CN110137672A - 一种集边射和端射于一体的波束扫描天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开了一种集边射和端射于一体的波束扫描天线阵列，所述波束扫描天线阵列为N×N的方阵，其中，N为大于或等于2的整数，所述波束扫描天线阵列包括介质板，以及均匀排布在所述介质板上的毫米波双极化微带天线单元，所述毫米波双极化微带天线单元的半功率波束宽度大于90°，并且，各毫米波双极化微带天线单元之间的阵元间距为0.25‑0.36λ0，其中，所述阵元间距为相邻毫米波双极化微带天线单元中心之间的距离，λ0为毫米波天线阵列的中心频率下，电磁波在真空中的波长。所述毫米波双极化天线阵能够集边射和端射于一体，在上半平面内实现双极化波束覆盖，同时具有20％的工作带宽。
Description
技术领域
本申请实施例涉及天线技术领域，尤其涉及一种集边射和端射于一体的波束扫描天线阵列。
背景技术
随着移动通信技术的飞速进步，以及智能终端的快速普及，移动用户及无线数据的业务需求呈现***式的增长。为满足通信需求，第五代移动通信***(fifth-generation,5G)预计将会工作在毫米波波段，这将对天线应用到移动终端带来新的挑战。毫米波技术是5G移动通信的关键技术之一。
毫米波通信属于微波通信，毫米波的波长范围是0.1～10mm，频率范围是30～3000GHz,具有波束小、角分辨率高、隐蔽性好、抗干扰性强等特点。毫米波通信***不仅码速率高、信息量大，而且其体积小、重量轻。但是受大气中气体分子、水凝物和悬浮尘埃等的吸收和散射作用，电磁波的路径损耗很严重，进而缩减了信号的传输距离，此影响在毫米波频段尤其突出。
发明内容
本申请实施例提供一种集边射和端射于一体的波束扫描天线阵列，能集边射与端射天线于一体，实现了宽范围的波束覆盖。
为达到上述目的，本申请实施例采用如下技术方案：
本申请实施例的第一方面，提供一种波束扫描天线阵列，基板，以及设置在所述基板上的N×N个毫米波双极化微带天线单元，所述毫米波双极化微带天线单元的行数和列数均为N，其中，N为大于或等于2的整数，所述毫米波双极化微带天线单元的半功率波束宽度大于或等于90°，并且，各毫米波双极化微带天线单元之间的阵元间距为0.25-0.36λ0，其中，所述阵元间距为相邻毫米波双极化微带天线单元中心之间的距离，λ0为毫米波双极化微带天线单元工作于中心频率时，电磁波在真空中的波长。
由此，在保证该波束扫描天线阵列在边射方向的增益和隔离度要求的情况下，提高了该波束扫描天线阵列在端射方向的增益，使得该波束扫描天线阵列集边射和端射于一体，实现了宽范围的波束覆盖。
在可选的实现方式中，所述波束扫描天线阵列为3×3的方阵。
在可选的实现方式中，所述波束扫描天线阵列的边长为1.22λ0，厚度为0.09λ0。
该天线阵的具体尺寸仅为本申请一种具体的实现方式，本申请对此不做限制。
在可选的实现方式中，所述毫米波双极化微带天线单元均匀排布在所述基板上。
由此，使得波束扫描天线阵列能够均匀向外辐射电磁波。
在可选的实现方式中，所述毫米波双极化微带天线单元工作在24.25-29.5GHz毫米波频段，所述毫米波双极化微带天线单元的中心频率为26.875GHz。
在可选的实现方式中，所述毫米波双极化微带天线单元的输入阻抗为50Ω。
该毫米波双极化微带天线单元的具体参数仅为本申请一种具体的实现方式，本申请对此不做限制。
本申请实施例的第二方面，提供一种波束扫描天线阵列，包括：基板，以及呈正方形设置在所述基板上的8个毫米波双极化微带天线单元，其中，所述正方形的每条边上设有3个所述毫米波双极化微带天线单元，所述毫米波双极化微带天线单元的半功率波束宽度大于或等于90°，并且，各毫米波双极化微带天线单元之间的阵元间距为0.25-0.36λ0，其中，所述阵元间距为相邻毫米波双极化微带天线单元中心之间的距离，λ0为毫米波双极化微带天线单元工作于中心频率时，电磁波在真空中的波长。
本申请实施例对毫米波双极化微带天线单元的排布方式不做限制，本领域技术人员可根据需要进行调整，这些均属于本申请的保护范围。
在可选的实现方式中，所述毫米波双极化微带天线单元包括：层叠设置的辐射单元和馈电单元，所述辐射单元与所述馈电单元耦合；所述辐射单元包括层叠设置的第一介质板和第二介质板，其中，第一介质板和第二介质板分别包括相对的第一表面和第二表面，所述第一介质板的第一表面上设有第一辐射贴片，所述第二介质板的第一表面和所述第一介质板的第二表面邻接设置，且所述第二介质板的第一表面上设有第二辐射贴片，所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片相对设置；所述馈电单元包括第三介质板，所述第三介质板的第一表面上设有第一接地板，所述第一接地板与所述第二介质板的第二表面邻接设置，所述第三介质板的第二表面上设有馈线，所述第一接地板上设有缝隙，所述缝隙与所述馈线相对设置，其中，所述馈线通过所述缝隙与所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片耦合。
由此，通过设置多个辐射贴片，展宽了天线的工作频带。
在可选的实现方式中，所述馈电单元还包括：第四介质板，所述第四介质板的第一表面与所述馈线邻接设置，所述第四介质板的第二表面上设有第二接地板，所述第一接地板与所述第二接地板相对。
由此，可以通过该第二接地板与芯片连接，从而将该毫米波天线集成在芯片上，并且还可以防止射频能量从该毫米波天线的第二接地板泄露。
在可选的实现方式中，所述第二接地板上设有2个信号输入端口，所述馈线包括第一馈线和第二馈线，所述第一馈线通过第一探针与一个信号输入端口连接，所述第二馈线通过第二探针与另一个信号输入端口连接，所述缝隙包括与所述第一馈线相对的第一缝隙和于所述第二馈线相对的第二缝隙，所述第一缝隙和所述第二缝隙分离设置，所述第一馈线用于对所述第一缝隙馈电，所述第二馈线用于对所述第二缝隙馈电。
由此，将第一缝隙和第二缝隙分离设置，提高了该毫米波双极化微带天线单元的隔离度，提高了天线的极化性能。
在可选的实现方式中，所述第一接地板与第二接地板之间设有金属侧壁，所述第一接地板、所述第二接地板和所述金属侧壁围设成封闭空间，所述馈线位于所述封闭空间中。
由此，能够避免射频能量在介质板上向外侧泄露，从而能够防止能量泄露造成方向图的畸变，提高了毫米波天线的辐射性能。
在可选的实现方式中，所述第一缝隙的延伸方向垂直于所述第二缝隙的延伸方向；其中，所述第一馈线在所述第一接地板上的第一投影的延伸方向垂直于所述第一缝隙的延伸方向，且所述第一缝隙沿所述第一投影的延伸方向对称设置；所述第二馈线在所述第一接地板上的第二投影的延伸方向垂直于所述第二缝隙的延伸方向，且所述第二缝隙沿所述第二投影的延伸方向对称设置。
由此，将该第一缝隙沿第一投影的延伸方向对称设置，以及第二缝隙沿第二投影的延伸方向对称设置，使得该第一馈线能够将能量均匀传递至第一缝隙，以及使得该第二馈线将能量均匀传递至第二缝隙。
在可选的实现方式中，所述第一缝隙和所述第二缝隙为“工”字形结构，其中，所述“工”字形的“丨”的延伸方向为所述第一缝隙和所述第二缝隙的延伸方向。
由此，通过将第一缝隙和该第二缝隙设置成具有弯折结构的“工”字形结构，能够减少该第一缝隙和该第二缝隙的长度和宽度，满足该双极化毫米波双极化微带天线单元的隔离度要求。
在可选的实现方式中，所述第一缝隙和所述第二缝隙为“U”形结构，其中，所述“U”形的底边的延伸方向为所述第一缝隙和所述第二缝隙的延伸方向。
由此，通过将第一缝隙和该第二缝隙设置成具有弯折结构的“U”形结构，能够减少该第一缝隙和该第二缝隙的长度和宽度，满足该双极化毫米波双极化微带天线单元的隔离度要求。
在可选的实现方式中，所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片为方形贴片，其中，所述第一辐射贴片的边长小于或等于0.28λ0。
其中，该第一辐射贴片和该第二辐射贴片的具体形状和尺寸仅为本申请一种具体的实现方式，本申请对此不做限制。
本申请的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。
附图说明
图1为现有技术中一种毫米波双极化微带天线单元的***图；
图2为图1中毫米波双极化微带天线单元的剖视图；
图3为本申请实施例提供的一种毫米波双极化微带天线单元的结构示意图；
图4为图3中毫米波双极化微带天线单元的剖视图；
图5为本申请实施例提供的一种毫米波双极化微带天线单元的缝隙结构示意图；
图6为本申请实施例提供的另一种毫米波双极化微带天线单元的缝隙结构示意图；
图7为本申请实施例提供的一种波束扫描天线阵列的俯视图；
图8为本申请实施例提供的另一种波束扫描天线阵列的俯视图；
图9为本申请实施例提供的端射增益随阵元间距变化的曲线图；
图10为本申请实施例提供的边射增益随阵元间距变化的曲线图；
图11为本申请实施例提供的隔离度随阵元间距变化的曲线图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。
以下，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
此外，本申请中，“上”、“下”等方位术语是相对于附图中的部件示意置放的方位来定义的，应当理解到，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。
现有的毫米波天线阵电磁波的路径损耗很严重，现有技术中的一种解决办法是通过增加天线口径如采用阵列天线进而提高增益，但是会造成波束宽度压缩，减小波束覆盖范围。因此，为了将毫米波应用于5G终端，终端天线在获得高益的同时，还需要具有较宽的波束覆盖范围来克服空间的衰减。
现有的波束扫描天线阵列，其阵元间距一般大于0.5λ0，为了获得边射与端射的波束覆盖，需要分别设计边射天线与端射天线，并将边射天线和端射天线集成在天线***中，这样会增加天线***的复杂度和尺寸。
为此，本申请提供一种集边射和端射于一体的波束扫描天线阵列，该集边射和端射于一体的波束扫描天线阵列为N×N的方阵，其中，N为大于或等于2的整数，该集边射和端射于一体的波束扫描天线阵列包括基板，以及均匀在基板上的毫米波双极化微带天线单元，该毫米波双极化微带天线单元的行数和列数均为N。该毫米波双极化微带天线单元例如均匀排布在基板上。
该毫米波双极化微带天线单元的半功率波束宽度大于90°，并且，各毫米波双极化微带天线单元之间的阵元间距为0.25-0.36λ0。其中，阵元间距为相邻毫米波双极化微带天线单元中心之间的距离，λ0为毫米波双极化微带天线单元工作的中心频率下，电磁波在真空中的波长。
接着，为了方便理解本申请实施例提供的毫米波双极化微带天线单元，下面结合附图1，对已有的一种毫米波双极化微带天线单元介绍如下：
图1为现有技术中一种毫米波双极化微带天线单元的***图。图2为图1中毫米波双极化微带天线单元的剖视图。如图1、图2所示，该毫米波双极化微带天线单元包括由上至下依次层叠设置的：第一介质板100和第二介质板200，其中，该第一介质板100和该第二介质板200分别包括相对的第一表面和第二表面，该第一介质板的第一表面上设有辐射贴片1001，该第二介质板200的第一表面上设有接地板2001，该第一接地板2001与该第一介质板的第二表面邻接设置，该第二介质板的第二表面上设有馈线2003，该接地板上设有缝隙2002，该馈线2003与该缝隙2002相对设置。
该毫米波双极化微带天线单元的带宽主要与第一介质板100和第二介质板200的介电常数、第一介质板的厚度100、微带天线的馈电方式等相关。可以通过调整第一介质板和第二介质板的材质、第一介质板的结构、以及该毫米波双极化微带天线单元的馈电方式等改变微带天线的带宽。
其中，第一介质板和第二介质板的介电常数越大，工作带宽越窄。
第一介质板的厚度越厚，天线带宽越宽。
该毫米波双极化微带天线单元馈电方式包括：缝隙耦合式、直接馈电式或者通过探针进行馈电等，其中，缝隙耦合式天线的带宽较宽。
上述微带天线中，第一介质板和第二介质板的损耗正切角为0.009，相对介电常数εr＝3.0。第一介质板厚度h＝0.762mm，且该毫米波双极化微带天线单元为缝隙耦合式天线。
该微带天线工作在26-28GHz，其相对带宽ffoc满足如下所示的公式：
ffoc＝2(fH-fL)/(fH+fL) (公式1)
其中，fH为上限频率，fL为下限频率。
将fH＝29.5，以及fL＝26.5带入公式1中，可以得出，该微带天线的相对带宽ffoc≈10.7％。
可见现有的毫米波双极化微带天线单元带宽较窄，不能更好的满足需求。
为展宽天线的工作频带，本申请实施例提供一种改进的毫米波双极化微带天线单元。
图3为本申请实施例提供的一种毫米波双极化微带天线单元的结构示意图。图4为图3中毫米波双极化微带天线单元的剖视图。如图3、图4所示，本申请实施例提供的毫米波双极化微带天线单元3例如包括：层叠设置的辐射单元1和馈电单元2，该辐射单元1与该馈电单元2耦合。
其中，该辐射单元1包括2层或2层以上介质板，每层介质板包括相对设置的第一表面和第二表面，每层介质板的第一表面上设有辐射贴片，且各辐射贴片相对设置。该辐射贴片是天线主要辐射体，承担辐射能量的作用，并且，增加该辐射贴片的数量有利于展宽天线的工作频带。
图3、图4中示出的是辐射单元包括2层介质板，辐射贴片为2个的情况。本申请实施例对该辐射贴片的具体数量不做限制，本领域技术人员可根据需要选择合适的辐射贴片数量，这些均属于本申请的保护范围。
参考图3、图4，该辐射单元1包括从上往下依次层叠设置的第一介质板10和第二介质板20，该第一介质板10和该第二介质板20均包括相对的第一表面和第二表面，该第一介质板10的第二表面与该第二介质板20的第一表面邻接设置，其中，该第一介质板10的第一表面上设有第一辐射贴片101，该第二介质板20的第一表面上设有第二辐射贴片201，第一辐射贴片101与第二辐射贴片201相对。
馈电单元2包括第三介质板30，该第三介质板30包括相对的第一表面和第二表面，该第三介质板30的第一表面上设有第一接地板301，该第一接地板301与该第二介质板20的第二表面邻接设置，该第三介质板30的第二表面上设有馈线400，该第一接地板301上设有缝隙300，该缝隙300与该馈线400相对设置，该馈线400通过该缝隙300与该第一辐射贴片101和第二辐射贴片201耦合。
本申请实施例提供的微带天线中，第一介质板10和第二介质板20的损耗正切角为0.009，相对介电常数εr＝3.0。第一介质板10厚度h＝0.762mm。
增加一个辐射贴片后，该微带天线的带宽展宽至24.25-29.5GHz，能够覆盖更多的5G频带。
分别将fH＝29.5，以及fL＝24.25带入公式1中，可以得出，该微带天线的相对带宽ffoc≈19.5％。
此外，辐射贴片越多越多，带宽越宽，但是辐射贴片数量的增加，会加大天线阻抗匹配的难度，这样天线的工作带宽反而会变窄，因此本申请优选采用2层辐射贴片。
本申请实施例提供的毫米波双极化微带天线单元，通过设置多个辐射贴片，展宽了天线的工作频带。
具体设置该馈线400时，该馈线400例如可以直接和信号输入端口连接，从而可以从信号端口接收射频能量，并能够将该射频能量通过第三介质板30传递至第一接地板301的缝隙300位置，并通过设置在第一接地板301上的缝隙300对该第一辐射贴片101和该第二辐射贴片201进行馈电。其中，该馈线400例如可以是印刷在该第三介质板30的第二表面上。
其中，该毫米波天线例如包括正面和背面。该毫米波天线设有辐射贴片的一面例如为正面，该毫米波天线设有该馈线400的一面例如为背面。该毫米波天线的背面例如与芯片集成在一起。然而，设置在该毫米波天线背面的馈线400无法直接与芯片连接。
为了方便上述毫米波双极化微带天线单元与芯片的集成，还可以在馈线400远离该第三介质板30的第二表面一侧设置第四介质板40，该第四介质板40可采用与上述第一介质板10、第二介质板20及第三介质板30相同的材质。接着参考图3，如图3所示，该第四介质板40例如包括相对的第一表面和第二表面。该第四介质板40的第一表面例如与该第三介质板30的第二表面相对，该馈线400远离该第三介质板30的第二表面的一侧例如可以固定在该第四介质板40的第一表面上。
此外，为进一步方便将该毫米波双极化微带天线单元集成在芯片上，该馈电单元例如还包括：第二接地板405，该第二接地板405例如和第一接地板301相对设置，且该第二接地板405固定在该第四介质板40的第二表面上。
具体设置该第二接地板405时，该第二接地板405例如还包括相对的第一表面和第二表面，例如可以将该第二接地板405的第一表面与该第四介质板40的第二表面邻接设置，并且可以将该第二接地板405的第二表面与芯片连接。从而可以通过该第二接地板405将该毫米波天线集成在芯片上。
该第一接地板301和该第二接地板405例如为金属材质，当射频能量传递至该第一接地板301时，该第一接地板301能够使得射频能量仅通过缝隙向毫米波天线的正面辐射。该第二接地板405例如还可以防止射频能量从该毫米波天线底面泄露。
此外，为进一步防止射频能量泄露，还可以在第一接地板301与第二接地板405之间设置金属侧壁304，该第一接地板301、该第二接地板405和该金属侧壁304共同围设成封闭空间，该馈线400位于封闭空间中，从而使得馈线中的射频能量只能通过设置在第一接地板301上的缝隙毫米波天线的正面辐射，避免了射频能量在其他方向上的泄露，从而能够防止能量从其他方向泄露造成方向图的畸变，提高了毫米波天线的辐射性能。
该毫米波双极化微带天线单元例如可以为双极化天线，该第二接地板405上例如设有两个信号输入端口：垂直极化信号输入端口和水平极化信号输入端口，该垂直极化信号输入端口可以向馈线输入垂直极化信号，该水平极化信号输入端口例如可以向馈线输入水平极化信号。
具体设置该馈线400时，该馈线400例如包括第一馈线401和第二馈线402，第一馈线401一端通过第一探针403与该垂直极化信号输入端口连接，另一端为自由端，该第二馈线402一端通过第二探针404与水平极化信号输入端口连接，另一端为自由端。
其中，该第一馈线401和该第二馈线402传输的信号极化方向不同，为避免两种信号相互干扰，可以将设置在第一接地板301上的缝隙300分为第一缝隙302和第二缝隙303，并使得第一缝隙302和第二缝隙303相互分离设置。
具体设置该第一缝隙302和第二缝隙303时，可以使得该第一缝隙302的延伸方向垂直于该第二缝隙303的延伸方向，如图3所示，第一缝隙302和第二缝隙303例如可以分别呈“-”状和“丨”状设置在该第一接地板301上，且该“-”和“丨”互相分离，有利于提高上述双极化毫米波双极化微带天线单元的隔离度。
其中，该第一缝隙302与该第一馈线401相对设置，该第二缝隙303和该第二馈线402相对设置，该第一馈线401用于对该第一缝隙302馈电，该第二馈线402用于对该第二缝隙303馈电。
图5为本申请实施例提供的一种毫米波双极化微带天线单元的缝隙结构示意图。图6为本申请实施例提供的另一种毫米波双极化微带天线单元的缝隙结构示意图。其中，上述第一缝隙302与该第一馈线401相对设置，指的是该第一馈线401在该第一接地板301上的第一投影406与该第一缝隙302相交，上述该第二缝隙303与该第二馈线402相对设置，指的是该第二馈线402在该第一接地板301上的第二投影407与该第二缝隙303相交。
其中，该第一馈线401和该第二馈线402例如为“L”形，该第一馈线401和该第二馈线402分别通过“L”的“丨”部或者“L”的“_”部对设置在第一接地板301上的缝隙进行馈电。图3中示出的是第一馈线401通过“L”的“丨”部对第一缝隙302进行馈电，以及第二馈线402通过“L”的“_”部对第二缝隙303进行馈电，该第一投影指的是第一馈线401“L”形结构的“丨”部在第一接地板301上的投影，该第二投影指的是第二馈线402“L”形结构的“_”部在第一接地板301上的投影。
为使得通过该第一馈线401和该第二馈线402的射频能量分别均匀传递至该第一缝隙302和该第二缝隙303，可以将该第一缝隙302沿该第一馈线401对称设置，以及将该第二缝隙303沿该第二馈线402对称设置。
具体设置时，可使得该第一馈线401在该第一接地板301上的第一投影406的延伸方向垂直于该第一缝隙302的延伸方向，且该第一缝隙302沿所述第一投影406的延伸方向对称设置。并使得该第二馈线402在该第一接地板301上的第二投影407的延伸方向还应垂直于该第二缝隙303的延伸方向，且该第二缝隙303沿该第二投影407的延伸方向对称设置。
本申请实施例提供的毫米波双极化微带天线单元，将第一缝隙302沿第一投影406对称设置，并将第二缝隙303沿第二投影407对称设置，有利于将该射频能量分别通过第一馈线401和该第二馈线402均匀向缝隙中传递，避免由射频能量传递不均引起的阻抗失配。
此外，由于该毫米波双极化微带天线单元的频带展宽至24.25-29.5GHz，为了满足带宽设计，需要增加该第一缝隙302和该第二缝隙303的长度，现有的毫米波双极化微带天线单元的缝隙为矩形等直线形结构，若直接增加该第一缝隙302和第二缝隙303的长度，会使得第一缝隙302和第二缝隙303连通，影响了该双极化毫米波双极化微带天线单元的隔离度。
为进一步提高该第一缝隙302和该第二缝隙303的隔离度，可以将该第一缝隙302和第二缝隙303设置成具有折弯结构的形状。
参考图5，在本申请的一种实现方式中，该第一缝隙302和该第二缝隙303例如均为“工”字形结构，其中，该“工”字形的“丨”的延伸方向即为所述第一缝隙302和所述第二缝隙303的延伸方向。
该第一馈线401在第一接地板301上的第一投影406为该第一馈线401的“丨”部在该第一接地板301上的投影，该第一缝隙302“工”字形中的“丨”部垂直于该第一投影406，且该第一缝隙302沿该第一投影406的延伸方向对称设置。
该第二馈线402在该第一接地板301上的第二投影407为该第二馈线402的“_”部在该第一接地板301上的投影。该第二缝隙303的“丨”部垂直于该第二投影407，且该第二缝隙303沿该第二投影407的延伸方向对称设置。
参考图6，在本申请的另一种实现方式中，该第一缝隙302和该第二缝隙303例如均为“U”形结构，其中，该“U”底边的延伸方向即为该第一缝隙302和该第二缝隙303的延伸方向。
该第一馈线401在第一接地板301上的第一投影406为该第一馈线401的“丨”部在该第一接地板301上的投影，该第一缝隙302的“U”字形中的底边垂直于该第一投影406，且该第一缝隙302沿该第一投影406的延伸方向对称设置。
该第二馈线402在该第一接地板301上的第二投影407为该第二馈线402的“_”部在该第一接地板301上的投影。该第二缝隙303例如可以是向左或者向右旋转90°之后的“U”形，且该第二缝隙303的沿该第二投影407“_”对称设置。
本申请实施例提供的毫米波双极化微带天线单元，将第一缝隙和第二缝隙设置成具有折弯结构的形状，能够减小缝隙的长度和宽度，避免该第一缝隙和该第二缝隙过长导致的连通，满足该双极化毫米波双极化微带天线单元的隔离度要求。
接着以上述结构的毫米波双极化微带天线单元为例对本申请的集边射和端射于一体的波束扫描天线阵列进行说明，图7为本申请实施例提供的一种波束扫描天线阵列的俯视图。如图7所示，该天线阵包括基板50。首先，单一天线的方向性是有限的，为适合各种场合的应用，可以将工作在同一频率的两个或两个以上的单个天线，按照一定的规律进行馈电和空间排列构成天线阵列。
其中，若天线阵列的辐射方向垂直于天线阵所在平面，则这种辐射方向称为边射，该天线阵列为边射天线阵列，若天线阵的最大辐射方向沿着天线阵列所在平面，则这种辐射方向称为端射，该天线阵为端射天线阵列。
其中，该天线阵例如可以是N×N的方阵，其中，N为大于或等于2的整数。
图7中示出的是3×3的方阵，该天线阵的排布仅为本申请的一种实现方式，本申请对此不做限制。图8为本申请实施例提供的另一种波束扫描天线阵列的俯视图。参考图8，在本申请的另一个实施例中，该波束扫描天线阵例如包括8个毫米波双极化微带天线单元，8个毫米波双极化微带天线单元呈正方形排布在所述基板上，其中，所述正方形的每条边上设有3个所述毫米波双极化微带天线单元。
本申请实施例中该波束扫描天线阵列的最大辐射方向朝向该基板50上方，该最大辐射方向垂直于该波束扫描天线阵列所在平面，因此，该波束扫描天线阵列为边射天线阵列。
上述结构的天线阵在端射方向增益较小，而天线的阵元间距D、以及天线单元的半功率波瓣宽度的改变可以影响天线阵在端射方向和边射方向的增益，其中阵元间距D指的是相邻毫米波双极化微带天线单元中心之间的距离，参考图7，本申请实施例中的相邻指的是左右相邻和上下相邻。单位为λ0，其中，λ0为毫米波天线阵的中心频率下，电磁波在真空中的波长。
λ0满足如下所示的公式：
λ0＝V/f (公式2)
其中，V为电磁波在真空中的传播速度，V≈300000km/s，f为上述毫米波天线的中心频率，以如上所述的毫米波双极化微带天线单元为例进行仿真。其中，上述毫米波双极化微带天线单元工作在24.25-29.5GHz毫米波频段，f＝26.875GHz。
将V＝300000km/s，f＝26.875GHz带入上述公式2中，可以得到λ0≈11.16mm。
该天线单元的半功率波瓣宽度例如应大于90°，才能够满足波束扫描天线阵列的辐射需求，该天线单元的半功率波瓣宽度和该第一辐射贴片的尺寸相关。其中，设计该天线阵列时，该第一辐射贴片例如可以设计为方形，该第一辐射贴片的边长例如应小于或等于0.28λ0，该第一辐射贴片的边长例如可以设置为0.23λ0，该毫米波双极化微带天线单元的输入阻抗为50Ω。该基板例如可以采用与该毫米波双极化微带天线单元相同的材质，基板的介电常数例如为3，该基板的边长例如可以设置为1.22λ0，厚度例如设置为0.09λ0。
上述该毫米波双极化微带天线单元和波束扫描天线阵列的具体参数仅为本申请一种具体的实现方式，本申请对此不做限制。
接着对上述结构的天线阵列在端射方向、边射方向的增益，以及隔离度进行仿真，得到如下结果：
图9为本申请实施例提供的端射增益随阵元间距变化的仿真曲线图。如图9所示，该曲线图的横坐标为天线阵的阵元间距D，纵坐标为天线阵在端射方向的增益，单位为dBi。其中，天线阵在端射方向的增益随阵元间距D的增大而减小。如图9中的A点所示，当D＝0.36λ0时，天线阵列在端射方向的增益为4dBi，此时，天线能在端射360°方向上实现双极化波束覆盖，能够满足用户在端射方向的使用需求。
为了使得上述天线阵在端射方向获得较大的增益，例如可以减小阵元间距D，但是阵元间距D过小会影响天线阵列在边射方向的增益和阵元之间的隔离度。
图10为本申请实施例提供的边射增益随阵元间距变化的仿真曲线图。如图10所示，天线阵在边射方向的增益随阵元间距D的增大而增大。如图10中的B点所示，当D＝0.25λ0时，天线阵列在边射方向的增益大于9dBi，此时，天线能在边射方向上实现双极化波束覆盖，能够满足用户在边射方向的使用需求。
图11为本申请实施例提供的隔离度随阵元间距变化的仿真曲线图。如图11所示，阵元间距越小，隔离度越低，隔离效果越差，如图11中点C所示，当D＝0.25λ0时，阵元之间的隔离度为7dB，但是若继续缩小阵元间距，隔离度会下降至7dB以下，造成能量损失，影响天线阵的辐射效率。
综上，可以将阵元间距D设置为0.25-0.36λ0。此时，该天线阵在边射方向能够获得9dBi以上的增益，保证了该边射天线阵的边射增益。同时，还能够在端射方向能获得4dBi以上的增益，阵元之间的隔离度达到7dB以上。从而在保证该天线阵的边射性能和满足阵元间隔离度要求的同时，提高了天线在端射方向的增益，使得该天线阵能够集边射、端射于一体，可以实现边射方向的±55°波束扫描，同时由于该天线阵的阵元为双极化毫米波双极化微带天线单元，能在端射的360°方向上实现双极化的波束覆盖。
本申请实施例提供的天线阵，通过调整阵元间距，增大了波束覆盖范围，提高了天线阵的性能。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (16)
1.一种波束扫描天线阵列，其特征在于，包括：基板，以及设置在所述基板上的N×N个毫米波双极化微带天线单元，所述毫米波双极化微带天线单元的行数和列数均为N，其中，N为大于或等于2的整数，所述毫米波双极化微带天线单元的半功率波束宽度大于或等于90°，并且，各毫米波双极化微带天线单元之间的阵元间距为0.25-0.36λ0，其中，所述阵元间距为相邻毫米波双极化微带天线单元中心之间的距离，λ0为毫米波双极化微带天线单元工作于中心频率时，电磁波在真空中的波长。
2.根据权利要求1所述的波束扫描天线阵列，其特征在于，所述波束扫描天线阵列为3×3的方阵。
3.根据权利要求1或2所述的波束扫描天线阵列，其特征在于，所述基板的介电常数为3，边长为1.22λ0，厚度为0.09λ0。
4.根据权利要求1-3任一项所述的波束扫描天线阵列，其特征在于，所述毫米波双极化微带天线单元均匀排布在所述基板上。
5.根据权利要求1-4任一项所述的波束扫描天线阵列，其特征在于，所述毫米波双极化微带天线单元工作在24.25-29.5GHz毫米波频段，所述毫米波双极化微带天线单元的中心频率为26.875GHz。
6.根据权利要求1-5任一项所述的波束扫描天线阵列，其特征在于，所述毫米波双极化微带天线单元的输入阻抗为50Ω。
7.一种波束扫描天线阵列，其特征在于，包括：基板，以及呈正方形设置在所述基板上的8个毫米波双极化微带天线单元，其中，所述正方形的每条边上设有3个所述毫米波双极化微带天线单元，所述毫米波双极化微带天线单元的半功率波束宽度大于或等于90°，并且，各毫米波双极化微带天线单元之间的阵元间距为0.25-0.36λ0，其中，所述阵元间距为相邻毫米波双极化微带天线单元中心之间的距离，λ0为毫米波双极化微带天线单元工作于中心频率时，电磁波在真空中的波长。
8.根据权利要求1-7任一项所述的波束扫描天线阵列，其特征在于，所述毫米波双极化微带天线单元包括：层叠设置的辐射单元，
所述辐射单元包括层叠设置的第一介质板和第二介质板，其中，第一介质板和第二介质板分别包括相对的第一表面和第二表面，所述第一介质板的第一表面上设有第一辐射贴片，所述第二介质板的第一表面和所述第一介质板的第二表面邻接设置，且所述第二介质板的第一表面上设有第二辐射贴片。
9.根据权利要求8所述的波束扫描天线阵列，其特征在于，所述毫米波双极化微带天线单元还包括馈电单元，所述辐射单元与所述馈电单元耦合，
所述馈电单元包括第三介质板，所述第三介质板的第一表面上设有第一接地板，所述第一接地板与所述第二介质板的第二表面邻接设置，所述第三介质板的第二表面上设有馈线，所述第一接地板上设有缝隙，所述缝隙与所述馈线相对设置，其中，所述馈线通过所述缝隙与所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片耦合。
10.根据权利要求9所述的波束扫描天线阵列，其特征在于，所述馈电单元还包括：第四介质板，所述第四介质板的第一表面与所述馈线邻接设置，所述第四介质板的第二表面上设有第二接地板，所述第一接地板与所述第二接地板相对。
11.根据权利要求10所述的波束扫描天线阵列，其特征在于，所述第一接地板与第二接地板之间设有金属侧壁，所述第一接地板、所述第二接地板和所述金属侧壁围设成封闭空间，所述馈线位于所述封闭空间中。
12.根据权利要求10或11所述的波束扫描天线阵列，其特征在于，所述第二接地板上设有垂直极化信号输入端口和水平极化信号输入端口，所述馈线包括第一馈线和第二馈线，所述第一馈线通过第一探针与所述垂直极化信号输入端口或所述水平极化信号输入端口连接，所述第二馈线通过第二探针与所述垂直极化信号输入端口或所述水平极化信号输入端口连接，所述缝隙包括与所述第一馈线相对的第一缝隙和于所述第二馈线相对的第二缝隙，所述第一缝隙和所述第二缝隙分离设置，所述第一馈线用于对所述第一缝隙馈电，所述第二馈线用于对所述第二缝隙馈电。
13.根据权利要求12所述的波束扫描天线阵列，其特征在于，所述第一缝隙的延伸方向垂直于所述第二缝隙的延伸方向；
其中，所述第一馈线在所述第一接地板上的第一投影的延伸方向垂直于所述第一缝隙的延伸方向，且所述第一缝隙沿所述第一投影的延伸方向对称设置；
所述第二馈线在所述第一接地板上的第二投影的延伸方向垂直于所述第二缝隙的延伸方向，且所述第二缝隙沿所述第二投影的延伸方向对称设置。
14.根据权利要求13所述的波束扫描天线阵列，其特征在于，所述第一缝隙和所述第二缝隙为“工”字形结构，其中，所述“工”字形的“丨”的延伸方向为所述第一缝隙和所述第二缝隙的延伸方向。
15.根据权利要求13所述的波束扫描天线阵列，其特征在于，所述第一缝隙和所述第二缝隙为“U”形结构，其中，所述“U”形的底边的延伸方向为所述第一缝隙和所述第二缝隙的延伸方向。
16.根据权利要求8-15任一项中所述的波束扫描天线阵列，其特征在于，所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片为方形贴片，其中，所述第一辐射贴片的边长小于或等于0.28λ0。
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