[發明專利]用于毫米波多波束天線矩陣的90度混合耦合器

在審

• 申請號: 201711402492.7
• 申請日: 2017-12-22
• 公開（公告）號: CN107968241A
• 公開（公告）日: 2018-04-27
• 發明（設計）人: 劉沛業;陳志興;刁桂森;胡奇輝
• 申請（專利權）人: 廣東盛路通信科技股份有限公司
• 主分類號: H01P5/12
• 分類號: H01P5/12;H01P5/18
• 代理公司: 佛山東平知識產權事務所(普通合伙)44307
• 代理人: 詹仲國,黃紹彬

技術領域

本發明涉及通信設備技術領域，特別是一種用于毫米波多波束天線Butler矩陣的90度混合耦合器。

背景技術

第五代通信技術(5G)已經進入標準定制階段，各大運營商也在積極部署5G設備。隨著移動數據需求量和智能手機使用量的快速增長，也是為了滿足更高數據傳輸和高容量的天線通信需求，目前受到關注的5G天線技術主要有多波束(Multiple Beam),多單元(Massive MIMO),相控陣(Phase Control Array)等。

在過去，低于6GHz的頻段被密集的使用，造成低頻段頻譜資源不足，而毫米波(Millimeter Wave)被普遍認為是做好的選擇之一。毫米波頻段能夠提供更高的帶寬，有效的提高信道容量。

為了實現5G移動終端設備的高增益和廣覆蓋，相控陣或多波束方案成為最佳的選擇之一。相控陣可以在增益穩定的情況下提供低時延的波束切換，實現精確的方向掃描，為特定密集場所提供通信保證。然而其昂貴的成本，硬件實施的復雜性，散熱以及結構空間有限成為制約其發展的主要問題。相對而言，多波束天線在衛星通信和汽車雷達中也有毫米波應用，且具有小型化，成本低的優勢，可應用于小型終端設備。

實現多波束功能的主要有Butler矩陣，Blass矩陣，Rotman透鏡等技術。其中Blass矩陣幅度可自由控制，并且形成的波束數目多，輸入端口隔離度好，在實際應該用靈活性高，但其為有耗網絡并且結構復雜。由Rotman透鏡形成的網絡波束數量最多，旁瓣電平低，帶寬高，但尺寸過大，因此不適用于小型設備。

Butler矩陣是一種多端口元件，對不同端口輸入會形成不同相位的電磁波，進而在輸出端形成相位等差變化的多個電磁波，再通過振子空間合成為特定方向的波束。而90度混合耦合器作為Butler矩陣組成部件，為形成不同相位電磁波的必要組件。

傳統90度混合耦合器多依賴于微帶線或金屬波導結構。微帶線結構簡單，體積小，然而在毫米波頻段色散嚴重，損耗打，因此制約了其在毫米波的應用；金屬波導雖然損耗低，但在毫米波段由于波長短，其對金屬接觸的要求異常嚴格。以避免縫隙漏波問題，從而導致整體穩定性差。

發明內容

本發明的目的就是為了解決現有技術之不足而提供的一種低損耗，無需金屬接觸且穩定性高的用于毫米波多波束天線矩陣的90度混合耦合器。

本發明是采用如下技術解決方案來實現上述目的：一種用于毫米波多波束天線矩陣的90度混合耦合器，其特征在于，它包括上層金屬蓋板及下層耦合網絡，下層耦合網絡包括金屬板及周期性分布的金屬針結構，周期性分布的金屬針結構使電磁波被限制在波導內傳播，以避免縫隙漏波問題，并模擬傳統金屬波導，損耗低；上層金屬蓋板與周期性金屬針結構之間有空氣縫隙，以達到無需金屬接觸的目的；

下層耦合網絡的金屬板設置有輸入端口和輸出端口、匹配針和連接匹配針的耦合網絡端口，匹配針連接輸入或輸出端口，以連接外部連接器或其他元件。

作為上述方案的進一步說明，所述下層耦合網絡的金屬板設置有兩個輸入端口、兩個輸出端口、四組匹配針，輸入端口和輸出端口分布在整體結構兩側，成三級階梯結構，用來與外部連接器或其他組件相連，耦合網絡端口的數量為四個，四組匹配針連接輸入端口和輸出端口及耦合網絡端口，以調節阻抗匹配。

進一步地，下層耦合網絡的四個耦合網絡端口中，端口一為輸入口，端口二為直通口，端口三為耦合口，端口四為隔離口；當端口一和端口四作為輸入端口，分別激活時；端口二和端口三為輸出端口，輸出等幅度相位差90度的電磁波。

進一步地，上蓋板及下層耦合網絡之間的空氣間隙，高度在十分之一至四分之一波長之間，精度要求低，可以提高整體元件穩定性。

進一步地，四組匹配針分別位于耦合網絡及輸入端口或輸出端口之間；高度低于周期性針結構，用來改變GAP波導的輸入/輸出阻抗，以達到阻抗匹配的目的。

進一步地，輸入端口和/或輸出端口為三級階梯結構，用來與其他器件或外部結構連接。

本發明采用上述技術解決方案所能達到的有益效果是：

1、本發明采用GAP波導技術，上層金屬蓋板及下層耦合網絡之間留有高度靈敏性低的空氣層，以達到無需金屬接觸的目的，提高穩定性。

2、上蓋板為金屬板，模擬理想電表面；下蓋板上分布周期性針結構，模擬理想磁表面，使電磁波被封閉在GAP波導中傳播，無漏波問題；元件整體為金屬結構，模擬傳統金屬波導，以實現低損耗。

附圖說明