CN110085986B - 一种可波束扫描的大频率比双频天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可波束扫描的大频率比双频天线，该双频天线采用共享口径的方式集成具有较大频率比的两个频段的辐射单元，其中低频辐射单元采用偶极子天线来产生低频辐射波束，高频辐射单元采用阵列天线来产生高增益的高频扫描辐射波束，该双频天线采用包含基片集成波导在内的独立的馈电结构向阵列天线的各个阵元提供具有独立的幅度和相位的馈电信号，以实现高频辐射波束扫描，该双频天线通过印制电路板工艺实现。本发明可以在两个频段实现高增益、阻抗带宽较宽的辐射波束，且高频段上的辐射波束具有扫描能力，同时该双频天线还具有结构紧凑、加工简单、易于与射频前端电路集成的特点。

Description

一种可波束扫描的大频率比双频天线
技术领域
本发明属于电子领域和无线通信技术，尤其涉及一种可波束扫描的大频率比双频天线。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，具有更宽带宽和更高速率的新型通信技术不断地被部署和实施，为了保障已有的网络和服务能够平稳地演进，现有的移动通信***基本都是多制式、多频段同时兼容的，这也对通信网络中的基站和终端设备上的天线设计提出越来越高的要求，双频天线可以在一个拓扑结构上同时支持两个不同的频段进行辐射，能够有效减小天线所占用的空间，因此，双频天线在无线通信领域具有非常广泛的应用场景。
对双频天线，相关领域的专家、学者和工程技术人员已经有广泛的研究和一系列的技术成果，近些年来，随着对宽带频谱需求的不断增加，被规划和部署的新通信频谱的频率越来越高，除了传统的6GHz以下频段，还有相当多的毫米波频段也被纳入无线通信的范畴，能够支持具有较大频率比的两个频段的双频天线，特别是同时支持传统低频段和毫米波频段的双频天线也逐渐被相关研究人员所关注，然而，就已公开的相关大频率比双频天线技术与结构而言，还存在着以下几个问题。
1、双频天线的两个频段频率比普遍较低，目前已公开的大部分大频率比双频天线结构适合于两个工作频段的频率比低于5的应用场景，且一部分双频天线结构不能够支持其较高的工作频段覆盖到毫米波频段，这限制了双频天线的实际使用。
2、大频率比的双频天线中的较高工作频段的波束增益和覆盖不能很好地兼顾，目前已公开的大部分大频率比双频天线结构在其较高的工作频段的辐射单元基本采用单个辐射元，只能实现较高的波束增益或者是较宽的波束覆盖范围而不能同时兼顾，考虑到毫米波频段通信对天线的增益和覆盖提出了更严苛的要求，已公开的单个天线结构在不进行组阵的终端应用场景并不适用。
3、大频率比的双频天线的结构普遍不够紧凑，目前已公开的大频率比的双频天线结构，大部分采用分开排布且保留一定距离的方式来保证低频段的辐射单元和高频段的辐射单元均能够正常辐射，这种方式会降低天线结构的紧凑程度，且不利于天线结构与射频前端电路的集成和连接。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术的不足，本发明旨在提供一种可波束扫描的大频率比双频天线，具有结构紧凑、加工简单且易于与射频前端电路集成的特点。
技术方案：本发明提供的可波束扫描的大频率比双频天线结构，包含双频辐射单元和双频馈电网络两部分，其中双频辐射单元包含低频辐射单元和高频辐射单元，低频辐射单元采用偶极子天线的形式来产生低频固定辐射波束，高频辐射单元采用阵列天线的形式来产生高频扫描辐射波束；双频馈电网络包含低频馈电网络和高频馈电网络，低频馈电网络有一个输入端口和一个输出端口，通过一个馈电结构给低频辐射单元馈电产生固定的低频辐射波束，高频馈电网络采用独立的馈电机制，有N个输入和输出端口，给高频辐射单元的N个阵元馈电产生可扫描的高频辐射波束，具体如下，每一个输入端口通过一个独立馈电结构连接到对应的一个输出端口，每个输出端口连接到对应的一个阵元，在各个输入端口提供特定幅度和相位的馈电组合可以使高频辐射单元的各个阵元产生具有对应幅度和相位的辐射波束，从而合成特定指向的高频辐射波束，提供不同的馈电组合可以得到具有不同强度和指向的辐射波束，实现辐射波束的扫描。
所述的双频天线结构，整个天线结构为平面结构，采用印制电路板工艺实现，采用的层次结构可以为单层印制电路板工艺。
所述的双频天线结构，低频辐射单元采用印制偶极子天线实现，其中两个偶极子臂采用双面导体实现，每个偶极子臂包含两片关于介质基板对称的导体，两片导体通过金属过孔连接；高频辐射单元采用平面阵列天线实现，阵列天线为沿低频偶极子臂方向排布即与低频偶极子平行的线性阵列，且关于低频偶极子的中心对称，阵元的数目N＝2M，所采用的的阵元可以为偶极子天线，阵列中的阵元可以以等间距或中心对称的不等间距排布，间距可取0.5到1个工作中心频率对应的波长之间的数值。
所述的双频天线结构，采用共享口径的方式来集成两个频段的辐射单元，作为高频辐射单元的阵列天线被放置于作为低频辐射单元的偶极子天线的前部即偶极子天线远离馈电端口的一侧，构成两个辐射单元的金属导体直接连接，在双频天线工作的低频段高频辐射单元成为低频辐射单元的一部分，后者与前者共享辐射口径，从而使得辐射单元结构紧凑，减小天线整体尺寸。
所述的双频天线结构，低频馈电网络的馈电结构采用双面平行条带线实现，双面平行条带线由两条等宽的关于介质基板上下对称的导体构成，低频输入端口处的馈电信号直接通过双面平行条带线传输到低频偶极子激励产生辐射波束；高频馈电网络中的每个独立馈电结构均包含一段基片集成波导传输线、一个交指状耦合馈电结构和一段双面平行条带线传输线，具体如下，高频输入端口处的馈电信号先由一段双面平行条带线进行传输，之后通过交指状耦合馈电结构耦合进入基片集成波导传输线进行传输，最后直接连接到高频阵列天线的阵元激励产生辐射波束。
所述的双频天线结构，双频馈电网络和双频辐射单元按照如下方式进行集成和连接，低频馈电网络的输出端口直接连接低频偶极子中心进行馈电，输入端口和输出端口与偶极子中心在一条直线上并垂直于偶极子臂的方向，高频馈电网络的各输入端口呈线性排布并平行于偶极子臂的方向，与低频馈电网络的输入端口在一条直线上且在该输入端口两侧对称排布，双频馈电网络的各输入端口所在平面距离低频偶极子臂的距离相当于四分之一个低频偶极子工作中心频率对应的波长；高频馈电网络中的基片集成波导传输线均被集成到低频偶极子臂上，利用低频偶极子臂的上下导体作为基片集成波导结构的上下导体，在偶极子臂上通过两排金属过孔实现基片集成波导传输线，基片集成波导传输线的方向垂直于偶极子臂，输出端口与同样作为偶极子臂一部分的高频阵列天线阵元直接连接，基片集成波导传输线的输入端口与交指状耦合馈电结构的一端连接，该耦合馈电结构的另一端连接到双面平行条带线的输出端口，双面平行条带线的输入端口即为高频馈电网络输入端口，双面平行条带线在馈电输入端口和偶极子臂之间传输馈电信号。
所述的双频天线结构，高频馈电网络中的交指状耦合馈电结构采用双面对称的形式实现，其上层导体和下层导体有完全相同的结构并关于介质基板对称。
所述的双频天线结构，低频馈电网络可以采用微带线或接地共面波导作为输入端口的传输线，高频馈电网络可以采用接地共面波导或基片集成波导作为输入端口的传输线，双频馈电网络在各个输入端口处均采用巴伦实现端口处传输线到双面平行条带线的转换。
有益效果：采用本发明所述实现的大频率比的双频天线结构，与现有技术相比，可以在传统通信低频段和毫米波频段实现阻抗带宽较宽的双频工作，且在毫米波频段上具有辐射波束扫描能力，同时结构紧凑，易于与射频前端电路集成。
附图说明
图1是本发明提供的大频率比双频天线顶层金属层示意图；
图2是本发明提供的大频率比双频天线底层金属层示意图；
图3是交指状耦合馈电结构示意图；
图4大频率比双频天线低频输入端口反射系数仿真结果；
图5大频率比双频天线高频输入端口反射系数仿真结果；
图6大频率比双频天线低频输入端口激励时方向图仿真结果；
图7大频率比双频天线高频输入端口激励时方向图仿真结果；
图8大频率比双频天线辐射增益随频率变化仿真结果；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参考附图1-附图2，本发明提供的可波束扫描的大频率比双频天线结构，包含双频辐射单元和双频馈电网络两部分，在本实施案例中天线采用单层印制电路板工艺实现，包含一层介质基片和上下两层金属层。
双频辐射单元包含低频辐射单元和高频辐射单元2，在本实施案例中低频辐射单元采用一个半波长印制偶极子天线来产生低频固定辐射波束，并选择3.5GHz为本案例中低频偶极子的工作中心频率，工作带宽大于500MHz，选择低频偶极子1的电长度取0.4到0.5个工作中心频率对应的波长之间的数值，以保证天线谐振在工作的中心频率左右，天线的两个偶极子臂采用双面金属导体实现，即每个偶极子臂由两片关于介质基板上下对称的金属导体构成，两片导体通过金属过孔16进行连接，由于介质基片的厚度远小于该工作频段对应的波长，该双面对称偶极子可等效为仅有单面导体的普通偶极子；在本实施案例中高频辐射单元2采用四单元的带引向器的偶极子阵列天线来产生高频扫描辐射波束，该偶极子阵列天线为线性阵列，阵列方向与低频偶极子平行，且阵列关于低频偶极子1的中心对称，高频阵列的阵元3、4和阵元5、6分别排布于阵列中心两侧，选择28GHz作为本案例中阵列天线的工作中心频率，工作带宽大于5GHz，阵列中的各阵元以等间距排布，并选择0.65个工作中心频率对应的波长为本案例中阵元间距，本实施案例中的高频偶极子阵元3、4、5、6均包含一个引向器7以提高阵元的增益，引向器7由双面平行条带线构成且平行于所属的偶极子阵元，分别选择本案例中各偶极子阵元的长度、引向器的长度及偶极子阵元到引向器的距离为0.4、0.3和0.075个工作中心频率对应的波长，通过本发明采用的高频馈电网络9，本实施案例中的高频偶极子阵列的阵元3、4、5、6可以被独立激励产生辐射波束，进而在空间中合成为具有特定强度和指向的扫描辐射波束；为使天线结构紧凑，高频辐射单元2即本实施案例中的28GHz偶极子阵列天线被放置于作为低频辐射单元的偶极子天线的前部，即偶极子天线远离馈电端口的一侧，构成两个辐射单元的金属导体直接连接，从而在双频天线结构工作的低频段即本案例中的3.5GHz频段，高频辐射单元2可等效为低频偶极子1的一部分，后者与前者共享辐射口径，减小了整个天线结构的尺寸，同时由于高频辐射单元2在低频段的等效电尺寸较小，由高频辐射单元2引入的额外的金属导体不会明显地改变低频偶极子1在其工作频段产生的辐射波束。
双频馈电网络包含低频馈电网络8和高频馈电网络9，低频馈电网络8有一个输入端口#1和一个输出端口给低频偶极子天线1馈电，高频馈电网络9在本实施案例中有4个输入端口#2、#3、#4、#5和4个输出端口给高频偶极子阵列的4个阵元3、4、5、6馈电，低频馈电网络的输出端口直接连接低频偶极子1中心进行馈电，输入端口#1和输出端口与偶极子中心在一条直线上并垂直于偶极子的方向，高频馈电网络9的各输出端口直接连接到对应的高频偶极子阵元进行馈电，各输入端口#2、#3、#4、#5呈线性排布并平行于低频偶极子1的方向，与低频馈电网络的输入端口#1在一条直线上且输入端口#2、#3和输入端口#4、#5对称地排布在输入端口#1的两侧，在本实施案例中双频馈电网络的各输入端口所在的平面距离低频偶极子臂的距离取0.245个低频偶极子1工作中心频率对应的波长；低频馈电网络8的馈电结构采用双面平行条带线，该传输线由两条等宽的关于介质基板上下对称的金属导体构成，本实施案例中输入端口#1处的馈电信号直接通过长约四分之一个3.5GHz对应的波长的双面平行条带线传输到低频偶极子1上产生辐射波束；高频馈电网络9采用独立的馈电机制，输入端口#2、#3、#4、#5各自通过一个独立的馈电结构10连接到不同的输出端口给高频偶极子阵元3、4、5、6馈电，该高频馈电结构10包含一段基片集成波导传输线11、一个交指状耦合馈电结构12和一段双面平行条带线传输线13；其中基片集成波导传输线11可以集成到低频偶极子1上，利用低频偶极子臂的上下导体作为基片集成波导结构的上下导体，在偶极子臂上添加两排金属过孔实现基片集成波导传输线11，基片集成波导传输线11的方向垂直于低频偶极子1的方向，其输出端口与本实施案例中同样作为低频偶极子1一部分的高频偶极子阵元3/4/5/6直接连接，根据波导传输原理，高频馈电信号可以通过基片集成波导传输线11从构成低频偶极子1的双面金属导体之间传输至高频偶极子阵元3/4/5/6，而金属导体外侧只存在激励低频偶极子1的低频信号而没有高频信号经过，因此与高频偶极子阵列2直接连接的低频偶极子1不会在28GHz频段产生辐射，而是成为高频偶极子阵列2的反射器，进一步提高天线在28GHz频段的前向增益，因此本发明所提出的天线结构可以在双频辐射单元共享口径的情况下保持两个辐射单元在各自工作频段的辐射特性，同时基片集成波导传输线11具有高通滤波器的频率选择特性，可以滤除从输入或输出端口进入的不需要的低频干扰信号，可以近似使用金属矩形波导的公式来设计基片集成波导的宽度，在本实施案例中选择采用主模截止频率为22.5GHz的基片集成波导传输线；基片集成波导传输线11的输入端口则与交指状耦合馈电结构12的一端连接，相比使用传输线直接连接基片集成波导的输入端口，交指状耦合馈电结构12能够在较宽带宽内提供较强的耦合，从而提高高频偶极子阵列2的阻抗带宽；交指状耦合馈电结构12的另一端连接到双面平行条带线13的输出端口，在本实施案例中4个高频馈电结构10均采用特性阻抗为50欧姆的双面平行条带线13，且4条双面平行条带线13所经过的总路径等长，该传输线的输入端口即为高频馈电网络9的各输入端口#2、#3、#4、#5，即双面平行条带线13在馈电输入端口和低频偶极子1之间传输高频馈电信号；采用前面所述的高频辐射单元2，结合高频馈电网络9，通过在馈电输入端口即本实施案例中的端口#2、#3、#4、#5提供特定幅度和相位的馈电信号组合，各馈电信号将会通过双面平行条带线13、交指状耦合馈电结构12和基片集成波导传输线11激励高频辐射单元2的各阵元即本案例中的偶极子阵元3、4、5、6产生具有对应幅度和相位的辐射波束，进而在空间中合成特定指向的辐射波束，提供不同的馈电信号组合可以得到具有不同强度和指向的辐射波束，从而实现辐射波束的扫描。
参考附图1-附图3，前面所述的高频馈电结构10中的交指状耦合馈电结构12采用双面对称的形式实现，其上层导体和下层导体有完全相同的结构并关于介质基板对称，双面对称的平衡传输线形式有利于与同样为平衡结构的基片集成波导传输线11和双面平行条带传输线13直接集成而无需巴伦转换；交指状耦合馈电结构12由数条以交叉手指形式的平行耦合的线构成，本实施案例中采用3条耦合线形式的交指状耦合馈电结构12，并选择28GHz对应的四分之一波长的数值为该结构的长度，以保证该结构谐振在28GHz左右。
本发明提供的可波束扫描的双频天线，低频馈电网络8可以采用微带线或接地共面波导作为输入端口的传输线，高频馈电网络9可以采用接地共面波导或基片集成波导作为输入端口的传输线，在本实施案例中，低频馈电网络8和高频馈电网络9均采用特性阻抗50欧姆的接地共面波导14作为输入端口#1、#2、#3、#4、#5的传输线，双频馈电网络在各个输入端口处均采用巴伦15实现端口处传输线到双面平行条带线的转换。
为了验证本发明提供的可波束扫描的大频率比双频天线结构的真实性和可靠性，特按照本实施案例制作了一个工作在3.5GHz和28GHz波段的大频率比双频天线，设计的实例天线采用的介质基片采用厚度为0.254mm的Taconic TLY板材。附图4-附图8给出了实例天线的相关性能仿真参数，仿真实验结果可以看出，该天线具有紧凑的结构，在两个工作频段都有较高的增益，较宽的阻抗带宽，且在28GHz频段具备辐射波束扫描且扫描增益稳定等特点。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
该天线结构可以支持频率比大于5的双频段工作，其中较高的工作频段可支持毫米波频段，且可以在该频段上产生可扫描的高增益辐射波束，同时兼顾波束增益和覆盖范围，该天线结构采用共享口径的方式集成两个频段的辐射单元，具有结构紧凑、加工简单且易于与射频前端电路集成的特点，同时该天线结构可以在两个工作频带都实现较宽的阻抗匹配带宽。

Claims (6)

1.一种可波束扫描的大频率比双频天线，其特征在于：所述天线包含双频辐射单元和双频馈电网络，所述双频辐射单元包含低频辐射单元和高频辐射单元，所述低频辐射单元通过偶极子天线产生低频固定辐射波束，所述高频辐射单元采用阵列天线的形式产生高频扫描辐射波束；所述双频馈电网络包含低频馈电网络和高频馈电网络，所述低频馈电网络有一个输入端口和一个输出端口，通过一个馈电结构给低频辐射单元馈电产生固定的低频辐射波束，高频馈电网络为独立的馈电机制，有N个输入和输出端口，给高频辐射单元的N个阵元馈电产生可扫描的高频辐射波束；每一个输入端口通过一个独立馈电结构连接到对应的一个输出端口，每个输出端口连接到对应的一个阵元，在各个输入端口提供特定幅度和相位的馈电组合使高频辐射单元的各个阵元产生具有对应幅度和相位的辐射波束，从而合成定向的高频辐射波束，提供不同的馈电组合得到具有不同强度和指向的辐射波束，实现辐射波束的扫描；
其中，
所述天线为平面结构，通过印制电路板工艺实现，采用的层次结构包括单层印制电路板工艺；
所述的低频辐射单元采用的偶极子天线的两个偶极子臂采用双面导体实现，每个偶极子臂包含两片关于介质基板对称的导体，两片导体通过金属过孔连接；
所述高频辐射单元的阵列天线为沿低频偶极子臂方向排布的线性阵列，且关于低频偶极子天线的中心对称，阵元的数目N＝2M，所述阵元包括为偶极子天线，阵列中的阵元以等间距或中心对称的不等间距排布，间距可取0.5到1个工作中心频率对应的波长之间的数值；
所述双频辐射单元通过共享口径的方式集成两个频段的辐射单元，作为高频辐射单元的阵列天线放置于作为低频辐射单元的偶极子天线的前部，偶极子天线远离馈电端口的一侧，并与偶极子天线直接连接，成为低频辐射单元的一部分，低频辐射单元与高频辐射单元共享辐射口径，减小天线尺寸。
2.根据权利要求1所述的可波束扫描的大频率比双频天线结构，其特征在于：所述低频馈电网络的馈电结构为双面平行条带线，双面平行条带线由两条等宽的关于介质基板上下对称的导体构成，低频输入端口处的馈电信号直接通过双面平行条带线传输到低频偶极子激励产生辐射波束。
3.根据权利要求1所述的可波束扫描的大频率比双频天线结构，其特征在于，所述高频馈电网络中的每个独立馈电结构均包含一段基片集成波导传输线、一个交指状耦合馈电结构和一段双面平行条带线传输线，高频输入端口处的馈电信号先由一段双面平行条带线进行传输，之后通过交指状耦合馈电结构耦合进入基片集成波导传输线进行传输，最后直接连接到高频阵列天线的阵元激励产生辐射波束。
4.根据权利要求1所述的可波束扫描的大频率比双频天线结构，其特征在于：所述双频馈电网络和双频辐射单元按照如下方式进行集成和连接：
所述低频馈电网络的输出端口直接连接低频偶极子中心进行馈电，输入端口和输出端口与偶极子中心在一条直线上并垂直于偶极子臂的方向，高频馈电网络的各输入端口呈线性排布并平行于偶极子臂的方向，与低频馈电网络的输入端口在一条直线上且在该输入端口两侧对称排布，双频馈电网络的各输入端口所在平面距离低频偶极子臂的距离相当于四分之一个低频偶极子工作中心频率对应的波长；高频馈电网络中的基片集成波导传输线均被集成到低频偶极子臂上，利用低频偶极子臂的上下导体作为基片集成波导结构的上下导体，在偶极子臂上通过两排金属过孔实现基片集成波导传输线，基片集成波导传输线的方向垂直于偶极子臂，输出端口与同样作为偶极子臂一部分的高频阵列天线阵元直接连接，基片集成波导传输线的输入端口与交指状耦合馈电结构的一端连接，该耦合馈电结构的另一端连接到双面平行条带线的输出端口，双面平行条带线的输入端口即为高频馈电网络输入端口，双面平行条带线在馈电输入端口和偶极子臂之间传输馈电信号。
5.根据权利要求1所述的可波束扫描的大频率比双频天线结构，其特征在于：所述高频馈电网络中的交指状耦合馈电结构采用双面对称的形式实现，其上层导体和下层导体有完全相同的结构并关于介质基板对称。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的可波束扫描的大频率比双频天线结构，其特征在于：所述低频馈电网络为微带线或接地共面波导作为输入端口的传输线，所述高频馈电网络为接地共面波导或基片集成波导作为输入端口的传输线，双频馈电网络在各个输入端口处均通过巴伦实现端口处传输线到双面平行条带线的转换。
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