CN106785388A - 一种串馈微带阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明属于天线技术领域，具体涉及可应用于毫米波雷达系统以及无线通信领域的一种串馈微带阵列天线。本阵列天线包括介质板、贴片阵列天线以及金属地；阵列贴片单元由两组沿馈电通孔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介质板长度方向依次间隔布置且按切比雪夫25dB幅度加权分布的微带贴片；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渐变线状的阻抗匹配段连接彼此；同轴馈电探针与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

一种串馈微带阵列天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及可应用于毫米波雷达系统以及无线通信领域的一种串馈微带阵列天线。

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串馈微带阵列天线，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：

一种串馈微带阵列天线，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，介质板另一侧板面处覆设金属地；其特征在于：垂直介质板板面而在介质板中段处贯穿设置供同轴馈电探针穿过的馈电通孔；阵列贴片单元由两组沿馈电通孔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介质板长度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渐变线状的阻抗匹配段连接彼此；以每组贴片单元的靠近馈电通孔所在侧为内侧，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；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。

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。

所述金属化短路孔孔径为0.5mm。

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。

所述介质板外形呈长方板状，环绕介质板一圈金属条；金属条上垂直介质板而设置金属化共地孔，各金属化共地孔沿金属条布置方向依次间隔均布。

金属条宽度为1.5mm；金属化共地孔孔径为0.6mm。

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。

本发明的有益效果在于：

1)、通过上述方案；一方面，本发明将微带贴片采用串联馈电的方式彼此连接，使得天线整体体积更小，损耗更低；另一方面，由于每组贴片单元均采用了切比雪夫25dB的幅度加权分布，使得天线得以可靠的实现其低副瓣的性能。此外的，由于采用了三角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。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形渐变线状的阻抗匹配段来实现阻抗匹配，可根据电流分布由馈电探针向左右两侧由强到弱；三角形的指向也由馈电两侧对称指向外侧处。此处的三角形渐变线状，也即在自身呈现平面的三角状的同时，该平面三角的两侧板面鼓出并形成弧面状构造，且该弧面状遵循了渐变线形分布。串馈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，且整个串馈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。

2)、馈电点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，使天线的阻抗匹配更好。介质板外周设置的一圈金属条，每一条上都布有金属化共地孔，其目的是减小贴片单元之间的互耦影响，尤其是在多列微带阵列的天线中效果更为明显。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的右视图；

图3是本发明的测试件的电压驻波比测试图；

图4是本发明的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：

a-微带面

10-介质板 20-金属地 30-同轴馈电探针

40-微带贴片 50-阻抗匹配段 60-180°移相器

70-金属化短路孔 80-金属化通孔

90-金属条 91-金属化共地孔

具体实施方式

为便于理解，此处以3D交通管理雷达系统的串馈微带阵列贴片天线为例，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：

参照图1所示，该串馈微带阵列天线包括十二个不同大小的微带贴片40、一根同轴馈电探针30、一组180°移相器60、十组三角形渐变线状的阻抗匹配段50以及布置于阵列天线周围一圈的金属条90。其中尺寸不同的各微带贴片40通过不同大小的三角形渐变线状的阻抗匹配段50进行连接，每个相邻微带贴片40之间的距离约为二分之一个波长；而在本实施例中的各相邻微带贴片40之间的距离为6.5mm。十二个微带贴片40和三角形渐变线状的阻抗匹配段50在同轴馈电探针30两侧对称分布，最末两个微带贴片40上各带有三个直径为0.5mm的金属化短路孔70。在图1中，180°移相器60位于同轴馈电探针30的右侧，该移相器60的一端连接同轴馈电探针30处的微带线，另一端连接相应贴片单元处的微带贴片40。同轴馈电探针30的直径为0.3mm，其周围分布有四个直径为0.5mm的金属化通孔80。整个串馈微带阵列天线周围有一圈金属条90，其宽度为1.5mm，在金属条90上布有大量的金属化通孔80，起到了充分共地的作用。图2中可以看出微带面a、介质板10及金属地20之间的具体布置位置，整个串馈微带阵列天线作为微带面a而布置于介质板10一侧板面处，介质板10的另一侧为金属地20。

微带贴片40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40长度方向变化。在如图1所示的选用矩形微带贴片时，微带贴片40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。

为便于进一步理解，如图1所示，通过以a1-a6分别代表不同尺寸的六个微带贴片40，其归一化电流幅度分布具体为：

Ia1:Ia2:Ia3:Ia4:Ia5:Ia6＝1:0.93:0.80:0.64:0.47:0.42

a1-a6所对应的不同微带贴片40的尺寸如下表1所示：以矩形微带贴片的垂直介质板10长度方向为微带贴片40的长度方向，以矩形微带贴片的平行介质板10长度方向为微带贴片40的宽度方向；下表中W代表微带贴片40的宽度，L代表微带贴片40的长度，单位均为毫米。

表1

微带贴片	W	L
			a1	3.19	3.757
a2	3.17	3.554
			a3	3.17	3.357
a4	3.17	3.152
			a5	3.17	2
a6	1.56	3

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；

对测试件的同轴馈电探针30的电压驻波比进行测试，测试结果如图3所示：从图3中可以看出在24～24.3GHz频段范围内，该微带阵列天线驻波＜1.25，实现了较好的阻抗匹配特性。

对测试件在工作频段24～24.3GHz内的方位面和俯仰面增益进行测试，测试结果如图4所示：从图4可以看出，天线最大增益为16dB左右，副瓣小于23dB，满足天线设计要求，显然在很好的实现了高增益、低副瓣的性能指标的同时，实现了天线的小型化设计。

Claims (9)

1.一种串馈微带阵列天线，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，介质板(10)另一侧板面处覆设金属地(20)；其特征在于：垂直介质板(10)板面而在介质板(10)中段处贯穿设置供同轴馈电探针(30)穿过的馈电通孔；阵列贴片单元由两组沿馈电通孔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介质板(10)长度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(40)；同组贴片单元处的相邻两片微带贴片(40)之间间距等于二分之一个波长，且各相邻两片微带贴片(40)之间通过三角渐变线状的阻抗匹配段(50)连接彼此；以每组贴片单元的靠近馈电通孔所在侧为内侧，每组贴片单元处各阻抗匹配段(50)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(40)处；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(60)连接彼此。

2.根据权利要求1所述的一种串馈微带阵列天线，其特征在于：每组贴片单元的位于最外侧的微带贴片(40)处设置金属化短路孔(70)。

3.根据权利要求2所述的一种串馈微带阵列天线，其特征在于：所述同一个微带贴片(40)上的金属化短路孔(70)为三个且依序间隔均布，该金属化短路孔(70)的布置方向与贴片单元布置方向彼此垂直。

4.根据权利要求3所述的一种串馈微带阵列天线，其特征在于：所述金属化短路孔(70)孔径为0.5mm。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种串馈微带阵列天线，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(80)。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种串馈微带阵列天线，其特征在于：所述介质板(10)外形呈长方板状，环绕介质板(10)一圈金属条(90)；金属条(90)上垂直介质板(10)而设置金属化共地孔(91)，各金属化共地孔(91)沿金属条(90)布置方向依次间隔均布。

7.根据权利要求6所述的一种串馈微带阵列天线，其特征在于：金属条(90)宽度为1.5mm；金属化共地孔(91)孔径为0.6mm。

8.根据权利要求1或2或3或4所述的一种串馈微带阵列天线，其特征在于：所述微带贴片(40)为矩形贴片或U型贴片。

9.根据权利要求1或2或3或4所述的一种串馈微带阵列天线，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。