CN208014878U - 用于毫米波多波束天线矩阵的交叉器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于毫米波多波束天线矩阵的交叉器，其特征在于，它包括上层金属盖板及下层交叉网络，下层交叉网络包括金属板及周期性分布的针结构，周期性分布的针结构使电磁波被限制在波导内传播，以避免缝隙漏波问题，并模拟传统金属波导，损耗低；上层金属盖板与周期性针结构之间有空气缝隙；下层网络的金属板设置有输入端口和输出端口、匹配针和连接匹配针的交叉网络端口，匹配针连接输入或输出端口，以连接外部连接器或其他元件。本实用新型损耗低，无缝隙漏波，稳定性好，相比于同类型产品，性能更加优越。

Description

用于毫米波多波束天线矩阵的交叉器

技术领域

本实用新型涉及通信设备技术领域，特别是一种用于毫米波多波束天线Butler矩阵的交叉器。

背景技术

第五代通信技术(5G)已经进入标准定制阶段，各大运营商也在积极部署5G设备。随着移动数据需求量和智能手机使用量的快速增长，也是为了满足更高数据传输和高容量的天线通信需求，目前受到关注的5G天线技术主要有多波束(Multiple Beam),多单元(Massive MIMO),相控阵(Phase Control Array)等。

在过去，低于6GHz的频段被密集的使用，造成低频段频谱资源不足，而毫米波(Millimeter Wave)被普遍认为是做好的选择之一。毫米波频段能够提供更高的带宽，有效的提高信道容量。

为了实现5G移动终端设备的高增益和广覆盖，相控阵或多波束方案成为最佳的选择之一。相控阵可以在增益稳定的情况下提供低时延的波束切换，实现精确的方向扫描，为特定密集场所提供通信保证。然而其昂贵的成本，硬件实施的复杂性，散热以及结构空间有限成为制约其发展的主要问题。相对而言，多波束天线在卫星通信和汽车雷达中也有毫米波应用，且具有小型化，成本低的优势，可应用于小型终端设备。

实现多波束功能的主要有Butler矩阵，Blass矩阵，Rotman透镜等技术。其中Blass矩阵幅度可自由控制，并且形成的波束数目多，输入端口隔离度好，在实际应该用灵活性高，但其为有耗网络并且结构复杂。由Rotman透镜形成的网络波束数量最多，旁瓣电平低，带宽高，但尺寸过大，因此不适用于小型设备。

Butler矩阵是一种多端口元件，对不同端口输入会形成不同相位的电磁波，进而在输出端形成相位等差变化的多个电磁波，再通过振子空间合成为特定方向的波束。而交叉器作为Butler矩阵组成部件，为形成不同相位电磁波的必要组件。

传统交叉器多依赖于微带线或金属波导结构。微带线结构简单，体积小，然而在毫米波频段色散严重，损耗打，因此制约了其在毫米波的应用；金属波导虽然损耗低，但在毫米波段由于波长短，其对金属接触的要求异常严格。以避免缝隙漏波问题，从而导致整体稳定性差。

发明内容

本实用新型的目的就是为了解决现有技术之不足而提供的一种低损耗，无需金属接触且稳定性高的用于毫米波多波束天线矩阵的交叉器。

本实用新型是采用如下技术解决方案来实现上述目的：一种用于毫米波多波束天线矩阵的交叉器，其特征在于，它包括上层金属盖板及下层交叉网络，下层交叉网络包括金属板及周期性分布的针结构，周期性分布的针结构使电磁波被限制在波导内传播，以避免缝隙漏波问题，并模拟传统金属波导，损耗低；上层金属盖板与周期性针结构之间有空气缝隙，以达到无需金属接触的目的；

下层网络的金属板设置有输入端口和输出端口、匹配针和连接匹配针的交叉网络端口，匹配针连接输入或输出端口，以连接外部连接器或其他元件。

作为上述方案的进一步说明，所述交叉网络为四端口结构，端口一输入时，端口二和端口四为隔离口，端口三为直通口；端口一和端口四为输入端口，分别激活时，端口二和端口三为输出端口，分别对应端口四和端口一两路输入；使两路电磁波在平面结构能完成交叉。

进一步地，下层交叉网络设置有两个输入端口、两个输出端口、四组匹配针，输入端口和输出端口分布在整体结构两侧，成三级阶梯结构，用来与外部连接器或其他组件相连；四组匹配针连接输入端口、输出端口及交叉网络的四个端口，以调节阻抗匹配。

进一步地，上盖板及下层交叉网络之间的空气间隙，高度在十分之一至四分之一波长之间，精度要求低，可以提高整体元件稳定性。

本实用新型采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：

1、本实用新型采用在GAP波导技术，上层金属盖板及下层交叉网络之间留有高度灵敏性低的空气层，以达到无需金属接触的目的。提高稳定性。

2、上盖板为金属板，模拟理想电表面；下层交叉网络的金属板上分布周期性针结构，模拟理想磁表面，使电磁波被封闭在GAP波导中传播，无漏波问题；元件整体为金属结构，模拟传统金属波导，以实现低损耗。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构图；

图2为本实用新型的水平剖面结构示意图。

附图标记说明：1、上盖板；2、下层网络；2-1、输入口一；2-2、输入口四；2-3、输出口二；2-4、输出口三；2-5、匹配针；2-6、交叉网络；2-7、针结构。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本技术方案作详细的描述。

如图1-图2所示，本实用新型是一种用于毫米波多波束天线矩阵的交叉器，它包括两层结构，上层盖板1及下层交叉网络2。上盖板为金属板，模拟理想电表面；下层交叉网络为金属板及周期性排列的针结构2-7。整体交叉器设置有输入端口一2-1，输入端口四2-2，输出端口二2-3，输出端口三2-4，四组匹配针2-5及交叉网络2-6。交叉网络2-6为四端口结构，分别连接4组匹配针结构，进而连接输入/输出端口，以连接外部链接器或其他元件。

进一步地，上盖板及下层交叉网络之间留有空气间隙，高度在十分之一至四分之一波长之间，以避免金属接触，稳定性高。周期性针结构使电磁波被限制在波导内传播，以避免缝隙漏波问题；并模拟传统金属波导，损耗低。

进一步地，交叉器整体为双入双出四端口结构。端口一输入，端口二/端口四为高隔离口，端口二输出端口一等幅等相电磁波；同理，在端口四输入时，端口一及端口三为隔离口，端口二为直通输出。

进一步地，匹配针高度小于周期性针结构，以改变波导阻抗，用于阻抗匹配。

进一步地，输入/输出端口成三级阶梯结构，在调节匹配阻抗的同时用于与外部连接器或其他元件连接。

本实施例中，元件整体上盖板及下层网络通过螺丝连接，由于中间空气缝隙精度要求范围大，整体稳定性好。上下两层结构可通过一体化机加工或开模方式加工。

本实用新型与现有技术相比，在现有技术结构不能同时满足低损耗及无缝隙漏波的情况下，通过采取GAP波导技术，应用模拟理想电导体及理想磁导体表面之间加入空气缝隙，使电磁波被限制在波导中传播，以同时实现低损耗，无漏波且稳定性好，性能更加优越。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于毫米波多波束天线矩阵的交叉器，其特征在于，它包括上层金属盖板及下层交叉网络，下层交叉网络包括金属板及周期性分布的针结构，周期性分布的针结构使电磁波被限制在波导内传播，以避免缝隙漏波问题，并模拟传统金属波导，损耗低；上层金属盖板与周期性针结构之间有空气缝隙；

下层网络的金属板设置有输入端口和输出端口、匹配针和连接匹配针的交叉网络端口，匹配针连接输入或输出端口；

上层金属盖板及下层交叉网络通过螺丝连接；交叉网络为四端口结构，端口一输入时，端口二和端口四为隔离口，端口三为直通口；端口一和端口四为输入端口，分别激活时，端口二和端口三为输出端口，分别对应端口四和端口一两路输入；使两路电磁波在平面结构能完成交叉。

2.根据权利要求1所述的用于毫米波多波束天线矩阵的交叉器，其特征在于，下层交叉网络设置有两个输入端口、两个输出端口、四组匹配针，四组匹配针连接输入端口、输出端口及交叉网络的四个端口。

3.根据权利要求1所述的用于毫米波多波束天线矩阵的交叉器，其特征在于，输入端口和输出端口分布在下层交叉网络的金属板两侧，成三级阶梯结构。

4.根据权利要求1所述的用于毫米波多波束天线矩阵的交叉器，其特征在于，上盖板及下层交叉网络之间的空气间隙，高度在十分之一至四分之一波长之间。