CN104409870A - 微波天线、微波设备及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明建议了一种微波天线，其包括天线辐射单元和向所述天线辐射单元馈电的馈电网络。其中，所述馈电网络包括一个或多个纵向功分器，每个纵向功分器的输入支路和输出支路分别位于不同平面上，且所述纵向功分器中包括不等分功分器，其中每个不等分功分器至少有一条输出支路具有与其他输出支路不同的几何构造，从而使所述至少一条输出支路上的功率分配与其他输出支路上的功率分配不相等。本发明还建议了一种包含该微波天线的微波设备，以及所述微波设备在工业控制系统或车载雷达系统中的应用。

Description

微波天线、微波设备及其应用

技术领域

本发明总体上涉及微波技术领域，具体来说，涉及一种微波天线，其包括天线辐射单元和向天线辐射单元馈电的馈电网络。本发明还涉及一种包含所述微波天线的微波设备，及该微波设备在工业控制系统或车载雷达系统中的应用。

背景技术

宽频微波系统可包括微波天线、射频信号发送和接收单元、信号计算及处理单元、对象识别单元及控制单元等部分。其中微波天线包括多个辐射单元(如用贴片天线来实现)，以及用于向辐射单元馈送射频信号的馈电网络。由于宽频微波系统的工作频率很大，在某些应用中，为了保证微波系统中微波天线的主瓣方向不随工作频率的变化而发生偏转，天线的馈电网络起到至关重要的作用。采用并行或混合(并行加串行)的馈电系统能够消除或减少天线主瓣方向因频率变化而产生的偏转。

通常的并行/混合式馈电网络采用横向排列，即馈电网络中的多个功分器与辐射单元阵列排列在同一个平面上。这样的馈电网络可以满足单个天线的应用，但对于采用多通道的微波系统来说，共面的馈电网络将占据很大的平面面积，从而降低系统性能。发明人意识到，将常规的横向排列的馈电网络变为纵向排列，即使得馈电网络中的多级功分器沿辐射单元所在平面的法线方向上下叠层排列，可以使将馈电网络从二维扩展为三维，从而显著减少整个天线馈电网络所占的平面面积，满足多通道的应用。

另外，在这样的纵向馈电网络中，如果采用常规的对称功分器(即从馈电输入支路引到各输出支路上的功率分配之比接近1:1)，将导致天线的旁瓣水平在-13dB左右，对于多数微波系统、尤其是雷达传感器而言，这种水平的旁瓣是过高的。因此，在本发明中发明人对功分器的分功比进行了优化设计。

发明内容

本发明的目的在于，对微波天线的馈电网络加以改进，使其以紧凑的构造方式实现，能够降低天线的旁瓣水平，提高了系统性能。

根据本发明的一个方面，上述任务通过一种具有下述特征的微波天线来解决。该微波天线包括天线辐射单元和向所述天线辐射单元馈电的馈电网络，其中所述馈电网络包括一个或多个纵向功分器。这里的“功分器”也可以被称为“功率分配器(power divider)”，用于将一路输入信号能量分成两路或更多路输出。根据本发明，每个纵向功分器的输入支路和输出支路分别位于不同平面上，并且所述纵向功分器中包括不等分功分器，即每个不等分功分器至少有一条输出支路具有与其他输出支路不同的几何构造，使得在所述至少一条输出支路上的功率分配与其他输出支路上的功率分配不相等。

根据本发明的一个优选实施方式，本发明所述微波天线的馈电网络包括层叠排列的多级纵向功分器，其中同一级纵向功分器位于同一平面上，而不同级的纵向功分器位于相互平行的不同平面上。

这样，通过纵向多层排列的功分器形成了三维的馈电网路结构，可以从天线辐射单元阵列的下方向天线辐射单元馈送电信号，有效地降低了天线馈电网络所需的平面面积，能够实现结构紧凑的天线。

可选地，在根据本发明的微波天线的馈电网络中，所述纵向功分器的输入支路和/或输出支路可以通过带状线、微带线或者波导管(如金属波导管或基片集成波导管)等多种方式来实现。

根据本发明的一个可选实施方式，当用带状线或微带线作为所述不等分功分器的输出支路时，至少有一条输出支路上的带状线或微带线的金属导电条可以被设计为具有与其他输出支路上的带状线或微带线的金属导电条不同的宽度，使得该输出支路上的阻抗与其他输出支路的阻抗不同，从而实现了不均等的分功比。

根据本发明的另一个可选实施方式，当用具有矩形横截面的波导管作为不等分功分器的输出支路时，从输入支路到输出支路的耦合点位于波导管矩形横截面的长边一侧。优选的是，此时至少有一条输出支路上的波导管内设置有波阻碍结构，使得从所述耦合点向该输出支路馈送的能量有一部分被所述波阻碍结构反射到其他输出支路上，从而使在该输出支路上分配的功率与其他输出支路上分配的功率不相等。

例如，作为输出支路的波导管可以是金属波导管，所述波阻碍结构可以被设计为改变金属波导管横截面大小的边框结构。

在本发明的另一个实施例中，作为输出支路的波导管也可以是基片集成波导管，其中所述波阻碍结构可以由位于基片集成波导管中的过孔结构来实现。

可选的是，本发明所述的不等分功分器可具有一条输入支路和两条输出支路，在这两条输出支路上分配的功率不同，设具有较小功率分配的输出支路与具有较大功率分配的输出支路之间的功率分配之比为1:N，则通过优化设计输出支路的几何结构，例如改变带状线或微带线的金属导电带的宽度、或者调整波导管内的波阻碍结构的形状和/或位置，可以实现N的取值为1.3≤N≤10。

通过有目的地优化设计和调整纵向功分器不同输出支路上的分功比，可以降低天线的旁瓣水平，从而显著提高了整个天线系统的性能。

当然，根据本发明的一个可选实施方式，在馈电网络中除了所述纵向功分器之外，天线辐射单元中的一部分也可以由串行传输线来馈电，这些串行传输线与天线辐射单元阵列位于同一个平面内(即构成了并行加串行的混合式馈电网络)。

根据本发明的一个可选实施方式，可以通过多层有机材料微波电路板来叠层形成所述天线辐射单元和馈电网络，例如可以采用Rogers软材料作为微波电路板。根据本发明的另一个优选实施方式，也可以通过低温共烧陶瓷(LTCC)制造所述天线辐射单元和馈电网络。

根据本发明的一个方面，还建议了一种微波设备，其包含具有上述特征的微波天线，以及与该微波天线电连接的射频电路，其中所述微波天线和所述射频电路被安置在一壳体内。这里的射频电路例如可以包括信号发生源、功率放大器、混频器等电路元件。

根据本发明的上述微波设备可以广泛应用在工业控制系统以及车载雷达系统中。

附图说明

下面借助图1至4详细描述根据本发明的微波天线的不同实施方式。这些附图以示意图的方式分别示出了：

图1是根据本发明的一个实施方式的微波天线的原理性示意图；

图2是沿图1所示剖面线A-A’剖开的截面示意图；

图3是根据本发明的一个实施方式的纵向不等分功分器的示意图，其通过微带线来实现；以及

图4是根据本发明另一实施方式的纵向不等分功分器的示意图，其通过金属波导管来实现。

具体实施方式

下面意图借助附图解释本发明的示例性实施方式，并非用于限制本发明的范围。本领域技术人员可以理解，也可以通过其他方式实现本发明所建议的技术方案，而不背离本发明的主旨。

图1示出了根据本发明的一个实施例的微波天线1的原理性示意图。在该微波天线1中，多个天线辐射单元a₁-a₄、b₁-b₄、及c₁-c₄排列在一个平面上，形成了天线辐射单元阵列。天线辐射单元a₁与b₁、c₁之间，a₂与b₂、c₂之间，a₃与b₃、c₃之间，以及a₄与b₄、c₄之间分别通过串行传输线d进行串行馈电。

图1中示意性地示出了两个一级功分器S₁₁和S₁₂。其中一个一级功分器S₁₁的两条输出支路分别通过两条纵向传输线连接至天线辐射单元a₁和a₂上的耦合点f₁和f₂，向天线辐射单元a₁和a₂并行馈电；另一个一级功分器S₁₂的两条输出支路分别通过两条纵向传输线连接至天线辐射单元a₃和a₄上的耦合点f₃和f₄，向天线辐射单元a₃和a₄并行馈电。这两个一级功分器S₁₁和S₁₂的输入支路分别通过纵向传输线连接至二级功分器S₂₁的两条输出支路，即通过二级功分器S₂₁向一级功分器S₁₁和S₁₂并行馈电。

图2示出了沿图1所示剖面线A-A’剖开的截面示意图。图2中可以看到，天线辐射单元a₁、a₂、a₃、a₄位于同一平面上。向天线辐射单元a₁、a₂并行馈电的一级功分器S₁₁和向天线辐射单元a₃、a₄并行馈电的一级功分器S₁₂位于另一个平面上，该平面与天线辐射单元a₁、a₂、a₃、a₄所在的平面平行，从下方向天线辐射单元进行馈电。二级功分器S₂₁位于最下方的平面上，向一级功分器S₁₁和S₁₂并行馈电，从而形成了纵向的馈电网络。

尽管图1和图2中的一级和二级功分器分别具有一条输入支路和两条输出支路，但是本领域技术人员能够理解，也可以采用具有更多输出支路的功分器。而且也不仅限于两级并行馈电。

图3示出了采用微带线作为纵向功分器S₁的一个示例性实施例。其中输入支路I₁通过纵向结构F₁耦合至两条输出支路O₁₁和O₁₂，输出支路O₁₁和O₁₂位于同一平面上，而输入支路I₁位于其下方的另一平面上，相对于输出支路O₁₁和O₁₂平行延伸，构成了一纵向功分器S₁。由图3可见，左侧输出支路O₁₁的金属导电条的宽度比右侧输出支路O₁₂的金属导电条的宽度要窄，从而使得左侧输出支路O₁₁的阻抗高于右侧输出支路O₁₂的阻抗。由输入支路I₁馈入的能量在耦合区域被分成两路，向右侧输出支路O₁₂分出的能量要大于向左侧输出支路O₁₁分出的能量，从而通过输出支路的微带线的不同的几何构造实现了不等分的纵向功分器。采用带状线作为输出支路的原理与微带线相类似，这里不再赘述。

图4示出了采用金属波导管作为纵向功分器S₂的另一个实施例。图4中的金属波导管具有矩形横截面，输入支路I₂通过耦合端口F₂耦合至两条输出支路O₂₁和O₂₂，输出支路O₂₁和O₂₂位于同一平面上，而输入支路I₂位于其下方的另一平面上，相对于输出支路O₂₁和O₂₂平行延伸，构成了一纵向功分器S₂。由图4可见，耦合端口F₂被设置在金属波导管矩形横截面的长边一侧。另外，在两条输出支路O₂₁和O₂₂之间的过渡区域内设置了一波阻碍结构T(边框)，使得左侧输出支路O₂₁在波阻碍结构T位置处的金属波导管的空腔横截面的面积小于右侧输出支路O₂₂的金属波导管空腔横截面。这样，由于从输入支路I₂馈入的能量向左侧输出支路O₂₁的传导在波阻碍结构T处受阻，将向右侧输出支路O₂₂反射，使得向右侧输出支路O₂₂分配的能量高于向左侧输出支路O₂₁分配的能量，从而现了不等分的纵向功分器。

假设纵向功分器两条输出支路上的分功比(即具有较小功率分配的输出支路与具有较大功率分配的输出支路上的功率分配之比)为1:N，通过优化设计输出支路的几何结构，例如改变带状线或微带线金属导电带的宽度、或者调整波导管内波阻碍结构的形状和/或位置，能够实现N的取值为1.3≤N≤10。这样，经由多级不等分纵向功分器的并行功率分配，可以降低天线的旁瓣水平，以满足微波系统应用的要求。

采用基片集成波导管作为输出支路的原理与金属波导管相类似，但其中的波阻碍结构是由位于基片集成波导管中的过孔结构来实现的，从而使得向一侧输出支路分配的能量高于向另一侧输出支路分配的能量，实现不等分的纵向功分器。

本发明所建议的微波天线例如可以通过Rogers软材料微波电路板叠层制造而成。或者，作为替代，也可以通过低温共烧陶瓷(LTCC)来实现。

根据本发明的一个方面，上述微波天线可以和射频电路电连接，共同安装在一壳体内，构成一种微波设备。用于该微波设备的射频电路例如可以由信号发生源、功率放大器、混频器等电路元件构成。

本发明所述的微波天线和微波设备可以广泛应用于工业控制领域，也可以应用于车载雷达系统。

Claims (13)

1.一种微波天线，包括天线辐射单元和向所述天线辐射单元馈电的馈电网络，其特征在于，所述馈电网络包括一个或多个纵向功分器，其中每个纵向功分器的输入支路和输出支路分别位于不同平面上，且所述纵向功分器中包括不等分功分器，其中每个不等分功分器至少有一条输出支路具有与其他输出支路不同的几何构造，从而使所述至少一条输出支路上的功率分配与其他输出支路上的功率分配不相等。

2.如权利要求1所述的微波天线，其特征在于，所述馈电网络包括层叠排列的多级纵向功分器，其中同一级纵向功分器位于同一平面上，而不同级的纵向功分器位于相互平行的不同平面上。

3.如权利要求1所述的微波天线，其特征在于，所述纵向功分器的输入和/或输出支路是通过带状线、微带线或波导管实现的。

4.如权利要求3所述的微波天线，其特征在于，所述不等分功分器的输出支路是通过带状线或微带线实现的，其中至少有一条输出支路上的带状线或微带线的金属导电条的宽度与其他输出支路上的带状线或微带线的金属导电条的宽度不同。

5.如权利要求3所述的微波天线，其特征在于，所述不等分功分器的输出支路是通过具有矩形横截面的波导管实现的，其中从输入支路到输出支路的耦合点位于波导管矩形横截面的长边一侧。

6.如权利要求5所述的微波天线，其特征在于，当所述不等分功分器的输出支路是通过波导管实现时，至少有一条输出支路上的波导管内包含有波阻碍结构，使得从所述耦合点向该输出支路馈送的能量有一部分被所述波阻碍结构反射到其他输出支路上。

7.如权利要求6所述的微波天线，其特征在于，所述波导管是金属波导管，且所述波阻碍结构是改变金属波导管横截面大小的边框结构。

8.如权利要求6所述的微波天线，其特征在于，所述波导管是基片集成波导管，且所述波阻碍结构是由位于基片集成波导管中的过孔结构实现的。

9.如权利要求1所述的微波天线，其特征在于，所述不等分功分器具有一条输入支路和两条输出支路，在这两条输出支路上分配的功率不同，设具有较小功率分配的输出支路与具有较大功率分配的输出支路之间的功率分配之比为1:N，则1.3≤N≤10。

10.如权利要求1所述的微波天线，其特征在于，所述馈电网络还包括串行传输线，其中所述串行传输线与所述天线辐射单元处于同一个平面内。

11.如权利要求1至10中任一项所述的微波天线，其特征在于，所述天线辐射单元及所述馈电网络由多层有机材料微波电路板叠层制造，或者由低温共烧陶瓷制造。

12.一种微波设备，其具有如权利要求1至11中任一项所述的微波天线、以及与该微波天线电连接的射频电路，其中所述微波天线和所述射频电路被安置在一壳体内。

13.如权利要求12所述的微波设备在工业控制系统或车载雷达系统中的应用。