CN104900992B - 一种半宽度微带贴片天线阵列 - Google Patents

Abstract

一种半宽度微带贴片天线阵列，采用一维半宽度微带贴片天线阵或二维半宽度微带贴片天线阵形式，假设边射方向为Z方向，一维半宽度微带贴片天线阵可看做半宽度微带贴片天线单元沿X方向交错连接构成，每个单元的有效辐射口面为X方向的开路边，等效为一个磁流；所有单元相互连接以后，构成沿X方向的若干个磁流，从而在XZ面内压缩波束得到针状尖锐波束，在YZ面内得到扇形宽波束；二维半宽度微带贴片天线阵是把一维半宽度微带贴片天线阵沿Y方向镜像连接扩展而成，从而在两个主平面内都得到了针状尖锐波束，获得高增益波束。

Description

一种半宽度微带贴片天线阵列

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种半宽度微带贴片天线阵列。

背景技术

为了获得天线阵边射方向高增益波束，微带贴片天线阵列是一种常用的实现方法。馈电方式是实现微带贴片天线阵的关键，一维贴片天线阵列可以通过串联馈电和并联馈电的方式馈电，二维贴片天线阵可以通过串馈、并馈和串并联混合馈电的方式馈电。其中，串联馈电网络传输线长度短，体积小，损耗小，缺点是带宽较窄；并联馈电网络体积大，损耗大，优点是带宽较宽。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种半宽度微带贴片天线阵列，采取半宽度微带贴片天线单元直接互相连接的方式，一方面，无需馈电网络就可以获得一维和二维微带贴片天线阵列，不存在馈电网络引入的损耗；另一方面，本发明所实现的天线结构简单，只需利用金属片就可制作，加工简单，成本低廉，且很容易扩展成为更大规模的天线阵。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种半宽度微带贴片天线阵列，包括：

地板2，其上有用来馈电的圆孔21；

金属片天线一1，由在X方向顺次交错连接的若干片L型金属结构11和两片分别位于首尾两端的YZ平面内的竖直短路金属片一14构成；

金属片天线一1设置于地板2上，构成可在边射方向得到高增益扇形波束的一维半宽度微带贴片天线阵。

所述一维半宽度微带贴片天线阵采用同轴线馈电，同轴线内导体沿Z方向通过圆孔21与金属片天线一1焊接，外导体焊接于地板2上，或者，所述一维半宽度微带贴片天线阵采用槽耦合馈电或微带线侧馈。

所述金属片天线一1位于地板2的中心区域，所述圆孔21位于地板2在X方向的中心线上，并且沿该中心线有偏移。

一种半宽度微带贴片天线阵列的另一种形式，包括：

介质基片4，用于提供天线阵列的地板和馈电网络；

金属片天线二3，由若干条金属片天线一1在Y向镜像相接构成，其中，所述金属片天线一1由在X方向顺次交错连接的若干片L型金属结构11和两片分别位于首尾两端的YZ平面内的竖直短路金属片一14构成；

金属片天线二3设置于介质基片4上，构成可在边射方向得到高增益针状波束的二维半宽度微带贴片天线阵。

所述二维半宽度微带贴片天线阵采用槽耦合馈电，介质基片4上有金属过孔41，用于给馈电微带线43末端做短路；介质基片4的上层是金属地板42，其上蚀刻有用于耦合能量的H型槽421且H型槽421位于金属地板42的中心区域；介质基片4的下层是馈电微带线43，由两段不同长度和宽度的微带线一431和微带线二432构成，其中微带线一431垂直跨过H型槽421的中心且微带线一431末端短路，微带线二432的宽度大于微带线一431的宽度。

所述二维半宽度微带贴片天线阵也可采用同轴线馈电或微带线侧馈。

所述金属片天线一1共有四条，所述L型金属结构11共有五个。

所述L型金属结构11由XY面内的金属片一12和XZ面内的竖直短路金属片二13连接构成，所述交错连接是指一个L型金属结构11中的金属片一12上连接竖直短路金属片二13一边的相对边在X方向与相邻的L型金属结构11中的金属片一12上连接竖直短路金属片二13一边的相对边连接，且两竖直短路金属片二13关于连接点旋转对称。

所述金属片天线二3位于介质基片4的中心区域，由XY面内的金属片二31、XZ面内的六条竖直金属片一32、YZ面内的各自位于X向首尾两端的共六条竖直金属片二33和YZ面内的竖直短路金属片三34构成，其中：

金属片二31由四条金属片天线一1在XY面内的部分在Y向镜像相接而成，竖直短路金属片二13作为相应的竖直金属片一32，竖直短路金属片一14作为相应的竖直金属片二33，竖直短路金属片三34替代四条金属片天线一1相接时在XZ面内的重合部分。

本发明一维和二维半宽度微带贴片天线阵，均可以产生边射方向(+Z)的波束。一维半宽度微带贴片天线阵可以产生扇形波束，二维半宽度微带贴片天线阵可以产生针状波束。本发明提供了一种简单的方法来获得边射方向波束，与现有技术相比，最大的优点是结构简单，无需馈电网络，损耗小，易于加工，成本低廉并且易于扩展成为更大规模的阵列从而获得高增益波束。

附图说明

图1(a)为本发明一维半宽度微带贴片天线阵结构示意图；图1(b)为本发明二维半宽度微带贴片天线阵结构示意图。

图2(a)为本发明的一个实施例中一维半宽度微带贴片天线阵的顶视图和侧视图以及详细尺寸；图2(b)为本发明的一个实施例中二维半宽度微带贴片天线阵的顶视图和侧视图以及详细尺寸，图(b)中的虚线框为地板上的H型槽和末端微带线的放大图。该具体实施例为工作于8.5GHz的半宽度微带贴片天线阵。

图3(a)为本发明具体实施例下的一维半宽度微带贴片天线阵的反射系数示意图；图3(b)为本发明具体实施例下的一维半宽度微带贴片天线阵在8.5GHz时两个主平面内(XZ和YZ面)的远场方向图。

图4(a)为本发明具体实施例下的二维半宽度微带贴片天线阵的反射系数示意图；图4(b)为本发明具体实施例下的二维半宽度微带贴片天线阵在8.5GHz时两个主平面内(XZ和YZ面)的远场方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明涉及一种简单结构的一维和二维半宽度微带贴片天线阵，它具有结构简单，无需馈电网络，损耗小，加工方便，成本低廉和易于扩展成更大规模的阵列等特点。本发明的原理是：

假设边射方向为Z方向，一维半宽度微带贴片天线阵可看做半宽度微带贴片天线单元沿X方向交错连接构成，每个单元的有效辐射口面为X方向的开路边，等效为一个磁流；所有单元相互连接以后，构成沿X方向的若干个磁流，从而在XZ面内压缩波束得到针状尖锐波束，在YZ面内得到扇形宽波束。二维半宽度微带贴片天线阵是把一维半宽度微带贴片天线阵沿Y方向镜像连接扩展而成，从而在两个主平面内都得到了针状尖锐波束，获得高增益波束。

根据设计示意，分别给出一个工作于8.5GHz的一维和二维半宽度微带贴片天线阵的具体实施例，下面结合附图予以说明：

参阅图1(a)，一维半宽度微带贴片天线阵包括一片金属片天线一1和地板2，金属片天线一1位于地板2的中心区域。本实施例中，金属片天线一1由X方向顺次交错连接的五片L型金属结构11和两片位于首尾两端的YZ面内的竖直短路金属片一14构成；其中，L型金属结构11又由XY面内的金属片一12和XZ面内的竖直短路金属片二13构成。地板2上有用来馈电的圆孔21，圆孔21位于地板2在X方向的中心线上，并且沿该中心线有一定的偏移。该一维半宽度微带贴片天线阵采用50欧姆标准同轴线馈电，同轴线内导体沿Z方向通过圆孔21与金属片天线一1相焊接，外导体焊接于地板2上。

参阅图1(b)，二维半宽度微带贴片天线阵由四条一维半宽度微带贴片天线阵镜像相接构成。二维半宽度微带贴片天线阵由金属片天线二3和介质基片4构成，金属片天线二3位于介质基片4的中心区域。本实施例中，金属片天线二3由XY面内的金属片二31、XZ面内的六条竖直金属片一32、YZ面内的各自位于首尾两端的共六条竖直金属片二33和YZ面内的竖直短路金属片三34构成；其中金属片二31由四条一维金属片天线一1在XY面内的部分镜像相接而成，竖直金属片一32即金属片天线一1在XZ面内的竖直短路金属片二13，竖直金属片二33即金属片天线一1在YZ面内的竖直短路金属片一14，YZ面内的竖直短路金属片三34用来替代四条一维金属片天线一1相接时在XZ面内的重合部分(为了便于加工)。介质基片4，其上有金属过孔41，用于给馈电微带线43末端做短路，介质基片4的上层是金属地板42，其上蚀刻有用来耦合能量的H型槽421并且H型槽421位于金属地板42的中心区域，介质基片4的下层是馈电微带线43，由两段不同长度的微带线一431和微带线二432构成，其中微带线一431垂直跨过H型槽421的中心并且微带线一431末端短路，微带线二432的宽度大于微带线一431的宽度。该二维微带金属片天线采用50欧姆标准SMA接头馈电，SMA接头的内导体焊接于微带线二432的尾端，外导体焊接于金属地板42上。

图2(a)和(b)分别给出了工作于8.5GHz的一维和二维半宽度微带贴片天线阵的具体实施例。

其中图2(a)给出了一维半宽度微带贴片天线阵的详细尺寸，其中，L型金属结构11在XY面的部分金属片一12沿X方向长度为22毫米，沿Y方向长度为13毫米，L型金属结构11交错相接部分的重合宽度为3毫米，金属片天线一1距离地板2的高度为2毫米；地板2沿X方向长度为160毫米，沿Y方向长度为80毫米，地板2上的圆孔21的直径为2.8毫米，圆孔21位于地板沿X方向的中心线上，沿中心线向-Y方向的偏移量为3.2毫米。

其中图2(b)给出了二维半宽度微带贴片天线阵的详细尺寸，二维的金属片天线二3由四条一维的金属片天线一1镜像相接而成，各部分尺寸同金属片天线一1并且已经在图中标示，需要说明的是YZ面内的竖直短路金属片三34为正方形，宽度为2毫米；介质基片4采用Taconic TLX(tm)板材，介电常数2.55，损耗角0.0019，介质基片4沿X方向长度为160毫米，沿Y方向长度为140毫米，高度为0.7875毫米，其上的金属过孔直径为0.8毫米；介质基片4上层金属地板42上的H型槽421和下层的微带线一431的详细尺寸在图2(b)中的放大图中给出，H型槽421位于金属地板42的中心区域，其宽度为0.5毫米，X方向部分长度为11.2毫米，Y方向部分长度为2毫米；微带线431的长度和宽度为别为9.4毫米和1毫米，微带线二432的长度和宽度为别为69.75毫米和2.5毫米。

采用该参数设计的一维半宽度微带贴片天线阵实施例的反射系数由图3(a)给出，可以看到中心频率为8.5GHz，-10dB阻抗带宽为：8.13-8.83GHz(700MHz，10％)；图3(b)给出了在8.5GHz时两个主平面(XZ面和YZ面)内的远场方向图，可以看到最大方向沿边射方向(+Z)并且峰值增益为12dB，XZ面内的方向图为针状波束，YZ面内的方向图为扇形波束。

采用该参数设计的二维半宽度微带贴片天线阵实施例的反射系数由图4(a)给出，可以看到中心频率为8.5GHz，-10dB阻抗带宽为：8.39-8.63GHz(240MHz，2.8％)；图4(b)给出了在8.5GHz时两个主平面(XZ面和YZ面)内的远场方向图，可以看到最大方向沿边射方向(+Z)并且峰值增益为16.5dB，并且两个主平面内的方向图为针状波束。

综上所述，本发明提供了一种简单结构的驻波型半宽度微带贴片天线阵，一维半宽度微带贴片天线阵由金属片和地板构成，采用50欧姆标准同轴线馈电，可以在边射方向产生扇形波束；二维半宽度微带贴片天线阵由金属片和介质基片构成，介质基片在提供地板的同时，又提供馈电网络，采用50欧姆SMA接头馈电，可以在边射方向产生针状波束。该驻波型半宽度微带贴片天线阵易于扩展成为更大规模的阵列：一维微带金属片天线可以扩展成为更长的一维天线阵，二维微带金属片天线可以扩展成为更长更宽的二维天线阵，从而获得更高增益的波束。

Claims (4)

1.一种半宽度微带贴片天线阵列，包括：

介质基片(4)，用于提供天线阵列的地板和馈电网络；

金属片天线二(3)，由若干条金属片天线一(1)在Y向镜像相接构成，其中，所述金属片天线一(1)由在X方向顺次交错连接的若干片L型金属结构(11)和两片分别位于首尾两端的YZ平面内的竖直短路金属片一(14)构成；

金属片天线二(3)设置于介质基片(4)上，构成可在边射方向得到高增益针状波束的二维半宽度微带贴片天线阵

其特征在于，所述二维半宽度微带贴片天线阵采用槽耦合馈电，介质基片(4)上有金属过孔(41)，用于给馈电微带线(43)末端做短路；介质基片(4)的上层是金属地板(42)，其上蚀刻有用于耦合能量的H型槽(421)且H型槽(421)位于金属地板(42)的中心区域；介质基片(4)的下层是馈电微带线(43)，由两段不同长度和宽度的微带线一(431)和微带线二(432)构成，其中微带线一(431)垂直跨过H型槽(421)的中心且微带线一(431)末端短路，微带线二(432)的宽度大于微带线一(431)的宽度；

或，所述二维半宽度微带贴片天线阵采用同轴线馈电或微带线侧馈。

2.根据权利要求1所述半宽度微带贴片天线阵列，其特征在于，所述金属片天线一(1)共有四条，所述L型金属结构(11)共有五个。

3.根据权利要求1所述半宽度微带贴片天线阵列，其特征在于，所述L型金属结构(11)由XY面内的金属片一(12)和XZ面内的竖直短路金属片二(13)连接构成，所述交错连接是指一个L型金属结构(11)中的金属片一(12)上连接竖直短路金属片二(13)一边的相对边在X方向与相邻的L型金属结构(11)中的金属片一(12)上连接竖直短路金属片二(13)一边的相对边连接，且两竖直短路金属片二(13)关于连接点旋转对称。

4.根据权利要求3所述半宽度微带贴片天线阵列，其特征在于，所述金属片天线二(3)位于介质基片(4)的中心区域，由XY面内的金属片二(31)、XZ面内的六条竖直金属片一(32)、YZ面内的各自位于X向首尾两端的共六条竖直金属片二(33)和YZ面内的竖直短路金属片三(34)构成，其中：

金属片二(31)由四条金属片天线一(1)在XY面内的部分在Y向镜像相接而成，竖直短路金属片二(13)作为相应的竖直金属片一(32)，竖直短路金属片一(14)作为相应的竖直金属片二(33)，竖直短路金属片三(34)替代四条金属片天线一(1)相接时在XZ面内的重合部分。