CN106505312A - 一种毫米波微带阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种毫米波微带阵列天线。本阵列天线包括介质板、贴片阵列天线以及馈电网络，介质板为双层板体且两层板体间夹设金属地；馈电网络为一分n路的T型功分电路，馈电网络的各个分支端口处均设置有馈电点，贴片阵列天线为n列，在贴片阵列天线的中部对称点处设置垂直贯穿介质板从而连接上述馈电点与贴片阵列天线的同轴馈电探针；在同一列贴片阵列天线上，同轴馈电探针与其中一组贴片单元上的相对最接近的微带贴片间直连，而与另一组贴片单元上的相对最接近的微带贴片间通过180°移相器连接彼此。本发明兼具高增益、低副瓣和小型化的优点，可有效实现整体天线构造的高集成性及小型化需求。

Description

一种毫米波微带阵列天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种毫米波微带阵列天线。
背景技术
天线作为通信系统中的一个重要的无线电设备，其性能的好坏将直接影响无线电设备的性能。随着无线通信和雷达系统的不断发展和完善，对天线性能提出了重量轻、体积小、制作简单、易共形、宽频带和成本低等性能要求。微带天线正是因为满足了上述要求，从而深受人们关注，近年来的应用也越来越广泛。然而，微带天线的单元增益一般为6dBi～8dBi，因此常用由微带贴片单元组成的微带阵列天线来获得更大的增益或实现特定的方向性。阵列天线可以实现单个天线所无法实现的复杂功能，具备更大的灵活性和更高的信号容量，并能显著提高系统的性能。目前传统的微带天线通常采用圆形或矩形贴片开槽等方式来提高定向性，但是增益低、损耗大及功率小的问题仍无法得到解决。是否能够研发出一种具备高增益、低副瓣和小型化的新型阵列天线结构，从而实现整体天线构造的高集成性及小型化需求，为本领域技术人员近年来所亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的其中一个目的为克服上述现有技术的不足，提供一种结构合理而实用的毫米波微带阵列天线，其兼具高增益、低副瓣和小型化的优点，可有效实现整体天线构造的高集成性及小型化需求。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种毫米波微带阵列天线，其特征在于：本阵列天线包括介质板以及以微带面形式贴附于介质板一侧板面处的贴片阵列天线，介质板的另一侧板面处贴附有馈电网络，介质板为双层板体且两层板体间夹设金属地；所述馈电网络为具备阻抗修正功能的一分n路的T型功分电路，馈电网络的各个分支端口处均设置有馈电点，贴片阵列天线为n列且沿彼此平行间隔均布，在每列贴片阵列天线的中部对称点处设置垂直贯穿介质板从而连接上述馈电点与贴片阵列天线的同轴馈电探针；每列阵列贴片单元均由两组沿同轴馈电探针轴线轴对称设置的贴片单元构成，每组贴片单元包括六片沿贴片单元布置方向依次间隔布置且按切比雪夫25dB幅度加权分布的的微带贴片；同组贴片单元处的相邻两片微带贴片之间间距等于二分之一个波长，且各相邻两片微带贴片之间通过三角箭形渐变线状的阻抗匹配段连接彼此；以每组贴片单元的靠近同轴馈电探针所在侧为内侧，每组贴片单元处各阻抗匹配段的三角箭头指向方向均平行贴片单元布置方向且指向最外侧微带贴片处；在同一列贴片阵列天线上，同轴馈电探针与其中一组贴片单元上的相对最接近的微带贴片间直连，而与另一组贴片单元上的相对最接近的微带贴片间通过180°移相器连接彼此。
所述馈电网络为一分八路的三级对称T型功分电路。
馈电网络的各个分支端口的馈电点所在端部外形呈与同轴馈电探针彼此同轴的圆弧状构造。
介质板上的用于贴附馈电网络的一侧板面凹设有槽腔，从而使得馈电网络与该槽腔共同围合形成空气背腔，所述空气背腔的走向与馈电网络处信号行进路径相一致。
所述介质板外形呈长方板状且其长度方向平行贴片单元布置方向，环绕介质板一圈而设置矩形金属圈；矩形金属圈上垂直介质板而设置金属化共地孔，各金属化共地孔沿矩形金属圈布置方向依次间隔均布；每相邻两组贴片单元之间设置金属隔离条，金属隔离条长度方向平行介质板长度方向，且金属隔离条两端分别连接至矩形金属圈的两短边处；沿金属隔离条长度方向依次间隔均布有金属化盲孔。
每组贴片单元的位于最外侧的微带贴片处设置金属化短路孔。
所述同一个微带贴片上的金属化短路孔为三个且依序间隔均布，该金属化短路孔的布置方向与贴片单元布置方向彼此垂直。
本阵列天线还包括环绕馈电通孔而周向等距布置的四个金属化通孔。
所述微带贴片为矩形贴片或U型贴片。
介质板所用材质为Rogers 4350板材，其介电常数为3.66，厚度为0.508mm。
所述馈电网络的总端口采用SMA接头。
本发明的有益效果在于：
1)、本发明将贴片阵列天线处介质板与馈电网络处介质板压合在一起，从而形成双层板夹设金属地的独特结构形式，进而使得具备阻抗修正功能的馈电网络与采用不同幅度加权的阵列贴片天线之间产生了完美结合，随之组合形成了本发明的具备高增益、低副瓣和小型化功能的微带阵列天线构造。以n＝8为例作以下描述：
对于馈电网络而言，该馈电网络采用微带一分八的结构形式，采用chebyshev25dB幅度加权进行设计，并且采用了相位加权的方式来展宽方位面的波束宽度。因为微带线的物理宽度决定了其阻抗值，线宽较宽时阻抗低，线宽较窄时阻抗高，在工程实现上，阻抗值特别高的高阻抗线由于线宽太细而加工难度较大，且线宽误差对阻抗的精度影响大；考虑这些因素，本馈电网络在大功分比的地方采用采用阻抗修正的大功分比功分电路进行设计，从而有效的保证了工程实现上的加工精度，也进一步的使得天线降低了工程加工误差对其性能指标的影响。
对于贴片阵列天线而言，贴片阵列天线共有八列，每一列由十二个不同大小的微带贴片和相应的阻抗匹配段组成，并且每一列都采用taylor25dB幅度加权来实现阵面方向图的低副瓣设计，最终保证整体天线结构的紧凑型和低损耗性。由于采用了三角箭形渐变线状的阻抗匹配段代替传统的四分之一阻抗变换器来实现阻抗匹配，这也减小了阻抗变换器的不连续性带来的反射波的影响，进一步提高了天线的性能。此处的三角箭形渐变线状，也即在自身呈现平面的三角箭状的同时，三角箭的两侧板面凸出形成弧面状构造，且该弧面状遵循了渐变线形分布。更具体而言，本发明通过采用十二个微带贴片排列成线阵，十二个微带贴片的尺寸根据电流幅度分配比确定其大小，且各个微带贴片之间的间距约为1/2个介质波长，从而保证各贴片单元同相馈电。每个微带贴片之间采用三角箭形渐变线状的阻抗匹配段可根据电流分布由馈电探针向左右两侧由强到弱；三角箭形的指向也由馈电两侧对称指向外侧处。毫米波微带阵列天线采用同轴馈电探针的方式进行馈电，馈电点位于串馈阵列单元的中心位置，即馈电点左右各有一组贴片单元。为保证同轴馈电探针两端电流方向的一致性，在同轴馈电探针输出的一侧加入了180°移相器，且整个毫米波微带阵列天线除馈电点一侧加入了180°移相器以外，左右完全对称，这样可以减小它的辐射影响，从而进一步提升两侧的各组贴片单元的辐射方向图的一致性。
综上，本发明兼具高增益、低副瓣和小型化的优点，不仅有效实现整体天线构造的高集成性及小型化需求；同时也可使贴片阵列天线和馈电网络彼此完美结合，并使其在工作频段内输入阻抗接近于50Ω，从而接近于匹配状态，最终使天线在工作频段内匹配良好而VSWR较低，可普遍适用于毫米波雷达、通信等领域。
2)、馈电网络的能量总端口处设SMA接头，八个分支端口的微带边缘则设计为圆弧状，目的是为了更好的通过垂直的同轴馈电探针与贴片阵列天线做好匹配。馈电网络一侧的介质板处设置的空气背腔，能有效地抑制空腔谐振带来的高次模和能量损失，使得馈电网络各端口之间的互耦影响较小，并有效保证端口的幅度和相位性能。
3)、介质板外周设置的一圈矩形金属圈且在其上布置金属化共地孔，且八列贴片阵列天线每一列中间都有一条带有金属化盲孔的金属隔离条，可有效减小了八列贴片阵列天线之间的互相耦合。同轴馈电探针周围有四个金属化通孔，可有效的加强同轴馈电探针的共地效果。同时，各组贴片单元的最外侧的微带贴片上各有三个金属化短路孔，可使天线的阻抗匹配更好。
附图说明
图1是本发明的正面结构示意图；
图2是本发明的背面结构示意图；
图3是本发明的侧视图；
图4是馈电网络在阻抗修正状态下的大功分比功分电路结构示意图；
图5是测试件的电压驻波比测试图；
图6是测试件的方位面及俯仰面增益测试图。
附图中各标号与本发明的各部件名称对应关系如下：
10-介质板 11-金属地 12-空气背腔
20-馈电网络 21-馈电点 30-同轴馈电探针
40-贴片阵列天线
41-微带贴片 42-阻抗匹配段 43-180°移相器
44-矩形金属圈 44a-金属化共地孔
45-金属隔离条 45a-金属化盲孔
46-金属化短路孔 47-金属化通孔
具体实施方式
为便于理解，此处以3D交通管理雷达系统的微带阵列发射天线为例，由于馈电网络采用微带一分n的结构形式，因此n必然为大于1的正整数；此处以n＝8来结合附图对本发明的具体实施结构及工作流程作以下描述：
本天线由中间夹有金属地11的双层的介质板10、布置于介质板10一侧面处的贴片阵列天线40以及布置于介质板10另一侧面处的馈电网络20组成。图3中可以看出双层的介质板10相对贴片阵列天线及馈电网络20的具体布置位置：两层的介质板10采用压合工艺粘合在一起，中间夹设一层金属地11，介质板10一面布置贴片阵列天线40而另外一面为一分八路的馈电网络20。其中：
一)、贴片阵列天线部分：其为八列且沿彼此平行间隔均布，具体布置结构如图1所示。每列贴片阵列天线40均包括十二片不同大小的微带贴片41、十组阻抗匹配段42、一组180°移相器43以及一根同轴馈电探针30。微带贴片41以六片为一组贴片单元且两组贴片单元沿同轴馈电探针30的轴线轴对称分布。每组贴片单元处微带贴片41之间则通过不同尺寸的串馈匹配端也即阻抗匹配段42进行连接。在同轴馈电探针30的一侧处加入180°移相器43从而连接其中一组贴片单元处的相邻微带贴片41，进而确保整个微带阵列的馈电电流方向一致性。各列贴片阵列天线40之间设置金属隔离条45，整个贴片阵列天线40则环绕布置矩形金属圈44，金属化共地孔44a和金属化盲孔45a保证天线的共地。贴片阵列天线40通过同轴馈电探针30与馈电网络20处相应的馈电点21相连接。
二)、馈电网络部分：如图2所示，其为一分八路且对称构造的三级T型功分网络。总输入端S0的接口形式为SMA接头，射频信号通过该总输入端S0按照不同的幅度分配给八个分支端口S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8，然后再通过同轴馈电探针30将信号传输给相应列的贴片阵列天线40，最终通过贴片阵列天线40将射频信号以电磁波的形式发射出去。
一分八路的馈电网络20的八个分支端口S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8的幅度分布和展宽相位如表1所示，该馈电网络20使天线在方位面上实现了宽波束、低副瓣的性能指标。
表1
微带贴片41可以看作一个场量在横向没有变化的传输线谐振器，场仅延微带贴片41长度方向变化。在如图1所示的选用矩形微带贴片41时，微带贴片41长度L通常为半波长，辐射主要有间距L的两个开路端缝隙场产生。
如图4所示即为馈电网络20的其中一个分支的结构图。馈电网络20在幅度加权分布中出现大功分比的地方采用如图4所示的阻抗修正的大功分比功分电路。在使用至本实施例中时，各阻抗修正段的阻抗值为：
Z0＝100Ω，Z01＝55.4Ω，Z02＝40Ω，Z03＝134.5Ω，Z04＝56.4Ω，Z05＝97.3Ω，Z′0＝70.7Ω。
通过适当的选取的阻值，可以避免出现高阻抗值的出现，在上述大功分比功分电路中，阻抗值最大为134.5Ω，所对应的微带线宽即为0.1mm，可以满足工程的加工要求。
本发明的效果可以通过以下实验测试进一步说明。
为表明工作性能，此处可采用以上结构及数据制作测试件，进行以下测试操作：
测试环境：微波调试室；
测试设备：矢量网络分析仪，转台，天线测试系统，标准喇叭，计算机等。
对测试件的总输入口S0的电压驻波比进行测试，测试结果如图5所示：从图5中可以看出在24～24.3GHz频段范围内，该测试件的驻波＜1.45，实现了较好的阻抗匹配特性。
对测试件在其工作频段24～24.3GHz内的方位面和俯仰面增益进行测试，测试结果如图6所示：从图6可以看出，天线最大增益为22dB左右，在方位面的12dB波束水平覆盖角度大于36°，俯仰面3dB波瓣宽度为±4°，两个方位面上的副瓣均小于22dB，满足天线设计要求。

Claims (10)

1.一种毫米波微带阵列天线，其特征在于：本阵列天线包括介质板(10)以及以微带面形式贴附于介质板(10)一侧板面处的贴片阵列天线(40)，介质板(10)的另一侧板面处贴附有馈电网络(20)，介质板(10)为双层板体且两层板体间夹设金属地(11)；所述馈电网络(20)为具备阻抗修正功能的一分n路的T型功分电路，馈电网络(20)的各个分支端口处均设置有馈电点(21)，贴片阵列天线(40)为n列且沿彼此平行间隔均布，在每列贴片阵列天线(40)的中部对称点处设置垂直贯穿介质板(10)从而连接上述馈电点(21)与贴片阵列天线(40)的同轴馈电探针(30)；每列阵列贴片单元均由两组沿同轴馈电探针(30)轴线轴对称设置的贴片单元构成，每组贴片单元包括六片沿贴片单元布置方向依次间隔布置且按切比雪夫25dB幅度加权分布的的微带贴片(41)；同组贴片单元处的相邻两片微带贴片(41)之间间距等于二分之一个波长，且各相邻两片微带贴片(41)之间通过三角箭形渐变线状的阻抗匹配段(42)连接彼此；以每组贴片单元的靠近同轴馈电探针(30)所在侧为内侧，每组贴片单元处各阻抗匹配段(42)的三角箭头指向方向均平行贴片单元布置方向且指向最外侧微带贴片(41)处；在同一列贴片阵列天线(40)上，同轴馈电探针(30)与其中一组贴片单元上的相对最接近的微带贴片(41)间直连，而与另一组贴片单元上的相对最接近的微带贴片(41)间通过180°移相器(43)连接彼此。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波微带阵列天线，其特征在于：所述馈电网络(20)为一分八路的三级对称T型功分电路。
3.根据权利要求1所述的一种毫米波微带阵列天线，其特征在于：馈电网络(20)的各个分支端口的馈电点(21)所在端部外形呈与同轴馈电探针(30)彼此同轴的圆弧状构造。
4.根据权利要求1所述的一种毫米波微带阵列天线，其特征在于：介质板(10)上的用于贴附馈电网络(20)的一侧板面凹设有槽腔，从而使得馈电网络(20)与该槽腔共同围合形成空气背腔(12)，所述空气背腔(12)的走向与馈电网络(20)处信号行进路径相一致。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种毫米波微带阵列天线，其特征在于：所述介质板(10)外形呈长方板状且其长度方向平行贴片单元布置方向，环绕介质板(10)一圈而设置矩形金属圈(44)；矩形金属圈(44)上垂直介质板(10)而设置金属化共地孔(44a)，各金属化共地孔(44a)沿矩形金属圈(44)布置方向依次间隔均布；每相邻两组贴片单元之间设置金属隔离条(45)，金属隔离条(45)长度方向平行介质板(10)长度方向，且金属隔离条(45)两端分别连接至矩形金属圈(44)的两短边处；沿金属隔离条(45)长度方向依次间隔均布有金属化盲孔(45a)。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种毫米波微带阵列天线，其特征在于：每组贴片单元的位于最外侧的微带贴片(41)处设置金属化短路孔(46)；所述同一个微带贴片(41)上的金属化短路孔(46)为三个且依序间隔均布，该金属化短路孔(46)的布置方向与贴片单元布置方向彼此垂直。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的一种毫米波微带阵列天线，其特征在于：本阵列天线还包括环绕馈电通孔而周向等距布置的四个金属化通孔(47)。
8.根据权利要求1或2或3或4所述的一种毫米波微带阵列天线，其特征在于：所述微带贴片(41)为矩形贴片或U型贴片。
9.根据权利要求1或2或3所述的一种毫米波微带阵列天线，其特征在于：介质板(10)所用材质为Rogers 4350板材，其介电常数为3.66，厚度为0.508mm。
10.根据权利要求1或2或3或4所述的一种毫米波微带阵列天线，其特征在于：所述馈电网络(20)的总端口采用SMA接头。
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