CN101521314A

CN101521314A - 四种24.15GHz窄波束微带阵列天线

Info

Publication number: CN101521314A
Application number: CN200910081667A
Authority: CN
Inventors: 邹谋炎
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-04-08
Filing date: 2009-04-08
Publication date: 2009-09-02

Abstract

四种成功设计的24.15GHz窄波束微带阵列天线，可以用于公路安全管理用测速雷达系统和工作于24GHz频段的其他雷达和通信系统。采用了E面和H面双向并馈结构；各个辐射单元均匀放置在分支馈线之间的位置；辐射单元的馈线深入贴片内一定距离，并对辐射单元的馈线进行了弯折处理。采用了契贝雪夫加权的功率分配设计。辐射单元与馈线的匹配方面获得了更完善的进步。馈线在保证微波功率匹配馈送的前提下，尺寸更加合理。新设计降低了天线馈线产生的寄生辐射和其他寄生效应，能够明显改善天线波束形状和降低旁瓣电平，以及降低馈线损耗和提高天线的辐射效率。

Description

四种24.15GHz窄波束微带阵列天线

技术领域

本发明涉及电子信息和交通安全领域，提出四种成功设计的24.15GHz窄波束微带阵列天线。

技术背景

24.15GHz窄波束微带阵列天线有许多应用市场。典型的应用有：公路超速管理用雷达；公路卡口管理用雷达；闯红灯管理用雷达；汽车防撞和自主控制雷达；机车测速雷达；雷达物位计、液位计；以及其他若干民用和军用的雷达和通信系统。从近毫米波到毫米波，使用微带阵列天线具有一系列优点，如低价格、高性能、薄尺寸、易制作等等。虽然国外某些研究机构和公司示出了一些样例，但尚无完整的设计方法报导。在交通安全领域中，Siemens、Bosch、Deuta为代表的欧洲制造商和美国Wavetronix公司典型地采用串馈式微带阵列天线。这种天线容易实现单个E面窄波束，而实现双面窄波束或针状波束还缺乏实例。俄罗斯OLVIA公司采用4单元组合的设计，可以实现针状波束，但无完整的设计方法报导。本发明采用独立自主研发的设计方法，设计图样与这些厂商推出的天线不同，但所采用的方法很容易产生出符合应用需求的设计。在科技文献中报导的微带阵列天线样例，当微带贴片数目较多时，会出现天线上馈线损耗过大的问题，需要附加专门的微波馈电线路以减小损耗。本发明所述的4⁰×4.5⁰天线的贴片数达到524个，不需要附加的微波馈电线路，天线损耗仍然较低，可以直接用于低价雷达系统。按照所采用的方法能够做出更窄波束的天线设计，但本发明中提出的设计考虑了实际的典型应用需求，这对于控制天线价格和适合民用市场非常重要。由于微带阵列天线在相当大一类微波应用系统中占据技术核心的位置，本发明专利的目的在于提出四款成功设计的天线，它们可以覆盖相当宽领域的应用。

发明内容

本发明提出的天线是专门设计的微带阵列天线。选择了4种典型的天线特性，可以覆盖大多数的应用需求。用户可以实际的应用需求来选用这些天线。这4种天线分别具有以下特征：

(1)主要设计指标：—3dB波束宽度，H面5.5⁰，E面6⁰；—10dB波束宽度与—3dB波束宽度的比值≤3；最大旁瓣电平≤—15dB。

设计结果：—3dB波束宽度5.2⁰×5.9⁰，天线微波介质板的外廓尺寸166mm×148mm，金属图形的H面最大尺寸152±0.5是特征尺寸。辐射单元个数为284个。所述天线设计图样如图1所示。

(2)主要设计指标：—3dB波束宽度，H面4⁰，E面4.5⁰；—10dB波束宽度与—3dB波束宽度的比值≤3；最大旁瓣电平≤—15dB。

设计结果：—3dB波束宽度3.95⁰×4.35⁰，天线微波介质板的外廓尺寸212mm×196mm，金属图形的H面最大尺寸202.5±0.5是特征尺寸。辐射单元个数为524个。所述天线设计图样如图2所示。

(3)主要设计指标：—3dB波束宽度，H面4⁰，E面7⁰；—10dB波束宽度与—3dB波束宽度的比值≤3；最大旁瓣电平≤—15dB。

设计结果：—3dB波束宽度4⁰×6.88⁰，天线微波介质板的外廓尺寸216mm×132mm，金属图形的H面最大尺寸203±0.5是特征尺寸。辐射单元个数为332个。所述天线设计图样如图3所示。

(4)主要设计指标：—3dB波束宽度，H面4⁰，E面12.5⁰；—10dB波束宽度与—3dB波束宽度的比值≤3；最大旁瓣电平≤—15dB。

设计结果：—3dB波束宽度3.95⁰×12.2⁰，天线微波介质板的外廓尺寸216mm×151mm，金属图形的H面最大尺寸203±0.5是特征尺寸。辐射单元个数为190×2个。此天线由两个天线构成，两个天线中任何一个可单独使用，也可以合起来用于收发天线需要分离的场合，例如双向测速雷达。所述天线设计图样如图4所示。

(5)本发明中各个天线的辐射单元馈电具有特征。辐射单元与馈线的连接处不在辐射边上，而是往贴片内深入了一段距离，以减小辐射单元的输入阻抗。为了将辐射单元置于各个分支馈线之间的合理位置，同时保证单元馈线需要的尺寸，对馈线进行了弯折处理，如图5所示。

本发明中的微带阵列天线从总体上采用E面和H面双向并馈结构；各个辐射单元均匀放置在分支馈线之间的位置；辐射单元的馈线深入贴片内一定距离，并对馈线进行了弯折处理。本发明设计的天线中使用了契贝雪夫加权方法进行阵列上的功率分配设计，在保证足够低的天线辐射旁瓣条件下，能够获得最窄的主瓣宽度。同时，在辐射单元与馈线的匹配方面获得了更完善的进步。馈线在保证微波功率匹配馈送的前提下，尺寸更加合理。这些进步有利于降低天线馈线产生的寄生辐射，降低辐射单元之间以及辐射单元和馈线之间的寄生耦合，降低匹配不良造成的反射，提高天线的辐射效率。这些寄生效应的降低，最大的好处还在于能够明显地改善天线波束形状，使得在波束主瓣两侧快速下降，波束旁瓣电平更靠近理论计算预定的电平。这种天线如果用于交通安全管理测速雷达中，对于改善测速雷达对各种车辆定位的一致性，改善雷达对拥堵车辆的分辨性能，对克服邻车道车辆干扰等均有重要意义。

本发明提出的几种窄波束微带阵列天线可以覆盖相当宽的微波雷达应用市场。同时，本发明展示的天线设计图样体现了若干新的设计概念，具体表明了什么样的微带天线结构可以容易地实现针状波束，辐射单元如何放置，如何进行匹配连接等问题。这些结果对于推动微带阵列天线理论和设计技术的进步是有益的。这些天线在微波雷达和通信市场上的应用，将会取得的经济和社会效益应该是很积极的。

附图说明

图15.2⁰×5.9⁰天线图样，其中外廓尺寸166mm×148mm是介质板参考尺寸，金属图形的H面最大尺寸152±0.5是特征尺寸。

图23.95⁰×4.35⁰天线图样，其中外廓尺寸212mm×196mm是介质板参考尺寸，金属图形的H面最大尺寸202.5±0.5是特征尺寸。

图34⁰×6.88⁰天线图样，其中外廓尺寸216mm×132mm是介质板参考尺寸，金属图形的H面最大尺寸203±0.5是特征尺寸。

图43.950×12.20天线图样，其中外廓尺寸216mm×151mm是介质板参考尺寸，金属图形的H面最大尺寸203±0.5是特征尺寸。

图5微带天线贴片的馈线细节(局部示意图)

具体实施方式

几种窄波束微带阵列天线的设计考虑了实际的市场需求。其中5.5⁰×6⁰天线的提出来源于公路超速管理的应用需求，用来改进目前正在使用的60×70天线。5.5⁰×6⁰天线的尺寸扩张不大，但能够更好地满足单车道监测的要求。在公路卡口管理中要求雷达提供车辆处于监测区域内更准确的位置信息，对雷达天线的波束宽度提出了更窄的要求。类似的要求来源于闯红灯管理系统。综合这些要求，为了能够覆盖大多数应用目标，同时不至于过高地提高天线价格，将天线的波束宽度确定在4⁰×4.5⁰是合理的。在闯红灯管理系统中，对于有2个直行道的情况，这2个直行道可以共用一只雷达传感器，但要求雷达波束在纵向很窄。这样的雷达传感器可以使用波束宽度为4⁰×7⁰的天线。当雷达放置于路旁，用于对多个车道进行超速管理时，需要提供车辆运动的方向信息。目前德国Robot公司推出的测速雷达的波束宽度为5⁰×20⁰，在本发明中提出一种3.95⁰×12.2⁰的双天线，可以进一步提高测速照相系统的性能。

除上述应用外，本发明中提出的窄波束天线可以直接用于24GHz频段的微波测距系统、微波物位计和液位计、汽车前向防撞和自主控制雷达、机车测速雷达、以及工作于24GHz频段的微波通信系统，如宽带城域通信系统。此外，本发明给出的设计图样可以为其他微波频段的微带阵列天线设计提供参考。

本发明提出的设计都进行了仿真检验。为了保证应用要求的、优于—15dB的天线旁瓣电平，在设计中对理论计算的旁瓣电平给了一定的余量，选择为—20dB。考虑了降低工艺误差对设计的影响，特别限制了最小使用线宽和间距。考虑了理论计算模型的准确性，对紧要的阻抗计算进行了重新理论推导和更合理的近似。同时限制了最大的使用线宽，这有利于保证计算模型的准确性和减小寄生效应。设计计算在计算机上充分自动地进行，只需要人工提供几个可选参数。通过理论预示的天线方向图、波束宽度、旁瓣电平、最大和最小线宽的合理性，可以容易地判断是否已经达到设计目标，以及在未达到设计目标时该如何调整设计参数。设计结果是天线图样的结构参数。将这些参数组织到一个数据文件中。编写一个专用的LISP绘图程序，可以利用商用的绘图设计软件立即将数据文件转化为天线设计图样。本发明中提供的设计图样是按照所陈述的方法和步骤产生的。

Claims

1、四种24.15GHz窄波束微带阵列天线，其特征在于采用E面和H面双向并馈结构；各个辐射单元均匀放置在分支馈线之间的位置；辐射单元的馈线深入贴片内一定距离，并对辐射单元的馈线进行了弯折处理。

2、权利要求1所述的微带阵列天线中，外廓尺寸166mm×148mm的天线，其特征在于，金属图形的H面最大尺寸152mm±0.5mm，辐射单元个数为284个。

3、权利要求1所述的微带阵列天线中，外廓尺寸212mm×196mm的天线，其特征在于，金属图形的H面最大尺寸202.5mm±0.5mm，辐射单元个数为524个。

4、权利要求1所述的微带阵列天线中，外廓尺寸216mm×132mm的天线，其特征在于，金属图形的H面最大尺寸203mm±0.5mm，辐射单元个数为332个。

5、权利要求1所述的微带阵列天线中，外廓尺寸216mm×151mm的天线，其特征在于，金属图形的H面最大尺寸203mm±0.5mm，辐射单元个数为190×2个。此天线为双天线，可以拆成两个天线单独使用。