CN107196049B - 一种阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列天线，包含辐射单元和馈电网络两个部分，所述辐射单元和馈电网络形成一层状结构，该层状结构包含两层介质基片、三层金属层和一个粘贴介质层，从上至下分别为顶部金属层、第一层介质基片、粘贴介质层、中间金属层、第二层介质基片和底部金属层；顶部金属层用于形成所述辐射单元，该馈电网络包括用于激励每个辐射子阵的基片集成波导。与现有技术相比，本发明可以实现阵列天线结构的紧凑，同时，等幅同相的馈电形式可以实现整个天线的辐射方向始终指向法向，避免波束摇头，此外，馈电网络使用基片集成波导结构，可以降低馈电网络引起的损耗，整个天线拥有较宽的带宽。

Description

一种阵列天线

技术领域

本发明涉及电子领域，尤其涉及一种阵列天线。

背景技术

随着社会的进步和技术的发展，对于实现电子系统高性能、小型化的需求日益迫切。阵列天线在通信、导航、雷达、探测等诸多领域的电子系统里面有着广泛的应用，能够实现高性能，小型化的阵列天线结构必然能带来良好的经济效益和社会效益。

当前社会，汽车变得越来越普及，与此同时，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器件，其性能将决定这整个无线电子设备的性能。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，

之前已公开的相关车载雷达天线还存在如下一些问题：

1、大部分天线采用从一端馈电的形式，会引起波束摇头的问题；

2、馈电网络占用了一定的电路面积，整个天线结构不够紧凑；

3、天线的带宽比较窄；

4、馈电网络损耗大。

因此，当前用在车载雷达系统的阵列天线还存在以上问题亟待解决。

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的不足，而提供一种结构紧凑、体积小、能避免波束摇头且拥有较宽的带宽的阵列天线。

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，包含辐射单元和馈电网络两个部分，其特征在于，所述辐射单元和馈电网络形成一层状结构，该层状结构包含两层介质基片、三层金属层和一个粘贴介质层，从上至下分别为顶部金属层、第一层介质基片、粘贴介质层、中间金属层、第二层介质基片和底部金属层；顶部金属层用于形成所述辐射单元，所述顶部金属层包括辐射子阵以及位于每个辐射子阵中心的微带功分器，所述辐射子阵由呈阵列布置的金属贴片构成；中间金属层、第二层介质基片和底部金属层用于形成所述馈电网络，该馈电网络包括用于激励每个辐射子阵的基片集成波导。

所述金属贴片为正方形，采用2×2^N的阵列排布形式，每行上2^N个金属贴片的对角线在一条水平直线上，每列上2个金属贴片的对角线在一条竖直直线上；所述微带功分器为由两条平行细窄微带线(宽度小于0.05倍电磁波在空气中的工作波长)和将两条平行微带线在中部连接的中心微带线构成的一个“工”形结构，四个正方形金属贴片的一个角各自与“工”字形微带功分器的一个端口相连，这样的四个正方形金属贴片形成一个辐射子阵，整个辐射单元共有2^N-1个辐射子阵。

在每个基片集成波导上开设有一个用于激励所述辐射子阵的横缝，该横缝的中心与辐射子阵中心的微带功分器的中心重合，横缝与中心微带线垂直，通过缝隙耦合激励位于顶部金属层的微带功分器，实现对顶部金属贴片的同相馈电；

基片集成波导宽边横缝通过与横缝垂直的边上的端口输入信号，通过正置和反置相互交错的“T”形基片集成波导形成的功率分配网络给各个基片集成波导宽边横缝提供等幅等相的输入。

N的值取2，即阵列规模为2×4，形成两个辐射子阵，采用两个位于第二层介质基片上的基片集成波导宽边横缝对两个子阵进行馈电，两个相邻的基片集成波导宽边横缝与从它们中间空隙穿过去的“T”形功分器的输出端口相连。

N的值取3，即阵列规模为2×8，形成四个辐射子阵，采用四个位于第二层介质基片上的基片集成波导宽边横缝对四个子阵进行馈电，每两个相邻的基片集成波导宽边横缝与从它们中间空隙穿过去的第一“T”形功分器的输出端口相连，第一“T”形功分器的输入端口与一个从中间相邻两子阵之间的空隙穿过去的第二“T”形功分器的两个输出端分别相连，第一“T”形功分器和第二“T”形功分器的方向相反。

N的值取4，即阵列规模为2×16，形成八个辐射子阵，采用八个位于第二层介质基片上的基片集成波导宽边横缝对八个子阵进行馈电，每两个相邻的基片集成波导宽边横缝与从它们中间空隙穿过去的第一“T”形功分器的输出端口相连，第一“T”形功分器的输入端口与一个从中间相邻两子阵之间的空隙穿过去的第二“T”形功分器的两个输出端分别相连，第二“T”形功分器的输入端口与一个从中间相邻两子阵之间的空隙穿过去的第三“T”形功分器的两个输出端分别相连，第一“T”形功分器和第二“T”形功分器的方向相反，第二“T”形功分器与第三“T”形功分器的方向相反。

所采用的第一层介质基片的厚度为0.127mm,第二层介质基片的厚度为0.254mm。

所述层状结构采用多层印制电路板工艺实现。

一种阵列天线，包含辐射单元和馈电网络两个部分，辐射单元采用平面贴片形式，馈电网络采用基片集成波导的形式；总体结构采用多层印制电路板工艺实现，辐射单元和馈电网路不在同一层介质基片上实现。阵列天线结构，每个子阵底部采用一个顶部宽边开横缝的基片集成波导激励，横缝的中心与子阵中心的微带功分器的中心重合，且横缝与微带功分器中心的细窄微带线垂直，通过缝隙耦合激励位于顶部金属层的微带功分器，实现对顶部金属贴片的同相馈电，整个结构由中间金属层、第二层介质基片、底部金属层以及穿过这三层结构的金属化通孔构成；基片集成波导宽边横缝通过与横缝垂直的边上的端口输入信号，通过正置和反置相互交错的“T”形基片集成波导形成的功率分配网络给各个基片集成波导宽边横缝提供等幅等相的输入。

与现有技术相比，本发明阵列天线结构，将辐射单元采用贴片形式并与馈电网络形成层状结构，可以实现阵列天线结构的紧凑，同时，等幅同相的馈电形式可以实现整个天线的辐射方向始终指向法向，避免波束摇头，此外，馈电网络使用基片集成波导结构，可以降低馈电网络引起的损耗，整个天线拥有较宽的带宽。

附图说明

图1本发明提供的阵列天线多层结构示意图；

图2本发明提供的阵列天线顶部金属层结构示意图；

图3本发明提供的阵列天线中间金属层结构示意图；

图4本发明提供的阵列天线底部金属层结构示意图；

图5本发明提供的N＝3时阵列天线从顶部俯视看到的透视结构示意图；

图6示例天线|S11|仿真结果；

图7示例天线方向图仿真结果。

图8为N＝2时阵列天线从顶部俯视看到的透视结构示意图；

图9为N＝4时阵列天线从顶部俯视看到的透视结构示意图。

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，而不是全部的实施例。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，都属于本发明保护的范围。

请参照图1-图5，本发明一种阵列天线，包含辐射单元和馈电网络两个部分，辐射单元采用平面贴片形式，馈电网络采用基片集成波导的形式；总体结构采用多层印制电路板工艺实现，辐射单元和馈电网路不在同一层介质基片上实现，总体结构上包含两层介质基片，三层金属层，一个粘贴介质层，从上至下分别为顶部金属层1、第一层介质基片4、粘贴介质层5、中间金属层2、第二层介质基片6、底部金属层3；辐射单元处于顶部金属层1，采用正方形金属贴片8的形式，采用2×2^N的阵列排布形式，即一共两行，每行2^N个单元；每个正方形金属贴片8绕自身中心轴旋转45度后，两行中正方形金属贴片均按同一间距一一对应排列；第一行每两个相邻的正方形金属贴片和第二行对应的两个相邻的正方形金属贴片组成一个含有四个辐射单元的方形的辐射子阵，当N取3时，总共形成4个辐射子阵10、11、12、13，每个辐射子阵中，使用一个位于子阵中心的微带功分器9将四个正方形金属贴片贴片连接起来，微带功分器为由细窄微带线构成的一个正向放置的“工”形结构，四个正方形金属贴片的一个角14各自与“工”字形微带功分器的一个端口相连，这样的四个正方形金属贴片形成一个子阵，整个天线阵列共有2^N-1个子阵构成；每个子阵底部采用一个顶部宽边开横缝20的基片集成波导16、17、18、19激励，宽边横缝20的中心与子阵中心的微带功分器9的中心重合，且宽边横缝与微带功分器中心的细窄微带线15垂直，通过缝隙耦合激励位于顶部金属层的微带功分器9，实现对顶部金属贴片的同相馈电，整个结构由中间金属层2、第二层介质基片6、底部金属层3以及穿过这三层结构的金属化通孔7构成；基片集成波导通过与宽边横缝20垂直的边上的端口输入信号，通过正置和反置相互交错的“T”形基片集成波导形成的功率分配网络21、22、23给各个基片集成波导宽边横缝提供等幅等相的输入；当N的值取3，即阵列规模为2×8，形成四个子阵10、11、12、13，采用四个位于第二层介质基片上的基片集成波导宽边横缝16、17、18、19分别对四个子阵进行馈电，每两个相邻的基片集成波导宽边横缝结构与从它们中间空隙穿过去的“T”形功分器22、23的输出端口相连，输入端口与一个从中间相邻两子阵之间的空隙穿过去的“T”形功分器21的两个输出端分别相连；所采用的第一层介质基片4的厚度为0.127mm,第二层介质基片6的厚度为0.254mm；附图5给出了从顶部俯视整个天线结构看到的透视图形状；

为了验证本发明提供的阵列天线的真实性和可靠性，特在W波段制作了一个示例进行验证。相关实验结果如图6、图7所示，从图6、图7的实验结果可以验证本发明提出的相关结构的正确性与有效性。

图8为N值取2时阵列天线的结构图，即阵列规模为2×4，形成两个辐射子阵，采用两个位于第二层介质基片上的基片集成波导宽边横缝对两个子阵进行馈电，两个相邻的基片集成波导宽边横缝与从它们中间空隙穿过去的“T”形功分器的输出端口相连。

图9为N值取4，即阵列规模为2×16，形成八个辐射子阵，采用八个位于第二层介质基片上的基片集成波导宽边横缝对八个子阵进行馈电，每两个相邻的基片集成波导宽边横缝与从它们中间空隙穿过去的第一“T”形功分器的输出端口相连，第一“T”形功分器的输入端口与一个从中间相邻两子阵之间的空隙穿过去的第二“T”形功分器的两个输出端分别相连，第二“T”形功分器的输入端口与一个从中间相邻两子阵之间的空隙穿过去的第三“T”形功分器的两个输出端分别相连，第一“T”形功分器和第二“T”形功分器的方向相反，第二“T”形功分器与第三“T”形功分器的方向相反。

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，包含辐射单元和馈电网络两个部分，其特征在于，所述辐射单元和馈电网络形成一个层状结构，该层状结构包含两层介质基片、三层金属层和一个粘贴介质层，从上至下分别为顶部金属层、第一层介质基片、粘贴介质层、中间金属层、第二层介质基片和底部金属层；顶部金属层用于形成所述辐射单元，所述顶部金属层包括辐射子阵以及位于每个辐射子阵中心的微带功分器，所述辐射子阵由呈阵列布置的金属贴片构成；中间金属层、第二层介质基片和底部金属层用于形成所述馈电网络，该馈电网络包括用于激励每个辐射子阵的基片集成波导；

所述金属贴片为正方形贴片，采用2×2^N的阵列排布形式，每行上2^N个金属贴片的对角线在一条水平直线上，每列上2个金属贴片的对角线在一条竖直直线上；所述微带功分器为由两条平行细窄微带线和将两条平行微带线在中部连接的中心微带线构成的一个“工”形结构，四个正方形金属贴片的一个角各自与“工”字形微带功分器的一个端口相连，这样的四个正方形金属贴片形成一个辐射子阵，整个辐射单元共有2^N-1个辐射子阵。

2.如权利要求1所述的阵列天线结构，其特征在于，在每个基片集成波导上开设有一个用于激励所述辐射子阵的横缝，该横缝的中心与辐射子阵中心的微带功分器的中心重合，横缝与中心微带线垂直，通过缝隙耦合激励位于顶部金属层的微带功分器，实现对顶部金属贴片的同相馈电；基片集成波导宽边横缝通过与横缝垂直的边上的端口输入信号，通过正置和反置相互交错的“T”形基片集成波导形成的功率分配网络给各个基片集成波导宽边横缝提供等幅等相的输入。

3.如权利要求2所述的阵列天线，其特征在于，N的值取2，即阵列规模为2×4，形成两个辐射子阵，采用两个位于第二层介质基片上的基片集成波导宽边横缝对两个子阵进行馈电，两个相邻的基片集成波导宽边横缝与从它们中间空隙穿过去的“T”形功分器的输出端口相连。

4.如权利要求2所述的阵列天线，其特征在于，N的值取3，即阵列规模为2×8，形成四个辐射子阵，采用四个位于第二层介质基片上的基片集成波导宽边横缝对四个子阵进行馈电，每两个相邻的基片集成波导宽边横缝与从它们中间空隙穿过去的第一“T”形功分器的输出端口相连，第一“T”形功分器的输入端口与一个从中间相邻两子阵之间的空隙穿过去的第二“T”形功分器的两个输出端分别相连，第一“T”形功分器和第二“T”形功分器的方向相反。

5.如权利要求2所述的阵列天线，其特征在于，N的值取4，即阵列规模为2×16，形成八个辐射子阵，采用八个位于第二层介质基片上的基片集成波导宽边横缝对八个子阵进行馈电，每两个相邻的基片集成波导宽边横缝与从它们中间空隙穿过去的第一“T”形功分器的输出端口相连，第一“T”形功分器的输入端口与一个从中间相邻两子阵之间的空隙穿过去的第二“T”形功分器的两个输出端分别相连，第二“T”形功分器的输入端口与一个从中间相邻两子阵之间的空隙穿过去的第三“T”形功分器的两个输出端分别相连，第一“T”形功分器和第二“T”形功分器的方向相反，第二“T”形功分器与第三“T”形功分器的方向相反。

6.如权利要求1-5任意一项所述的阵列天线，其特征在于，所采用的第一层介质基片的厚度为0.127mm,第二层介质基片的厚度为0.254mm。

7.如权利要求1-5任意一项所述的阵列天线，其特征在于，所述层状结构采用多层印制电路板工艺实现。

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