基片集成波導(dǎo)技術(shù)，克服了以往基于金屬波導(dǎo)或平面電路形式的羅特曼透鏡工 作于Ka頻段和毫米波頻段時的缺陷，具有很好的性能。
有益效果
h)使羅特曼透鏡在以平面電路的形式工作于Ka頻段和毫米波頻段時，具有 較高增益、2值和較低損耗。同時與金屬波導(dǎo)的立體結(jié)構(gòu)相比，體積小、 重量輕、加工容易。
2:)基片集成波導(dǎo)羅特曼透鏡與基片集成波導(dǎo)天線陣相連形成多波束天線，結(jié) 構(gòu)簡單、緊湊、 一體化。
3:)該多波束天線制作于介質(zhì)基片上，與有源電路集成方便。
4:)該多波束天線可與弧度不大的彎曲表面(如飛機(jī)機(jī)翼表面等)直接共形， 不需另外設(shè)計，具有較高實用性。
5:)整個多波束天線的各部分集成為一體，全部利用普通PCB工藝制作，成
本低、精度高、重復(fù)性好，適合大批量生產(chǎn)。


圖1是基于羅特曼透鏡原理的基片集成波導(dǎo)多波束天線陣結(jié)構(gòu)圖。 以上的圖中有上層金屬敷銅面l、下層金屬敷銅面2、介質(zhì)基片3、金屬化
通孔4、羅特曼透鏡輸入端弧51、羅特曼透鏡輸出端弧52、基片集成波導(dǎo)羅特曼 透鏡53、內(nèi)部輸出口54、輸入口6 (包括輸入端口61 67)、匹配口 7、基片集成 波導(dǎo)移相網(wǎng)絡(luò)8、輻射天線陣91、基片集成波導(dǎo)縫隙陣天線92、金屬表面上的左 縫隙93、金屬表面上的右縫隙94。
具體實施例方式
羅特曼透鏡、移相網(wǎng)絡(luò)和天線陣相連，可以形成多波束天線。本發(fā)明中的羅 特曼透鏡，由介質(zhì)層兩面的金屬敷銅面和金屬化通孔組成的類似于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的基 片集成波導(dǎo)來實現(xiàn)，其作為波束成形網(wǎng)絡(luò)，與基片集成波導(dǎo)移相網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)，通過 從不同輸入口饋電實現(xiàn)多組相位差分布，再與由基片集成波導(dǎo)縫隙陣天線組成的 天線陣級聯(lián)，形成多波束天線。本發(fā)明中的移相網(wǎng)絡(luò)是利用不同寬度的基片集成 波導(dǎo)實現(xiàn)所需的相移量。本發(fā)明中的天線陣由并排排列的9根相同的4縫縫隙陣 天線組成，每一縫隙陣天線由金屬化通孔形成基片集成波導(dǎo)構(gòu)成；其一端短路， 在基片集成波導(dǎo)內(nèi)的金屬層上表面上且位于中心線的兩側(cè)分別設(shè)有一排金屬表面 上的左縫隙、右縫隙。
通過介質(zhì)基片3的上層金屬敷銅面1 、下層金屬敷銅面2和金屬化通孔4實現(xiàn)
類似于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的基片集成波導(dǎo)，并構(gòu)成多波束天線，其結(jié)構(gòu)分為三部分第一
部分為基片集成波導(dǎo)羅特曼透鏡53，第二部分是基片集成波導(dǎo)移相網(wǎng)絡(luò)8，第三 部分是輻射天線陣91，其中第一部分與第二部分直接級聯(lián)，第二部分與第三部分 直接級聯(lián)?；刹▽?dǎo)羅特曼透鏡53由金屬化通孔4排列成具有透鏡輸入端弧 51和透鏡輸出端弧52形狀來構(gòu)成，其透鏡輸入端弧51的邊壁上分布著輸入口 6 和匹配口 7，透鏡輸出端弧52的邊壁上分布著內(nèi)部輸出口 54與基片集成波導(dǎo)移相 網(wǎng)絡(luò)8相連?；刹▽?dǎo)移相網(wǎng)絡(luò)8通過金屬化通孔4的位置調(diào)節(jié)，形成具有 不同寬度的基片集成波導(dǎo)，越寬的基片集成波導(dǎo)其內(nèi)部電磁波的傳播速度越慢， 從而實現(xiàn)所需的相移量。輻射天線陣91由并排排列的9根相同4縫縫隙陣天線92 組陣而成，其中每一縫隙陣天線92由金屬化通孔4形成的基片集成波導(dǎo)構(gòu)成，其 一端短路，在基片集成波導(dǎo)內(nèi)的上層金屬敷銅面1上且位于中心線的兩側(cè)分別設(shè)有一排金屬表面上的左縫隙93、右縫隙94。
該多波束天線為一平面電路結(jié)構(gòu)，其完全由介質(zhì)基片上下表面金屬層及金屬 化通孔構(gòu)成。其主要結(jié)構(gòu)可分為三部分基片集成波導(dǎo)羅特曼透鏡，基片集成波 導(dǎo)移相網(wǎng)絡(luò)和基片集成波導(dǎo)天線陣。其中，羅特曼透鏡作為波束成形網(wǎng)絡(luò)，雖然 采用基片集成波導(dǎo)的形式來實現(xiàn)，但其外形設(shè)計仍可參照普通羅特曼透鏡的設(shè)計 公式進(jìn)行；基片集成波導(dǎo)縫隙陣天線組陣作為輻射天線陣；基片集成波導(dǎo)移相網(wǎng) 絡(luò)連接上述二者，并滿足波束掃描的相位需求。通過對不同的輸入口進(jìn)行激勵， 該多波束天線可以產(chǎn)生不同的波束指向。為了降低副瓣電平，在非輸入和輸出的 邊壁上實現(xiàn)匹配口，并接上50歐姆的匹配電阻。
本發(fā)明在在中心頻率約28.5 GHz處實現(xiàn)基于羅特曼透鏡原理的基片集成波導(dǎo) 多波束天線，并在Ka頻段測試其整體性能。基片選用Rogers Duroid 5880，其介 質(zhì)常數(shù)為2.2,厚度0.508mm。基片集成波導(dǎo)金屬化通孔的直徑為0.4mm，通孔之 間的間距為0.8mm。該多波束天線共有七個輸入口 6 (包括輸入端口 61~67),級 聯(lián)9根4縫基片集成波導(dǎo)縫隙陣天線。四個匹配口均接上50歐姆匹配電阻。
分別從輸入端口 61-67激勵，在暗室中測得28.5 GHz時天線可產(chǎn)生的七個波 束，分別擁有22°， 15°, 15°, 14°, 15°, 15°和22°的3dB波瓣寬度，并且其指向分別 為41°， -28°， -14°, 0°， 14°, 28°和41°。七個波束的增益分別為14.3dBi, 17.5dBi, 18.3dBi, 19dBi， 18.3dBi, 17.5dBi,和14.3dBL
將該多波束天線直接固定于弧度不大的曲面上，可形成共形天線。在28.5 GHz 時，天線可產(chǎn)生的七個波束分別擁有22°, 18°， 18°, 16°， 18°, 18°和22°的3dB波瓣 寬度，并且其指向分別為-45°,-30°，-15°，0°, 15°,30°和45°。七個波束的增益分別 為15.5犯i， 17犯i, 17.5dBi, 18dBi, 17.5dBi， 17dBi,和15.5dBi。共形后的多波束天線 與平面結(jié)構(gòu)相比，增益略有下降、波瓣略微展寬、副瓣電平略微上升，波束覆蓋 面有所增加，不會影響其使用。
權(quán)利要求
1.一種基于羅特曼透鏡原理的基片集成波導(dǎo)多波束天線，其特征在于通過介質(zhì)基片(3)的上層金屬敷銅面(1)、下層金屬敷銅面(2)和金屬化通孔(4)實現(xiàn)類似于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的基片集成波導(dǎo)，并構(gòu)成多波束天線，其結(jié)構(gòu)分為三部分第一部分為基片集成波導(dǎo)羅特曼透鏡(53)，第二部分是基片集成波導(dǎo)移相網(wǎng)絡(luò)(8)，第三部分是輻射天線陣(91)，其中第一部分與第二部分直接級聯(lián)，第二部分與第三部分直接級聯(lián)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于羅特曼透鏡原理的基片集成波導(dǎo)多波束天線， 其特征為基片集成波導(dǎo)羅特曼透鏡(53)由金屬化通孔(4)排列成具有透鏡輸 入端弧(51)和透鏡輸出端弧(52)形狀來構(gòu)成，其透鏡輸入端弧(51)的邊壁 上分布著輸入口 (6)和匹配口 (7)，透鏡輸出端弧(52)的邊壁上分布著內(nèi)部輸 出口 (54)與基片集成波導(dǎo)移相網(wǎng)絡(luò)(8)相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于羅特曼透鏡原理的基片集成波導(dǎo)多波束天線， 其特征為基片集成波導(dǎo)移相網(wǎng)絡(luò)(8)通過金屬化通孔(4)的位置調(diào)節(jié)，形成 具有不同寬度的基片集成波導(dǎo)，越寬的基片集成波導(dǎo)其內(nèi)部電磁波的傳播速度越 慢，從而實現(xiàn)所需的相移量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于羅特曼透鏡原理的基片集成波導(dǎo)多波束天線， 其特征為輻射天線陣(91)由并排排列的9根相同4縫縫隙陣天線(92)組陣 而成，其中每一縫隙陣天線(92)由金屬化通孔(4)形成的基片集成波導(dǎo)構(gòu)成， 其一端短路，在基片集成波導(dǎo)內(nèi)的上層金屬敷銅面(1)上且位于中心線的兩側(cè)分 別設(shè)有一排金屬表面上的左縫隙(93)、右縫隙(94)。
全文摘要
基于羅特曼透鏡原理的基片集成波導(dǎo)多波束天線通過介質(zhì)基片(3)的上層金屬敷銅面(1)、下層金屬敷銅面(2)和金屬化通孔(4)實現(xiàn)類似于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的基片集成波導(dǎo)，并構(gòu)成多波束天線，其結(jié)構(gòu)分為三部分第一部分為基片集成波導(dǎo)羅特曼透鏡(53)，第二部分是基片集成波導(dǎo)移相網(wǎng)絡(luò)(8)，第三部分是輻射天線陣(91)，其中第一部分與第二部分直接級聯(lián)，第二部分與第三部分直接級聯(lián)。本發(fā)明的天線可以適用于微波毫米波的波束成形網(wǎng)絡(luò)和多波束天饋系統(tǒng)，由其構(gòu)成的基片集成波導(dǎo)多波束天線可以應(yīng)用于微波毫米波多波束系統(tǒng)和智能天線，可以帶來諸如改善通信信道質(zhì)量，降低發(fā)射功率和誤碼率，減少多徑干擾的優(yōu)點。
文檔編號H01Q13/06GK101291017SQ20081012387
公開日2008年10月22日 申請日期2008年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月27日
發(fā)明者偉 洪, 程鈺間 申請人:東南大學(xué)