一种用于60GHz毫米波通信的悬置微带天线阵列及其天线

摘要

本发明提供一种用于60GHz毫米波通信的悬置微带天线阵列及其天线，包括天线单元和馈电网络，所述天线单元以上下两行的方式排列，天线阵元数目为2×(2n)个，n为正整数；所述馈电网络包括阻抗变换器、共面双导线、共面波导、以及连接共面双导线和共面波导的功率分配器；其中，每个天线阵元接一所述阻抗变换器，天线单元上行的天线阵元的阻抗变换器和下行的天线阵元的阻抗变换器相对设置；共面双导线通过各阻抗变换器和天线单元连接起来；在共面双导线轴向中心位置处连接一所述功率分配器；所述共面波导一端接功率分配器、另一端配置馈电端口。本发明的悬置微带天线具有较宽带宽，辐射损耗较小，并且易于和平面毫米波电路集成。

说明书

技术领域

本发明涉及天线技术，具体涉及一种用于在60GHz毫米波段通信的悬置 微带天线阵列及其天线。

背景技术

5G技术即第五代移动通信技术，是面向2020年以后移动通信网络的新一 代移动通信技术，将具有超高的频谱利用率和极快的传输速率，相对4G移动 通信技术来说提高一个量级或更高，其速率可达10GB/S，且需要能够满足在 未来10年后移动互联网流量增加1000倍的发展需求。目前，低频频谱资源已 非常拥挤，很难满足未来5G通信的需求，开拓新的频段成为5G的必然选择， 而毫米波由于其有频谱资源丰富、定向性好、抗干扰能力强等独特的性能，受 到了越来越多的关注，其中，毫米波收发系统前端的天线尤为重要，天线的增 益、带宽、效率等性能直接决定着系统的好坏。常规微带天线频带较窄，不能 满足毫米波频段的60GHz频带需求，而且馈线有较强的辐射损耗，导致整个 天线阵列效率不高。

发明内容

本发明所要解决的目的是提供一种用于60GHz毫米波通信的悬置微带天 线阵列及其天线，具有较宽带宽，辐射损耗较小，并且易于和平面毫米波电路 集成，为一种由共面波导和共面双导线组成的馈电网络激励的60GHz毫米波 微带天线，可应用到未来毫米波通信及雷达系统中。

为解决上述问题，本发明提出一种用于60GHz毫米波通信的悬置微带天 线阵列，包括天线单元和馈电网络，所述天线单元以上下两行的方式排列，天 线阵元数目为2×(2n)个，n为正整数；所述馈电网络包括阻抗变换器、共面双 导线、共面波导、以及连接共面双导线和共面波导的功率分配器；

其中，每个天线阵元接一所述阻抗变换器，天线单元上行的天线阵元的阻 抗变换器和下行的天线阵元的阻抗变换器相对设置；共面双导线通过各阻抗变 换器和天线单元连接起来；在共面双导线轴向中心位置处连接一所述功率分配 器；所述共面波导一端接功率分配器、另一端配置馈电端口。

根据本发明的一个实施例，所述天线阵元为矩形结构。

根据本发明的一个实施例，所述矩形结构的长度配置为天线工作波段中心 频率波的半个波长。

根据本发明的一个实施例，所述天线阵元为圆形结构。

根据本发明的一个实施例，所述天线阵列列方向上相邻的两个天线阵元之 间的距离为天线工作波段最高频率波的0.7～0.8个波长。

根据本发明的一个实施例，所述天线阵列行方向上相邻的两个天线阵元之 间的距离为天线工作波段的中心频率波的1个介质波长。

根据本发明的一个实施例，所述阻抗变换器为四分之一波长变化线。

根据本发明的一个实施例，所述功率分配器配置为一路分二路器件。

本发明还采用了以下技术方案：一种使用如前述任意一项所述天线阵列的 天线，包括电路底板；开设于电路底板上的凹槽；位于凹槽底部表面上的反射 板；位于凹槽上方并配合电路底板连接以形成空腔的基板；设于基板一面对空 腔的表面上的天线阵列；以及形成在电路底板上且一端和天线阵列的所述馈电 端口电连接、另一端用于和射频芯片电连接的导带。

根据本发明的一个实施例，所述射频芯片连接在所述电路底板上，射频芯 片通过其引脚连接所述导带。

采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：天线阵列 采用共面双导线和共面波导配合馈电的馈电网络，该馈电网络使得电磁场主要 集中在传输导线之间，其传输性能不受天线的导带和基板上地板之间距离的影 响，而且辐射损耗极小，共面双导线上通过的电流完全反向，可用于给异侧馈 电的天线阵元提供反向激励，不仅简化了馈电网络，而且提高了整个馈电网络 的效率，采用该天线阵列的天线为一种由共面波导和共面双导线组成的馈电网 络激励的60GHz毫米波微带天线，可应用到未来毫米波通信及雷达系统中。

此外，该微带天线在电路底板上对应基板下方设置空腔，既增大了微带天 线的高度又减小了基板的等效介电常数，因而可拓宽天线的带宽，天线阵列的 馈电端口通过电路底板上的导带电性引出，天线阵列形成悬置的结构，减小了 馈线的长度，提高馈电效率，导带可与射频芯片的射频管脚电连接，易于电路 集成。

附图说明

图1为本发明一个实施例的毫米波悬置微带天线的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的用于60GHz毫米波通信的悬置微带天线阵列 的结构示意图；

图3为本发明另一个实施例的用于60GHz毫米波通信的悬置微带天线阵 列的结构示意图；

图4为本发明天线阵列在57-64GHz频段的回波损耗图；

图5为本发明天线阵列在57-64GHz频段的增益曲线图；

图6为本发明天线阵列在57-64GHz频段的效率曲线图；

图7、图8、图9为本发明天线阵列分别在57GHz、61GHz、64GHz频点 的二维方向图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对 本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明 能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背 本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限 制。

参看图1，本发明的悬置微带天线，包括电路底板3，电路底板3上的空 腔7，反射板8，基板6，天线阵列5，以及导带4。天线阵列5采用的是本发 明的一种用于60GHz毫米波通信的悬置微带天线阵列。

其中，空腔7为在电路底板3上形成凹槽、以及在凹槽上方设置基板6 从而形成的腔体，该电路底板3例如是PCB电路板，空腔7内部可以是空气； 反射板8位于空腔7底部表面上在基板6面对空腔7的表面上设置天线阵列5； 基板6、天线阵列5、空腔7以及反射板8构成微带天线的电磁波辐射和接收 的工作部件，当然基板6另一表面上还设有形成微带天线的地板，空腔7形成 的空气层减小了基板的等效介电常数，从而可以展宽天线的带宽；微带天线通 过天线阵列5的馈电端口馈电，馈电端口连接导带5，基板7可以通过引脚连 接在电路底板3上，该导带形成在电路底板3上且一端和天线阵列的馈电端口 电连接、另一端用于和射频芯片电连接，导带4将馈电端口电性引出，从而可 以形成天线的悬置结构，减小了馈线的长度，提高馈电效率，便于电路集成。

较佳的，基板6设置在电路底板3表面的一侧上，另一侧设置一射频芯片 1，射频芯片1通过引脚2连接在电路底板上，天线阵列5的馈电端口靠近该 射频芯片1设置，射频芯片1通过其引脚2连接导带4，形成悬置结构，射频 芯片1的其余引脚可以用于和其他芯片或元器件的连接。

参看图2，本发明的一种用于60GHz毫米波通信的悬置微带天线阵列， 也就是天线阵列5包括天线单元和馈电网络，天线单元以上下两行的方式排 布，天线阵元51和54数目为2×(2n)个，n为正整数；所述馈电网络包括阻抗 变换器52和53、共面双导线55、共面波导57、以及连接共面双导线55和共 面波导57的功率分配器56。

图2示出了天线阵元51和54数目为8个的天线阵列，上行为4个天线阵 元51，下行为4个天线阵元54，在本实施例中，所述天线阵元51和54为矩 形结构，矩形结构的长度配置为天线工作波段中心频率波的半个波长，以共面 双导线垂直的方向为矩形机构的长度方向。

每个天线阵元接一个阻抗变换器，天线单元上行的天线阵元51的阻抗变 换器52和下行的天线阵元54的阻抗变换器53相对设置，将上下行天线阵元 的阻抗变换器连接到共面双导线55的两根导线上，共面双导线55的一根将上 行的天线阵元51的各阻抗变换器52连接起来，另一根将下行的天线阵元54 的各阻抗变换器53连接起来；在共面双导线55轴向中心位置处连接一功率分 配器56，也就是功率分配器56设置在天线阵列5的中心位置处，用来将共面 双导线55的信号转换传输给共面波导57，共面波导57一端接功率分配器56、 另一端配置馈电端口。

共面双导线55在本发明中指的是在同一介质平面共面设置的平行的两根 导线，不同于共面波导，共面波导的导线数目更多，例如图2中的共面波导 57，其导线的数目为三根。所述功率分配器56配置为一路分二路器件，在本 实施例中，阻抗变换器52和53采用四分之一波长变化线，四分之一波长变化 线、共面双导线55之间，以及共面双导线55、共面波导57之间的连接均为 垂直连接。

图3示出了另一实施例的用于60GHz毫米波通信的悬置微带天线阵列， 天线阵列包括天线单元和馈电网络，天线单元以上下两行天线阵元的方式排 布，天线阵元数目为2×4个，n为正整数，上行为4个天线阵元51’，下行为 4个天线阵元54’；所述馈电网络包括阻抗变换器52’和53’、共面双导线55’、 共面波导57’、以及连接共面双导线55’和共面波导57’的功率分配器56’， 其中和图2实施例的区别在于天线阵元51’和54’为圆形结构，其余相同之 处在此不再赘述。

较佳的，天线单元列方向上相邻的两个天线阵元之间的距离为天线工作波 段最高频率波的0.7～0.8个波长。天线单元行方向上相邻的两个天线阵元之间 的距离为天线工作波段的中心频率波的1个介质波长。

下面通过图4～图9说明本发明悬置微带天线在60GHz毫米波中使用时该 天线阵列的性能。

图4示出了天线阵列在57-64GHz频段的回波损耗曲线的仿真图，图中可 见，回波损耗较低，在61-64GHz频段的回波损耗达到最低。

图5示出了天线阵列在57-64GHz频段的增益曲线，在58-64GHz频段， 增益可达到15.50dB。

图6示出了天线阵列在57-64GHz频段的效率曲线，在57-63GHz频段天 线可以获得较高的收发效率。

图7、图8、图9为本发明天线阵列分别在57GHz、61GHz、64GHz频点 的二维方向图，各频点方向图中，第一副瓣和波瓣宽度的变化不明显，因而天 线阵列具有较好的方向性。

本发明悬置微带天线阵列采用共面双导线和共面波导配合馈电的馈电网 络，该馈电网络使得电磁场主要集中在传输导线之间，其传输性能不受天线的 导带和基板上地板之间距离的影响，而且辐射损耗极小，共面双导线上通过的 电流完全反向，可用于给异侧馈电的天线阵元提供反向激励，不仅简化了馈电 网络，而且提高了整个馈电网络的效率，采用该天线阵列的天线为一种由共面 波导和共面双导线组成的馈电网络激励的60GHz毫米波微带天线，可应用到 未来毫米波通信及雷达系统中。

此外，该悬置微带天线在电路底板上对应基板下方设置空腔，既增大了微 带天线的高度又减小了基板的等效介电常数，因而可拓宽天线的带宽，天线阵 列的馈电端口通过电路底板上的导带电性引出，天线阵列形成悬置的结构，减 小了馈线的长度，提高馈电效率，导带可与射频芯片的射频管脚电连接，易于 电路集成。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何 本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修 改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。