【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无线通信，具体涉及一种基于单层脊隙波导馈电的高增益高次模贴片阵列天线。
技术介绍
1、随着通信系统的发展，对高速传输的需求日益增长。毫米波频段因其宽带充足和易于集成等特点，被视为满足这些要求的有前景选择之一。60ghz频段(57-64ghz)备受关注，因为它提供了实时高数据速率传输所必需的大量带宽，尤其适用于高清视频流等应用场景。然而，在该频段工作的信号主要受到大气吸收引起较大损耗的影响。因此，60ghz无线系统需要采用高增益天线以最小化传播损耗。
2、目前，有多种实现高增益的天线形式，例如传统的透镜天线、反射面天线和喇叭天线，但是这些天线有着体积较大、制造成本高和难以集成等缺点。高次模贴片天线的出现成为了实现高增益的一个可选的替代，由于其结合了微带天线剖面低、重量轻、成本低和易于集成等优点。高次模贴片天线有着高方向性由于其较大的辐射口径，但是伴随而来的是旁瓣的增大，这是定向天线中需要尽可能避免的，通常可以通过在贴片上刻横向槽来实现旁瓣的抑制。
3、对于实现高增益高效率天线阵列，一个低损耗的馈电网络是必须的。基片集成波导(siw)馈电和矩形波导馈电是毫米波馈电网络中常用的两种馈电技术。siw馈电由于其紧凑的尺寸和高设计自由度在平面天线阵列中被广泛应用，但是随着频率的升高，介质损耗带来的低效率问题逐渐明显。矩形波导馈电网络有着低损耗的优点，但是现有的波导天线的制备方式主要为分层拆件加工，再通过表贴工艺逐层组装，相邻制造件表面之间需要良好的电接触，这对连接表面的平整度要求较高，导致制造成本急剧增
4、间隙波导是一种基于电磁带隙原理的全金属导波结构，具有损耗低的优点，且各金属层之间不要求十分良好的电接触，降低了加工和组阵的精度要求，因此已经被大量应用于毫米波天线阵列的设计、制造中。目前在较高频率例如60ghz频段或w波段的间隙波导馈电天线阵列中，需要采用额外背腔层以减小馈电网络的复杂度和加工难度，导致制造成本增加，并且在组装过程中容易出现未对准的情况。因此有天线阵列采用了单层间隙波导馈电技术，但是在高频时，天线较小的单元间距限制了金属脊和金属销钉的尺寸，需要高加工精度。此外，高增益通常需要更多的天线单元，对于单层馈电网络的布局和设计施加了巨大的压力。
技术实现思路
1、因此，本专利技术解决了现有技术中天线阵列采用了单层间隙波导馈电技术，但是在高频时，天线较小的单元间距限制了金属脊和金属销钉的尺寸，需要高加工精度，此外，高增益通常需要更多的天线单元，对于单层馈电网络的布局和设计施加了巨大压力的技术问题；本专利技术提供的一种基于单层脊隙波导的60ghz频段高增益高次模贴片天线阵列，通过采用贴片天线的高次模，天线单元的增益提升，从而在不增加天线单元数量的情况下大幅提升了阵列增益。同时，由于贴片天线单元尺寸和单元间距较大，间隙波导馈电网络有更高的设计空间和自由度，极大的促进了单层脊隙波导馈电网络的实施。
2、本专利技术的专利技术思路为：本专利技术的基于单层脊隙波导的60ghz频段高增益高次模贴片天线阵列，包括上下层叠设置的一个基板层和一个金属馈电层。所述基板层上表面设有64个呈8×8周期性排布的金属贴片单元。金属层上方设有导波金属脊和若干个周期性排布的金属柱。通过利用金属贴片单元的高次模tm30模作为辐射模式，实现了高增益。由于利用高次模辐射的贴片单元的尺寸和单元间距离较大，为间隙波导馈电网络的提供了更大的设计空间和自由度，仅需一层馈电网络即可实现所有贴片单元的馈电。
3、为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用技术方案具体为：一种基于单层脊隙波导馈电的高增益高次模贴片阵列天线，包括自上而下层叠设置的基板层和金属馈电层；所述基板层的上表面设有64个呈8×8阵列周期排布的金属辐射贴片单元，下表面设有金属地；所述的馈电层的上方设有若干周期排布的金属柱和导波金属脊，所属的导波金属脊用于传输电磁波；所述的金属柱和导波金属脊共同组合形成脊隙波导馈电网络；
4、进一步的，所述的金属地上设有耦合缝隙，其数量和位置与金属贴片单元相对应，用于将电磁波耦合至金属贴片。
5、进一步的，所述的金属辐射贴片单元尺寸为4.4mm×4.4mm，单元间距离为6mm。贴片天线单元尺寸和单元间距较大，间隙波导馈电网络有更高的设计空间和自由度，极大的促进了单层脊隙波导馈电网络的实施。
6、进一步的，所述金属贴片中间区域设有三个对称分布的横向缝隙用于实现旁瓣抑制，第一缝隙和第三缝隙位于贴片边缘侧，大小相等，为1.2mm×0.9mm，第二缝隙位于贴片中心，大小为1.1mm×0.9mm。
7、进一步的，所述的金属柱与基板层下表面之间存有空气间隙；所述空气间隙的大小在0.05mm-1mm。
8、进一步的，所述导波金属脊的高度低于所述金属柱的高度。
9、进一步的，所述的导波金属脊耦合端位于每个辐射贴片单元正下方，通过1分64金属功率分配器与矩形波导-脊隙波导转换段相连；导波金属脊由金属脊耦合端、矩形波导-脊隙波导转换段和t型脊隙波导功分器组成，矩形波导-脊隙波导转换段连接t型脊隙波导功分器，t型脊隙波导功分器连接金属脊耦合端，金属脊耦合端个数与辐射贴片单元个数相对应。
10、进一步的，所述1分64金属功率分配器由若干t型脊隙波导功分器组成。通过1分64金属功率分配器将信号传输至导波金属脊内侧，实现对金属辐射贴片单元等幅同相馈电。
11、进一步的，所述的矩形波导-脊隙波导转换段的矩形波导端口侧设置有与wr-15输入波导连接的法兰接口，所述的矩形波导-脊隙波导转换段与矩形波导端口连接处设有台阶状结构用于实现阻抗匹配。
12、进一步的，所述的基板的介电常数为2.2，损耗角为0.0009。
13、在上述技术方案中，本专利技术提供的技术效果和优点：
14、1.本专利技术提供的一种基于单层脊隙波导馈电的高增益高次模贴片阵列天线，采用了贴片天线的高次模tm30模作为其辐射模式，在不增加额外天线单元的情况下大幅提升阵列增益，从而避免使用更复杂的馈电网络。
15、2.本专利技术提供的一种基于单层脊隙波导馈电的高增益高次模贴片阵列天线，采用了低损耗的间隙波导馈电。由于采用贴片的高次模，天线单元及单元间距较大，间隙波导有更高的设计空间和可控度，金属柱和金属脊间距离可以更大，在进行cnc数控加工时，难度和成本降低，产品良率提高。
16、3.本专利技术提供的一种基于单层脊隙波导馈电的高增益高次模贴片阵列天线，仅需单层馈电网络，避免了多层馈电可能导致的组装时的未对准的弊端。天线辐射层采用低剖面、低成本的pcb技术，上下层结构简单，且无需良好电接触，仅需预留的螺纹孔固定，整体装配工序简单，与现有技术相比，本专利技术拥有加工难度低、剖面低、高增益、高效率等优势，具有较高的商业实用性。
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1.一种基于单层脊隙波导馈电的高增益高次模贴片阵列天线，其特征在于，包括自上而下层叠设置的基板层(1)和金属馈电层(2)；所述基板层(1)的上表面设有多个周期排布的金属辐射贴片单元(2)；所述基板层(1)的下表面设有金属地(3)；所述金属地(3)下方设置有馈电层(4)；所述的馈电层(4)的上表面设有若干周期排布的金属柱(41)和导波金属脊(42)，所述导波金属脊(42)用于传输电磁波；所述馈电层(4)外周缘设有凸起的金属边框(43)。
2.根据权利要求1所述的基于单层脊隙波导馈电的高增益高次模贴片阵列天线，其特征在于，所述导波金属脊(42)由金属脊耦合端(421)、矩形波导-脊隙波导转换段(422)和T型脊隙波导功分器(423)组成。
3.根据权利要求2所述的基于单层脊隙波导馈电的高增益高次模贴片阵列天线，其特征在于：所述的金属边框(43)上设有螺纹孔(51)，所述的基板层(1)外侧设有定位孔(52)；所述螺纹孔(51)和定位孔(52)的位置、大小和数量相对应。
4.根据权利要求3所述的基于单层脊隙波导馈电的高增益高次模贴片阵列天线，其特征在于
5.根据权利要求4所述的基于单层脊隙波导馈电的高增益高次模贴片阵列天线，其特征在于：所述金属地(3)上设有耦合缝隙(31)，所述耦合缝隙(31)数量和位置与金属辐射贴片单元(2)相对应，用于将电磁波耦合到金属贴片单元(2)。
6.根据权利要求5所述的基于单层脊隙波导馈电的高增益高次模贴片阵列天线，其特征在于：所述的金属柱(41)与基板层(1)下表面之间存有空气间隙；所述空气间隙的大小在0.05mm-1mm。
7.根据权利要求6所述的基于单层脊隙波导馈电的高增益高次模贴片阵列天线，其特征在于：所述导波金属脊(42)的高度低于所述金属柱(41)的高度。
8.根据权利要求7所述的基于单层脊隙波导馈电的高增益高次模贴片阵列天线，其特征在于：所述的金属脊耦合端(421)位于每个辐射贴片单元(2)下方，通过T型脊隙波导功分器(423)组成的1分64功率分配器与矩形波导-脊隙波导转换段(422)相连。
9.根据权利要求8所述的基于单层脊隙波导馈电的高增益高次模贴片阵列天线，其特征在于：矩形波导-脊隙波导转换段(422)外侧设置有与WR-15输入波导连接的法兰接口(44)，通过1分64功率分配器将信号传输至导波金属脊(42)内侧；所述矩形波导-脊隙波导转换段(422)靠近法兰接口(44)一端设有台阶状结构用于实现阻抗匹配。
10.根据权利要求8所述的基于单层脊隙波导馈电的高增益高次模贴片阵列天线，其特征在于：所述金属辐射贴片单元(2)共64个，呈8×8周期排布。
...【技术特征摘要】
1.一种基于单层脊隙波导馈电的高增益高次模贴片阵列天线，其特征在于，包括自上而下层叠设置的基板层(1)和金属馈电层(2)；所述基板层(1)的上表面设有多个周期排布的金属辐射贴片单元(2)；所述基板层(1)的下表面设有金属地(3)；所述金属地(3)下方设置有馈电层(4)；所述的馈电层(4)的上表面设有若干周期排布的金属柱(41)和导波金属脊(42)，所述导波金属脊(42)用于传输电磁波；所述馈电层(4)外周缘设有凸起的金属边框(43)。
2.根据权利要求1所述的基于单层脊隙波导馈电的高增益高次模贴片阵列天线，其特征在于，所述导波金属脊(42)由金属脊耦合端(421)、矩形波导-脊隙波导转换段(422)和t型脊隙波导功分器(423)组成。
3.根据权利要求2所述的基于单层脊隙波导馈电的高增益高次模贴片阵列天线，其特征在于：所述的金属边框(43)上设有螺纹孔(51)，所述的基板层(1)外侧设有定位孔(52)；所述螺纹孔(51)和定位孔(52)的位置、大小和数量相对应。
4.根据权利要求3所述的基于单层脊隙波导馈电的高增益高次模贴片阵列天线，其特征在于：每一所述金属辐射贴片单元(2)工作于tm30模式，每一所述金属辐射贴片单元(2)上设有三个横向缝隙(21)。
5.根据权利要求4所述的基于单层脊隙波导馈电的高增益高次模贴片阵列天线，其特征在于：所述金属地(3)上设...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨珺尧，陈建新，严恬煜，丁鑫浩，杨汶汶，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：
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