[发明专利]多波束端射天线

说明书

技术领域

本发明涉及通信设备技术领域，特别是一种多波束端射天线。

背景技术

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够，国家和运营商正在开发6GHz以上的新频段，特别是针对北美，日本，韩国等地区和国家发布的5G毫米波新频段，人们普遍认为毫米波(mmWave)是下个频段最好的选择。

为了实现5G移动终端设备的高增益和覆盖范围广，选用相控阵和多波束的方案成为一种好的选择，在此之前很多知名半导体公司已经成功研发出5G在毫米波的芯片相控阵技术在国防领域的雷达、通信、电子战、导航等领域获得广泛应用，也正在卫星通信和5G通信使用，特别是与Massive MIMO天线的应用，相控阵在不减增益的情况下提供低延时的波束切换，实现精确方向扫描，为特定密集场所提供通信保证。然而其昂贵成本、硬件实施的复杂性、散热以及结构大小成为主要的发展问题。

相对而言，多波束也在卫星通信和汽车雷达中使用毫米波，且具有小型化的优点，可以应用在移动终端设备，移动终端产生的波束具有较大覆盖范围，每个波束将于附近基站产生连接，因此，在5G通信系统中，具有多波束的移动终端可以提高信道容量和覆盖效率。

多波束天线是一个多端口的阵列天线，对不同输入馈电都会形成一个指定的方向。最早的多波束多依赖波导和微带线结构，金属波导虽然损耗低，但体积笨重且制造复杂不适合移动终端设备小型化的要求，微带线结构简单体积小则在毫米波色散严重，损耗大。

另一方面，实现多波束网络主要有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较多，输入端口隔离度好，在实际应用中灵活性较高，但其是有耗网络，损耗大且结构复杂。由Rotman透镜形成的网络波束数量多、旁瓣电平低、带宽宽等优点也受到欢迎，但是同样天线尺寸过大，不易于与终端设备集成。

同时现有的移动终端上采用的多波束贴片或缝隙天线，辐射方向垂直与天线表面，但是如果是应用于手机后背上，手会挡住后盖，大大降低天线性能。同理适应于其他同类型的便携式设备时，同样会遇到人体遮挡问题。

发明内容

本发明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、结构简单、小型化、端射的工作于28GHz的多波束端射天线。

本发明是采用如下技术解决方案来实现上述目的：一种多波束端射天线，其特征在于，它采用基片集成波导结构，包括多个输入端口、Butler矩阵、多组端射偶极子辐射单元，Butler矩阵包括耦合器、交叉器和移相器，信号经过Butler矩阵分成多个等幅相位差恒定的输出至辐射单元，各组端射偶极子辐射单元由印制板金属化过孔形成，分别连接于Butler矩阵输出口，电磁波耦合至末端双偶极子，在空间中叠加合成平行于天线阵面方向辐射的电磁波。

作为上述方案的进一步说明，输入端口的数量为四个，Butler矩阵为四输入，四输出网络。

所述天线单元为三层对称结构，中间层为SIW金属过孔结构传输电磁波耦合至末端双偶极子辐射单元；上下两层为介质，厚度四分之一介质波长；双偶极子设计为提高方向图对称性并提高增益；介质内排列有规则的U形金属孔形成反射腔，提高前后比；偶极子方向延伸一段介质，调节波束宽度。

进一步地，Butler矩阵中耦合器实现端口一输入，端口二直通，端口三输出幅度相等相位差90度的电磁波，端口四为隔离；交叉器实现二维平面内信号的交叉传输；移相器是用来改变相位，使单端口输入情况下，保持所有输出端口幅度相等相邻相位差恒定；整体结构简单且厚度低，且波导长度短，配合SIW技术的低损耗特性，实现整体网络的低损耗。

进一步地，SIW金属过孔结构由上下两片金属面和两侧周期性排列的金属过孔组成，限制电磁波在介质中传输；其损耗低，且厚度低，重量轻，易于加工。

本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：

1、本发明采用双偶极子天线放置设备前端或周边，由于频率是毫米波，臂长短，使天线整体厚度低；采用端射偶极子形式也很好解决手持设备辐射能量遮挡问题，这对手机以及平板等终端设备解决无线技术问题。

2、本发明利用Butler矩阵为一种结构简单，体积小的无损多波束网络,配合SIW金属过孔结构损耗低，而且厚度低、重量轻，容易加工的优点，实现多波束系统小型化及低损耗。

附图说明

图1为本发明的整体结构图；

图2为本发明的90°耦合器结构示意图；