CN105789872A - 一种5.8GHzISA频段的紧凑型圆极化阵列天线 - Google Patents

一种5.8GHzISA频段的紧凑型圆极化阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种5.8GHzISA频段的紧凑型圆极化阵列天线，其特征在于由矩形单层双面PCB板1、塑料紧固件2、天线阵元3、天线阵元4和天线阵列馈线5组成，所述塑料紧固件2位于所述矩形单层双面PCB板四角上，所述天线阵元3和天线阵元4采用反对角线对称切边设计，所述天线阵列馈线5采用了不对称的H型结构，H型的短边与长边的相位相差180度。本发明灵巧设计与实用性、坚固性为一体，将较好的PCB微波材料性能、微带贴片天线固有的优势、馈线设计尤其是面对面的阵元布阵设计和降低电磁耦合效应很好地融合在一起，可供5.8GHz ISA频段医学多普勒雷达使用。

Description

一种5.8GHzISA频段的紧凑型圆极化阵列天线
技术领域
本发明属于天线、微波、医学多普勒雷达技术领域，特别涉及一种5.8GHzISA频段的紧凑型圆极化阵列天线，应用于非接触型呼吸与心跳生命体征探测信号的发射和接受。
背景技术
在地震、泥石流、塌方、雪崩等自然灾害和医护室中，需要探测人员、动物的重要生命体征信号如呼吸与心跳等，可采用非接触型的低功率微波信号探测和测量方法，结合数字信号处理技术，利用多普勒雷达可获得被测信号。5.8GHz(频带为5.725–5.875GHz)是ISA(工业、科学和医学)的一个公用频段，低功率微波信号是指均方根值辐照功率密度符合IEEEStdC95.1-2005国际标准，上限值为100W/m2。当然，还有其它ISA频段可供选用。
上述医学多普勒雷达，要求体积小、重量轻、易于携带和操作使用的坚固性，需要采用平面电路集成技术，将收发天线、射频前端、数字和控制电路等功能集成在一个多层PCB制作的模块中。因此，需要采用紧凑型的平面天线设计技术。
上述医学多普勒雷达发射功率低，要求在几米之几十米的探测范围内能够接收到回波信号，对天线增益要求较高，天线辐射效率要求较高，对波束宽度也有一定要求，需要采用正切损耗较低的微波PCB材料、较高增益的天线单元和阵列天线设计技术。
天线单元的阻抗要易于调节，阵列天线的馈线设计尽可能地简单，易于与天线单元集成，并减少电磁耦合效应。
综上所述，医学多普勒雷达对天线发射功率要求低、接收功率要求高，在天线尺寸、平面集成、坚固性等方面有诸多要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种5.8GHzISA频段的紧凑型圆极化阵列天线。
本发明的目的通过如下技术方案实现：一种5.8GHzISA频段的紧凑型圆极化阵列天线，由矩形单层双面PCB板1、塑料紧固件2、第一天线阵元3、第二天线阵元4和天线阵列馈线5组成，所述塑料紧固件2位于所述矩形单层双面PCB板四角上，所述第一天线阵元3和第二天线阵元4采用反对角线对称切边设计，所述天线阵列馈线5采用了不对称的H型结构，H型的短边与长边的相位相差180度。
所述单层双面PCB板1选用RogersRO4350B微波材料，介电常数为3.66，正切损耗为0.0034，厚度为1.524mm，双面覆铜板的厚度均为35μm。
所述天线阵列馈线5包括射频输入端口6、第一微带线7、T型功分器8、第二微带线9、第三微带线10组成。
所述天线阵列馈线5的不对称的H型结构由对称的两边和中间连接段组成，所述的对称的两边各位一段第二微带线9，所述中间连接段为对称结构，包括一段第二微带线9及其两边依次连接的一端第三微带线10和一段第一微带线7。
所述射频输入端口6位于所述T型功分器8的底边的两端。
所述第一微带线7为50Ω特性阻抗微带传输线，在所述天线阵列馈线5中共含有三个所述第一微带线7。
所述第二微带线9为100Ω特性阻抗微带传输线，用于过渡连接T型功分器8和第三微带线10。
所述第三微带线10为70.71Ω四分之一波长阻抗变换器。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明充分发挥较高性能PCB材料、高阻抗微带贴片天线、自由空间二分之一波长阵元间距布阵方法和简单的馈线设计技术，通过天线阵元切角方法，降低了天线阵元与馈线之间的电磁耦合效应措施、
2、本发明结构对称，天线阵列结构紧凑，易于与功分器、环形器进行射频前端集成。
3、本发明体积小、重量轻，天线性能较高，坚固性强。
附图说明
图1为本发明所述的5.8GHzISA频段的紧凑型圆极化阵列天线结构图；
图2为图1所述天线的PCB板结构图；
图3为图1所述天线的第一阵元结构图；
图4为图1所述天线的第二阵元结构图；
图5为图1所述天线的天线阵列馈线结构图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
天线阵列结构图如图1所示，图1是天线阵列结构图，由单层双面PCB1、塑料紧固件2、天线阵元3、天线阵元4和天线阵列馈线5组成。所有设计在一层双面PCB1上面完成，包括塑料螺钉的安装孔位2、天线阵元3和4、阵列馈线5。整个天线阵列的大小是：长度L为75.2mm，宽度W为49mm，高度是接近1.6mm。塑料螺钉是常规的紧固件，没有特殊要求。
单层双面PCB1选用RogersRO4350B微波材料，介电常数为3.66，正切损耗为0.0034，厚度为1.524mm，双面覆铜板的厚度均为35μm，满足150MHz系统带宽设计要求，天线辐射效率可达到80％以上。普通FR4PCB虽然价格低，但是正切损耗大，贴片天线辐射效率低(大约为35％左右)，不满足紧凑型天线阵列设计要求。
如图2所示是一层双面PCB，选用的是RogersRO4350B微波材料，介电常数为3.66，正切损耗为0.0034，厚度为1.524mm，双面覆铜板的厚度均为35μm。天线阵元3和4、馈线5在PCB的一面覆铜板上面加工完成，采用的是常规PCB工艺，没有特殊工艺要求。PCB的另一面是保留的覆铜板，作为射频信号的地板使用。塑料紧固件2是作为一种应用示例，是为了降低金属紧固件与天线之间的电磁耦合效应，经卫星导航天线实际应用，证明效果很好，同时满足结构设计要求。天线阵列的最大辐射方向在垂直于PCB1方向上，半功率波束宽度为28度，最大副瓣小于-12dB。
如图3和图4所示是二种结构的天线阵元，天线阵元的长度T1为12.9mm，宽度T2为16mm。天线阵元的对角线切边尺寸T3为1.5mm，切边方法如图3和图4所示。天线阵元的馈电端口尺寸，T4为3.8mm，T5为0.8mm。
天线阵元3是天线阵列的一种优化阵元结构，采用100Ω高输入阻抗，降低了馈线设计的复杂性，同时采用反对角线对称切边设计，降低天线阵元与馈线之间的电磁耦合效应。
天线阵元4是天线阵列的另外一种阵元结构，采用100Ω高输入阻抗，降低了馈线设计的复杂性，同时采用对角线对称切边设计，降低天线阵元与馈线之间的电磁耦合效应。
如图5所示是天线阵列馈线5是一种优化的四元对称阵列结构，由射频输入端口6、50Ω微带线7、T型功分器8、100Ω微带线9、70.71Ω微带线10组成，其中：
6是天线阵列的50Ω射频输入和测试端口，作为安装SMA使用，选用的产品型号为Johnson142-0701-801。在5.725–5.875GHz频带范围内，射频端口6的S11小于-10dB。在中心频率5.8GHz，射频端口6的S11小于-23dB。
7是50Ω特性阻抗微带传输线，仅作为延长射频信号参考面使用，在射频前端平面集成设计(如功分器、环形器等)或者多层PCB垂直集成设计中，该部分可以根据需要灵活更改设计。在天线阵列馈线5设计中，使用了3个50Ω特性阻抗微带传输线。宽度W1为3.4mm，长度为37.2mm。
8是T型功分器，同时兼做50Ω和100Ω特性阻抗微带传输线过渡使用。在天线阵列馈线5设计中，使用了3个相同的T型功分器8。其中W2为0.8mm，L1为1.34mm。
9是100Ω特性阻抗微带传输线，用于过渡连接T型功分器和四分之一波长阻抗变换器。在天线阵列馈线5设计中，使用了6个100Ω特性阻抗传输线。
10是70.71Ω四分之一波长阻抗变换器。在天线阵列馈线5设计中，使用了2个70.71Ω四分之一波长阻抗变换器。W3为1.80mm，L2为7.76mm。
在天线阵列馈线5设计中，仅仅使用了50Ω、70.71Ω和100Ω特性阻抗微带传输线，以及W2-W2-W3的微带T型功分器，T型功分器连接传输线的特性阻抗分别为50Ω和100Ω。在图5中，其它的100Ω微带线，L3为3mm，L4为19mm。L4与L3相差二分之一导波波长，天线阵元馈电端口相位相差180度。
经测试，天线阵列馈线5的设计性能良好，6的S11将近-20dB。
在天线阵列馈线5设计中，通过优化设计，使天线阵元的间距为自由空间二分之一波长，约25mm。
在天线阵列馈线5设计中，四个天线阵元采用了不对称的H型结构，H型的短边与长边的相位相差180度，从而充分发挥了该天线阵元的独特性能。在本发明设计中，没有采用相同阵元、相同方向(阵元馈电端口)的天线布阵方法。
在频带范围内，天线阵列的方向性系数D大于12dB，增益为10.6dB，辐射效率大于70％。
本发明集灵巧设计与实用性、坚固性为一体，将较好的PCB微波材料性能、微带贴片天线固有的优势、馈线设计尤其是面对面的阵元布阵设计和降低电磁耦合效应很好地融合在一起，可供5.8GHzISA频段医学多普勒雷达使用。
经测试，本发明的设计方法具有通用性，不限于5.8GHzISA频段的天线阵列，也不限于四元天线阵列，如以本发明的2*2天线阵列为基础，可构建如4*4等更多单元的天线阵列，包括SMA的微带和垂直馈电方式，天线性能十分良好。
经测试，天线阵列性能十分稳定可靠。在考虑到电磁场边缘效应情况下，天线阵列的体积可控制在75*49*2mm3以内。
另外，本发明的设计并没有使用任何孔缝电磁耦合方法。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种5.8GHzISA频段的紧凑型圆极化阵列天线，其特征在于由矩形单层双面PCB板(1)、塑料紧固件(2)、第一天线阵元(3)、第二天线阵元(4)和天线阵列馈线(5)组成，所述塑料紧固件(2)位于所述矩形单层双面PCB板四角上，所述第一天线阵元(3)和第二天线阵元(4)采用反对角线对称切边设计，所述天线阵列馈线(5)采用了不对称的H型结构，H型的短边与长边的相位相差180度。
2.根据权利要求1所述的5.8GHzISA频段的紧凑型圆极化阵列天线，其特征在于所述单层双面PCB板(1)选用RogersRO4350B微波材料，介电常数为3.66，正切损耗为0.0034，厚度为1.524mm，双面覆铜板的厚度均为35μm。
3.根据权利要求1所述的5.8GHzISA频段的紧凑型圆极化阵列天线，其特征在于所述天线阵列馈线(5)包括射频输入端口(6)、第一微带线(7)、T型功分器(8)、第二微带线(9)、第三微带线(10)组成。
4.根据权利要求3所述的5.8GHzISA频段的紧凑型圆极化阵列天线，其特征在于所述天线阵列馈线(5)的不对称的H型结构由对称的两边和中间连接段组成，所述的对称的两边各位一段第二微带线(9)，所述中间连接段为对称结构，包括一段第二微带线(9)及其两边依次连接的一端第三微带线(10)和一段第一微带线(7)。
5.根据权利要求3所述的5.8GHzISA频段的紧凑型圆极化阵列天线，其特征在于所述射频输入端口(6)位于所述T型功分器(8)的底边的两端。
6.根据权利要求3所述的5.8GHzISA频段的紧凑型圆极化阵列天线，其特征在于所述第一微带线(7)为50Ω特性阻抗微带传输线，在所述天线阵列馈线(5)中共含有三个所述第一微带线(7)。
7.根据权利要求3所述的5.8GHzISA频段的紧凑型圆极化阵列天线，其特征在于所述第二微带线(9)为100Ω特性阻抗微带传输线，用于过渡连接T型功分器(8)和第三微带线(10)。
8.根据权利要求3所述的5.8GHzISA频段的紧凑型圆极化阵列天线，其特征在于所述第三微带线(10)为70.71Ω四分之一波长阻抗变换器。
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