本發(fā)明屬于毫米波天線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基片集成腔體毫米波陣列天線。

背景技術(shù)：

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)微波頻段的頻譜資源日益緊張。為了緩解這一問題，人們逐漸把目光移向了頻段更高的毫米波頻段。毫米波由于其具有的波長短、頻帶寬、傳輸速率快等特點(diǎn)而受到廣泛的關(guān)注。在無線通信系統(tǒng)中，的發(fā)射與接收都要依靠天線。毫米波天線作為毫米波通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，對系統(tǒng)的最終性能有著至關(guān)重要的影響。然而由于毫米波在空氣中傳播時(shí)有著較大的衰減，這就要求毫米波天線具有更高的增益以適用于長距離的毫米波無線通信。

低溫共燒陶瓷(ltcc，lowtemperatureco-firedceramic)技術(shù)由于其特有的疊層工藝，使得天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加的多樣化，可使得天線的布局從二維平面空間向三維立體空間擴(kuò)展，從而使得天線結(jié)構(gòu)更加緊湊，為小型化毫米波天線的設(shè)計(jì)提供了必要的條件；ltcc技術(shù)可實(shí)現(xiàn)天線與饋電網(wǎng)絡(luò)的一體化立體集成，為高增益毫米波陣列天線的實(shí)現(xiàn)提供了便利的條件；ltcc技術(shù)還可以將天線與其它有源、無源毫米波器件集成在同一塊ltcc基板中，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的集成化與模塊化；另外，ltcc技術(shù)是平行加工技術(shù)，基板的各層可以并行加工，加工效率高，并且ltcc工藝便于自動化大規(guī)模批量生產(chǎn)，降低天線產(chǎn)品成本。

然而在毫米波頻段，ltcc相對大的介電常數(shù)將會導(dǎo)致表面波損耗變大，從而使得天線的增益降低；而表面波沿天線基板傳播，會導(dǎo)致陣列天線中陣元間的互耦增大，駐波特性惡化，天線帶寬變窄，交叉極化特性變差，限制陣列天線增益的提高。為此，有人提出了一種基片集成腔(sic，substrateintegratedcavity)天線，該天線在不增大天線體積的情況下能夠有效抑制表面波，但是其增益一般只有6.7dbi，這在一定程度上制約了該天線在毫米波通信中的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基片集成腔體毫米波陣列天線，旨在解決現(xiàn)有的毫米波陣列天線增益低的技術(shù)問題。本發(fā)明通過擴(kuò)大腔體輻射面積引入高次模，通過寄生單元改變高次模的輻射特性，該種結(jié)構(gòu)使得基片集成腔體的毫米波天線的增益得到提高。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種基片集成腔體毫米波陣列天線，包括：

外部轉(zhuǎn)接模塊，其輸入端用于與金屬波導(dǎo)連接，用于將電磁波從金屬波導(dǎo)中引入；

功分模塊，其輸入端與外部轉(zhuǎn)接模塊的輸出端連接，用于將電磁波分為多路電磁波；以及

天線陣列，包括由多個(gè)呈陣列排列的天線單元，每個(gè)天線單元接收由功分模塊輸出的一路電磁波；

天線單元包括基片集成腔體和寄生結(jié)構(gòu)，寄生結(jié)構(gòu)位于基片集成腔體上表面的中心；基片集成腔體用于接收電磁波并讓電磁波產(chǎn)生高次模諧振；寄生結(jié)構(gòu)用于調(diào)整電磁波中高次模的場分布，使得電磁波中高次模的輻射方向變?yōu)檠刂汕惑w法線方向。

本發(fā)明提供基片集成腔體毫米波陣列天線，由外部轉(zhuǎn)接模塊將電磁波從金屬波導(dǎo)中引導(dǎo)入功分模塊，由功分模塊將電磁波分為多路電磁波輸出，電磁波進(jìn)入基片集成腔體內(nèi)，產(chǎn)生高次模諧振高次模的輻射方向不沿腔體法線方向，通過寄生結(jié)構(gòu)調(diào)整基片集成腔體內(nèi)高次模的場分布，使得基片集成腔體內(nèi)高次模的輻射方向變?yōu)橄蛑C振腔體法線方向，使得每個(gè)天線單元正常工作。通過擴(kuò)大基片集成腔體的輻射口徑引入高次模，使得毫米波天線增益得到提高。

進(jìn)一步地，每個(gè)基片集成腔體下表面設(shè)置有用于傳輸電磁波的饋電縫。

進(jìn)一步地，寄生結(jié)構(gòu)為金屬片，金屬片位于基片集成腔體的中心，且金屬片長邊方向與所述饋電縫長邊方向相同。

進(jìn)一步地，金屬片呈中間窄兩端寬的工字型，且金屬片尺寸變化邊與所述饋電縫長邊垂直。工字型金屬片可以增大金屬片上感應(yīng)電流的電長度從而使得天線的帶寬得到進(jìn)一步的提高。

進(jìn)一步地，寄生結(jié)構(gòu)為兩個(gè)金屬片，記為第一金屬片和第二金屬片，兩個(gè)金屬片沿饋電縫長邊方向排列，且兩個(gè)金屬片關(guān)于基片集成腔體的中心線對稱。

進(jìn)一步地，第一金屬片與第二金屬片為呈中間窄兩端寬的工字型，且第一金屬片尺寸變化的邊的方向與饋電縫長邊方向垂直，第二金屬片尺寸變化的邊的方向與饋電縫長邊方向垂直。

進(jìn)一步地，每個(gè)基片集成腔體的腔體截面尺寸從上到下依次減小。基片集成腔體呈現(xiàn)出類喇叭式的結(jié)構(gòu)，采用該種結(jié)構(gòu)可以提高天線的增益和改善阻抗匹配。

進(jìn)一步地，基片集成腔體毫米波陣列天線由多層低溫共燒陶瓷流延片層壓制成或由多層印刷電路版制成。

通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得以下有益效果：

1、本發(fā)明中天線單元通過擴(kuò)大輻射口徑，在腔體中引入高次模，并通過寄生結(jié)構(gòu)改變高次模的場分布，使得基片集成腔體內(nèi)高次模的輻射方向變?yōu)橄蛑C振腔體法線方向，使得每個(gè)天線單元可以正常工作，同時(shí)基片集成腔的有效輻射口徑面積增加能夠使天線單元的增益提高，進(jìn)而使得基片集成腔體毫米波陣列天線增益提高。

2、本發(fā)明中寄生結(jié)構(gòu)采用類工字型金屬片，該結(jié)構(gòu)可以增大金屬片上感應(yīng)電流的電長度，從而使得基片集成腔體毫米波陣列天線的帶寬得到進(jìn)一步的提高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的基片集成腔體毫米波陣列天線的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明提供的基片集成腔體毫米波陣列天線的實(shí)施例中功分單元結(jié)構(gòu)圖；其中，圖2(a)為上層功分結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2(b)為下層功分結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明提供的基片集成腔體毫米波陣列天線的實(shí)施例中天線單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明提供的基片集成腔體毫米波陣列天線中天線單元的回波損耗和增益曲線圖；

圖5是本發(fā)明提供的基片集成腔體毫米波陣列天線中毫米波天線陣列的回波損耗曲線圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

圖1是本發(fā)明提供的基片集成腔體毫米波陣列天線的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖?；汕惑w毫米波陣列天線包括外部轉(zhuǎn)接模塊5、功分模塊以及天線陣列。

外部轉(zhuǎn)接模塊5由三層(即第十四層至第十六層)ltcc流延片層壓制成，通過金屬通孔柱圍成三層的sic，該腔體尺寸為2.3mm×1mm。sic下表面開有一大小為2.2mm×0.8mm的下層饋電孔501，該下層饋電孔501用于與外部波導(dǎo)相連，sic上表面開有一大小為0.6mm×0.4mm的上層饋電孔徑502，用于功分模塊的輸入端連接相連。外部轉(zhuǎn)接模塊5通過下層饋電孔501與金屬波導(dǎo)連接，用于將電磁波從金屬波導(dǎo)中引入，并傳輸至功分模塊。

功分單元包括上層功分結(jié)構(gòu)2和下層功分結(jié)構(gòu)4。下層功分結(jié)構(gòu)4將電磁波分為八路電磁波輸出，上層功分結(jié)構(gòu)2將八路電磁波分為十六路電磁波輸出。

下層功分結(jié)構(gòu)4由五層(第九層至第十三層)ltcc流延片層壓制成。下層功分結(jié)構(gòu)中第十三層ltcc流延片與外部轉(zhuǎn)接單元中第十四層ltcc流延片共用一個(gè)電極面。下層功分結(jié)構(gòu)4包括一個(gè)由多個(gè)t型基片集成波導(dǎo)級聯(lián)的一分八基片集成波導(dǎo)以及轉(zhuǎn)接基片集成波導(dǎo)402。轉(zhuǎn)接基片集成波導(dǎo)402一端與外部轉(zhuǎn)接模塊5中上層饋電孔502相連，另一端與一分八基片集成波導(dǎo)輸入端相連。轉(zhuǎn)接基片集成波導(dǎo)402為階梯式基片集成波導(dǎo)，位于第一階梯的基片集成波導(dǎo)厚度為三層(第十一層至第十三層)ltcc流延片，位于第一階梯的基片集成波導(dǎo)與外部轉(zhuǎn)接模塊5中上層饋電孔502相連，位于第二階梯的基片集成波導(dǎo)厚度為五層(第九層至第十三層)ltcc流延片，位于第二階梯的基片集成波導(dǎo)與一分八基片集成波導(dǎo)的輸入端連接。

上層功分網(wǎng)絡(luò)2由四層(第五層至第八層)ltcc流延片層壓制成，上層功分結(jié)構(gòu)中第八層ltcc流延片與下層功分結(jié)構(gòu)中第九層ltcc流延片共用一個(gè)電極面。上層功分結(jié)構(gòu)2由八個(gè)寬度為1.1mm的矩形基片集成波導(dǎo)組成，在每個(gè)矩形基片集成波導(dǎo)的兩端各開有一個(gè)饋電縫202，饋電縫202位于第五層ltcc流延片的上電極面上，該饋電縫202長度為0.8mm，寬度為0.2mm，饋電縫202偏離矩形基片集成波導(dǎo)中心線距離為0.35mm。饋電縫202側(cè)面有一金屬通孔柱201，通孔柱201與饋電縫202的距離為0.64mm。每個(gè)矩形基片集成波導(dǎo)用于將一路電磁波分為兩路電磁波，并由位于矩形基片集成波導(dǎo)上的兩個(gè)饋電縫202輸出。

每個(gè)矩形基片集成波導(dǎo)通過一個(gè)轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)與一分八基片集成波導(dǎo)進(jìn)行電磁波傳輸。轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)位于每個(gè)矩形基片集成波導(dǎo)的中心，轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)由通孔柱302、矩形貼片301和圓形通孔303組成。通孔柱302穿過上層功分結(jié)構(gòu)中一分八基片集成波導(dǎo)2和下層功分結(jié)構(gòu)中矩形基片集成波導(dǎo)4，通孔柱302穿過第六層至第十一層ltcc流延片，圓形通孔303位于上層功分結(jié)構(gòu)2和下層功分結(jié)構(gòu)4的交界面處，矩形貼片301位于上層功分結(jié)構(gòu)2中，且與通孔柱302接觸，即位于第五層ltcc流延片與第六層ltcc流延片之間。

天線陣列由四層(第一層到第四層)ltcc流延片層壓制成。上層功分結(jié)構(gòu)中第五層ltcc流延片與天線陣列中第四層ltcc流延片共用一個(gè)電極面。通過金屬孔在四層ltcc流延片上圍成十六個(gè)基片集成腔體1，該十六個(gè)諧振腔體1按照4×4的陣列排列，任意相鄰兩基片集成腔體1間距為2.6mm，且一個(gè)天線單元位于一個(gè)饋電縫202的上方，上層功分結(jié)構(gòu)中矩形基片集成波導(dǎo)輸入的電磁波通過饋電縫202進(jìn)入每個(gè)基片集成腔體1中，由上層功分結(jié)構(gòu)中矩形基片集成波導(dǎo)輸入的電磁波中僅存在基模，在基片集成腔體中產(chǎn)生腔體內(nèi)產(chǎn)生高次模諧振，在每個(gè)基片集成腔體1中心設(shè)有寄生結(jié)構(gòu)，寄生結(jié)構(gòu)位于基片集成腔體上表面的中心，寄生結(jié)構(gòu)調(diào)整電磁波中高次模的場分布，使得電磁波中高次模的輻射方向變?yōu)檠刂汕惑w法線方向，天線單元可以正常工作，同時(shí)輻射口徑變大，可以提高天線單元的增益，進(jìn)而提高基片集成腔體毫米波陣列天線增益。

圖2(a)為本發(fā)明提供的基片集成腔體毫米波陣列天線的實(shí)施例中下層功分結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。下層功分結(jié)構(gòu)包括一個(gè)由為多個(gè)t型基片集成波導(dǎo)級聯(lián)而形成的一分八基片集成波導(dǎo)和轉(zhuǎn)接基片集成波導(dǎo)，下層功分結(jié)構(gòu)將電磁波分為八路電磁波輸出，在下層功分結(jié)構(gòu)上設(shè)有多個(gè)金屬通孔401，金屬通孔柱401穿過第九層至第十三層ltcc流延片，用于調(diào)整毫米波天線的阻抗匹配。上層功分結(jié)構(gòu)與下層功分結(jié)構(gòu)之間有八個(gè)轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)中通孔柱302與圓形通孔303同軸，且圓形通孔303的直徑大于通孔柱302直徑。

圖2(b)為本發(fā)明提供的基片集成腔體毫米波陣列天線的實(shí)施例中上層功分網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖，每個(gè)矩形基片集成波導(dǎo)上設(shè)有兩個(gè)饋電孔202和兩個(gè)金屬通孔柱201，金屬通孔柱201穿過第五層至第八層ltcc流延片，饋電孔202位于上層功分網(wǎng)絡(luò)與天線單元的交界面上。一方面，一路電磁波由一個(gè)饋電孔202傳輸至一個(gè)天線單元，另一方面，金屬通孔201與饋電孔202調(diào)整上層功分結(jié)構(gòu)與天線單元之間的阻抗匹配。

圖3是本發(fā)明提供的基片集成腔體毫米波陣列天線的實(shí)施例中天線單元的結(jié)構(gòu)示意圖。天線單元包括基片集成腔1、第一金屬片101以及第二金屬片102。一個(gè)基片集成腔1位于一個(gè)饋電縫202的上方，上層功分結(jié)構(gòu)中電磁波通過饋電縫傳輸至基片集成腔體1中。天線單元采用四層厚度為0.096mm，相對介電常數(shù)為6的ltcc流延片層壓制成，每層通過金屬通孔柱圍成一個(gè)矩形腔。金屬通孔直徑為0.1mm，相鄰兩個(gè)金屬通孔中心距離為0.25mm。第一層流延片上矩形腔的尺寸為2.1mm×2.1mm，第二層流延片上矩形腔的尺寸為2.04mm×2.04mm，第三層流延片上矩形腔的尺寸為1.98mm×1.98mm，第四層流延片上矩形腔的尺寸為1.92mm×1.92mm。基片集成腔體1呈階梯狀，基片集成腔體內(nèi)無金屬電極，基片集成腔外鋪滿金屬電極，階梯狀的基片集成腔體可以進(jìn)一步的提高增益。

第一金屬片101與第二金屬片102位于基片集成腔體1的上表面，第一金屬片101與第二金屬片102沿饋電縫202長邊方向排列，且第一金屬片101與第二金屬片102關(guān)于基片集成腔體1的中心線對稱排列，第一金屬片101與第二金屬片102均呈工字型，且第一金屬片尺寸變化的邊的方向與饋電縫101長邊方向垂直，第二金屬片尺寸變化的邊的方向與饋電縫101長邊方向垂直。每個(gè)金屬片沿垂直饋電縫長邊方向的長度為0.55mm，沿平行饋電縫長邊方向長度最大允許為0.7mm，沿平行饋電縫長度方向長度最小允許為0.46mm，兩金屬片中心間距為0.9mm。

本實(shí)施例中，寄生結(jié)構(gòu)為呈工字型的金屬片，采用該種結(jié)構(gòu)的金金屬片，可以增大金屬片上感應(yīng)電流的電長度，從而使得天線的帶寬得到進(jìn)一步的提高。

本發(fā)明提供的基片集成腔體毫米波陣列天線的實(shí)施例中天線單元中，寄生結(jié)構(gòu)可以為一個(gè)金屬片，金屬片位于基片集成腔體上表面的中心，且金屬片的長邊方向與饋電縫的長邊方向一致，金屬片呈工字型，即金屬片的一邊長度由兩端至中間逐漸減少，且長度變化的邊垂直于饋電縫長邊方向。即寄生結(jié)構(gòu)可以為一個(gè)金屬片，也可以為兩個(gè)金屬片。

圖4為基片集成腔體毫米波陣列天線中天線單元的回波損耗和增益曲線圖。從圖中可以看出，天線單元的阻抗帶寬為80.6ghz～99.16ghz，相對阻抗帶寬為20.71％，在頻段內(nèi)，天線單元的增益都保持在8dbi以上，天線單元最大增益可達(dá)9.66dbi。相較于現(xiàn)有的毫米波天線的6.7bbi的增益，提高了20％，最高可以提高44.2％。

圖5為基片集成腔體毫米波陣列天線中天線陣列的回波損耗曲線圖。該天線陣列在w波段阻抗帶寬為81.7ghz-99ghz，相對阻抗帶寬為19.15％，最大增益可達(dá)到20.3dbi。

本發(fā)明提供的基片集成腔體毫米波天線不僅限于用ltcc流延片層壓制成，也可通過多層印刷電路版制成。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。