CN106602281A - 馈电网络及阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种馈电网络及阵列天线。其中，馈电网络包括：第一接地板；第二接地板；位于第一接地板和第二接地板之间的介质层；以及位于介质层与第一接地板之间以及介质层与第二接地板之间、用于支撑介质层的支撑介质；其中，在介质层与第一接地板之间以及在介质层与第二接地板之间分别形成空气腔，且位于空气腔内的介质层上设置有传输线。本发明可以降低馈电网络的损耗，提高阵列天线的整体增益。

Description

馈电网络及阵列天线

技术领域

本发明涉及天线技术，尤其涉及一种馈电网络及阵列天线。

背景技术

馈电网络是天线设计的重要组成部分之一，尤其对于阵列天线而言，不仅需要良好的辐射单元，与之相匹配的馈电网络的性能也是至关重要的。

如图1所示，介质微带线是目前市场上比较常用的一种馈电网络。该介质微带线由下往上依次包括：接地板、印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)介质和传输线(又称PCB走线)。介质微带线中的PCB介质起到了支撑传输线的作用，因此，不需要像空气微带线和空气带状线那样需要很多塑料安装件来固定传输线，从而也就解决了塑料安装件带来的安装困难、影响传输线整体性等问题。

但是，由于PCB介质存在损耗，所以介质微带线的损耗相对较大，这直接导致阵列天线的整体增益降低，影响天线的性能。

发明内容

本发明实施例提供一种馈电网络及阵列天线，用以降低馈电网络的损耗，提高阵列天线的整体增益。

本发明实施例提供一种馈电网络，包括：

第一接地板；

第二接地板；

位于所述第一接地板和所述第二接地板之间的介质层；以及

位于所述介质层与所述第一接地板之间以及所述介质层与所述第二接地板之间用于支撑所述介质层的支撑介质；

其中，在所述介质层与所述第一接地板之间以及在所述介质层与所述第二接地板之间分别形成空气腔，且位于所述空气腔内的所述介质层上设置有传输线。

可选的，所述空气腔的宽度为所述传输线的宽度的3倍以上。

可选的，所述空气腔的宽度小于所述传输线的宽度的5倍。

可选的，所述空气腔的高度为1.5毫米以上。

可选的，所述介质层的厚度为0.1毫米以上，且为0.3毫米以下。

可选的，所述介质层的厚度为0.1毫米或0.25毫米。

可选的，所述介质层的材料为耐燃材料等级为FR4的材料；或者，所述介质层的材料为聚四氟乙烯材料。

可选的，所述支撑介质与所述介质层为一体结构。

可选的，所述馈电网络还包括：用于将所述第一接地板、所述支撑介质、所述第二接地板固定在一起的固定件。

本发明实施例还提供一种阵列天线，包括：

辐射单元；

寄生单元；以及

用于向所述辐射单元提供信号的馈电网络；

所述馈电网络包括：

第一接地板；

第二接地板；

位于所述第一接地板和所述第二接地板之间的介质层；以及

位于所述介质层与所述第一接地板之间以及所述介质层与所述第二接地板之间用于支撑所述介质层的支撑介质；

其中，在所述介质层与所述第一接地板之间以及在所述介质层与所述第二接地板之间分别形成空气腔，且位于所述空气腔内的所述介质层上设置有传输线。

本发明实施例提供的馈电网络，在两个接地板之间通过支撑介质固定介质层，介质层与两个接地板之间分别形成空气腔，进而在位于空气腔内的介质层上设置有传输线，形成了一种使用介质层作为支撑的空气带状线，解决了空气带状线中传输线的支撑问题，而与介质微带线相比，该馈电网络中的介质相对较少，损耗较低，使用该馈电网络的阵列天线的整体增益相对较高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有介质微带线的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的馈电网络的示意图；

图3为本发明另一实施例提供的现有介质微带线和本发明的馈电结钩在采用不同介质材料的情况下的反射系数的比较示意图；

图4为本发明另一实施例提供的现有介质微带线和本发明的馈电结钩在采用不同介质材料的情况下的损耗的比较示意图；

图5a为本发明又一实施例提供的采用本发明提供的馈电网络的阵列天线的俯视图；

图5b为本发明又一实施例提供的采用本发明提供的馈电网络的阵列天线中馈电网络的剖面示意图；

图5c为本发明又一实施例提供的采用本发明提供的馈电网络的阵列天线的自由视图；

图5d为本发明又一实施例提供的采用本发明提供的馈电网络的阵列天线的整体侧视图；

图6a为现有技术中采用介质微带线馈电网络的阵列天线的俯视图；

图6b为现有技术中采用介质微带线馈电网络的阵列天线中馈电网络的剖面示意图；

图6c为现有技术中采用介质微带线馈电网络的阵列天线中的整体侧视图；

图7为现有技术中采用微带线馈电网络的阵列天线的反射系数图；

图8为本发明又一实施例提供的采用本发明的馈电网络的阵列天线的反射系数图；

图9为现有技术中采用微带线馈电网络的阵列天线在3.55GHz的方向图；

图10为本发明又一实施例提供的采用本发明的馈电网络的阵列天线在3.55GHz的方向图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2为本发明一实施例提供的馈电网络的示意图。如图2所示，该馈电网络包括：第一接地板1、第二接地板4、介质层2、支撑介质3以及传输线61。

介质层2位于第一接地板1和第二接地板4之间；支撑介质3位于介质层2与第一接地板1之间以及介质层2与第二接地板4之间，用于支撑介质层2。在介质层2与第一接地板1之间以及在介质层2与第二接地板4之间分别形成空气腔，且位于空气腔内的介质层2上设置有传输线61。

在图2所示馈电网络中，介质层2是很重要的一层，用于支撑或承载传输线61。对介质层2来说，其厚度越小，整个馈电网络的损耗就会越小，但实际应用中，考虑到结构的问题，介质层2的厚度又不能太小，否则在制作馈电网络的过程中需要较高的工艺要求，并且使用该馈电网络的天线无法通过后期的振动试验。介质层2的厚度可以根据实际应用需求适应性设置。

经过试验发现：如果介质层2的厚度小于0.1mm，在制作过程中对工艺要求较高，且不能通过后期天线产品的可靠性试验；如果介质层2的厚大于0.5mm，馈电网络的损耗会较大，甚至超出损耗要求的范围。基于这些考虑，可选的，介质层2的厚度可以为0.1毫米(mm)以上，且为0.5mm以下，但并不限于此。例如，介质层2的厚度可以是0.464mm，但不限于此。

进一步，考虑到介质层2的厚度位于0.1mm-0.3mm之间，不仅易于加工而且损耗范围相对较小，因此，介质层2的厚度可以为0.1mm以上，且为0.3mm以下，但并不限于此。例如，介质层2的厚度可以是0.1mm或0.25mm。

在本实施例中，并不限定介质层2的材质，凡是具有隔离作用的材质均适用于介质层2。例如，可以采用一些价格便宜的介质材料，如耐燃材料等级为FR4的材料(简称为FR4材料)，但不限于此。例如，介质层2也可以采用相对贵一些的材料，例如聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，PTFE)材料。

同理，本实施例也不限制支撑介质3的材质，凡是具有隔离作用的材质均适用于支撑介质3。例如，可以采用一些价格便宜的介质材料，如FR4材料，但不限于此。例如，支撑介质3也可以采用相对贵一些的材料，例如PTFE材料。

值得说明的是，支撑介质3与介质层2可以采用相同材质，也可以采用不同材质。

进一步，支撑介质3与介质层2可以是独立结构，也可以是一体结构。可选的，如果支撑介质3与介质层2是一体结构，则可以采用相同材质。

进一步，在图2所示馈电网络中，空气腔的尺寸一定程度上会影响馈电网络的损耗。理论上，空气腔的尺寸越大，馈电网络的损耗越小，但实际应用中，考虑到结构的问题，空气腔需要具有一定的尺寸。如图2所示，空气腔的尺寸主要包括空气腔的宽度w和厚度h。

其中，空气腔的宽度对传输线61周围的场分布有明显的影响，空气腔的宽度过小会对传输线61周围的场分布产生不利影响，因此，需要合理设置空气腔的宽度。本申请发明人经过大量实验发现：空气腔的宽度在大于3倍的传输线61的宽度时，空气腔对传输线61周围的场分布的不利影响会逐渐减小。可选的，空气腔的宽度w为传输线61的宽度w₀的3倍以上。进一步，本申请发明人经过大量实验还发现：空气腔的宽度大于5倍的传输线61的宽度时，空气腔对传输线61的周围场分布的不利影响又会逐渐增大。基于此，空气腔的宽度w为传输线61的宽度w₀的3倍以上，且为传输线61的宽度w₀的5倍以下，即3*w₀<＝w<＝5*w₀。

其中，本申请发明人经过大量实验发现：当受到温度影响时，馈电网络会发生变形，如果空气腔的高度过小，容易导致短路，因此需要保证空气腔的高度大于一定高度值，以避免馈电网络因变形导致短路的现象。经过大量实现发现：空气腔的高度h在大于1.5mm时，可以很好的避免馈电网络因变形导致短路的现象，可选的，空气腔的高度h为1.5mm以上。

进一步，如图2所示，该馈电网络还包括：固定件5。固定件5用于将第一接地板1、支撑介质3、第二接地板4固定在一起。根据该馈电网络的大小，固定件5可以设置多个。

如图2所示，固定件5可以是贯穿第一接地板1、支撑介质3以及第二接地板4的一柱状结构，但不限于此。可选的，如图2所示，固定件5还可以贯穿介质层2。另外，本实施例并不限定固定件5的材质，例如可以是金属材质，如铜、铁或合金等，也可以是非金属材料，如塑料等。

本实施例提供的馈电网络实际上是一种改进后的空气带状线，是一种使用介质层2作为支撑的空气带状线。与空气带状线相比，本实施例的馈电网络采用介质层2来支撑传输线61，而不是采用固定件，解决了固定件的安装问题，另外传输线61设置于介质层2上，介质层2不会像固定件那样破坏传输线61的整体性。与介质微带线相比，第一接地板1和第二接地板4之间并非完全填充介质，而是存在空气腔，介质相对较少，损耗较低，因此，在阵列天线中使用该馈电网络时，有利于提高阵列天线的整体增益。

为了说明本发明的馈电网络在性能上的优势，发明人针对使用不同厚度的介质层2的馈电网络进行了仿真实验，并在采用不同介质材料的情况下，将本发明的馈电网络与现有技术中的介质微带线进行了效果对比。仿真实验的结果如图3和图4所示。

如图3所示，为本发明的馈电网络与现有介质微带线在采用不同介质材料时的反射系数。馈电网络的反射系数是指馈电网络的反射波与入射波的比值。发射系数越小，表示反射波越小，也就是馈电网络辐射出去的能量越多，表示馈电网络的性能越好。在图3所示仿真实验中，带“圆点”的仿真曲线为本发明的馈电网络在介质层2采用FR4材料、厚度为0.464mm时随着频率变化的反射系数曲线；带“方块”的仿真曲线为本发明的馈电网络在介质层2采用FR4材料、厚度为0.25mm时随着频率变化的反射系数曲线；带“三角”的仿真曲线为本发明的馈电网络在介质层2采用FR4材料、厚度为0.1mm时随着频率变化的反射系数曲线；带“五角星”的仿真曲线为现有介质微带线在PCB介质采用FR4材料、厚度为0.464mm时随着频率变化的反射系数曲线；带“五边形”的仿真曲线为现有介质微带线在PCB介质采用PTFE材料、厚度为0.464mm时随着频率变化的反射系数曲线。

如图4所示，为本发明的馈电网络与现有介质微带线在采用不同介质材料时的损耗。在图4所示仿真实验中，带“圆点”的仿真曲线为本发明的馈电网络在介质层2采用FR4材料、厚度为0.464mm时随着频率变化的损耗曲线；带“方块”的仿真曲线为本发明的馈电网络在介质层2采用FR4材料、厚度为0.25mm时随着频率变化的损耗曲线；带“三角”的仿真曲线为本发明的馈电网络在介质层2采用FR4材料、厚度为0.1mm时随着频率变化的损耗曲线；带“五角星”的仿真曲线为现有介质微带线在PCB介质采用FR4材料、厚度为0.464mm时随着频率变化的损耗曲线；带“五边形”的仿真曲线为现有介质微带线在PCB介质采用PTFE材料、厚度为0.464mm时随着频率变化的损耗曲线。

在图3中，反射系数用S₁₁表示；在图4中，损耗值用S₂₁表示。为了进行比较，取图3和图4中各仿真曲线的最差值，可以得到表1所示信息。

表1

结合图3和图4中各仿真曲线的走势以及表1所示各仿真曲线的最差值进行分析，可以得出以下结论：

1)本发明的馈电网络与现有介质微带线相比，前者的损耗明显小于后者的损耗；2)现有介质微带线在PCB介质采用不同材料(FR4和PTFE)时，PCB介质采用高频PTFE材料时的损耗明显小于PCB介质采用普通的FR4材料时的损耗；3)本发明的馈电网络，其介质层2的厚度越薄，损耗越小。

由此可见，本发明实施例提供的馈电网络，在两个接地板之间通过支撑介质固定介质层，介质层与两个接地板之间分别形成空气腔，进而在位于空气腔内的介质层上设置有传输线，形成了一种使用介质层作为支撑的空气带状线，解决了空气带状线中传输线的支撑问题，而与介质微带线相比，该馈电网络中的介质相对较少，损耗较低，使用该馈电网络的阵列天线的整体增益相对较高。

基于本发明实施例提供的馈电网络，本发明实施例还提供一种阵列天线，该阵列天线主要包括辐射单元、寄生单元以及用于向辐射单元提供信号的馈电网络。其中，阵列天线中的馈电网络可以是本发明上述实施例提供的馈电网络，其结构如图2所示。

以1*2的阵列天线为例，如图5a-图5d所示，依次为本发明又一实施例提供的1*2的阵列天线的俯视图、其馈电网络的剖面图、自由视图以及整体侧视图。结合图5a-图5d，本实施例提供的阵列天线包括：固定件5、天线罩6、寄生单元7、辐射单元8、探针10以及馈电网络9。

辐射单元8用于提高阵列天线的增益。

寄生单元7用于扩展阵列天线的带宽。

探针10用于将馈电网络9和辐射单元8相连，属于直馈。

固定件5用于将天线罩6、寄生单元7、辐射单元8以及馈电网络9固定在一起，相当于连接部件。

如图5d所示，固定件5可以是连接天线罩6和馈电网络9，并贯穿寄生单元7和辐射单元8的一柱状结构，但不限于此。另外，本实施例并不限定固定件5的材质，例如可以是金属材质，如铜、铁或合金等，也可以是非金属材料，如塑料等。

其中，馈电网络9包括：

第一接地板1；

第二接地板4；

位于第一接地板1和第二接地板4之间的介质层2；以及

位于介质层2与第一接地板1之间以及介质层2与第二接地板4之间用于支撑介质层2的支撑介质3；

其中，在介质层2与第一接地板1之间以及在介质层2与第二接地板4之间分别形成空气腔，且位于空气腔内的介质层2上设置有传输线61。其中，在图5a-图5d中未示出传输线61，可参见图2所示馈电网络。

在馈电网络9中，介质层2是很重要的一层，用于支撑或承载传输线61。对介质层2来说，其厚度越小，整个馈电网络的损耗就会越小，但实际应用中，考虑到结构的问题，介质层2的厚度又不能太小，否则使用该馈电网络的天线无法通过后期的振动试验。

可选的，介质层2的厚度为0.1毫米(mm)以上，且为0.5mm以下，但并不限于此。例如，介质层2的厚度可以是0.464mm，但不限于此。

进一步，介质层2的厚度为0.1mm以上，且为0.3mm以下，但并不限于此。例如，介质层2的厚度可以是0.1mm或0.25mm，但不限于此。

在本实施例中，并不限定介质层2的材质，凡是具有隔离作用的材质均适用于介质层2。例如，可以采用一些价格便宜的介质材料，如FR4材料，但不限于此。例如，介质层2也可以采用相对贵一些的材料，例如PTFE材料。

同理，本实施例也不限制支撑介质3的材质，凡是具有隔离作用的材质均适用于支撑介质3。例如，可以采用一些价格便宜的介质材料，如FR4材料，但不限于此。例如，支撑介质3也可以采用相对贵一些的材料，例如PTFE材料。

值得说明的是，支撑介质3与介质层2可以采用相同材质，也可以采用不同材质。

进一步，支撑介质3与介质层2可以是独立结构，也可以是一体结构。可选的，如果支撑介质3与介质层2是一体结构，则可以采用相同材质。

在馈电网络9中，空气腔的尺寸一定程度上会影响馈电网络的损耗。理论上，空气腔的尺寸越大，馈电网络的损耗越小，但实际应用中，考虑到结构的问题，空气腔需要具有一定的尺寸。其中，空气腔的尺寸主要包括空气腔的宽度wc和厚度hc。

可选的，空气腔的宽度wc为传输线61的宽度w的3倍以上。进一步，空气腔的宽度wc为传输线61的宽度w的3倍以上，且为传输线61的宽度w的5倍以下，即3*w<＝wc<＝5*w。

可选的，空气腔的高度hc为1.5mm以上。

为了体现采用本发明提供的馈电网络的阵列天线的结构，将本实施例提供的采用本发明提供的馈电网络的阵列天线与现有采用介质微带线馈电网络的阵列天线进行比较。其中，图6a-图6c所示分别为现有采用介质微带线馈电网络的1*2的阵列天线的俯视图、其馈电网络的剖面图以及整体侧视图。

结合图6a-图6c，现有采用介质微带线馈电网络的阵列天线包括：固定件25、天线罩26、寄生单元27、辐射单元28、探针20以及介质微带线馈电网络29。其中，介质微带线馈电网络29包括：接地板21、介质层22、反射板24以及PCB走线。其中，在图6a-图6c中，未示出PCB走线。

将图6a-图6c所示阵列天线与图5a-图5d所示阵列天线进行比较，可以看出两种阵列天线在结构上的主要区别在于：馈电网络不同。

其中，馈电网络的损耗直接体现在阵列天线的增益上。为了说明本实施例提供的采用本发明的馈电网络的阵列天线在性能上的优势，发明人对本实施例提供的阵列天线进行了仿真实验，并将本实施例的阵列天线与现有技术中采用微带线馈电网络的阵列天线进行了效果对比。仿真实验的结果如图7-图10所示。

其中，图7所示为现有技术中采用微带线馈电网络的阵列天线的反射系数图。图8所示为采用本发明的馈电网络的阵列天线的反射系数图。图9所示为现有技术中采用微带线馈电网络的阵列天线在3.55GHz的方向图；图10所示为采用本发明的馈电网络的阵列天线在3.55GHz的方向图。

在图7和图8中，横坐标表示频率(GHz)，纵坐标表示反射系数(dB)。在图9中，采用微带线馈电网络的阵列天线的主瓣幅度(main lobe magnitude)为10.7dB，主瓣方向(mainlobe direction)为-1.0deg.，角宽度(angular width)为74.7deg.，旁瓣电平(side lobelevel)为-20.3dB。在图10中，采用本发明的馈电网络的阵列天线的主瓣幅度为12.1dB，主瓣方向为2.0deg.，角宽度为43.8deg.，旁瓣电平为-15.5dB。

从图7-图10可以看出，当反射系数在同一量级时，采用本发明的馈电网络的阵列天线与现有技术中采用微带线馈电网络的阵列天线在3.55GHz上的增益相差2dBi，这个增益的差值对于阵列天线来讲已经很大了，并且该增益的差值是1*2阵列天线之间的，随着阵列天线的单元数的增加，这种增益差值还会增大。由此可见，采用本发明提供的馈电网络，可以提高提高阵列天线的整体增益。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种馈电网络，其特征在于，包括：

第一接地板；

第二接地板；

位于所述第一接地板和所述第二接地板之间的介质层；以及

位于所述介质层与所述第一接地板之间以及所述介质层与所述第二接地板之间、用于支撑所述介质层的支撑介质；

其中，在所述介质层与所述第一接地板之间以及在所述介质层与所述第二接地板之间分别形成空气腔，且位于所述空气腔内的所述介质层上设置有传输线。

2.根据权利要求1所述的馈电网络，其特征在于，所述空气腔的宽度为所述传输线的宽度的3倍以上。

3.根据权利要求2所述的馈电网络，其特征在于，所述空气腔的宽度小于所述传输线的宽度的5倍。

4.根据权利要求1所述的馈电网络，其特征在于，所述空气腔的高度为1.5毫米以上。

5.根据权利要求1所述的馈电网络，其特征在于，所述介质层的厚度为0.1毫米以上，且为0.3毫米以下。

6.根据权利要求5所述的馈电网络，其特征在于，所述介质层的厚度为0.1毫米或0.25毫米。

7.根据权利要求1-6任一项所述的馈电网络，其特征在于，所述介质层的材料为耐燃材料等级为FR4的材料；或者

所述介质层的材料为聚四氟乙烯材料。

8.根据权利要求1-6任一项所述的馈电网络，其特征在于，所述支撑介质与所述介质层为一体结构。

9.根据权利要求1-6任一项所述的馈电网络，其特征在于，还包括：用于将所述第一接地板、所述支撑介质、所述第二接地板固定在一起的固定件。

10.一种阵列天线，其特征在于，包括：

辐射单元；

寄生单元；以及

用于向所述辐射单元提供信号的馈电网络；

所述馈电网络包括：

第一接地板；

第二接地板；

位于所述第一接地板和所述第二接地板之间的介质层；以及

位于所述介质层与所述第一接地板之间以及所述介质层与所述第二接地板之间用于支撑所述介质层的支撑介质；

其中，在所述介质层与所述第一接地板之间以及在所述介质层与所述第二接地板之间分别形成空气腔，且位于所述空气腔内的所述介质层上设置有传输线。