CN104681971A - 宽带微带天线阵列耦合结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种宽带微带天线阵列馈电耦合结构，旨在提供一种结构简、调试方便快捷，能够有效地降低天线副瓣电平的微带贴片天线阵列，本发明通过下述技术方案予以实现：所述微带贴片天线阵列本体由设置在介质支撑上的数个纵向排列的天线辐射单元组成，每个天线辐射单元的辐射贴片下方都设置有耦合槽，各个天线辐射单元耦合槽的长度由中间向两端递减，形成耦合槽长度渐变的口径耦合形式，其中设有相同长度耦合槽的天线辐射单元在阵列本体上成对设置，从左至右排列的两两对称的成对耦合槽长度相等，各个天线辐射单元贴片由垂直通过耦合槽的单元馈电线进行馈电。本发明采用由中间向两端递减的耦合槽，改变了馈电线耦合到贴片的激励电流，降低了天线副瓣电平。

Description

宽带微带天线阵列耦合结构

技术领域

本发明涉及一种微带天线阵列结构，尤其是一种小型的孔径耦合的微带贴片天线阵列，以及针对这种天线阵列的快速调试方法。

背景技术

微带天线是七十年代初期研制成功的一种新型天线，与常用微波天线相比，它具有体积小、重量轻、低剖面、能与载体共形、制造简单、成本低、易于和微带线路集成以及相同结构的微带天线可以组成阵列获得高增益等特点。目前以微带贴片天线作为辐射单元构成的微带天线阵列已经大量地应用在飞行器和地面手持系统的无线电设备中。由于微带天线所固有的带宽窄、功率小等缺点，传统上一般微带天线的工作带宽都远低于实际要求。目前主流微带贴片天线的设计主要采用层叠贴片、缝隙耦合结构等来保证一定频带宽度，同时可以获得高隔离性能。然而微带贴片所引入的附加电容将产生较大的电抗功率，进而减小了天线的工作带宽，这种馈电结构容易产生表面波激励。电磁耦合馈电大体上可以分成3类:直接耦合馈电、缝隙耦合馈电和共面波导馈电。直接耦合馈电结构采用了双层介质，馈电结构放置于两层介质之问，通过电磁耦合产生激励。这种馈电方式除了具有一般耦合馈电的优点以外，更由于馈线位于微带贴片下方，从而可分别调整馈线和贴片各自的衬底介质参数和厚度以实现最佳设计。设计这种天线时，选择馈电线的位置，可以达到阻抗匹配的目的；选择合适的介质参数可以减小馈电结构对辐射单元的干扰，同时增大带宽。它的主要缺点有两个，第一是增加了精确分析设计的难度，因为此时涉及两层不同的介质基片，从而常规单层微带天线的简便模型不再适用。第二，由于馈线与贴片处于不同平面，馈线不再处于开放平面，从而很难将有关元件与馈电电路实现连接。缝隙耦合馈电最初由D.M.Pozar等人提出，它将辐射单元和馈电单元分列于接地板两侧，用两层介质板支撑(贴片和地面之间的天线介质层、馈电线和地面之间的馈电介质层)，接地板上开一矩形缝隙。此时，微带馈线的能量通过接地板上的缝隙耦合到微带贴片上，与同轴线馈电相比，缝隙耦合馈电也可做到馈线与微带贴片之间有效地隔离或屏蔽，从而独立实现贴片和馈线的优化设计；同时，这种馈电结构还避免了馈线与微带贴片之间的直接焊接连接。由于馈电微带线处于开放平面，从而易于在其中插入所需元器件。缝隙耦合馈电结构具有很好的辐射和阻抗特性，目前应用十分广泛。缝隙耦合馈电方式的主要缺点是结构复杂，难于制作，因为它涉及位于导电接地板两侧的两层介质衬底，而且需要在接地板上开槽。在实际设计中，贴片和缝隙的形状有多种选择，比如，贴片可以选择为圆形、三角形、矩形或圆环等等，耦合缝可以为矩形，圆形、H形、L形或U字形等等。在缝隙耦合结构的设计中，涉及到十几个参量，包括各个介质层的选定、贴片的尺寸、耦合缝的尺寸和位置、馈电线的尺寸和相对位置等等，调整好各个参数可以获得良好的匹配和性能。根掘微带电路的等效传输线法，可以初步确定辐射贴片的几何尺寸(包括贴片与缝隙的长宽和馈线调谐枝节的长度)。共面波导耦合馈电同样采用缝隙耦合的方式实现能量传递，但采用共面波导(CPW)传输线做馈线，由于波导馈线的特殊性，馈电线位于接地面，省去了馈电介质层。综上所述的三种新型馈电方式皆采用了辐射与馈电不共面的设计，它们之间是通过电磁场耦合来传输能量的。缝隙耦合馈电的设计参数众多，在增加了设计自由度的同时，也加大了设计的难度。微带贴片天线是微带天线的一种，以其相对效率高、分析方法成熟而得到广泛的应用，但其频带窄的缺点限制了其应用领域。微带贴片天线的窄频特性，由其高Q的谐振本性所决定。这意味着，当在谐振时实现了匹配，而当频率偏离谐振时电抗分量急剧变动使之失配。展宽频带的方法可以由降低Q值的各个方面去探求，也可考虑用附加的匹配措施来实现。常用的方法有采用厚基板，采用较小或tanδ较大的基板，附加阻抗匹配网络，采用多层结构，在贴片或接地板“开窗”，非线性基板材料，非线性调整元件，楔形或阶梯形基板等，其中，最有效的常用方法是采用“开窗”孔径耦合的形式，馈电线通过耦合槽将能量馈送给贴片，再向自由空间辐射。由这种带耦合槽的微带贴片天线单元组成阵列时，各个耦合槽的长度都是相等的。这是由于在设计天线阵列时都是从设计天线单元开始，单元设计完成后还要在由相同单元组成的阵列中考查单元特性，对单元进行调整，直到满足工作带宽内的匹配要求和辐射特性。这是一项非常繁琐的工作，也是阵列天线设计的必经之路，从单元组成阵列角度看，所有单元相同，可以带来仿真建模及设计上的方便，对超大型阵列尤其如此(例如成百上千个天线单元)，但是对于小型口径耦合微带贴片天线阵列则限制了其参数调整的自由度，例如为得到较低的天线副瓣电平则需要调整每个单元馈电幅度分布，在等耦合槽情况下只能调整每个单元的馈电线的阻抗(反映在馈电线印制图形上是调整其宽度)，同时还要调整相应的馈电线阻抗变换段，这也是一个非常繁琐而且需要不断重复的设计过程，花费大量的时间和力气，结果还不一定能满足要求(有时会遇到馈电线非常细，已经无法进一步调整，而且较细的微带线加工时也会带来较大的加工误差)。

天线使用时一般都要求有较低的副瓣电平，为达到低副瓣目的，一般都是对功分馈电网络进行幅度加权设计(例如采用泰勒分布、契比雪夫分布等)。但是这种经典的设计方法并没有考虑互耦的影响，因此通过功分网络实际馈送到天线单元端口的能量幅度分布与理想的加权函数形式是有误差的，另外，实际加工出来的天线往往与仿真计算的结果出入很大，从而使加工出来的天线难以满足要求。常用的解决办法是通过调整馈电线的尺寸达到减小误差的目的，但是正如前面所述，馈电线尺寸的调整很繁琐，费时费力，尤其是在新天线研发时，要反复修改设计，甚至通过几轮样机试制，才能满足要求，浪费大量研制时间和研制成本。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种结构简单、设计调试过程方便快捷、能够有效地降低天线副瓣电平、节省研制时间和研制成本的新型宽频带微带贴片天线阵列(相对带宽为13％)。

本发明采用如下技术方案：一种宽带微带天线阵列馈电耦合结构，包括微带贴片天线阵列本体，其特征在于：所述微带贴片天线阵列本体由设置在介质支撑9上的数个纵向排列的天线辐射单元组成，每个天线单元的辐射贴片1下方都设置有耦合槽3，每个辐射贴片1下方的耦合槽3从左至右依次排列，各个天线辐射单元耦合槽的长度沿微带贴片天线阵列本体的长度方向，由中间向两端递减，形成耦合槽长度渐变的口径耦合形式，其中设有相同长度耦合槽的天线辐射单元在阵列本体上成对设置，从左至右排列的两两对称的成对耦合槽长度相等，各个天线辐射单元由垂直通过耦合槽3的单元馈电线6进行馈电，单元馈电线6与功分馈电网络8连接形成一体化的馈电结构。该技术方案中耦合槽的渐变在仿真建模时即可完成，然后采用仿真软件进行优化计算，而不需要再对馈电线的各项参数进行优化计算(例如单元馈电线6的宽度、单元馈电线6超出耦合槽的长度、功分馈电网络8所有微带线各个枝节的宽度等)，从而达到事半功倍的目的。对于加工好的实际天线阵列，在实测驻波不理想的情况下(即匹配不好)可以采用铜箔胶带对单元馈电线6超出耦合槽的长度进行调整(即使用裁剪好的与单元馈电线6同等宽度的铜箔胶带贴敷于单元馈电线6的上方以达到改变单元馈电线6长度的目的)，每调整一次单元馈电线6的长度就采用网络分析仪测量一次驻波值，直到实测的驻波值满足要求为止。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明结构简单，采用新颖的耦合槽长度渐变的口径耦合形式，简化了馈电线的调整(仿真设计阶段馈电线未进行调整)，加快了设计过程，使得天线辐射特性在全带宽内很好地满足天线指标要求。针对加工好的天线实物，采用铜箔胶带对馈电线进行简单的调整，使得天线阵列的匹配特性(即驻波性能)满足使用要求，整个调试过程仅花费两天时间就能达到目的。

本发明各个耦合槽长度采用由中间向两端递减，相当于改变了馈电线耦合到贴片的激励电流，有效地降低了天线副瓣电平，比起调整馈电网络来简单方便，还更有效。对比试验结果表明，6个耦合槽长度均为56毫米的样机天线，其频带内驻波系数VSWR最大值达到了7.0，采用ANSOFT HFSS软件仿真计算得到加工尺寸数据，其频带内副瓣电平为-14dB，都不满足要求。

本发明，微带贴片天线阵列本体采用的6个由中间向两端递减的耦合槽长度，仅经数次仿真计算即可找到合适的尺寸和尺寸匹配，省去了仿真阶段调馈电线的繁琐程序，节约了大量时间，且经过实测频带内副瓣电平优于-22dB。

本发明调试阶段对样机天线馈电线的长度采用铜箔胶带进行调整，使得频带内驻波系数VSWR最大值降到1.60以下，大大提高了研制效率和节约了成本，而且完全满足设计要求。

附图说明

图1是多个天线辐射单元组成的天线阵列结构示意图。

图2是图1天线辐射单元的立体结构示意图。

图中：1.辐射贴片，2.上层介质板，3.耦合槽，4.上表面金属层(开有耦合槽)，5.下层介质板，6.单元馈电线，7.下表面金属层，8.功分馈电网络，9.介质支撑。

具体实施方式

参阅图1。一种宽带微带天线阵列馈电耦合结构，包括微带贴片天线阵列本体。所述微带贴片天线阵列本体由设有耦合槽的数个天线辐射单元组成，各个天线辐射单元耦合槽的长度设置方式是在阵列本体上由中间向两端递减，设有相同长度耦合槽的天线辐射单元在微带贴片天线阵列本体上成对设置。所述微带贴片天线阵列本体由设置在介质支撑9上的数个纵向排列的天线辐射单元组成，每个天线辐射单元的辐射贴片1下方都设置有耦合槽3，每个辐射贴片1下方的耦合槽3从左至右依次排列，各个天线辐射单元耦合槽的长度沿微带贴片天线阵列本体的长度方向，由中间向两端递减，其中设有相同长度耦合槽的天线辐射单元在阵列本体上成对设置，从左至右排列的两两对称的成对耦合槽长度相等，各个天线辐射单元由垂直通过耦合槽3的单元馈电线6进行馈电，单元馈电线6与功分馈电网络8形成一体化的馈电结构。微带贴片天线阵列本体可以含有六个天线辐射单，其中六个天线辐射单元包括六个耦合槽；六个耦合槽按从左至右依次排列为第一耦合槽、第二耦合槽、第三耦合槽、第四耦合槽、第五耦合槽、第六耦合槽；第一耦合槽和第六耦合槽的长度相等，为48毫米；第二耦合槽和第五耦合槽的长度相等，为50毫米；第三耦合槽和第四耦合槽的长度相等，为56毫米。其原理是：各个耦合槽长度由中间向两端递减，相当于改变了馈电线耦合到贴片的激励电流，比起调整馈电网络来简洁方便，还更有效。

宽频带微带贴片天线阵列的尺寸调配方法，采用铜箔胶带对微带贴片天线阵列的馈电线进行尺寸调整。铜箔胶带是一种带有导电胶的薄铜箔纸，其使用方法为先将其裁剪成所需形状，再贴敷在需要调整的印制图形上即可。本实施例中采用铜箔胶带加长了馈电线超越耦合槽上方的长度，具体做法是将铜箔胶带裁剪成与馈电线一样宽度的具有若干长度(例如3、5、8、10、15毫米等)的矩形贴片，由于有6个单元，因此每一种长度的铜箔胶带矩形贴片需要6个，6个天线单元下方的馈电线需要同时贴敷同一种长度的铜箔胶带矩形贴片，然后在微波暗室内通过矢量网络分析仪测量天线阵列驻波特性，直到满足所需要求为止。

参阅图2。天线辐射单元由三层介质基板及空气层组合而成，最上层为带有辐射贴片1的上层介质板2，辐射贴片1附着在上层介质板2下方，上层介质板2可作为天线罩使用。上层介质板2与下层介质板5之间为空气层，由介质支撑9形成框架进行支撑。下层介质板5由两种同样的介质板扣合而成，中间包含有单元馈电线6和功分馈电网络8，从而使整个馈电结构的单元馈电线6、功分馈电网络8形成带状线结构；下层介质板5上方附着有上表面金属层4，其上制有矩形耦合槽3，6个天线辐射单元共6个耦合槽；下层介质板5下方叠层有下表面金属层7。带状单元馈电线6通过耦合槽3，将能量耦合至辐射贴片1，向空间辐射电磁波。第一、二层介质板使用介电常数较低的泡沫材料，以利于场的辐射，降低微带天线的Q值，进一步增加天线的带宽。第一层介质板厚度为11mm，第二层介质板厚度为4mm。第三层介质板为馈电层，使用介电常数较高的环氧树脂材料，以利于场的束缚，厚度为1mm。第二、三层介质板之间为开缝接地板，在中心位置刻有一条矩形缝，缝宽为6mm，缝长为24mm。第三层介质板的下方是馈电网络，微带馈线采用中心正馈的方式，以增强辐射贴片与馈线之间的耦合，馈线宽度为1mm。

以上所述仅是本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，类似的同类结构的等效变换，均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种宽带微带天线阵列馈电耦合结构，包括微带贴片天线阵列本体，其特征在于：所述微带贴片天线阵列本体由设置在介质支撑(9)上的数个纵向排列的天线辐射单元组成，每个天线辐射单元的辐射贴片(1)下方都有耦合槽(3)，所述耦合槽(3)从左至右依次排列，各个天线辐射单元耦合槽的长度沿微带贴片天线阵列本体的长度方向，由中间向两端递减，形成耦合槽长度渐变的口径耦合形式，其中设有相同长度耦合槽的天线辐射单元在阵列本体上成对设置，从左至右排列的两两对称的成对耦合槽长度相等，各个天线辐射单元由垂直通过耦合槽(3)的单元馈电线(6)进行馈电，单元馈电线(6)与功分馈电网络(8)连接形成一体化的馈电结构。

2.如权利要求1所述的宽带微带天线阵列馈电耦合结构，其特征在于：微带贴片天线阵列本体含有六个天线辐射单。

3.如权利要求2所述的宽带微带天线阵列馈电耦合结构，其特征在于：六个天线辐射单元包括六个耦合槽；六个耦合槽按从左至右依次排列为第一耦合槽、第二耦合槽、第三耦合槽、第四耦合槽、第五耦合槽和第六耦合槽。

4.如权利要求2所述的宽带微带天线阵列馈电耦合结构，其特征在于：第一耦合槽和第六耦合槽的长度相等，至少为48毫米；

如权利要求2所述的宽带微带天线阵列馈电耦合结构，其特征在于：第二耦合槽和第五耦合槽的长度相等，至少为50毫米；

如权利要求2所述的宽带微带天线阵列馈电耦合结构，其特征在于：第三耦合槽和第四耦合槽的长度相等，至少为56毫米。

5.如权利要求1所述的宽带微带天线阵列馈电耦合结构，其特征在于：天线辐射单元由三层介质基板及空气层组合而成，最上层为带有辐射贴片(1)的上层介质板(2)，辐射贴片(1)附着在上层介质板(2)下方，上层介质板(2)与下层介质板(5)之间为空气层，由介质支撑(9)形成框架进行支撑。

6.如权利要求7所述的宽带微带天线阵列馈电耦合结构，其特征在于：下层介质板(5)由两种同样的介质板扣合而成，中间包含有单元馈电线(6)和功分馈电网络(8)，单元馈电线(6)与功分馈电网络(8)形成带状线结构。

7.如权利要求7所述的宽带微带天线阵列馈电耦合结构，其特征在于：下层介质板(5)上方附着有上表面金属层(4)，其上制有的耦合槽(3)为矩形。

8.如权利要求7所述的宽带微带天线阵列馈电耦合结构，其特征在于：下层介质板(5)下方叠层有下表面金属层(7)；带状单元馈电线(6)通过耦合槽(3)，将能量耦合至辐射贴片(1)，向空间辐射电磁波。