CN106911011B - 一种阵列天线结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种阵列天线结构及设计方法，其中阵列天线结构，包含馈电网络和辐射子阵，其中馈电网络包括功率分配器和多个移相器，功率分配器为基片集成波导T型功率分配器，移相器为混合基片集成波导与微带线的组合结构，T型功率分配器包括一个信号输入端和并列设置的多个信号输出端，在每个信号输出端连接一个移相器，基片集成波导T型功率分配器输出采用的基片集成波导的宽度与移相器输入采用的基片集成波导宽度相等。使用本发明的阵列天线结构和方法，减少了馈电网本身的辐射，降低了阵列天线垂直面的副瓣电平，减小了因为加工精度对馈电网络的影响而使天线性能恶化。同时，具有设计简单、调节方便，可以提高工程技术人员的设计效率。

Description

一种阵列天线结构及设计方法

技术领域

本发明涉及电子领域，尤其涉及一种阵列天线结构及设计方法。

背景技术

随着社会经济水平的发展和人民生活水平的提高，汽车变得越来越普及，于此同时，频发的道路交通事故迫使行车安全成为了一个广泛关注的话题，作为汽车主动安全辅助驾驶系统关键部件的车载雷达成了学术界和工业界研究的热点。天线作为无线电子设备中的关键性期间，其性能将决定这整个无线电子设备的性能。

基片集成波导(substrate integrated waveguide，SIW)是一种可以集成于介质基片中的新型导波结构，这种结构在介质基片中按一定间隔排列多个金属化通孔成为波导光滑侧壁的替代结构，从而与上下表面金属围成一个准封闭的导波结构，保持了金属波导的低插损、高功率容量等特点。基片集成波导已经被成功的用于设计多种微波结构，如基片集成波导天线、滤波器、双工器、功分器等。

微带线是微波领域传统的传输线结构，其具有的平面结构特点使其广泛的应用于微波与毫米波电路。现代微波电路使用微带线作为传输与连接结构。

阵列天线因其具有高增益、可波束赋形等优势被应用于很多的场合，例如雷达、通信、导航等。阵列天线在雷达系统中得到了广泛的应用，雷达系统采用的天线方案对雷达的整体作用以及整体性能指标有着重要的影响，雷达有多种分类方式，按照作用距离主要可以分为远距雷达、中距雷达和近距雷达，由于电磁波在空气中传播的距离越远，损耗越大，所以作用距离越远的雷达需要越高的链路增益，通过不同的天线增益来获得不同的链路增益对于雷达系统设计而言是最经济有效的方法，一般为了保证雷达探测距离的要求，远距雷达需要高增益的天线，中距雷达对于天线增益要求次之，近距雷达要求相对最低。大规模的阵列天线常常被用作高增益天线，而辐射单元及馈电网络的设计是其中最重要的环节。串馈微带天线因为结构简单，容易组阵等优点在车载雷达系统得到广泛的运用，已有设计和产品中常使用微带线来设计馈电网络，为了压缩整个天线的尺寸，微带T型结构的功率分配器常被用来作为馈电网络，并结合串馈微带阵列来实现大的平面阵列，进而实现高增益。

但是，完全使用传统的微带线结构的馈电网络存在着一些缺陷。

第一，大面积的微带馈电网自身存在电磁辐射。当需要设计高增益的天线时，阵元的数目会比较大，此时馈电网的面积会相应增加，在工作频率比较高时，尤其是毫米波频段，大面积的微带馈电网络自身存在着比较大的电磁场辐射，可以看成一个辐射源，馈电网络本身的辐射将对阵列天线的方向图产生较大影响，突出表现为天线方向图馈电网络一边将产生较大的副瓣。

第二，微带T型结构的馈电网络驻波和相位很难分开调节，设计难度比较大。常用的微带T型结构的馈电网络在通路数比较多的情况下，调节相关参数时往往对驻波和各通道的相位均有影响，因此，调节时需要同时考虑驻波和相位的要求，大大增加了设计难度。

第三，对精度要求比较高。由于微带线线宽较小，微带线尺寸的细微改变也会导致阻抗匹配情况的恶化，因此想要达到相关设计指标，对于PCB加工的精度要求比较高。

总之，使用微带结构的网络来实现高增益天线时，馈电网络本身的辐射将使得阵列天线的性能恶化，同时其设计的复杂性不利于提高工程人员的设计效率，而且较高的PCB精度要求有时候很难保证。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种简化设计方案，降低设计难度的可使用在车载雷达系统电路中的阵列天线结构及设计方法。

为达到上述目的，本发明技术方案是这样实现的：

一种阵列天线结构，包含馈电网络和辐射子阵，其中馈电网络包括功率分配器和多个移相器，所述功率分配器为基片集成波导T型功率分配器，所述移相器为混合基片集成波导与微带线的组合结构，所述T型功率分配器包括一个信号输入端和并列设置的多个信号输出端，在每个信号输出端连接一个所述移相器，所述基片集成波导T型功率分配器输出采用的基片集成波导的宽度与移相器输入采用的基片集成波导宽度相等。

所述基片集成波导T型功率分配器的输出各路采用等宽的片集成波导。

所述基片集成波导T型功率分配器为以中轴线为对称轴的轴对称结构，输出路数量为偶数，每个输出路均通过感性窗将能量耦合出来，通过调节各个耦合窗口尺寸的大小以及各路耦合窗口外感性金属化通孔位置来调节功率分配器的输入端的驻波水平，以及各输出路的输出功率比。

从所述基片集成波导T型功率分配器对称轴中心向两边输出功率递减。

所述移相器包含基片集成波导、微带渐变线和50欧姆微带线三个部分；其中，移相器中的基片集成波导和微带线的长度由所要实现的相移决定，所要实现的相移与各个部分的长度的关系式由下式给出：

其中，

为相移量，β_ML，β_{ML_taper}，β_SIW为分别对应于50欧姆微带线、微带渐变线、基片集成波导的相移常数，β_ML和β_SIW可由上述相关公式求出，β_{ML_taper}可通过商用电磁仿真软件计算得到相对精准的值，L_m为50欧姆微带线的长度，L_mt为微带渐变线长度，ε_r为使用的介质基片的介电常数，可由板材供应商提供，ε_e为等效介电常数，h为介质基片高度，W为50欧姆微带线宽度，a_eff为对应于基片集成波导的等效波导的宽度，aSIW为基片集成波导宽度，d为金属化通孔直径，p为相邻两个金属化通孔中心之间的距离，ξ₁～ξ₃为三个中间变量。

辐射子阵采用线性阵列的形式。

辐射子阵采用串馈微带阵列的结构，每个微带贴片为矩形贴片形式，馈线宽度不变，馈线从矩形贴片的一边中间馈入，从相对的另一边的中间穿出，处于馈电末端的微带贴片馈线只馈入；微带贴片沿着馈电方向的宽度相等，均为二分之一导波波长，相邻两个微带贴片中心之间的距离为二分之一导波波长；微带贴片沿着馈电垂直方向的宽度不相等，以满足相关阵列综合幅度分布的要求。

一种阵列天线结构的设计方法，包含以下步骤:

步骤一，辐射子阵的设计；

步骤二，确定馈电网络的输出端口数目N：根据车载雷达水平面的波束宽度要求，确定水平面组阵所需要采用的辐射子阵个数N，这个数量便是馈电网络的输出端口数目；

步骤三，设计一路分N路的T型功率分配器：水平方向相邻子阵的间隔为Dx,则选择Dx作为输出基片集成波导宽度，选择长度为N×Dx的基片集成波导并将两个端口用金属化通孔堵上，作为T型功率分配器的横臂，在其中一个侧壁中间接入一个宽度合适，与横臂垂直的基片集成波导作为输入端口；将N个宽度为Dx的等长的输出基片集成波导平行排列，相邻基片集成波导共用一排金属化通孔，在基片集成波导横臂与输入端口相对的侧边上分别开N个感性窗口，与对应的N个宽度为Dx的输出基片集成波导分别相连；在基片集成波导横臂中相应各个感性窗口外加入金属化通孔，通过调节金属化通孔的位置以及感性窗口的大小得到不同的功率分配比和满足设设计要求的输入驻波水平；

步骤四，设计馈电网络：选择设计好的T型功率分配器最边缘的两路作为参考基准，计算其他各路输出与边缘两路的传输相位差，然后通过移相器进行相位调整，将各路传输相位调整为一致；移相器采用混合基片集成波导和微带线的结构；移相器采用基片集成波导的宽度与T型功率分配器采用的基片集成波导的宽度相同；在基片集成波导和微带线总长度不变的情况下，通过调整基片集成波导和微带线的相应长度来实现不同的相移；移相器中的基片集成波导和微带线的长度与所要实现的相移的关系式由下式给出：

其中，

为相移量，β_ML，β_{ML_taper}，β_SIW为分别对应于50欧姆微带线、微带渐变线、基片集成波导的相移常数，β_ML和β_SIW可由上述相关公式求出，β_{ML_taper}可通过商用电磁仿真软件计算得到相对精准的值，L_m为50欧姆微带线的长度，L_mt为微带渐变线长度，ε_r为使用的介质基片的介电常数，可由板材供应商提供，ε_e为等效介电常数，h为介质基片高度，W为50欧姆微带线宽度，a_eff为对应于基片集成波导的等效波导的宽度，aSIW为基片集成波导宽度，d为金属化通孔直径，p为相邻两个金属化通孔中心之间的距离，ξ₁～ξ₃为三个中间变量；

步骤五，将上面设计好的N个辐射子阵和馈电网络连接起来，组成一个整体，便可以完成整个阵列天线的设计。在完成前可利用商用电磁仿真软件进行细微的优化。

所述辐射子阵设计的具体方法是：确定辐射子阵所采用的辐射单元的形式，根据车载雷达垂直面的波束宽度要求，选择辐射子阵的单元数目，并根据副瓣电平性能指标进行阵列综合，依据得到的幅度分布要求完成辐射子阵的设计。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、由于T型功率分配器的输出采用的基片集成波导的宽度与移相器输入采用的基片集成波导宽度相等，此时两者之间的连接可以看成是等阻抗传输线的连接，不会影响从整个馈电网输入端看进去的阻抗特性，因此，可以方便将馈电网络的输入阻抗调节与传输相位的调节过程分开，即可以独立的调节T型功率分配器的阻抗特性，每路再通过移相器来将传输相位调至所需值，从而简化设计，降低设计难度。

2、馈电网络中的功率分配器采用直接一路分多路的T型基片集成波导功率分配结构，不需要采用多级功率分配器级联的结构，可以降低馈电网络带来的损耗，同时可以有效的压缩功率分配器所占的电路面积。

3、馈电网络中的功率分配器采用直接一路分多路的T型基片集成波导功率分配结构，其输出各路采用等宽的基片集成波导，可以避免由于采用不等宽基片集成波导给各个通道所带来的调节和设计难度。

附图说明

图1阵列天线结构拓扑示意图；

图2阵列天线结构剖面示意图；

图3阵列天线结构正面示意图；

图4阵列天线结构反面示意图；

图5混合基片集成波导与微带传输线移相器原理示意图；

图6阵列天线设计实例|S11|实验结果；

图7阵列天线设计实例E面方向图实验结果；

图8阵列天线设计实例H面方向图实验结果；

图9阵列天线设计实例增益实验结果。

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

一种阵列天线结构，可用在车载雷达中，具体描述如下：

阵列天线拓扑结构，如图1所示，包含馈电网络和辐射子阵3，馈电网络包含功率分配器1和多个移相器2。辐射子阵3采用线性阵列的形式。如图2、3和4所示，4和6分别为天线结构的正面和反面结构，5为天线的剖面图，为标准的双层PCB结构。馈电网络7中的功率分配器采用一路分多路的T型基片集成波导功率分配结构，功率分配器的每个输出端口连接一个无源移相器。一路分多路的T型基片集成波导功率分配结构为以中轴线为对称轴的轴对称结构，输出路数量为偶数，此处给出的验证天线结构选用的数量为8。每个输出路均通过感性窗将能量耦合出来，通过调节各个耦合窗口11尺寸的大小以及各路耦合窗口外感性金属化通孔12位置来调节功率分配器的输入端的驻波水平，以及各输出路的输出功率比，为了降低阵列天线在水平组阵方向上的副瓣电平，从T型功率分配器对称轴中心向两边输出功率递减。每个输出端口连接的无源移相器采用混合基片集成波导和微带线的结构，具体原理图如图5所示，包含基片集成波导13、微带渐变线14和50欧姆微带线15三个部分。其中，每个输出端口所连接的移相器中的基片集成波导和微带线的长度由所要实现的相移决定，所要实现的相移与各个部分的长度的关系式由下式给出，其中，β_ML，β_{ML_taper}，β_SIW为对应于50欧姆微带线15、微带渐变线14、基片集成波导13的相移常数。

辐射子阵8采用串馈微带阵列的结构，每个微带贴片为矩形贴片形式，馈线宽度不变，馈线从矩形贴片的一边中间馈入，从相对的另一边的中间穿出，处于馈电末端的微带贴片馈线只馈入。微带贴片沿着馈电方向的宽度相等，均为二分之一导波波长，相邻两个微带贴片中心之间的距离为二分之一导波波长；微带贴片沿着馈电垂直方向的宽度不相等，以满足相关阵列综合幅度分布的要求。

一种阵列天线结构的设计方法，以下步骤:

步骤一，确定辐射子阵所采用的辐射单元的形式，根据实际应用场景对于垂直面的波束宽度要求，选择辐射子阵的单元数目，并根据副瓣电平等相关具体的性能指标进行阵列综合，依据得到的幅度分布等要求完成辐射子阵的设计；

步骤二，根据实际应用场景对于水平面的波束宽度要求，确定水平面组阵所需要采用的辐射子阵个数N，这个数量便是馈电网络的输出端口数目。

步骤三，设计一路分N路T型功率分配器，水平方向相邻子阵的间隔为Dx,则选择Dx作为输出基片集成波导宽度，选择长度为N×Dx的基片集成波导并将两个端口用金属化通孔堵上，作为T型功率分配器的横臂，在其中一个侧壁中间接入一个宽度合适，与横臂垂直的基片集成波导作为输入端口。将N个宽度为Dx的等长的输出基片集成波导平行排列，相邻基片集成波导共用一排金属化通孔，在基片集成波导横臂与输入端口相对的侧边上分别开N个感性窗口，与对应的N个宽度为Dx的输出基片集成波导分别相连。在基片集成波导横臂中相应各个感性窗口外加入金属化通孔，通过调节金属化通孔的位置以及感性窗口的大小可以得到不同的功率分配比，同时使得T型基片集成波导功率分配器的输入驻波达到较好的水平。

步骤四，调整相位。选择设计好的T型功率分配器最边缘的两路作为参考基准，基准平面如图4中10所示，计算其他各路输出与边缘两路的传输相位差，然后通过无源移相器进行相位调整，将各路传输相位调整为一致。无源移相器采用混合基片集成波导和微带线的结构，在基片集成波导和微带线总长度不变的情况下，通过调整基片集成波导和微带线的相应长度来实现不同的相移。移相器中的基片集成波导和微带线的长度与所要实现的相移的关系式由下式给出，其中，β_ML，β_{ML_taper}，β_SIW为对应于50欧姆微带线、微带渐变线、基片集成波导的相移常数。β_ML，β_SIW可由下面的公式计算得到，在微带渐变线尺寸确定的情况下，可以通过商用电磁场仿真软件仿真计算得到β_{ML_taper}的值，而微带渐变线作为基片集成波导到微带线的过渡，可以通过商用电磁场软件仿真得到其具体尺寸。至此，馈电网络的设计完成。

其中，

为相移量，β_ML，β_{ML_taper}，β_SIW为分别对应于50欧姆微带线、微带渐变线、基片集成波导的相移常数，β_ML和β_SIW可由上述相关公式求出，β_{ML_taper}可通过商用电磁仿真软件计算得到相对精准的值，L_m为50欧姆微带线的长度，L_mt为微带渐变线长度，ε_r为使用的介质基片的介电常数，可由板材供应商提供，ε_e为等效介电常数，h为介质基片高度，W为50欧姆微带线宽度，a_eff为对应于基片集成波导的等效波导的宽度，aSIW为基片集成波导宽度，d为金属化通孔直径，p为相邻两个金属化通孔中心之间的距离，ξ₁～ξ₃为三个中间变量。

步骤五，将上面设计好的N个辐射子阵和馈电网络连接起来，组成一个整体，利用商用电磁仿真软件进行细微的优化，便可以完成整个阵列天线的设计。

为了验证本发明的阵列天线结构及其设计方法的正确性，取N＝8,基于0.254mm厚度的Rogers RO3003基片设计了并加工测试了阵列天线的实例，相关实验结果在图6～图9中给出，实验结果证明了本发明所提供的阵列天线结构的正确性与有效性，同时，整个设计过程的效率也比较高。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种阵列天线结构，包含馈电网络和辐射子阵，其中馈电网络包括功率分配器和多个移相器，其特征在于，所述功率分配器为基片集成波导T型功率分配器，所述移相器为混合基片集成波导与微带线的组合结构，所述T型功率分配器包括一个信号输入端和并列设置的多个信号输出端，在每个信号输出端连接一个所述移相器，所述基片集成波导T型功率分配器输出采用的基片集成波导的宽度与移相器输入采用的基片集成波导宽度相等；

所述移相器包含基片集成波导、微带渐变线和50欧姆微带线三个部分；其中，移相器中的基片集成波导和微带线的长度由所要实现的相移决定，所要实现的相移与各个部分的长度的关系式由下式给出：

其中，

为相移量，β_ML，β_{ML_taper}，β_SIW分别对应于50欧姆微带线、微带渐变线、基片集成波导的相移常数，L_m为50欧姆微带线的长度，L_mt为微带渐变线长度，ε_r为使用的介质基片的介电常数，ε_e为等效介电常数，h为介质基片高度，W为50欧姆微带线宽度，a_eff为对应于基片集成波导的等效波导的宽度，aSIW为基片集成波导宽度，d为金属化通孔直径，p为相邻两个金属化通孔中心之间的距离，ξ₁～ξ₃为三个中间变量；

所述基片集成波导T型功率分配器的输出各路采用等宽的基片集成波导。

2.根据权利要求1所述的阵列天线结构，其特征在于：所述基片集成波导T型功率分配器为以中轴线为对称轴的轴对称结构，输出路数量为偶数，每个输出路均通过感性窗将能量耦合出来，通过调节各个耦合窗口尺寸的大小以及各路耦合窗口外感性金属化通孔位置来调节功率分配器的输入端的驻波水平，以及各输出路的输出功率比。

3.根据权利要求2所述的阵列天线结构，其特征在于：从所述基片集成波导T型功率分配器对称轴中心向两边输出功率递减。

4.根据权利要求1-3任一所述的阵列天线结构，其特征在于：辐射子阵采用线性阵列的形式。

5.根据权利要求4所述的阵列天线结构，其特征在于，辐射子阵采用串馈微带阵列的结构，每个微带贴片为矩形贴片形式，馈线宽度不变，馈线从矩形贴片的一边中间馈入，从相对的另一边的中间穿出，处于馈电末端的微带贴片馈线只馈入；微带贴片沿着馈电方向的宽度相等，均为二分之一导波波长，相邻两个微带贴片中心之间的距离为二分之一导波波长；微带贴片沿着馈电垂直方向的宽度不相等，以满足相关阵列综合幅度分布的要求。

6.一种阵列天线结构的设计方法，其特征在于，包含以下步骤:

步骤一，辐射子阵的设计；

步骤二，确定馈电网络的输出端口数目N：根据实际应用场景对于水平面的波束宽度要求，确定水平面组阵所需要采用的辐射子阵个数N，这个数量便是馈电网络的输出端口数目；

步骤三，设计一路分N路的T型功率分配器：水平方向相邻子阵的间隔为Dx,则选择Dx作为输出基片集成波导宽度，选择长度为N×Dx的基片集成波导并将两个端口用金属化通孔堵上，作为T型功率分配器的横臂，在其中一个侧壁中间接入一个与横臂垂直的基片集成波导作为输入端口；将N个宽度为Dx的等长的输出基片集成波导平行排列，相邻基片集成波导共用一排金属化通孔，在基片集成波导横臂与输入端口相对的侧边上分别开N个感性窗口，与对应的N个宽度为Dx的输出基片集成波导分别相连；在基片集成波导横臂中相应各个感性窗口外加入金属化通孔，通过调节金属化通孔的位置以及感性窗口的大小得到不同的功率分配比和满足设计要求的输入驻波水平；

步骤四，设计馈电网络：选择设计好的T型功率分配器最边缘的两路作为参考基准，计算其他各路输出与边缘两路的传输相位差，然后通过移相器进行相位调整，将各路传输相位调整为一致；移相器采用混合基片集成波导和微带线的结构；移相器采用基片集成波导的宽度与T型功率分配器采用的基片集成波导的宽度相同；在基片集成波导和微带线总长度不变的情况下，通过调整基片集成波导和微带线的相应长度来实现不同的相移；移相器中的基片集成波导和微带线的长度与所要实现的相移的关系式由下式给出：

其中，

为相移量，β_ML，β_{ML_taper}，β_SIW分别对应于50欧姆微带线、微带渐变线、基片集成波导的相移常数，L_m为50欧姆微带线的长度，L_mt为微带渐变线长度，ε_r为使用的介质基片的介电常数，ε_e为等效介电常数，h为介质基片高度，W为50欧姆微带线宽度，a_eff为对应于基片集成波导的等效波导的宽度，aSIW为基片集成波导宽度，d为金属化通孔直径，p为相邻两个金属化通孔中心之间的距离，ξ₁～ξ₃为三个中间变量；

步骤五，将上面设计好的N个辐射子阵和馈电网络连接起来，组成一个整体，完成整个阵列天线的设计。

7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于：所述辐射子阵设计的具体方法是：确定辐射子阵所采用的辐射单元的形式，根据实际应用场景对于垂直面的波束宽度要求，选择辐射子阵的单元数目，并根据副瓣电平性能指标进行阵列综合，依据得到的幅度分布要求完成辐射子阵的设计。

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