CN104332700A - 一种微带均匀直线阵列天线 - Google Patents

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张东华
吴勇
任学锋
周文杏
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Abstract

本发明公开了一种微带均匀直线阵列天线,包括长条形的基板,长条形的基板一面设置有金属接地层,基板另一面上沿基板的长度方向阵列设置的若干个微带辐射贴片,沿基板的长度方向还设置有直线型的功分网络,功分网络包括首尾相连子功分网络,各个子功分网络通过阻抗变换单元和微带线与各个微带辐射贴片连接。本发明有更低的旁瓣;收发天线的电场方向正好反向180°,有利于提高收发天线的隔离度。具有主瓣窄、副瓣电平低、带宽宽的优点。

Description

一种微带均匀直线阵列天线
技术领域
[0001] 本发明涉及通信天线领域,具体涉及一种微带均匀直线阵列天线,适用于信号传输。
背景技术
[0002] 微带天线具有以下几个方面的优点;(I)微带天线及其阵列具有剖面薄,容易与载体(如飞行器)共形的特点;(2)体积小,重量轻,成本低,易于大量生产;(3)微带天线具有平面结构,与集成电路有良好的兼容性,能和有源器件、电路集成为统一的组件;(4)不同设计的微带元,其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整,可以用简单的馈电实现线极化和圆极化。因此在雷达目标精确识别、电子对抗、地质矿藏勘探、地球物理勘测、无线通信、移动通信、卫星通信等众多军用和民用领域都有着广泛的应用需求。
[0003] 但微带天线也存在频带窄、增益低、旁瓣高、损耗大等缺陷。对于增益低,一般都会把它组成阵列来提高增益;对于旁瓣高的缺点,一般采用改变电流幅度分布,如切比雪夫或是泰勒分布等。都可以很有效方便的来解决。但是对于微带天线带宽较窄的缺点,一般采用厚的基板材料或者多级阻抗变换来解决。
发明内容
[0004] 本发明专利提供一种微带均匀直线阵列天线,该天线使用一种新的串联微带线阵列结构,该结构的微带阵列天线可以克服普通并联阵列天线面积大,副瓣高的缺点。
[0005] 本发明的目的可通过下列技术方案实现:
一种微带均匀直线阵列天线,包括长条形的基板,长条形的基板一面设置有金属接地层,基板另一面上沿基板的长度方向阵列设置的若干个微带辐射贴片,沿基板的长度方向还设置有直线型的功分网络,功分网络包括首尾相连子功分网络,子功分网络包括依次相连的第二微带线、第一阻抗变换单元和第二阻抗变换单元,第二微带线还与前一级的子功分网络的第二阻抗变换单元连接,第二阻抗变换单元还与下一级的子功分网络的第二微带线连接,第二阻抗变换单元还通过第三阻抗变换单元与第一微带线一端连接,第一微带线的另一端通过第四阻抗变换单元与微带辐射贴片连接。
[0006] 如上所述的微带辐射贴片为长方形,微带辐射贴片的阵列排列的方向与微带辐射贴片的宽度方向一致,第四阻抗变换单元平行于微带辐射贴片的宽度方向,第四阻抗变换单元与微带辐射贴片的侧边中部连接。
[0007] 如上所述的第二阻抗变换单元(402)的宽度大于第一阻抗变换单元(401)的宽度。
[0008] 本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
1、一般的微带直线阵列天线阵列的轴线方向与天线的E面是一致的,本发明微带直线阵列天线阵列的轴线方向与天线的H面一致,与一般的阵列天线相比采用这种结构的阵列天线有2个优点:有更低的旁瓣;收发天线的电场方向正好反向180°,有利于提高收发天线的隔离度。
[0009] 2、本发明与一般微带阵列天线相比,具有主瓣窄、副瓣电平低、带宽宽的优点。
附图说明
[0010] 图1 (a)为本发明的正面结构示意图;
图1 (b)为图1 (a)中的A部的放大示意图;
图1 (c)为本发明的背面结构示意图;
图2为子功分网络的端口结构;
图3微带天线E面和H面示意图;
图4为现有的微带直线阵列天线结构示意图。
[0011] 图中:1、基板;2、天线模块;201、微带辐射贴片;202、第四阻抗变换单元;301、第一微带线;302、第二微带线;4、功分网络;401、第一阻抗变换单元;402、第二阻抗变换单元;403、第三阻抗变换单元;5、中心馈电点;6、金属接地层。
具体实施方式
[0012] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0013] 实施例1:
如图l(a)、l(b)、l(c)所示。微带辐射贴片201 (本实施例中20个微带辐射贴片)以直线形式均匀排列,其间隔小于所在工作频率f0 (f0=9.4GHz)对应的波长λ O ( λ 0=31.9mm);第一微带线301和第二微带线302用于传输微波信号,其特性阻抗等于常用标准值50 Ω,其宽度由其特性阻抗、工作频率f0及基板I的厚度30mil (Imil=0.0254mm)和材料(板材是ROGERS R04350B)决定,本实施例中第一微带线301和第二微带线302的宽度为1.7mm ;功分网络4用于分配微波信号到各个微带辐射贴片201。
[0014] 本申请中的在基板上的铜箔厚度均为I盎司,即微带辐射贴片201、第四阻抗变换单元202、第一微带线301、第二微带线302、第一阻抗变换单元401、第二阻抗变换单元402、第三阻抗变换单元403的厚度、金属接地层6的厚度为I盎司。
[0015] 微波信号从输入端(图1(a)基板I中部底端,即中心馈电点5)通过功分网络4馈送给天线单元2。根据所要求的方向图和增益参数,每个微带辐射贴片201的分配到的功率都不相同。本实施例中,微波信号的功率经过功分网络4向两边的微带辐射贴片201逐渐减小。
[0016] 微带辐射贴片201按照上述间距均匀地排列在基板I上,采用串联馈电的方式。靠近天线中心的微带辐射贴片201的功率值会偏大一些,然后功率值向两边逐渐减小,以保证良好的增益和较低的副瓣电平,
具体结构如图1(b)所示(图(b)为图1(a)的局部放大图)。微带辐射贴片201采用矩形贴片,其输入阻抗为R201。由于阻抗R201不等于第一微带线301的特性阻抗50Ω,直接将它们连接会产生不连续性,因此需要第四阻抗变换单元202,第四阻抗变换单元202将阻抗R201变换至Ij 50 Ω。
[0017] 如图2所示,第一微带线301用于连接微带辐射贴片201和子功分单元第一路输出的第三阻抗变换单元403 ;第二微带线302 —端连接前一级子功分单元的第二路输出,第二微带线302另一端与第一阻抗变换单元401 —端连接,第一阻抗变换单元401的另一端与第二阻抗变换单元402的一端连接。
[0018] 第一阻抗变换单元401和第二阻抗变换单元402在前一级子功分单元的第二路输出和后一级子功分单元的输入之间,用于匹配前一级子功分单元和后一级子功分单元,为了增加带宽使用了第一阻抗变换单元401和第二阻抗变换单元402两级阻抗变换;第三阻抗变换403在子功分单元的第一路输出和第一微带线301之间,用于将子功分单元的第一路输出的输出阻抗R403匹配到标准的50 Ω ;子功分网络的第二路输出的输出阻抗直接等于50 Ω,所以可以直接连接特性阻抗为50 Ω的下一级子功分网络的第二微带线302。
[0019] 在本实施例中,微带辐射贴片201的长和宽分别是13.8mm和8mm,第四阻抗变换202的长和宽分别是4.7mm和0.7mm。
[0020] 根据串联直线阵列天线设计原理,想要得到副瓣低和主瓣窄的阵列天线,激励电流的幅度沿中心馈点的垂直方向呈轴对称分布,并且从中心天线单元向阵列两端的天线单元锥削(即逐渐减小),在本实施例中从中心天线单元向阵列两端的天线单元的电流最优分布比例:1.0000: 0.9800: 0.9300: 0.8700: 0.8000 ; 0.7200:
0.6500: 0.6000: 0.5500: 0.5300。
[0021] 由电流幅度比可以设计出各个子功分网络,从中心向两边子功分网络的第一阻抗变换单兀 401 的宽依次为:1.93mm, 1.95mm, 1.97mm, 1.98mm, 2mm, 2.03mm, 2.07mm, 2.17mm,
1.7mm,且长度都为4.7mm。从中心向两边子功分网络的第二阻抗变换单元402的宽依次为:2.6mm, 2.66mm, 2.73mm, 2.8mm, 2.85mm, 2.95mm, 3.14mm, 3.6mm, 1.7mm ;长度都为 4.7mmη从中心向两边功分网络的第三阻抗变换单元403的宽依次为:0.77mm,0.85mm,0.89mm,0.95mm, 1mm, 1.08mm, 1.1 7mm, 1.34mm, 1.68mm, 1.7mm ;长度都为 4.7mmη
[0022] 在本实施例中,第一微带线301有一个90°的直角弯头,如果直接采用90°直角,会产生寄生电容的不连续性,本发明通过削角为来补偿这一寄生电容带来的不连续性,削角的斜削长度取1.6倍的微带线的宽度;微带线302的长度为8.9mm。
[0023] 各个微带辐射贴片201之间的间距为18.3mm。
[0024] 按照以上的设计,对本发明的实物在微波暗室进行测试,测试结果如下:
1.工作频段内的驻波比小于1.5 ;
2.工作带宽内中心频点的水平波束宽度为5.5°,增益为23 dB,旁瓣抑制24 dB。
[0025] 对于微带天线而言,天线E面为其辐射场的电场平面,即沿着贴片宽度方向与贴片垂直的平面;天线H面为其辐射场的磁场平面,即沿着贴片长度方向与贴片垂直的平面,具体如图3所示。
[0026] 一般的微带直线阵列天线阵列的轴线方向与天线的E面是一致的,具体结构如图4所示。在阵列中,天线的辐射特性特别是旁瓣电平,将受阵元间互耦的影响,因互耦引起的E面旁瓣电平的增加明显高于H面,因此本结构采用天线阵列的轴线方向与天线的H面一致这种结构(天线阵列的轴线方向垂直于天线阵列的阵列排列方向),可以有效的改善因阵元间互耦引起的旁瓣高的问题。在其他指标相同的情况下,一般的微带直线阵列天线旁瓣抑制可以做到20 dB,而本发明的旁瓣抑制可以达到24 dB。
[0027] 在通信过程中,收发天线的安装一般都比较近,这样存在着收发天线之间相互干扰的问题,因此收发天线隔离度的指标也非常重要。如果将图1 (a)当做接收天线,那么本发明对应的发射天线如图1所示,由于本发明采用天线阵列的轴线方向与天线的H面一致这种结构,可以将发射天线的电场方向与接收天线的电场方向反向180° (即与图1 (a)的结构为镜像结构),这样可以明显提高两幅天线之间的隔离度。一般的微带直线阵列天线收发天线隔离度约40 dB,而本发明的隔离度可以达到70 dB。
[0028] 由以上测试结果可以看出,该微带均匀直线阵列天线同时具有主瓣窄、旁瓣低、增益高的优点。对于一般的微带阵列天线设计而言,存在着不能同时满足主瓣窄和旁瓣低的缺陷,而本发明采用了天线阵列的轴线方向与天线的H面一致这种结构,通过泰勒算法来综合天线,通过不断的仿真和优化,最终突破了这一缺陷,设计出一副各个性能指标都优越的微带阵列天线。
[0029] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种微带均匀直线阵列天线,包括长条形的基板(1),其特征在于,长条形的基板(I) 一面设置有金属接地层(6),基板(I)另一面上沿基板(I)的长度方向阵列设置的若干个微带辐射贴片(201),沿基板(I)的长度方向还设置有直线型的功分网络(4),功分网络(4)包括首尾相连子功分网络,子功分网络包括依次相连的第二微带线(302)、第一阻抗变换单元(401)和第二阻抗变换单元(402),第二微带线(302)还与前一级的子功分网络的第二阻抗变换单元(402)连接,第二阻抗变换单元(402)还与下一级的子功分网络的第二微带线(302)连接,第二阻抗变换单元(402)还通过第三阻抗变换单元(403)与第一微带线(301) —端连接,第一微带线(301)的另一端通过第四阻抗变换单元(202)与微带辐射贴片(201)连接。
2.根据权利要求1所述的一种微带均匀直线阵列天线,其特征在于,所述的微带辐射贴片(201)为长方形,微带辐射贴片(201)的阵列排列的方向与微带辐射贴片(201)的宽度方向一致,第四阻抗变换单元(202)平行于微带辐射贴片(201)的宽度方向,第四阻抗变换单元(202)与微带辐射贴片(201)的侧边中部连接。
3.根据权利要求1所述的一种微带均匀直线阵列天线,其特征在于,所述的第二阻抗变换单元(402)的宽度大于第一阻抗变换单元(401)的宽度。
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