CN106252902A - 一种紧凑型宽带端射阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紧凑型宽带端射阵列天线，包括单层双面PCB板，所述PCB的一面设置有馈电网络，所述PCB的另一面设置有天线阵列，所述馈电网络包括射频输入前端部分和射频输入后端部分，所述射频输入后端部分的4个输出端口的输出功率相同且输出相位自左上方顺时针方向开始分别为270°、90°、180°和0°，所述天线阵列与所述输出端口对应设置。由此可见，上述天线可以实现辐射方向为端射，而不是垂直，由于端射天线具有高定向性的特点，可以收、发射频/微波/毫米波信号，相对辐射方向为垂直于阵列平面来说，能够更好的满足飞行器的实际需求。

Description

一种紧凑型宽带端射阵列天线
技术领域
本发明涉及射频天线技术领域，特别是涉及一种紧凑型宽带端射阵列天线。
背景技术
各种飞行器在高速运动过程中基于目标探测、精确制导、末端寻的、无线通信等需求，期望在其运动轨迹的正前方发射或者接收一个天线波束，同时安装的天线须符合流体力学、总体结构设计、雷达散射截面(RCS)缩减等要求。传统阵列天线多为采用口面天线作为辐射单元的侧视阵，其辐射方向垂直于阵列平面，很显然辐射方向为垂直于阵列平面的话，无法满足实际需求。
由此可见，如何实现天线的辐射方向在飞行器的运动轨迹的正前方是本领域技术人员亟待解决地问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种紧凑型宽带端射阵列天线，用于实现天线的辐射方向在飞行器的运动轨迹的正前方。
为解决上述技术问题，本发明提供一种紧凑型宽带端射阵列天线，包括单层双面PCB板，所述PCB的一面设置有馈电网络，所述PCB的另一面设置有天线阵列，所述馈电网络包括射频输入前端部分和射频输入后端部分，所述射频输入后端部分的4个输出端口的输出功率相同且输出相位自左上方顺时针方向开始分别为270°、90°、180°和0°，所述天线阵列与所述输出端口对应设置。
优选地，所述射频输入前端包括射频输入端口、第一T型功分器、第一微带线、第二微带线、第一波长变换器和第二波长变换器；
所述第一T型功分器的第一端口通过第一微带线与所述射频输入端口连接，所述第一T型功分器的第二端口依次连接有第二微带线和第一波长变换器，所述第一T型功分器的第三端口均依次连接有所述第二微带线和第二波长变换器；
其中，所述第一微带线的宽度大于第二微带线的宽度，所述第一波长变换器和所述第二波长变换器参数相同。
优选地，所述第一微带线为50Ω，所述第二微带线为100Ω。
优选地，所述第一波长变换器和所述第二波长变换器均为70.71Ω的四分之一波长变换器。
优选地，所述射频输入后端部分包括第一分支和第二分支，所述第一分支包括第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线、第七微带线和第二T型功分器、第三波长变换器和第四波长变换器；
所述第二T型功分器的第一端口与所述第三微带线连接，所述第三微带线还与所述第一波长变换器连接，所述第二T型功分器的第二端口依次与所述第四微带线、所述第三波长变换器以及所述第五微带线连接，所述第五微带线的端口作为相位为270°的输出端口；
所述第二T型功分器的第三端口依次与所述第六微带线、所述第四波长变换器以及所述第七微带线连接，所述第七微带线的端口作为相位为90°的输出端口；
所述第二分支包括第八微带线、第九微带线、第十微带线、第十一微带线、第十二微带线和第三T型功分器、第五波长变换器和第六波长变换器；
所述第三T型功分器的第一端口与所述第八微带线连接，所述第八微带线还与所述第二波长变换器连接，所述第三T型功分器的第二端口依次与所述第九微带线、所述第五波长变换器以及所述第十微带线连接，所述第十微带线的端口作为相位为0°的输出端口；
所述第三T型功分器的第三端口依次与所述第十一微带线、所述第六波长变换器以及所述第十二微带线连接，所述第十二微带线的端口作为相位为180°的输出端口；
其中，所述第三微带线、所述第五微带线、所述第七微带线、所述第八微带线、所述第十微带线、所述第十二微带线与所述第一微带线的宽度相同；所述第四微带线、所述第六微带、所述第九微带线、所述第十一微带线与所述第二微带线的宽度相同，所述第六微带线的长度比所述第四微带线的长度增加λg/2，所述第九微带线的长度比所述第十一微带线的长度增加λg/2，λg是导波波长，所述第三微带线的长度与所述第八微带线的长度，所述第三波长变换器、所述第四波长变换器，所述第五波长变换器、所述第六波长变换器与所述第一波长变换器和所述第二波长变换器的参数相同。
优选地，所述天线阵列包括4个对称设置的天线阵列单元，分别与相位为270°的输出端口、相位为90°的输出端口、相位为0°的输出端口、相位为180°的输出端口对应设置，所述天线阵列单元为内嵌正方形环缝结构，所述内嵌正方形环缝结构为向中心汇聚且中心对称的4个T型分支。
优选地，所述天线阵列单元的正方形外环的边长为8mm，正方形外环与内环的间距为1.1mm，所述T型分支的横杆的长度和宽度分别为2.9mm和0.8mm，所述T型分支的竖杆的长度和宽度分别为0.78mm和1.01mm。
优选地，所述天线阵列在水平方向上为正方形，长度和宽度分别为36.26mm，所述天线阵列在垂直方向上的高度为1mm。
优选地，所述PCB板为矩形，所述PCB板的4个角设置有安装孔。
优选地，所述PCB板的厚度为1mm，双面覆铜板的厚度均为35μm。
本发明所提供的紧凑型宽带端射阵列天线，射频输入后端部分采用非对称结构，自左上方顺时针方向，4个输出端口的输出功率相等，输出相位分别是270°、90°、180°和0°，而天线阵列与4个输出端口对应设置，使得阵列天线的最大辐射方向平行于PCB板，从而实现良好的端射性能。由于端射天线具有高定向性的特点，可以收、发射频/微波/毫米波信号，相对辐射方向为垂直于阵列平面来说，能够更好的满足飞行器的实际需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种紧凑型宽带端射阵列天线的结构图；
图2为本发明实施例提供的一种PCB板具有馈电网络的一面的结构图；
图3为本发明实施例提供的一种PCB板具有天线阵列的一面的结构图；
图4为本发明实施例提供的一种馈电网络的结构图；
图5为本发明实施例提供的一种馈电网络的尺寸对照示意图；
图6为本发明实施例提供的一种天线阵列的结构图；
图7为本发明实施例提供的一种天线阵列单元的结构图；
图8为本发明实施例提供的一种紧凑型宽带端射阵列天线的回波损耗图；
图9为本发明实施例提供的一种紧凑型宽带端射阵列天线的xz和yz截面上的增益方向图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
本发明的核心是提供一种紧凑型宽带端射阵列天线。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明实施例提供的一种紧凑型宽带端射阵列天线的结构图。图2为本发明实施例提供的一种PCB板具有馈电网络的一面的结构图。图3为本发明实施例提供的一种PCB板具有天线阵列的一面的结构图。如图1-3所示，紧凑型宽带端射阵列天线包括单层双面PCB板1，PCB的一面设置有馈电网络2，PCB的另一面设置有天线阵列3，馈电网络2包括射频输入前端部分和射频输入后端部分，射频输入后端部分的4个输出端口(标号为20、21、22和23)的输出功率相同且输出相位自左上方顺时针方向开始分别为270°、90°、180°和0°，天线阵列3与输出端口对应设置。
在具体实施中，PCB板1可以选用FR4_epoxy微波材料，相对介电常数为4.4，正切损耗为0.02，厚度为1mm，双面覆铜板的厚度均为35μm。PCB板1可以为矩形，矩形的长度L和宽度W可以根据实际情况设定。
本实施例提供的紧凑型宽带端射阵列天线，射频输入后端部分采用非对称结构，自左上方顺时针方向，4个输出端口的输出功率相等，输出相位分别是270°、90°、180°和0°，而天线阵列与4个输出端口对应设置，使得阵列天线的最大辐射方向平行于PCB板，从而实现良好的端射性能。由于端射天线具有高定向性的特点，可以收、发射频/微波/毫米波信号，相对辐射方向为垂直于阵列平面来说，能够更好的满足飞行器的实际需求。
图4为本发明实施例提供的一种馈电网络的结构图。如图4所示，射频输入前端包括射频输入端口40、第一T型功分器41、第一微带线42、第二微带线43、第一波长变换器44和第二波长变换器45。
第一T型功分器41的第一端口通过第一微带线42与射频输入端口40连接，第一T型功分器41的第二端口依次连接有第二微带线43和第一波长变换器44，第一T型功分器41的第三端口均依次连接有第二微带线43和第二波长变换器45；
其中，第一微带线42的宽度大于第二微带线43的宽度，第一波长变换器44和第二波长变换器45参数相同。
由于微带线的宽度和阻抗成反比，不同的宽度则对应的阻抗也不同。至于微带线的长度和形状可以灵活设定。例如，第一微带线的宽度是第二微带线宽度的4.33倍，在具体实施中，可以选择第一微带线为50Ω，第二微带线为100Ω。另外，第一波长变换器44和第二波长变换器45只是为了区分，二者的参数相同的。例如在一种具体的实施方式中，可以选择第一波长变换器44和第二波长变换器45均为70.71Ω的四分之一波长变换器。
射频输入端口40是天线阵列3的射频输入和测试端口，作为安装SMA使用，选用的产品型号可为Gwave SMA-KHD9A。
如图4所示，射频输入后端部分包括第一分支(图中上半部分即与第一波长变换器44连接的分支)和第二分支(图中下半部分即与第二波长变换器45连接的分支)，第一分支包括第三微带线46、第四微带线47、第五微带线48、第六微带线49、第七微带线50和第二T型功分器51、第三波长变换器52和第四波长变换器53。
第二T型功分器51的第一端口与第三微带线46连接，第三微带线46还与第一波长变换器44连接，第二T型功分器的第二端口依次与第四微带线47、第三波长变换器52以及第五微带线48连接，第五微带线48的端口作为相位为270°的输出端口20。
第二T型功分器51的第三端口依次与第六微带线49、第四波长变换器53以及第七微带线50连接，第七微带线50的端口作为相位为90°的输出端口21。
如图4所示，第二分支包括第八微带线54、第九微带线55、第十微带线56、第十一微带线57、第十二微带线58和第三T型功分器59、第五波长变换器60和第六波长变换器61。
第三T型功分器59的第一端口与第八微带线54连接，第八微带线54还与第二波长变换器45连接，第三T型功分器59的第二端口依次与第九微带线55、第五波长变换器60以及第十微带线56连接，第十微带线56的端口作为相位为180°的输出端口22。
第三T型功分器59的第三端口依次与第十一微带线57、第六波长变换器61以及第十二微带线58连接，第十二微带线58的端口作为相位为0°的输出端口23。
其中，第三微带线46、第五微带线48、第七微带线50、第八微带线54、第十微带线56、第十二微带线58与第一微带线42的宽度相同；第四微带线47、第六微带49、第九微带线55、第十一微带线57与第二微带线43的宽度相同，第六微带线49的长度比第四微带线47的长度增加λg/2，第九微带线55的长度比第十一微带线57的长度增加λg/2，λg是导波波长，第三微带线46的长度与第八微带线54的长度，第三波长变换器52、第四波长变换器53，第五波长变换器60、第六波长变换器61与第一波长变换器44和第二波长变换器45的参数相同。
可以理解的是，如果没有特殊说明微带线的形状时可以灵活调整的，例如，对于第一微带线42来说是直线型，宽度为1.82mm，而第二微带线43为弯曲型，宽度为0.42mm。
导波波长的计算公式为：其中，λg是导波波长，c为光速，f为工作频率，εe为有效介电常数。
可以理解的是，第四微带线47和第六微带线49的长度不同，导致输出端口20和输出端口21的相位不同，第九微带线55和第十一微带线57的长度不同，导致输出端口22和输出端口23的相位不同。在一种具体的实施方式中，上述6个波长变换器的长度可以为6.2mm，宽度为0.96mm。另外，第一T型功分器41、第二T型功分器51和第三T型功分器59，这三种T型功分器是完全一样的，可以同时兼做50Ω和100Ω特性阻抗微带线过渡使用，长度可以为1.82mm，宽度可以为0.42mm。
图5为本发明实施例提供的一种馈电网络的尺寸对照示意图。可以理解的是，图5与图4是相同的，因此对应的标号也是相同的(为了图示清楚，图5中只标注了部分，其余部分请与图4对照即可)，只是图5中对于不同位置的尺寸做了标注。如图5所示，在馈电网络2中，各个微带线的尺寸，L4为4.32mm，W4为1.92mm，L5为0.62mm，W5为0.27mm，L6为0.22mm，W6为0.27mm，L7为0.5mm，L8为2.09mm，L9为1.5mm，L10为2.16mm，L11为4.7mm，L12为2mm，L13为5.26mm，L14为0.2mm，L15为0.5mm，L16为0.2mm，L17为1.86mm，L18为0.5mm，L19为1.16mm。
图6为本发明实施例提供的一种天线阵列的结构图。如图6所示，天线阵列3包括4个对称设置的天线阵列单元60，分别与相位为270°的输出端口、相位为90°的输出端口、相位为180°的输出端口、相位为0°的输出端口对应设置，天线阵列单元60为内嵌正方形环缝结构，内嵌正方形环缝结构为向中心汇聚且中心对称的4个T型分支。另外，天线阵列单元60之间的间距G接近自由空间二分之一波长，可以为21mm。
图7为本发明实施例提供的一种天线阵列单元的结构图。如图7所示，天线阵列单元60的4个T型分支为中心对称，天线阵列单元60的正方形外环的边长D为8mm，正方形外环与内环的间距d为1.1mm，T型分支的横杆的长度M2和宽度N2分别为2.9mm和0.8mm，T型分支的竖杆的M1长度和宽度N1分别为1.01mm和0.78mm。在具体实施中，如果选用50Ω微带线进行馈电，则天线阵列单元60的输入阻抗为50Ω。天线工作的中心频率由正方形缝的周长及内嵌缝的尺寸决定，工作带宽主要受内嵌缝影响，因此具体的尺寸需要根据实际情况设定，本实施例不再赘述。
作为优选地实施方式，天线阵列3在水平方向上为正方形，长度和宽度分别为36.26mm，天线阵列在垂直方向上的高度为1mm。
相对于现有的天线阵列的长宽至少为一百多毫米，而本发明中天线阵列的长度和宽度均为36.26mm，尺寸大大减小，实现阵列天线的紧凑性、小型化设计；阵列天线的高度为1mm，使得该天线阵列具有极低剖面，可与各种飞行器共形。另外，在具体实施中，可以根据实际需求设定天线阵列的尺寸，例如设定天线阵列单元的尺寸以使得天线能够满足各种频段的要求，例如C频段，本实施例不再赘述。
如图6所示，在上述实施例的基础上，PCB板1为矩形，PCB板的4个角设置有安装孔4。
在其它实施例中，还包括紧固件，紧固件与安装孔4配合使用，以将PCB板安装在相应的位置上。
图8为本发明实施例提供的一种紧凑型宽带端射阵列天线的回波损耗图。如图8所示，该天线的工作中心频率为5.8GHz，工作频带为5.61GHz–6.57GHz，绝对带宽达到0.96GHz，满足宽带天线的要求。
图9为本发明实施例提供的一种紧凑型宽带端射阵列天线的xz和yz截面上的增益方向图。如图9所示，xz截面上的增益方向图表明该天线沿x轴方向的辐射最强，最大后瓣小于-7dB，yz截面上的增益方向图表明该天线沿x轴方向的辐射非常集中，从而说明所设计阵列天线具有良好的端射性能。
以上对本发明所提供的紧凑型宽带端射阵列天线进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

Claims (10)

1.一种紧凑型宽带端射阵列天线，其特征在于，包括单层双面PCB板，所述PCB的一面设置有馈电网络，所述PCB的另一面设置有天线阵列，所述馈电网络包括射频输入前端部分和射频输入后端部分，所述射频输入后端部分的4个输出端口的输出功率相同且输出相位自左上方顺时针方向开始分别为270°、90°、180°和0°，所述天线阵列与所述输出端口对应设置。
2.根据权利要求1所述的紧凑型宽带端射阵列天线，其特征在于，所述射频输入前端包括射频输入端口、第一T型功分器、第一微带线、第二微带线、第一波长变换器和第二波长变换器；
所述第一T型功分器的第一端口通过第一微带线与所述射频输入端口连接，所述第一T型功分器的第二端口依次连接有第二微带线和第一波长变换器，所述第一T型功分器的第三端口依次连接有所述第二微带线和第二波长变换器；
其中，所述第一微带线的宽度大于第二微带线的宽度，所述第一波长变换器和所述第二波长变换器参数相同。
3.根据权利要求2所述的紧凑型宽带端射阵列天线，其特征在于，所述第一微带线为50Ω，所述第二微带线为100Ω。
4.根据权利要求2所述的紧凑型宽带端射阵列天线，其特征在于，所述第一波长变换器和所述第二波长变换器均为70.71Ω的四分之一波长变换器。
5.根据权利要求2所述的紧凑型宽带端射阵列天线，其特征在于，所述射频输入后端部分包括第一分支和第二分支，所述第一分支包括第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线、第七微带线和第二T型功分器、第三波长变换器和第四波长变换器；
所述第二T型功分器的第一端口与所述第三微带线连接，所述第三微带线还与所述第一波长变换器连接，所述第二T型功分器的第二端口依次与所述第四微带线、所述第三波长变换器以及所述第五微带线连接，所述第五微带线的端口作为相位为270°的输出端口；
所述第二T型功分器的第三端口依次与所述第六微带线、所述第四波长变换器以及所述第七微带线连接，所述第七微带线的端口作为相位为90°的输出端口；
所述第二分支包括第八微带线、第九微带线、第十微带线、第十一微带线、第十二微带线和第三T型功分器、第五波长变换器和第六波长变换器；
所述第三T型功分器的第一端口与所述第八微带线连接，所述第八微带线还与所述第二波长变换器连接，所述第三T型功分器的第二端口依次与所述第九微带线、所述第五波长变换器以及所述第十微带线连接，所述第十微带线的端口作为相位为180°的输出端口；
所述第三T型功分器的第三端口依次与所述第十一微带线、所述第六波长变换器以及所述第十二微带线连接，所述第十二微带线的端口作为相位为0°的输出端口；
其中，所述第三微带线、所述第五微带线、所述第七微带线、所述第八微带线、所述第十微带线、所述第十二微带线与所述第一微带线的宽度相同；所述第四微带线、所述第六微带、所述第九微带线、所述第十一微带线与所述第二微带线的宽度相同，所述第六微带线的长度比所述第四微带线的长度增加λg/2，所述第九微带线的长度比所述第十一微带线的长度增加λg/2，λg是导波波长，所述第三微带线的长度小于所述第八微带线的长度，所述第三波长变换器、所述第四波长变换器，所述第五波长变换器、所述第六波长变换器与所述第一波长变换器和所述第二波长变换器的参数相同。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的紧凑型宽带端射阵列天线，其特征在于，所述天线阵列包括4个对称设置的天线阵列单元，分别与相位为270°的输出端口、相位为90°的输出端口、相位为180°的输出端口、相位为0°的输出端口对应设置，所述天线阵列单元为内嵌正方形环缝结构，所述内嵌正方形环缝结构为向中心汇聚且中心对称的4个T型分支。
7.根据权利要求6所述的紧凑型宽带端射阵列天线，其特征在于，所述天线阵列单元的正方形外环的边长为8mm，正方形外环与内环的间距为1.1mm，所述T型分支的横杆的长度和宽度分别为2.9mm和0.8mm，所述T型分支的竖杆的长度和宽度分别为0.78mm和1.01mm。
8.根据权利要求1所述的紧凑型宽带端射阵列天线，其特征在于，所述天线阵列在水平方向上为正方形，长度和宽度分别为36.26mm，所述天线阵列在垂直方向上的高度为1mm。
9.根据权利要求1所述的紧凑型宽带端射阵列天线，其特征在于，所述PCB板为矩形，所述PCB板的4个角设置有安装孔。
10.根据权利要求1所述的紧凑型宽带端射阵列天线，其特征在于，所述PCB板的厚度为1mm，双面覆铜板的厚度均为35μm。
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