一种多波束共口径双频天线单元及天线阵列

1.本发明涉及一种多波束共口径双频天线单元及天线阵列，属于无线通信技术领域，具体涉及了一种可同时工作于微波毫米波的多波束共口径双频天线单元及天线阵列。


背景技术：

2.5g新一代通信具有更宽带更高速的需求，因此需要具有更宽的频谱带宽，进而导致频段数增加。随着毫米波段的加入，微波与毫米波的共存是下一代无线通信系统的必然趋势。而随着频段数的增加必然会导致天线数目增多进一步导致了体积的增大，所以双频共口径天线对小型集成化具有重要意义。在广泛的无线通信网络的部署通常需要小型基站来完成覆盖。然而与传统基站天线不同小型基站要在受限空间中封装多天线或多波束天线具有有限的空间和资源。
3.传统的天线通常只有一个主辐射方向，难以兼顾多个辐射方向，覆盖范围较小。在几类多波束天线中透镜类多波束天线具有良好的波束指向性，并且体积小、重量轻，能够明显降低使用成本和操作复杂度。透镜多波束阵列天线可以在不需要复杂有源电路的情况下提供多个不同辐射方向的高增益定向波束，可以解决只能提供一个波束的问题，满足波束覆盖广的需求，因此适合于低成本小型基站。
4.因此有必要设计一款用于5g通信的小型基站设备的双频段多波束共口径天线，同时解决微波和毫米波共存以及广覆盖广的需求。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足,本发明提供一种多波束共口径双频天线单元及天线阵列。
6.一种多波束共口径双频天线单元及天线阵列，天线阵列包括a*b个天线单元，每个天线单元包括n*m个毫米波频段天线单元和一个结构复用的微波频段天线单元，每个毫米波频段天线单元包括一个馈电单元和一个具有透镜轮廓的介质单元，n*m个毫米波频段天线单元的馈电单元呈阵列排布在具有透镜轮廓的介质单元的下方，结构复用的微波频段天线单元包括一个结构复用的介质贴片结构和一个馈电结构，n*m个毫米波频段天线单元的具有透镜轮廓的介质单元相互连接，共同构成微波频段天线单元中的复用介质贴片结构，微波频段天线单元的馈电结构位于结构复用介质贴片结构的下方，具有透镜轮廓的介质单元利用介电常数大于6的介质材料构成，通过独立改变每个毫米波天线单元中介质单元的透镜轮廓，实现每个毫米波天线单元的波束方向改变，提高n*m个毫米波频段天线单元形成的n*m个波束的总体覆盖范围。
7.n*m个毫米波频段天线单元能够采用贴片天线、介质天线及磁电偶极子不同类型低剖面特性单元,微波频段天线单元的馈电结构能够采用缝隙、l型探针、同轴不同方式做馈源进行馈电,n*m个具有透镜轮廓的介质单元在做毫米波频段透镜的同时共同用作微波频段天线单元中结构复用介质贴片结构,通过在n*m个具有透镜轮廓的介质单元的上下表
面增加利用等效介电常数方式实现的毫米波频段匹配层，使得介质单元结构在毫米波频段具有高透射率，提高毫米波天线单元的增益,同时在微波波段保持低透射率以实现性能良好的介质贴片天线,毫米波天线单元能够组成n*m阵列，提供n*m个共存波束。
8.本发明的优点是：可同时工作于微波和毫米波两个频段，天线在毫米波段可实现每个毫米波天线单元的波束方向改变，适用于新一代通信的低成本小型基站。本发明的双频天线具有大频比、宽频带特性，双频天线结构紧凑，复用介质贴片结构实现了共口径，双频天线在毫米波段具有多个波束通过改变波束方向提高了n*m个毫米波频段天线单元形成的n*m个波束的总体覆盖范围，双频天线在微波段和毫米波段均具有高增益特性，利用低介电常数实现了宽带介质贴片天线。
附图说明
9.当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：
10.图1a是本发明多波束共口径双频天线阵列单元的侧视图示意图。
11.图1b是本发明多波束共口径双频天线阵列单元的俯视图示意图。
12.图2是本发明多波束共口径双频天线阵列的示意图。
13.图3a本发明多波束共口径双频天线单元2*2高频辐射为例的波束辐射方向俯视示意图。
14.图3b是本发明多波束共口径双频天线单元2*2高频辐射为例的波束辐射方向侧视示意图。
15.图4是本发明多波束共口径双频天线阵列单元整体结构图。
16.图5是本发明阵列单元中具有透镜轮廓介质贴片结构图。
17.图6a是本发明阵列单元中具有透镜轮廓介质贴片正视图。
18.图6b是本发明阵列单元中具有透镜轮廓介质贴片侧视图。
19.图6c是本发明阵列单元中具有透镜轮廓介质贴片俯视图。
20.图7是本发明阵列单元双层介质板结构图。
21.图8是本发明中天线阵列单元结构的爆炸图。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
23.显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。
24.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当称元件、组件被“连接”到另一元件、组件时，它可以直接连接到其他元件或者组件，或者也可以存在中间元件或者组件。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全
部组合。
25.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
26.为便于对实施例的理解，下面将结合做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明的限定。
27.实施例1：如图1a、图1b、图2、图3a、图3b、图4、图5、图6a、图6b、图6c、图7及图8所示，一种多波束共口径双频天线单元及天线阵列，可同时工作于微波毫米波频段，天线在毫米波频段可提供多个共存的不同辐射方向的高增益定向波束，适用于新一代通信的低成本小型基站。
28.一种多波束共口径双频天线单元及天线阵列，天线阵列包括a*b个天线单元，每个天线单元包括n*m个毫米波频段天线单元和一个微波频段结构复用的微波频段介质贴片天线单元组成，每个毫米波频段天线单元包括一个馈电单元和一个具有透镜轮廓的介质单元，所述具有透镜轮廓的介质单元利用介电常数大于6的介质材料构成，所述n*m个微波频段天线单元的馈电结构位于结构复用介质贴片结构的下方，所述n*m个具有透镜轮廓的介质单元在做毫米波频段透镜的同时共同用作微波频段天线单元中结构复用介质贴片结构。
29.1、毫米波频段缝隙馈电的低剖面磁电偶极子天线
30.实例中馈电部分采用共面波导转基片集成波导进行传输，之后在地板开缝，采用缝隙结构进行馈电，并降低贴片剖面实现低剖面宽带的磁电偶极子天线。
31.实例中将设计好的磁电偶极子天线组成为2*2阵列提供四个共存的不同辐射方向波束。
32.2、缝隙馈电的介质贴片天线
33.实例中在微波频段采用跟毫米波频段同等厚度的介质板进行设计，模型采用微带线进行传输，通过缝隙对复用介质贴片进行馈电，实现性能良好的介质贴片天线。
34.3、结构复用介质贴片
35.实例中通过在2*2个具有透镜轮廓的介质单元的上下表面增加毫米波频段中心频率四分之一波长厚度的等效介电常数为介质贴片介电常数开方的圆柱实现的毫米波频段匹配层，使得介质单元结构在毫米波频段具有高透射率，提高毫米波天线单元的增益,同时在微波波段保持低透射率。通过独立改变每个毫米波天线单元中介质单元的透镜轮廓，实现每个毫米波天线单元的波束方向改变，提高2*2个毫米波频段天线单元形成的2*2个波束的总体覆盖范围。
36.实施例2：如图1a、图1b、图2、图3a、图3b、图4、图5、图6a、图6b、图6c、图7及图8所示，一种多波束共口径双频天线单元及天线阵列，本发明的双频段共口径天线阵列单元如图1a、图1b所示，如图2天线单元主要由高介电常数》6的复用介质贴片1、毫米波频段天线单元的馈电单元2、微波频段介质贴片馈源3三部分组成。
37.微波频段介质贴片可由缝隙、l型探针、同轴等做馈源进行馈电；n*m个毫米波频段天线单元的馈电单元呈阵列排布在具有透镜轮廓的介质单元的下方，对具有透镜轮廓的介质单元进行了复用，利用n*m个毫米波频段天线单元的具有透镜轮廓的介质单元相互连接，共同构成微波频段天线单元中的复用介质贴片结构实现了共口径。
38.双频段共口径天线阵列如图2所示,天线阵列由a*b单元组成,每个天线单元包括
n*m个毫米波频段天线单元和一个微波频段结构复用的介质贴片天线单元组成a、b、n、m为等于或者大于1的自然数。
39.如图3a、图3b为天线单元2*2毫米波天线单元辐射为例的波束辐射方向示意图，存在毫米波频段天线单元和微波频段天线单元产生的毫米波波束4、微波波束两种不同频段波束5，毫米波频段天线单元波束辐射方向通过独立改变每个毫米波天线单元中介质单元的透镜轮廓，实现每个毫米波天线单元的波束方向改变，提高2*2个毫米波频段天线单元形成的2*2个波束的总体覆盖范围。
40.双频段共口径天线实例如图4所示主要由复用介质贴片6、支撑柱7、双层介质板设计的毫米波馈电单元及微波频段介质贴片馈源8三部分组成。
41.图5为介质贴片结构图，介质贴片上下表面均有一层匹配层，介质贴片下表面为平面，上表面具有双曲线轮廓，它是由毫米波频段四块毫米波频段天线单元的具有透镜轮廓的介质单元相互连接，共同构成微波频段天线单元中的复用介质贴片结构，设计的介质贴片在微波频段保持较低的透射率实现性能良好的介质贴片，在毫米波频段设计圆柱用来等效介电常数做匹配使介质贴片具有较好的透射率，并对介质沿对角线向四周做渐变，利用电磁波折射特性改变波束方向提高波束覆盖范围。
42.图7为毫米波微波两个频段共用双层介质板，在微波频段采用微带线做馈线设计了缝隙馈电结构，采用缝隙耦合的方式来对贴片进行馈电，在毫米波频段用共面波导转基片集成波导做馈线设计了2*2缝隙馈电的低剖面的宽带磁电偶极子天线做毫米波频段天线单元的馈电单元。
43.实施例3：如图1a、图1b、图2、图3a、图3b、图4、图5、图6a、图6b、图6c、图7及图8所示，一种多波束共口径双频天线单元及天线阵列，毫米波频段天线单元的馈电单元采用毫米波段缝隙馈电的低剖面磁电偶极子天线，馈电部分采用共面波导转基片集成波导进行传输，之后在地板开缝，采用缝隙结构对贴片进行馈电，并降低贴片剖面实现低剖面宽带的磁电偶极子天线，将磁电偶极子天线组成为2*2阵列提供四个共存的波束。
44.微波段天线馈电结构采用缝隙馈电的介质贴片天线，在微波段采用跟毫米波段同等厚度的介质板进行设计，模型采用微带线进行传输，通过缝隙对2*2个毫米波频段天线单元的具有透镜轮廓的介质单元相互连接，共同构成微波频段天线单元中的复用介质贴片结构进行馈电，实现性能良好的介质贴片天线。
45.复用介质贴片结构通过在2*2个具有透镜轮廓的介质单元的上下表面增加利用等效介电常数方式实现的毫米波频段匹配层，使得介质单元结构在毫米波频段具有高透射率，提高毫米波天线单元的增益,同时在微波波段保持低透射率。
46.本发明实例中毫米波频段天线单元的馈电单元采用毫米波段缝隙馈电的低剖面磁电偶极子天线。馈电部分采用共面波导转基片集成波导进行传输，之后在地板开缝，采用缝隙结构对贴片进行馈电，并降低贴片剖面实现低剖面宽带的磁电偶极子天线。将磁电偶极子天线组成为2*2阵列提供四个共存的波束。
47.本发明实例中微波频段天线采用缝隙馈电的介质贴片天线。在微波频段馈电部分采用跟毫米波段同等厚度的介质板进行设计，模型采用微带线进行传输，通过缝隙对具有透镜轮廓的介质单元相互连接，共同构成微波频段天线单元中的复用介质贴片结构进行馈电，实现性能良好的介质贴片天线。
48.复用介质贴片结构,通过在2*2个具有透镜轮廓的介质单元的上下表面增加利用等效介电常数方式实现的毫米波频段匹配层，使得介质单元结构在毫米波频段具有高透射率，提高毫米波天线单元的增益,同时在微波频段保持低透射率。并通过独立改变每个毫米波天线单元中介质单元的透镜轮廓，实现每个毫米波天线单元的波束方向改变，提高2*2个毫米波频段天线单元形成的2*2个波束的总体覆盖范围。
49.如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。