CN101640316A - 微带阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微带阵列天线，该微带阵列天线包括：介电基片，在该介电基片的背表面形成有导电的接地板；以及带状导体，其形成在所述介电基片的前表面上。所述带状导体包括成直线的主馈送带线和连接到所述主馈送带线的多个阵列元件，所述阵列元件沿着所述主馈送带线的纵向方向以预定间隔布置在所述主馈送带线的两侧中的至少一侧。所述阵列元件中的每一个包括连接到所述主馈送带线的副馈送带线、连接到所述副馈送带线的终端的矩形辐射天线元件和连接到所述副馈送带线的抽头。所述抽头布置在所述主馈送带线与所述辐射天线元件之间。

Description

微带阵列天线

技术领域

本发明涉及包括介电基片的微带阵列天线，该微带阵列天线可用作各种无线电波传感器如车载雷达的发射天线或接收天线。

背景技术

由在介电基片上形成的带状导体所构成的微带阵列天线由于其细小、低成本和高生产率等优点而被广泛地用作包括车载雷达如自适应巡航控制系统的各种无线电波传感器的发射/接收天线。

与此同时，由于微带线在高频具有大的传输损耗，所以一直存在一个问题，即微带线难以具体实现为在高频具有高增益的微带阵列天线。因此，建议使用串行馈送微带阵列天线代替因其设计简单而广泛使用的并行馈送微带阵列天线，尽管前者设计复杂。例如，参考日本专利申请公开第2001-44752号。

图20示出了如这个专利文件建议的串行馈送微带阵列天线100的例子。微带阵列天线100具有这样的结构，在所述结构中，带状导体形成在介电基片的前表面上，该介电基片在其背表面设置有导电的接地板。更详细地，如图20中所示，多个矩形辐射天线元件101、102、103、111、112、...凸出地以有规则的间距布置在直的馈送带线120的两侧。

布置在馈送带线120一侧边缘(图20中的上侧边缘)上的每个辐射天线元件101、102、103、...凸出地布置在与馈送带线120近似呈45度倾斜的位置。布置在馈送带线120另一侧边缘(图20中的下侧边缘)上的每个辐射天线元件111、112、...凸出地布置在与馈送带线120近似呈-135度倾斜的位置。

从馈送带线120的输入端(图20中的左端)馈送到馈送带线120的输入功率传播到终端(图20中的右端)，其间顺序地耦合到辐射天线元件101、102、103、111、112、...。因此，输入功率向着该终端逐渐减小。

为了使用这种串行馈送微带阵列天线达到所希望的方向性，不得不独立地设计每个辐射天线元件，因为串行馈送微带阵列天线由行波激发，所以各辐射天线元件的耦合因子彼此不同。辐射天线元件的耦合因子可以通过调节辐射天线元件的元件宽度来控制。

例如，当所有辐射天线元件形成为具有相同形状和大小以便它们具有相同耦合因子时，从天线辐射的功率向着终端减小，因为从输入端输入的输入功率向着终端减小。

如果如图20中所示的微带阵列天线100的情况那样，比较靠近输入端的辐射天线元件具有较小的元件宽度从而具有较小的辐射因子，而比较靠近终端的辐射天线元件具有较大的元件宽度从而具有较大的辐射因子，那么就有可能使所有辐射天线元件具有相同的辐射因子。

如上面示例的那样，传统的串行馈送微带阵列天线配置成每个辐射天线元件具有可调节的元件宽度，从而得到所希望的耦合因子。

然而，由于这种结构的每个辐射天线元件的耦合因子的可调节范围比较窄，所以一直存在一个问题，即在一些情况下不能达到所希望的天线特性(例如所希望的方向性)。

另外，当增大元件宽度以实现大的耦合因子时，由于在每个辐射天线元件中沿着其横向流动的高频电流增大，所以在横跨主极化波发射方向(辐射天线元件的纵向方向)的方向上发射的无线电波增大。这造成一个问题，即在交叉方向上发射的极化波的辐射水平增大。

进而，由于每个辐射天线元件直接连接到馈送带线，所以难以对每个辐射天线元件实现阻尼匹配，因此难以使每个辐射天线元件显示出所希望的反射特性。

发明内容

本发明提供一种微带阵列天线，包括：

介电基片，在该介电基片的背表面形成有导电的接地板；以及

带状导体，其形成在所述介电基片的前表面上；

所述带状导体包括成直线的主馈送带线和连接到所述主馈送带线的多个阵列元件，所述阵列元件沿着所述主馈送带线的纵向方向以预定间隔布置在所述主馈送带线的两侧中的至少一侧，

所述阵列元件中的每一个包括连接到所述主馈送带线的副馈送带线、连接到所述副馈送带线的终端的矩形辐射天线元件和连接到所述副馈送带线的抽头(stub)，

所述抽头布置在所述主馈送带线与所述副馈送带线之间的连接位置和所述副馈送带线与所述辐射天线元件之间的连接位置之间。

本发明还提供一种微带阵列天线，包括：

介电基片，在该介电基片的背表面形成有导电的接地板；以及

带状导体，其形成在所述介电基片的前表面上；

所述带状导体包括成直线的主馈送带线以及布置在所述主馈送带线的两侧中的每一侧的至少一个阵列元件，所述阵列元件连接到所述主馈送带线，

所述阵列元件包括连接到所述主馈送带线的副馈送带线、连接到所述副馈送带线的终端的矩形辐射天线元件以及连接到所述副馈送带线的抽头，

所述抽头布置在所述主馈送带线与所述副馈送带线之间的连接位置和所述副馈送带线与所述辐射天线元件之间的连接位置之间。

根据本发明，提供了一种微带阵列天线，其中不希望的交叉极化分量被抑制，并且反射被减小，以在其每个阵列元件处实现所希望的耦合因子。

从包括附图和权利要求的以下描述中，本发明的其它优点和特征将会变得明显。

附图说明

在附图中：

图1A是根据本发明的第一实施例的微带阵列天线的平面图；

图1B是沿图1A中的X-X线截取的微带阵列天线的截面图；

图2是示出根据本发明第一实施例的构成微带阵列天线的阵列元件之一的详细结构的平面图；

图3是示出与传统的微带阵列天线的辐射天线元件的耦合因子对照区别的第一实施例的阵列元件的耦合因子的曲线图；

图4是示出与传统的微带阵列天线的辐射天线元件的极化特性对照区别的第一实施例的微带阵列天线阵列元件的极化特性的曲线图；

图5是示出与传统的微带阵列天线的辐射天线元件的反射/透射特性对照区别的第一实施例的阵列元件的反射/透射特性的曲线图；

图6是示出与传统的微带阵列天线的水平方向性对照区别的第一实施例的微带阵列天线的水平方向性的曲线图；

图7是示出当辐射天线元件的长度变化时第一实施例的微带阵列天线的阵列元件的反射特性的变化的曲线图；

图8是示出当抽头的长度变化时第一实施例的微带阵列天线的阵列元件的反射特性的变化的曲线图；

图9是示出当抽头的长度变化时第一实施例的微带阵列天线的阵列元件的反射特性的变化的曲线图，其中辐射天线元件的场发射边缘线与抽头的场发射边缘线是同一个直线；

图10是示出当抽头的长度变化时第一实施例的微带阵列天线的阵列元件的透射特性的变化的曲线图，其中辐射天线元件的场发射边缘线与抽头的场发射边缘线是同一个直线；

图11是示出根据本发明第二实施例的微带阵列天线结构的平面图；

图12是示出根据本发明第二实施例的构成微带阵列天线的阵列元件之一的详细结构的平面图；

图13是示出第二实施例的微带阵列天线的阵列元件的反射特性和透射特性的曲线图；

图14是示出当辐射天线元件的长度变化时第二实施例的微带阵列天线的阵列元件的反射特性的变化的曲线图；

图15是示出当抽头的长度变化时第二实施例的微带阵列天线的阵列元件的反射特性的变化的曲线图；

图16是示出当辐射天线元件和抽头之间的间隔变化时第二实施例的微带阵列天线的阵列元件的反射特性的变化的曲线图；

图17是示出根据本发明实施例的修改的微带阵列天线的结构的平面图；

图18A是示出作为对本发明第一和第二实施例的修改的其中只有一个阵列元件连接到其主馈送带线一侧边缘的微带阵列天线结构的平面图；

图18B是示出作为对本发明第一和第二实施例的修改的其中一个阵列元件连接到其主馈送带线每一侧边缘的微带阵列天线结构的平面图；

图19是示出图18A和18B中所示的天线的水平方向性的曲线图；以及

图20是示出传统的串行馈送微带阵列天线的示图。

具体实施方式

第一实施例

图1A是根据本发明第一实施例的微带阵列天线1的平面图。图1B是沿图1A中的X-X线截取的微带阵列天线1的截面图。

微带阵列天线1包括形成在介电基片2的前表面上的带状导体，该介电基片2在其背表面形成有导电的接地板3。如图1A中所示，介电基片2的前表面上的带状导体包括成直线地布置的主馈送带线4和连接到主馈送带线4的任一侧边缘的多个阵列元件A1a、A1b、A1c、A2a、A2b和A2c。

更详细地，阵列元件A1a、A1b和A1c以其间的预定间隔连接到第一侧边缘4a(主馈送带线4的两个侧边缘之一)。这个预定间隔等于以工作频率(在本实施例中为76.5GHz)传过带状导体的无线电波的波长λg。下文中这个波长被称作波导波长。其它阵列元件A2a、A2b和A2c以其间的等于波导波长λg的预定间隔连接到第二侧边缘4b(主馈送带线4的两个侧边缘中的另一个)。

阵列元件A1a、A1b和A1c以及阵列元件A2a、A2b和A2c在它们的位置方面在主馈送带线4的纵向方向上移位约λg/2。

作为连接到主馈送带线4第一侧边缘4a的阵列元件中最靠近输入端的阵列元件的阵列元件A1a包括连接到主馈送带线4的副馈送带线12a、连接到副馈送带线12a终端的矩形辐射天线元件11a以及连接到副馈送带线12a的预定中间位置的抽头13a。

同样地，作为连接到主馈送带线4第一侧边缘4a的阵列元件中第二靠近输入端的阵列元件的阵列元件A1b包括副馈送带线12b、矩形辐射天线元件11b以及抽头13b。作为连接到主馈送带线4第一侧边缘4a的阵列元件中第三靠近输入端的阵列元件的阵列元件A1c包括副馈送带线12c、矩形辐射天线元件11c以及抽头13c。作为连接到主馈送带线4第二侧边缘4b的阵列元件中最靠近输入端的阵列元件的阵列元件A2a包括副馈送带线22a、矩形辐射天线元件21a以及抽头23a。作为连接到主馈送带线4第二侧边缘4b的阵列元件中第二靠近输入端的阵列元件的阵列元件A2b包括副馈送带线22b、矩形辐射天线元件21b以及抽头23b。作为连接到主馈送带线4第二侧边缘4b的阵列元件中第三靠近输入端的阵列元件的阵列元件A2c包括副馈送带线22c、矩形辐射天线元件21c以及抽头23c。

从输入端(图1中的左端)馈送给主馈送带线4的输入功率依次部分地耦合到阵列元件A1a、A1b、A1c、A2a、A2b和A2c，以从每个元件发射出去，剩余的功率传向终端(图1中的右端)。因此，传输通过主馈送带线4的功率向着终端逐渐减小。

匹配终端元件5设置在主馈送带线4的终端中以吸收剩余功率。然而，为了从微带阵列天线1有效地辐射功率，该终端可以设置有辐射天线元件而不是匹配终端元件5。

下一步说明阵列元件的结构。由于阵列元件A1a、A1b、A1c、A2a、A2b和A2c具有相同的形状和大小，所以这里只参考图2说明连接到主馈送带线4第一侧边缘4a的阵列元件中最靠近输入端的阵列元件A1a。

如图2中所示，阵列元件A1a的副馈送带线12a呈L形，从而包括弯曲成大约90度角的部分。更详细地，副馈送带线12a包括：长度为Lk的第一线段，其从主馈送带线4第一侧边缘4a以相对于主馈送带线4的纵向线约45度的角度延伸；以及第二线段，其从第一线段前端以相对于第一线段的纵向方向约90度的角度延伸。

副馈送带线12a设置有长度为Ls的抽头13a，该抽头13a从副馈送带线12a的弯曲部分以相对于主馈送带线4的纵向方向约45度的角度延伸。抽头13a形成为在与第一线段的纵向方向相同的方向上从副馈送带线12a的第一线段延伸。因此，可以认为第一线段和抽头13a构成直的带线。

副馈送带线12a的终端(第二线段的末端部分)与辐射天线元件11a连接。辐射天线元件11a的长度Le约等于波导波长的一半(λg/2)。

辐射天线元件11a形成为矩形，其长度Le小于其宽度We。副馈送带线12a连接到辐射天线元件11a的较长侧边缘上的馈送点14a。这个馈送点14a被设定在辐射天线元件11a的较长侧的中心部分和一个末端部分之间的预定位置。

总体上，矩形辐射天线元件11a在其较长侧边缘的阻抗低于在其较短侧的阻抗。在较长侧边缘中，阻抗在其中心部分基本上为零，而阻抗在其末端部分高。因此，馈送点14a被设定在辐射天线元件11a的较长侧边缘的中心部分和一个末端部分之间的位置，并且副馈送带线12a连接到这个馈送点14a，从而可以容易地实现阻抗匹配。例如，当副馈送带线12a的特征阻抗为50Ω时，副馈送带线12a连接到作为馈送点14a的其中阻抗为50Ω的辐射天线元件11a的较长侧的点。

辐射天线元件11a布置成使其纵向方向与抽头13a的纵向方向平行。亦即，辐射天线元件11a和抽头13a中的每一个的纵向方向与主馈送带线4的纵向方向成大约45度角。

由于阵列元件A1a具有其中抽头13a连接到副馈送带线12a的弯曲部分的结构，所以电流流过这个抽头13a，造成无线电波也要从抽头13a辐射。尽管与从辐射天线元件11a的辐射相比，从抽头13a的辐射很微小，但它是不必要的辐射，是原本不希望的，因为它影响了从辐射天线元件11a的辐射。

然而，如果从抽头13a辐射的电场的方向与从辐射天线元件11a辐射的电场的方向相同，则可以有效地利用从抽头13a的辐射。

因此，在本实施例中，辐射天线元件11a和抽头13a彼此平行放置。在这种情况下，由于分别流过抽头13a和辐射天线元件11a的电流彼此平行，所以分别由辐射天线元件11a和抽头13a辐射的电场的方向彼此相同。因此，抽头13a不仅能用于阻抗匹配，而且还能用作辐射天线元件。

阵列元件A1a具有这样的配置，在所述配置中，作为场发射边缘线110a的辐射天线元件11a的轮廓边缘之一与抽头13a的场发射边缘线130a处在同一直线上。

如上文说明的那样，由于辐射天线元件11a和抽头13a布置成使得它们的纵向方向相对于主馈送带线4的纵向方向呈大约45度角倾斜，因此它们二者的场发射边缘线110a和130a相对于主馈送带线4的纵向方向呈大约-135度角倾斜。

在本实施例中，辐射天线元件11a不是直接连接到主馈送带线4，而是通过由副馈送带线12a和抽头13a构成的匹配带线连接到主馈送带线4。这使得可以实现阻抗匹配以减小反射，因为副馈送带线12a与辐射天线元件11a的连接位置以及抽头13a的长度、形状和连接位置都可以任意确定。

另外，提供匹配带线使得能够控制主馈送带线4和阵列元件A1a之间的耦合因子，其在某种程度上是相等的，因为例如可以任意确定抽头13a的大小。

这里，耦合因子是指示通过主馈送带线传输的输入功率中有多大部分被提供给该阵列元件的因子。亦即，耦合因子＝(输入功率-输入功率的透射量-输入功率的反射量)/输入功率。因此，在阵列元件处的辐射量等于辐射功率和进入到阵列元件中的入射功率之间的比率。因此，通过控制耦合因子，可以控制辐射因子。

如图2中所示，在设计阵列元件A1a时要确定的尺寸参数包括辐射天线元件11a的长度Le和宽度We、抽头13a的长度Ls和宽度Ws、副馈送带线12a第一段的长度Lk和第二段的宽度Wk、辐射天线元件11a和抽头13a之间在它们的宽度方向上的间隔Ps、整个阵列元件A1a的元件宽度W(＝We+Ws+Ps)以及辐射天线元件11a在纵向方向上的中心点15a和馈送点14a之间的距离d。通过适当确定这些尺寸参数，可以得到具有所希望的耦合因子、阻抗、反射因子和辐射因子的阵列元件。

连接到主馈送带线4第一侧边缘4a的其他阵列元件A1b和A1c具有与图2所示的阵列元件A1a相同的结构。同样，连接到主馈送带线4第二侧边缘4b的阵列元件A2a、A2b和A2c有与图2所示的阵列元件A1a相同的结构。然而，阵列元件A2a、A2b和A2c与主馈送带线4的连接角与A1a、A1b和A1c的连接角不同。亦即，阵列元件A2a、A2b和A2c形成为使得它们的副馈送带线22a、22b和22c相对于主馈送带线4倾斜约-135度的角。

换言之，阵列元件A2a、A2b及A2c的辐射天线元件21a、21b及21c的纵向方向与抽头23a、23b及23c的纵向方向全都相对于主馈送带线4的纵向方向倾斜约-135度的角。

因此，在本实施例的微带阵列天线1中，阵列元件A1a、A1b、A1c、A2a、A2b和A2c的连接到主馈送带线4第一侧边缘4a或第二侧边缘4b的辐射天线元件11a、11b、11c、21a、21b和21c以及抽头13a、13b、13c、23a、23b和23c的纵向方向彼此平行。

进而，在本实施例的微带阵列天线1中，连接到主馈送带线4第一侧边缘4a的阵列元件A1a、A1b、A1c的辐射天线元件11a、11b和11c并不具有相同的宽度。比较靠近输入端的辐射天线元件具有较小的宽度We。因此，最靠近输入端的辐射天线元件11a具有最小的宽度We，而最靠近终端的辐射天线元件11c则具有最大的宽度We。

上述也适用于连接到主馈送带线4第二侧边缘4b的阵列元件A2a、A2b和A2c的辐射天线元件21a、21b和21c。

辐射天线元件的宽度取决于它们到主馈送带线4的连接位置而改变的原因是要使阵列元件A1a、A1b、A1c、A2a、A2b和A2c的辐射因子彼此相同。

由于通过主馈送带线4传输的输入功率在比较靠近输入端的位置较大，所以为了使阵列元件A1a、A1b、A1c、A2a、A2b和A2c的辐射因子彼此相同，比较靠近输入端的辐射天线元件不得不具有较小的宽度We，以使其耦合因子较小。另一方面，比较远离输入端的辐射天线元件不得不具有较大的宽度We，以使其耦合因子较大。

尽管在本实施例中辐射天线元件的宽度被确定以便使阵列元件A1a、A1b、A1c、A2a、A2b和A2c的辐射因子彼此相同，但是它们可以取决于微带阵列天线1所需的规范和特性而被确定。

这是因为在每个辐射天线元件处要达到的激励振幅应该取决于微带阵列天线1所需的方向性特性而被确定，并且每个辐射天线元件的宽度We被确定以实现所确定的激励振幅。

下一步将参考图3至图5说明与图20中所示的传统微带阵列天线100的辐射天线元件的特性对照区别的图2中所示的阵列元件A1a的各种特性。图3是示出它们的耦合特性的曲线图，图4是示出它们的极化特性的曲线图，而图5则是示出它们的反射/透射特性的曲线图。在图3至图5中，术语“本发明结构”是指如图2中所示的阵列元件A1a连接到主馈送带线4的结构，而术语“传统结构”则是指如图20所示的矩形辐射天线元件直接连接到主馈送带线4的结构。

首先参考图3说明本发明结构和传统结构的耦合特性。在图3中，水平轴代表整个阵列元件的元件宽度W(mm)。如在图3中所见，与传统结构相比，本发明结构实现了大的耦合因子。例如，当元件宽度W为1mm时，传统结构显示出耦合因子为25.54％，而本发明结构显示出的耦合因子为34.5％。

在传统结构中，为实现耦合因子大于30％，元件宽度必须大于1mm。随着元件宽度增大，除了在辐射天线元件的纵向方向上流过的电流(交叉极化分量)之外，在与辐射天线元件的纵向方向交叉的方向上流过的电流(主极化分量)增大，因此交叉极化波的辐射水平提高。所以，当考虑交叉极化波的影响时，传统结构的耦合因子被局限在20％的量级。因此难以提供耦合因子大于30％的辐射天线元件。

另一方面，在本发明结构中，例如，为了实现30％的耦合因子，元件宽度只需大于0.7mm。根据本发明结构，可以实现足够大的耦合因子而不会显著增大交叉极化波的辐射水平。

下一步参考图4说明本发明结构和传统结构的极化特性。图4示出了当元件宽度为1mm时本发明结构和传统结构对于主极化波和交叉极化波中的每一个的方向性(相对振幅)比较。在图4中，水平轴代表相对于主极化波方向的水平平面角。

如在图4中所见，对于主极化波，本发明结构和传统结构显示出相同的特性。另一方面，与传统结构相比，本发明结构中交叉极化波的水平总体上被充分减小。特别地，在本发明结构中，在0度(主射束方向)的交叉极化波的水平被显著地减小。

原因在于在本发明结构中的辐射天线元件宽度We可以被做得比传统结构中的小，因此，除了沿主极化分量方向流过的电流外，其他电流分量可以被做得比在传统结构中小。因此，根据本发明结构，交叉极化波的水平可以被显著降低，使得辐射天线元件的宽度We比传统结构中的小，而同时对主极化波实现了与传统结构相同的特性。

下一步参考图5说明本发明结构和传统结构的反射和透射特性。图5示出了当元件宽度为1mm时本发明结构和传统结构之间对于主极化波和交叉极化波中的每一个的反射特性(反射系数：S11)和透射特性(透射系数：S21)的比较。

如在图5中所见，总体上，在透射系数S21方面，本发明结构优于传统结构。这意味着本发明结构具有较少损耗，所以其效率比传统结构高。

另一方面，在工作频率76.5GHz处，本发明结构中的反射系数S11的下降比在传统结构中要深得多。在该工作频率处，在传统结构中反射系数S11下降到-16.1dB，而在本发明结构中它下降到低至-50.4dB。

这是因为在传统结构中辐射天线元件直接与主馈送带线连接，而在本发明结构中辐射天线元件通过匹配带线与主馈送带线连接。通过匹配带线连接辐射天线元件和主馈送带线使得容易实现阻抗匹配以减小反射。

下一步参考图6说明与图20中所示的传统微带阵列天线100的水平方向性对照区别的图1中所示的微带阵列天线1的水平方向性(相对振幅)。在图6中，术语“本发明结构的阵列天线1”是指图1中所示的微带阵列天线1，并且术语“传统结构的阵列天线100”是指图20中所示的微带阵列天线100。

如在图6中所见，在0度角处的主瓣水平，本发明结构的微带阵列天线1显示出与传统结构的微带阵列天线100基本相同的特性，然而，在本发明结构的微带阵列天线1中，侧瓣水平被大大降低。

这是因为构成微带阵列天线1的阵列元件A1a、A1b、A1c、A2a、A2b和A2c能被精确地设计和制造以实现所希望的特性。由于耦合因子能被精确控制，同时实现阻抗匹配和抑制交叉极化分量，所以微带阵列天线1可以实现高性能和高方向性。

下一步将参考图7和图8说明阵列元件A1a、A1b、A1c、A2a、A2b和A2c的尺寸参数与微带阵列天线1的特性之间的一些关系。图7是示出当辐射天线元件11a的长度(下文中简称“元件长度Le”)变化时反射特性(反射系数S11)的变化的曲线图。图8是示出当抽头13a的长度(下文中简称“抽头长度Ls”)变化时反射特性(反射系数S11)的变化的曲线图。

如图7中所示，当元件长度Le变化时，反射系数S11的特性曲线沿频率方向移动，亦即谐振频率被移动。在本实施例中，由于工作频率是76.5GHz，所以元件长度Le被设定为1.28mm。如果元件长度Le增大，则谐振频率向较高一侧移动，如果Le减小，则谐振频率向较低一侧移动。

另一方面，当抽头长度Ls变化时，谐振频率和反射系数S11水平二者都发生变化。在本实施例中，由于工作频率是76.5GHz，所以抽头长度Ls被设定为0.67mm。如果抽头长度Ls增大，则谐振频率向较低一侧移动，而反射系数S11总体上增大；如果Ls减小，则谐振频率向较高一侧移动，而反射系数S11总体上增大。

下一步将参考图9和图10说明辐射天线元件的场发射边缘线与抽头的场发射边缘线之间的关系以及抽头长度Ls与辐射天线元件特性之间的关系(特别地，阵列元件A1a特性的变化取决于抽头13a的场发射边缘线与辐射天线元件11a的场发射边缘线之间的关系)。

如上所述，阵列元件A1a的特性取决于发射天线元件11a的元件长度Le和抽头13a的抽头长度Ls而变化。如下文中说明的那样，当发射天线元件11a的场发射边缘线110a和抽头13a的场发射边缘线130a在同一直线上时，阵列元件A1a的特性如耦合因子和反射特性变得有利。

图9和图10分别是示出当抽头长度Ls变化时阵列元件A1a的反射特性和透射特性的变化的曲线图，其中发射天线元件11a的场发射边缘线110a和抽头13a的场发射边缘线130a在同一直线上。在图9和图10中，术语“抽头长度Ls最佳值”是指当发射天线元件11a的场发射边缘线110a和抽头13a的场发射边缘线130a在同一直线上时的抽头长度Ls。

如在图9中所见，当抽头长度Ls为最佳值时，在工作频率处发生谐振，并且反射系数S11变为最小。当抽头长度Ls从这个最佳值增大时，谐振频率向较低一侧移动，并且反射系数S11总体上增大。当抽头长度Ls从这个最佳值减小时，谐振频率向较高一侧移动，并且反射系数S11总体上增大。

另一方面，如在图10中所见，虽然在低于工作频率的频段中透射特性(透射系数S21)有某种程度的变化，但在工作频率周围它只有一点点变化。

上述第一实施例提供了以下好处。微带阵列天线1具有这样的结构，在所述结构中，每个辐射天线元件不是直接连接到主馈送带线4，而是通过匹配带线连接到主馈送带线4。因此，容易实现阻抗匹配以减小每个阵列元件A1a、A1b、A1c、A2a、A2b和A2c的反射因子。

提供匹配带线使得能够通过在某种程度上调节辐射天线元件11a、11b、11c、21a、21b和21c的元件长度We和匹配带线的尺寸(主要是抽头长度Ls)来控制每个阵列元件A1a、A1b、A1c、A2a、A2b和A2c的耦合因子。这使得能够在不增大元件宽度We的情况下通过适当设计匹配带线使每个阵列元件具有大的耦合因子。这意味着能够实现所希望的耦合因子而同时抑制来自阵列元件A1a、A1b、A1c、A2a、A2b和A2c的不希望的交叉极化分量，并降低在这些阵列元件中的每一个阵列元件处的反射。因此，本实施例的微带阵列天线1可以具有所希望的方向性和高效率。

在本实施例中，每个阵列元件A1a、A1b、A1c、A2a、A2b和A2c在其矩形辐射天线元件的较长一侧的中心和末端之间的预定位置处与副馈送带线连接。这使得能够容易地实现阻抗匹配。

在本实施例中，每个阵列元件A1a、A1b、A1c、A2a、A2b和A2c形成为使得辐射天线元件平行于抽头的纵向方向，从而使辐射天线元件辐射的电场的方向与抽头辐射的电场的方向重合。因此，在本实施例中，由于来自抽头的辐射分量(传统上它是不希望的分量)能被有效地与来自辐射天线元件的主极化分量一起使用，因此整个阵列元件的辐射效率可以得到改善。

在本实施例中，由于构成微带阵列天线1的阵列元件A1a、A1b、A1c、A2a、A2b和A2c配置成使得辐射天线元件11a、11b、11c、21a、21b和21c以及抽头13a、13b、13c、23a、23b和23c的纵向方向全都平行，因此微带阵列天线1具有高辐射能力和高接收灵敏度。

进而，由于辐射天线元件11a、11b、11c、21a、21b和21c以及抽头13a、13b、13c、23a、23b和23c全都相对于主馈送带线4的纵向方向呈大约45度(或大约-135度)角，从而可以使微带阵列天线1具有倾斜约45度(或约-135度)的极化平面。

第二实施例

下一步将参考图11描述根据本发明第二实施例的微带阵列天线30。

根据本发明第二实施例的微带阵列天线30具有这样的结构，在所述结构中，阵列元件A3a、A3b、A3c、A4a、A4b和A4c连接到主馈送带线4的任一侧边缘。连接到主馈送带线4的阵列元件数量以及连接间隔与第一实施例的情况相同。

作为连接到主馈送带线4第一侧边缘4a的阵列元件中最靠近输入端的阵列元件的阵列元件A3a包括连接到主馈送带线4的副馈送带线32a、连接到副馈送带线32a终端的矩形辐射天线元件31a以及连接到副馈送带线32a的预定中间部分的抽头33a。

同样地，作为连接到主馈送带线4第一侧边缘4a的阵列元件中第二靠近输入端的阵列元件的阵列元件A3b包括副馈送带线32b、矩形辐射天线元件31b以及抽头33b。作为连接到主馈送带线4第一侧边缘4a的阵列元件中第三靠近输入端的阵列元件的阵列元件A3c包括副馈送带线32c、矩形辐射天线元件31c以及抽头33c。作为连接到主馈送带线4第二侧边缘4b的阵列元件中最靠近输入端的阵列元件的阵列元件A4a包括副馈送带线42a、矩形辐射天线元件41a以及抽头43a。作为连接到主馈送带线4第二侧边缘4b的阵列元件中第二靠近输入端的阵列元件的阵列元件A4b包括副馈送带线42b、矩形辐射天线元件41b以及抽头43b。作为连接到主馈送带线4第二侧边缘4b的阵列元件中第三靠近输入端的阵列元件的阵列元件A4c包括副馈送带线42c、矩形辐射天线元件41c以及抽头43c。

下一步说明阵列元件的结构。由于阵列元件A3a、A3b、A3c、A4a、A4b和A4c具有相同的形状，所以只参考图12说明连接到主馈送带线4第一侧边缘4a的阵列元件中最靠近输入端的阵列元件A3a。

如图12中所示，阵列元件A3a包括从主馈送带线4以相对于主馈送带线4的纵向方向约90度的角延伸的直的副馈送带线32a、连接到副馈送带线32a终端的矩形辐射天线元件31a(元件长度等于λg/2)以及从副馈送带线32a的预定位置以相对于副馈送带线32a的纵向方向约90度并平行于主馈送带线4的方向延伸的抽头33a。

辐射天线元件31a形成为矩形，其长度Le小于其宽度We。副馈送带线32a连接到辐射天线元件31a的较长侧上的馈送点34a。这个馈送点34a被设定在辐射天线元件31a的较长侧的中心部分和一个末端部分之间的预定位置。

辐射天线元件31a布置成使得它的纵向方向平行于抽头33a的纵向方向。亦即，辐射天线元件31a和抽头33a二者的纵向方向平行于主馈送带线4的纵向方向。因此，如在第一实施例中的情况那样，来自抽头33a的辐射可以用作有效的辐射分量。

而且，与第一实施例类似，阵列元件A3a配置成使得作为场发射边缘线310a的辐射天线元件31a的轮廓边缘之一与抽头33a的场发射边缘线330a处在同一直线上。

图13是示出当阵列元件A3a的尺寸参数设计适当时(例如当元件宽度W为1mm时)本实施例的微带阵列天线30的反射特性S11和透射特性S21的曲线图。

与图5中所示的第一实施例的阵列元件特性相比，虽然反射系数S11的极小值是-31.7dB，略低于第一实施例中的值，但与传统结构相比，它显示出极好的反射特性。至于透射特性，第二实施例等效于第一实施例。

连接到主馈送带线4第一侧边缘4a的其他阵列元件A3b和A3c以及连接到主馈送带线4第二侧边缘4b的阵列元件A4a、A4b和A4c与图12中所示的阵列元件A3a具有相同的结构。

亦即，构成微带阵列天线30的阵列元件A3a、A3b、A3c、A4a、A4b和A4c配置成使得辐射天线元件31a、31b、31c、41a、41b和41c以及抽头33a、33b、33c、43a、43b和43c的纵向方向全都彼此平行。

下一步将参考图14至图16说明阵列元件A3a、A3b、A3c、A4a、A4b和A4c的尺寸参数与微带阵列天线30的特性之间的一些关系。图14是示出当图12所示的辐射天线元件31a的长度Le变化时反射特性(反射系数S11)的变化的曲线图。图15是示出当抽头33a的长度Ls变化时反射特性(反射系数S11)的变化的曲线图。图16是示出当辐射天线元件31a和抽头33a之间的间隔Pe变化时反射特性(反射系数S11)的变化的曲线图。

如图14中所示，当元件长度Le变化时，谐振频频和反射系数S11都发生变化。在本实施例中，由于工作频率是76.5GHz，所以元件长度Le的最佳值为1.29mm。当元件长度Le从这个最佳值减小时，谐振频率向较低一侧移动，而在谐振频率处的反射系数S11增大。然而，当元件长度Le从这个最佳值增大时，反射系数S11在谐振频率处减小，而谐振频率向较高一侧移动。

另一方面，如图15所示，当抽头长度Ls变化时，谐振频率和反射系数S11二者都发生变化。在本实施例中，工作频率是76.5GHz，抽头长度Ls的最佳值是0.73mm。当抽头长度Ls从这个最佳值减小时，谐振频率向较高一侧移动，并且反射系数S11总体上增大。然而，当抽头长度Ls从这个最佳值增大时，反射系数S11在谐振频率处减小，而谐振频率向较低一侧移动。

如图16中所示，当辐射天线元件31a和抽头33a之间的间隔Pe变化时，虽然谐振频率几乎未变，但反射系数S11的最小值改变。在本实施例中，如在图16中所见，间隔Ps的最佳值是0.1mm，以这一间隔值，反射系数S11b变为最小。

上述第二实施例提供了以下好处。微带阵列天线30具有这样的结构，在所述结构中，每个辐射天线元件不是直接连接到主馈送带线4，而是通过匹配带线连接到主馈送带线4。因此，可以容易地实现阻抗匹配以减小每个阵列元件A3a、A3b、A3c、A4a、A4b和A4c的反射因子。

提供匹配带线使得能够通过在某种程度上调节元件长度Le和匹配带线的尺寸(主要是抽头长度Ls)来控制每个阵列元件的耦合因子。这使得能够在不增大元件宽度We的情况下通过适当地设计匹配带线使每个阵列元件具有大的耦合因子。这意味着能够实现所希望的耦合因子而同时抑制不希望的交叉极化分量，并降低从这些阵列元件中的每一个阵列元件的反射。

同样在本实施例中，每个阵列元件A3a、A3b、A3c、A4a、A4b和A4c形成为使得辐射天线元件的纵向方向平行于抽头的纵向方向，从而使辐射天线元件辐射的电场的方向与抽头辐射的电场的方向重合。因此，同样在本实施例中，由于来自抽头的辐射分量(传统上它是不希望的分量)可以被有效地与来自辐射天线元件的主极化分量一起使用，因此整个阵列元件的辐射效率可以得到改善。

其它实施例

如下所述，当然可以对上述实施例进行各种修改。

虽然借助分别具有如图1和图11所示的结构的第一和第二实施例描述了本发明，但是本发明的微带阵列天线可以具有任何结构，只要它包括与阵列元件连接的主馈送带线4，所述阵列元件中的每一个包括连接到主馈送带线4的副馈送带线、连接到副馈送带线的矩形辐射天线元件以及连接到副馈送带线的抽头。

例如，本发明还提供如图17中所示的微带阵列天线50。如该图中所示，微带阵列天线50具有这样的结构，在所述结构中，主馈送带线4在其任一侧边缘与阵列元件A5a、A5b、A5c、A6a、A6b以及A6c连接。连接到主馈送带线4的阵列元件的数量和连接间隔与第一实施例相同。由于阵列元件A5a、A5b、A5c、A6a、A6b以及A6c具有基本相同的形状，所以这里只说明阵列元件A5a，该阵列元件A5a是连接到主馈送带线4第一侧边缘4a的阵列元件当中最靠近输入端的一个。

阵列元件A5a包括从主馈送带线4以相对于主馈送带线4的纵向方向约90度角延伸的L形副馈送带线52a、元件宽度Ls等于λg/2并且连接到副馈送带线52a的终端的矩形辐射天线元件51a以及从副馈送带线52a的弯曲部分在与主馈送带线4的纵向方向交叉的方向上延伸的抽头53a。辐射天线元件51a和抽头53a的纵向方向彼此平行。

具有如图17所示的结构的微带阵列天线50同样能够抑制不希望的交叉极化分量并降低来自每个阵列元件的反射，如同第一和第二实施例那样。

上述实施例的微带阵列天线具有这样的结构，在所述结构中，主馈送带线4在其两个侧边缘与阵列元件连接。然而，主馈送带线4可以只在第一侧边缘4a和第二侧边缘4b中之一与阵列元件连接，如图18A中所示。

进而，主馈送带线4可以在其每一个侧边缘只与一个阵列元件连接，如图18B中所示。当主馈送带线4在其两个侧边缘与阵列元件连接时，连接到主馈送带线4一个侧边缘的阵列元件的数量可以与连接到主馈送带线4另一侧边缘的阵列元件的数量相同或不同。

连接到主馈送带线4每一侧边缘的阵列元件的数量取决于所希望的方向性等等而被确定。然而，应当注意的是，为了实现高方向性，优选的是主馈送带线4不是仅在其一个侧边缘而是在其两个侧边缘与阵列元件连接，如下文中参考图18和图19说明的那样。

图18A示出了单元件天线70，该单元件天线70具有这样的结构，在所述结构中，主馈送带线4只在其一个侧边缘与一个阵列元件连接。图18B示出了双元件阵列天线80，该双元件阵列天线80具有这样的结构，在所述结构中，主馈送带线4在其两个侧边缘中的每一个侧边缘只与一个阵列元件连接。

图19是示出天线70和80的水平方向性的曲线图。如图19中所示，虽然天线70和80在主射束方向上的相对振幅(在0度处的振幅)相同，但在方向性方面，天线80优于天线70。如在上面示例的那样，为实现高方向性，优选的是主馈送带线4不是仅在其一个侧边缘而是在其两个侧边缘与阵列元件连接。

由于辐射天线元件的长度和阵列元件连接到主馈送带线的间隔应当取决于与波导波长λg有关的整个微带阵列天线所需的特性而被确定，所以它们可以是在实施例中描述的值的n倍(n是大于1的整数)。同样在这种情况下，每个辐射天线元件可以最有效地辐射无线电波。

上文说明的优选实施例是本申请发明的示例，对本发明的描述只由所附的权利要求给出。应当理解的是，对于本领域的技术人员来说，可以对优选实施例进行修改。

Claims (21)

1.一种微带阵列天线，包括：

介电基片，在该介电基片的背表面形成有导电的接地板；以及

带状导体，其形成在所述介电基片的前表面上；

所述带状导体包括成直线的主馈送带线和连接到所述主馈送带线的多个阵列元件，所述阵列元件沿着所述主馈送带线的纵向方向以预定间隔布置在所述主馈送带线的两侧中的至少一侧，

所述阵列元件中的每一个包括连接到所述主馈送带线的副馈送带线、连接到所述副馈送带线的终端的矩形辐射天线元件和连接到所述副馈送带线的抽头，

所述抽头布置在所述主馈送带线与所述副馈送带线之间的连接位置和所述副馈送带线与所述辐射天线元件之间的连接位置之间。

2.根据权利要求1所述的微带阵列天线，其中，所述阵列元件布置在所述主馈送带线的两侧，所述阵列元件中的每一个连接到所述主馈送带线的两个侧边缘中之一。

3.根据权利要求1所述的微带阵列天线，其中，所述副馈送带线连接到所述辐射天线元件的较长侧边缘。

4.根据权利要求3所述的微带阵列天线，其中，所述副馈送带线连接到所述辐射天线元件较长侧边缘的中心和一个末端之间的预定部分，所述中心和所述一个末端除外。

5.根据权利要求1所述的微带阵列天线，其中，所述阵列元件形成为使得从所述抽头辐射的电场的方向和从所述辐射天线元件辐射的电场的方向彼此相同。

6.根据权利要求5所述的微带阵列天线，其中，所述阵列元件形成为使得所述辐射天线元件的纵向方向和所述抽头的纵向方向彼此平行。

7.根据权利要求5所述的微带阵列天线，其中，所述阵列元件形成为使得所述辐射天线元件的场发射边缘线和所述抽头的场发射边缘线在同一直线上。

8.根据权利要求1所述的微带阵列天线，其中，所述辐射天线元件的长度等于传播通过所述主馈送带线并进入所述辐射天线元件的预定工作频率处的无线电波的有效波长的n/2(n为正整数)倍。

9.根据权利要求1所述的微带阵列天线，其中，所述阵列元件形成为使得所述辐射天线元件的场发射边缘线相对于所述主馈送带线的所述纵向方向倾斜大于0度且小于90度的角。

10.根据权利要求1所述的微带阵列天线，其中，所述副馈送带线包括：第一线段，所述第一线段在其一个末端处从所述主馈送带线的两个侧边缘中之一延伸；以及第二线段，所述第二线段从所述第一线段的另一个末端延伸同时弯曲成预定角度，并且所述抽头从所述第一线段的另一个末端直着延伸。

11.根据权利要求1所述的微带阵列天线，其中，所述辐射天线元件中的每一个具有取决于其所需的激励振幅的宽度，该宽度被确定以便所述微带阵列天线展示所希望的方向性。

12.一种微带阵列天线，包括：

介电基片，在该介电基片的背表面形成有导电的接地板；以及

带状导体，其形成在所述介电基片的前表面上；

所述带状导体包括成直线的主馈送带线以及布置在所述主馈送带线的两侧中的每一侧的至少一个阵列元件，所述阵列元件连接到所述主馈送带线，

所述阵列元件包括连接到所述主馈送带线的副馈送带线、连接到所述副馈送带线的终端的矩形辐射天线元件以及连接到所述副馈送带线的抽头，

所述抽头布置在所述主馈送带线与所述副馈送带线之间的连接位置和所述副馈送带线与所述辐射天线元件之间的连接位置之间。

13.根据权利要求12所述的微带阵列天线，其中，所述副馈送带线连接到所述辐射天线元件的较长侧边缘。

14.根据权利要求13所述的微带阵列天线，其中，所述副馈送带线连接到所述辐射天线元件较长侧边缘的中心和一个末端之间的预定部分，所述中心和所述一个末端除外。

15.根据权利要求12所述的微带阵列天线，其中，所述阵列元件形成为使得从所述抽头辐射的电场的方向和从所述辐射天线元件辐射的电场的方向彼此相同。

16.根据权利要求15所述的微带阵列天线，其中，所述阵列元件形成为使得所述辐射天线元件的纵向方向和所述抽头的纵向方向彼此平行。

17.根据权利要求15所述的微带阵列天线，其中，所述阵列元件形成为使得所述辐射天线元件的场发射边缘线和所述抽头的场发射边缘线在同一直线上。

18.根据权利要求12所述的微带阵列天线，其中，所述辐射天线元件的长度等于传播通过所述主馈送带线并进入所述辐射天线元件的预定工作频率处的无线电波的有效波长的n/2(n为正整数)倍。

19.根据权利要求12所述的微带阵列天线，其中，所述阵列元件形成为使得所述辐射天线元件的场发射边缘线相对于所述主馈送带线的所述纵向方向倾斜大于0度且小于90度的角。

20.根据权利要求12所述的微带阵列天线，其中，所述副馈送带线包括：第一线段，所述第一线段在其一个末端处从所述主馈送带线的两个侧边缘中之一延伸；以及第二线段，所述第二线段从所述第一线段的另一个末端延伸同时弯曲成预定角度，并且所述抽头从所述第一线段的另一个末端直着延伸。

21.根据权利要求12所述的微带阵列天线，其中，所述辐射天线元件中的每一个具有取决于其所需的激励振幅的宽度，该宽度被确定以便所述微带阵列天线展示所希望的方向性。

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