CN104882680B - 一种小型化的多波束天线阵列及与其连接的网络合路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型化的多波束天线阵列及与其连接的网络合路，包括多组天线单元和合路网络，所述多组天线单元分别围绕合路网络呈圆形均匀排布；所述每组天线单元包括单级vivaldi天线和低噪声放大器，所述单级vivaldi天线与低噪声放大器连接，经一分三功率分配器与合路网络连接。本发明能够有效减小天线阵列的体积，并提供覆盖水平方向全向的、而且更窄的水平波束，对于所述阵列用于接收并测量信号的系统，能够提供更高的测量精度。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种宽频带小型化多波束天线阵列的设计和新型合路网络的设计。
背景技术
Vivaldi天线是Gibson于1979年提出的一种按指数规律渐变的槽线天线，是一种具有宽频带、线极化和高增益特性的行波天线。同时，由于其又具有剖面低，易于制作和成本较低等优点，因此广泛应用于宽带及超宽带通信系统中。
传统的渐变槽线vivaldi天线和各种改进的vivaldi天线，如对踵vivaldi天线和平衡对踵vivaldi天线等都具有类似的工作原理，即电流通过馈线耦合到槽线金属板上，沿槽线向开口方向传播，由金属边缘上分布的电流所产生的电场沿槽线一边向前传播，一边进行辐射，辐射的最大方向沿槽线渐变方向。作为一种行波天线，在微波频段要使vivaldi天线实现很好的指标性能，天线单元的辐射槽线长度应该大于λ0，槽线开口宽度要大于λ0/2(λ0为最低工作频率的自由空间波长)，对于微波频段的应用来说尺寸就显得过大。
另外，随着现代通信技术的不断发展，对天线的性能要求日益提高，单个天线的性能如方向图、波束宽度和增益要求等有时候不能满足系统的要求，因此对于一些特殊的应用需要通过天线阵列来实现所需要的性能指标。对于水平方向360度全方位覆盖的应用场景，通常采用多波束技术来达到所需要的覆盖范围，例如采用n波束，每个天线是一个独立波束的传统方式来设计多波束天线阵列，则天线的尺寸应该增加n倍。然而，单个天线往往无法达到系统提出的指标要求，例如波束宽度太宽。此时则需要m个天线单元的小阵列来实现一个波束，则天线的尺寸应该增加m×n倍。这种天线无疑在尺寸方面无法满足系统的要求。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种小型化的多波束天线阵列及与其连接的网络合路，能够有效减小天线阵列的体积，并提供覆盖水平方向全向的、而且更窄的水平波束，对于所述阵列用于接收并测量信号的系统，能够提供更高的测量精度。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种小型化的多波束天线阵列及与其连接的网络合路，包括多组天线单元和合路网络，所述多组天线单元分别围绕合路网络呈圆形均匀排布；所述每组天线单元包括单级vivaldi天线和低噪声放大器，所述单级vivaldi天线与低噪声放大器连接，经一分三功率分配器与合路网络连接。
进一步的，所述天线单元为八组，各组天线单元之间的夹角为45°。
进一步的，所述合路网络和多个一分三功率分配器设置在圆柱形金属腔中，所述多个天线单元设置在圆形金属地板上与对应个数的多个一分三功率分配器连接。
进一步的，所述单级vivaldi天线由上至下依次包括金属片、介质基板一和微带馈线，所述金属片为指数渐变金属片，所述指数渐变金属片上部设有多个矩形缝隙，所述指数渐变金属片下部设有半圆形腔，所述的低噪声放大器安装在所述的单极vivaldi天线的背面，与所述微带馈线的直接连接。
进一步的，所述合路网络为多层PCB合路网络，所述多层PCB合路网络包括第一层微带网络和第一层金属地板、第二层带状线合路网络和第二层金属地板、第三层带状线合路网络和第三层金属地板，且分别通过介质基板二间隔，所述第一层金属地板、第二层金属地板和第三层金属地板通过对应的金属通孔连接，所述第一层微带网络和第二层带状线合路网络通过对应的金属通孔连接，所述第一层微带网络和第三层带状线合路网络通过对应的金属通孔连接。
进一步的，所述第二层带状线合路网络和第三层带状线合路网络均由四组三合一的带状线合路网络单元构成，且所述第二层带状线合路网络或第三层带状线合路网络上的各个带状线合路网络单元之间相互正交，所述第二层带状线合路网络与第三层带状线合路网络上的各组三合一的带状线合路网络单元相间设置。
进一步的，所述第一层微带网络包括与所述第二层带状线合路网络和第三层带状线合路网络18对应数量和位置的微带线，所述第一层微带网络上的微带线由具有50欧姆特性阻抗的微带线构成，用于信号的输入和信号的输出。
进一步的，所述每组三合一的带状线合路网络单元上的一条微带线分别与第一层微带网络上各自对应位置的微带线连接，所述每组三合一的带状线合路网络单元的另外两条微带线，分别与邻组的三合一的带状线合路网络单元所对应的第一层微带网络上两条微带线连接，即而实现每组三合一的带状线合路网络单元与三组天线单元相连接。
进一步的，所述各组三合一的带状线合路网络单元由边缘向圆心的方向依次包括50欧姆的带状线、16.7欧姆的带状线、21.2欧姆的带状线、28.8欧姆的带状线、39.4欧姆的带状线和50欧姆的带状线；其中所述21.2欧姆的带状线、28.8欧姆的带状线和39.4欧姆的带状线的长度均为四分之一介质波长，该三段阻抗不同的带状线构成三阶切比雪夫阻抗变换器，实现各组三合一的带状线合路网络单元的阻抗从16.7欧姆到50欧姆的阻抗变换。
进一步的，所述第二层带状线合路网络和第一层微带网络通过金属孔连接，并通过第一层微带网络的50欧姆微带线引出，所述金属孔周围分布四个连接各层金属地板的金属化通孔。
有益效果：对比现有技术，本发明优点如下：
1、传统的Vivaldi天线单元要实现很好的指标性能，天线单元的辐射槽线长度应该大于λ0，槽线开口宽度要大于λ0/2，对于微波频段的应用来说尺寸就显得过大。而本发明使用单极Vivaldi天线单元，与传统Vivaldi天线单元相比，尺寸减小一倍，并且能够达到相同的性能。
2、对于需要覆盖水平方向360度的多波束天线阵列，如采用n波束，每个天线是一个独立波束的传统方式来设计多波束天线阵列，由于天线单元之间呈圆形排列，相互之间间距较小，则互相之间影响较大，而且单个天线波束较宽，不利于接收水平某个方向的信号。本发明使用三个天线单元的小型阵列作为一个单元，因而具有更窄的波束，接收某一特定方向的信号的能量更强，测量精度更高。
3、对于传统的用三个天线单元的小型阵列作为一个单元来组成圆形阵列的阵列排布方式，体积则为单天线组成圆形阵列的阵列排布方式尺寸增加三倍。而本发明通过提出一种结构紧凑的多层PCB合路网络，使得用三个天线单元的小型阵列作为一个单元来组成圆形阵列的阵列排布方式与单天线组成圆形阵列的阵列排布方式的尺寸相同，而性能却大大提高。
4、本发明提供的一种多层PCB合路网络的制作工艺为PCB工艺，制作工艺简单，成本低，能够进行大规模应用。
附图说明
图1是本发明小型化多波束天线阵列和合路网络的总体级联结构示意图。
图2是本发明中单个天线单元与多层PCB合路网络的级联结构示意图。
图3是本发明整个天线阵列的总体结构的俯视图。
图4是本发明中单个天线单元与圆柱形金属腔的相对位置示意图。
图5是本发明中单个天线单元的分层结构示意图。
图6是本发明中单个天线单元的主视图。
图7是本发明多层PCB合路网络分层结构示意图。
图8是本发明中的多层PCB合路网络的第一层微带网络的结构示意图。
图9是本发明中的多层PCB合路网络的第二层带状线合路网络的结构示意图。
图10是本发明中的多层PCB合路网络的第三层带状线合路网络的结构示意图。
图11是本发明中的多层PCB合路网络的连接各层金属地板的金属化通孔，和连接各层微带网络的金属化通孔的排列结构示意图。
图12是本发明中的多层PCB合路网络的各层微带网络和金属化通孔相对位置排布的俯视图。
图13是本发明中的多层PCB合路网络单个三合一微带合路网络单元的具体结构示意图。
图14是本发明中的多层PCB合路网络的单个三合一微带合路网络单元、连接各层金属地板的金属化通孔、和连接各层微带网络的金属化通孔具体排布的示意图。
具体实施方式
下面将结合具体实施实例和附图对本发明作进一步的详细描述，但是本发明的实施方法和要求保护的范围并不局限于此。
本发明一种小型化的多波束天线阵列及与其连接的网络合路，图1、图2所示结构为本发明小型化多波束天线阵列和合路网络的总体级联结构，主要包括多组天线单元1和合路网络，所述多组天线单元1分别围绕合路网络呈圆形均匀排布；所述每组天线单元1包括单级vivaldi天线和低噪声放大器12，所述单级vivaldi天线与低噪声放大器12连接，经一分三功率分配器与合路网络连接。
如图3所示为整个天线阵列的总体结构的俯视图，总体上，所述合路网络和多个一分三功率分配器设置在圆柱形金属腔3中，所述多个天线单元1设置在圆形金属地板2上与对应个数的多个一分三功率分配器连接。本发明中所述天线单元1设计为八组，各组天线单元1之间的夹角为45°。
如图4所示是单个天线单元1与圆柱形金属腔3的相对位置示意图，以及图5单极Vivaldi天线的具体分层结构示意图。具体的，所述天线单元1中的单级vivaldi天线由上至下依次包括金属片9、介质基板一6和微带馈线11，所述金属片9为指数渐变金属片，所述指数渐变金属片上部设有多个矩形缝隙5，所述指数渐变金属片下部设有半圆形腔8，所述的低噪声放大器12安装在所述的单极vivaldi天线的背面，与所述微带馈线11的直接连接。所述介质基板一6为厚度1.5毫米的FR-4材料，成本较低。多个矩形缝隙5有利于切割单极Vivaldi天线上部的表面电流，抑制其上部的辐射，从而改善其方向图特性及增益特性。
所述合路网络为多层PCB合路网络，图7多层PCB合路网络分层结构的示意图，所述多层PCB合路网络包括第一层微带网络14和第一层金属地板15、第二层带状线合路网络16和第二层金属地板17、第三层带状线合路网络18和第三层金属地板19，且分别通过介质基板二20间隔。所述第一层金属地板15、第二层金属地板17和第三层金属地板19通过对应的金属通孔连接，所述第一层微带网络14和第二层带状线合路网络16通过对应的金属通孔连接，所述第一层微带网络14和第三层带状线合路网18络通过对应的金属通孔连接，金属通孔的排布位置如图11。
如图9和10分别为第二层带状线合路网络16和第三层带状线合路网络18的结构示意图。所述第二层带状线合路网络16和第三层带状线合路网络18均由四组三合一的带状线合路网络单元构成，且所述第二层带状线合路网络16或第三层带状线合路网络18上的各个带状线合路网络单元之间相互正交，所述第二层带状线合路网络16与第三层带状线合路网络18上的各组三合一的带状线合路网络单元相间设置。
如图8为第一层微带网络14具体结构示意图，所述第一层微带网络14包括与所述第二层带状线合路网络16和第三层带状线合路网络18对应数量和位置的微带线，所述第一层微带网络14上的微带线由具有50欧姆特性阻抗的微带线构成，用于信号的输入和信号的输出。
如图12为多层PCB合路网络的各层微带网络和金属化通孔相对位置排布图，所述每组三合一的带状线合路网络单元上的一条微带线分别与第一层微带网络14上各自对应位置的微带线连接，所述每组三合一的带状线合路网络单元的另外两条微带线，分别与邻组的三合一的带状线合路网络单元所对应的第一层微带网络14上两条微带线连接，即而实现每组三合一的带状线合路网络单元与三组天线单元1相连接。
如图13所示多层PCB合路网络单个三合一微带合路网络单元的具体结构示意图，所述各组三合一的带状线合路网络单元由边缘向圆心的方向依次包括50欧姆的带状线25、16.7欧姆的带状线26、21.2欧姆的带状线27、28.8欧姆的带状线28、39.4欧姆的带状线29和50欧姆的带状线30；其中所述21.2欧姆的带状线27、28.8欧姆的带状线28和39.4欧姆的带状线29的长度均为四分之一介质波长，该三段阻抗不同的带状线构成三阶切比雪夫阻抗变换器，实现各组三合一的带状线合路网络单元的阻抗从16.7欧姆到50欧姆的阻抗变换，以实现良好的宽带匹配。如图14，所述第二层带状线合路网络和第一层微带网络通过金属孔31连接，并通过第一层微带网络的50欧姆微带线引出，所述金属孔31周围分布四个连接各层金属地板的金属化通孔32。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种小型化的多波束天线阵列，其特征在于：包括多组天线单元(1)和合路网络，所述多组天线单元(1)分别围绕合路网络呈圆形均匀排布；所述每组天线单元(1)包括单级vivaldi天线和低噪声放大器(12)，所述单级vivaldi天线与低噪声放大器(12)连接，经一分三功率分配器与合路网络连接；
所述合路网络和多个一分三功率分配器设置在圆柱形金属腔(3)中，所述多个天线单元(1)设置在圆形金属地板(2)上与对应个数的多个一分三功率分配器连接；
所述单级vivaldi天线由上至下依次包括金属片(9)、介质基板一(6)和微带馈线(11)，所述金属片(9)为指数渐变金属片，所述指数渐变金属片上部设有多个矩形缝隙(5)，所述指数渐变金属片下部设有半圆形腔(8)，所述的低噪声放大器(12)安装在所述的单极vivaldi天线的背面，与所述微带馈线(11)的直接连接。
2.根据权利要求1所述一种小型化的多波束天线阵列，其特征在于：所述天线单元(1)为八组，各组天线单元(1)之间的夹角为45°。
3.根据权利要求1所述一种小型化的多波束天线阵列，其特征在于：所述合路网络为多层PCB合路网络，所述多层PCB合路网络包括第一层微带网络(14)和第一层金属地板(15)、第二层带状线合路网络(16)和第二层金属地板(17)、第三层带状线合路网络(18)和第三层金属地板(19)，且分别通过介质基板二(20)间隔，所述第一层金属地板(15)、第二层金属地板(17)和第三层金属地板(19)通过对应的金属通孔连接，所述第一层微带网络(14)和第二层带状线合路网络(16)通过对应的金属通孔连接，所述第一层微带网络(14)和第三层带状线合路网(18)络通过对应的金属通孔连接。
4.根据权利要求3所述一种小型化的多波束天线阵列，其特征在于：所述第二层带状线合路网络(16)和第三层带状线合路网络(18)均由四组三合一的带状线合路网络单元构成，且所述第二层带状线合路网络(16)或第三层带状线合路网络(18)上的各个带状线合路网络单元之间相互正交，所述第二层带状线合路网络(16)与第三层带状线合路网络(18)上的各组三合一的带状线合路网络单元相间设置。
5.根据权利要求4所述一种小型化的多波束天线阵列，其特征在于：所述第一层微带网络(14)包括与所述第二层带状线合路网络(16)和第三层带状线合路网络(18)对应数量和位置的微带线，所述第一层微带网络(14)上的微带线由具有50欧姆特性阻抗的微带线构成，用于信号的输入和信号的输出。
6.根据权利要求5所述一种小型化的多波束天线阵列，其特征在于：所述每组三合一的带状线合路网络单元上的一条微带线分别与第一层微带网络(14)上各自对应位置的微带线连接，所述每组三合一的带状线合路网络单元的另外两条微带线，分别与邻组的三合一的带状线合路网络单元所对应的第一层微带网络(14)上两条微带线连接，即而实现每组三合一的带状线合路网络单元与三组天线单元(1)相连接。
7.根据权利要求4所述一种小型化的多波束天线阵列，其特征在于：所述各组三合一的带状线合路网络单元由边缘向圆心的方向依次包括50欧姆的带状线(25)、16.7欧姆的带状线(26)、21.2欧姆的带状线(27)、28.8欧姆的带状线(28)、39.4欧姆的带状线(29)和50欧姆的带状线(30)；其中所述21.2欧姆的带状线(27)、28.8欧姆的带状线(28)和39.4欧姆的带状线(29)的长度均为四分之一介质波长，该三段阻抗不同的带状线构成三阶切比雪夫阻抗变换器，实现各组三合一的带状线合路网络单元的阻抗从16.7欧姆到50欧姆的阻抗变换。
8.根据权利要求7所述一种小型化的多波束天线阵列，其特征在于：所述第二层带状线合路网络和第一层微带网络通过金属孔(31)连接，并通过第一层微带网络的(50)欧姆微带线引出，所述金属孔(31)周围分布四个连接各层金属地板的金属化通孔(32)。
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