本發(fā)明屬于毫米波大容量通信領(lǐng)域，涉及一種基于并饋多層波導(dǎo)縫隙陣列的E-band平板天線以及基于交叉極化對消的同時同頻雙工器。

背景技術(shù)：

隨著頻譜利用日趨飽和，通信業(yè)務(wù)壓力日益增加，對新頻段和高帶寬的需求愈來愈旺盛。毫米波通信在軍民領(lǐng)域都逐漸成熟并得到廣泛利用。E-band是指上下行分別工作在71-76GHz、81-86GHz的較高毫米波頻段。該頻段共有10GHz的總帶寬，可以承擔(dān)極大的通信容量業(yè)務(wù)。目前E-band通信已經(jīng)廣泛應(yīng)用于LTE核心網(wǎng)回傳鏈路，配合高階調(diào)制方式，如256QAM，可以達(dá)到3Gbps以上的空口傳輸速率。隨著大功率器件的逐步發(fā)展，未來E-band將具備更為廣泛的應(yīng)用場景，如星間、星地鏈路，以及大容量實(shí)時情報(bào)偵察等領(lǐng)域。

為了克服大氣衰減及雨衰帶來的影響，高增益天線是E-band應(yīng)用的核心器件。目前大部分成熟產(chǎn)品多采用拋物面天線，但這種天線具有較大的剖面，較難集成到系統(tǒng)內(nèi)部。采用平面陣列將大幅減小天線剖面，有部分學(xué)者研究了采用SIW或Gap Waveguid的形式制作平面陣列。但由于這兩種形式均屬于半開放式的饋電網(wǎng)絡(luò)，且高頻段的介質(zhì)損耗較大，其效率有一定限制。隨著注塑電鍍工藝的成熟，波導(dǎo)陣列的加工精度得到逐步提高，未來采用注塑電鍍工藝的波導(dǎo)縫隙陣列將具備低剖面、輕質(zhì)量的巨大優(yōu)勢。傳統(tǒng)的波導(dǎo)縫隙陣列采用串饋形式，但其幅相平衡設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。相較而言，采用并饋設(shè)計(jì)可以極大程度的降低設(shè)計(jì)難度，易于保證輻射單元的幅相平衡。由于E-band頻段極高，其輻射單元的尺寸較小，為了保證單元間的緊耦合，需要間距極小。傳統(tǒng)的并饋單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用這種傳統(tǒng)并饋單元將造成饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)干涉，因而無法實(shí)現(xiàn)陣列。

為了從根本上提高傳輸容量，需要提高系統(tǒng)的頻譜利用率。傳統(tǒng)的方法利用更高的調(diào)制方式，如1024QAM、2048QAM，或者采用非正交信號等方法提高頻譜效率。但這些方法一定程度上需要更高的解調(diào)門限實(shí)現(xiàn)，從而限制了系統(tǒng)的通信距離或?qū)Πl(fā)射功率有更高要求。與之相比，采用射頻對消的同時同頻雙工方式是一種有效提升頻譜利用率的手段，且不增加數(shù)字信號處理部分的壓力。

傳統(tǒng)的雙工器形式主要分為頻分雙工與時分雙工兩種。頻分雙工的雙工器由收發(fā)通道濾波器以及T型頭構(gòu)成。由于收發(fā)頻帶之間預(yù)留較寬的保護(hù)間隔，可以通過設(shè)計(jì)保證收發(fā)通帶落在彼此的阻帶內(nèi)，從而提供較高的收發(fā)隔離。但這種形式需要對接收、發(fā)射通道分別提供不同的頻帶，因而對頻譜造成了極大的浪費(fèi)。時分雙工的收發(fā)通道采用相同頻帶，一般采用環(huán)形器的形式提供合路，因而具有較高的頻譜利用率。但若要實(shí)現(xiàn)大帶寬，環(huán)形器的隔離度往往較受限制，一般只有20dB左右。因此需要在接收通道內(nèi)增加一組開關(guān)保證收發(fā)之間的隔離。但開關(guān)打開時將會對接收鏈路帶來極大的損耗，此時無法正常的接收信號，只能發(fā)射信號。因此時分雙工在嚴(yán)格意義上來說并不是一種全雙工形式?；谏漕l對消的同時同頻雙工可以有效利用頻譜資源，實(shí)現(xiàn)同頻帶下的全雙工通信。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種E-band小型化平板天線，易于集成。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種E-band小型化平板天線，包括四個小輻射單元和一個大輻射單元；所述的大輻射單元為矩形單元，通過矩形單元中部的耦合縫隙與位于矩形單元下側(cè)的饋電波導(dǎo)連接；四個完全相同的小輻射單元均為矩形，連接在大輻射單元上側(cè)，構(gòu)成一個2*2的等間距矩形陣列。

所述大輻射單元的四邊中心處各開一個水平截面為矩形的微擾縫隙，微擾縫隙貫穿大輻射單元的上下表面。

所述小輻射單元的長邊長為工作頻點(diǎn)的半波長，短邊長不超過工作頻點(diǎn)的半波長；各個小輻射單元間周期不超過工作頻點(diǎn)的波長；小輻射單元的厚度不超過1mm；所述大輻射單元的長邊長為一個工作波長，寬度不超過工作頻點(diǎn)的半波長；大輻射單元的厚度不超過1mm；微擾縫隙的寬度與深度都不超過1mm。

所述饋電波導(dǎo)與大輻射單元之間的耦合縫隙為矩形縫隙；耦合縫隙的長度為工作頻點(diǎn)波長的一半，耦合縫隙的寬度不超過工作頻點(diǎn)波長的四分之一。

本發(fā)明還提供一種同時同頻雙工器，采用兩個E-band小型化平板天線作為發(fā)射天線和接收天線，平行集成于同時同頻雙工器內(nèi)部，發(fā)射天線和接收天線的極化形式正交，發(fā)射天線的饋電口延伸至同時同頻雙工器接口處構(gòu)成發(fā)射端口，接收天線饋電口延伸至同時同頻雙工器接口處構(gòu)成接收端口。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明利用收發(fā)兩幅天線的極化隔離特性與固有的空間隔離特性，構(gòu)成雙工系統(tǒng)。天線采用小型化平板天線，易于集成。由于定向天線屬于毫米波通信的必要器件，不可替代，因而利用天線構(gòu)成雙工系統(tǒng)并不增加系統(tǒng)的復(fù)雜度。本發(fā)明利用天線的隔離特性，替代了傳統(tǒng)頻分、時分雙工系統(tǒng)。這種新型雙工系統(tǒng)不需要增加額外的雙工器，提高了系統(tǒng)的集成度，降低了系統(tǒng)組成的復(fù)雜度。同時，相較于頻分雙工系統(tǒng)利用保護(hù)頻段提供收發(fā)隔離，本發(fā)明可以有效提高系統(tǒng)對頻譜資源的利用率；相較于時分雙工系統(tǒng)利用開關(guān)組提供收發(fā)隔離屬于一種半雙工形式，本發(fā)明提供了一種高效利用頻譜資源的全雙工方式。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)的并饋波導(dǎo)縫隙單元示意圖，其中，(a)為俯視圖，(b)為平視圖，1代表耦合縫隙，2代表輻射單元，3代表饋電波導(dǎo)。

圖2為本發(fā)明提出的多層波導(dǎo)縫隙單元示意圖，其中，(a)為俯視圖，(b)為平視圖，1代表耦合縫隙，3代表饋電波導(dǎo)，4代表上層小輻射單元，5代表下層大輻射單元，6代表微擾縫隙。

圖3為本發(fā)明提出單元的饋電口回波損耗與不引入微擾的回波損耗對比示意圖。

圖4為本發(fā)明提出的同時同頻雙工器的組成框圖，7代表發(fā)射天線，8代表接收天線，9代表同時同頻雙工器，10代表發(fā)射端口，11代表接收端口。

圖5為本發(fā)明提出單元構(gòu)成4*4線性陣列的模型圖，其中，(a)為正面圖，(b)為背面圖。

圖6為E面T形節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖，12代表1端口，13代表2端口，14代表3端口，15為匹配結(jié)構(gòu)。

圖7為E面T形節(jié)端口性能示意圖。

圖8為本發(fā)明陣列饋電端口回波損耗示意圖。

圖9為本發(fā)明陣列增益方向圖。

圖10為本發(fā)明設(shè)計(jì)同時同頻雙工器結(jié)構(gòu)示意圖，其中，(a)為正面圖，(b)為背面圖，10代表發(fā)射端口，11代表接收端口。

圖11為本發(fā)明設(shè)計(jì)同時同頻雙工器隔離度示意圖。

圖12為本發(fā)明雙工器與系統(tǒng)裝配示例圖，9代表雙工器，16代表整機(jī)殼體，17代表收發(fā)通道電路，18代表天線罩。

圖13為本發(fā)明輻射單元結(jié)構(gòu)尺寸圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實(shí)施例。

本發(fā)明設(shè)計(jì)一種基于并饋的多層波導(dǎo)縫隙陣列，單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了使饋電網(wǎng)絡(luò)易于實(shí)現(xiàn)，需要增加單元的尺寸，但一味的增加單元尺寸將造成諧振點(diǎn)向低頻偏移從而無法實(shí)現(xiàn)工作頻段內(nèi)的匹配。另外，過大的單元尺寸會造成方向圖的嚴(yán)重畸變。為了克服這些問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)一種將四個小輻射單元寄生于一個大輻射單元之上的多層輻射單元結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以有效的保證工作帶寬內(nèi)的阻抗匹配并避免方向圖畸變。大輻射單元為矩形單元，位于下層，通過耦合縫隙與饋電波導(dǎo)連接。四個小輻射單元位于上層，均為矩形，外形尺寸完全相同，構(gòu)成一個2*2的等間距矩形陣列，與下層的大輻射單元直接相連。為了擴(kuò)展單元的駐波比帶寬，本發(fā)明在單元四周引入微擾，從而改善表面電流分布，實(shí)現(xiàn)更寬頻帶內(nèi)的阻抗匹配。本發(fā)明通過在大輻射單元四邊中心處，各開一個矩形細(xì)縫構(gòu)成微擾，細(xì)縫的長度與大輻射單元厚度相同。引入微擾與不加微擾的饋電口回波損耗對比如圖3所示。利用這種單元構(gòu)成二維陣列，可以提供低剖面、易集成的平板天線。構(gòu)成陣列的單元數(shù)量取決于鏈路預(yù)算所需要的天線增益，構(gòu)成陣列的單元數(shù)量越多，天線的增益越高，同時天線的尺寸也將越大。

根據(jù)縫隙天線的基本理論，在設(shè)計(jì)小輻射單元時，單元長度為工作頻點(diǎn)的半波長，單元寬度與所需帶寬有關(guān)，寬度越寬則帶寬越寬，但不超過工作頻點(diǎn)的半波長。小輻射單元間周期(相鄰小輻射單元的中心距)不超過一個波長，以保證單元間的緊耦合。小輻射單元的厚度影響駐波比的匹配，但控制在1mm以內(nèi)，保證易于加工。下層大輻射單元的長度為一個工作波長，寬度與帶寬有關(guān)，但不超過一個工作波長，厚度控制在1mm以內(nèi)。大輻射單元上的微擾縫隙寬度越窄、深度越深，其對表面電流的影響越強(qiáng)，寬度與深度都不超過1mm。饋電波導(dǎo)與下層輻射單元之間的耦合縫隙為矩形縫隙，該縫隙厚度越小，則耦合越強(qiáng)。耦合縫隙的長度與工作頻點(diǎn)有關(guān)，為工作頻點(diǎn)波長的一半。耦合縫隙的寬度與帶寬有關(guān)，但不超過工作頻點(diǎn)波長的四分之一。

本發(fā)明利用天線的極化特性以及空間隔離特性，借助于平板天線的低剖面與易集成等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種新型的同時同頻雙工器，可以有效利用頻譜與時間資源，使收發(fā)通道在相同頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)全雙工工作，為系統(tǒng)提供極高的收發(fā)隔離度，是一種將天線集成于雙工器內(nèi)部的新型雙工器形式，如圖4所示。收發(fā)天線平行集成于雙工器內(nèi)部， 兩幅天線的極化形式保證正交，如發(fā)射天線采用水平極化，接收天線采用垂直天線。這里只需要保證極化正交即可，亦可采用發(fā)射天線垂直極化，接收天線水平極化；或者兩幅天線以正負(fù)45度的極化方式正交。發(fā)射天線饋電口延伸至模塊接口處構(gòu)成發(fā)射端口，接收天線饋電口延伸至模塊接口處構(gòu)成接收端口，測定兩個端口之間的隔離度即為雙工器的收發(fā)隔離。構(gòu)成天線的單元數(shù)越多，天線的增益越大，則兩幅天線間的空間隔離也將越大；兩幅天線的間隔越大，則天線間的空間隔離也越大。天線間的空間隔離越大，則雙工器收發(fā)端口之間的收發(fā)隔離也將越大。

依據(jù)發(fā)明內(nèi)容所述理論與原則設(shè)計(jì)輻射單元，經(jīng)過優(yōu)化，各結(jié)構(gòu)尺寸如圖13所示。其中，a_wg＝3.0988mm，b_wg＝1.5494mm，L_cp＝2.3mm，w_cp＝0.7mm，h_cp＝0.1mm，L_low＝7.4mm，w_low＝6.9mm，h_low＝0.7mm，L_up＝2.7mm，w_up＝2.3mm，h_up＝1mm，w_int＝0.8mm，h_int＝0.5mm。

利用本發(fā)明所提出的單元形式，構(gòu)成一個平面的4*4線性陣列，其電磁仿真模型如圖5所示。陣列尺寸為28mm*30mm*3.3mm。

饋電波導(dǎo)采用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)法蘭WR12，采用E面T形節(jié)構(gòu)成功分器，基于此功分器設(shè)計(jì)饋電網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示。其端口性能如圖7所示，回波損耗S11<-22dB。

所設(shè)計(jì)的陣列達(dá)到預(yù)期要求，其端口回波損耗如圖8所示，在71-76GHz頻段內(nèi)S11<-10dB；其增益方向圖如圖9所示，增益22dBi，第一副瓣電平-14dBc。

利用該4*4陣列，按照圖4框圖構(gòu)成雙工器，雙工器結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示，雙工器尺寸為63mm*30mm*4mm。對收發(fā)隔離進(jìn)行仿真，在工作頻段71-76GHz范圍內(nèi)，收發(fā)隔離大于90dB(S21<-90dB)，如圖11所示。

雙工器與整機(jī)裝配簡要示例如圖12所示。整機(jī)由殼體、收發(fā)通道、雙工器、天線罩組成。收發(fā)通道工作在同一頻段，不需要預(yù)留頻率或時間上的保護(hù)間隔。收發(fā)通道電路波導(dǎo)接口與雙工器通過標(biāo)準(zhǔn)法蘭連接，兩者層疊安裝于整機(jī)殼體內(nèi)。該雙工器集成收發(fā)合路、收發(fā)隔離、以及天線等功能，簡化了整機(jī)的組成關(guān)系。直接將天線罩作為上蓋板，與整機(jī)殼體密閉安裝，減少整機(jī)重量，構(gòu)成一個集成度極高的前端系統(tǒng)。