CN105870612A - 宽带紧凑型微带阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了宽带紧凑型微带阵列天线，其介质基板上具有偶数行和偶数列微带贴片，在介质基板的x轴方向设置有两条通过馈电结构连接在一起的x向串联馈电网络，两条x向串联馈电网络将偶数列微带贴片均分成两部分；每排左侧部分的微带贴片和每排右侧的微带贴片均与其邻近的y向串联馈电网络连接组成一个子阵；每排左侧子阵的微带贴片和组成每排右侧子阵的微带贴片分别通过连接一条y向串联馈电网络进行馈电，且每排左侧的子阵与每排右侧的子阵并联，上下二分之一天线阵列的沿x向相邻的两个子针之间串联；沿x轴方向，介质基板的上半部分微带贴片构成的阵列和介质基板的下半部分微带贴片构成的阵列通过馈电结构并联在一起。
Description
技术领域
本发明涉及微带阵列天线技术领域，具体涉及一种宽带紧凑型微带阵列天线。
背景技术
随着现代通讯系统的飞速发展，通信设备的体积不断减小，通信频带不断向宽频带、高频段发展，对通信设备提出了越来越高的要求，推动了作为通信系统中的关键部件天线的小型化和宽带化的发展。
微带天线因具有体积小、重量轻、剖面低、馈电方式灵活、成本低、易与飞行器共形等优点而深受人们的青睐，但传统微带天线阻抗带宽较窄，一般的微带天线的带宽仅有5%左右。传统的微带天线的窄频带特性成了限制其广泛应用的主要障碍，因此展宽微带天线的带宽具有十分重要的意义。近年来，随着微带天线的应用越来越广，展宽微带贴片天线带宽的方法主要集中在以下几种情况：①采用厚介质基板；②采用低介电常数的基板；③采用多层结构；④采用特殊馈电方式和特殊形状的贴片天线。然而这些方法都具有一定的不足，如采用厚基板成本较高，采用低介电常数的基板天线尺寸较大，不利于小型化， 采用多层结构设计复杂，装配成本过高，采用特殊形状的贴片天线导致辐射方向图的畸形，以及极化不纯的问题。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的宽带紧凑型微带阵列天线采用单层结构实现了宽带阻抗带宽，且最大辐射的方向不会随频率变化而发生偏移。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种宽带紧凑型微带阵列天线，其包括一块介质基板、设置在介质基板上表面的微带贴片和设置在介质基板下表面的金属地板；微带贴片在介质基板上成偶数行和偶数列的阵列排布，在介质基板的x轴方向设置有两条通过馈电结构连接在一起的x向串联馈电网络，连接在一起的两条x向串联馈电网络将偶数列微带贴片均分成两部分；
每排左侧部分的微带贴片和每排右侧的微带贴片均与其邻近的y向串联馈电网络连接组成一个子阵；每排左侧子阵的微带贴片和组成每排右侧子阵的微带贴片分别通过连接一条y向串联馈电网络进行馈电，且每排左侧的子阵与每排右侧的子阵并联，上下二分之一天线阵列的沿x向相邻的两个子针之间串联；沿x轴方向，介质基板的上半部分微带贴片构成的阵列和介质基板的下半部分微带贴片构成的阵列通过馈电结构并联在一起。
本发明的有益效果为：通过将介质基板上的微带贴片设置成偶数行和偶数列的阵列排布，这样微带贴片利用x轴和y轴两个方向的功分馈电网络先串联再进行并联的混合方式进行馈电，通过对每一行的馈电网络进行阻抗匹配和优化，使天线最大辐射的方向不会随频率变化而发生偏移，从而使天线的阻抗带宽覆盖范围从现有的5%上升至15%。
附图说明
图1为宽带紧凑型微带阵列天线一个实施例的结构示意图。
图2为宽带紧凑型微带阵列天线另一个实施例的结构示意图。
图3为图1和图2中A部的放大图。
图4宽带紧凑型微带阵列天线在X波段的宽带紧凑型微带阵列天线测试的S参数图。
图5为宽带紧凑型微带阵列天线在10.525GHz测试的垂直面（YOZ面）方向图。
图6为宽带紧凑型微带阵列天线在10.525GHz测试的水平面（XOZ面）方向图。
其中，1、微带贴片；2、介质基板；3、子阵；4、y向串联馈电网络；5、x向串联馈电网络；6、微带线；7、馈电结构；8、一分三功分器；9、金属地板；10、一分二功分器；11、T型功分器；12、匹配缝隙。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1和图2所示，该宽带紧凑型微带阵列天线包括一块介质基板2、设置在介质基板2上表面的微带贴片1和设置在介质基板2下表面的金属地板9；介质基板2为一块介电常数为2.2的TLY-5高分子介质基板2，其厚度为1.143mm，介质基板2为矩形且为单层板体。
微带贴片1在介质基板2上成偶数行和偶数列的阵列排布，在介质基板2的x轴方向设置有两条通过馈电结构7连接在一起的x向串联馈电网络5，连接在一起的两条x向串联馈电网络5将偶数列微带贴片1均分成两部分；每排左侧部分的微带贴片1和每排右侧的微带贴片1均与其邻近的y向串联馈电网络4连接组成一个子阵3。
每排左侧子阵3的微带贴片1和组成每排右侧子阵3的微带贴片1分别通过连接一条y向串联馈电网络4进行馈电，且每排左侧的子阵3与每排右侧的子阵3并联，x向二分之一阵列的x向相邻的子阵3之间串联；沿x轴方向，介质基板2的上半部分微带贴片1构成的阵列和介质基板2的下半部分微带贴片1构成的阵列通过馈电结构7并联在一起。
通过将介质基板2上的微带贴片1设置成偶数行和偶数列的阵列排布，这样微带贴片1利用x轴和y轴两个方向的功分馈电网络先串联再进行并联的混合方式进行馈电，通过对每一行的馈电网络进行阻抗匹配和优化，使天线最大辐射的方向不会随频率变化而发生偏移，从而使天线的阻抗带宽覆盖范围从现有的5%上升至15%。
再次参考图1和图2，x向串联馈电网络5包括一个T型功分器11和至少一个一分三功分器8；一分三功分器8的个数与二分之一微带贴片1行数的个数少一个；T型功分器11与位于介质基板2边缘的两条y向串联馈电网络4连接，每个一分三功分器8与其邻近的两条y向串联馈电网络4连接；T型功分器11与至少一个一分三功分器8依次连接。y向串联馈电网络4包括至少一个一分二功分器10，相邻的一分二功分器10和每个功分器与相邻的微带贴片1均通过微带线6连接。这样每一级馈网结构的功分器均可以进行优化设计，馈电网络的微带线宽度呈现阶梯变化，实现整个馈电网络的宽带阻抗匹配，且能保持馈电网络的对称性，保证最大辐射方向不随频率变化。
当微带线6为直线时，天线要实现相同的阻抗带宽覆盖范围，就需要将天线的整体尺寸做得更大，而尺寸较大会致使使用该天线的通信设备的体积也相应的增大，为了实现通信设备和天线的小型化，保证天线结构更紧凑，本方案优选x向串联馈电网络5的微带线6和y向串联馈电网络4的微带线6均设置呈蜿蜒形，这样在相同空间内，微带线6的长度更长。
如图3所示，y向串联馈电网络4和与其连接的微带贴片1采用边缘中心馈电；每个微带贴片1在与其连接的y向串联馈电网络4的两侧开设有匹配间隙12；采用这样的馈电方式后，天线的交叉极化更好，进一步实现确保了阻抗匹配与带宽的提高。
如图2所示，馈电结构7包括与两条x向串联馈电网络5连接的一分二功分器10和一条一端与连接x向串联馈电网络5连接的一分二功分器10连接，另一端与金属地板9连接的微带线6。如图3所示，馈电结构7为一个一端与两条x向串联馈电网络5连接，另一端与外部的同轴转接器连接的SAM接头。
微带贴片1为矩形结构，所有微带贴片1的大小相同，排列均朝向x轴方向，实现了x轴方向的线极化。使用时，本方案优选采用微带贴片1在介质基板2上呈6×8的阵列排布。
采用微带贴片1在介质基板2上呈6×8的阵列排布的结构后，微带阵列天线的整体尺寸（WXL）为149.75mm×122.5mm，微带天线上每行微带贴片1在x轴方向间距为18mm，每列微带贴片1在y轴方向间距为19mm；所有微带贴片1排列均朝向x轴方向，采用边缘中心馈电，实现x向线极化，两个相邻的微带贴片1采用同相馈电激励，为了控制阵列大小尺寸和调节馈电相位，相邻单元间的串联馈电网络的微带线6采用蜿蜒线设计。
y向串联馈电网络4和x向串联馈电网络5的功分幅度设计均实现中心到两边的幅度从大到小的销锥分布，以利于减小副瓣电平。Y轴方向中间的微带贴片1间距稍大，主要为了减小微带贴片1和中间馈网走线的耦合。微带贴片1与馈电微带线6之间开两个匹配间隙12，可以实现宽带匹配。
参考图4，图4示出了宽带紧凑型微带阵列天线在X波段的宽带紧凑型微带阵列天线测试的S参数图。通过测试结果可以看出，微带阵列天线的S11在9.43GHz到11.03GHz的范围内均在-10dB以下，因此微带阵列天线的-10dB相对阻抗带宽为15.6%，该天线使用单层结构，利用馈电网络的优化设计实现了带宽。
如图5所示，其示出了宽带紧凑型微带阵列天线在10.525GHz测试的垂直面（YOZ面）方向图。微带阵列天线在该面的最大辐射方向指向法向，方向图完全对称，副瓣电平为-13.3dB，副瓣电平低于-12dB，满足工程上的应用。
如图6所示，其示出了宽带紧凑型微带阵列天线在10.525GHz测试的水平面（XOZ面）方向图。微带阵列天线在该面最大辐射方向指向法向，方向图基本对称，副瓣电平为-14.5dB，副瓣电平低于-12dB，满足工程上的应用。
本发明实现宽带阻抗带宽的原理是，利用x，y两个方向的功分馈电网络先串联再进行并联的混合方式进行馈电，馈网在x，y两个方向对称设计，并通过对每一级的馈电网络进行阻抗匹配和优化设计，天线可以覆盖15%左右的阻抗带宽，从而实现带宽。
综上所述，该微带阵列天线的方向图的指向不随频率的变化发生变化，且其还具有结构紧凑，加工装配简单，可以用单层结构实现宽带阻抗带宽。
Claims (10)
1.宽带紧凑型微带阵列天线，包括一块介质基板、设置在所述介质基板上表面的微带贴片和设置在所述介质基板下表面的金属地板；其特征在于：所述微带贴片在所述介质基板上成偶数行和偶数列的阵列排布，在所述介质基板的x轴方向设置有两条通过馈电结构连接在一起的x向串联馈电网络，连接在一起的两条x向串联馈电网络将偶数列微带贴片均分成两部分；
每排左侧部分的微带贴片和每排右侧的微带贴片均与其邻近的y向串联馈电网络连接组成一个子阵；每排左侧子阵的微带贴片和组成每排右侧子阵的微带贴片分别通过连接一条y向串联馈电网络进行馈电，且每排左侧的子阵与每排右侧的子阵并联，上下二分之一天线阵列的沿x向相邻的两个子针之间串联；沿x轴方向，介质基板的上半部分微带贴片构成的阵列和介质基板的下半部分微带贴片构成的阵列通过馈电结构并联在一起。
2.根据权利要求1所述的宽带紧凑型微带阵列天线，其特征在于：所述x向串联馈电网络包括一个T型功分器和至少一个一分三功分器；所述一分三功分器的个数比二分之一微带贴片行数的个数少一个；所述T型功分器与位于介质基板边缘的两条y向串联馈电网络连接，每个一分三功分器与其邻近的两条y向串联馈电网络连接；所述T型功分器与至少一个一分三功分器依次连接。
3.根据权利要求2所述的宽带紧凑型微带阵列天线，其特征在于：所述y向串联馈电网络包括至少一个一分二功分器，相邻的一分二功分器和每个功分器与相邻的微带贴片均通过微带线连接。
4.根据权利要求3所述的宽带紧凑型微带阵列天线，其特征在于：所述y向串联馈电网络的微带线和所述x向串联馈电网络的微带线均设置呈蜿蜒形。
5.根据权利要求1-4任一所述的宽带紧凑型微带阵列天线，其特征在于：所述y向串联馈电网络和与其连接的微带贴片采用边缘中心馈电。
6.根据权利要求5所述的宽带紧凑型微带阵列天线，其特征在于：每个微带贴片在与其连接的y向串联馈电网络的两侧开设有匹配间隙。
7.根据权利要求1、2、3、4或6所述的宽带紧凑型微带阵列天线，其特征在于：所述馈电结构包括与两条x向串联馈电网络连接的一分二功分器和一条一端与连接x向串联馈电网络连接的一分二功分器连接，另一端与金属地板连接的微带线。
8.根据权利要求1、2、3、4或6所述的宽带紧凑型微带阵列天线，其特征在于：所述馈电结构为一个一端与两条x向串联馈电网络连接，另一端与外部的同轴转接器连接的SAM接头。
9.根据权利要求1、2、3、4或6所述的宽带紧凑型微带阵列天线，其特征在于：所述微带贴片在所述介质基板上呈6×8的阵列排布。
10.根据权利要求9所述的宽带紧凑型微带阵列天线，其特征在于：所述微带贴片为矩形结构。
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